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输变电设施基本知识(3)

[日期:2010-10-14]   来源:国家电网  作者:   [字体: ]

问题3:高压输电系统为什么要用不同的电压等级?

能从生产到消费一般要经过发电、输电、配电和用电四个环节。对于图 1-3 所示的简单电力系统而言,首先是发电环节,这个环节是在发电厂完成的。由于发电机绝缘条件的限制,发电机的最高电压一般在22kV及以下。其次是输电环节,输电系统是将发电厂发出的电能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能互送,使其形成互联电网或统一电网。为了降低线路的电能损耗、增大电能输送的距离,发电厂发出的电能通常需要通过升高电压才能接入不同电压等级的输电系统。第三是配电环节,配电系统就是将来自高压电网的电能以不同的供电电压分配给各个电力用户。最后是用电环节,电力用户根据不同的能量需求通常采用中、低压供电和消费。如图1-3所示,在电力系统中,需要多次采用升压或降压变压器对电压进行变换,也就是说在电力系统中采用了很多不同的电压等级。

图1-3   简单电力系统示意图

    输电系统的电压等级一般分为高压、超高压和特高压。在国际上,对于交流输电系统,通常把35~220kV的输电电压等级称为高压(HV),把330~750(765)kV的输电电压等级称为超高压(EHV),而把1000kV及以上的输电电压等级通称为特高压(UHV)。另外,一般把±500kV电压等级的直流输电系统称为高压直流输电系统(HVDC)。对我国目前绝大多数交流电网来说,高压电网指的是110kV和220kV电压等级的电网,超高压电网指的是330、500kV和750kV电压等级的电网,特高压电网指的是正在建设的1000kV交流电压等级和±800kV直流电压等级的输电系统。在同一个电网中采用了不同的电压等级,这些电压等级组成该电网的电压序列。目前,我国除了西北电网外,大部分电网的电压序列是500/220/110/35/10/0.38kV,西北电网的电压序列分别为750/330/110/35/10/0.38kV和220/110/35/10/0.38kV。电能送到负荷中心后经过地区变电站降压到10kV,然后再由10kV配电线路输送到配电变压器,最后经过配电变压器将电压变成0.38kV供电力用户使用。对于单相用户,其相电压就是民用220V交流电。输电系统之所以要采用这么多的电压等级,其原因主要有以下几点。

    在1949年之前,我国电力工业发展缓慢,输电线路建设同样迟缓,输电电压按具体工程决定。因而,我国当时的电压等级繁多。1908~1943年,建成了22、33、44、66、110kV和154kV等电压等级的输电线路。1949年以后,才开始按电网发展规划统一电压等级,之后逐渐形成了经济合理的电压等级序列。每一个电压等级的建立都应以满足其投入后20~30年大功率电能的输送需求为基准。1981年以前,我国主要以220kV电压等级的电网为骨干网架。1981年以后,随着我国第一条500kV交流输电系统(平武线)的建成,已经形成了以500kV电压等级为主要网架的超高压电网。目前,面临大规模、远距离输电以及全国联网的需要,我国正在进行1000kV交流和±800kV直流特高压输电试验示范工程的建设,并建立了用于深入研究的特高压试验研究基地。

    其次,学过物理的人们都知道,对于一个电阻系统,其电功率S计算公式为

S=U2/R             (1-1)

式中,U为施加在该电阻系统的电压,R为该电阻系统的等效电阻。根据上述公式,可以定性地看出,当电阻一定时输送功率与输电电压的平方成正比。如果输电电压提高1倍,输送功率将提高4倍。电网的发展历史表明,各国在选择更高一个电压等级时,通常使相邻两个输电电压之比等于2,多数是大于2。这样做可以使输电系统的输送功率提高4倍以上。从电网的发展过程看,输电电压等级大约也是以两倍的关系增长的。当发电量增至4倍左右时,即出现一个新的更高的电压等级。实践证明,以这样的电压等级差构成的电网才可能经济合理,并适应电网的发展和服务区域范围的扩大。

    第三,不断增长的用电需求促进了火力、水力和核电等发电技术向单位(千瓦)造价低、效率高的大型、特大型发电机组方向发展,而可用于大规模发电的能源基地在地理分布以及社会经济发展的历史又形成了电源和电力负荷地理分布上的不平衡。在电力负荷中心地区,由于经济发展较快,导致用电需求增长也快,但是在这些地区却往往缺乏一次能源。而在一次能源丰富的地区,如矿物燃料、水力资源的地区,其经济发展相对较慢,用电增长相对较低或人均用电水平较低。这种一次能源分布和需求的不平衡情况增加了远距离、大容量输电和电网互联的需求。在电压等级不变的情况下,远距离输电意味着线路电能耗损的增加。因此,根据输电线路的长度不同,需要选择的电压等级也不同。当输送电能的功率给定后,提高输电线路的电压等级将降低输电线路的电流,从而减少有功功率和无功功率在输电线路上的电能损耗。另外,提高输电线路的电压等级不仅可以增大输电容量,而且降低输电系统的成本、增加输电线路的走廊利用率。但是,随着输电线路电压等级的提高,虽然输电线路的损耗减小了,可是相应的投资也随之增长。一般通过理论计算和一些经验数据来确定两者之间的最佳结合点,来最终决定输电线路的输电电压等级、最大输送功率和输送距离。表1-1中列出了现有不同输电线路电压等级与输送容量、输送距离的大致范围。

表1-1  输电电压与输送容量、输送距离的范围 

    综上所述,尽管高压输电系统采用不同的电压等级有着多方面的原因,但是要遵循如下几条基本原则:① 在遵守国家电压标准、依照电网电压序列和考虑电网发展的前提下,选择有利于提高全电网经济效益的适当的电压等级;② 要从全电网出发,权衡全电网的经济效益,而不是仅仅局限于某输电线路工程的经济效益;③ 要兼顾规模效益和时间效益。





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