从发电到用电
交流与直流
交流电流是指电流强度和电流方向都发生周期性变化的电流。不同于直流电，后者的方向是不会随着时间发生改变的，并且直流电没有周期性变化。
正因如此，交流电的瞬时电压是随时间的变化而变化的，日常生活中说的 $220\mathrm{V}$ 电压，实际上指的是其等效电压，等于在相同时间内产生相同大小焦耳热的直流电电压。
交流电中，电子的运动方向也不同于直流电，沿一个方向运动，相反，电子在一个范围内做往复运动，振幅在微米到毫米级别。事实上，就算在直流电中，电子的速度每秒也只有几毫米。
而我们平时说的，电流从发电站，流向家庭，再流回，实际上只是一种习惯简化的说法。
能量并不靠电子的运动传播。电磁波沿着导线以光速传播，激发了电子的运动。导线只不过起到约束电磁波的作用。我们所使用的网线，其内部虽有绝缘，却仍要两两绞在一起，接网线时，还要按一定的顺序，就是为了减少线路之间的干扰。
从发电开始
民用电路一般采用三相四线制。顾名思义，三根是相线，一根是中性线。若在电源侧中性线接地，则又称为零线。一般我们只使用其中的一根相线。
发电机
一般，交流发电机由三个线圈和一个中间的电磁铁组成，线圈为定子，电磁铁为转子。线圈彼此相隔 $120 ^{\circ}$。
三个线圈分别有一端连在一起，形成中性点，引出中性线，另外三端就是三根相线，这就叫做星形接法。与重力势能等相同，电势是一个相对的量，一般我们认为规定大地电势为 $0$。但是因为三个时间、空间上相差 $120^{\circ}$ 的正弦波和为 $0$，当其不接地时，也规定中性点的电势为 $0$。若不平衡，浮空中性点电压会漂移。这里，根据电压等级和系统要求的不同，中性点可以直接接地，也可以通过电阻或消弧线圈接地，甚至不接地。
变压器
发电机发出来的电在 $10\mathrm{kV}$ 到 $24\mathrm{kV}$ 之间，但为了远距离传输，还需要再次升压。变压器，只改变电压，而不改变频率。
一个变压器通常由铁芯和线圈组成。交变电流通过初级线圈，产生变化的磁场，而磁场使次级线圈中产生电流。通常是硅钢制的铁芯的磁导率比空气高出几千倍，可以起到放大磁场，并规定其方向。
这里，我们只解释一种常见的三相变压器，如图，这就是一个降压变压器。
对输电系统中的升压变压器来说，一般初级线圈使用三角形接法，即：将三个线圈首尾相连，在连接处引出三根相线，但次级线圈使用星形接法。这里，为了保证中性点对地电压为 $0$，中性点会直接接地，也就锚定了其电压，但并不会拉一条中性线。而高压电线杆上也还会有避雷线和负责电网内部通信的光缆等。
经过高压输电后为了将其转变为能直接使用的电，还需要经过降压变压器。这时候，与升压变压器相反，初级线圈使用三角形接法，而次级线圈使用星形接法，又出现一根中性线，同样，也会接地处理，然后被送往千家万户。
用电
家庭用电一般为 $220\mathrm{V}$，只用到三根相线中的一根，所以，三根相线会被划分给不同的居民。
对工业用电，也就是三相电，可以只使用三根相线，提供 $380\mathrm{V}$ 的电压。这时候，三根电缆互为回路，可以参考上文图中三个相线的电压变化。
三相平衡
三相平衡要求三相电路中电压源频率相同、幅值相等且相位互差 $120^{\circ}$，负载阻抗相同且为线性阻抗。
中国供电的频率是 $50 \mathrm{Hz}$，幅值，也就是最大值，是 $311 \mathrm{V}$，这些供电端就处理好了。
这里的 $120^{\circ}$，指的是时间上的。正弦函数的一个周期是 $360^{\circ}$，而供电频率为 $50 \mathrm{Hz}$，也就代表一个周期是 $0.02$ 秒，$120^{\circ}$ 也就差不多是 $6.67$ 毫秒。这样，在数学上，当三相平衡时，我们才能推导出三相瞬时电压之和为 $0$，瞬时电流之和为 $0$ 等一系列优美的结论。
