从电厂到插座

发电站通常远离用电人群。水力大坝建在山区，风电场建在风大的地方，大型电厂建在靠近水源以便冷却的地方。必须有某种方式将电力输送几十甚至几百公里，而电线在传输过程中会以热量的形式损耗少量电力。

关键公式。 电功率是 P = V × I，即电压乘以电流。导线有微小的电阻 R，电流 I 流过时会以热量形式损耗功率：

P_loss = I² × R

关键在于：要输送固定的功率 P，你可以使用高电压和小电流，或者低电压和大电流。因为损耗与 I 的平方成正比，小电流的优势非常大。电压提高 10 倍，在功率相同的情况下，电流降至十分之一，损耗则降至百分之一。

计算示例（假设线路）。 沿总电阻为 10 Ω 的线路输送 100 MW。这是一个简化的单回路模型，属于教学数值；实际的三相线路更复杂。

• 在 11 kV 下：I = 100 MW / 11 kV ≈ 9,091 A。损耗 = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW。这比你想要输送的 100 MW 还多：行不通。
• 在 110 kV 下：I ≈ 909 A。损耗 ≈ 909² × 10 ≈ 8.3 MW，约为 8%。
• 在 400 kV 下：I = 250 A。损耗 = 250² × 10 = 0.625 MW，约为 0.6%。

这就是为什么长距离线路运行在数百千伏的高压下。

如何改变电压？ 使用变压器：两个线圈绕在共享的铁芯上。第一个线圈中的交流电产生变化的磁通量，从而在第二个线圈中感应出电动势。电压之比等于匝数之比：V₂ / V₁ = N₂ / N₁。变压器仅在磁通量变化时工作，这就是电网使用交流电 (AC) 的原因。（对于某些超长距离或海底线路，则使用带电子换流器的高压直流 (HVDC)。）如果你想自己绕线圈，Field Lab 里有变压器实验台。

常见的电压阶梯（各国电压有所不同）：

• 发电机：约 11 至 25 kV。
• 升压至输电电压，约 110 至 400 kV 或更高。
• 降压至配电电压，通常为 11 至 33 kV。
• 再次降压至插座：世界大部分地区为 230 V，北美为 120 V。

哪里会损失？ 从发电厂的围栏到你家的插座，整条路径上的损耗通常占电量的 5% 到 10%，在某些国家甚至更高。很大一部分损耗发生在低压的本地线路中，而不是高压输电线上。