为什么需要高压输电

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我们先来看看第一种方案,用户端直接接受来自发电厂的电压,不部署变压器在用户的附近:

我们可以看到,由于电缆过长导致100KM的电缆上的阻值有近30Ω,所以当发电厂输出220V市电的时候,由公式U=I*R,很显然电缆上会分担一部分电压,这会导致用户无法得到标准的220V市电。所以发电厂需要输出比220V更高的电压,来保证用户端可以得到标准的220V市电。

现在让我们从功率的角度考虑一下这个问题。用户需要220V市电以及10A的电流输出,那么我们需要保证用户得到的是220V的电压(在10A的供电电流下)。那么现在我们就可以根据我们需要输出的电流(10A)来计算电缆上的压降以及功率了:

那么在此情况下,可以看出电缆上耗费了近3000W的功率,甚至比用户需要的功率还要高,这说明发电厂输出的电能超过一半被浪费在了传输上!!!!!

这对于实际应用来说实在是很不经济,因为电缆的功率损失导致效率的低下。这就是为什么我们需要高压交流输电系统,所以我们来看看第二种方案,发电厂将发电机组输出的电压升压到很高,然后传输出去,用户端部署变压器来得到220V市电:

从这幅图中可以看到发电机组输出的电压被升到很高,然后在输出端经过降压后得到标准的220V市电。假设变压器上导致的功率损失我们忽略不计,发电机组和升压变压器距离很近,导线电阻忽略不计,降压变压器距离用户很近,同样忽略导线电阻。那么当用户需要220V市电以及10A的电流输出时,我们可以计算一下电缆上的压降以及损耗功率:

由于当功率不变的情况下,电压越高导致电流越小,所以在这个例子中,采用高压交流输电系统情况下,在导线上损耗的功率占总输出功率中很小的部分,因此整个系统的效率得到成倍的提高。那么通过提高传输电压可以尽量的减少电缆线上的压降,以减少由于电缆线电阻导致的功率损失。

那么通过这个等式我们可以看到,当输电线上频率为50HZ(市电频率)的时候,感抗的大小就可以很方便的被计算出来。

问题二:电容

首先我们搞清楚最基本电容器的原理是什么。我这里介绍一下平行板电容器,它是一个可以存储电荷的元件,他的基本构造就是两个互相靠近的导体,中间夹上一层不导电的绝缘介质。如下图所示:

看到这个公式有些复杂,不过其实不用去计算它,我在这里只是粗略讲解平行板电容器的大小是由什么因素决定的,所以我们发现:

再根据一些模电的基础知识我们得知:

那么我们就可以根据这个公式来计算容抗了。在日常生活中,我们可以发现输电塔上往往都有好几根并排布置的输电线:

那么这些输电线之间互相并排布置,且均为导体,并且空气作为绝缘介质,那么此时在两根线之间就会存在电容:

那么计算这些平行导线之间的电容有另外的一个公式,和计算平行板电容器的公式很相似:

那么我们根据刚刚提到的影响电容的这些因素得知,当输电线距离越近的时候,那么他们之间的电容也就会越大:

那么电容越大会导致什么?根据前面我提到的容抗的计算公式可知,其他条件均不变时,电容越大,容抗越小:

那么容抗越小代表什么?容抗代表了电容器对交流电的阻碍大小,容抗越大代表越会阻碍交流通过,容抗越小代表对交流信号的阻碍作用越小。那么如果输电线之间间距很近会导致什么?

所以这也是高压输电线一般间距都较远的原因,为了最大化的减少导线之间的电容以减少电力损失。那么如果我们从宏观来看的话,大地作为一个导体,输电线作为一个导体,它们之间有空气作为绝缘介质,那么它们之间也会存在电容:

那么同样根据我刚刚提到的,其他条件均不变的时候,导体距离越近,他们之间的电容就越大,那么如果我们将输电线架设在较矮的位置,甚至是埋在地下的时候,势必会导致电容增大:

这也就是为什么高压线路需要架设在很高的地方,尽可能减少输电线与大地之间的电容。


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