大學(xué)物理學(xué)論文xiugai

1、長距離電力輸送的直流方案與交流方案比較弘深土建機械班第四組指導(dǎo)老師：胡炳全組長 ：黎睿 胡宏組員 ：王黎、靳愛凌、楊熠明、孫霏帆、王方春、余愛華、薛維恒、趙云花論文摘要：綜述了高壓直流輸電與特高壓交流輸電的應(yīng)用現(xiàn)狀，對二者的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較研究，并預(yù)測了這兩種輸電技術(shù)在我國的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 ：高壓直流輸電、特高壓交流輸電、優(yōu)勢與劣勢、前景研究方案：我們分成兩個小組，每組5人，由組長和副組長帶領(lǐng)分別調(diào)查搜集特高壓交流輸電、高壓直流輸電的資料。先進(jìn)行一次小組內(nèi)討論，各自得出統(tǒng)一的觀點，之后兩個小組共同討論，辯證的分析兩種輸電方案的優(yōu)劣，得出結(jié)論。工作分配：黎睿，收集關(guān)于特高壓交流輸電的資料，撰寫

2、論文，組織討論 孫霏帆，篩選整理資料 薛維恒、趙云花，收集關(guān)于特高壓交流輸電的資料 王方春，修改、完善論文 王黎，直流輸電安全性資料搜集 靳愛凌，直流輸電產(chǎn)品成熟性資料搜集 余愛華，直流輸電造價資料搜集 胡宏、楊熠明，ppt制作、講解，檢查科學(xué)性我國電網(wǎng)的特點是能源資源與經(jīng)濟發(fā)展地理分布極不均衡，必須發(fā)展長距離大容量電能傳輸技術(shù)，采用新的或更高一級電壓等級，實現(xiàn)西南水電東送和華北火電南送。目前國內(nèi)外的研究集中在高壓直流和特高壓交流輸電技術(shù)。本文試就這兩種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀況，優(yōu)缺點進(jìn)行比較，并預(yù)計這兩種技術(shù)在我國的發(fā)展前景。一、 特高壓交流輸電應(yīng)用：世界上對I000kV特高壓交流輸電技術(shù)的研究以及

3、試驗、建設(shè)工作開始于20紀(jì)70年代。美國、前蘇聯(lián)、日本和意大利都曾建成特高壓交流試驗線路，并進(jìn)行了大量的特高壓交流輸電技術(shù)的研究和試驗。國外主要圍繞特高壓輸電技術(shù)的高壓絕緣、輸電設(shè)備的研制、生態(tài)和環(huán)境等課題進(jìn)行研究 。美國是開始特高壓研究計劃最早的國家，1967年美國匹茲費爾德市設(shè)立了特高壓交流試驗中心，美國通用電氣公司與國家電力協(xié)會合作，對電壓等級為I000kV一1500kV、長度為lkm的試驗線路以及相關(guān)的電力設(shè)備進(jìn)行了諸多研究和實驗，但美國至今未建設(shè)特高壓輸電線路。國外已經(jīng)建成特高壓交流輸變電工程的國家只有前蘇聯(lián)和日本兩個國家。優(yōu)勢：特高壓交流輸電的優(yōu)勢經(jīng)濟型。（1） 設(shè)備成本美國比較了

4、1100kv和500kv輸電設(shè)備成本，如表所示，對于輸電線路、斷路器及其構(gòu)架和并聯(lián)電抗器，1100kV的成本均比500kV的低；而自耦變壓器的成本，1100kV，的與500kV的相同；只有發(fā)電機升壓變壓器，1100kV比500kV高40一50。由于我國的變壓器企業(yè)現(xiàn)已經(jīng)具備研制1000kV級特高壓變壓器的條件，可以節(jié)省大量外匯，從而大大降低我國特高壓輸電的設(shè)備總成本。(2)建設(shè)成本前蘇聯(lián)對Siberia一KazakstanUral輸電工程進(jìn)行線路成本比較，得出1150kV約為500kV的066，與美國的結(jié)果相近。前蘇聯(lián)還根據(jù)其實踐經(jīng)驗得出，在相同容量情況下，采用1150kV比采用500kV節(jié)省

