高壓輸電系統(tǒng)為什么要用不同的電壓等級(jí)？

       電能從生產(chǎn)到消費(fèi)一般要經(jīng)過(guò)發(fā)電、輸電、配電和用電四個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于下圖所示的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)而言，首先是發(fā)電環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)是在發(fā)電廠完成的。由于發(fā)電機(jī)絕緣條件的限制，發(fā)電機(jī)的*高電壓一般在22kV及以下。其次是輸電環(huán)節(jié)，輸電系統(tǒng)是將發(fā)電廠發(fā)出的電能輸送到消費(fèi)電能的地區(qū)（也稱負(fù)荷中心），或進(jìn)行相鄰電網(wǎng)之間的電能互送，使其形成互聯(lián)電網(wǎng)或統(tǒng)一電網(wǎng)。為了降低線路的電能損耗、增大電能輸送的距離，發(fā)電廠發(fā)出的電能通常需要通過(guò)升高電壓才能接入不同電壓等級(jí)的輸電系統(tǒng)。第三是配電環(huán)節(jié)，配電系統(tǒng)*是將來(lái)自高壓電網(wǎng)的電能以不同的供電電壓分配給各個(gè)電力用戶。*后是用電環(huán)節(jié)，電力用戶根據(jù)不同的能量需求通常采用中、低壓供電和消費(fèi)。如下圖所示，在電力系統(tǒng)中，需要多次采用升壓或降壓變壓器對(duì)電壓進(jìn)行變換，也*是說(shuō)在電力系統(tǒng)中采用了很多不同的電壓等級(jí)。

圖1簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)示意圖

       輸電系統(tǒng)的電壓等級(jí)一般分為高壓、超高壓和特高壓。在國(guó)際上，對(duì)于交流輸電系統(tǒng)，通常把35～220kV的輸電電壓等級(jí)稱為高壓（HV），把330～750（765）kV的輸電電壓等級(jí)稱為超高壓（EHV），而把1000kV及以上的輸電電壓等級(jí)通稱為特高壓（UHV）。另外，一般把±500kV電壓等級(jí)的直流輸電系統(tǒng)稱為高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）。對(duì)我國(guó)目前絕大多數(shù)交流電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，高壓電網(wǎng)指的是110kV和220kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)，超高壓電網(wǎng)指的是330kV、500kV和750kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)，特高壓電網(wǎng)指的是正在建設(shè)的1000kV交流電壓等級(jí)和±800kV直流電壓等級(jí)的輸電系統(tǒng)。在同一個(gè)電網(wǎng)中采用了不同的電壓等級(jí)，這些電壓等級(jí)組成該電網(wǎng)的電壓序列。目前，我國(guó)除了西北電網(wǎng)外，大部分電網(wǎng)的電壓序列是500/220/110/35/10/0.38kV，西北電網(wǎng)的電壓序列分別為750/330/110/35/10/0.38kV和220/110/35/10/0.38kV。電能送到負(fù)荷中心后經(jīng)過(guò)地區(qū)變電站降壓到10kV，然后再由10kV配電線路輸送到配電變壓器，*后經(jīng)過(guò)配電變壓器將電壓變成0.38kV供電力用戶使用。對(duì)于單相用戶，其相電壓*是民用220V交流電。輸電系統(tǒng)之所以要采用這么多的電壓等級(jí)，其原因主要有以下幾點(diǎn)。

       在1949年之前，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展緩慢，輸電線路建設(shè)同樣遲緩，輸電電壓按具體工程決定。因而，我國(guó)當(dāng)時(shí)的電壓等級(jí)繁多。1908～1943年，建成了22、33、44、66、110kV和154kV等電壓等級(jí)的輸電線路。1949年以后，才開(kāi)始按電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃統(tǒng)一電壓等級(jí)，之后逐漸形成了經(jīng)濟(jì)合理的電壓等級(jí)序列。每一個(gè)電壓等級(jí)的建立都應(yīng)以滿足其投入后20～30年大功率電能的輸送需求為基準(zhǔn)。1981年以前，我國(guó)主要以220kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架。1981年以后，隨著我國(guó)*條500kV交流輸電系統(tǒng)（平武線）的建成，已經(jīng)形成了以500kV電壓等級(jí)為主要網(wǎng)架的超高壓電網(wǎng)。目前，面臨大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸電以及全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的需要，我國(guó)正在進(jìn)行1000kV交流和±800kV直流特高壓輸電試驗(yàn)示范工程的建設(shè)，并建立了用于深入研究的特高壓試驗(yàn)研究基地。

