变电站和配电站.docx

变电站和配电站1. 变电站变电站，改变电压的场所。为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，必须把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低，这种升降电压的工作靠变电站来完成。变电站的主要设备是开关和变压器。按规模大小不同，小的称为变电所。变电站大于变电所。变电所：一般是电压等级在110KV以下的降压变电站；变电站：包括各种电压等级的“升压、降压”变电站。变电站：“改变电压、控制和分配电能的场所。规模小的称为变电所”。变电站（SUBSTATION）是把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压，在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点。变电站主要可分为：枢纽变电站、终端变电站；升压变电站、降压变电站；电力系统的变电站、工矿变电站、铁路变电站(27.5KV、50HZ）；1000KV、750KV、500KV、330KV、220KV、110KV、66KV、35KV、10KV、6.3KV等电压等级的变电站；10KV变电所；箱式变电站。变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。变电站的主要设备和连接方式，按其功能不同而有差异。变电站在特定的环境中；是将ACDCAC转换过程。像海底输电电缆以及远距离的输送中。有些采用高压直流输变电形式。直流输电克服交流输电的容抗损耗。具有节能效应。1.1 工作原理变压器是变电站的主要设备，分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器(即高、低压每相共用一个绕组，从高压绕组中间抽出一个头作为低压绕组的出线的变压器。电压高低与绕组匝数成正比，电流则与绕组匝数成反比。变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器。前者用于电力系统送端变电站，后者用于受端变电站。变压器的电压需与电力系统的电压相适应。为了在不同负荷情况下保持合格的电压有时需要切换变压器的分接头。按分接头切换方式变压器有带负荷有载调压变压器和无负荷无载调压变压器。有载调压变压器主要用于受端变电站。电压互感器和电流互感器。它们的工作原理和变压器相似，它们把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。在额定运行情况下电压互感器二次电压为L00V，电流互感器二次电流为5A或1A。电流互感器的二次绕组经常与负荷相连近于短路，请注意：绝不能让其开路，否则将因高电压而危及设备和人身安全或使电流互感器烧毁。开关设备。它包括断路器、隔离开关、负荷开关、高压熔断器等都是断开和合上电路的设备。断路器在电力系统正常运行情况下用来合上和断开电路；故障时在继电保护装置控制下自动把故障设备和线路断开，还可以有自动重合闸功能。在中国，220KV以上变电站使用较多的是空气断路器和六氟化硫断路器。隔离开关（刀闸）的主要作用是在设备或线路检修时隔离电压，以保证安全。它不能断开负荷电流和短路电流，应与断路器配合使用。在停电时应先拉断路器后拉隔离开关，送电时应先合隔离开关后合断路器。如果误操作将引起设备损坏和人身伤亡。负荷开关能在正常运行时断开负荷电流，没有断开故障电流的能力，一般与高压熔断丝配合用于10KV及以上电压且不经常操作的变压器或出线上。为了减少变电站的占地面积，六氟化硫全封闭组合电器（GIS）得到广泛应用。它把断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中，后集中组成一个整体外壳，并充以六氟化硫气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧凑体积小重量轻不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰等优点，具有发展前765KV已在变电站投入运行。它的缺点是价格较贵，制造和检修工艺要求高。变电站还装有防雷设备，主要有避雷针和避雷器。避雷针是为了防止变电站遭受直接雷击将雷电对其自身放电把雷电流引入大地。在变电站附近的线路上落雷时雷电波会沿导线进入变电站，产生过电压。另外，断路器操作等也会引起过电压。避雷器的作用是当过电压超过一定限值时，自动对地放电从而降低电压，保护设备，放电后又迅速自动灭弧，保证系统正常运行。比如氧化锌避雷器。1.2 光伏发电并网太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。2012年11月，在我国光伏产业面临欧美“双反”围剿、国外市场急剧萎缩的背景下，国家电网公司出台政策，对适用范围内的分布式光伏发电项目提供免费并网服务。光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务。当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。在没有太阳时，负载用电全部由电网供给。因为直接将电能输入电网，光伏独立系统中的蓄电池完全被光伏并网系统中的电网所取代。免除配置蓄电池，省掉了蓄电池蓄能和释放的过程，可以充分利用光伏阵列所发的电力，从而减小了能量的损耗，降低了系统成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，已保证输出的电力满足电网对电压、频率等性能指标的要求。逆变器同时还控制光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）、控制并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率和光伏阵列所发出的最大功率电能相平衡。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏系统作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载断电率。而且并网光伏系统还可以对公用电网起到调峰的作用。太阳能光伏发电进入大规模商业化应用是必由之路，就是将太阳能光伏系统接入常规电网，实现联网发电。