5、三分之一的鋼材、一半的導(dǎo)線、一半的施工費，節(jié)省變電站建設(shè)費1015。日本利用數(shù)學(xué)模型計算比較了1100kV與800kv輸電的成本費用，在假定線路工程所占比重為68、變電站為298的情況下，認(rèn)為整個工程造價前者比后者減少3。(3)輸電成本研究表明，隨著輸送容量的增加，輸電成本呈下降趨勢，并在較高功率輸送水平下趨于穩(wěn)定。在500kv和1100kv曲線的交點處出現(xiàn)功率輸送關(guān)系的轉(zhuǎn)折，大約為2400Mw，輸送功率超過這一數(shù)值后，特高壓輸電將更為經(jīng)濟。我國規(guī)劃和建設(shè)的特高壓交流輸電線路的輸送容量遠(yuǎn)大于2400MW，一般單回線路的輸送容量就可以達(dá)到50006000MW，而且線路長度也遠(yuǎn)超過322km，因此

6、特高壓輸電具有明顯的經(jīng)濟性。(4)輸電走廊利用率隨著經(jīng)濟的發(fā)展，征地費用在輸電工程建設(shè)投資中所占的費用比例將越來越高，在人口稠密地區(qū)和林區(qū)，處理走廊所需賠償費用有的已占總投資的30以上。這就要求電網(wǎng)的規(guī)劃、發(fā)展要立足于綜合、長遠(yuǎn)的考慮，充分挖掘每一走廊的容量輸送潛力。據(jù)估計，1條1150kV輸電線路的輸電能力可代替56條500kv線路，如1150kV特高壓輸電線路按環(huán)境要求走廊寬度約為90m，6回500kV線路的走廊寬度約為360m，則1150kV特高壓線路走廊寬度約僅為同等輸送能力的500kV線路所需走廊寬度的l4，采用特高壓輸電提高了走廊利用率。劣勢：特高壓交流輸電的弊端對環(huán)境的影響1.由

7、于輸電電壓的提高，必然導(dǎo)致導(dǎo)線表面電場強度以及輸電設(shè)備周圍的空間電場強度的升高，而特高壓輸電線路和變電站出現(xiàn)的電暈現(xiàn)象和強電場效應(yīng)對人體和生態(tài)環(huán)境是否會帶來危害，一直是人們非常關(guān)心的問題。從上世紀(jì)60年代開始，前蘇聯(lián)、美國、日本等國利用試驗線段和電暈籠，就線路和變電站內(nèi)地面場強、導(dǎo)線引起的可聽噪聲、無線電干擾和電視干擾等進(jìn)行了大量的研究。在進(jìn)行特高壓輸電線路設(shè)計時，對環(huán)境的影響往往成為導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和尺寸選擇的決定因素。2.電暈放電電暈的產(chǎn)生是因為不平滑的導(dǎo)體產(chǎn)生不均勻的電場，在不均勻的電場周圍曲率半徑小的電極附近當(dāng)電壓升高到一定值，輸電線路表面電場強度超過空氣分子的游離強度(一般為2030kVcm

8、)時，就會發(fā)生放電，形成電暈。電暈要消耗能量，電暈放電產(chǎn)生的脈沖電磁波對無線電和高頻通信會產(chǎn)生干擾；還會使導(dǎo)線表面發(fā)生腐蝕，從而降低導(dǎo)線的使用壽命。特高壓輸電線路由于電壓等級太高，電暈的產(chǎn)生往往是無法避免的。為了防止或減輕電暈放電的危害，最根本的途徑就是設(shè)法限制或降低導(dǎo)線表面的電場強度。在輸電線路額定電壓確定的情況下，增大導(dǎo)線線徑是一個有效的方法，通常是采用分裂導(dǎo)線來降低導(dǎo)線表面電場強度的。對于特高壓線路來說，按電暈要求所需的導(dǎo)線線徑往往大大超過按經(jīng)濟電流密度所選得的數(shù)值。日本對特高壓線路在有人居住區(qū)采用8×8lOmm2導(dǎo)線，分裂直徑為1.04m，使導(dǎo)線下方的噪音小于50dB，無線電

