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电力

电力

分类: 电力
属性: 技术
最后修改时间: 2014年04月26日
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电力是以电能作为动力的能源。发明于19世纪70 年代,电力的发明和应用掀起了第二次工业化高潮。成为人类历史18世纪以来,世界发生的三次科技革命之一,从此科技改变了人们的生活。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一,是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过机械能装置转化成电力,再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。

  1简介

  当今是互联网的时代,我们仍然对电力有着持续增长的需求,因为我们发明了电脑、家电等更多使用电力的产品。不可否认新技术的不断出现使得电力成为人们的必需品。

  产生的方式主要有:火力发电(煤等可燃烧物)、太阳能发电、大容量风力发电技术、核能发电、氢能发电、水利发电等,21世纪能源科学将为人类文明再创辉煌。燃料电池燃料电池是将氢、天然气、煤气、甲醇、肼等燃料的化学能直接转换成电能的一类化学电源生物质能的高效和清洁利用技术生物质能是以生物质为载体的能量。

  2010三季度水电利润大幅度增长。由于2010年三季度来水好于往年,水电发电量也明显增加,2010年6-8月水电利润总额206亿,同比增长96%。随着国家对水电开发正面态度的明朗,我们预计国家对水电开发的支持政策将逐步出台,水电企业投资价值也将逐步明晰。

  电网、水、火电利润增速差异显著。国家统计局于公布了2010年1-8月工业企业利润数据,电力生产与供应业整体实现利润总额936.1亿,同比增长119%;细分行业来看,火电利润总额为220.0亿,同比增长-17.8%;水电利润总额248.4亿,同比增长45.9%;电力供应利润总额380.0亿,同比增长655%。从环比数据看,2010年6-8月,电力生产与供应业整体实现利润总额462亿,环比增长37%;细分行业看,火电6-8月利润总额50.5亿,环比下降56%;水电6-8月利润总额206.4亿,环比增长307%;电力供应6-8月利润总额168.1亿,环比增长28%。电力供应业利润增速的大幅度提高主要由于09年四季度销售电价的调整以及销售电量逐季增加所导致。从下游主要耗电行业来看,除钢铁外,化工、建材、有色行业利润总额均显著超过07-08年的同期水平,特别是建材。从环比数据看,除建材行业外,其他高耗电行业利润总额环比有所下滑。

  2010三季度水电利润大幅度增长。由于2010年三季度来水好于往年,水电发电量也明显增加,2010年6-8月水电利润总额206亿,同比增长96%。随着国家对水电开发正面态度的明朗,我们预计国家对水电开发的支持政策将逐步出台,水电企业投资价值也将逐步明晰。

  2优点

  1、火力发电:燃料容易获取,热机效率高,调峰较易实现,建设成本低,容易与冶金、化工、水泥等高能耗工业形成共生产业链。

  2、核能发电:基本不受自然资源产地限制,运行成本低,无温室气体排放。

  3、水力发电:几乎完全无污染,运营成本低,便于调峰,可再生,有航运、水利等边际效益。

  4、风力发电:无环境污染,运行成本低,可再生。

  5、太阳能光伏发电:运行无污染,可再生,设备小型化,适合非集中供电。

  3弊端

  火力发电

  烟气污染:煤炭直接燃烧排放的SO2、NOx等酸性气体不断增长,使我国很多地区酸雨量增加。全国每年产生140万吨SO2。

  粉尘污染:对电站附近环境造成粉煤灰污染,对人们的生活及植物的生长造成不良影响。全国每年产生1500万吨烟尘。

  资源消耗:发电的汽轮机通常选用水作为冷却介质,一座100万千瓦火力发电厂每日的耗水量约为十万吨。全国每年消耗5000万吨标准。

  水力发电

  水力发电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦塌崩,后果将不堪设想。另外,一个国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响。

  风力发电

  噪声,视觉污染。占用大片土地及林地,对植被破坏大。不稳定,不可控。成本仍然很高。

  核能发电

  要用反应堆产生核能,需要解决以下10个问题:

