電的傳輸歷程

Ｎｉｍｏ

發(fā)電

既然要還原輸電的全過程，那么我們就需要追根溯源——電是從何而來的?對于這個問題，稍微有點(diǎn)常識的朋友都知道，電是由電廠發(fā)出的。自19世紀(jì)那個叫法拉第的英國人發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后，電在我們的生活中就不再像自然界的閃電一樣不為人類所控制，而是成為了人類發(fā)展中不可或缺的重要能源。

基于法拉第對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究，很快發(fā)電機(jī)便被發(fā)明了出來。不過當(dāng)時發(fā)電機(jī)的作用并不是像現(xiàn)在樣，為我們的生活服務(wù)，而是作為實驗室的研究設(shè)備，方便科學(xué)家對電進(jìn)行研究。在19世紀(jì)60年代，德國人韋納馮西門子(聰明的Geek應(yīng)該能夠聯(lián)系到他與西門子公司的關(guān)系了吧)將當(dāng)時發(fā)電機(jī)中永磁鐵改為電磁鐵，設(shè)計出了第一臺實用發(fā)電機(jī)。即便是今天，我們在電廠的發(fā)電機(jī)中，依然能看到西門子發(fā)明的發(fā)電機(jī)的影子。無論現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)怎么發(fā)展，其基本的工作原理依然與200多年前的發(fā)電機(jī)樣，都是依靠電磁感應(yīng)現(xiàn)象將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，我們目前常見的發(fā)電方式主要可分為火電與水電兩種。前者主要是將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再用發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；而后者則是通過建筑堤壩來提高水的勢能，再將勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最后用發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。除此之外，發(fā)電方式還包括地?zé)崮?、潮汐能、風(fēng)能、太陽能以及核能等方式。目前，我國的電能絕大多數(shù)是通過火力發(fā)電方式產(chǎn)生的，但是風(fēng)能、太陽能以及核能等較為環(huán)保的發(fā)電方式也在一定程度上得到了應(yīng)用。

升壓

現(xiàn)在，電已經(jīng)由電廠發(fā)出了，等待它的就是通過電網(wǎng)將它送到千家萬戶，服務(wù)于我們的生活。不過在此之前，它還必須通過變電站進(jìn)行升壓處理才能進(jìn)入電網(wǎng)傳輸。一般而言，變電站由變壓器、導(dǎo)線、絕緣子、互感器、避雷器、隔離開關(guān)以及斷路器等部分組成，其中變壓器是變電站的核心。說起變壓器，我們還得感謝法拉第同志——他在1831年就發(fā)明了這玩意兒，不過由于當(dāng)時的電只能在實驗室玩玩，所以變壓器在19世紀(jì)80年代才有了用武之地。當(dāng)然，在變電站中使用的變壓器可就厲害多了，它們可以輕松將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電提高到110kV以上。一般而言，我們根據(jù)不同的電壓范圍將電壓分為三類，分別是高壓、超高壓與特高壓——35kv～220kV為高壓：330kV～750kV的電壓為超高壓：1000kV以上的電壓為特高壓。而對于直流輸電線路，一般是將±500kV的電壓稱為高壓。而在我國，高壓特指的是110kv與220kV的電壓：超高壓指的是330kv、500kv與750kV的電壓；特高壓指的是1000Kv交流電與±800KV直流電的電壓。

P.S.

發(fā)出來的電為什么是交流電?

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)磁場的磁力線發(fā)生改變時，在其周圍的導(dǎo)線中就會感應(yīng)產(chǎn)生電流。而在發(fā)電機(jī)中，我們通過定子旋轉(zhuǎn)的方式來切割磁力線，這樣，當(dāng)定子切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流的時候，電流的大小與方向會隨著轉(zhuǎn)動的方向而改變，這樣就產(chǎn)生了交流電。因此，我們可以將交流電定義為強(qiáng)度與方向都隨時間做周期性變化的電。

P.S.

