变电站概述

变电站概述第一章变电站的作用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1.2电能的传输设定需要传输的功率为S，线路电压为U，则线路中的电流I=S/U。损耗的电能以导线发热的形式体现，发热损耗Q=I2R。由此可以得出结论：在传输功率和线路长度一定的情况下（S、R为定值），随着电压U的升高，I不断降低，则输电线路的损耗也会降低。所以，为了降低电能在线路上的损耗，电厂在电能产生以后，会通过升压站将电压增高，然后再通过输电线路将电能传输出去。对于远距离输电，高电压等级的优势非常明显。火电厂水电厂风电厂核电厂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”。变电站的建设依据：容载比、强化电网结构图1-电网规划图1.4变电站的作用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-变电站主接线示意1.4.1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。配置升压变压器的变电站，习惯上称为“升压站”以区别于一般的降压变电站1.4.2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，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。母线与水管的比较1.5开关站没有变压器的“变电站”叫做开关站，它只有一个电压等级。它的结构类似于我们家里的小配电箱：电能通过一个额定电流很大的总开关进来，然后经过很多小开关分别输出到客厅、卧室、厨房等等，这些小开关的分/合相互独立。显然，它只有电能分配的作用，最常见的开关站是市区的10kV开闭所。图3-10kV开闭所主接线示意图第二章变电站的构成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“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。第三章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3.1.1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。3.1.2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。3.1.3交流接线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。我们对比一下图5和图3，其实所用电屏就是一个开关站。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、断路器的操作回路等，都采用直流系统供电。3.2.1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。3.2.2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，其具体原理在此不作详细介绍。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。所谓N+1冗余就是指：如果计算结果需要N台，实际配置就为N+1台，即备用1台。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3.2.2蓄电池我们现在使用的蓄电池基本都是阀控免维护铅酸蓄电池，它的“充/放电”原理在此不做详细介绍，主要介绍一下蓄电池的几个主要技术指标。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2.23-2.27V，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231÷2.23=103.58≈103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。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200Ah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？逆变电源就是用于对这些设备供电的。所谓逆变，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。3.4DC/DC转换器在最初的变电站设计中，通信系统由一套独立的直流系统供电，包括高频开关模块和蓄电池。随着电磁机构断路器的取消，变电站的直流负荷其实已经很小了，适当的选择高频开关模块和蓄电池的容量就可以同时保证电气设备和通信设备的供电要求。由于通信系统采用的是-48V电源，所以变电站按N+1冗余原则配置220V/48V电压转换模块得到48V的直流电压，然后将正极接地使其电压为零，负极的电压则变为-48V用于向通信设备供电。可以简单的认为DC/DC转换器就是一个直流变压器。第四章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第五章通信系统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。第六章一次设备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