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遠距離輸電|電能的輸送

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前面我們學習了電磁感應現象交流電發電機,我們就可以大量地生產電能,以供民用和企業生產使用。

比如,葛洲壩電站通過發電機把水的機械能轉化為電能,發電功率可達271.5萬千瓦。可這么多的電能當然要輸到用電的地方去,下面我們來研究電能的輸送有關知識。

遠距離輸電示意圖

電能的輸送

問題:發電站發出的電能是怎樣輸送到遠方的呢?

如:葛洲壩電站發出的電是怎樣輸送到武漢、上海等地的呢?

答案是,通過電線輸送的。而且是,通過架設很高的(考慮危險性)、很粗的高壓電線輸送的,這是為什么呢?

因為電能的輸送電能損失很大。電能為何損失呢?

電能的輸送電能損失

如果不考慮升壓變壓器與降壓變壓器的使用,電能按照發電廠的電壓進行輸送,那么,最基本的輸送電能模式如圖所示:

遠距離輸電示意圖

由于發電廠和用電端距離很遠,比如陜北榆林發電供京津冀地區使用,線路特別長。我們根據電阻與電阻率關系式

電阻與電阻率關系

可知,總的電阻非常大,因此會有很大的能量(功率)損失,轉化為電線上的焦耳熱。

不難得出損耗的功率為:

遠距離輸電與電能的輸送

根據歐姆定律可知,輸電線上還會有很大的電壓降低。

輸電要用導線,導線當然有電阻,如果導線很短,電阻很小可忽略,而遠距離輸電時,導線很長,電阻大不能忽略。

電流通過很長的導線要發出大量的熱,如:河南平頂山至湖北武昌的高壓輸電線電阻約400歐,如果通的電流是100安,每秒鐘導線發熱就是400萬焦耳。這些熱都散失到大氣中,白白損失了電能。所以,輸電時,必須設法減小導線發熱損失。

為什么采用高壓輸電

問題:如何減小導線發熱(能量消耗)呢?

焦耳定律的公式Q=I²Rt,減小發熱Q有以下三種方法:

一是減小輸電時間t,

二是減小輸電線電阻R,

三是減小輸電電流I。

哪種方法能被實際使用呢?第一種方法等于停電,沒有實際價值。第二種方法從材料、長度、粗細三方面來說都有實際困難。適用的超導材料還沒有研究出來。排除了前面兩種方法,就只能考慮第三種方法了。

從焦耳定律公式Q=I²Rt可以看出,第三種辦法是很有效的:電流減小一半,損失的電能就降為原來的四分之一。通過后面的學習,我們將會看到這種辦法也是很可行的。

因此,減小電能的損失,必須減小輸電電流。

但從另一方面講,輸電就是要輸送電能,輸送的功率必須足夠大,才有實際意義。

怎樣才能滿足上述兩個要求呢?根據公式P=UI,要使輸電電流I減小,而輸送功率P不變(足夠大),就必須提高輸電電壓U。

所以說通過高壓輸電可以保證在輸送功率不變,減小輸電電流來減小輸送電的電能損失。

輸送電能流程

輸送電能的流程

輸送電能的流程:發電站→升壓變壓器→高壓輸電線→ 降壓變壓器→用電單位;

遠距離輸電的原理圖

遠距離輸電的原理圖如下圖所示,其中U1為發電廠產生原始電壓,根據交流電產生原理可知,其瞬時值滿足:

E1=NBSωsinωt

其有效值滿足:U1=√2/2*NBSω

發電機電流I1的取值,決定于發電機的功率機組。

遠距離輸電原理圖

理想變壓器的公式,可做如下推導。

根據上圖中升壓變壓器電壓關系公式:

U1:U2=n1:n2

由于存在輸電線的電阻,因此,在降壓變壓器的輸入端的電壓U3滿足公式:

U3=U2-△U

根據上圖中降壓變壓器電壓關系式:

U3:U4=n3:n4

可求出U4(用戶端電壓值)數值。

根據上圖中降壓變壓器電流關系公式:

I’:I0=n3:n4

再根據上圖中升壓變壓器電流關系:

I0:I1=n1:n2

可求出發電機上的電流值I1

便可根據用戶的需求,來調整發電機組的發電量(功率P=U1*I1)

遠距離輸電功率公式

我們借助下圖,對遠距離輸電中損耗的電功率公式進行推導。

遠距離輸電與電能的輸送

(1)輸電線電流公式:發電站的輸出電功率為P,輸出電壓為U,用戶得到的電功率為P′,電壓為U′,則輸電電流為:

遠距離輸電與電能的輸送

(2)輸電線上損失的熱功率△P滿足公式:

遠距離輸電與電能的輸送中損耗的電功率

(3)如果發電機的功率為P,用戶端的功率為P’,則輸電線上損失的熱功率還滿足公式: 

遠距離輸電與電能的輸送中輸電線上損耗的電功率公式

由此公式可知,在輸電線總電阻R固定的前提下,減小U=U-U′=IR ,即增加輸入電壓數值,是減小輸電線上損失的熱功率△P的方法。次公式的推導結果,與上文分析完全一致。

遠距離輸電輸送的是交流電

只有交流電可以借助變壓器實現升壓與降壓,因此上文討論的遠距離輸電輸送的是交流電。

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原創作者:王尚,崔強;審核:蘇陽。

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