简介
为农村安全、可靠地提供电能,并在农业生产及居民生活中合理、高效地广泛应用电能。农业电气化是实现农业生产机械化、自动化不可缺少的重要技术基础。它是农业现代化的重要标志。亦称为农村电气化。
电能的生产、输送与分配 主要有以下四部分。
农村供电 通过农村供电系统为农业生产及居民生活提供电能,是农业电气化的先决条件。农村供电系统由供电电源及电力网组成,农村供电的特点是:电能用户分散,输电距离远,用电负荷密度小,且受季节与气候的影响,电压较难达到标准,单机或单户用电量小,送、变电设备单位容量的送电量低,因此发、输电成本均高于城市。农村供电部门的任务是研究并采用先进技术、设备和科学管理方法,制订合理的供电规划,保证供电的质量和可靠性,降低电能及输电成本,扩大供电范围,以促进农村经济的发展及提高村镇居民的生活水平。
农村供电始于19世纪初,美国至1933年,全国只有10.9%的农场获得电能供应;苏联在十月革命前,主要由农村小电站供电,用电量仅为12万千瓦时。随着农业电气化及国家电力系统的发展,为农村供电的发电厂规模逐渐扩大,由大电网供电的农村电力网逐年建设,至第二次世界大战后,大电网供电迅速发展,在农村供电中的比重不断增长。到70年代末,日本、苏联、美国、法国、德国等国的农村用电已主要或几乎全部由大电网供电。适合于农村特点的电源电网结构、专用电器设备、自动控制装置和运行技术不断发展,80年代,电子计算机在农村供电系统的控制、运行及管理诸方面得到推广应用。到1985年,美国农村用电量达1700亿千瓦时,苏联达1049亿千瓦时。
中国在1936年以前,除东北四省外,发电装机容量共为63万千瓦,发电17亿千瓦时。1949年初,全国发电装机容量仅184.86万千瓦,总用电量为34.5亿千瓦时,而农村用电仅为0.2亿千瓦时,农村电力事业的发展,主要是在1949年以后,大幅度增长是在80年代,年用电量平均增长13.9%,到1990年农村用电量达到1013亿千瓦时。中国代表年度农业用电量如表1所示。
表1 中国代表年度农业用电量
年度 |
全国总用电量 (亿千瓦时) |
农业用电量 (亿千瓦时) |
% |
1949 1957 1960 1966 1971 1975 1980 1985 1990 |
34.50 164.07 538.40 699.90 1 012.70 1 569.70 2 516.40 3 484.00 6 127.98 |
0.20 1.08 7.00 54.58 97.00 211.00 372.50 603.03 1 013.30 |
0.58 0.66 1.30 7.80 9.60 13.44 14.80 17.31 16.83 |
农村供电电源 有大电力系统(大电网)、发电厂及各种小型发电装置三类。①大电网。由许多发电厂经变电所和输电线路连接组成。它利用用户需用电能的不同时性和地理时差调节电力负荷峰值,扩大备用电源容量,充分利用水能、劣质煤等一次能源,具有供电可靠性高、电能质量好、电价低廉、管理方便和调度灵活等特点,是现代较完善的二次能源。②发电厂。是将载能质的能量转化为可利用能量的工厂。根据所利用的载能质的不同,分为火电厂、水电厂、潮汐电站、地热电站,还有核电站等。发电站除并入大电网运行外,也单独向用户供电。③小型发电站。对远离大电网的农村,各类小型发电站是其重要电源。有小水电站,及利用风能、太阳能发电装置。一些偏僻农村,也有用柴油、沼气发电装置作为电源的。图1所示为发电厂供电系统。
(a)孤立发电厂供电系统
(b) 中小型及农村发电厂供电系统
图1 发电厂供电系统
农村电力网主要由农村电力线路和农村变电站组成,其结线方式多为单电源辐射状。为了提高供电可靠性,实现不间断供电,可采用有备用的双电源环状结线(开环或闭环)或其他有备用的结线方式(图2)。
图2 农村电力网结线方式
农村电力线路担任着输送和分配电能的任务。输送电能的称送电线路,分配电能并同用户受电器或配电变压器直接联结的称配电线路。农村电力线路的电压等级有: 220千伏、110千伏、35千伏(60千伏)、10千伏(6千伏)及低压380伏等。35千伏及以上为送电线路电压,10千伏及以下为配电线路电压。有时35千伏(60千伏)作为配电线路电压,1千伏以上为高压配电线路,1千伏以下为低压配电线路。
