原来是这样-电是怎么来的(上:发电、输电)

前言:电能的利用是第二次工业革命的主要标志,从此人类社会进入电气时代。如今,电已经成为最基础的能源之一。这两期节目,我们从发、输、变、配四个环节来展示电是如何来到我们身边的。

节目开始之前,我先问问你,你平时用的最多的能源形式是什么?

是电吧?你看,家里的电视机、洗衣机、空调都要用电,厨房里还有电水壶、微波炉、电饭锅、电磁炉……不单是家里,就连我们现在把节目展示给听众,也离不开电。

是的。电能的利用是第二次工业革命的主要标志,从此人类社会进入电气时代。如今,电已经成为最基础的能源之一。

可是为什么电会成为最基础的能源形式呢?

这主要是由于电能可以方便、高效地转化成其它能量形式,比如说:电灯把电能变成了光能,马达把电能变成了机械能,电炉将电能变成了热能,等等。还有,电的传输速度非常快,而且便于集中分配和使用,使用过程中产生的二次污染很少等等。电力系统之所以在当今人类的基础设施领域取得绝对的霸主地位,通用性和操控的灵活性是其取胜的核心。

旭岽

难道我们今天的话题是怎么用电?不是插上插头就好了嘛!

可是你有没有想过,电是如何到达我们身边的?在进入千家万户之前,它都经历了什么?

这么说……我们是不是要去追溯电到达我们身边之前的那段旅途?

没错。我们就从发、输、变、配四个环节,来给大家呈现出电的那段不为人知的旅途。

我来替大家先整理一下:发,就是产生;输,就是输送;变,就是改变、变换;配,就是分配。我说的没错吧?

这里先给你点个赞~马上进入正题。

————————-发电部分————————-

首先是电的产生,我记得好像是从发电机制造出来的吧?

这里我们要强调一点,我们这里说的电就是电能,是一种能量形式。既然电能是一种能量形式,那么,它既不会凭空产生、也不会凭空消失,只是从一个物体转移到另一个物体,或者从一种形式转换成另一种形式……

这段话怎么听着那么耳熟?感觉像是从教材上搬下来的……那么发电机究竟是如何发电的呢?

我们先看一个小玩意儿。相信有不少听众朋友,尤其是男性听众小时候都玩过四驱车吧?当年那部很火的动画片《四驱兄弟》。四驱车的心脏,就是那个通电之后就会转动的马达。可能有细心的朋友会发现,这个马达是有磁性的,能吸引铁钉、一元硬币之类的东西。其实这个马达内部装有两块永磁体,马达内部转动的部分(我们称之为转子zhuàn zǐ,同样,固定的部分称为定子)就在这两块永磁体之间。由于磁场对电流会产生力的作用,所以当马达的转子有电流流过的时后,它就会转动起来。

等等!我们现在好像是要讨论如何发电的吧?那为什么讲到了四驱车里的马达?它不是用电的东西吗?

这里有必要解释一下,无论是产生电能的发电机,还是将电能转换成机械能的电动机,它们都可以统称为电机,又叫机电能量转换装置。细心的听众可能注意到了,这里的转换是双向的。事实上,一切能实现机械能和电能之间转换的装置都称为电机。理论上讲,任何一台电机既可以作为电动机,也可以作为发电机。在定子输入电能、在转子上输出机械能,就是工作在电动机状态;反之,在转子上输入机械能而在定子上输出电能,就是工作在发电机状态。

原来是这样!那照你这么说,如果我想办法让那个四驱车马达的转子转动起来,就能在那个叫本来应该通电的地方产生电?

是的,只要你转的足够快!这里我们可以顺便提一下现在很火的电动汽车,它里面的电机在刹车的时候就是工作在发电机状态,利用车的动能对蓄电池充电,从而达到节能的目的。

也就是说,如果把那个四驱车的马达放大,就可以作为一个大型的发电机了?

但是如果把它用作发电机的话,发出的是直流电而不是我们家里用的交流电。直流电强度的方向不随时间变化,而交流电的强度和方向是随时间周期性变化的。直流电机的转子上有一个标志性的部件,叫做换向器,它的作用就是使得靠近相同的定子磁极的转子内的电流方向相同。有兴趣的听众可以去搜一下直流电机的原理图,就能有直观的理解。

不过,只要我们去掉换向器,那么如果转子匀速旋转,那么感应出的电压就是成正弦变化的。我们也可以让一个条形磁铁旋转,而在定子上输出电能,就得到了一个单相(xiàng)交流发电机的最简单的模型。

我注意到这里单相的相不是方向的向,而是照相机的相。

没错,它表示的是相位。还记得吗?正弦函数的三要素就是振幅、频率和初相位。单相,意味着只有一个初相位。

你刚才说我们家里用的是交流电,为什么是交流电而不是直流电呢?