9、干擾限制在和500kV線路相當(dāng)?shù)乃健?. 地面場強對人體的影響幾十年來，世界各國關(guān)于特高壓輸電產(chǎn)生的強電場對人體的影響進(jìn)行了大量的試驗研究。如圖所示，1000kV輸電線路下方地面場強最大值比500kV的高許多。雖然一般認(rèn)為現(xiàn)有的輸電線路下方的電場對人體不會有明顯的直接影響，但是不少問題還正在繼續(xù)研究中。為慎重起見，目前對于輸電線路走廊和變電所范圍的最大場強給予了一定限制；對人員來往頻繁的地方或某些特殊場所，則要求采取屏蔽措施以降低場強。二、 高壓直流輸電概念：高壓直流輸電（High Voltage Direction Current , HVDC）是電力電子技術(shù)應(yīng)用中最為重要、最為傳統(tǒng)，也是

10、發(fā)展最為活躍同時也較為成熟的技術(shù)。高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。從結(jié)構(gòu)上看，高壓直流輸電是交流-直流-交流形式的電力電子轉(zhuǎn)換電路。高壓直流輸電的主要設(shè)備是兩個換流站和直流輸電線。 兩個換流站分別與兩端的交流系統(tǒng)相連接。直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到受端交流電網(wǎng)的一種輸電方式。在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。如圖所示為高壓直流輸電的典型線路示意圖。在輸電線路的始端，發(fā)電系統(tǒng)的交流電經(jīng)換流變壓器1T、2T

11、升壓后，送到整流器1H、2H中去。整流器的主要部件是可控硅變流器和進(jìn)行交直流變換的整流閥，它的功能是將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾?，送入輸電線路，直流電通過輸電線路1L和2L送到逆變器3H和4H中。逆變器的結(jié)構(gòu)與整流器相同而作用剛好相反，它把高壓直流電變?yōu)楦邏航涣麟姟Ｔ俳?jīng)過變壓器3T和4T降壓，交流系統(tǒng)A的電能就輸送到交流系統(tǒng)B中。在直流輸電系統(tǒng)中，通過改變換流器的控制狀態(tài)，也可以把交流系統(tǒng)B中的電能送到系統(tǒng)A中去，也就是說整流器和逆變器是可以相互轉(zhuǎn)換的。應(yīng)用：我國從上世紀(jì)50年代開始從事高壓直流輸電的研究，并于60年代在中國電力科學(xué)研究院建成國內(nèi)第一個晶閘管閥模擬裝置，并于1977年在上海將一

12、條交流電纜線路改為31kV的直流輸電試驗線路，用以研究高壓直流輸電。尤其是自上世紀(jì)80年代末以來我國的高壓直流輸電研究及發(fā)展取得了突飛猛進(jìn)的提高，目前已投運10個直流輸電工程。為實現(xiàn)我國的“西電東送”戰(zhàn)略規(guī)劃，我國正在積極推進(jìn)包括±660kV、±800kV、±1000kV特高壓直流輸電工程的建設(shè)。2009年月日，世界首個±800千伏特高壓直流輸電工程云南至廣東特高壓直流輸電工程成功實現(xiàn)單極投產(chǎn)。這標(biāo)志著我國電力技術(shù)、裝備制造達(dá)到國際先進(jìn)水平，在世界輸變電領(lǐng)域占領(lǐng)了新的制高點。優(yōu)勢：1.適合于大功率下的遠(yuǎn)距離輸電。在輸送相同功率的情況下，直流架空線路只需正

13、負(fù)二級導(dǎo)線，桿塔結(jié)構(gòu)簡單，線路造價低，損耗小。直流線路所占走廊較窄，由于無充電功率也無需要裝設(shè)并聯(lián)電容器。直流輸電系統(tǒng)造價的主要部分是二端換流站的造價，因而當(dāng)輸電距離超過臨界距離（約600公里）時，它比交流輸電更為經(jīng)濟。2.可實現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)。由于整流和逆變的隔離作用，被聯(lián)系統(tǒng)可以是額定頻率不同的系統(tǒng)，也可以是額定頻率相同但非同步運行的系統(tǒng)。被聯(lián)系統(tǒng)可保持自己的電能質(zhì)量而獨立運行。3.功率可控制。HVDC輸送的有功功率的大小和方向，以及換流器消耗的無功功率均可由控制系統(tǒng)進(jìn)行快速控制。功率的可控性使得互聯(lián)電網(wǎng)間的送電協(xié)議變得容易實施（交流聯(lián)絡(luò)線上的潮流難以控制）；暫態(tài)功率的快速可控性將會對二端交流