  为核裂变链式反应提供必要的条件,使之得以进行。

  链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电,还会酿成灾害。

  裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。

  裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大,必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。

  核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过之核燃料,虽然所占体积不大,但因具有放射线,故必须慎重处理,且需面对相当大的政治困扰。

  核能发电厂热效率较低,因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里,故核能电厂的热污染较严重。

  核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高。

  核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。

  兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。

  核电厂的反应器内有大量的放射性物质,如果在事故中释放到外界环境,会对生态及民众造成伤害。

  核电在正常情况下固然是干净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故,已使900万人受到了不同程度的损害,而且这一影响并未终止。

  4输送

  传输

  电能的传输,它和变电、配电、用电一起,构成电力系统的整体功能。通过输电,把相距甚远的(可达数千千米)发电厂和负荷中心联系起来,使电能的开发和利用超越地域的限制。和其他能源的传输(如输煤、输油等)相比,输电的损耗小、效益高、灵活方便、易于调控、环境污染少;输电还可以将不同地点的发电厂连接起来,实行峰谷调节。输电是电能利用优越性的重要体现,在现代化社会中,它是重要的能源动脉。

  输电线路按结构形式可分为架空输电线路和地下输电线路。前者由线路杆塔、导线、绝缘子等构成,架设在地面上;后者主要用电缆,敷设在地下(或水下)。输电按所送电流性质可分为直流输电和交流输电。19世纪80年代首先成功地实现了直流输电,后因受电压提不高的限制(输电容量大体与输电电压的平方成比例)19世纪末为交流输电所取代。交流输电的成功,迎来了20世纪电气化时代。20世纪60年代以来,由于电力电子技术的发展,直流输电又有新发展,与交流输电相配合,形成交直流混合的电力系统。

  输电电压的高低是输电技术发展水平的主要标志。到20世纪90年代,世界各国常用输电电压有220千伏及以上的高压输电330~765千伏的超高压输电,1000千伏及以上的特高压输电。

  变电

  电力系统中,发电厂将天然的一次能源转变成电能,向远方的电力用户送电,为了减小输电线路上的电能损耗及线路阻抗压降,需要将电压升高;为了满足电力用户安全的需要,又要将电压降低,并分配给各个用户,这就需要能升高和降低电压,并能分配电能的变电所。所以变电所是电力系统中通过其变换电压、接受和分配电能的电工装置,它是联系发电厂和电力用户的中间环节,同时通过变电所将各电压等级的电网联系起来,变电所的作用是变换电压,传输和分配电能。变电所由电力变压器、配电装置、二次系统及必要的附属设备组成。

  变压器是变电所的中心设备,变压器利用的是电磁感应原理。

  变压器

  配电装置是变电所中所有的开关电器、载流导体辅助设备连接在一起的装置。其作用是接受和分配电能。配电装置主要由母线、高压断路器开关、电抗器线圈互感器、电力电容器、避雷器、高压熔断器二次设备及必要的其他辅助设备所组成。

  二次设备是指一次系统状态测量、控制、监察和保护的设备装置。由这些设备构成的回路叫二次回路,总称二次系统。

  二次系统的设备包含测量装置、控制装置、继电保护装置、自动控制装置、直流系统及必要的附属设备。

  电压等级

  电力系统电压等级有220V、380V(0.4kV)、3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV。随着电机制造工艺的提高,10kV电动机已批量生产,所以3kV、6kV已较少使用,20kV、66kV也很少使用。供电系统以10kV、35kV为主。输配电系统以110kV以上为主。发电厂发电机有6kV、10kV与20kV三种,以20kV为主,用户均为220V、380V(0.4kV)低压系统。

  根据《城市电力网规定设计规则》规定:输电网为1000kV、500kV、330kV、220kV、110kV,高压配电网为110kV、66kV,中压配电网为20kV、10kV、6kV,低压配电网为0.4kV(220V/380V)。

  发电厂发出6kV或10kV电,除发电厂自己用(厂用电)之外,也可以用10kV电压送给发电厂附近用户,10kV供电范围为10Km、35kV为20~50Km、66kV为30~100Km、110kV为50~150Km、220kV为100~300Km、330kV为200~600Km、500kV为150~850Km。

