远距离输电|电能的输送

前面我们学习了电磁感应现象和交流电发电机，我们就可以大量地生产电能，以供民用和企业生产使用。

比如，葛洲坝电站通过发电机把水的机械能转化为电能，发电功率可达271.5万千瓦。可这么多的电能当然要输到用电的地方去，下面我们来研究电能的输送有关知识。

电能的输送

问题：发电站发出的电能是怎样输送到远方的呢？

如：葛洲坝电站发出的电是怎样输送到武汉、上海等地的呢？

答案是，通过电线输送的。而且是，通过架设很高的（考虑危险性）、很粗的高压电线输送的，这是为什么呢？

因为电能的输送电能损失很大。电能为何损失呢？

电能的输送电能损失

如果不考虑升压变压器与降压变压器的使用，电能按照发电厂的电压进行输送，那么，最基本的输送电能模式如图所示：

由于发电厂和用电端距离很远，比如陕北榆林发电供京津冀地区使用，线路特别长。我们根据电阻与电阻率关系式：

可知，总的电阻非常大，因此会有很大的能量（功率）损失，转化为电线上的焦耳热。

不难得出损耗的功率为：

根据欧姆定律可知，输电线上还会有很大的电压降低。

输电要用导线，导线当然有电阻，如果导线很短，电阻很小可忽略，而远距离输电时，导线很长，电阻大不能忽略。

电流通过很长的导线要发出大量的热，如：河南平顶山至湖北武昌的高压输电线电阻约400欧，如果通的电流是100安，每秒钟导线发热就是400万焦耳。这些热都散失到大气中，白白损失了电能。所以，输电时，必须设法减小导线发热损失。

为什么采用高压输电

问题：如何减小导线发热（能量消耗）呢？

由焦耳定律的公式Q=I²Rt，减小发热Q有以下三种方法：

一是减小输电时间t，

二是减小输电线电阻R，

三是减小输电电流I。

哪种方法能被实际使用呢？第一种方法等于停电，没有实际价值。第二种方法从材料、长度、粗细三方面来说都有实际困难。适用的超导材料还没有研究出来。排除了前面两种方法，就只能考虑第三种方法了。

从焦耳定律公式Q=I²Rt可以看出，第三种办法是很有效的：电流减小一半，损失的电能就降为原来的四分之一。通过后面的学习，我们将会看到这种办法也是很可行的。

因此，减小电能的损失，必须减小输电电流。

但从另一方面讲，输电就是要输送电能，输送的功率必须足够大，才有实际意义。

怎样才能满足上述两个要求呢？根据公式P=UI，要使输电电流I减小，而输送功率P不变（足够大），就必须提高输电电压U。

所以说通过高压输电可以保证在输送功率不变，减小输电电流来减小输送电的电能损失。

输送电能流程

输送电能的流程：发电站→升压变压器→高压输电线→ 降压变压器→用电单位；

远距离输电的原理图

远距离输电的原理图如下图所示，其中U1为发电厂产生原始电压，根据交流电产生原理可知，其瞬时值满足：

E1=NBSωsinωt

其有效值满足：U1=√2/2*NBSω

发电机电流I1的取值，决定于发电机的功率机组。

由理想变压器的公式，可做如下推导。

根据上图中升压变压器电压关系公式：

U1：U2=n1:n2

由于存在输电线的电阻，因此，在降压变压器的输入端的电压U3满足公式：

U3=U2-△U

根据上图中降压变压器电压关系式：

U3：U4=n3:n4

可求出U4（用户端电压值）数值。

根据上图中降压变压器电流关系公式：

I’：I0=n3：n4

再根据上图中升压变压器电流关系：

I0：I1=n1：n2

可求出发电机上的电流值I1

便可根据用户的需求，来调整发电机组的发电量（功率P=U1*I1）

远距离输电功率公式

我们借助下图，对远距离输电中损耗的电功率公式进行推导。

（1）输电线电流公式：发电站的输出电功率为P，输出电压为U，用户得到的电功率为P′，电压为U′，则输电电流为：

（2）输电线上损失的热功率△P满足公式：

（3）如果发电机的功率为P，用户端的功率为P’，则输电线上损失的热功率还满足公式： 

由此公式可知，在输电线总电阻R_线固定的前提下，减小U_线＝U－U′＝IR_线 ，即增加输入电压数值，是减小输电线上损失的热功率△P的方法。次公式的推导结果，与上文分析完全一致。

远距离输电输送的是交流电

只有交流电可以借助变压器实现升压与降压，因此上文讨论的远距离输电输送的是交流电。

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原创作者：王尚，崔强；审核：苏阳。

归档日期：2017-08-31

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