最早的电力用户用的就是直流电。交流电相比直流电而言的独特优势就是可以非常方便地改变电压,使用变压器就行了。至于变压器的原理,我们稍后再说。

但是,交流电取代直流电并不是一蹴而就的,原因在于单相交流电有一个致命的缺点,就是无法直接驱动电机。因为单相交流电流产生的磁场是脉动的,所以如果要用单相交流电驱动电机,就必须保证完美的相位同步,这对于受外接负载干扰的驱动机来说,是不可能做到的。将电能直接转换为持续的旋转机械能是电力应用领域的一项重要工程,交流电不解决此问题就无法全面取代直流电。

既然现在用的是交流电,那说明这个问题应该已经解决了。那是怎么解决的呢?

有一项天才的发明完美解决了这个问题,那就是三相交流电。三相交流电源的模型可以看作是由三个振幅和频率相等、相位依次相差120度的三个单相交流电源组成。

子凌

照你这么说,要产生三相交流电就需要三台发电机咯?

实际实现起来其实是很简单的。我们前面说的那个单相交流发电机里面,如果选取以转子的旋转中心为中心的等边三角形的三个顶点上安装三个电极,那么这三个电极感应电压的相位就是依次相差120度的。但是为了电路分析的方便,三相电源的数学模型还是采用三个单相交流电源。

这样只要让发电机的那个叫转子的东西转起来,就能产生电能啦。我们是不是完成了创造工作,该传输出去了?

前面我们说了发电的原理,但是发电机发出的电能,也是要符合一定的条件才能送进电网的。

啊?还是要有条件的?要什么条件?

这里我们假设已经存在一个规模很大的电网,新的发电机并入电网后对电网产生的影响可以忽略。我国将电力系统的三相分别称为A相、B相和C相,其中A相用黄色表示,B相用绿色表示,C相用红色表示。A相超前B相120度,B相超前C相120度,C相又超前A相120度,这称为相序。发电机并网的一个必须满足的、绝对不能出错的条件就是相序和电压波形与电网的相序和电压波形相同。此外还有发电机并网前的电压和转速要接近于电网的电压和同步转速,并在相位接近或相同的时刻并网。这个过程称为准同期并列。

不但有条件,还要选时机!

是的。发电机并网的原则是并入瞬间冲激电流尽可能小,并且并网后暂态调整过程尽可能短。如果并网前发电机的转速如果高于电网的同步转速,那么并网后发电机将向电网输出有功功率,反之从电网吸收有功功率;如果并网前发电机的电压高于电网电压,那么并网后发电机将向电网输出无功功率,反之从电网吸收无功功率。

功率我知道,就是单位时间内的能量吧?讲电能的传输其实是功率的传输是可以理解的。但是这个有功功率和无功功率是什么意思?

在解释这两个名词之前,我们先说说另外一个概念,就是交流量的有效值。如果我们在相同的电阻上分别施加直流电压和交流电压,经过一个交流周期的时间,如果它们在电阻上所消耗的电能相等的话,则把该直流电压的大小作为交流电压的有效值。有效值也称为方均根值。正弦交流量的幅值是其有效值的根号2倍。正弦交流系统中的电压和电流一般都是指有效值。

也就是说,这是一个等效的概念。可是和那两个功率之间有什么联系?

前面我们提到,正弦量的三个要素是振幅、频率和相位。如果某个元件上电压和电流是同频率正弦交流量,但是它们之间存在一个相位差。这个相位差是由电压的相位减去电流的相位得到。这个元件所消耗的功率就是电压和电流这两个正弦函数的乘积。

友情提醒,尚未读高中的同学可以跳过下面那段,直接听结果。

将功率的表达式利用三角恒等式展开后,再利用倍角公式处理,可以发现这个功率的表达式为两部分之和,第一部分的平均值为电压和电流的有效值乘积再乘以相位差的余弦值,这部分代表实实在在消耗掉的功率,称为有功功率,单位为瓦(W);第二部分的平均值为零,其幅值为电压和电流的有效值乘积再乘以相位差的正弦值,代表元件和电源之间往返交换的能量的规模,称为无功功率,单位为乏(var);相位差的余弦值称为功率因数,相位差称为功率因数角。电压和电流的有效值乘积称为视在功率或容量,单位为伏安(VA)。如果将有功功率作为实部、无功功率作为虚部,就构成了复功率,视在功率就是复功率的绝对值。视在功率的平方等于有功功率的平方加无功功率的平方。

总结一下,有功功率就是实实在在消耗的功率;无功功率反映元件和电源之间往返交换的能量的规模;视在功率就是看上去消耗的功率。这样,我们的有功功率和无功功率就开始在电线中以光速传输啦。

————————-输电部分————————-

唉,你这里说到是以光速传输,是什么中的光速呢?

