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1、变电站概述,一、变电站的作用,1.1电能的产生发电厂类型：火电厂、热电厂、水电厂、核电站、风电站、太阳能电站,抽水蓄能电站,火电厂,水电厂,风电厂,核电厂,1.2电能的传输,1.3电网的构成我们经常提到电网这个概念，什么是电网呢？网，其实是一组纵横交错并且有交叉点（节点）的线，这些线被节点分成了线段，几条线段及它们的节点则组成了网眼。如此一来，整个电力系统的拓扑结构和“网”是非常类似的：输电线路就是“线”，变电站就是“节点”，一个“网眼”上的变电站和线路则形成了我们常说的“环网”,图1-电网规划图,1.4变电站的作用及分类降压和电能的分配是变电站的主要功能降压：变压器实现电能分配：母线实现,图
2、2-变电站主接线示意图,降压,变压器的基本原理：一个铁芯上面绕有两组线圈，匝数分别为N1、N2，则两侧的电压比U1/U2=N1/N2，两侧的电流比I1/I2=N2/N1。如果N1N2，就是降压变压器，反之就是升压变压器。220kV变电站其实指的就是高压侧进线为220kV线路，配置220/110/10kV变压器，低压侧出线为110kV线路的变电站。一般来讲，我们用变电站的最高电压等级作为变电站的电压标识。,电能的分配,从图2不难看出，220kV变电站内110kV出线的数量明显多于220kV进线的数量，这就是变电站的另一个作用：电能分配。电能从变压器的110kV侧输出后，并没有直接经输电线路输出，
3、而是进入了110kV母线，这是因为变压器的输出功率足够数座110kV变电站使用。110kV母线上的多条110kV线路处于并联的关系，所以它们的电压是一样的，它们的电流之和与变压器的110kV侧的输出电流是一样的。,分类,室内、室外、地下变电站；有人值班、无人值班变电站；箱式变电站,图3-10kV开闭所主接线示意图,二、变电站的构成,从电气技术的角度来讲，变电站由一次设备和二次设备组成。这个说法非常笼统，也非常抽象。从工程和实践的的角度来讲，变电站有以下几个部分组成：主控制楼：主控室、休息室室外土建：设备构架、设备基础、站区道路、电缆沟一次设备：断路器、隔离开关、接地刀、变压器、母线二次设备：微
4、机保护、微机测控、操作箱、自动装置电源系统：交流系统、直流系统、逆变电源通信系统：光端机、配线架环境系统：火灾自动报警、图像监视,2.1变电站的技术指标技术指标一般都是对电气设备而言的，例如工作电压、额定电流等。那么，我们能否找到几个指标来衡量变电站呢？答案是肯定的。变电站的两个主要指标是：电压等级，决定了该变电站在电网中的地位；变压器总容量，决定了该变电站的电能变换能力。,2.2如何快速了解一座变电站在我们到达一座变电站时，我们需要快速的对这座变电站有一个整体的认识，以便于我们进行后续的工作。我们需要两张图纸来解决这个问题：电气主接线图和电气总平面布置图。电气主接线图显示了变电站的规模及一次
5、设备的技术参数。变电站的规模：进线数量、出线数量、变压器容量及台数等。一次设备技术参数：断路器额定电流、变压器阻抗等。电气总平面布置图显示了变电站内设施的布局，最主要的就是一次设备的布置。电气总平面布置图其实就是变电站的俯视图。,2.3什么是间隔在工作当中，我们经常说变压器间隔、出线间隔，那么，什么是间隔呢？简单地讲，我们可以把为了实现某种功能而配置的电气设备的组合称为间隔，间隔的名称是以它所要实现的功能命名的。在图4中，我们画出了几个间隔的示意。在变电站中，最重要的几个间隔有：进线间隔、变压器间隔、出线间隔、电压互感器间隔、电容器间隔。,图4-变电站间隔示意图,2.4变电站的模块化在明确了“