       其次，學(xué)過(guò)物理的人們都知道，對(duì)于一個(gè)電阻系統(tǒng)，其電功率S計(jì)算公式為：S=U2/R。式中，U為施加在該電阻系統(tǒng)的電壓，R為該電阻系統(tǒng)的等效電阻。根據(jù)上述公式，可以定性地看出，當(dāng)電阻一定時(shí)輸送功率與輸電電壓的平方成正比。如果輸電電壓提高1倍，輸送功率將提高4倍。電網(wǎng)的發(fā)展歷史表明，各國(guó)在選擇更高一個(gè)電壓等級(jí)時(shí)，通常使相鄰兩個(gè)輸電電壓之比等于2，多數(shù)是大于2。這樣做可以使輸電系統(tǒng)的輸送功率提高4倍以上。從電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程看，輸電電壓等級(jí)大約也是以兩倍的關(guān)系增長(zhǎng)的。當(dāng)發(fā)電量增至4倍左右時(shí)，即出現(xiàn)一個(gè)新的更高的電壓等級(jí)。實(shí)踐證明，以這樣的電壓等級(jí)差構(gòu)成的電網(wǎng)才可能經(jīng)濟(jì)合理，并適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展和服務(wù)區(qū)域范圍的擴(kuò)大。

       第三，不斷增長(zhǎng)的用電需求促進(jìn)了火力、水力和核電等發(fā)電技術(shù)向單位（千瓦）造價(jià)低、效率高的大型、特大型發(fā)電機(jī)組方向發(fā)展，而可用于大規(guī)模發(fā)電的能源基地在地理分布以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史又形成了電源和電力負(fù)荷地理分布上的不平衡。在電力負(fù)荷中心地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，導(dǎo)致用電需求增長(zhǎng)也快，但是在這些地區(qū)卻往往缺乏一次能源。而在一次能源豐富的地區(qū)，如礦物燃料、水力資源的地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較慢，用電增長(zhǎng)相對(duì)較低或人均用電水平較低。這種一次能源分布和需求的不平衡情況增加了遠(yuǎn)距離、大容量輸電和電網(wǎng)互聯(lián)的需求。在電壓等級(jí)不變的情況下，遠(yuǎn)距離輸電意味著線路電能耗損的增加。因此，根據(jù)輸電線路的長(zhǎng)度不同，需要選擇的電壓等級(jí)也不同。當(dāng)輸送電能的功率給定后，提高輸電線路的電壓等級(jí)將降低輸電線路的電流，從而減少有功功率和無(wú)功功率在輸電線路上的電能損耗。另外，提高輸電線路的電壓等級(jí)不僅可以增大輸電容量，而且降低輸電系統(tǒng)的成本、增加輸電線路的走廊利用率。但是，隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高，雖然輸電線路的損耗減小了，可是相應(yīng)的投資也隨之增長(zhǎng)。一般通過(guò)理論計(jì)算和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定兩者之間的*佳結(jié)合點(diǎn)，來(lái)*終決定輸電線路的輸電電壓等級(jí)、*大輸送功率和輸送距離。下表中列出了現(xiàn)有不同輸電線路電壓等級(jí)與輸送容量、輸送距離的大致范圍。

表1輸電電壓與輸送容量、輸送距離的范圍

       綜上所述，盡管高壓輸電系統(tǒng)采用不同的電壓等級(jí)有著多方面的原因，但是要遵循如下幾條基本原則：①在遵守*電壓標(biāo)準(zhǔn)、依照電網(wǎng)電壓序列和考慮電網(wǎng)發(fā)展的前提下，選擇有利于提高全電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的適當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí)；②要從全電網(wǎng)出發(fā)，權(quán)衡全電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，而不是僅僅局限于某輸電線路工程的經(jīng)濟(jì)效益；③要兼顧規(guī)模效益和時(shí)間效益。