為什么要采用高壓輸電?電為什么必須通過變電站進(jìn)行升壓處理，而不能直接傳輸?shù)角Ъ胰f戶呢?這是由于任何導(dǎo)體都存在內(nèi)阻，所以電纜在輸電時或多或少都會消耗掉一部分電能，而且電纜越長，電能的消耗也就越大。如果采用低壓輸電，由電廠發(fā)出的電電壓為220v，使用電纜直接輸電，那么到了家中很可能就只有200V了。家中的用電設(shè)備在這樣的電壓下能否正常工作就可想而知了。而采用高壓輸電則可以避免這樣的情況，雖然在相同的傳輸距離上電能會有一定消耗，但是由于輸入電壓較高，輸出電壓與其相比，電壓下降得并不明顯。簡而言之，要想將電傳輸?shù)酶h(yuǎn)，且降低電壓波動，就必須通過變電站進(jìn)行升壓處理，使用高壓輸電。

P.S.

國家電網(wǎng)是千什么的?

輸電靠的是什么?電網(wǎng)!雖然這個回答沒有任何錯誤，但它卻是狹義上的。因為狹義上的電網(wǎng)指的是由架空電纜組成的網(wǎng)絡(luò)，而廣義上的電網(wǎng)則是因為輸電除了需要架空電纜之外，還涉及了線路規(guī)劃與占用土地等諸多問題，所以廣義上的輸電實際上依靠的是組織——國家電網(wǎng)。目前，國家電網(wǎng)負(fù)責(zé)了我國的26個省(自治區(qū)、直轄市)的供電，覆蓋面積達(dá)到了國土面積的88％，為我國10多億人提供電力。作為國有壟斷企業(yè)，國家電網(wǎng)名列2008年《財富》全球企業(yè)800強(qiáng)的第24位，是全球最大的公用事業(yè)企業(yè)。所以如果我們再次問起“輸電靠的是什么?”的時候，請你一定要回答：輸電靠的是組織。

入網(wǎng)

經(jīng)過了變電站的升壓處理之后，高壓電就可以進(jìn)入網(wǎng)傳輸了。當(dāng)然，這里說的入網(wǎng)可不是大家曾經(jīng)在手機(jī)上看到的那種人網(wǎng)證書，而是將高壓電通過架空電纜輸送到四面八方?；仡欇旊姷臍v史，與我們目前廣泛使用的交流輸電不同，最早的輸電方式其實是直流輸電。1874年，俄國就有了100V的直流輸電電網(wǎng)。在此之后，隨著直流發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到了1885年，直流輸電的電壓已提高到6000V。但如果要進(jìn)一步提高大功率直流發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓，存在著絕緣等一系列技術(shù)難題。由于直流電不能實現(xiàn)直接升壓，所以電網(wǎng)的輸電距離受到極大的限制，并不能滿足當(dāng)時飛速發(fā)展的用電需求。這樣的情況持續(xù)到了19世紀(jì)80年代，直到三相交流發(fā)電機(jī)的發(fā)明與變壓器的廣泛應(yīng)用。1891年，世界上第一個三相交流發(fā)電站在德國竣工。特別是在1897年，尼亞加拉瀑布上的水電站采用了尼古拉特斯拉發(fā)明的交流發(fā)電與輸電技術(shù)，由它發(fā)出的電成功地點(diǎn)亮了35公里之外的水牛城的電燈之后，交流輸電逐漸取代了直流輸電。在我國的電網(wǎng)中，交流輸電占了相當(dāng)大的比重。在2008年統(tǒng)計的時候，110kV以上的交流輸電電網(wǎng)，其電纜的總長度為513903公里，足夠繞地球13圈。

由于我國地域廣闊，而電力資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不平衡。其中水電資源有近2／3在西部的四川、云南與西藏；而火電資源則有2／3分布在山西、陜西與內(nèi)蒙古?？墒牵珖?／3的用電負(fù)荷卻分布在東部沿海與京廣鐵路沿線以東的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。為了解決這一問題，國家提出了“西電東輸”工程。由于，西部的電力與東部用電負(fù)荷之間存在2000公里～3000公里的距離，為了滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電需求，因此，只能通過建設(shè)特高壓電網(wǎng)來實現(xiàn)。一般而言，特高壓輸電可以分為750kV交流輸電與±500kv以上直流輸電兩種。

國家電網(wǎng)除了輸電之外，還肩負(fù)著另一向重任——電力調(diào)配。那么電力是怎么調(diào)配的呢?在這里我們可以舉個現(xiàn)實的例子：每年一進(jìn)入夏天，用電負(fù)荷便會激增，而由電廠發(fā)出的電有可能不能滿足這樣的情況，于是我國的許多城市就會鬧“電荒”。為了解決這樣的問題，國家電網(wǎng)除了通過對工業(yè)用電進(jìn)行限制之外，還通過位于全國各地的變電站，與特高壓輸電電網(wǎng)向用電負(fù)荷較大的

