电力传送过程

电能是最方便和最清洁的终端能源,是现代人类社会对能源最主要的利用方式。大规模电能从生产到使用要经过发电、输电、配电和用电四个环节,这四个环节也就组成了所谓的电力系统。所以说电力系统就是由分布在辽阔地域的发电厂、变电站、输配电线路、用电设备等组成的大型互联系统,也是最大的人造能量传送系统。现代电力系统具有规模巨大、结构复杂、运行方式多变、非线性因素众多、扰动随机性强等基本特征。由于电力系统中缺乏大容量的快速储能设备,电能的生产和使用在任意时刻都必须保持基本平衡。所以说电力系统不仅是现代人类社会的物质基础,也是衡量一个国家生活水平和工业化程度的重要标志。

20世纪以来,电能的消耗量稳步上升,每十年约增长一倍。随着我国用电负荷的强劲增长以及输电容量和规模的日益扩大,我国电网的发展趋势将可能在跨省(区)超高压电网之上逐步形成以实现远距离、大规模、低损耗输电为特征的特高压电网。 现代电力工业首先是在将水能或热能转变为电能的技术发明和科技进步的基础上发展起来的。1875年,在法国巴黎建成了世界上第一座火力发电站,标志着电气时代的到来。1891年,在德国劳芬电站建成了世界上第一台三相交流发电机,并通过一条电压为13.8kV的输电线路将电力输送到远方的用电地区,使电力既用于照明又用于电力拖动,开创了大功率、远距离输电的历史。电力的出现使人类历史从蒸汽时代跨入了电气时代。 下面,分别对电力系统中的发电、输电、配电和用电四个环节进行简述。 常见的发电方式主要有以下几种:

(1)火力发电:利用燃烧煤炭、石油、液化天然气等燃料产生的热能,使锅炉水管中的水受热成为高温高压的蒸汽,并推动汽轮机转动,进而带动发电机发电;

(2)水力发电:通过筑坝将位于高处的水向低处流动时的位能转换为动能,此时装设在水道低处的水轮机受到水流的推动而转动,将水轮机和发电机相连接,就能带动发电机转动从而将机械能转换为电能;

(3)核能发电:利用原子核分裂时产生的能量,将反应堆中的水加热产生蒸汽,在蒸汽的推动下,汽轮机带动发电机转动产生电能;

(4)风力发电:利用风力推动风车带动发电机发电;

(5)太阳热能发电:利用聚热装置将太阳热能聚集并加热水管中的水产生蒸汽,进而带动涡轮发电机发电;

(6)太阳光能发电:将具有光电效应的硅材料制成太阳能电池板,通过接受太阳光能的照射将光能转变成电能。

此外,还有磁流体发电、潮汐发电、海洋温差发电、波浪发电、地热发电、生物质能发电等多种发电方式。但是目前大规模的发电方式主要还是火力发电、水力发电和核能发电,如下图所示。在我国火力发电和水力发电所占比重较大,2004年火力发电和水力发电的比重分别为82.6%和15%,而火力发电的90%以上为燃煤发电。

图  电力输送过程示意图

输电是将发电站发出的电能通过高压输电线路输送到消费电能的地区(也称负荷中心),或进行相邻电网之间的电力互送,使其形成互联电网或统一电网,以保持发电和用电或两个电网之间供需平衡。输电方式主要有交流输电和直流输电两种。通常所说的交流输电是指三相交流输电。直流输电则包括两端直流输电和多端直流输电,绝大多数的直流输电工程都是两端直流输电。从图1-1可以看出,对于交流输电而言,输电网是由升压变电站的升压变压器、高压输电线路、降压变电站的降压变压器组成的。在输电网中输电线、杆塔、绝缘子串、架空线路等称为输电设备;变压器、电抗器、电容器、断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、电压互感器、电流互感器、母线等一次设备和确保安全、可靠输电的继电保护、监视、控制和电力通信等二次设备等要集中在变电站内的设备称为变电设备。

对于直流输电来说,它的输电功能由直流输电线路和两端的换流站内的各种换流设备包括一次设备和二次设备来实现。 配电是在消费电能的地区接受输电网受端的电力,然后进行再分配,输送到城市、郊区、乡镇和农村,并进一步分配和供给工业、农业、商业、居民以及特殊需要的用电部门。与输电网类似,配电网主要由电压相对较低的配电线路、开关设备、互感器和配电变压器等构成。配电网几乎都是采用三相交流配电网。尽管直流配电有着不输送无功功率、价格较低等优点,但是相关配电技术还不成熟,有待进一步研究应用。 用电主要是通过安装在配电网上的变压器,将配电网上电压进一步降低到380V线电压的三相电或220V相电压的单相电,然后经过用电设备将电能转换为其他形式的能量。

综上所述,只有依靠输电网和配电网才能使用这种最方便和最清洁的能源——电能。

信息来源:《输变电设施的电场、磁场及其环境影响》 中国电力出版社

 

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