高压交流输电的原理

首先我们很明确知道，我们使用的电都是来自于发电厂，这些发电厂的形式也是多种多样，例如火力发电厂，水电站，核电厂，风电厂以及光伏发电厂等等。那么目前由于成本以及维护费用这一块的原因，火力发电厂仍然是提供电力资源的主力军。

一般的，发电厂内发电机组的输出电压一般在千伏级，那么我们可以试想一下如果要为一个城市提供电力，站在发电厂的角度来考虑，到底发电厂需要输出多大的交流电压呢？是将发电机组输出的电压降压，保证用户端的电压为220V？还是将其升压到更高的电压输出，然后再在用户附近将其变压回220V市电呢？

我们先来看看第一种方案，用户端直接接受来自发电厂的电压，不部署变压器在用户的附近：

我们可以看到，由于电缆过长导致100KM的电缆上的阻值有近30Ω，所以当发电厂输出220V市电的时候，由公式U=I*R，很显然电缆上会分担一部分电压，这会导致用户无法得到标准的220V市电。所以发电厂需要输出比220V更高的电压，来保证用户端可以得到标准的220V市电。

现在让我们从功率的角度考虑一下这个问题。用户需要220V市电以及10A的电流输出，那么我们需要保证用户得到的是220V的电压（在10A的供电电流下）。那么现在我们就可以根据我们需要输出的电流（10A）来计算电缆上的压降以及功率了：

那么在此情况下，可以看出电缆上耗费了近3000W的功率，甚至比用户需要的功率还要高，这说明发电厂输出的电能超过一半被浪费在了传输上！！！！！

这对于实际应用来说实在是很不经济，因为电缆的功率损失导致效率的低下。这就是为什么我们需要高压交流输电系统，所以我们来看看第二种方案，发电厂将发电机组输出的电压升压到很高，然后传输出去，用户端部署变压器来得到220V市电：

从这幅图中可以看到发电机组输出的电压被升到很高，然后在输出端经过降压后得到标准的220V市电。假设变压器上导致的功率损失我们忽略不计，发电机组和升压变压器距离很近，导线电阻忽略不计，降压变压器距离用户很近，同样忽略导线电阻。那么当用户需要220V市电以及10A的电流输出时，我们可以计算一下电缆上的压降以及损耗功率：

由于当功率不变的情况下，电压越高导致电流越小，所以在这个例子中，采用高压交流输电系统情况下，在导线上损耗的功率占总输出功率中很小的部分，因此整个系统的效率得到成倍的提高。那么通过提高传输电压可以尽量的减少电缆线上的压降，以减少由于电缆线电阻导致的功率损失。

不过在这个例子中我并没有涉及到变压器的功率损失，在实际应用中变压器会由于铁损、铜损、磁滞等等原因导致功率损耗。我在这里只是想展现出输电线上电压不同对整体效率的影响，所以变压器损耗不计算在内。

高压交流输电的确解决了许多问题，例如位于湖北宜昌市的三峡水电站，是世界上最大的水利工程，其输出电压近500KV交流电，极高的电压可以最大限度的减少消耗，提高效率。其输出电力送达华中五省（湖北，湖南，河南，江西以及重庆），以及一千多公里外的华东城市群等等。这么庞大的电力供应，任何在电力传输途中遇到的问题都会被放大化，导致极高的损失。

现交流高压输电存在的问题

之前我讲解了为什么采用高压输电的原因，对于远距离输电系统中，导线中的电流应该尽量减少以减少功率损耗。那么，对于高压输电来说，在传输中损耗是否只来自导线电阻呢？

问题一：感抗

在高压交流输电系统实际使用中，电力传输线不仅仅存在一定的电阻，还存在自身的感抗。如果了解过一些关于模电的知识的话，就应该知道关于如何计算感抗的公式：

那么通过这个等式我们可以看到，当输电线上频率为50HZ（市电频率）的时候，感抗的大小就可以很方便的被计算出来。

问题二：电容

首先我们搞清楚最基本电容器的原理是什么。我这里介绍一下平行板电容器，它是一个可以存储电荷的元件，他的基本构造就是两个互相靠近的导体，中间夹上一层不导电的绝缘介质。如下图所示：

看到这个公式有些复杂，不过其实不用去计算它，我在这里只是粗略讲解平行板电容器的大小是由什么因素决定的，所以我们发现：

再根据一些模电的基础知识我们得知：

那么我们就可以根据这个公式来计算容抗了。在日常生活中，我们可以发现输电塔上往往都有好几根并排布置的输电线：

那么这些输电线之间互相并排布置，且均为导体，并且空气作为绝缘介质，那么此时在两根线之间就会存在电容：

那么计算这些平行导线之间的电容有另外的一个公式，和计算平行板电容器的公式很相似：

那么我们根据刚刚提到的影响电容的这些因素得知，当输电线距离越近的时候，那么他们之间的电容也就会越大：

那么电容越大会导致什么？根据前面我提到的容抗的计算公式可知，其他条件均不变时，电容越大，容抗越小：

那么容抗越小代表什么？容抗代表了电容器对交流电的阻碍大小，容抗越大代表越会阻碍交流通过，容抗越小代表对交流信号的阻碍作用越小。那么如果输电线之间间距很近会导致什么？

