第三節(jié)　發(fā)電機(jī)與遠(yuǎn)距離輸電

發(fā)電機(jī)的發(fā)明

電磁感應(yīng)理論建立以后，人們已經(jīng)知道閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)可以產(chǎn)生電流。早期的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置均可以認(rèn)為是簡(jiǎn)易的發(fā)電機(jī)模型。

1832年，法國(guó)發(fā)明家皮克希成功地制造了一臺(tái)手搖發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為永磁鐵，用了一個(gè)換向器，所以輸出的是直流電。但這臺(tái)最初的發(fā)電機(jī)，輸出電流極為微弱，無(wú)實(shí)用價(jià)值。

1854年，丹麥電學(xué)工程師喬爾塞在發(fā)電機(jī)中引入了電磁鐵。試制成功了一種永磁鐵和電磁鐵混合激磁的混激式發(fā)電機(jī)。喬爾塞的這種混激式發(fā)電機(jī)成為自激式發(fā)電機(jī)的先驅(qū)。

1857年，英國(guó)電學(xué)家惠斯通用電磁鐵代替永磁鐵，發(fā)明了自激式發(fā)電機(jī)。這種自激式發(fā)電機(jī)的激磁機(jī)構(gòu)完全采用電磁鐵，而且磁鐵所需的電力則由一個(gè)伏打電池組組成的獨(dú)立電源來(lái)提供。這種自激式發(fā)電機(jī)的功率，要比永磁式發(fā)電機(jī)和混激式發(fā)電機(jī)的功率大得多。這種自激式發(fā)電機(jī)本質(zhì)上還不是自激，而是它激。

真正的自激式發(fā)電機(jī)發(fā)明者是德國(guó)工程師西門子。他把發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生的電流部分地引入電磁鐵，這樣便可以使電磁鐵得到一種自饋電流。他根據(jù)對(duì)自饋原理的最初設(shè)想，試制出了第一臺(tái)自饋式發(fā)電機(jī)。自饋式發(fā)電機(jī)的功率隨之大大提高，發(fā)電機(jī)本身也變得輕巧。自此以后，電能開(kāi)始以大量、廉價(jià)而贏得青睞。

當(dāng)今利用超導(dǎo)材料產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)制成的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)具有效率高、體積小等特點(diǎn)，是目前電動(dòng)機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。1977年美國(guó)電力研究院（EPRI）就開(kāi)始1200MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)，1994年美國(guó)GE公司在美國(guó)能源部的資助下，開(kāi)始進(jìn)行100MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制。由于發(fā)電機(jī)采用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大大高于同容量普通發(fā)電機(jī)，這一方面大幅度減小了定子鐵心的尺寸，有利于提高定子繞組的絕緣水平，另一方面也提高了發(fā)電機(jī)的端電壓，甚至可取消升壓變壓器直接將發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)運(yùn)行，而損耗要比普通發(fā)電機(jī)下降50%以上。

單向交流發(fā)電機(jī)的工作原理

法拉第電磁感應(yīng)定律為人們把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能提供了一條途徑。單向交流發(fā)電機(jī)用手或其他方式勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，帶動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，線圈切割磁力線，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算出感應(yīng)電流大小為

ι＝Ι₀sin2πνt

可見(jiàn)，該線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流是時(shí)間的正弦函數(shù)，即電流是交變電流。

我國(guó)和其他一些國(guó)家，工業(yè)和生活用電的交流電頻率

ν＝50Hz。

如果把上述設(shè)備加裝換向器，改換裝置。用手或其他方式勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，帶動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。雖然線圈中電動(dòng)勢(shì)性質(zhì)是交流電，而經(jīng)電刷輸出的電流已經(jīng)是直流脈沖電流了，這便是單向直流發(fā)電機(jī)的工作原理?？梢?jiàn)，直流發(fā)電機(jī)可以看作直流電動(dòng)機(jī)的逆過(guò)程，這就是電機(jī)的互逆性。

變壓器

法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)的自感現(xiàn)象為變壓器提供了理論依據(jù)。變壓器是在同一個(gè)鐵心上繞上兩組線圈，當(dāng)一組線圈（叫原線圈）加上交變的電壓時(shí)，在另一組線圈（叫副線圈）上便會(huì)感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)出的交變電動(dòng)勢(shì)與原、副線圈的匝數(shù)有關(guān)，當(dāng)原線圈匝數(shù)大于副線圈時(shí)，即為降壓變壓器；當(dāng)原線圈匝數(shù)小于副線圈時(shí)，即為升壓變壓器。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，變壓器只能對(duì)交流電變壓。不能對(duì)直流電變壓。當(dāng)給變壓器的原線圈通入直流電時(shí)，變壓器的副線圈兩端的電壓為零。

發(fā)電站和遠(yuǎn)距離輸電

1．遠(yuǎn)距離輸電方式

關(guān)于電能的輸送方式，是采用直流輸電還是交流輸電，在歷史上經(jīng)歷了先采用直流輸電方式，再過(guò)渡到以交流輸電方式為主，目前又有直流輸電方式的幾個(gè)階段。

在早期，工程師們主要致力于研究和發(fā)展直流電，發(fā)電站的供電范圍也很有限，而且主要用于照明，還未用作工業(yè)動(dòng)力。例如，1882年愛(ài)迪生電氣照明公司在倫敦建立了第一座發(fā)電站，安裝了三臺(tái)110V直流發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)可以為1500個(gè)16W的白熾燈供電。

