第四節 電的輸送

發電廠通常離我們的住處非常遠,那麼電是如何從發電廠輸送到我們的家居的呢?請觀看,嘗試回答下列的問題:

  • 長距離電能傳輸中,電能的損耗從何而來?損耗的大小與什麼有關?如何減少這個損耗?
  • 為甚麼傳輸電能時使用的是交流電?如使用電壓不變的直流電來傳輸會有怎樣的問題?

供電的發電機和用電的電器常常不在同一位置。

我們會用導電性良好的金屬電線來輸送發電機產生的電。

將電輸送至遠處供給電器使用。

然而,當輸送距離很長時,電線的電阻就不可以忽略。由於電流的熱效應,電線會有電能的損耗,將一部分電能轉化為熱能。

上述問題可簡化為此圖。電源輸出功率為 \(P=V\,I\),輸出電流為 \(I\)。如電線的總電阻為 \(R\),它所消耗的功率為 \(I^2 R\)。當 \(R\) 較大時,就會有大量電能損耗了在電線上。

為解決這一問題,長距離傳輸前,人們會先通過升壓器將電壓提升至 \(n\) 倍。由於輸出功率不變,電線的電流將減小至 \(1/n\),使得電線損耗的功率大幅減小至 \(1/n^2\)。到目的地後,再用降壓器將電壓降至電器所需的電壓。

順帶一提,此處電線消耗功率為甚麼不是 \(n^2\,V^2/R\) 呢?那是因為 \(n\,V\) 是變壓器線圈兩端的電壓,並不是輸送電線兩端的電壓。所以,我們要通過電線的電流 \(I/n\) 來計算損耗。

實際生活中,發電廠通常離我們的居住地非常遠,要求長距離的電能傳輸。

傳輸前,會將發電廠產生的約 22 kV 的交流電,通過升壓器將電壓上升至 400 kV 的高壓,再通過高壓電纜傳輸,從而減小傳輸中電能的損耗。

到達目的地後,再通過一系列降壓器將電壓降至 220 V 供一般家居使用;或是降至 380 V 供工業用戶使用。

利用高壓電實現長距離電的傳輸。所使用的變壓器效率很高,可近似為理想變壓器。
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