第十节、电能的输送

发电是为用电服务的。从发电站到用电设备或长或短总有一段距离。水电站只能建筑在河流上，火电站有时要建筑在煤矿附近，与城市以及分布很广的农村都有距离。即使建筑在城市里的发电站，与城市里的用电设备也有距离，这样就产生了电能输送的问题。

电能便于输送，用导线把电源和用电设备连接起来，就可以实现电能的输送，但是导线有电阻，电流通过时要发热，这个热量毫无用处，徒然是一种浪费。在电能的输送中要研究如何减少这种能量损耗，以便有效地利用电能。设导线的电阻为 R，通过的电流为 I，那么在导线上损耗的电功率是

$$P=I^{2}R$$

又设导线的总长度为 l，导线的横截面积为 S，从电阻定律知道

$$R=\rho \frac{l}{S}$$

要减少能量损耗，一种办法是减小导线的电阻。导线材料一经选定（现在多用铝导线），电阻率 ρ 就确定了。导线的总长度由输电距离来决定，不能改变。所以要减小电阻，只有增大导线的横截面积。

增大导线的横截面积，就要多耗费金属材料，而且导线太重，给架设也带来困难。因此，单纯用增大导线的横截面积来减少能量损耗，不是一种理想的办法。实际上，有时即使把横截面积增大到十分惊人甚至实际做不到的程度，也不能把能量损耗降低到所能允许的数值范围之内，例如要把功率为 200 千瓦的电能输送到 10 千米外的地方，如果用 110 伏的电压输电，并且使能量损耗为输送电能的 10%，就要用横截面积约为 96 000 mm² 的铝线。这个结果你自己不难算出来。这是个多么粗的导线，你可以估量一下。显然，导线是太粗了！

减少能量损耗的另一种办法是减小电流。在输送功率不变的情况下，要减小电流，就必须提高输电电压。在上面的例子中，如果用 11 千伏的电压来输电，也就是说，把输电电压提高到 10² 倍，电流就减小为原来的 10⁻² 倍。能量损耗与电流的平方成正比，所以能量损耗就减小为原来的 10⁻⁴ 倍。要使能量损耗仍为输送电能的 10%，导线的横截面积就可以减小为原来的 10⁻⁴ 倍，也就是用 9.6 mm² 的导线就行了。

可见，用提高输电电压的办法来减少能量损耗是行之有效的。

但输电电压也不是无条件地越高越好。电压提高了，花在绝缘上的费用要相应地增加，能量损耗在所能允许的数值范围之内，提高输电电压固然可以减小导线的横截面积，但从机械强度方面来考虑，导线又不能太细，导线太细容易被拉断，高压输电还必须考虑在导线上因产生电晕放电而损失能量。电压越高，导线越细，产生电晕放电的可能性越大，为了避免电晕放电，有时还需要把导线加粗。可见，输电电压并不是毫无限制可以任意提高的。

实际输送电能时，要综合考虑各种因素，依照不同情况选择适合的输电电压，如果输送功率比较大，输电距离比较远，就要采用较高的电压输电。电压低了，势必要加大导线的横截面积，如果输送功率不太大，距离也不太长，就不必用太高的电压输电，这时能量损耗不会太大，电压高了反而增加花在绝缘上的费用，而且导线因机械强度的限制又不能太细。例如，输送功率为 100 千瓦以下，距离为几百米以内，一般采用 220 伏的电压送电。这就是通常用的低压线路。输送功率为几千千瓦到几万千瓦，距离为几十千米到上百千米，一般采用 35 千伏或 110 千伏的电压送电。这就是所谓高压输电。如果输送功率为 10 万千瓦以上，距离为几百千米，就必须采用 220 千伏甚至更高的电压送电。这就是所谓超高压输电。

我国远距离输电采用的电压有 110 千伏、220 千伏和 330 千伏，在少数地区已开始采用 500 千伏的电压送电，目前世界上正在试验的最高输电电压是 1 000 千伏。

大型发电机发出的电压，等级有 10.5 千伏、13.8 千伏、15.75 千伏、180 千伏，不能直接用这个电压进行远距离输电。在发电站内，要由升压变压器升压后，再向远处输电。远距离输电的电压很高（例如 220 千伏或 330 千伏），用电设备不能直接应用，因此送到用电区，要在一次高压变电所把电压降到 110 千伏，再在二次高压变电所降到 10 千伏，其中一部分送往需要高压电的工厂，另一部分送到低压变电所降到 220/380 伏，送给一般用户（图 3–30）