6、间隔”的概念后，我们可以随便对比两个相同电压等级的变电站，它们的区别仅在于同样间隔的数量和变压器的容量。变电站的设计，目前也在走标准化、模块化的道路。以220kV线路间隔为例，它所需要的设备类型与数量、设备的布置方式、占地面积等几乎都是固定的，这就是一个模块。根据需要，我们就可以利用这种模块很快的拼出一个变电站的大致模样。,三、变电站的电源系统,变电站作为一个庞大而复杂的电气设备的结合体，它自身也是一个重要的负荷，这就是我们所说的所用电。变电站的所用电，分为交流和直流两个独立的系统。3.1站用交流系统交流负荷变电站的交流负荷也可以大致分为两个部分：人员用电和设备用电。人员用电，主要指值班人员的
7、生活用电、主控楼的照明和空调、室外照明、室外维修电源等。设备用电，主要指开关设备（断路器、隔离开关等）配置的电动机构的电机用电、变压器冷却系统、配电室温控系统等。,交流电源变电站的交流电源来自两台所用变压器，其低压侧为380V，在供电时可以实现自动互投。一般情况下，这两台所用变的高压侧均由变电站主变压器供电，也有一台所用变由站外电源供电的情况。如果两台所用变的都由站内主变压器供电，那么在发生故障全站失压的情况下，整个站用交流系统也会随之失压，这是非常不利于事故处理和抢修的。在目前的电网构架情况下，220kV变电站全站失压的概率是非常小的，所以一般采用两台所用变都由站内主变供电的方案。,交流接线
8、所用电屏用于实现站用电交流系统低压部分的进线和分配功能，它的接线也可以用图-5来表示。两条交流进线必须能够实现自动互投。以图5为例，正常情况下，两条线路均带电，但只有#1线路的进线断路器DL1合闸带全站交流负荷运行，#2线路的进线断路器DL2处于断开位置。当#1线路或者#1站用变发生故障不能继续供电时，ATS装置能够检测到#1线路失压、DL1跳闸而自动将DL2合闸，使#2线路带全站负荷运行。ATS的动作逻辑类似于变电站二次设备中的备自投装置。,图5-交流系统接线图,3.2站用直流系统尽管几率非常小，站用交流系统还是存在全部失压的情况。对于某些不能停电的设备，例如微二次设备、通信系统、断路器的操
9、作回路等，都采用直流系统供电。直流负荷使用直流系统供电的设备主要包括：各种二次设备、断路器的控制回路、事故照明系统、直流电机、逆变电源模块、通信系统DC/DC模块。,直流电源,目前，变电站采用的直流电源以高频开关模块为主。高频开关模块的功能是将输入的交流变换为直流输出，整个过程称为AC/DC。高频开关模块的输出参数是安培A，即按电流值配置，其配置数量原则N+1冗余。交流电源经高频开关模块变换成直流后分为两路：一路输出至直流母线，经馈线开关向直流负荷供电；一路输出至蓄电池，对蓄电池进行充电，蓄电池充电完成以后，一直处于浮充状态，它与直流母线一直处于连接状态。在交流电源消失后，高频开关模块输出的直
10、流随即消失，蓄电池从浮充状态改为放电状态对直流母线提供电源。直流系统的接线图如图6所示,图6-直流系统接线图,直流屏照片,我们现在使用的蓄电池基本都是阀控免维护铅酸蓄电池.电压。绝大多数变电站使用的都是220V的直流电源，一小部分变电站使用110V的直流系统。以220V直流系统为例，常规阀控铅酸蓄电池的单只浮充电压为，直流母线电压为1.05倍标称电压1.05*220=231.根据电路原理，我们需要2312.23=103.58103只蓄电池串联才能得到这个电压。也就是说，电压与只数有关。,蓄电池,容量。正常情况下，直流负荷都是由高频开关模块供电，在交流系统失压后，所有的直流负荷都是由蓄电池组供电
