高壓交流輸電的原理

首先我們很明確知道，我們使用的電都是來自于發電廠，這些發電廠的形式也是多種多樣，例如火力發電廠，水電站，核電廠，風電廠以及光伏發電廠等等。那么目前由于成本以及維護費用這一塊的原因，火力發電廠仍然是提供電力資源的主力軍。

一般的，發電廠內發電機組的輸出電壓一般在千伏級，那么我們可以試想一下如果要為一個城市提供電力，站在發電廠的角度來考慮，到底發電廠需要輸出多大的交流電壓呢？是將發電機組輸出的電壓降壓，保證用戶端的電壓為220V？還是將其升壓到更高的電壓輸出，然后再在用戶附近將其變壓回220V市電呢？

我們先來看看第一種方案，用戶端直接接受來自發電廠的電壓，不部署變壓器在用戶的附近：

我們可以看到，由于電纜過長導致100KM的電纜上的阻值有近30Ω，所以當發電廠輸出220V市電的時候，由公式U=I*R，很顯然電纜上會分擔一部分電壓，這會導致用戶無法得到標準的220V市電。所以發電廠需要輸出比220V更高的電壓，來保證用戶端可以得到標準的220V市電。

現在讓我們從功率的角度考慮一下這個問題。用戶需要220V市電以及10A的電流輸出，那么我們需要保證用戶得到的是220V的電壓（在10A的供電電流下）。那么現在我們就可以根據我們需要輸出的電流（10A）來計算電纜上的壓降以及功率了：

那么在此情況下，可以看出電纜上耗費了近3000W的功率，甚至比用戶需要的功率還要高，這說明發電廠輸出的電能超過一半被浪費在了傳輸上！！！！！

這對于實際應用來說實在是很不經濟，因為電纜的功率損失導致效率的低下。這就是為什么我們需要高壓交流輸電系統，所以我們來看看第二種方案，發電廠將發電機組輸出的電壓升壓到很高，然后傳輸出去，用戶端部署變壓器來得到220V市電：

從這幅圖中可以看到發電機組輸出的電壓被升到很高，然后在輸出端經過降壓后得到標準的220V市電。假設變壓器上導致的功率損失我們忽略不計，發電機組和升壓變壓器距離很近，導線電阻忽略不計，降壓變壓器距離用戶很近，同樣忽略導線電阻。那么當用戶需要220V市電以及10A的電流輸出時，我們可以計算一下電纜上的壓降以及損耗功率：

由于當功率不變的情況下，電壓越高導致電流越小，所以在這個例子中，采用高壓交流輸電系統情況下，在導線上損耗的功率占總輸出功率中很小的部分，因此整個系統的效率得到成倍的提高。那么通過提高傳輸電壓可以盡量的減少電纜線上的壓降，以減少由于電纜線電阻導致的功率損失。

不過在這個例子中我并沒有涉及到變壓器的功率損失，在實際應用中變壓器會由于鐵損、銅損、磁滯等等原因導致功率損耗。我在這里只是想展現出輸電線上電壓不同對整體效率的影響，所以變壓器損耗不計算在內。

高壓交流輸電的確解決了許多問題，例如位于湖北宜昌市的三峽水電站，是世界上最大的水利工程，其輸出電壓近500KV交流電，極高的電壓可以最大限度的減少消耗，提高效率。其輸出電力送達華中五省（湖北，湖南，河南，江西以及重慶），以及一千多公里外的華東城市群等等。這么龐大的電力供應，任何在電力傳輸途中遇到的問題都會被放大化，導致極高的損失。

現交流高壓輸電存在的問題

之前我講解了為什么采用高壓輸電的原因，對于遠距離輸電系統中，導線中的電流應該盡量減少以減少功率損耗。那么，對于高壓輸電來說，在傳輸中損耗是否只來自導線電阻呢？

問題一：感抗

在高壓交流輸電系統實際使用中，電力傳輸線不僅僅存在一定的電阻，還存在自身的感抗。如果了解過一些關于模電的知識的話，就應該知道關于如何計算感抗的公式：

那么通過這個等式我們可以看到，當輸電線上頻率為50HZ（市電頻率）的時候，感抗的大小就可以很方便的被計算出來。

問題二：電容

首先我們搞清楚最基本電容器的原理是什么。我這里介紹一下平行板電容器，它是一個可以存儲電荷的元件，他的基本構造就是兩個互相靠近的導體，中間夾上一層不導電的絕緣介質。如下圖所示：

看到這個公式有些復雜，不過其實不用去計算它，我在這里只是粗略講解平行板電容器的大小是由什么因素決定的，所以我們發現：

再根據一些模電的基礎知識我們得知：

那么我們就可以根據這個公式來計算容抗了。在日常生活中，我們可以發現輸電塔上往往都有好幾根并排布置的輸電線：

那么這些輸電線之間互相并排布置，且均為導體，并且空氣作為絕緣介質，那么此時在兩根線之間就會存在電容：

那么計算這些平行導線之間的電容有另外的一個公式，和計算平行板電容器的公式很相似：

那么我們根據剛剛提到的影響電容的這些因素得知，當輸電線距離越近的時候，那么他們之間的電容也就會越大：

那么電容越大會導致什么？根據前面我提到的容抗的計算公式可知，其他條件均不變時，電容越大，容抗越小：

那么容抗越小代表什么？容抗代表了電容器對交流電的阻礙大小，容抗越大代表越會阻礙交流通過，容抗越小代表對交流信號的阻礙作用越小。那么如果輸電線之間間距很近會導致什么？

