电网是如何工作的

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 16:51:26

电网是如何工作的

zhb

于2009-11-20 22:09:59翻译 | 已有1668人浏览

几年前美国发生的全国性大规模停电让所有美国人认识到了电网的脆弱,而前一段时间的雪灾则让我们也亲身体会了电网这一大型网络的重要性。这篇来自HowStuffWorks.com的文章为我们深入浅出地介绍了电网的基本知识。 文中相关数据为美国标准,与国内稍有差异,阅读时注意甄别。

Tags:工作 | 原理 | 电力 | 电网 | 变压器

作者:Marshall Brain

简介

电力资源就像我们日常呼吸的空气,没有发生问题的时候,它们就像不存在一样。当需要的时候,电源就在我们身边,始终能够满足我们的需求。停电的时候,人们进入房间,像往常那样打开照明开关,却发现灯泡没有点亮,这是你才会发现电源对日常生活的重要性。电源可以加热、制冷、烹饪、冷藏、照明、发声、计算、娱乐……没有它,生活有可能有点麻烦。

电力通过一种称作配电电网的系统从发电厂输送到每家每户。

电网输电电缆可能架设在空中,也可能铺设在地下。查看更多核电图片。

电网无处不在。在郊区或者农村,电网就摆在人们的面前。电网是如此的普遍,以至于人们往往对此视而不见。人们倾向于忽视习以为常的东西,电力线就是这样不被人注意。本文将介绍将电力传送至用户所需要的所有设备。下次见到电网的时候,你将真正的认识它,并且知道它是如何工作的。

新加入视频:The U.S. Power Grid Explained
Watch this video about the power grid on HowStuffWorks. The U.S. has nearly 500,000 miles of transmission lines, but most were built about half a century ago. Learn how the power grid works in this video from Medialink. (August, 2007)

发电厂

发电厂生产电力。在几乎所有情况下,电厂都有一个旋转的发电机。推动发电机需要动力--可能是水电大坝的水轮机,大型柴油发动机,或者燃气涡轮机。但在大多数情况下,推动发电机的是蒸汽轮机。燃烧煤,石油或天然气可以产生蒸汽。蒸汽也可能来自核反应堆,例如北卡罗来纳州靠近罗利(Raleigh)的希伦哈里斯(Shearon Harris)核电站:

不管推动发电机的是什么,任何规模的商业发电机都产生三相交流电源。首先理解单相电源,对于了解三相交流电源是有帮助的。

图片提供:美国能源部
主要电厂分类
美国,按类型

电厂:交流电

单相电源供家庭应用,通常家里使用的是120伏(美国标准,中国为220伏)交流单相电源。在家里墙壁上的插线板接出来的交流电源,使用示波器可以观察到正弦波,波形在-170伏到170伏之间摆动(波峰确是在170伏,而有效值(RMS)电压为120伏)。振荡的正弦波频率为60赫兹(美国标准,中国为50赫兹)。像这样振荡的电源通常被称为AC或者交流电。与交流相对应的选择是DC,或者说是直流电。电池产生直流电:顺着同一个方向从电池的负极到正极流动的稳定的电流。(电子移动的方向为从负极到正极,电流的方向为从正极到负极。--译者注)

和直流输电相比,配电电网使用交流至少有3个优势:

  1. 大型发电机产生的就是交流电,使之转换为直流电将花费额外的步骤。
  2. 变压器必须有交流电才能工作,下面我们将看到,配电网络依赖变压器才能运转。
  3. 将交流电转换为直流电很容易,但是将直流电转换为交流电确很昂贵,因此,使用交流将是更好的选择。

因此,电厂生产交流电。在下一页,您将了解电厂生产交流电的过程。通常情况下,电厂生产三相电。

电厂:三相电

电厂生产的交流电在同一时刻具有三个不同的相位,每个相位各相差120度。从电厂出来的电缆含有四根电线:三根相线外加一根地线。三相电用图形表现出来的话,对地的波形如图所示:

三相电源并没有多么神奇,它只不过是三个相位相差120度的单相电。

为什么是三相电?为什么不是单相、两相或四相?单相、两相供电,正弦波每秒有120次电压过零点。三相电在任何给定的时刻,都有一相电接近峰值。大功率三相电动机(用于工业生产)和三相焊接设备之类用电器便有平稳的输出功率。四相电不会显著改善输出功率平稳性,但会增加第四根电线,这就使三相电成为自然的选择。

那么这个“地”指的是什么呢?电力公司基本上是利用大地作为电力系统的一根电线。大地是一个非常好的巨大的导体,这就使大地成为一个非常好的电气回路。(汽车制造商也做同样的事情,他们使用汽车的金属车身作为电气系统的一根导线,将蓄电池的负极接到汽车车身。)配电网络中的“地”确实就是室外的“大地”,也就是地球上的土地,岩石,地下水等。

输电变电站

三相电在发电厂从发电机进入变电站。变电站使用大型变压器将发电机输出的电压(千伏级)转换到非常高的电压以用于远距离输电。

发电厂里典型的变电站

在变电站的后面可以看到一些三相输电塔。长途输电的典型电压为155千伏至765千伏,高电压可以降低线路损耗。典型的最大传输距离约为300英里(483千米)。高压输电线很明显可以看到,它们通常是这样的大铁塔:

这样的输电塔有三根电线传输三相电。许多输电塔,如上图所示,沿着塔的顶端有额外的电线。这些额外的电线是接地线,主要是用来防雷。

配电网

电力从输电网经过逐级降压后进入配电网,供家庭和企业使用。这个过程分成几个阶段。输电和配电的转换发生在配电站。典型的配电站做两到三件事:

