输电和配电.docx
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输电和配电
问题1:
电是如何输送和分配的？
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。
大规模的电能从生产到使用要经过发电、输电、配电和用电四个环节，这四个环节组成了电力系统。
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，所以电能的生产和使用在任意时刻都必须保持基本平衡。
20世纪以来，电能的消耗量稳步上升，每10年约增长1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。
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，带动发电机转动，将机械能转换为电能；③核能发电，如利用核能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太阳能热发电，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太阳能光发电，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，如图1-1所示。
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图1-1 电力输送过程示意图
输电是将发电厂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。
如图1-1所示，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、母线等变电一次设备和确保安全、可靠输电的继电保护、监视、控制和电力通信等变电二次设备等要集中在变电站内的设备统称为变电设备。
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。
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，输电网和配电网是联系电力生产与消费的必不可少的环节。
问题2:
输变电系统是由什么设备组成的？
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输变电系统是一系列电气设备组成的。
发电站发出的强大电能只有通过输变电系统才能输送到电力用户。
图1-2给出了变电站主要设备的示意图。
图中除了所示的变压器、导线、绝缘子、互感器、避雷器、隔离开关和断路器等电气设备外，还有电容器、套管、阻波器、电缆、电抗器和继电保护装置等，这些都是输变电系统中必不可缺的设备。
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图1-2 变电站主要设备示意图
1—变压器；2—导线；3—绝缘子；4—互感器；5—避雷器；6—隔离开关；7—断路器
下面，对输变电系统的主要电气设备及其功能进行简单介绍。
（1）输变电系统的基本电气设备主要有导线、变压器、开关设备、高压绝缘子等。
1）导线。
导线的主要功能就是引导电能实现定向传输。
导线按其结构可以分为两大类：
一类是结构比较简单不外包绝缘的称为电线；另一类是外包特殊绝缘层和铠甲的称为电缆。
电线中最简单的是裸导线，裸导线结构简单、使用量最大，在所有输变电设备中，它消耗的有色金属最多。
电缆的用量比裸导线少得多，但是因为它具有占用空间小、受外界干扰少、比较可靠等优点，所以也占有特殊地位。
电缆不仅可埋在地里，也可浸在水底，因此在一些跨江过海的地方都离不开电缆。
电缆的制造比裸导线要复杂得多，这主要是因为要保证它的外皮和导线间的可靠绝缘。
输变电系统中采用的电缆称为电力电缆。
此外，还有供通信用的通信电缆等。
2）变压器。
变压器是利用电磁感应原理对变压器两侧交流电压进行变换的电气设备。
为了大幅度地降低电能远距离传输时在输电线路上的电能损耗，发电机发出的电能需要升高电压后再进行远距离传输，而在输电线路的负荷端，输电线路上的高电压只有降低等级后才能便于电力用户使用。
电力系统中的电压每改变一次都需要使用变压器。
根据升压和降压的不同作用，变压器又分为升压变压器和降压变压器。
例如，要把发电站发出的电能送入输变电系统，就需要在发电站安装变压器，该变压器输入端（又称一次侧）的电压和发电机电压相同，变压器输出端（又称二次侧）的电压和该输变电系统的电压相同。
这种输出电压比输入电压高的变压器即为升压变压器。
当电能送到电力用户后，还需要很多变压器把输变电系统的高电压逐级降到电力用户侧的220V（相电压）或380V（线电压）。
这种输出端电压比输入端电压低的变压器即为降压变压器。
除了升压变压器和降压变压器外，还有联络变压器、隔离变压器和调压变压器等。
例如，几个邻近的电网尽管平时没多少电能交换，但有时还是希望它们之间能够建立起一定的联系，以便在特定的情况下互送电能，相互支援。
这种起联络作用的变压器称为联络变压器。
此外，两个电压相同的电网也常通过变压器再连接，以减少一个电网的事故对另一个电网的影响，这种变压器称为隔离变压器。
3）开关设备。
开关设备的主要作用是连接或隔离两个电气系统。
高压开关是一种电气机械，其功能就是完成电路的接通和切断，达到电路的转换、控制和保护的目的。
高压开关比常用低压开关重要得多，复杂得多。
常见的日用开关才几两重，而高压开关有的重达几十吨，高达几层楼。
这是因为它们之间承受的电压和电流大小很悬殊。
按照接通及切断电路的能力，高压开关可分为好几类。
最简单的是隔离开关，它只能在线路中基本没有电流时，接通或切断电路。