交流电可以很方便地由变压器升压或降压，从而实现远距离输电，并且给额定电压不同的用电设备供电，这是交流电的一个优点。

阅读材料：直流输电

人类历史上最早的输电线路就是直流的，开始时输电电压只有 100 伏，后来逐步提高，到 1885 年提高到 6 千伏。但是，此后在输电技术上发生了巨大变化。

一方面，制造高电压大功率的直流发电机很困难，又不能直接给直流电升压，而远距离输电需要高电压。另一方面，十九世纪八十年代末发明了三相交流发电机、变压器，特别是发明了结构简单，运行可靠、价格便宜的感应电动机，于是，适应这种情况，输电技术转为发展交流输电。

但是，现在直流输电作为解决输电技术困难的方向之一，又重新受到重视。近二十年来，高压直流输电有了迅速发展。那么交流输电遇到了什么困难，直流输电又有什么优点呢？随着电力系统的扩大，输电功率的增加，输电距离的增长，交流输电遇到了一些技术困难，例如：

导线不但有电阻，还有电感，较细的导线，电阻的作用超过电感，在输电功率大，输电导线横截面超过 95 毫米² 的情况下，对 50 赫的交流电来说，感抗超过了电阻，但对稳定的直流电则只有电阻，没有感抗。

输电线一般是架空线，但需要跨过海峡给海岛输电时要用水下电缆，需要穿过人口密集的城市输电时要用地下电缆，电缆在金属心线的外面包着一层绝缘皮，水和大地都是导体，被绝缘皮隔开的金属心线和水（或大地）构成了电容器；一条 200 千伏的水下电缆，每千米长的电容约 0.2 微法，在交流输电的情况下，这个电容对受电端起旁路电容的作用，并且随电缆增长而增大，电缆长度超过 50 千米，旁路电容会增大到交流电几乎送不出去的程度，这时交流输电已无实际意义，而只能用直流输电，因为电容对稳定的直流不起作用。

交流电每个周期有正、负最大值各一次。设想有甲、乙两台交流发电机给同一条电路供电，假如甲的是正的最大值时，乙恰好是负的最大值，它们发的电在电路里恰好互相抵消，电路无法工作，所以要电路正常工作，给同一条电路供电的所有发电机都必须同步运行，即同时达到正的最大值，同时达到负的最大值，同时为零，现代的供电系统是把方圆数百千米内的电站连成一个电力网，而且用高压输电线路将相隔数百甚至上千千米的电力网连接起来，使它们可以互相支援，调剂余缺，而要使这么大范围的这么多发电机同步运行，技术上是很困难的，但直流输电就不存在同步问题。

现代的直流输电，只是输电这个环节是直流，发电仍是交流。在输电线路的起端，有专用的换流设备将交流变换为直流，在输电线路的末端（受电端），也有专用的换流设备将直流换为交流，目前换流设备存在着制造难，价格高等困难，有待研究解决。

高压直流输电主要用于远距离大功率输电、海底电缆输电、非同步运行的交流系统之间的连络等方面。我国在 1977 年建成了 31 千伏的直流输电工业性试验线路。随着大型水电站的开发和坑口电站的建设，以及大电网的互相联接，远距离大功率的直流输电必将在我国得到发展。

练习七

（1）在课文所给的例子中，用 110 伏和 11 千伏的电压输电，分别要用 96 000 mm² 和 9.6 mm² 的铝导线。如果不用铝导线，而用铜导线，导线的横截面积分别要多大？

（2）从发电站输出的功率为 200 千瓦，输电线的总电阻为 0.05 欧，用 110 伏和 11 千伏的电压输电，在这两种情况下，在输电线上损失的电压各是多少伏？输送到用户的电压各是多少伏？在输电线上损失的功率各是多少千瓦？

（3）用 220 伏和 11 千伏两种电压来输电，输送的功率相同，在输电线上损失的功率相同，导线的长度和电阻率也相同，求导线的横截面积之比。

发布时间：2025/3/20 下午8:17:52  阅读次数：155