  • 将输电电压(几十到几百千伏)逐级降压至配电电压(通常不到10千伏)。
  • 有一个“总线”,可以将配电送往各个方向。
  • 有断路器和开关,在必要时可以使配电站与输电网断开,或使独立配电线路与配电站断开。

典型的小型变电站

前面的方形物体是一个大型变压器。它的左侧(为显示完全,完整形状见下图)从输电网输入电源,并有一组开关控制电源的输入。右侧是一个配电总线外加三个稳压器。

输电线进入变电站,穿过控制塔

控制塔和主变压器

下图显示的是配电总线。

配电总线

电力从变压器至配电总线:

在这里,总线分配电力到两个独立的工作在不同电压的配电线路设备。较小的变压器连接到总线,将电压降到标准线路电压(通常为7200伏)输送到线路,主变压器向另一个方向输送较高的电压。从变电站输出的电力沿着两条线路——每条三根电线——向相反的方向前进:

两根电线杆之间的是起牵引作用的“张索”,不输送电力。

下次你在路上开车的时候可以用一个完全不同的角度看一下输电线路。在右图所示的典型场景里,电线杆顶端的三根电线输送三相电源。电线杆上位置较低的第四根电线是地线。在某些情况下,电线杆上会有更多的电线,通常是电话线或有线电视电缆。

如上所述,这个变电站产生两种不同的电压。电线上较高的电压需要再次降压,通常是在线路下游的另一处变电站或是一个小型的变压器。例如,分支线路入口处旁边的绿色大箱子(每边长可能是6英尺/1.8米)。里面的变压器为分支线路提供降压功能。

稳压器

输电线路上可以找到埋设在地下或架设在空中稳压器。稳压器调节线路电压,防止电压过低或过高的情况出现。

典型的稳压器

稳压器上面有三个开关,维修时有必要的话可以断开开关将稳压器与供电线路断开:

这个角度,三条电线上并排输送7200伏电力(较低位置的是第四条线,地线):

分接头

家庭用电只需要三相电中的一相,故而主干线上的三条电线通常在街头分出一条或两条。下图是三相电到两相电的分接头,两相电送至右方:

两相到单相的分接头,单相电送至右方:

用户

最后,电力线将电力送到了用户!过去一般住宅旁竖着一排电线杆,支撑着相线(7200伏)和地线(不过有时候电线杆上会有两到三相电,这取决于房子在配电网中所处的位置)。每家都有一个变压器桶,像这样挂在电线杆上:

在许多郊区,配电线铺设在地下,每一到两家住户安装一个绿色的变压器桶。下图是电线杆上的一些细节:

变压器的工作是将7200伏电压降到240伏(美国标准,国内为220伏——译者注)使家用电器正常工作。让我们再从下往上多看一下这个电线杆,看看是怎么回事:

图中有两处需要注意:

  • 有一根裸露的电线铺设在电线杆上。
    这是接地线。地球上的每一个电线杆上都有。如果你看过电力公司安装新的电线杆,您将看到这根裸露的电线缠绕固定在电线杆的根部,深入地下6到10英尺(1.8到3米),直接接触大地。这是一个好的、坚实接地连接。如果仔细检查一下电线杆,你会看到电线杆上的地线(通常还有“张索”)接到了这根接地线上。
  • 从变压器出来两根电线,有三根电线进入用户家里。
    从变压器出来的两根电线彼此绝缘,而第三根电线是裸露的。裸露的电线就是地线。两根绝缘的电线各自携带120伏电压,但它们之间的相位相差180度,这使它们的电压差成为240伏。这种安排允许用户同时使用120伏和240伏供电的电器。变压器绕组按这种方式绕制:

240伏电压通过这样的电度表进入你的房子:

电力公司根据电表度数收取电费。

安全装置:保险丝

保险丝和断路器都是安全装置。如果没有在家里使用的保险丝或断路器,那很可能“出问题”。可能会发生什么问题呢?下面是一些例子:

  • 电风扇的电动机轴承烧坏,堵转,过热和融化,造成电源和地之间短路。
  • 散乱的照明线引起的电源短路。
  • 老鼠咬破电线的绝缘层引起电源短路。
  • 使用吸尘器的时候不小心碰到了照明线,扯断电线引起电源短路。
  • 在客厅悬挂图片的时候,钉的钉子突然刺穿墙里铺设的电源线引起电源短路。

当120伏电源线与地线短路的时候,总是有尽可能多的电流过短路点。在这种情况下,不论是设备还是墙里的电线都会起火燃烧。(在墙里的电线将会变得像电烤箱里的电热丝一样热,也就是非常热!)保险丝是一种简单的装置,设计成在这种情况下非常迅速地过热并烧毁。当通过保险丝的电流过载的时候,保险丝里的薄箔片或金属丝很快蒸发。这就立即断开了电源,防止过热发生。保险丝每次烧毁后必须更换。断路器检测过载时产生的热量从而驱动一个开关,因此断路器是可以复位的。

电源通过如图所示的典型的断路器进入家庭。

安全装置:断路器

断路器内部(下图)可以看到两根电力线从变压器出来后由上部进入主断路器。主断路器允许你在必要的时候切断所有电源。在这一总体格局中,房间里每个电源插座和照明灯的电线上都有了各自的断路器或保险丝:

如果断路器闭合,电源经过墙里的电线达到最后的目的地,电源插座。

这真的是令人难以置信!所有这些设备都是为了把发电厂产生的电源变成你卧室里的灯光。

今后在路上开车看到电力线的时候,或在家里打开一盏灯的时候,你将会对正在发生的事情有一个更清楚的了解。电力配电网真是令人不可思议。