  变配电站种类

  电力系统各种电压等级均通过电力变压器来转换,电压升高为升压变压器(变电站为升压站),电压降低为降压变压器(变电站为降压站)。一种电压变为另一种电压的选用两个线圈(绕组)的双圈变压器,一种电压变为两种电压的选用三个线圈(绕组)的三圈变压器。

  变电站除升压与降压之分外,还以规模大小分为枢纽站,区域站与终端站。枢纽站电压等级一般为三个(三圈变压器),550kV/220kV/110kV。区域站一般也有三个电压等级(三圈变压器),220kV/110kV/35kV或110kV/35kV/10kV。终端站一般直接接到用户,大多数为两个电压等级(两圈变压器)110kV/10kV或35kV/10kV。用户本身的变电站一般只有两个电压等级(双圈变压器)110kV/10kV、35kV/0.4kV、10kV/0.4kV,其中以10kV/0.4kV为最多。

  接线方案

  1)一次接线种类

  变电站一次回路接线是指输电线路进入变电站之后,所有电力设备(变压器及进出线开关等)的相互连接方式。其接线方案有:线路变压器组,桥形接线,单母线,单母线分段,双母线,双母线分段,环网供电等。

  2)线路变压器组

  变电站只有一路进线与一台变压器,而且再无发展的情况下采用线路变压器组接线。

  3)桥形接线

  有两路进线、两台变压器,而且再没有发展的情况下,采用桥形接线。针对变压器,联络断路器在两个进线断路器之内为内桥接线,联络断路器在两个进线断路器之外为外桥接线。

  4)单母线

  变电站进出线较多时,采用单母线,有两路进线时,一般一路供电、一路备用(不同时供电),二者可设备用电源互自投,多路出线均由一段母线引出。

  5)单母线分段

  有两路以上进线,多路出线时,选用单母线分段,两路进线分别接到两段母线上,两段母线用母联开关连接起来。出线分别接到两段母线上。

  单母线分段运行方式比较多。一般为一路主供,一路备用(不合闸),母联合上,当主供断电时,备用合上,主供、备用与母联互锁。备用电源容量较小时,备用电源合上后,要断开一些出线。这是比较常用的一种运行方式。

  对于特别重要的负荷,两路进线均为主供,母联开关断开,当一路进线断电时,母联合上,来电后断开母联再合上进线开关。

  单母线分段也有利于变电站内部检修,检修时可以停掉一段母线,如果是单母线不分段,检修时就要全站停电,利用旁路母线可以不停电,旁路母线只用于电力系统变电站。

  6)双母线

  双母线主要用于发电厂及大型变电站,每路线路都由一个断路器经过两个隔离开关分别接到两条母线上,这样在母线检修时,就可以利用隔离开关将线路倒在一条件母线上。双母线也有分段与不分段两种,双母线分段再加旁路断路器,接线方式复杂,但检修就非常方便了,停电范围可减少。

  二次回路

  1)二次回路种类

  变配电站二次回路包括:测量、保护、控制与信号回路部分。测量回路包括:计量测量与保护测量。控制回路包括:就地手动合分闸、防跳联锁、试验、互投联锁、保护跳闸以及合分闸执行部分。信号回路包括开关运行状态信号、事故跳闸信号与事故预告信号。

  2)测量回路

  测量回路分为电流回路与电压回路。电流回路各种设备串联于电流互感器二次侧(5A),电流互感器是将原边负荷电流统一变为5A测量电流。计量与保护分别用各自的互感器(计量用互感器精度要求高),计量测量串接于电流表以及电度表,功率表与功率因数表电流端子。保护测量串接于保护继电器的电流端子。微机保护一般将计量及保护集中于一体,分别有计量电流端子与保护电流端子。

  电压测量回路,220/380V低压系统直接接220V或380V,3KV以上高压系统全部经过电压互感器将各种等级的高电压变为统一的100V电压,电压表以及电度表、功率表与功率因数表的电压线圈经其端子并接在100V电压母线上。微机保护单元计量电压与保护电压统一为一种电压端子。

