电网上没用掉的电去那了呢?其实与专业知识、各种定律、各种公式没有半毛钱关系,答案非常非常简单——它一直在电线里,哪也去不了!
电能的消耗体现在负载的做功上,当我们需要电能时把开关接通,电能就会顺着导线形成电流回路驱动负载做功;当我们不需要电能时就把开关关闭掉,导线上的电流无法形成回路,负荷也就停止做功了,而此时电能则一直停留在导线的另一端,这也是开关再次接通后负载立即得电做功的原因。
我们可以用家庭用电220V电路做一个实验来说明这个问题:假设家中一共有20盏灯,分别由20个开关控制,当我们把所有的开关闭合,那么20盏灯将会全部得电点亮,这是因为所连接灯泡的所有线路全部接通形成了回路。
当我们只需要其中10盏灯来照明时,可以关闭其中控制这10盏灯的开关,这时候这些灯就失电熄灭了,即电路被切断,电流无法形成回路。
这个实验证明了电路只有在形成回路时负载才能得电,换句话说就是只有电路形成回路时,电路才会有电,那么问题就来了——当20盏灯中有10盏被关闭,那这些被关闭的灯的线路中的电都去了哪里呢?
▼下图为家用单向开关以及插座接线方法示意图,当开关断开时只是将火线(红线)和零线(绿线)的回路切断,零线因为没有回流的电流,所以没电,但是火线中却一直有电流存在,这就是我们说“一直在电线里,哪也去不了”的原因,因此居家线路维修时千万不要以为开关关闭了就万事大吉,火线里一直有电的,必须断开总开关才能确保安全。
答案自然也是这样的:一直都在电线中!准确来说应该是一直都在线路中的火线中。家用220V线路由两根电线组成,一根为火线,另一根为零线。
当火线与零线形成回路时,电能被接通;当火线与零线断开时,电能被切断,即火线负责供电,零线负责回流电能,以此形成回路,这就是开关控制电路的原理。
在火线与零线断开的状态下,零线已无电流回流,因此它是没有电的,而做为负责供电的火线则一直保持着有电状态,这也是电工在施工时必须用绝缘胶带包裹裸露线头的原因,如果不慎触碰火线就会引发触电危险。
如何来证明火线中始终处于有电的状态呢?我们可以用验电笔来做这样一个实验:手指搭在验电笔的屁股上,然后用它来接触火线,这时候验电笔的指示灯点亮。
这个实验证明了火线是始终带电的,当验电笔触碰后亮灯的现象说明火线→人→大地形成了回路,所以电工在带电作业时只要脚下垫上一层绝缘材料就可以徒手触摸火线也不会发生触电伤害,同时也是偷电者把零线插入地下以后可以用电而电表却不计量的原因。
说了这么多,这与“电网上没用掉的电去哪了”这个问题有什么关系呢?
其实不管是低压的家用照明220V电路还是远程输电网的10KV高压电网,它们的原理都是一样的,家用照明220V电路供应20盏灯所需电能与10KV高压电网供应20个社区所需电能在原理上没有任何区别。
▼下图为插入插板后指示灯亮起的验电笔,指示灯亮起说明插入的孔相对应的线路就是火线,当验电笔与火线接触时电流由验电笔流经人体,最后流向大地,形成了回路,所以验电笔的指示灯被电能驱动点亮,电能会一直存在于火线中,因此在遇到裸露电线时千万不要徒手触碰,当脚下的鞋不足以隔绝电流时,触及火线就会引起触电伤害。
所以当20个社区均处于用电低时段时,电网就会出现系列剩余电压,这时候供电所只须把其中10个高压供电电网的高压电闸切断,就达到了降低电网供电量的目的,而这些被切断的高压电就相当于“没用掉的电”,它一直都在火线的线路里,哪也去不了。
只要没有合闸,高压供电线路就无法形成回路,电能就没有被使用,一旦即将到达用电高峰期,供电所就开始依次将断开的电闸合上,这些高压电就又形成了回路,电网的供电量就提上去了。
人们利用这个原理制造了以计算机为核心的电网供电控制系统,以多个这样的系统构成供电枢纽,以此来调度国家供电网络,即供电调度中心。
所谓的供电调度中心的工作原理是这样的:假设某供电局域网负责3个城市的供电,我们分别用A城、B城、C城来表示,如果A城因为某一时段工厂集中开工,用电量猛增,而B城、C城用电量保持稳定,那么供电调度中心就会断开为B城、C城输电线路其中的几个供电闸门,降低这两城的供电量,转而将电闸门向A城接通,这就实现了电能供应的合理调度。
在转换供电方向的过程中,B城、C城的高压电输电网中的数个线路被切断,这就相当于这些线路中的电能“没用掉”,它们并没有去哪,而是一直都在火线中;当电门被转换至A城供电网线路时,这些“没用掉”的高压线路与A城高压线路形成回路,电能就输送到A城了。
那么新问题又来了——假设所有的高压输电网从电厂就全部断开,那这些电又去了哪里呢?
答案仍然是“一直都在电线里”,只不过由于从电厂就断开了,因此它只能在发电机的电能输出端的电线里。
这时候并不是说发电机就停止发电了,在关闭发电系统之前,发电机仍然在蒸汽或者水力的推动下高速旋转发电,只不过由于电路被断开,电能无法形成回路,发电机相当于不做功的空转而已,所发出的电一直存在于输出端的火线中,一旦电路恢复导通形成回路,所发出的电能就又被输送到电网上了。
▼下图为供电所高压输电线与高压配电线开关断开瞬间产生的电弧,图中开关的触头已经完全分离,但是它们之间仍然产生了耀眼的电弧,说明火线中一直存在电能,开关的断开只是切断了输电线与配电线之间的回路,电能将一直存在于火线中等待使用,哪也去不了。
第一、电网上没用掉的电一直都在电线里,因为当供电网控制系统监测到用电量下降时,会将电网中的数个电门断开,降低供电网供电量,而被断开的供电线路中的火线始终带电,只是没有形成回路,电能无法输送而已。
第二、没用掉的电哪里也去不了,只会一直在线路中的火线里等待被使用,因为电路需要形成回路才能有电,在未形成回路时,发电机虽然一直向电网供电,电流却并未回流,所以电能就只能一直存在于火线中,除非发电机停止发电。
结语
其实我们是可以用水管供水原理来理解电网供电的,比如说当我们打开水龙头时,水管里的水就流动了,当我们关掉水龙头时,水就停止流动,它们哪也去不了,只会一直存在于水管中等待使用。
水管流出的水在使用过后就会排入大地,故而供水系统的水管只需要一根水管就能形成“回路”,而供电网的电是不能被“排入”大地的,所以电路需要两根电线,一根供电,一根回流,以此形成回路。
倒不是说将电能“排入”大地会造成什么危害,而是如果有人直接把本应回流的电“排入”了大地,那么计量用电量的电表就不转了,如果人人都这么干,那么供电商岂不亏钱了?
▼下图为供电局查获的工地偷电线路,样的偷电行为这只有老电工才干得出来,因为这是典型的零线接地偷电,这段零线没有接入电表与配电网形成回路,而是直接“排入”大地形成回路来用电,在这种情况下电就去了大地这个巨大的电容里了。
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