11、的。所以，直流负荷是选择蓄电池容量的主要依据。蓄电池的容量的大小决定了蓄电池的放电能力，容量的单位是Ah，也就是电流和时间的乘积。经常用到的蓄电池容量是200Ah、300Ah，它的实际意义是什么呢？由于无人值班变电站要求直流系统能够在交流消失后持续供电2小时，所以一只电压为2V、容量为200 Ah的蓄电池应该能以2V、100A的形式供电2小时。103只这样的蓄电池串连在一起，就构成了一个220V、200Ah的蓄电池组。容量是蓄电池的构造决定的，与连接方式无关。,3.3逆变电源,变电站配备有综自后台机、五防后台机等电脑和打印机，这些设备只能使用交流供电，那么，在交流系统失压的情况它们如何工作呢？
12、逆变电源就是用于对这些设备供电的。逆变，就是指“直流交流”的变换。逆变模块进线端为两路：一路交流、一路直流，两路为并联关系。交流可以直接输出，直流经模块转换为交流后与直接输出的交流汇为一处。后台机等设备在平时由交流输入直接供电，交流消失后由直流系统的蓄电池组经逆变模块供电。,四、图像监视和火灾报警系统,4.1图像监控系统变电站作为一个比较重要的工业建筑，配置图像监视系统（即遥视）出于两个方面的考虑：一是方便本站或集控站值班人员监视变电站内的设备状态，二是为了监视是否有外来人员进入变电站。图像监控系统由摄像机和遥视主站两部分组成。摄像机主要分布在配电装置区、主控室和进/出口，有球机（摄像机监视方
13、向可调）、枪机（摄像机监视方向固定）、红外摄像机（夜视功能）等。遥视主站布置在主控室，主要包括显示器（各摄像机的画面分格显示）和硬盘录像机。,与图像监视系统配套使用的还有红外探测器，它成对配置安装在变电站的围墙上，每面墙一对以探测是否有外人翻墙而入。它的作用原理类似于我们经常看到的神偷电影里面的经典场景：红色的射线藏在不起眼的角落，一旦被人的身体遮挡导致接收端收不到射线，报警器就会自动启动。,摄像机,红外探测器,4.2火灾报警系统为了及早发现火灾情况，在变电站主控楼配置火灾自动报警系统。这套系统主要包括：感烟探测器（分布在配电装置区、主控室和生活区）、手动报警按钮和声光报警器。感烟探测器安装在
14、房顶，所需数量按照房顶面积和构造由公式得出，它探测到烟雾后会自动启动声光报警器以通知值班人员。手动报警按钮安装在各主要空间的门口，便于值班人员发现火灾后逃离现场时启动。,感烟探测器,手动报警器,五、通信系统,变电站的通信系统由光端机、光纤配线架、音频配线架、PCM等设备组成。其作用就是将变电站监控系统中需要远传的模拟信号和数字信号转换为光信号，再经由光缆传输至集控站和调度中心。,六、一次设备,变电站的一次设备主要包括变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、电容器等。一次设备是变电站的主体，是电网最重要的组成部分。从理论上讲，只有一次设备而没有二次设备并不影响电网的电路功能。如果将整个
15、电网看作是一个复杂的电路，那么某些一次设备就是这个电路中的元件，我们可以称之为“电路设备”。哪些设备是“电路设备”，哪些不是呢？区分的标准是什么呢？,6.1电力变压器变压器的构造铁芯与绕组外壳变压器油,变压器的散热变压器的铁芯部分实际上也是一个电阻，在导电的同时自己也会消耗一部分电能，这就是变压器的自身损耗。这个损耗以发热的形式表现出来。自冷：自然冷却风冷：利用风扇加速冷却强油风冷：在风冷的基础上利用油泵加速变压器油的流动,6.2断路器电弧的产生用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于1020伏，电流不小于80100mA，电器的触头间便会产生电弧。断路器熄弧的技术条件良好的绝缘介质快速动作,断