14、系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著顯著的影響。另外，交流聯(lián)網(wǎng)會增加系統(tǒng)的短路容量，有時會出現(xiàn)因遮斷容量不滿足要求而須更換斷路器或采取限流措施的情況，HVDC的快速可控性使得交流系統(tǒng)的短路容量不會因互聯(lián)而增加。劣勢：1.換流站造價和運行費用高。通常交流變電所的主要設(shè)備是變壓器和斷路器，而直流換流站除換流變壓器和相應(yīng)的斷路器以外，還有換流器，平波電抗器，交流濾波器，直流濾波器，無功補償設(shè)備等，因些換流站的造價比同樣規(guī)模的交流變電站的造價要高出數(shù)倍。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備眾多，因而其可靠性低，并且運行費用高。2.換流器消耗的無功多。換流器無論在整流還是在逆變狀態(tài)都需要消耗大量的無功功率。正常運行時，整流側(cè)所需無功功率約為

15、直流功率的30-50%，逆變側(cè)為40-60%，通常，交流濾波器提供一部分換流所需要的無功功率，不足部分尚需另裝無功補償裝置來滿足。3.產(chǎn)生大量諧波。換流器在交流側(cè)和直流側(cè)都產(chǎn)生一系列的高次諧波電流，導(dǎo)致電容器和發(fā)電機過熱，換流器控制不穩(wěn)定和對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等問題。因此，在換流站內(nèi)必須裝設(shè)交/直流濾波器和平波電抗器進(jìn)行濾波，增加了換流站的造價。三、 高壓直流輸電與特高壓交流輸電的優(yōu)缺點比較交流輸電與直流輸電相比有以下優(yōu)勢： 提高傳輸容量和傳輸距離。隨著電網(wǎng)區(qū)域的擴大，電能的傳輸容量和傳輸距離也不斷增大。所需電網(wǎng)電壓等級越高9緊湊型輸電的效果越好。 提高電能傳輸?shù)慕?jīng)濟性。輸電電壓越高輸送單位容量

16、的價格越低G 節(jié)省線路走廊。一般來說，一回115O kV輸電線路可代替6回5OO kV 線路。采用特高壓輸電提高了走廊利用率。直流輸電與交流輸電相比有以下優(yōu)勢： 當(dāng)輸送相同功率時，直流線路造價低，架空線路桿塔結(jié)構(gòu)較簡單，線路走廊窄，同絕緣水平的電纜 直流輸電可以運行于較高的電壓； 直流輸電的功率和能量損耗?。?對通信干擾??； 線路穩(wěn)態(tài)運行時沒有電容電流，沒有電抗壓降,沿線電壓分布較平穩(wěn),線路本身無需無功補償； 直流輸電線聯(lián)系的兩端交流系統(tǒng)不需要同步運行，因此可用以實現(xiàn)不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)系； 直流輸電線本身不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)

17、定性的限制； 由直流輸電線互相聯(lián)系的交流系統(tǒng)各自的短路容量不會因互聯(lián)而顯著增大； 直流輸電線的功率和電流的調(diào)節(jié)控制比較容易并且迅速，可以實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)、控制。如果交、直流并列運行，有助于提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善整個系統(tǒng)的運行特性。特高壓交流和直流輸電各有優(yōu)點，輸電線路的建設(shè)主要考慮的是經(jīng)濟性，而互聯(lián)線路則要將系統(tǒng)的穩(wěn)定性放在第一位。因此，交流特高壓定位于更高一級電壓等級的網(wǎng)架建設(shè)和跨大區(qū)送電；而直流輸電定位于部分大水電基地和大煤電基地的遠(yuǎn)距離大容量外送上。特高壓交流與直流輸電在我國電網(wǎng)中的應(yīng)用應(yīng)是相輔相成和互為補充的，要根據(jù)具體情況區(qū)別選擇。輸電損耗比較： 直流損耗小，直流線路沒有無功損耗。而

