電的傳輸歷程

Ｎｉｍｏ

發電

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，稍微有點常識的朋友都知道，電是由電廠發出的。自19世紀那個叫法拉第的英國人發現了電磁感應現象之后，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，而是成為了人類發展中不可或缺的重要能源。

基于法拉第對電磁感應現象的研究，很快發電機便被發明了出來。不過當時發電機的作用并不是像現在樣，為我們的生活服務，而是作為實驗室的研究設備，方便科學家對電進行研究。在19世紀60年代，德國人韋納馮西門子(聰明的Geek應該能夠聯系到他與西門子公司的關系了吧)將當時發電機中永磁鐵改為電磁鐵，設計出了第一臺實用發電機。即便是今天，我們在電廠的發電機中，依然能看到西門子發明的發電機的影子。無論現在的發電機怎么發展，其基本的工作原理依然與200多年前的發電機樣，都是依靠電磁感應現象將機械能轉換為電能。

根據實現方式的不同，我們目前常見的發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生的熱能轉換為機械能，再用發電機將機械能轉換為電能；而后者則是通過建筑堤壩來提高水的勢能，再將勢能轉換為機械能，最后用發電機將機械能轉換為電能。除此之外，發電方式還包括地熱能、潮汐能、風能、太陽能以及核能等方式。目前，我國的電能絕大多數是通過火力發電方式產生的，但是風能、太陽能以及核能等較為環保的發電方式也在一定程度上得到了應用。

升壓

現在，電已經由電廠發出了，等待它的就是通過電網將它送到千家萬戶，服務于我們的生活。不過在此之前，它還必須通過變電站進行升壓處理才能進入電網傳輸。一般而言，變電站由變壓器、導線、絕緣子、互感器、避雷器、隔離開關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年就發明了這玩意兒，不過由于當時的電只能在實驗室玩玩，所以變壓器在19世紀80年代才有了用武之地。當然，在變電站中使用的變壓器可就厲害多了，它們可以輕松將發電機發出的電提高到110kV以上。一般而言，我們根據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.

發出來的電為什么是交流電?

根據電磁感應原理，當磁場的磁力線發生改變時，在其周圍的導線中就會感應產生電流。而在發電機中，我們通過定子旋轉的方式來切割磁力線，這樣，當定子切割磁力線產生感應電流的時候，電流的大小與方向會隨著轉動的方向而改變，這樣就產生了交流電。因此，我們可以將交流電定義為強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行升壓處理，而不能直接傳輸到千家萬戶呢?這是由于任何導體都存在內阻，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，要想將電傳輸得更遠，且降低電壓波動，就必須通過變電站進行升壓處理，使用高壓輸電。

P.S.

國家電網是千什么的?

輸電靠的是什么?電網!雖然這個回答沒有任何錯誤，但它卻是狹義上的。因為狹義上的電網指的是由架空電纜組成的網絡，而廣義上的電網則是因為輸電除了需要架空電纜之外，還涉及了線路規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。目前，國家電網負責了我國的26個省(自治區、直轄市)的供電，覆蓋面積達到了國土面積的88％，為我國10多億人提供電力。作為國有壟斷企業，國家電網名列2008年《財富》全球企業800強的第24位，是全球最大的公用事業企業。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

經過了變電站的升壓處理之后，高壓電就可以進入網傳輸了。當然，這里說的入網可不是大家曾經在手機上看到的那種人網證書，而是將高壓電通過架空電纜輸送到四面八方。回顧輸電的歷史，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。在此之后，隨著直流發電機技術的發展，到了1885年，直流輸電的電壓已提高到6000V。但如果要進一步提高大功率直流發電機的發電電壓，存在著絕緣等一系列技術難題。由于直流電不能實現直接升壓，所以電網的輸電距離受到極大的限制，并不能滿足當時飛速發展的用電需求。這樣的情況持續到了19世紀80年代，直到三相交流發電機的發明與變壓器的廣泛應用。1891年，世界上第一個三相交流發電站在德國竣工。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明的交流發電與輸電技術，由它發出的電成功地點亮了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。在我國的電網中，交流輸電占了相當大的比重。在2008年統計的時候，110kV以上的交流輸電電網，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濟發展極不平衡。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、陜西與內蒙古。可是，全國2／3的用電負荷卻分布在東部沿海與京廣鐵路沿線以東的經濟發達地區。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荷之間存在2000公里～3000公里的距離，為了滿足遠距離、大容量輸電需求，因此，只能通過建設特高壓電網來實現。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。