但它有明显的断开间隙，一看就知道线路是否断开，因此凡是要将设备从线路断开进行检修的地方，都要安装隔离开关以保证安全。
断路器也是一种开关，它是开关中较为复杂的一种，它既能在正常情况下接通或切断电路，又能在事故下切断和接通电路。
除了隔离开关和断路器以外，还有在电流小于或接近正常时切断或接通电路的负荷开关。
电流超过一定值时切断电路的熔断器以及为了确保高压电气设备检修时安全接地的接地开关等都属于高压开关。
4）高压绝缘子。
高压绝缘子是用于支撑或悬挂高电压导体，起对地隔离作用的一种特殊绝缘件。
由于电瓷绝缘子的绝缘性能比较稳定，不怕风吹、日晒、雨淋，因此各种高压输变电设备（尤其是户外使用的），广泛采用高压电瓷作为绝缘，如：
架空导线必须通过绝缘子挂在电线杆上才能保证绝缘，一条长500km的330kV输电线路大约需要14万个绝缘子串。
高压绝缘子的另一大类是高压套管，当高压导线穿过墙壁或从变压器油箱中引出时，都需要高压套管作为绝缘。
除了高压电瓷作为绝缘子外，基于硅橡胶材料的合成绝缘子也获得了广泛应用。
（2）输变电的保护设备主要有互感器、继电保护装置、避雷器等。
1）互感器。
互感器的主要功能是将变电站高电压导线对地电压或流过高电压导线的电流按照一定的比例转换为低电压和小电流，从而实现对变电站高电压导线对地电压和流过高电压导线的电流的有效测量。
对于大电流、高电压系统，不能直接将电流和电压测量仪器或表计接入系统，这就需要将大电流、高电压按照一定的比例变换为小电流、低电压。
通常利用互感器完成这种变换。
互感器分为电流互感器和电压互感器，分别用于电流和电压变换。
由于它们的变换原理和变压器相似，因此也称为测量变压器。
互感器的主要作用：
①互感器可将测量或保护用仪器仪表与系统一次回路隔离，避免短路电流流经仪器仪表，从而保证设备和人身安全；②由于互感器一次侧和二次侧只有磁联系，而无电的直接联系，因而降低了二次仪表对绝缘水平的要求；③互感器可以将一次回路的高压统一变为100V或100/3V的低电压，将一次回路中的大电流统一变为5A的小电流。
这样，互感器二次侧的测量或保护用仪器仪表的制造就可做到标准化。
2）继电保护装置。
继电保护装置是电力系统重要的安全保护系统。
它根据互感器以及其他一些测量设备反映的情况，决定需要将电力系统的哪些部分切除和哪些部分投入。
虽然继电保护装置很小，只能在低电压下工作，但它却在整个电力系统安全运行中发挥重要作用。
3）避雷器。
避雷器主要用于保护变电站电气设备免遭雷击损害。
变电站主要采用避雷针及避雷器两种防雷措施。
避雷针的作用是不使雷直接击打在电气设备上。
避雷器主要安装在变电站输电线路的进出端，当来自输电线路的雷电波的电压超过一定幅值时，它就首先动作，把部分雷电流经避雷器及接地网泄放到大地中，从而起到保护电气设备的作用。
（3）其他电力设备。
除了上述设备外，变电站一般还安装有电力电容器和电力电抗器。
1）电力电容器。
电力电容器的主要作用是为电力系统提供无功功率，达到节约电能的目的。
主要用来给电力系统提供无功功率的电容器，一般称为移相电容器；而安装在变电站输电线路上以补偿输电线路本身无功功率的电容器称为串联电容器，串联电容器可以减少输电线路上的电压损失和功率损耗，而且由于就地提供无功功率，因此可以提高电力系统运行的稳定性。
在远距离输电中利用电容器可明显提高输送容量。
2）电力电抗器。
电力电抗器与电力电容器的作用正好相反，它主要是吸收无功功率。
对于比较长的高压输电线路，由于输电线路对地电容比较大，输电线路本身具有很大的无功功率，而这种无功功率往往正是引起变电站电压升高的根源。
在这种情况下安装电力电抗器来吸收无功功率，不仅可限制电压升高，而且可提高输电能力。
电力电抗器还有一个很重要的特性，那就是能抵抗电流的变化，因此它也被用来限制电力系统的短路电流。
问题3:
高压输电系统为什么要用不同的电压等级？
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电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。
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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
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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。
问题4:
为什么要采用特高压输电？
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特高压输电技术是指电压等级在750kV交流和±500kV直流之上的更高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分。
我国是电能的生产和使用大国，地域广阔，发电资源分布和经济发展极不平衡。
全国可开发的水电资源近2/3在西部的四川、云南、西藏；煤炭保有量的2/3分布在山西、陕西、内蒙古，如表1-2所示。
而全国2/3的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以东的经济发达地区。
西部能源供给基地与东部能源需求中心之间的距离将达到2000～3000km。
我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置。