电力线路由结构上分为架空线路及电缆线路,架空线路造价低,取材容易,施工方便,在农村电力网中得到广泛应用。它由悬挂在杆塔横担上的绝缘子挂住导线,35千伏及以上架空线路在发电厂、变电所的进线段或沿全线架设避雷线,并加装杆塔接地装置。导线用LQJ型钢芯铝绞线或LJ铝绞线,低压配电线路用铝绞线或绝缘铝绞线,有的国家用铜线或钢芯铜绞线。绝缘子有针式、悬式、瓷横担3种,由于瓷横担可以节约钢材,造价低,绝缘强度高,在中国逐渐取代针式绝缘子,用于农村高压配电线路的直线杆。线路杆塔主要为钢筋混凝土单杆或双杆,也可用铁塔或木杆,有的国家大量使用经化学处理的木杆,使用寿命可达30年以上。电缆线路采用有防护层的单芯或双芯绝缘导线,可以直接敷设在地下或水下。70年代中,中国部分井灌区使用了低压直埋式简易铝芯塑料绝缘线(俗称地埋线),具有不占耕地,投资少,不影响田间作业等优点。
农村电力线路的输送能力即能够安全、经济通过输送的功率,它取决于允许电压损失、功率损失及电能损失率。短线路还取决于导线的允许温升。电力输送能力大体上和线路电压的平方成正比,而和输送距离成反比,也和导线材料、截面及调压、调相设备有关。
中国农村电源发展概况如表2所示。
农村变电站 由变压器、高低压配电装置、无功功率补偿设备以及测量、继电保护、自动控制、信号、通讯装置和必要的建筑物等构成。用以汇集电源、升降电压和分配电能,并对出线及电气设备进行操作、控制和运行监视,是农村电力网的枢纽。其电压等级有:110/35(60)千伏、35(60)/3~10千伏、35/0.4千伏和35/10/0.4千伏等多种。站址一般选在靠近负荷中心、有适当的进出线走廊、交通方便、水文地质条件适宜的地方,并尽量不占或少占农田。变电站的供电半径一般不超过其低压侧电力线路的输送距离。
农村变电站安装的变压器一般为一台或两台。其主接线根据该站的重要程度、容量大小、变压器台数、用户对供电可靠性的要求、电压等级和电网的接线方式等因素决定。高压侧常用的接线方式有: 单元式接线、单母线、单母线分段和桥式接线等; 低压侧的接线方式有: 单母线、单母线分段(有时带旁路母线)等。小容量终端变电站,采用高压侧不装断路器,仅装跌落式熔断器或接地刀闸的简易单元式接线。
农村变电站的配电装置有户内式和户外式两类。高压侧一般为户外式,6~10千伏及以下;低压侧多为户内式。选用户外式成套配电装置或建设成套式变电站,可以大大减少土建和安装工作量,缩短施工期,并节约投资。工业发达国家很重视发展简易成套变电站,并实现自动和远动化,不用值班人员;不重要的变电站不装远动装置,仅装设必要的自动装置,也可实现无人值班。中国于1984年通过技术鉴定的小型化35千伏农村变电站,已实现一次设备户外和立体布置,并具有以微处理机为核心的控制系统和以CMOS集成电路为主体的继电保护、中央信号和自动装置系统。
表2 中国农村电源发展概况
年 度 | 水电装机 | 送电线路(万千米) | 变电设备(106千伏安) | |||||||
年末装 机容量 (万千瓦) |
平 均 递 增 % |
35千伏 | 3~10千伏 | 35千伏主变 | 10千伏配变 | |||||
年末拥 有 量 |
平均年 增加量 |
年末拥 有 量 |
平均年 增加量 |
年末拥 有 量 |
平均年 增加量 |
年末拥 有 量 |
平均年 增加量 |
|||
1962 | 24.0 | 1.0 | 6.48 | 1.644 | 2.81 | |||||
调整时期 (1963~1965) |
11.2 | 0.28 | 2.55 | 0.433 | 1.055 | |||||
1965 | 33.0 | 1.84 | 14.15 | 2.493 | 6.01 | |||||
“三五”时期 (1966~1970) |
25.3 | 0.4 | 4.22 | 0.528 | 1.557 | |||||
1970 | 102.0 | 3.84 | 35.28 | 5.582 | 13.97 | |||||
“四五”时期 (1971~1975) |
24.7 | 0.82 | 7.18 | 1.345 | 4.699 | |||||
1975 | 308.0 | 7.94 | 71.16 | 14.80 | 37 .29 | |||||
“五五”时期 (1976~1980) |
17.6 | 0.726 | 6.70 | 1.695 | 8.073 | |||||
1980 | 693.0 | 11.57 | 104.65 | 23.28 | 77.65 | |||||
“六五”时期 (1981~1985) |