地區(qū)補(bǔ)充電，以滿足用電需求。而在平時，國家電網(wǎng)則可通過對用電負(fù)荷的監(jiān)測，通過調(diào)整電廠的發(fā)電量來避免電力浪費(fèi)。

降壓

如果將特高壓電網(wǎng)比做我們體內(nèi)的主動脈，那么城市電網(wǎng)就好比于它們相連接的毛細(xì)血管。電能只有進(jìn)八城市電網(wǎng)之后才能輸送到千家萬戶，服務(wù)于你我的生活。在電進(jìn)入城市電網(wǎng)之前，它還必須進(jìn)行降壓。當(dāng)然，與升壓樣，將高壓電降壓的過程依然是在變電站完成的。不過，需要我們注意的是，經(jīng)過變電站降壓處理，進(jìn)八城市電網(wǎng)的電，其電壓依然高達(dá)1000V以上，是不能直接用來玩的。

P.S.

直流輸電與交流輸電哪個好?

在前面我們介紹變電站升壓處理的時候，已經(jīng)說明了高壓交流輸電的好處，而特高壓交流輸電只是將它的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步放大而已，這里我們就不在贅述了。而特高壓直流輸電與特高壓交流輸電相比，在輸送相同功率的電時，特高壓直流輸電線路所用線材僅為特高壓交流輸電的1／2～2／3；特高壓直流輸電與三線制的特高壓交流輸電不同，它采用的是兩線制，在輸電線路導(dǎo)線截面和電流密度相同的條件下，輸送相同功率的電時，輸電線和絕緣材料可節(jié)省約1／3。除此之外，特高壓直流輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)也比輸送相同功率的特高壓交流輸電簡單，因此它的線路走廊(架空線路保護(hù)區(qū))的占地面積大幅減少。雖然特高壓直流輸電有著以上的優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)也非常明顯。由于特高壓直流輸電需要將電廠發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，所以它存在變電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建造與使用成本較高的缺點(diǎn)。也正是因為這樣的原因，當(dāng)特高壓直流輸電距離增加到一定值后，直流輸電線路所節(jié)省的費(fèi)用剛好等于了改建變電站所增加的費(fèi)用，這時的輸電距離即被稱為特高壓交流輸電與特高壓直流輸電的等價距離。小于該距離，特高壓直流輸電優(yōu)于特高壓交流輸電；而大于該距離，則特高壓交流輸電優(yōu)于特高壓直流輸電。由此可見，我們不能單純地認(rèn)定特高壓直流輸電優(yōu)于特高壓交流輸電，也不能武斷地指出特高壓交流輸電比特高壓直流輸電要好。具體使用哪種輸電方式，我們必須根據(jù)實際輸電距離的長度來進(jìn)行選擇。

配電

我們知道，根據(jù)我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，供工業(yè)使用的電被稱為動力電，其電壓為380V，而民用電的電壓為220V。所以要滿足工業(yè)與民用的用電需求，我們必須對城市電網(wǎng)中的電作最后一次降壓處理。通常情況下，最后次降壓是由我們經(jīng)常在街邊看到的那種小型變壓器來實現(xiàn)的。但是，無論是哪種變壓器，都只能將種電壓轉(zhuǎn)換為另種電壓，而不可能同時實現(xiàn)兩種電壓的轉(zhuǎn)換的。那么我們是怎樣得到380V的動力電與220V的民用電的呢?其實，動力電與民用電并不是通過小型變壓器降壓獲得的，而是通過配電來實現(xiàn)的。當(dāng)然，在解釋動力電之前，我們需要了解兩個概念——相電壓與線電壓。在三相四線制(3條火線1條零線)的電路中，任意兩條火線的電壓就是線電壓，而任意一條火線與零線的電壓就是相電壓。一般而言，線電壓是相電壓的1 732倍。而小型變壓器在進(jìn)行降壓的時候，是不會區(qū)分動力電與民用電的。它只會將城市電網(wǎng)傳輸?shù)母邏弘娭苯咏禐橄嚯妷簽?20V的交流電。由于動力電采用的三相四線制，所以它的電壓應(yīng)為220VXl 732-381 04V=380V。而民用電是單相電，僅用1條火線與1條零線即可組成電路，所以它的電壓直接以相電壓計算，即220V。經(jīng)過配電后的電，就可以通過八戶直接使用了。

P.S.