电能是在导体中传输的呀,那当然是导体中的电磁波速度,也就是导体中的光速啦~难道还是周围空气中的光速嘛?

这里我们要颠覆大家的一个认识,那就是电的传播速度与导体关系不大,而是由导体周围的绝缘体决定的!

怎么会是这样?

电能确实是在导线中传播的,但是交变电磁场却是在周围的绝缘介质中传递的,导体只是提供一个形成电流的边界条件。这样,电能的传播速度就由周围的绝缘介质决定。比如铁塔上的架空线路,导体周围的绝缘介质是空气,所以电能的传播速度近似为真空中的光速,即每秒30万公里;在以交联聚乙烯为绝缘材料的电缆中,传播速度大约只有每秒17万公里;在以油浸纸为绝缘材料的电缆中,传播速度大约是每秒14万公里。

原来是这样啊。我记得中学里的物理课还说过,提高输电电压可以降低输电线路上的损耗,那么我们输电的电压大概是多少呢?

这里有必要介绍一下我国的电压等级。我国电网常用的电压等级又分为这几个等级:

低压配电网:交流220/380伏

中压配电网:交流10(20)千伏、35千伏、66千伏

高压配电网:交流110千伏

高压输电网:交流220千伏

超高压输电网:交流330千伏、500千伏、750千伏;直流正负400千伏、正负500千伏

特高压输电网:交流1000千伏;直流正负800千伏、在建的正负1100千伏

其中220伏为相电压有效值,其余均为线电压有效值。

暂停一下!提几个问题。首先,我看到文案上大部分电压等级之间是用顿号分隔的,但是220和380之间是斜线,20是写在10之后的括号中的;还有之前不是说交流电已经取代直流电了嘛,这里怎么又有了直流?线电压和相电压又是什么东西?

20写在10之后的括号内是因为大部分地区使用10千伏配电网,江苏的部分地区用20千伏配电网取代了10千伏。

220和380之间用斜线表示这两个是一个电压等级。前面我们提到过,在分析的时候,三相电源的模型还是采用三个单相交流电源,那么可以看作三相输电线路的每一相都连接着一个单相交流电源,这个交流电源的电压就是相电压;而任意两相之间的电压差就称为线电压。幅值和频率都相同、而频率相差120度的两个正弦量的差的幅值,是原来的根号3倍,也就是说,三相输电线路上线电压是相电压的根号3倍。220的根号3倍大约是381,取整后就是380了。

怪不得!

下面我们解释直流输电再次获宠的原因。在这之前之前,我们先来讨论一下交流电在输电线路中的损耗问题。大家都知道,导体的导电性能再强,也是存在一定的电阻,电流流过电阻的时候就会发热;同样,绝对的绝缘体也是不存在的,只要有电压存在,绝缘体中也会产生极微量的电流,称为泄漏电流,这同样会引起功率损耗。除此之外,电流会在周围绝缘介质中产生磁场,电压在绝缘介质中又建立了电场,交变的电流和电压就形成了交变的磁场和电场。表征电流致热效应的参数为电阻,表征电流的磁场效应的参数为电抗,表征泄漏电流的参数为电导,表征电场效应的参数为电纳。通常输电线路的电导是可以忽略的而电阻和电抗是不能忽略的,当电压足够高时,电纳产生的效应也不能忽略。这样,当电能在线路中传输时,由于电流致热和泄漏电流会导致有功功率的损耗,而磁场效应会导致无功功率的损耗,但是电场效应反而能提供无功功率。

说了那么多都是交流电的东西,与直流有什么关系?

那是因为直流系统因为不存在相位,所以不存在无功功率。在交流系统中,有功功率不足会导致系统频率的下降,无功功率不足会导致系统电压的下降;反之,有功功率和无功功率的过剩会导致系统频率和电压的升高。当直流系统达到稳定状态后,电场和磁场都几乎不再变化,所以线路的电抗参数和电纳参数的影响会消失;另外,交流电存在趋肤效应,即电流会集中在导体的表面,而导体内部的电流强度较低,频率越高,趋肤效应越明显;第三,交流电会在特殊情况下产生谐振效应,在电抗和电纳参数配合不当时,会让设备承受其本不该承受的高电压;第四,交流系统受到同步稳定性的限制,要增大传输距离就必须提升电压,而直流系统没有同步稳定性的问题。还有更重要的一点,就是在一个交流系统内部频率都是一样的,而直流线路可以连接两个不同频率的交流电网。将交流电转变为直流电的过程称为整流,将直流电转变为交流电的过程称为逆变。

但是直流输电系统也有不可忽视的不足,就是与交流电的转换需要复杂的换流设备。换流设备在工作时需要消耗大量的无功功率,换流过程也会产生大量的谐波。至于谐波是什么,这里先留一个坑。另外,直流电流不像交流电流那样存在过零点,所以直流电弧难以熄灭。

那我们今天主要是直流还是交流的?

