从美国河到萨克拉门托：Folsom 如何预演现代电网
这个周末从太浩湖回来，路上经过 Folsom，我们顺便去看了那里的老水电站。本来只想随便逛一圈，没想到从水轮机、调速器到变压器都保留得很完整，我也趁机了解了一下水力发电和早期交流输电是怎么回事。 这座电站 1895 年开始运行，四台发电机一共 3 MW，升压到 11,000 伏后，把电送到 22 英里外的萨克拉门托。
先看博物馆
正式进机房前，我们先看了旁边的小博物馆。展厅不大，有不少东西值得看看。
我印象很深的是一组电器能耗的对比。1970 年代，加州成立了 California Energy Commission，并开始推行家电能效标准。放到冰箱、空调这些每天使用的电器旁边看，同样完成一件事，需要的电越来越少。
博物馆用人均用电量对比展示加州能效标准的长期影响。
另一个展柜里是早期线路工使用的装备。图中 1 是支撑身体的腰带；2 是接线工具和铜线；3 是爬木质电线杆用的脚扣（climbing leg spikes，也叫 gaffs），靠金属尖刺咬住木杆。 早期线路工使用的腰带、接线工具和爬杆脚扣。
另一件很容易忽略的东西，是一串圆盘状的瓷绝缘子。它们不只是把电线吊起来：盘片越多，电流沿潮湿表面泄漏到铁塔所要经过的路径就越长，也就能服务更高的电压。层层伞裙还会把雨水分开，尽量不让表面形成一条连续的导电路径。展柜里的瓷盘绝缘子；下方还放着调速器零件和同步指示表。
一条河，四根水管
现场展板里的水路总览：水从 canal 进入 forebay，再经 penstock 进入 powerhouse，最后从 tailrace 回到河里。
美国河的水先沿两英里长的 East Canal 进入前池。泥沙和碎石在这里沉降，水再进入四根直径八英尺的压力水管（penstock），利用约 55 英尺的落差冲向水轮机。
通向水轮机的巨大压力水管。
Folsom 使用的是反击式水轮机。水流推动水轮机叶片，带动中间的主轴转动。这根六英寸粗的主轴直接连接发电机，以每分钟约 300 转运行。
从检修窗看到的水轮机转轮，以及水轮机和主轴的连接。
后来我和妈妈聊起 Folsom。她说小时候家乡的小水电站，站房上下的高度看起来比这里还大。我一开始有点疑惑：Folsom水电站为什么落差似乎还没有一个乡间小电站高？其实发电量还取决于流量。Folsom 的水头约 55 英尺，不算特别高，但四根八英尺粗的压力水管能带来很大的水量。
压力水管房里的高石墙和竖向管道，让现场的落差看起来更直观。
三兆瓦，二十二英里
机房里有四台 General Electric 发电机，每台 750 kW，合计 3 MW。1895 年，这些八英尺多高、重约 5.8 万磅的机器被认为是当时最大的三相发电机。它们输出 60 Hz 三相交流电，这套组合后来成为北美电网的常见形式。
图中 1 是外圈的固定磁极；2 是旋转电枢上的铜导条；3 是一组导条的端部连接。这台确实是三相交流发电机：三组绕组按不同相位错开分布，并不是三根单独的铜条。水轮机带着电枢转动，铜绕组穿过磁场，产生交流电。
发电机先产生约 800 伏的电，再由变压器升到 11,000 伏，送往 22 英里外的萨克拉门托。在传输功率近似不变时，电压升高，电流就能降低；而线路发热损耗与电流平方成正比。升压的意义不是让电“跑得更快”，而是让同样的功率少在线路上变成热。
直流并非天然不能做高压输电。 19 世纪末交流电可以用结构简单的变压器可靠升降压，直流还没有同样便宜方便的电压转换技术。Folsom 的价值也不在于重新辩论爱迪生和特斯拉谁对，而是把交流方案做成了可以服务一座城市的工程。
馆内成排的早期变压设备。
变压器工作时，线圈和铁芯都会发热。早期设备可以靠空气散热，后来常把它们浸在绝缘油里。热油上升、冷油下降，把热量带到金属外壳或散热器；油同时隔绝空气、提高绝缘能力。室外的油浸式变压器和瓷绝缘子，把馆内的早期设备接到了我们更熟悉的现代样子。
室外变压器、开关设备与绝缘子。
没有计算机的自动控制
发出交流电还不等于可以稳定供电。萨克拉门托的街车和工厂随时会开关设备：负载突然增加，发电机转速会下降；负载减少，水轮机又会被水推得过快。调速器（governor）像一个自动油门，感知转速变化，再通过连杆调整导叶或进水阀，让水流和负载重新平衡。
调速器如何根据负载变化自动调整进水量。
现场还保留着把水位变成人能读懂的刻度。水位本身不能直接告诉你每秒流过多少水，但结合已知的水槽几何形状和闸门开度，就可以估算流量。水位过低时，值班员还要通过电话请求上游放水。所谓“自动化”，在这里始终和人工协调接在一起。
机房墙上的水位刻度。
我很喜欢现场的漏斗和铃铛。冷却水或冷凝水被公开地引到漏斗里，值班员可以直接看到水流；一旦预期的水流中断，重力和连杆就能触发铃声。今天我们会用流量传感器、告警规则和手机通知，当时的人用的是可见的水滴、机械平衡和一只真正的铃。
漏斗与回水管路。
机械铃与告警装置。
并网也需要人工完成。操作员要在大理石控制台上比较电压、频率和相位，等发电机与线路同步后才能合闸。一个错误的时刻，就可能让两套交流电彼此“顶牛”。
Docent
这次带我们参观的 docent 叫 Stephanie。开始前她先问我，是想多听 electrical、scientific 的内容，还是 history；我说 scientific，她便一路给我讲这些机器是怎么工作的。临走时她说，这次时间太短了，下次从太浩湖回来如果还经过 Folsom，可以再来找她，她讲上几个小时都没问题，希望以后还有机会再来。