第三章4电能的输送.docx

第三章4电能的输送问题？我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区，而用电量大的城市多在东部沿海地区。从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的损耗？用导线把电源和用电设备连起来，就可以输送电能了，这是电能的一个突出优点。输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。可靠，是指保证供电线路可靠地工作，故障少。保质，就是保证电能的质量一一电压和频率稳定。各种用电设备都是按照一定的工作电压设计的，电压过低或过高，用电器都不能正常工作，甚至会造成损坏。使用交流的用电器还要求频率稳定。经济，则是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。以下重点讨论怎样在输电过程中减少电能的损失。降低输电损耗的两个途径设输电电流为/,输电线的电阻为r,则输电线上的功率损失为P=P人由此可知，有两个途径能减少输电损失。一个途径是减小输电线的电阻。在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，例如铜、铝来制造输电线（图3.4-1）。此外，还要尽可能增加导线的横截面积。但是，导线横截面积的增加是有一定限度的。过粗的导线会耗费太多的金属材料,而且输电线太重、太粗也给铺设工程带来困难。甲输电线乙输电线截面图3.4-1一种用于远距离输电的钢芯铝绞线另一个途径是减小输电导线中的电流。为此，我们讨论下面的问题。思考与讨论假定输电线路中的电流是L用户端的电压是U,两条导线的总电阻是在图3.4-2中，导线的电阻集中画为一个电阻r,o1实际上发电厂供给的电能要经过多次转换才能到达用户，这里只讨论原理，所以把问题简化了。发电厂用户图3.4-2输电电路图1 .怎样计算输电线路损失的功率？2 .在输电电流一定的情况下，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？在线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？3 .通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？4 .怎样计算用户消耗的功率P?5 .在用户的用电功率一定的前提下，怎样才能减小输电电流？远距离输电时，为了降低输电线路中的损耗，就要减小输电电流；为了减小输电电流,同时又要保证向用户提供一定的电功率,就要提高输电电压。现代远距离输电的电压都很高。目前我国远距离输电采用的电压有IIOkV、220kV.330kV,输电干线已经采用500kV和750kV的超高压，西北电网甚至达到1IOOkV的特高压。输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。电网供电一般发电机组输出的电压在IOkV左右，不符合远距离送电的要求。因此，要用升压变压器升压到几百千伏后再向远距离送电。到达数百千米甚至数千千米之外的用电区之后,先在“一次高压变电站”降到IOOkV左右，在更接近用户的地点再由“二次变电站”降到IOkV左右。然后，一部分电能送往用电量大的工业用户，另一部分经过低压变电站降到220V38OV,送给其他用户（图3.4-3）o低压变电站图3.4-3输电过程示意图现在世界各国都不采用一个电厂与一批用户的“一对一”的供电方式，而是通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络，这就是电网。采用电网送电，是输电技术的重要发展。这样可以在一次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益。电网可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡。使用电网，可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力，这就使得电气化社会的主要能源一一电力的供应更加可靠，质量更高。STSE输电技术的发展1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统，用直流电点亮了几千盏电灯。那时,输电距离很近,每隔3km左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光。同一年，一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57km之外的慕尼黑，在博览会上用来驱动一台水泵，造了一个人工喷泉。爱迪生的助手特斯拉发明了第一台实用的变压器。1886年，发明家威斯汀豪斯利用变压器成功地在6km的线路上实现了交流输电。