為什么要將變電站建在人口密集區(qū)?

對于關(guān)心社會新聞的朋友而言，他們可能經(jīng)常聽到這樣的新聞——某小區(qū)業(yè)主集體抵制在小區(qū)周圍開建的變電站。他們采取這種行動的理由主要是變電站可能會產(chǎn)生電磁輻射，對人體產(chǎn)生不利影響。但是對于變電站而言，在小區(qū)周圍開建卻是一種無可奈何的辦法——玩過《星際爭霸》的朋友應(yīng)該知道，神族在新建建筑之前，必須先建立水晶塔。在水晶塔的范圍內(nèi)，新建的建筑才能發(fā)揮它的功能。而一定水晶塔被破壞，那么這些建筑就無法正常發(fā)揮他們的功能。為了避免在游戲中出現(xiàn)這樣的情況，我們通常會在建筑的周圍多修幾個水晶塔，讓它們相互之間有個照應(yīng)。如果我們將新建的建筑看作是小區(qū)，而將水晶塔看作是變電站，那么就不難理解為什么要將變電站建在人口密集區(qū)了，而這也就是在供電上通用的N-1準(zhǔn)則。所謂N-1準(zhǔn)則，即是為正常運(yùn)行方式下的電力系統(tǒng)中任一部分(如發(fā)電機(jī)、變壓器等)無故障或因故障斷開，電力系統(tǒng)應(yīng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電，其他部分不至于過負(fù)荷，并保證電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。根據(jù)這樣的準(zhǔn)則，在進(jìn)行規(guī)劃的時候，就必須在一定距離內(nèi)設(shè)置多個互為支持的變電站。因此，變電站是不可能隨意遠(yuǎn)離人口密集地區(qū)的。

入戶為什么不用直流電?

現(xiàn)在我們家中的用電設(shè)備，特別是大多數(shù)數(shù)碼設(shè)備，都是使用直流電的。因此，變壓器這玩意一時在家中橫行。既然交流電需要進(jìn)行降壓處理與交直流轉(zhuǎn)換才能使用，那么為什么不在家中的人戶電纜上安裝上一個交直流轉(zhuǎn)換器，直接使用直流電呢?對于這樣的問題，我們通過放狗選擇了—下答案。在列表中，我們發(fā)現(xiàn)了一些否定的觀點(diǎn)?？墒菍τ谶@些否定直流電的觀點(diǎn)，只要稍具Geek精神的朋友都可以反駁。

放狗找到的觀點(diǎn)一：

大功率的用電設(shè)備如果使用直流電，就會導(dǎo)致輸入用電設(shè)備的電流過大。

《Geek》的反駁：

如果在直流電的電壓與交流電相同的情況下，那么兩者的電流是沒有什么不同的。

放狗找到的觀點(diǎn)二：

使用直流電，電源、電線與用電設(shè)備必須構(gòu)成一個完整的回路，才能讓用電設(shè)備開始工作，而使用交流電則沒有這樣的問題。

《Geek》的反駁：

我們前面介紹過的超高壓直流輸電，并不需要用電纜充當(dāng)回路，而可以將大地作為回路。同樣，我們也可以直接由發(fā)電設(shè)備、電線、用電設(shè)備與建筑的墻體、地板連接構(gòu)成回路。那么究竟是什么讓我們沒有選擇直流電呢?其實原因非常簡單，那就是交流電可以非常方便地改變電壓，而直流電要改變電壓則要比交流電要麻煩得多。這便是即便是我們廣泛使用直流用電設(shè)備，其入戶電源仍然是交流電的真正原因。

從發(fā)電到用電：從升壓到降壓：從交流電到直流電……電這個不知疲倦的家伙，歷經(jīng)發(fā)電、升壓、入網(wǎng)、降壓與配電這5個步驟終于來到了你我面前現(xiàn)在，它依然不知疲倦，匆匆地進(jìn)入了那些用電設(shè)備，為你更舒適、愜意的生活而服務(wù)。