为什么长途输电不采取低压高电流?
高压也可能造成高损耗,为什么一定采取高压传输?
你知道么?高压输电线路送来的电压是220000伏甚至更高,建个变电站一下子就变成了220伏,你不禁要问,消失的电压去了哪里?为什么我们的电费那么贵?
你知道么?变电站产生的辐射和核电站一样可怕, 会造成小儿帕金森综合征、孕妇闭经症、老年人产后抑郁症等等。
你知道么?光纤都已经入户的今天,依旧没有实现高压电直接入户,这里面牵扯了多少的利益?又有多少黑幕?
从今天起,请大家一起大声疾呼:
不要变电站
拒绝核辐射
高压电入户
省我血汗钱
题主百度一下电压降
非专业回答(差不多吧)
为啥用高压而不是高电流输电?
把我们现用的交流输电系统简单化,可以视为电源,输电,用电三部分的简单串联
用电端决定了总功率ui(可以把它看成一个常数)发电端按需求发出这么多功率
两头一卡,暂且不考虑线损的话,输电线上的输送功率卡死在这个常数上
所以输电线上,高压对应低电流,低压对应高电流,因为两者之积就是一个常数(嗯,差不多)
然而输电线自己也是有电阻r的
它的损耗=线上电流(有效值)的平方,乘以r
很显然,长距离输电,输电线的电阻相当的大,不可能忽略不计的,要降低损耗,怎么办?
降低线损可以走降线阻的办法,比如导线用铜,用很粗的铜线,但是,在远距输电系统里,这样一是不经济,二是降也降不了多少电阻……而且吧,怕偷(滑稽)
无电阻的超导体?几千公里的超导?且不说你做不出来,算算账还是算了吧
还有一种办法,就是用高压,甚至特高压(中国世界领先水平)电压升高十倍,线上电流降低十倍,损耗降低百倍……以此类推,升压一时爽,一直升压一直爽,妙啊 !
输电线更是可以用便宜的要死的材料,铝啊,不锈钢(真的)什么的,电阻高点无所谓,工程性也更好啊!
而且,不怕偷!(确信)
这个问题有点意思,这个问题的解答涉及到几个方面,包括导线的发热理论和散热动态平衡方程式,还有电压损耗理论,以及短路理论。我们这就开始讨论。
我们先看看百度怎么说:
远距离输电要用高压的原因是:在同输电功率的情况下,根据公式p=ui,要使输电电流i减小,而输送功率p不变(足够大),就必须提高输电电压u。电压越高电流就越小,这样高压输电就能减少输电时的电流,从而降低因电流产生的热损耗和降低远距离输电的材料成本。
由焦耳定律q=i^2rt,减小发热q有以下三种方法:一是减小输电时间t,二是减小输电线电阻r,三是减小输电电流i。可以看出,第三种办法是很有效的:电流减小一半,损失的电能就降为原来的四分之一。要减小电能的损失,必须减小输电电流。
百度的说法属于经典表述,但这种表述对吗?我们来分析一下:
我们设导线的电阻是r,当经过时间t后,导线产生的焦耳热量q为:
,式1
从式1看,增大电流i或者增高电压u,对于导线产生的焦耳热来说,似乎是一致的。我们看到,电压增加一倍,或者电流增加一倍,导线的焦耳发热量均增加四倍。不管是电压也好,是电流也好,并没有本质区别。
这正是题主的疑问之所在。
这里先打一个伏笔,就是电压u到底指的是什么电压。往下看就明白了。
我们知道,焦耳发热的热量作用在导线上,导线会产生两种作用:其一是导线温度升高,引起了热量的消耗;其二是导线向空间中散发热量,同样也引起热量的消耗。这两种热量消耗与产热之间存在热平衡关系。
我们设导线温度升高消耗的热量是q1,导线散热消耗的热量是q2,则有:
,式2
式2叫做导线的热量动态平衡方程式。其中的q1,它等于导线材料的比热容c与导线质量m的乘积,再乘以导线的温度升高值δθ,δθ等于导线当前的温度θ与先前的温度θ0之差,即: 。
我们容易想到,导线持续输送电能时,经过一段时间,导线的温度必然会恒定,也即δθ等于零。如此一来,q1等于零。
我们再看式2中的q2,它与综合散热系数kt与导线的表面面积a,还有导线的表面温度与环境温度差τ的乘积有关,即: 。
我们由式2可知,当导线的表面温度稳定后, 。我们把q的电压表达式和电流表达式代入,得到:
电流表达式: ,式3
我们知道,电阻 ,这里的ρ是电阻率,α是电阻温度系数,l是导体长度,s是导体截面积,θ是导体表面温度。再注意到导体表面积a,我们忽略掉导体的两个端面,于是导体表面积 ,这里的m是导体截面周长,l是导体长度。我们把这些都代入到式3中,得到温升的电流表达式:
,式4
从式4中我们看到,导体温升与电流的平方成正比,与导体的截面积s成反比,与导体截面周长也成反比。特别注意的是:温升与导线长度l无关!由此可知,导线的载流量与导线长度无关!