6.6 | 0.784 | 9.06 | 1.959 | 5.490 | |||||
1985 | 953.0 | 15.49 | 149.99 | 33.07 | 105.10 | |||||
“七五”时期 (1986~1990) |
6.7 | 1.126 | 7.486 | 9.364 | ||||||
1990 | 1 318.0 | 21.12 | 187.42 | — | 151.92 |
农业供电配电方式 低压配电网用三相四线制或三相三线制(Y接线,当仅有三相动力用户时),高压配电网用三相三线制、两线一地制(图3)和三相单相混合制。两线一地制是用大地作一条导线的对地不对称的三相系统,可省一条导线及相应的器材、投资,并有节能效果,但掉闸率高,工作接地装置长期通过负荷电流,对通信线路干扰严重,使其应用受到一定限制。三相单相混合制是高压主于线为三相四线制或三相三线制,而用户分支线为单相制的配电方式。有的国家广泛采用主干线为三相四线制的混合配电方式。
图3 农村配电网配电方式
(a)高压为三相三线制; (b)高压为两线一地制
1982年美国农村电力合作社建有电网360万千米,1985年农村配电线路为全美的44%,平均每千米用户为2.9,农电系统服务面积为全美的70%,而用户人口仅占10%。
电能在农业生产及居民生活中的应用 农业用电项目约有500多种,遍及农业生产过程和环节。电能具有其他形式能量所无法比拟的特点,在农业的特殊条件下,充分显示其优越性:①农业生产劳动强度大、占用人力多、劳动条件差,利用电能可有效地改善这种状况。如1千瓦的电动机即可取代约14个人的手工劳动,电动机还可完成其他动力机械难以甚至无法完成的作业,如在高原和严寒条件下的作业,潜水电机的水下作业等。②电动机结构牢固,工作可靠,使用方便,操作简单,有很高的技术完好率,可较好地满足农作时间性的要求。③电能分配的灵活性和输送的方便性,非常适合于农业区域辽阔、负荷分散等特点。机械能和热能只能在有限的空间传输,而电能传输的范围几乎是无限的。在大型、宽幅和联合田间作业机组上,用电力传动取代机械传动,可以大大减轻机具重量,降低材料消耗和能耗,提高作业质量。④电气设备在工作过程中基本不污染环境,这对温室和畜牧场尤为重要。⑤电能可同其他各种形式能量极其方便地、又互为可逆地转换,因而可满足农业生物体对光、热、力、电、磁、声、化学和生物能等各方面的要求,且一切光、热、力、磁、声、化学和生物状态的变化,都可以形成电的信号而显示出来。借助于电磁波空中扫描,可监测整个地区、整个国家以至全球作物的长势及灾情,并据以估计产量; 借助通电的植物生长计,可以测得在数分钟内茎杆直径生长速率的变化,从而观察农业措施或环境因素变化的影响。⑥静电场、交变电场、磁场、直流电流、工频、高频和超高频电流以及红外、紫外、伦琴和电离辐射等电能直接作用于农业生物体和农产品,可以产生特殊效果: 如静电喷药可使有效沉降率增加30~40%; 在高频电场烘干谷物,可杀死害虫而种子不受损伤; 交、直流电作用于植物根部,可使绿色物质产量增加40%; 用电化学方法为农作物施加微量元素,有时可使产量提高2~3倍; 土壤中通以高压脉冲电流可以灭草、杀虫; 不同频率的电磁波可刺激动植物的生长,提高其产品率或产量等。此外,辐射对作物及微生物遗传性的影响,还可被用于选育种、果蔬保鲜和杀菌灭虫等。
农村居民生活、照明电气化, 对改善农民生活条件, 丰富文化生活起着显著作用。尤其是家用电器的普及, 不仅改善农村妇女的家务劳动条件, 且促进农民文化水平的提高。中国农村的生活、照明用电量增长较快, 1976年仅为43.99亿千瓦时, 1984年达100.6亿千瓦时, 1990年达208.44亿千瓦时。
表3 中国农业用电组成(%)
项目 年份 |
排灌 |
农业 生产 |
农副 加工 |
乡镇 企业 |
生活 照明 |
其他 |
1965 1975 |
52.5 50.2 |
— — |
29.8 25.0 |
— — |
17.7 24.8 |
|
1980 1985 |
37.6 22.0 |
— — |
22.7 20.3 |
18.7 32.4 |
16.9 20.8 |
4.1 4.5 |
1990 | 18.5 | 5.89 | 13.5 | 37.2 | 20.6 | 4.31 |
中国农业用电组成如表3所示。
英文
agricultural electrification