电的传输历程

Ｎｉｍｏ

发电

既然要还原输电的全过程，那么我们就需要追根溯源——电是从何而来的?对于这个问题，稍微有点常识的朋友都知道，电是由电厂发出的。自19世纪那个叫法拉第的英国人发现了电磁感应现象之后，电在我们的生活中就不再像自然界的闪电一样不为人类所控制，而是成为了人类发展中不可或缺的重要能源。

基于法拉第对电磁感应现象的研究，很快发电机便被发明了出来。不过当时发电机的作用并不是像现在样，为我们的生活服务，而是作为实验室的研究设备，方便科学家对电进行研究。在19世纪60年代，德国人韦纳冯西门子(聪明的Geek应该能够联系到他与西门子公司的关系了吧)将当时发电机中永磁铁改为电磁铁，设计出了第一台实用发电机。即便是今天，我们在电厂的发电机中，依然能看到西门子发明的发电机的影子。无论现在的发电机怎么发展，其基本的工作原理依然与200多年前的发电机样，都是依靠电磁感应现象将机械能转换为电能。

根据实现方式的不同，我们目前常见的发电方式主要可分为火电与水电两种。前者主要是将燃料燃烧时产生的热能转换为机械能，再用发电机将机械能转换为电能；而后者则是通过建筑堤坝来提高水的势能，再将势能转换为机械能，最后用发电机将机械能转换为电能。除此之外，发电方式还包括地热能、潮汐能、风能、太阳能以及核能等方式。目前，我国的电能绝大多数是通过火力发电方式产生的，但是风能、太阳能以及核能等较为环保的发电方式也在一定程度上得到了应用。

升压

现在，电已经由电厂发出了，等待它的就是通过电网将它送到千家万户，服务于我们的生活。不过在此之前，它还必须通过变电站进行升压处理才能进入电网传输。一般而言，变电站由变压器、导线、绝缘子、互感器、避雷器、隔离开关以及断路器等部分组成，其中变压器是变电站的核心。说起变压器，我们还得感谢法拉第同志——他在1831年就发明了这玩意儿，不过由于当时的电只能在实验室玩玩，所以变压器在19世纪80年代才有了用武之地。当然，在变电站中使用的变压器可就厉害多了，它们可以轻松将发电机发出的电提高到110kV以上。一般而言，我们根据不同的电压范围将电压分为三类，分别是高压、超高压与特高压——35kv～220kV为高压：330kV～750kV的电压为超高压：1000kV以上的电压为特高压。而对于直流输电线路，一般是将±500kV的电压称为高压。而在我国，高压特指的是110kv与220kV的电压：超高压指的是330kv、500kv与750kV的电压；特高压指的是1000Kv交流电与±800KV直流电的电压。

P.S.

发出来的电为什么是交流电?

根据电磁感应原理，当磁场的磁力线发生改变时，在其周围的导线中就会感应产生电流。而在发电机中，我们通过定子旋转的方式来切割磁力线，这样，当定子切割磁力线产生感应电流的时候，电流的大小与方向会随着转动的方向而改变，这样就产生了交流电。因此，我们可以将交流电定义为强度与方向都随时间做周期性变化的电。

P.S.

为什么要采用高压输电?电为什么必须通过变电站进行升压处理，而不能直接传输到千家万户呢?这是由于任何导体都存在内阻，所以电缆在输电时或多或少都会消耗掉一部分电能，而且电缆越长，电能的消耗也就越大。如果采用低压输电，由电厂发出的电电压为220v，使用电缆直接输电，那么到了家中很可能就只有200V了。家中的用电设备在这样的电压下能否正常工作就可想而知了。而采用高压输电则可以避免这样的情况，虽然在相同的传输距离上电能会有一定消耗，但是由于输入电压较高，输出电压与其相比，电压下降得并不明显。简而言之，要想将电传输得更远，且降低电压波动，就必须通过变电站进行升压处理，使用高压输电。

P.S.

国家电网是千什么的?