我们再看温升的电压表达式: ,式5
从式5中我们看到,温升与导线单位长度的电压降“u/l”的平方成正比。
前面的伏笔在此揭开了,原来式1中的电压其实就是导线单位长度的电压降。
我们来做一个段落总结:
当通电导线经过一段稳定时间后,它的温度已经稳定,此时导线的稳态损耗体现在导体相对环境温度的温升上。由式4和式5可以看出,温升与电流的平方成正比,与导线单位长度电压降的平方成正比。
可见,百度的说法是需要补充纠正的。
特别提醒:我们由 和 ,可以推出 。这个式子用一位著名科学家来命名的,叫做牛顿散热公式。这个式子是牛顿首先提出,并用在他的理论中。
从以上讨论中,我们隐隐约约地感觉到,输电的损耗问题不但与温升有关,还与电压损耗有关。
翻开《工业与民用配电设计手册》第四版,在第九章我们能看到有关输电线路的电压损耗表达式:
,式6
式6中,δu%是线路电压损失百分数,un是输送电的标称线电压,r0是三相线路单位长度的电阻,x0是三相线路单位长度的感抗,cosφ是功率因数,i是线路电流,l是线路长度。
提醒一下:式6不是超长距离输电线路的电压损耗。如果一定要给出超长距离的电压损耗,则必须考虑电磁场的许多效应。由此可见,这里面的知识量非常丰富。具体可见有关输配电和工业电磁场方面的书籍,此处不给予详细讨论。
我们从式6中看到,电压损失与导线和线路中流过的电流成正比。由此可以想到:如果把电压提高,把电流减小,那么就能减少线路中的电压损耗。
我们看下图:
从图2中,我们就能看到电压损失的情况。
我们看到,发电机所发的电压必须高于额定电压5%,而升压变压器t1的副边电压高于输送电线路额定电压10%。由于电压损失的原因,到达降压变压器t2的原边,电压已经降低到等于额定电压un。在降压变压器t2的副边,同样需要把电压提升到高于副边线路额定电压的5%。
图2反映了在实际运行中,为了确保用电设备的电压符合标称电压要求,配电系统采取的电压调整措施。
现在,我们再看看当配电网发生短路时,导线的受力情况。
当发生短路时,短路电流很大,导线之间的短路电动力f可以采用毕奥.萨法尔定律来分析,如下:
,式7
式7中的l是导线长度,d是导线间距,kc是导线的截面系数,i是短路电流。
我们通过一个实例来看看短路电动力的大小:
设被考察的导线长度l是100米,导线间距是d是1米,导线的截面系数kc=1,短路电流是100ka。把这些值代入到式7中,看看结果是什么:
我们看到,这100米的导线所受到的短路电动力是20408kgf,差不多相当于20.4吨的力!可见,支撑这些导线或者架空线的铁架该要有多结实。当然,线路保护也必须快速动作才行。
这么大的短路电动力,和电压有关吗?用网络语言来说就是:式7与电压有毛关系。
在实际三相配电网中,当发生短路时,由于三相交流电相序的原因,a相和c相配电线路受到的短路电动力是2.65f,而中间b相配电线路受到的短路电动力为2.8f。
当发生短路时,电压会发生何种变化?我们看下图:
图3中,我们设电源电动势是e,线路电阻和电源内阻的合并电阻是r+rx,短路点的等效电阻是rk,则短路点的电压u为:
为了确保供电电压的稳定性,一般地,线路电阻(阻抗)必须小于短路点电阻(阻抗)的1/50。我们不妨设(r+rx)=rk/50,代入到上式中,得到:
,式8
原来,短路前后电压基本不变!我们把满足这种关系的配电网叫做无限大容量配电网。
我们周围的高压配电网都是无限大容量配电网,只有低压220v/380v配电网是有限容量配电网。尽管如此,由于短路时间很短暂,低压配电网在短路瞬间依然满足无限大容量配电网的特性。
我们看下图,此图是发生短路时的电压波形和电流波形,是我用cad绘制的:
图4中,在时刻0的左侧,我们看到了正常的电压u波形和电流i波形。当在时刻0发生短路时,电流剧烈地增大到冲击短路电流峰值。之后,随着过渡过程的继续,短路电流成为到稳态值ik。
此时的电压有何变化?从图4中看到,电压u基本不变。
可见,从配电网短路故障情况看,不管是短路电动力冲击作用也好,是短路热冲击作用也好,均与电压无关。所以,在配电网中,我们尽量提高电压减小电流,以减小故障电流的冲击。
总结一下:
1)线路损耗与电流的平方成正比,与配电线路单位长度的电压降的平方成正比。
2)降低电流提高电压,能有效地减小线路损耗,提高电网传输电能的能力。
3)提高电压,减小电流,能减轻配电网发生故障时的冲击效应,提高设备承受短路故障冲击的能力。
以上就是给题主的问题最终答案。
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晚上看了若干篇评论,似乎以中学生为主,而且纠结于最开头的式1,后面的内容没人讨论。
其实,这篇文档的涉及到的知识远超中学生的认知能力。对于中学生来说,的确,能看懂前面的式1就不错了。后面的内容,中学生们应当看不懂才对,这从评论中就能明确地看出来。
这篇文档对配电线路导线的发热做了讨论,并导出温升与电流的关系,以及温升与单位长度导线压降的关系。我们看到,从温升作用看,两者是等同的。
然而,从配电线路的电压损耗来看,它与电流密切相关,所以减小电流,就能降低电压损耗。
特别重要的是,从短路电流对配电网的冲击看,电流居于主导地位,而电压的作用却十分有限。由此可知,从配电网的稳定性来看,减小电流具有很大的实际意义。