为什么要采用高压输电?,为什么要高压直流输电

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。

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！！！！

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。

为什么要高压输电?

高压输电为了减少消耗和降低成本。

之所以采用高压输电是因为在同输电功率的情况下，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。

因为输电线上的功率损耗正比于电流的平方（焦耳定律Q=IRt），所以在远距离输电时就要利用大型电力变压器升高电压以减小电流，使导线减小发热，方能有效地减少电能在输电线路上的损失。

如果线路中电流降低到原来的1/2那么线路中损失的功率就减少为远损耗的(1/2)2=1/4,因此说提高电压可以很有效的降低线路中的功率损失。

按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电：

19世纪80年代首先成功地实现了直流输电。但由于直流输电的电压在当时技术条件下难于继续提高，以致输电能力和效益受到限制。

19世纪末，直流输电逐步为交流输电所代替。交流输电的成功，迎来了20世纪电气化社会的新时代。

广泛应用三相交流输电，频率为50Hz（或60Hz）。20世纪60年代以来直流输电又有新发展，与交流输电相配合，组成交直流混合的电力系统。

以上内容参考 百度百科——高压输电

为什么采用高压输电的方式？

采用高压输电的方式是因为在同输电功率的情况下，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。从发电站发出的电能，一般都要通过输电线路送到各个用电地方。根据输送电能距离的远近，采用不同的高电压。

扩展资料：

从我国的电力情况来看，送电距离在200～300公里时采用220千伏的电压输电；在100公里左右时采用110千伏；50公里左右采用35千伏或者66千伏；在15公里～20公里时采用10千伏、12千伏，有的则用6300伏。输电电压在110千伏、220千伏的线路，称为高压输电线路，输电电压在330、550、以及750千伏的线路，成为超高压输电线路，而输电电压在1000千伏的线路，则称为特高压输电线路。

参考资料：百度百科-高压输电