  3)控制回路

  (1)合分闸回路

  合分闸通过合分闸转换开关进行操作,常规保护为提示操作人员及事故跳闸报警需要,转换开关选用预合-合闸-合后及预分-分闸-分后的多档转换开关。以使利用不对应接线进行合分闸提示与事故跳闸报警,国家已有标准图设计。采用微机保护以后,要进行远分合闸操作后,还要到就地进行转换开关对位操作,这就失去了远分操作的意义,所以应取消不对应接线,选用中间自复位的只有合闸与分闸的三档转换开关。

  (2)防跳回路

  当合闸回路出现故障时进行分闸,或短路事故未排除,又进行合闸(误操作),这时就会出现断路器反复合分闸,不仅容易引起或扩大事故,还会引起设备损坏或人身事故,所以高压开关控制回路应设计防跳。防跳一般选用电流启动,电压保持的双线圈继电器。电流线圈串接于分闸回路作为启动线圈。电压线圈接于合闸回路,作为保持线圈,当分闸时,电流线圈经分闸回路起动。如果合闸回路有故障,或处于手动合闸位置,电压线圈起启动并通过其常开接点自保持,其常闭接点马上断开合闸回路,保证断路器在分闸过程中不能马上再合闸。防跳继电器的电流回路还可以通过其常开接点将电流线圈自保持,这样可以减轻保护继电器的出口接点断开负荷,也减少了保护继电器的保持时间要求。

  有些微机保护装置自己已具有防跳功能,这样就可以不再设计防跳回路。断路器操作机构选用弹簧储能时,如果选用储能后可以进行一次合闸与分闸的弹簧储能操作机构(也有用于重合闸的储能后可以进行二次合闸与分闸的弹簧储能操作机构),因为储能一般都要求10秒左右,当储能开关经常处于断开位置时,储一次能,合完之后,将储能开关再处于断开位置,可以跳一次闸;跳闸之后,要手动储能之后才能进行合闸,此时,也可以不再设计防跳回路。

  (3)试验与互投联锁与控制

  对于手车开关柜,手车推出后要进行断路器合分闸试验,应设计合分闸试验按钮。进线与母联断路,一般应根据要求进行互投联锁或控制。

  (4)保护跳闸

  保护跳闸出口经过连接片接于跳闸回路,连接片用于保护调试,或运行过程中解除某些保护功能。

  (5)合分闸回路

  合分闸回路为经合分闸母线为操作机构提供电源,以及其控制回路,一般都应单独画出。

  4)信号回路

  (1)开关运行状态信号由合闸与分闸指示两个装于开关柜上的信号灯组成:经过操作转换开关不对应接线后接到正电源上。采用微机保护后,转换开关取消了不对应接线,所以信号灯正极可以直接接到正电源上。

  (2)事故信号有事故跳闸与事故预告两种信号,事故跳闸报警也要通过转化开关不对应后,接到事故跳闸信号母线上,再引到中央信号系统。事故预告信号通过信号继电器接点引到中央信号系统。采用微机保护后,将断路器操作机构辅助接点与信号继电器的接点分别接到微机保护单元的开关量输入端子,需要有中央信号系统时,如果微机保护单元可以提供事故跳闸与事故预告输出接点,可将其引到中央信号系统。否则,应利用信号继电器的另一对接点引到中央信号系统。

  (3)中央信号系统为安装于值班室内的集中报警系统,由事故跳闸与事故预告两套声光报警组成,光报警用光字牌,不用信号灯,光字牌分集中与分散两种。采用变电站综合自动化系统后,可以不再设计中央信号系统,或将其简化,只设计集中报警作为计算机报警的后备报警。

  5工业

  1875年,巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂,为附近照明供电。1879年,美国旧金山实验电厂开始发电,是世界上最早出售电力的电厂。80年代,在英国和美国建成世界上第一批水电站。1913年,全世界的年发电量达500亿千瓦时,电力工业已作为一个独立的工业部门,进入人类的生产活动领域。

