高压输电到底是降低了输电线路上的电能损耗还是增加了损耗

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问:都说高压输电降低了输电线路上的电能损耗,可是输电线路的电阻是定值,若高压输电的话岂不是会导致输电线路上的电流变大,从而导致增加电能的损耗吗?

产生这个疑惑的原因在于以下两个公式:  和  里,把各个物理量的对应对象给张冠李戴了。
先来看看远距离输电的示意图,由发电机回路远距离输电线路回路用户端回路组成。

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远距离输电的示意图


为了抓住问题的关键而舍弃一些次要因素,比如忽略发电机回路里线路上的电阻,那么公式  指的就是发电机所提供的电功率,按照上图所标的字母,即为  。

再来说说输电线路上的电热。也就是上图里中间部分的这个回路。由于输电距离很远,所以输电线路上的电阻不能忽略了,设其总电阻为  。那么根据焦耳定律,其上产生的电热功率为  。按照上图所标的字母,即为  。

由于导线的长度不可改变,所以减小导线电阻是不太现实的方案。那么为了降低电热功率,就只能减小输电线路上的电流,也就上图里的  。

当采用高压输电时,也就是把输电电压由  提升到  。若把升压变压器视为理想变压器,那么发电机提供的电功率就全部转移到升压变压器的副线圈端,也就是图中的  端。


从图中可以看到,  两端的电压是  ,流过这个线圈的电流为  ,这个线圈端的电功率为  。所以就有  。显然把电压  升高了,在电功率  不变的情形下,输电线路上的电流  就变小了,输电损失自然的就小了呀!

这就是高压输电为什么能降低输电线路上的电能损耗的原因。可是为什么要设定电功率  不变呢?问题得这么看,发电机提供的功率取决于用户端回路中的需求,这种需求肯定是随时波动的,毕竟存在用电的高峰与波谷嘛。但是,无论实际需求的电功率有多大,提高输电电压肯定能带来相对较小的输电电流!这里只是基于控制变量法的思想,强调了增压降流的效果。


先别着急问题里的疑惑,咱用一组具体的数据算一算,直观体会一下高压输电带来的效益有多显著。

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如果不采用高压输电,也就是没有将发电机与升压变压器相连,而是直接把发电机与输电线路连起来。这就意味着输电电压只有  。来瞅瞅输电线路上的损失会有多少呢?

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损失率达到了50%!相当于以前用牲口运粮食,牲口在路上就得吃掉一半粮食!


再来看看高压输电的情形。只需把发电机与升压变压器相连,使得输电电压变为  ,这回的效果如何呢?

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损失一下减少了400倍!相当于现在用汽车给你运粮食了,也就用点油而已,粮食给你管饱!肉眼可见的效益提升,只能猛夸高压输电好,高压输电妙,高压输电呱呱叫!


最后再来回答问题中提出的疑惑。对于纯电阻电路来说,当电阻不变、其两端的电压升高时,通过这个电阻的电流肯定变大。这个特点肯定是正确的,但是不能把各个物理量张冠李戴!

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图片再贴一次。很显然输电线路上的电阻两端的电压既不是  ,也不是  ,而是图中的  而这个电压值等于多少呢?根据欧姆定律有:  。

换句话说,这个电压  事先是不确定的!会根据输电线路上的电流  的变化而变化!如此一来,哪有什么高压输电会导致输电线路上电流变大的说法呢?


另外从这个等式还能看到,当采用高压输电时,由于输电线路上的电流  减小了,输电线路上的电压损失也会减少呢!高压输电好,高压输电妙,高压输电呱呱叫!重要的事情说三遍!


根据上面提供的数据,此时的电压损失只有:  。图片

答疑解惑到这也就该结束了。不过咱意犹未尽,顺便就把这个问题说完吧。因为计算到了这一步,还可以把用户端的降压变压器的特征给确定下来。


由于整个输电线路构成一个闭合回路(也就是图中的中间部分),所以这个回路里的电压规律满足:  (可以理解为串联分压的特点)。其中  就是用户端降压变压器的原线圈两端的电压。

么根据理想变压器的电压规律,可得: 
则有:  

假设用户回路里线路上的电阻不计。那么入户电压220V即为降压变压器副线圈两端的电压值,即  


由此可以算出降压变压器的原、副线圈的匝数比为: 

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