只有建设特高压电网，才能适应东西2000～3000km、南北800～2000km远距离、大容量电力输送需求，促进煤电就地转化和水电大规模开发，实现跨地区、跨流域的水电与火电互济，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中、东部地区，满足我国经济快速发展对电力的需求。
表1-2 我国能源资源的地区分布一览（%）
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除了实现电能的大规模和远距离输送的需求之外，特高压电网还可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性，具有显著的社会、经济效益。
主要体现在如下几个方面：
（1）提高电网的安全性和可靠性。
建设特高压电网可以从根本上解决跨大区500kV交流弱联系所引起的电网安全性差的问题，为我国东部地区的受端电网提供坚强的网架支撑，可以解决负荷密集地区500kV电网的短路电流超标的问题。
（2）减少走廊回路数，节约大量土地资源。
以溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩水电站的电力送出工程为例，采用±800kV级特高压直流输电技术与采用±500kV级高压直流输电技术相比，输电线路可以从10回减少到6回，节省输电走廊占地300km2。
再以输送10GW电力、输电距离达800km的交流输电技术为例，采用500kV交流输电技术需要8～10回输电线路，而采用1000kV交流输电技术仅需要2回输电线路，可减少输电走廊宽度300m，节省输电走廊占地240km2。
（3）获得显著的经济效益。
特高压电网将实现大规模跨区联网，可以获得包括错峰、调峰、水火互济、互为备用、减少弃水电量等巨大的联网效益，降低网损。
以1000kV交流特高压代替500kV交流超高压输电功能，可以降低输电成本，减少部分500kV交流超高压输电通道的重复建设，节约大量投资。
（4）减轻铁路煤炭运输压力，促进煤炭集约化开发。
建设特高压电网，可实现大电网、大电源与大煤矿相互促进，实施煤电一体化开发，提高煤炭回采率，提高煤矿安全生产水平，减少煤炭和电力综合成本。
（5）促进西部大开发，增加对西部地区的资金投入，变资源优势为经济优势，同时减小中、东部地区的环保压力，带动区域社会经济的协调发展。
（6）带动我国电工制造业技术全面升级。
通过依托特高压电网工程建设，可以增强我国科技自主创新能力，走跨越式发展道路，全面提升国内输变电设备制造企业的制造水平，使国内超高压设备制造技术更加成熟，实现我国交、直流输变电设备制造技术升级，显著提高国际竞争能力。
发展特高压输电在我国是必要的，在技术上也是可行的。
目前国内已有发展特高压输电的较好的技术基础和条件。
我国的特高压输电研究从调研国外经验到试验设备的完善，从研究方法到设备的生产都做了大量的工作，打下了很好的基础。
目前，国家电网公司武汉高压研究院和中国电力科学研究院已分别建立交、直流特高压试验研究基地，完全具备各项特高压试验的条件和能力，并已进行了各项特高压的专题研究。
我国的设计和制造单位通过西北750kV输变电示范工程，进一步具备了制造特高压设备的条件和基础。
考虑到设备的成熟性，特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。
我国人均用电水平远低于发达国家，未来几十年内，电力负荷增长仍会保持较高的速度。
从全国联网和西电东送的电网发展趋势来看，我国有发展特高压输电的必要。
问题5:
为什么有必要将变电站与相应的进出线路设置在城市人口密集地区？
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为什么输变电工程有必要建在城市人口密集地区，而不是全部建在偏僻的郊区或农村，这是很多公众关心的问题。
首先介绍两个专业术语：
负荷密度与经济供电半径。
负荷密度是表征负荷分布密集程度的量化参数，它是每平方公里的平均用电功率数值，以MW/km2计量。
根据《城市电力网规划设计导则》，市中心区是指市区内人口密集，行政、经济、商业、交通集中的地区。
市中心区用电负荷密度很大，供电质量和可靠性要求高，电网接线以及供电设施都应有较高的要求。
负荷密度是负荷预测的常用方法。
一般并不直接预测整个城市的负荷密度，而是按城市区域或功能分区，首先计算现状和历史的分区负荷密度，然后根据地区发展规划和各分区负荷发展的特点，推算出各分区各目标年的负荷密度预测值。
至于分区中的少数集中用电的大用户，在预测时可另作点负荷单独计算。
由于城市的社会经济和电力负荷常有随同某种因素而不连续（跳跃式）发展的特点，因此应用负荷密度法是一种比较直观的方法。
由于输电线路在输送功率时，沿线会产生电压降。
因此不同电压等级的线路，按受电端电能质量的要求，有最大供电距离（即供电半径）的限制。
经济供电半径是基于规划期限内,单位供电面积所需总计算费用最低的线路供电范围。
此供电半径具有最佳的经济效益。
总计算费用包括送变电工程与线路工程建设投资以及各项工程的折旧维护费用和运行寿命期的电能损耗费用。
这一指标与负荷密度密切相关，也与社会电价密切相关。
变电站的选址在满足电能质量的前提下，必定会受负荷分布和供电半径要求的制约，不可能随意远离人口密集地区。
对于所有电压等级的变电站选址而言，负荷分布是一个重要考虑因素、甚至是一个决定性的因素，因为网络结构、城乡规划等因素最终均表现在负荷分布这一因素之中。
我国城市中心区特别是人口密集区的负荷密度近年来呈现跳跃式的增长。
进入20世纪90年代以后，上海、北京、广州等经济率先发展的城市，市内特别繁华区负荷密度迅速增加，已达到10～50MW/km2。
根据相关资料，长沙市的平均负荷密度已达到6.06MW/km2刘友强
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