今天我们主要讲的是交流。直流与交流如何转换,我们以后找机会再说。

前面我们把电压等级分为了低压、中压、高压、超高压、特高压,后三个都是高压,为什么还分为超高压和特高压呢?

中国有句俗语,叫量变产生质变。对于220千伏及以下的交流架空线路,电晕放电及其引起的各种派生效应上还不明显,一般不需要采用分裂导线和均压防晕设备;而对电压等级更高的线路来说,情况则完全不同,不但广泛采用分裂导线或扩径导线,而且绝缘子串上都装备了均压防晕金具以改善电压分布、减轻绝缘子串上的电晕及其引起的干扰。超高压输电技术的一个基础研究课题就是电晕问题。另外,对于220千伏及以下的输电系统来说,按雷电过电压选择的绝缘水平一般都能满足操作过电压的要求;而对于220千伏以上的系统来说,操作过电压开始取代雷电过电压而成为决定系统绝缘水平的控制因素。

分裂导线?导线也会分裂?

就是用几根导线并联来代替代替根导线。其实你从我们这幢大楼往西看,那边就有220千伏的输电线路。你很容易就能看到,它都是两根导线一组排列的,每组的两根导线都靠的很近,这个就是分裂导线。

你不说还真没注意过!

分裂导线的作用就是利用电磁感应原理,降低导线上的电抗,从而达到减少输电线路上的电能损耗的问题。另外,分裂导线也增大了导线的表面积,对于减小趋肤效应的不利影响也起到一定的作用。我刚才说的那是二分裂的导线,此外常用的还有三分裂、四分裂、六分裂、八分裂等,一般而言是电压等级越高,分裂数就越多。

说了超高压超在哪里,那特高压有究竟特在哪里呢?

特高压区别于超高压的特征在于空气间隙击穿特性的饱和问题。当距离较短时,空气的击穿电压基本与距离成正比;但空气间隙的长度达到一定程度(5~6米以上)时,它在工频过电压和操作过电压的击穿特性开始呈现饱和现象,击穿电压与气隙的长度不再呈线性关系。

量变引起质变在这里也是真理啊!像咱们国家这样庞大的电网,那么多的线路,肯定要消耗不少铜吧?

你认为输电线路都是铜嘛?

当然,家里的电线不都用的是铜嘛?

铜确实是电力线路中常用的导体材料,此外还有铝、铝镁合金和钢。电缆线路很多使用铜作为导体,而架空线路很多都是用铝或者钢作为导体的。

铜好像是这些材料中导电性能最好的吧?那为什么不都用铜呢?

在所有金属中,铜的导电能力仅次于银,而且机械强度高、耐腐蚀性强,银又那么昂贵,所以铜是一种非常好的做为导线的材料。但是铜的密度大(每立方厘米8.9克)、价格昂贵,而且其它工业也需要大量的铜材,故架空输电线路的导线除特殊情况外都不采用铜线。铝的导电性能仅次于银和铜,导热性等好、质地柔韧易于加工、无低温脆性、耐腐蚀性较强、质量轻(密度为每立方厘米2.7克),而且铝矿资源丰富产量高、价格低廉;但铝的机械强度低。铝的抗酸、碱、盐的能力较差,故沿海地区和化工厂附近不宜采用。

既然铜和铝作为导线时具有优势互补,为什么还要用钢来作为导体?

在上述材料中,钢的导电率是最低的,但它既有铜的机械强度高的特点,又有铝的价格低的特点(而且钢的价格比铝更低)。在线路跨越山谷、江河等特大档距且电力负荷较小时可采用钢导线。钢导线需要镀锌以防锈蚀。另外,在输电线路上的地线通常采用钢作为导体。因为地线的作用是当雷击线路时将雷电流导入大地以保护线路绝缘免遭大气过电压的破坏;此外还起到固定杆塔的作用。对于传导雷电流而言,线路上的损耗不是主要考虑的问题,而能在雷电流作用下不损坏,而且还要可靠地固定杆塔,所以用钢作为导体主要是利用它那较高的机械强度。

如果有一种导电性能好、机械强度高,而且价格又便宜的材料,那该多好!