16、路器的分类断路器的分类方法有很多种，按照操作机构的不同分为弹簧机构断路器、气动机构断路器和液压机构断路器；按照工作（绝缘）介质的不同分为六氟化硫（SF6）断路器、真空断路器和油断路器；按照工作电压的不同分为高压断路器、低压断路器等。按照不同分类方法分出的不同类型之间是可以互相组合的，如“SF6弹簧断路器”、“真空弹簧断路器”等。我们现在能看到的断路器大致只有三种：35kV及以上电压等级的SF6绝缘弹簧机构断路器、10kV及一小部分35kV电压等级的真空绝缘弹簧机构断路器。,弹簧机构的工作原理在合闸操作之前，我们使用电动机将一条弹性很大的弹簧压缩并且锁死，这样它就具有了很大的势能，这个过程称为“
17、合闸储能”。合闸指令发出后，锁死弹簧的梢子会松开，弹簧的势能瞬时释放将动触头顶至静触头处，同时将分闸弹簧储能。合闸弹簧释放后，储能电动机会自动启动将其再次储能。通过弹簧的作用，保证了两个触头处于放电距离的时间尽可能地短。但是这样还是会出现电弧，所以我们就把动触头和静触头密封在一个密闭容器中，里面充满一定气压的绝缘性能非常好的SF6气体。在10kV电压等级断路器中，这个密闭容器里面被抽成真空，因为真空的灭弧性能也不错。在380V电压等级的断路器中，没有密闭容器，因为常规情况下，空气可以熄灭操作时产生的电弧。,断路器的主要技术参数额定电压与最高电压：3-200kV内，最高电压为115%额定电压，即
18、110kV断路器最高工作电压为126kV，220kV断路器最高工作电压252kV。额定电流：断路器允许长期通过的电流。额定开断电流：断路器能保证开断的最大短路电流。,6.3隔离开关隔离开关大部分情况下都是伴随断路器出现的，每一台断路器的两侧都会各配置一台隔离开关。其原因在于，断路器的动、静触头都是处于密封状态的，我们无法直接观察其是否接触，而只能利用指示牌或者辅助接点间接获知断路器的状态。隔离开关的作用就是在断路器的两侧形成明显的断开点。按照我们之前的理论，我们也可以认为隔离开关是一个动作缓慢的空气绝缘、手动或者电动机构的断路器。显然，它不具备“分/合”大电流的能力。也就是常规的说法，隔离开关
19、不能带负荷操作。我们会在断路器合闸之前先闭合隔离开关，在断路器分闸之后再断开隔离开关。,6.5电流互感器和电压互感器电流互感器（TA）电流互感器的作用是将流经一次设备的大电流转换成二次设备使用的小电流，其工作原理相当于一个阻抗很小的变压器。电流互感器的一次绕组与一次主电路串联，二次绕组接负荷。电流互感器二次侧不允许开路。电流互感器的变比一般为X：5A。它的含义是：首先，X不小于该设备可能出现的最大长期负荷电流，如此即可保证一般情况下TA二次侧电流不大于5A；其次，被保护设备发生短路故障时，在短路电流不使TA饱和的情况下，TA二次侧电流依然可以按照此变比从一次电流进行折算。在一次配电装置距离控制
20、室较远时，为了增加电流互感器的二次允许负荷，减小连接电缆的导线截面及提高精确等级，多选用二次侧额定电流为1A的电流互感器。,在变电站中，电流互感器用于三种回路：保护回路、测量回路和计量回路，而这三种回路对电流互感器的准确级要求是不同的。简单地讲，测量、计量级二次绕组着重于精度，即误差要小；保护级二次绕组着重于抗饱和能力，即在发生短路故障时，短路电流超过一次额定电流许多倍的情况下，电流互感器一次侧电流与二次侧电流的比值仍在一定允许误差范围内接近理论变比。在星形接线中，电流互感器二次侧中性点必须接地，只是在不同情况下的接地点不同。用于差动保护的各电流互感器的二次侧必须在一点接地，接地点一般选在保护