隨著各行各業(yè)對(duì)電的需求日益加大，要求建造大的發(fā)電裝置，并且把電輸送給遠(yuǎn)方的用戶。由于用戶的電壓不能太高，因此要輸送一定的功率，就要加大電流（P＝ΙU）。而電流愈大，輸電線路發(fā)熱就愈厲害，損失的能量就愈多；而且電流大，損失在輸電導(dǎo)線上的電壓也大，使用戶得到的電壓降低，離發(fā)電站愈遠(yuǎn)的用戶，得到的電壓也就愈低。直流高壓輸電有路耗太大、電機(jī)線圈無(wú)法承受、換向器工作不良、用戶變壓困難等缺點(diǎn)。直流輸電的弊端，限制了電力的應(yīng)用，促使人們探討用交流輸電的問(wèn)題。

為了減少輸電線路中電能的損失，只能提高電壓。在發(fā)電站將電壓升高，到用戶地區(qū)再把電壓降下來(lái)，這樣就能在低損耗的情況下，達(dá)到遠(yuǎn)距離送電的目的。而要改變電壓，只有采用交流輸電才行。

1883年，法國(guó)人高拉德和英國(guó)人吉布斯制成了第一臺(tái)實(shí)用的變壓器，使交流輸電成為可能。

1888年，由費(fèi)朗蒂設(shè)計(jì)的倫敦泰晤士河畔的大型交流電站開(kāi)始輸電。

1889年，俄國(guó)的多利沃多布羅沃斯基制出了功率為100W的三相交流發(fā)電機(jī)，并被德國(guó)、美國(guó)推廣應(yīng)用。

1891年，三相交流發(fā)電機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)以及變壓器均已被發(fā)明出來(lái)并投人使用。這一年，在德國(guó)建成了世界上第一個(gè)三相交流輸電系統(tǒng)。奧地利勞芬水電站發(fā)出的三相交流電經(jīng)升壓通過(guò)170km的線路，傳到德國(guó)法蘭克福的變電所降壓，再供給法蘭克福正在舉辦的國(guó)際工業(yè)展覽會(huì)照明用，輸電效率達(dá)到80%，充分顯示了三相交流電在遠(yuǎn)距輸電中的優(yōu)越性。從而高壓輸電在全世界范圍內(nèi)迅速推廣。

為了滿足不同的需要，目前在個(gè)別地區(qū)也有采用直流超高壓輸電方式的?，F(xiàn)代的直流輸電不是愛(ài)迪生時(shí)代的直流輸電了，發(fā)電站發(fā)出的電和用戶用的電仍然是交流電，只是在遠(yuǎn)距離輸電中，采用換流設(shè)備，在輸電線路的起端有專用的換流設(shè)備將交流變換為直流，在輸電線路的末端也有專用換流設(shè)備將直流換為交流。這樣做可以把交流輸電用的3條電線減為2條，大大地節(jié)約了輸電導(dǎo)線。目前，最長(zhǎng)的架空直流輸電線路是莫桑比克的卡布拉巴薩水電站至阿扎尼亞的線路，長(zhǎng)1414km，輸電電壓為5．0×10⁵V，可輸電2．2×10⁶kW。我國(guó)三峽電站至常州500kV直流輸電工程是三峽輸變電工程的標(biāo)志性工程，它是向華東地區(qū)送電的主干通道，是華中與華東電網(wǎng)互聯(lián)的主要聯(lián)絡(luò)線。線路全長(zhǎng)860km，途徑湖北、安徽、江蘇3省，額定電流3000A，單極額定輸送功率1500MW，雙極額定輸送功率3000MW。

2．交流輸電電力網(wǎng)

現(xiàn)代電力網(wǎng)是由升壓變壓器、傳輸線路、高壓塔架、降壓變壓器、無(wú)功補(bǔ)償器、避雷器等電氣設(shè)備，以及監(jiān)視和控制自動(dòng)裝置所組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

電能在發(fā)電機(jī)中生產(chǎn)出來(lái)時(shí)電壓為10kV左右，經(jīng)升壓變壓器變成220kV或500kV后，通過(guò)超高壓輸電線輸送到城市的供電網(wǎng)上，再經(jīng)多級(jí)降壓變壓器最終變?yōu)?20V或380V，才能供我們使用，這就是常見(jiàn)的交流輸電方式。

我們平時(shí)最常見(jiàn)到的傳輸線路就是架空線路，其次是電力電纜。最新的、最有前途的傳輸線要數(shù)高溫超導(dǎo)導(dǎo)線了。目前，中國(guó)輸配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗高達(dá)8．5%，到2001年，按預(yù)測(cè)的裝機(jī)容量，中國(guó)在輸配電網(wǎng)上將損失2—3個(gè)三峽電站所發(fā)出的電能。而高溫超導(dǎo)導(dǎo)線由于其零電阻的特性，將極大地減少線損，成為目前研究和方展的一個(gè)方向。

輸配電除了需要變壓器、傳輸線路等電氣設(shè)備外，還需要輸配電自動(dòng)化技術(shù)的支持。輸配電自動(dòng)化控制的主要任務(wù)是：合理地分配電網(wǎng)中的無(wú)功功率和有功功率，進(jìn)行功率分配和功率補(bǔ)償；保證電力網(wǎng)運(yùn)行的安全。