其实现在就有啊!就是把前面说的两种材料组合起来。

啊?是什么?

这个就是现在被广泛用于架空输电线路的钢芯铝绞线。顾名思义,主要材质还是铝,中间有钢芯。

为什么要采用这种结构?

前面提到过,交流电存在趋肤效应,即电流会集中在导体的表面。这样以来,导体中心的电流密度低于导体表面的电流密度,所以,把导体中心挖空,对导线的导电能力影响不大,但是却节约了导体。把挖空的部分,用强度高而价格便宜的钢填充,就组成了你刚才说的导电性能好、机械强度高,而且价格又便宜的材料。

这个是叫做钢芯铝绞线吧?绞线又是什么?

绞线表示导线不是一根完整的导体,而是由许多根更细的导体绞合在一起,就像麻绳那样。

为什么要这么做呢?

这个是为了生产、运输、安装的便利提供的。根据材料力学的理论,材料所能承受的最大拉力与截面成正比,而圆柱形材料抗弯曲的能力与其直径的三次方成正比。所以,采用多根细线绞合的方式,既保持了导线所能承受的最大拉力,同时使得导线更容易弯曲,这就更便于缠绕在线盘上或从线盘上取下。

说完了导线,但是线路中应该不仅仅有导线吧,比如说,用来安装导线的电线杆……

输电线路当然不仅仅只有导线,而且我们刚才讲的主要是架空输电线路。

啊?还有不是架空的线路?

电力线路按其架设方式可分为架空线路和电缆线路两大类。架空线路的优点是投资小、建设速度快、维护方便、容易变动迁移等,因而得到广泛应用,一般情况下高压电力线路都采用架空线路的方式;缺点是运行受自然环境、气候条件及人为环境影响大,供电可靠性较差。相比于架空线路,电缆线路虽然具有成本高、投资大、维修不便等缺点,但是它有运行可靠、不易受外界影响、不需架设杆塔、不占地面、不碍观瞻等优点。一般在人口密集、架空通道资源紧缺的地区和线路复杂、安全要求高等情况下,特别是在有腐蚀性气体和易燃易爆场所,不宜架设架空线路时,只能敷设电缆线路。

这个系列我们介绍的线路主要是大家能看得见的架空线路;至于电缆线路,以后有机会再和大家细说。

那回到刚才的问题,组成架空线路的除了导线还有什么呢?

架空线路主要包括杆塔、绝缘子、导线、横担、金具、基础、接地装置等。

导线我们刚才已经讲过了,是用来传输电能的。杆塔的作用是支持导线、避雷针和其它附件,使其对大地和其它建筑物保持足够的安全距离,并在各种气象条件下保证线路能够安全可靠运行。绝缘子除了用来使导线之间以及导线对地之间绝缘以外,还用来固定导线,承受导线的垂直荷重和水平荷重。横担安装在电杆的上部,作为绝缘子的安装架,也是保持导线间距的排列架,要求由一定的长度和强度。金具用于将杆塔、导线、避雷线和绝缘子连接起来,或对导线、避雷线和绝缘子起保护作用的金属附件,线路金具一般由铸钢或可锻造铸铁制成。杆塔基础是杆塔埋入地下的部分的统称,其作用是保证杆塔稳定,不因杆塔的垂直荷载、水平荷载、事故断线张力和外力作用而上拔、下沉或倾倒。杆塔基础一般分为电杆基础和铁塔基础两大类。接地装置指埋设在土壤中并与避雷线相连的金属装置,作用是将雷电流引入大地并迅速扩散,以保护线路免受雷击。

天哪!看似简单的几根线路,后面还要有那么多设备来支撑!

是的,而且这一切都只是有一个目的。

是什么?

就是保证能长期安全、稳定、经济地传输电能,让电到达千家万户!

原来是这样!

就是这样!

尾声

在讲输电线路的时候,提到了架空输电线路和电缆输电线路,而我们主要以架空输电线路在讲,究其原因就是架空输电线路是我们能看得到的,而电缆通常隐蔽在地下。这样一定程度上可以更直观地展现。之后的配电部分也主要以看得到的架空配电线路为主。

本想用一期完成发输变配四个环节,但是由于变电部分仅从能量传输的角度而言也涉及了大量的内容,放在一期里面的话节目时长很可能达到2小时。

《电是怎么来的》两期涉及专业名词过多,虽然大致按照电能传输的路线进行介绍,但很多时候不得不对名词做出解释,这样就会显得逻辑上比较混乱,还请谅解!

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