保证负载阻抗相同就是用户端的职责了。之前说三相电不需要中性线，这时候每相电的阻抗必须相同。但到了家庭用电，为了出现闭合回路，中性线中一定存在电流。由于现实中不存在电阻为 $0$ 的完美导线，而中性点一般距家庭很远，这便会产生压降。
这里的压降指的是电压降，指电流流经电阻、导线或负载时发生的电势下降，即负载两端的电位差。很显然，有：
\[U_{drop} = IR\]其中，$R$ 指导线的电阻。
由于压降的存在，家庭端中性线对地面会有一定的电压。
由于现实生活中负载肯定不会完全相同，通常，电流在中性点处也不会是 $0$，这时这些电流通过中性点在各相之间重新分配，从而补偿了负载的不平衡。但假如恰好平衡，电流就会在中性点处抵消。
最后要提到线性与非线性阻抗。阻抗，是电路中电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗。现在我们不考虑这些问题，只考虑它对交流电网的影响。
线性阻抗两端的电压与电流是成正比的，也就是说，电压呈正弦波形，电流也会是正弦波。这样，上文的互差 $120^{\circ}$ 的条件就满足了。
非线性阻抗对电压的反应是不规则的，比如说二极管，它的图像是一条指数曲线，而且只能让电流单向通过。虽然可以利用这个特性将交流电转变为直流电，但这同时也带来了大量谐波，就是频率为基波整数倍的波。开关电源（电脑、手机充电器等）、LED灯、变频空调等都是非线性负载。
可怕的是三次谐波，频率为三倍基波频率。原本，$ABC$ 每相上的电流为： \(i_A(t) = I_m \sin(\omega t)\)
\[i_B(t) = I_m \sin(\omega t - 120^\circ)\] \[i_C(t) = I_m \sin(\omega t - 240^\circ)\]它们的和本应为 $0$。但频率变成原来三倍后，有：
\[i_{A3}(t) = I_{3m} \sin(3\omega t)\] \[i_{B3}(t) = I_{3m} \sin(3(\omega t - 120^\circ)) = I_{3m} \sin(3\omega t - 360^\circ)\] \[i_{C3}(t) = I_{3m} \sin(3(\omega t - 240^\circ)) = I_{3m} \sin(3\omega t - 720^\circ)\]根据正弦函数的周期性，$\sin(\theta - 360^\circ) = \sin\theta$，有：
\[i_{N3} = i_{A3} + i_{B3} + i_{C3} = I_{3m} \sin(3\omega t) + I_{3m} \sin(3\omega t) + I_{3m} \sin(3\omega t)\] \[i_{N3} = 3 I_{3m} \sin(3\omega t)\]并不会抵消，反而直接相加。这意味着，即便三相负载完全平衡，三次谐波也会在中性线上叠加，导致中性线电流可能远超相线电流，且使按 $50\mathrm{Hz}$ 设计的变压器过热，发出噪声，寿命降低等。当然，因为变压器是三角形接法，并不会影响到输电的三根相线。我们可以使用有功功率滤波器等解决这个问题。它实时检测波形，发现有三次谐波，便立即产生一个相位相反的电流去抵消它。
了解这些以后，我们就能理解输电网设计的精妙之处：在长距离高压输电中，取消中性线，节省了昂贵的线材成本，而在最终的用户端，又通过星形接法重建中性线，为我们提供了兼容 $220\mathrm{V}$ 单相设备和 $380\mathrm{V}$ 三相设备的灵活供电系统。