所以这也是高压输电线一般间距都较远的原因，为了最大化的减少导线之间的电容以减少电力损失。那么如果我们从宏观来看的话，大地作为一个导体，输电线作为一个导体，它们之间有空气作为绝缘介质，那么它们之间也会存在电容：

那么同样根据我刚刚提到的，其他条件均不变的时候，导体距离越近，他们之间的电容就越大，那么如果我们将输电线架设在较矮的位置，甚至是埋在地下的时候，势必会导致电容增大：

这也就是为什么高压线路需要架设在很高的地方，尽可能减少输电线与大地之间的电容。

现在看来，输电线的假设方法还有不少讲究，输电线首先自身就有电阻，并且存在自身的电感，当它架设在空中的时候还和其他输电线，大地之间形成了电容。为了方便理解输电线各个特性之间的关系，我将一根输电线简化一下，变成以下的电路：

可以看到输电线基本上可以等效成自身电阻电感，加上输电线之间或者输电线对地并联的电容，这些因素共同都造成了高压交流输电系统中电力的衰减以及流失。

问题三：趋肤效应

关于这个效应其实是在输电线中存在交流电通过时，由于导线中心反向感应电流较大的缘故，从输电线的横截面查看电流并不是均匀的、从输电线内各个位置流过的，而是会集中在输电线的表层，从而输电线内部中心区域电流通过较少，这会使得输电线对于交流电通过时阻抗增加，增加消耗。

从图上看出，外围电流密度最大，越往中心，电流密度越低。为了解决这个问题，电缆线生产厂家采用多股细导线铰接在一起，来代替一根粗导线，来最大化减少趋肤效应带来的能量损耗：

问题四：有功功率和无功功率

让我们搭建一个电路，负载采用纯阻性负载，然后测量通过电路的电流以及电压：

我们可以发现，它是同相位的，即电压最大的时候，电流也是最大的。让我们再来看看负载为纯感性负载的时候

我们可以发现，它并不是同相位的，即电压最大的时候，电流为0。并且电流信号会滞后（lag）电压信号四分之一个周期。接下来让我们看看负载为纯容性的时候：

我们可以发现，它并不是同相位的，电压最大的时候，电流仍然是0。但是这次和纯感性负载不同，电流信号超前（lead）电压信号四分之一个周期。

我们在总结一下：

那么我们使用软件计算一下功率，首先是纯阻性负载：

可以看到功率曲线上的所有值全部大于零，这里说明对于纯阻性负载，在交流信号下，电网输出的所有功率全部被负载用掉了，电网输出的所有能量全部被我们的负载用来做功（不考虑负载上各种损耗情况下）我们称这种功率为有功功率。接下来看看纯感性负载和纯容性负载：

我们看到功率曲线和正弦曲线一样，但是和纯阻性负载不同，功率曲线上一部分值大于零，一部分值小于零。如果我们对于图中所示的功率曲线，在单个周期内进行积分运算的话，我们可以发现他的值是零，这代表了什么意思呢？为什么单个周期内功率积分会是零？

那么这个功率曲线也代表了纯感性负载和纯容性负载的特性，由于电流和电压相位不同的原因，导致了他们在电路中并不消耗功率，而是在“吸收”电网中的能量以及“释放”能量到电网这两种状态中转换。时而将电能吸收并存储下来，时而送回到电网中去，他们并不会像纯阻 性负载一样，从电网中索取能量并且转换为热能（电热壶，加热器等等）或者其他能量类型，他们只是扮演者一个能量交换的作用，他们并不对外做功。这种类型的功率，我们称为无功功率。

那么无功功率从哪里来的呢？我们知道对于电感和电容这种储能元件来说，都会在电网中产生无功功率，那么家庭中会有哪些设备是呈感性负载或者容性负载的呢？

电风扇，日光灯的镇流器都属于感性负载。对于电网来说，导线自身电感、变压器也算的上感性负载。所以对于这些感性负载，他们会同时消耗有功功率以及无功功率：

我们前面说到无功功率并不是实际的消耗能量，他们并不对外做功。但是在实际电网中，储能器件“吸收”和“释放”电能量过程中产生的电流还是赤裸裸存在的，由于导线上的电阻，这些电流依然会引起在导线上的损耗！！！！

高压交流输电总结

首先，高压交流输电系统得益于交流电可以很容易的改变电压（通过变压器），因此在总输出功率一定的情况下，使用更高的电压可以最大化减少电网中的损失。而因为交流电网中存在导线自身电感，对地电容，趋肤效应，无功功率等等因素，导致了高压交流输电网中的巨大的能量损失。