输电靠的是什么?电网!虽然这个回答没有任何错误，但它却是狭义上的。因为狭义上的电网指的是由架空电缆组成的网络，而广义上的电网则是因为输电除了需要架空电缆之外，还涉及了线路规划与占用土地等诸多问题，所以广义上的输电实际上依靠的是组织——国家电网。目前，国家电网负责了我国的26个省(自治区、直辖市)的供电，覆盖面积达到了国土面积的88％，为我国10多亿人提供电力。作为国有垄断企业，国家电网名列2008年《财富》全球企业800强的第24位，是全球最大的公用事业企业。所以如果我们再次问起“输电靠的是什么?”的时候，请你一定要回答：输电靠的是组织。

入网

经过了变电站的升压处理之后，高压电就可以进入网传输了。当然，这里说的入网可不是大家曾经在手机上看到的那种人网证书，而是将高压电通过架空电缆输送到四面八方。回顾输电的历史，与我们目前广泛使用的交流输电不同，最早的输电方式其实是直流输电。1874年，俄国就有了100V的直流输电电网。在此之后，随着直流发电机技术的发展，到了1885年，直流输电的电压已提高到6000V。但如果要进一步提高大功率直流发电机的发电电压，存在着绝缘等一系列技术难题。由于直流电不能实现直接升压，所以电网的输电距离受到极大的限制，并不能满足当时飞速发展的用电需求。这样的情况持续到了19世纪80年代，直到三相交流发电机的发明与变压器的广泛应用。1891年，世界上第一个三相交流发电站在德国竣工。特别是在1897年，尼亚加拉瀑布上的水电站采用了尼古拉特斯拉发明的交流发电与输电技术，由它发出的电成功地点亮了35公里之外的水牛城的电灯之后，交流输电逐渐取代了直流输电。在我国的电网中，交流输电占了相当大的比重。在2008年统计的时候，110kV以上的交流输电电网，其电缆的总长度为513903公里，足够绕地球13圈。

由于我国地域广阔，而电力资源分布与经济发展极不平衡。其中水电资源有近2／3在西部的四川、云南与西藏；而火电资源则有2／3分布在山西、陕西与内蒙古。可是，全国2／3的用电负荷却分布在东部沿海与京广铁路沿线以东的经济发达地区。为了解决这一问题，国家提出了“西电东输”工程。由于，西部的电力与东部用电负荷之间存在2000公里～3000公里的距离，为了满足远距离、大容量输电需求，因此，只能通过建设特高压电网来实现。一般而言，特高压输电可以分为750kV交流输电与±500kv以上直流输电两种。

国家电网除了输电之外，还肩负着另一向重任——电力调配。那么电力是怎么调配的呢?在这里我们可以举个现实的例子：每年一进入夏天，用电负荷便会激增，而由电厂发出的电有可能不能满足这样的情况，于是我国的许多城市就会闹“电荒”。为了解决这样的问题，国家电网除了通过对工业用电进行限制之外，还通过位于全国各地的变电站，与特高压输电电网向用电负荷较大的

地区补充电，以满足用电需求。而在平时，国家电网则可通过对用电负荷的监测，通过调整电厂的发电量来避免电力浪费。

降压

如果将特高压电网比做我们体内的主动脉，那么城市电网就好比于它们相连接的毛细血管。电能只有进八城市电网之后才能输送到千家万户，服务于你我的生活。在电进入城市电网之前，它还必须进行降压。当然，与升压样，将高压电降压的过程依然是在变电站完成的。不过，需要我们注意的是，经过变电站降压处理，进八城市电网的电，其电压依然高达1000V以上，是不能直接用来玩的。

P.S.

直流输电与交流输电哪个好?

在前面我们介绍变电站升压处理的时候，已经说明了高压交流输电的好处，而特高压交流输电只是将它的优点进一步放大而已，这里我们就不在赘述了。而特高压直流输电与特高压交流输电相比，在输送相同功率的电时，特高压直流输电线路所用线材仅为特高压交流输电的1／2～2／3；特高压直流输电与三线制的特高压交流输电不同，它采用的是两线制，在输电线路导线截面和电流密度相同的条件下，输送相同功率的电时，输电线和绝缘材料可节省约1／3。除此之外，特高压直流输电线路的杆塔结构也比输送相同功率的特高压交流输电简单，因此它的线路走廊(架空线路保护区)的占地面积大幅减少。虽然特高压直流输电有着以上的优点，但是它的缺点也非常明显。由于特高压直流输电需要将电厂发出的交流电转换为直流电，所以它存在变电站结构复杂、建造与使用成本较高的缺点。也正是因为这样的原因，当特高压直流输电距离增加到一定值后，直流输电线路所节省的费用刚好等于了改建变电站所增加的费用，这时的输电距离即被称为特高压交流输电与特高压直流输电的等价距离。小于该距离，特高压直流输电优于特高压交流输电；而大于该距离，则特高压交流输电优于特高压直流输电。由此可见，我们不能单纯地认定特高压直流输电优于特高压交流输电，也不能武断地指出特高压交流输电比特高压直流输电要好。具体使用哪种输电方式，我们必须根据实际输电距离的长度来进行选择。