  20世纪30、40年代,美国成为电力工业的先进国家,拥有20万千瓦的机组31台,容量为30万千瓦的中型火电厂9座。同一时期,水电机组达5~10万千瓦。1934年,美国开工兴建的大古力水电站,计划容量是888万千瓦,1941年发电,到1980年装机容量达649万千瓦,至80年代中期一直是世界上最大的水电站。1950年,全世界发电量增至9589亿千瓦时,是1913年的19倍。50、60、70年代,平均年增长率分别为9.4%、8.0%、5.3%。1950~1980年,发电量增长7.9倍,平均年增长率7.6%,约相当于每10年翻一番。1986年,全世界水电发电量占20.3%,火电占63.7%,核电占15.6%;美国水电占11.4%,火电占72.1%,核电占16.0%;前苏联水电占13.5%,火电占76.4%,核电占10.1%;日本水电占12.9%,火电占61.8%,核电占25.1%;中国水电占21.0%,火电占79.0%。世界上核电比重最大的是法国,1989年占总发电量的74.6%。

  电网、水、火电利润增速差异显著。国家统计局于公布了2010年1-8月工业企业利润数据,电力生产与供应业整体实现利润总额936.1亿,同比增长119%;细分行业来看,火电利润总额为220.0亿,同比增长-17.8%;水电利润总额248.4亿,同比增长45.9%;电力供应利润总额380.0亿,同比增长655%。从环比数据看,2010年6-8月,电力生产与供应业整体实现利润总额462亿,环比增长37%;细分行业看,火电6-8月利润总额50.5亿,环比下降56%;水电6-8月利润总额206.4亿,环比增长307%;电力供应6-8月利润总额168.1亿,环比增长28%。电力供应业利润增速的大幅度提高主要由于09年四季度销售电价的调整以及销售电量逐季增加所导致。从下游主要耗电行业来看,除钢铁外,化工、建材、有色行业利润总额均显著超过07-08年的同期水平,特别是建材。从环比数据看,除建材行业外,其他高耗电行业利润总额环比有所下滑。

  2010三季度水电利润大幅度增长。由于2010年三季度来水好于往年,水电发电量也明显增加,2010年6-8月水电利润总额206亿,同比增长96%。随着国家对水电开发正面态度的明朗,我们预计国家对水电开发的支持政策将逐步出台,水电企业投资价值也将逐步明晰。

  20世纪70年代,电力工业进入以大机组、大电厂、超高压以至特高压输电,形成以联合系统为特点的新时期。1973年,瑞士BBC公司制造的130万千瓦双轴发电机组在美国肯勃兰电厂投入运行。苏联于1981年制造并投运世界上容量最大的120万千瓦单轴汽轮发电机组。到1977年,美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂。1985年,苏联有百万千瓦以上火电厂59座。1983年,日本有百万千瓦以上的火电厂32座,其中鹿儿岛电厂总容量440万千瓦,是世界上最大的燃油电厂。世界上设计容量最大的水电站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站,设计容量1260万千瓦,采用70万千瓦机组,与运行中的世界最大水电站美国大古力水电站的世界最大水轮机组70万千瓦容量相等。世界上最大的核电站是日本福岛核电站,容量是909.6万千瓦。

  总装机容量几百万千瓦的大型水电站、大型火电厂和核电站的建成,促进了超高、特高压输电、直流输电和联合电力系统的发展。1935年,美国首次将输电电压等级从110~220千伏提高到287千伏,出现了超高压输电线路。1952年,瑞典建成二分裂导线的380千伏超高压输电线路。1959年,苏联建成500千伏,长850千米的三分裂导线输电线路。1965~1969年,加拿大、苏联和美国先后建成735、750和765千伏线路。1985年,苏联首次建成1150千伏特高压输电线路,输电距离890千米,美国正研究1100千伏和1500千伏特高压输电,意大利研究1000千伏输电,日本建设250千米长1000千伏特高压线路。高压直流输电(HVDC),瑞典、美国、苏联分别采用±100、±450、±750千伏电压,后者输电距离2414千米,输电600万千瓦。到1985年,全世界已有18个国家、32个直流输电线路投运,总输送容量2000万千瓦。

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