1891年，德国建成170km的1530kV的高压输电线路，效率高达70%80%°1893年，美国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。19091912年，美国、德国建造IOOkV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。随着电力系统的扩大，交流输电遇到了一些技术困难。例如，用甲、乙两台交流发电机给同一条线路供电，如果某时刻甲达到正的最大值时，乙恰好是负的最大值，它们发的电在电路里恰好互相抵消，不仅电路无法工作，甚至会烧毁设备。要使电路正常工作，给同一条线路供电的所有发电机都必须同步运行，即同时达到正的最大值，同时达到负的最大值。现代的供电系统是把许多电站连成一个电网，要使电网内的许多发电机同步运行，技术上有一定困难。此外，长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损失甚至大于导线电阻引起的电能损失。为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流，但发电机产生的仍是交流，用户使用的也主要是交流（图3.4-4）。为此，在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。制造大功率的整流和逆变设备在过去有很大困难，目前已经逐步解决，因此直流输电技术已得到应用。一.底蛤曲输往用户发电J爻流,变直流直流变爻流.图3.4-4现代直流输电示意图我国继三峡至常州±50OkV直流输电工程之后，又建成了宁夏至山东±660kV和四川至上海±80OkV的直流输电工程。另外，新疆昌吉至安徽古泉新建了÷1IOOkV特高压直流输电工程。这是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。直流特高压输电技术已成为我国“西电东送”战略的技术基础。图3.4-5新疆昌吉至安徽古泉±110OkV特高压直流输电线路练习与应用1 .采用IIOkV高压输电，输送电功率为4800kW的电能，输电导线中的电流是多少？如果用IlOV电压输送同样功率的电能，输电导线中电流是多少？我们在初中曾经做过类似的题目，那时是用直流电路的知识来处理的。在纯电阻的交流电路中，同样有公式U=IR和P=UL想想看，这里的U和1的含义与初中有什么不同？参考解答：在不考虑感抗和容抗的影响时，电功率P=UI,所以I=/当U=IlOkV时，导线中电流=43.6A°当U=IIoV时，导线中电流=4.36×104Ao公式U=IR中的U、I、R对应同一段电路，同理，公式P=UI中的尸、U、I也对应同一段电路。功率P并不是输电线上消耗的功率，而是发电机（电源）、输电线以及用户构成的闭合电路的总电功率，U是此电路的总电压，而/是电路的总电流（也是流经输电线的电流）。如果输电线的电阻为R,则UIR,原因是U并非输电线上的电压，而是电路的输入电压。所以，P=UI公式中的三个量是同一段电路的输入电压U、总电流入总功率P,而且都是指交变电流的有效值，而在初中阶段则指的直流的电压、电流和功率。2 .以下是一段关于输电线损失功率的推导。将电能从发电站送到用户，在输电线上会损失一部分功率。设输电电压为U,则功率损失为Pfti=UI（1）而U=IR（2）将（2）式代入（1）式，得到U2产损=京（3）由（3）式可知，要减小功率损失PK就应当用低压送电和增大输电线的电阻R。这段推导错在哪里？参考解答：公式P=UI和U=IR都是错误的，U是输电电压，而非输电线上的电压。正确的推导应该是：设输电电压为U,输送的电功率为P,则P=I2RfI=与，将两式联立P2求得尸报二会上由此式可知，要减小功率损失尸扭，在输送功率P不变的条件下，应当升高电压U和减小输电线的电阻R。3 .从发电站输出的功率为200kW,输电线的总电阻为0.05,用1IOOV和IIkV两种电压输电。试估算两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失。参考解答：AUi=9.1V,t2=0.91V4 .如果用220V和11kV两种电压来输电，设输送的电功率、输电线上功率损失、导线的长度和电阻率都相同，求导线的横截面积之比。参考解答：2500：15 .某个小水电站发电机的输出功率为IOOkW,发电机的电压为250Vo通过升压变压器升压后向远处输电，输电线的总电阻为8Q,在用户端用降压变压器把电压降为220V。要求在输电线上损失的功率控制在5kW(即用户得到的功率为95kW)请你设计两个变压器的匝数比。为此，请你计算：(1)降压变压器输出的电流为多少？输电线上通过的电流是多少？(2)输电线损失的电压为多少？升压变压器输出的电压是多少？(3)两个变压器的匝数比各应等于多少？参考解答：(1)432A,25A(2) 200V,4000V(3) I：16,190：Il