配电

我们知道，根据我国的相关标准，供工业使用的电被称为动力电，其电压为380V，而民用电的电压为220V。所以要满足工业与民用的用电需求，我们必须对城市电网中的电作最后一次降压处理。通常情况下，最后次降压是由我们经常在街边看到的那种小型变压器来实现的。但是，无论是哪种变压器，都只能将种电压转换为另种电压，而不可能同时实现两种电压的转换的。那么我们是怎样得到380V的动力电与220V的民用电的呢?其实，动力电与民用电并不是通过小型变压器降压获得的，而是通过配电来实现的。当然，在解释动力电之前，我们需要了解两个概念——相电压与线电压。在三相四线制(3条火线1条零线)的电路中，任意两条火线的电压就是线电压，而任意一条火线与零线的电压就是相电压。一般而言，线电压是相电压的1 732倍。而小型变压器在进行降压的时候，是不会区分动力电与民用电的。它只会将城市电网传输的高压电直接降为相电压为220V的交流电。由于动力电采用的三相四线制，所以它的电压应为220VXl 732-381 04V=380V。而民用电是单相电，仅用1条火线与1条零线即可组成电路，所以它的电压直接以相电压计算，即220V。经过配电后的电，就可以通过八户直接使用了。

P.S.

为什么要将变电站建在人口密集区?

对于关心社会新闻的朋友而言，他们可能经常听到这样的新闻——某小区业主集体抵制在小区周围开建的变电站。他们采取这种行动的理由主要是变电站可能会产生电磁辐射，对人体产生不利影响。但是对于变电站而言，在小区周围开建却是一种无可奈何的办法——玩过《星际争霸》的朋友应该知道，神族在新建建筑之前，必须先建立水晶塔。在水晶塔的范围内，新建的建筑才能发挥它的功能。而一定水晶塔被破坏，那么这些建筑就无法正常发挥他们的功能。为了避免在游戏中出现这样的情况，我们通常会在建筑的周围多修几个水晶塔，让它们相互之间有个照应。如果我们将新建的建筑看作是小区，而将水晶塔看作是变电站，那么就不难理解为什么要将变电站建在人口密集区了，而这也就是在供电上通用的N-1准则。所谓N-1准则，即是为正常运行方式下的电力系统中任一部分(如发电机、变压器等)无故障或因故障断开，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他部分不至于过负荷，并保证电压和频率均在允许范围内。根据这样的准则，在进行规划的时候，就必须在一定距离内设置多个互为支持的变电站。因此，变电站是不可能随意远离人口密集地区的。

入户为什么不用直流电?

现在我们家中的用电设备，特别是大多数数码设备，都是使用直流电的。因此，变压器这玩意一时在家中横行。既然交流电需要进行降压处理与交直流转换才能使用，那么为什么不在家中的人户电缆上安装上一个交直流转换器，直接使用直流电呢?对于这样的问题，我们通过放狗选择了—下答案。在列表中，我们发现了一些否定的观点。可是对于这些否定直流电的观点，只要稍具Geek精神的朋友都可以反驳。

放狗找到的观点一：

大功率的用电设备如果使用直流电，就会导致输入用电设备的电流过大。

《Geek》的反驳：

如果在直流电的电压与交流电相同的情况下，那么两者的电流是没有什么不同的。

放狗找到的观点二：

使用直流电，电源、电线与用电设备必须构成一个完整的回路，才能让用电设备开始工作，而使用交流电则没有这样的问题。

《Geek》的反驳：

我们前面介绍过的超高压直流输电，并不需要用电缆充当回路，而可以将大地作为回路。同样，我们也可以直接由发电设备、电线、用电设备与建筑的墙体、地板连接构成回路。那么究竟是什么让我们没有选择直流电呢?其实原因非常简单，那就是交流电可以非常方便地改变电压，而直流电要改变电压则要比交流电要麻烦得多。这便是即便是我们广泛使用直流用电设备，其入户电源仍然是交流电的真正原因。

从发电到用电：从升压到降压：从交流电到直流电……电这个不知疲倦的家伙，历经发电、升压、入网、降压与配电这5个步骤终于来到了你我面前现在，它依然不知疲倦，匆匆地进入了那些用电设备，为你更舒适、惬意的生活而服务。