國家電網除了輸電之外，還肩負著另一向重任——電力調配。那么電力是怎么調配的呢?在這里我們可以舉個現實的例子：每年一進入夏天，用電負荷便會激增，而由電廠發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，國家電網除了通過對工業用電進行限制之外，還通過位于全國各地的變電站，與特高壓輸電電網向用電負荷較大的

地區補充電，以滿足用電需求。而在平時，國家電網則可通過對用電負荷的監測，通過調整電廠的發電量來避免電力浪費。

降壓

如果將特高壓電網比做我們體內的主動脈，那么城市電網就好比于它們相連接的毛細血管。電能只有進八城市電網之后才能輸送到千家萬戶，服務于你我的生活。在電進入城市電網之前，它還必須進行降壓。當然，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，經過變電站降壓處理，進八城市電網的電，其電壓依然高達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點進一步放大而已，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省約1／3。除此之外，特高壓直流輸電線路的桿塔結構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(架空線路保護區)的占地面積大幅減少。雖然特高壓直流輸電有著以上的優點，但是它的缺點也非常明顯。由于特高壓直流輸電需要將電廠發出的交流電轉換為直流電，所以它存在變電站結構復雜、建造與使用成本較高的缺點。也正是因為這樣的原因，當特高壓直流輸電距離增加到一定值后，直流輸電線路所節省的費用剛好等于了改建變電站所增加的費用，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，特高壓直流輸電優于特高壓交流輸電；而大于該距離，則特高壓交流輸電優于特高壓直流輸電。由此可見，我們不能單純地認定特高壓直流輸電優于特高壓交流輸電，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，我們必須根據實際輸電距離的長度來進行選擇。

配電

我們知道，根據我國的相關標準，供工業使用的電被稱為動力電，其電壓為380V，而民用電的電壓為220V。所以要滿足工業與民用的用電需求，我們必須對城市電網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常在街邊看到的那種小型變壓器來實現的。但是，無論是哪種變壓器，都只能將種電壓轉換為另種電壓，而不可能同時實現兩種電壓的轉換的。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的。當然，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。而小型變壓器在進行降壓的時候，是不會區分動力電與民用電的。它只會將城市電網傳輸的高壓電直接降為相電壓為220V的交流電。由于動力電采用的三相四線制，所以它的電壓應為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?

對于關心社會新聞的朋友而言，他們可能經常聽到這樣的新聞——某小區業主集體抵制在小區周圍開建的變電站。他們采取這種行動的理由主要是變電站可能會產生電磁輻射，對人體產生不利影響。但是對于變電站而言，在小區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，新建的建筑才能發揮它的功能。而一定水晶塔被破壞，那么這些建筑就無法正常發揮他們的功能。為了避免在游戲中出現這樣的情況，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。如果我們將新建的建筑看作是小區，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了，而這也就是在供電上通用的N-1準則。所謂N-1準則，即是為正常運行方式下的電力系統中任一部分(如發電機、變壓器等)無故障或因故障斷開，電力系統應能保持穩定運行和正常供電，其他部分不至于過負荷，并保證電壓和頻率均在允許范圍內。根據這樣的準則，在進行規劃的時候，就必須在一定距離內設置多個互為支持的變電站。因此，變電站是不可能隨意遠離人口密集地區的。

入戶為什么不用直流電?

現在我們家中的用電設備，特別是大多數數碼設備，都是使用直流電的。因此，變壓器這玩意一時在家中橫行。既然交流電需要進行降壓處理與交直流轉換才能使用，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，我們發現了一些否定的觀點。可是對于這些否定直流電的觀點，只要稍具Geek精神的朋友都可以反駁。

放狗找到的觀點一：

大功率的用電設備如果使用直流電，就會導致輸入用電設備的電流過大。

《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。

放狗找到的觀點二：

使用直流電，電源、電線與用電設備必須構成一個完整的回路，才能讓用電設備開始工作，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回路，而可以將大地作為回路。同樣，我們也可以直接由發電設備、電線、用電設備與建筑的墻體、地板連接構成回路。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備，其入戶電源仍然是交流電的真正原因。

從發電到用電：從升壓到降壓：從交流電到直流電……電這個不知疲倦的家伙，歷經發電、升壓、入網、降壓與配電這5個步驟終于來到了你我面前現在，它依然不知疲倦，匆匆地進入了那些用電設備，為你更舒適、愜意的生活而服務。