18、且直流架空線路沒有“趨膚效應(yīng)”（交變電流通過導(dǎo)體時，電流集中在導(dǎo)體表面流過的效應(yīng)），其電暈損耗（由氣體介質(zhì)造成的損耗）和無線電干擾，均比交流架空線路要小。 直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小 ，兩個交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)線路發(fā)生短路時，另一側(cè)要向一側(cè)輸送短路電流，因此使兩系統(tǒng)原有開關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關(guān)，而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故則交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時一樣，因此不必更換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。 在直流輸電線路中，各極是獨立調(diào)節(jié)和工作的，

19、彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。 在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時，采用地下電纜;輸電線經(jīng)過海峽時，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀。一條200kV的電纜，每千米的電容約為0。2F，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2。6×107kwh。而在直流輸電中，由于電壓

20、波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。四、 前景分析1. 2O2O年前，直流輸電應(yīng)用于以長距離大容量輸電為目的的大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)。根據(jù)我國電網(wǎng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，在北方火電基地建成之前，我國將形成北部、中部、南方三大聯(lián)合電力系統(tǒng)。三峽水電站計劃將于2009 年建成，裝機容量18. 2 GW，向華東輸送容量8 GW，輸送距離1 100km。目前初步確定的電壓等級方案為500 kV 交流加500 kV 直流的交、直流混合方案。這一方案使電站的出線回路偏多，電壓等級偏低。從國外電力系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，一座或數(shù)座大型電站接入系統(tǒng)，會促使系統(tǒng)出現(xiàn)更高一級電壓等級。我國西北劉家峽電站的接入系統(tǒng)開始形成了西北330

21、kV 電網(wǎng)；葛洲壩水電站建成，使我國華中地區(qū)形成了500 kV 電網(wǎng)。在國外，加拿大為邱吉瀑布水電站群建設(shè)了735 kV 電網(wǎng)； 俄羅斯為核電站送電建設(shè)了750 kV 電網(wǎng)。我國三峽水電站的建成以及今后發(fā)展特大型水、火基地，都極有可能需要建立特高壓輸電網(wǎng)。但是，在現(xiàn)階段，特高壓輸電技術(shù)儲備不足，沒有成套成熟的技術(shù)；而直流輸電在可控性、隔離故障及運行管理等方面占有許多優(yōu)勢，特別是采用直流聯(lián)網(wǎng)時兩網(wǎng)之間的波動互不干擾，穩(wěn)定性很高。因此，在未來20年，直流輸電將作為長距離大容量輸電的主要方式和500 kV 交流網(wǎng)架的強化措施，以便在無更高一級交流電壓輸電線路時形成大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)。科學(xué)領(lǐng)域的新成就將擴展

22、直流輸電技術(shù)的用途。一些新的發(fā)電方式，比如磁流體、電氣體、燃料電池和太陽電池等產(chǎn)生的電能都是以直流方式送出并經(jīng)逆變器交換后送入交流電力系統(tǒng)，遠(yuǎn)海中的海洋能發(fā)電廠需用海底直流電纜將電能送到大陸。另外新型電池和超導(dǎo)等新的儲能系統(tǒng)和交流電力系統(tǒng)連接時都需要有關(guān)直流輸電的技術(shù)?？傊?，隨著直流輸電技術(shù)的日益成熟、輸電設(shè)備(主要是換流器)價格的下降和換流站可用率的提高，它在電力系統(tǒng)必將得到更多的應(yīng)用。2. 到2050 年，交流特高壓電網(wǎng)將作為全國聯(lián)網(wǎng)的主網(wǎng)架。繼三峽水電站之后即將開發(fā)西南水電基地，金沙江上、中、下游段13 個梯級電站共裝機67. 38 GW， 瀾滄江中下游14個梯級共28. 9 GW，雅礱江11 個梯級共24.