发电机与远距离输电

第三节　发电机与远距离输电

发电机的发明

电磁感应理论建立以后，人们已经知道闭合线圈的磁通量发生变化时可以产生电流。早期的电磁感应现象实验装置均可以认为是简易的发电机模型。

1832年，法国发明家皮克希成功地制造了一台手摇发电机，其转子为永磁铁，用了一个换向器，所以输出的是直流电。但这台最初的发电机，输出电流极为微弱，无实用价值。

1854年，丹麦电学工程师乔尔塞在发电机中引入了电磁铁。试制成功了一种永磁铁和电磁铁混合激磁的混激式发电机。乔尔塞的这种混激式发电机成为自激式发电机的先驱。

1857年，英国电学家惠斯通用电磁铁代替永磁铁，发明了自激式发电机。这种自激式发电机的激磁机构完全采用电磁铁，而且磁铁所需的电力则由一个伏打电池组组成的独立电源来提供。这种自激式发电机的功率，要比永磁式发电机和混激式发电机的功率大得多。这种自激式发电机本质上还不是自激，而是它激。

真正的自激式发电机发明者是德国工程师西门子。他把发电机上产生的电流部分地引入电磁铁，这样便可以使电磁铁得到一种自馈电流。他根据对自馈原理的最初设想，试制出了第一台自馈式发电机。自馈式发电机的功率随之大大提高，发电机本身也变得轻巧。自此以后，电能开始以大量、廉价而赢得青睐。

当今利用超导材料产生的强大磁场制成的超导发电机具有效率高、体积小等特点，是目前电动机的一个发展方向。1977年美国电力研究院（EPRI）就开始1200MV·A超导发电机的概念设计，1994年美国GE公司在美国能源部的资助下，开始进行100MV·A超导发电机的研制。由于发电机采用超导转子，产生的磁场强度大大高于同容量普通发电机，这一方面大幅度减小了定子铁心的尺寸，有利于提高定子绕组的绝缘水平，另一方面也提高了发电机的端电压，甚至可取消升压变压器直接将发电机并人电网运行，而损耗要比普通发电机下降50%以上。

单向交流发电机的工作原理

法拉第电磁感应定律为人们把其他形式的能量转换成电能提供了一条途径。单向交流发电机用手或其他方式匀速转动转轮，带动线圈在磁场中旋转，线圈切割磁力线，就会产生感应电动势，进而产生感应电流。根据法拉第电磁感应定律计算出感应电流大小为

ι＝Ι₀sin2πνt

可见，该线圈匀速转动时所产生的感应电流是时间的正弦函数，即电流是交变电流。

我国和其他一些国家，工业和生活用电的交流电频率

ν＝50Hz。

如果把上述设备加装换向器，改换装置。用手或其他方式匀速转动转轮，带动线圈在磁场中旋转。虽然线圈中电动势性质是交流电，而经电刷输出的电流已经是直流脉冲电流了，这便是单向直流发电机的工作原理。可见，直流发电机可以看作直流电动机的逆过程，这就是电机的互逆性。

变压器

法拉第于1831年发现的自感现象为变压器提供了理论依据。变压器是在同一个铁心上绕上两组线圈，当一组线圈（叫原线圈）加上交变的电压时，在另一组线圈（叫副线圈）上便会感应出交变电动势。感应出的交变电动势与原、副线圈的匝数有关，当原线圈匝数大于副线圈时，即为降压变压器；当原线圈匝数小于副线圈时，即为升压变压器。根据法拉第电磁感应定律可知，变压器只能对交流电变压。不能对直流电变压。当给变压器的原线圈通入直流电时，变压器的副线圈两端的电压为零。

发电站和远距离输电

1．远距离输电方式

关于电能的输送方式，是采用直流输电还是交流输电，在历史上经历了先采用直流输电方式，再过渡到以交流输电方式为主，目前又有直流输电方式的几个阶段。

在早期，工程师们主要致力于研究和发展直流电，发电站的供电范围也很有限，而且主要用于照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司在伦敦建立了第一座发电站，安装了三台110V直流发电机，这种发电机可以为1500个16W的白炽灯供电。

随着各行各业对电的需求日益加大，要求建造大的发电装置，并且把电输送给远方的用户。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（P＝ΙU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的能量就愈多；而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户，得到的电压也就愈低。直流高压输电有路耗太大、电机线圈无法承受、换向器工作不良、用户变压困难等缺点。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问题。

为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才行。

1883年，法国人高拉德和英国人吉布斯制成了第一台实用的变压器，使交流输电成为可能。

1888年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。

1889年，俄国的多利沃多布罗沃斯基制出了功率为100W的三相交流发电机，并被德国、美国推广应用。

1891年，三相交流发电机、三相异步电动机以及变压器均已被发明出来并投人使用。这一年，在德国建成了世界上第一个三相交流输电系统。奥地利劳芬水电站发出的三相交流电经升压通过170km的线路，传到德国法兰克福的变电所降压，再供给法兰克福正在举办的国际工业展览会照明用，输电效率达到80%，充分显示了三相交流电在远距输电中的优越性。从而高压输电在全世界范围内迅速推广。

为了满足不同的需要，目前在个别地区也有采用直流超高压输电方式的。现代的直流输电不是爱迪生时代的直流输电了，发电站发出的电和用户用的电仍然是交流电，只是在远距离输电中，采用换流设备，在输电线路的起端有专用的换流设备将交流变换为直流，在输电线路的末端也有专用换流设备将直流换为交流。这样做可以把交流输电用的3条电线减为2条，大大地节约了输电导线。目前，最长的架空直流输电线路是莫桑比克的卡布拉巴萨水电站至阿扎尼亚的线路，长1414km，输电电压为5．0×10⁵V，可输电2．2×10⁶kW。我国三峡电站至常州500kV直流输电工程是三峡输变电工程的标志性工程，它是向华东地区送电的主干通道，是华中与华东电网互联的主要联络线。线路全长860km，途径湖北、安徽、江苏3省，额定电流3000A，单极额定输送功率1500MW，双极额定输送功率3000MW。

2．交流输电电力网

现代电力网是由升压变压器、传输线路、高压塔架、降压变压器、无功补偿器、避雷器等电气设备，以及监视和控制自动装置所组成的复杂网络系统。

电能在发电机中生产出来时电压为10kV左右，经升压变压器变成220kV或500kV后，通过超高压输电线输送到城市的供电网上，再经多级降压变压器最终变为220V或380V，才能供我们使用，这就是常见的交流输电方式。

我们平时最常见到的传输线路就是架空线路，其次是电力电缆。最新的、最有前途的传输线要数高温超导导线了。目前，中国输配电系统的网络损耗高达8．5%，到2001年，按预测的装机容量，中国在输配电网上将损失2—3个三峡电站所发出的电能。而高温超导导线由于其零电阻的特性，将极大地减少线损，成为目前研究和方展的一个方向。

输配电除了需要变压器、传输线路等电气设备外，还需要输配电自动化技术的支持。输配电自动化控制的主要任务是：合理地分配电网中的无功功率和有功功率，进行功率分配和功率补偿；保证电力网运行的安全。