21、屏上；用于其余保护和测量、计量的电流互感器均是在现场接地。,电压互感器（TV）电压互感器的作用是将电力系统的一次电压按一定的变比转换为要求的二次电压，其工作原理与变压器基本相同。电压互感器的一次绕组并联接在主电路上，二次绕组接负荷。变电站均采用 星形-星形*-开口三角接线。开口三角处平时无电压，故障时有零序电压。,6.6电容器电能由两部分组成：有功功率和无功功率。在各种用电设备中，除了白炽灯只消耗有功功率、极少数同步电机可以发出一部分无功功率外，大多数用电设备都要消耗无功功率。有功功率的电源只有一个，那就是发电机。无功功率的电源除了发电机，还有调相机、电容器和静止补偿器。在长距离输电时，传输的
22、能量越多，损耗也随之越大。有功功率必须丛发电厂传输而来，这部分功率在线路上引起的损耗是无法避免的。在靠近负荷的地方生产无功功率，然后和从远方传输来的有功功率会合以后再经过一段较短的线路输送到负荷处，避免无功功率在长线路上的损耗。这种处理方式称为无功功率的就地补偿，在变电站内最常用的无功功率电源就是电力电容器组。,6.7接地在电力系统中，将设备和用电装置的中性点、外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接叫做接地。接地的功用除了将一些无用的电流或是噪声干扰导入大地外，最大功用为保护使用者不被电击。在变电站建设之前，将很多的钢材连接成网状埋在变电站的地下，这就是“地网”。地网与大地的接触面积比较大
23、，也更为可靠所有需要接地的金属部分用接地扁钢（刷为黄绿相间的颜色）与地网焊接在一起，即视为接地。变电站内一切带电设备的不带电外壳或者构架够应该接地。例如变压器的外壳、隔离开关的金属支架、开关柜的外壳等。,220kV双母线,220kV线路母线侧隔离合位,220kV线路母线侧隔离分位,220kV线路断路器及端子箱,220kV线路TA与线路侧隔离,220kV TV与避雷器,变压器,变压器风冷,110kV线路间隔,110kV双母线,110kV线路母线侧隔离合位,110kV线路母线侧隔离分位,110kV线路断路器及端子箱,110kV线路TA与线路侧隔离,接地,避雷针,室外GIS及电缆沟,室内GIS,电缆
24、沟,电缆隧道,XGN开关柜,10kV KYN开关柜,VD4断路器手车,35kV KYN开关柜,单母线分段,双母线,单母线分段与双母线的比较从母线意义上讲，两者并无本质区别，只是两段母线的布置方式不同。对于连接于其上的设备，采用双母线接线时，可靠性和灵活性较大。,内桥与外桥桥型接线：三台断路器与两条线路、两台主变的接线形式。桥断路器在主变进线断路器与变压器之间，称为内桥接线。桥断路器在主变进线断路器与线路之间，称为外桥接线。,内桥与外桥的比较,七、继电保护,继电保护装置，就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的自动装置。基本任务：迅速而有选择性的切除故障元件。基本原理：发生短路故障后，总是伴随着电流增大、电压降低、线路时段测量阻抗减小。基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性,7.1继电保护的命名以保护原理命名：过流保护、距离保护、高频保护、差动保护等以被保护设备命名：线路保护、变压器保护、母线保护等,7.2常见保护原理分析三段式过流保护三段式距离保护零序保护差动保护,7.3电气设备常见继电保护配置220kV线路：高频保护、光纤差动保护110kV线路：距离保护、光纤差动保护、零序保护35/10kV线路：过流保护变压器：差动保护、过流保护、本体保护,