所以這也是高壓輸電線一般間距都較遠的原因，為了最大化的減少導線之間的電容以減少電力損失。那么如果我們從宏觀來看的話，大地作為一個導體，輸電線作為一個導體，它們之間有空氣作為絕緣介質，那么它們之間也會存在電容：

那么同樣根據我剛剛提到的，其他條件均不變的時候，導體距離越近，他們之間的電容就越大，那么如果我們將輸電線架設在較矮的位置，甚至是埋在地下的時候，勢必會導致電容增大：

這也就是為什么高壓線路需要架設在很高的地方，盡可能減少輸電線與大地之間的電容。

現在看來，輸電線的假設方法還有不少講究，輸電線首先自身就有電阻，并且存在自身的電感，當它架設在空中的時候還和其他輸電線，大地之間形成了電容。為了方便理解輸電線各個特性之間的關系，我將一根輸電線簡化一下，變成以下的電路：

可以看到輸電線基本上可以等效成自身電阻電感，加上輸電線之間或者輸電線對地并聯的電容，這些因素共同都造成了高壓交流輸電系統中電力的衰減以及流失。

問題三：趨膚效應

關于這個效應其實是在輸電線中存在交流電通過時，由于導線中心反向感應電流較大的緣故，從輸電線的橫截面查看電流并不是均勻的、從輸電線內各個位置流過的，而是會集中在輸電線的表層，從而輸電線內部中心區域電流通過較少，這會使得輸電線對于交流電通過時阻抗增加，增加消耗。

從圖上看出，外圍電流密度最大，越往中心，電流密度越低。為了解決這個問題，電纜線生產廠家采用多股細導線鉸接在一起，來代替一根粗導線，來最大化減少趨膚效應帶來的能量損耗：

問題四：有功功率和無功功率

讓我們搭建一個電路，負載采用純阻性負載，然后測量通過電路的電流以及電壓：

我們可以發現，它是同相位的，即電壓最大的時候，電流也是最大的。讓我們再來看看負載為純感性負載的時候

我們可以發現，它并不是同相位的，即電壓最大的時候，電流為0。并且電流信號會滯后（lag）電壓信號四分之一個周期。接下來讓我們看看負載為純容性的時候：

我們可以發現，它并不是同相位的，電壓最大的時候，電流仍然是0。但是這次和純感性負載不同，電流信號超前（lead）電壓信號四分之一個周期。

我們在總結一下：

那么我們使用軟件計算一下功率，首先是純阻性負載：

可以看到功率曲線上的所有值全部大于零，這里說明對于純阻性負載，在交流信號下，電網輸出的所有功率全部被負載用掉了，電網輸出的所有能量全部被我們的負載用來做功（不考慮負載上各種損耗情況下）我們稱這種功率為有功功率。接下來看看純感性負載和純容性負載：

我們看到功率曲線和正弦曲線一樣，但是和純阻性負載不同，功率曲線上一部分值大于零，一部分值小于零。如果我們對于圖中所示的功率曲線，在單個周期內進行積分運算的話，我們可以發現他的值是零，這代表了什么意思呢？為什么單個周期內功率積分會是零？

那么這個功率曲線也代表了純感性負載和純容性負載的特性，由于電流和電壓相位不同的原因，導致了他們在電路中并不消耗功率，而是在“吸收”電網中的能量以及“釋放”能量到電網這兩種狀態中轉換。時而將電能吸收并存儲下來，時而送回到電網中去，他們并不會像純阻 性負載一樣，從電網中索取能量并且轉換為熱能（電熱壺，加熱器等等）或者其他能量類型，他們只是扮演者一個能量交換的作用，他們并不對外做功。這種類型的功率，我們稱為無功功率。

那么無功功率從哪里來的呢？我們知道對于電感和電容這種儲能元件來說，都會在電網中產生無功功率，那么家庭中會有哪些設備是呈感性負載或者容性負載的呢？

電風扇，日光燈的鎮流器都屬于感性負載。對于電網來說，導線自身電感、變壓器也算的上感性負載。所以對于這些感性負載，他們會同時消耗有功功率以及無功功率：

我們前面說到無功功率并不是實際的消耗能量，他們并不對外做功。但是在實際電網中，儲能器件“吸收”和“釋放”電能量過程中產生的電流還是赤裸裸存在的，由于導線上的電阻，這些電流依然會引起在導線上的損耗！！！！

高壓交流輸電總結

首先，高壓交流輸電系統得益于交流電可以很容易的改變電壓（通過變壓器），因此在總輸出功率一定的情況下，使用更高的電壓可以最大化減少電網中的損失。而因為交流電網中存在導線自身電感，對地電容，趨膚效應，無功功率等等因素，導致了高壓交流輸電網中的巨大的能量損失。