与独立运行的太阳能光伏发电站相比，并入电网可以给光伏发电带来诸多好处，可以归纳以下几点：1、 省掉了蓄电池作为储能；2、 随着逆变器制造技术的不断进步，以后逆变器的稳定性、可靠性等将更加完善；3、 光伏阵列可以始终运行在最大功率点处，由电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电效率；4、 电网获得了收益，分散布置的光伏系统能够为当地的用户提供电能，缓解了电网的传输和分配负担；5、 光伏组件与建筑完美结合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料。并网发电系统分为太阳能并网发电系统和风力并网发电系统。 并网太阳能发电系统由光伏组件（方阵）、光伏并网逆变电源量装置组成。光伏组件（方阵）将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。并网逆变电源是光伏并网发电系统的核心设备。 风机并网发电系统由风力机、风机控制器、风机并网逆变电源及计量装置等组成。风机将风能转化为交流电能，通过风机控制器再转换为直流电能，经风机并网逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。风机并网逆变电源是风力并网发电系统的核心控制设备，它将风机发出的交流电整流成直流电力，然后逆变成交流电最大限度馈入电网。电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17V的电压。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。逆变器将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载， 所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。1.3 风力发电并网风力发电有两种不同的类型，即：独立运行的离网型和接入电力系统运行的并网型。离网型的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。并网型的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。大量风电的并网运行，给电网的安全稳定运行带来了一系列问题，电网稳定性、电能质量以及调度运行等方面都受到一定程度的影响。特别是对接入大容量风电的当地电网，其电能质量可能会恶化，甚至严重影响电网的安全稳定运行。1. 大量的风电并网给电力系统的稳定性造成冲击风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。风力发电机多为异步发电机，在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，其无功需求是随着有功输出的变化而变化的。当风电场容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对系统的影响就会越来越显著。同时，电力系统的运行状态也会对风电场运行产生一定的影响。风速的波动性和间歇性，使得风电场的有功功率随之变动着，其并网运行时就会引起系统电压波动和频率波动；系统运行方式发生变化时，如负荷变化等，风电机组机端电压会随之出现过电压或低电压情况，严重时会导致风电机组停机，造成经济损失。风电场容量越大，风电场与系统之间的相互影响越明显，容量增加至一定程度时，风电机组将不能工作于正常运行方式下，同时风电场中风速发生大的波动将危及系统的稳定运行，因而，一个电力系统中，风电场安装容量有一定限制。2. 大量的风电并网引起系统电能质量下降风电并网对电能质量的影响主要体现在电压、谐波和频率等方面。首先，风速变化、风机投切、风湍流等都会引起电压波动和闪变，尤其是在较为薄弱的电网，将导致突然的瞬间电压跌落，致使电网电压波动以及风力发电机的频繁掉线，从而会造成更大的电压波动和电量损失。第二，风力发电机并网运行会给电网带来谐波污染。风力发电机并网运行会引起电压和电流的畸变，特别是基于双馈发电机的风电场，此类风机由于其转子侧经变频器与电网相连，这种电力电子器件的使用会对电网产生谐波污染。第三，风电并网会影响系统的频率稳定。风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电场容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著，将会影响到电网中其他一些频率敏感负荷的正常工作。3. 大量的风电并网使电网的调度运行变得复杂风电接入电网后，使得电网拥有多个供电节点环网，辐射式的网络将变为一个遍布电源和用户互联的网络，潮流也不一定单向地从变电站母线流向各负荷，有可能会出现回流和复杂的电压变化，给电网的运行带来困难。需要随时对网络的潮流分布进行重新分析，进而使电压调节变得困难。再者，由于风速变化是随机性的，因此风电场的出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。对于一个区域电网，风电大量接入后，其装机容量必然较大，此时，常规机组的发电功率就需要做出调整，以跟踪配合风电功率的变化，电网需留出大量的旋转备用和变电容量备用，造成大量的资源浪费，若备用容量少则会造成设备过负荷和限电。这样，大量风电的接入，势必影响对电网输电能力的实时把握，给抵御意外扰动的策略和方式确定带来困难，容易造成事故扩大危及电网安全。另外，大多风电机组不具备低电压穿越特性，导致机组抗电压扰动能力降低，造成风电场切机风险提高，影响了电网的安全稳定运行。2. 配电站变电站和配电站（所）都有变换电压、分配电能的作用。变电站是将电从一个站送到另一个站，是环形电网的一个节点，有升压变电站和降低变电站之分；对降压变电站，它的馈出线供到不同的配电站（所），是配电站（所）的电源，一般变电站的容量较大，电压等级在35KV以上；配电站（所）是将电送到用电设备或用户的站，是电网的未端，是放射形的一个点，它上连变电站，下连各用电设备；一般配电站（所）的容量较小，电压等级在35KV以下；3. 主要设备输变电系统是一系列电气设备组成的。发电站发出的强大电能只有通过输变电系统才能输送到电力用户。变电站主要设备包括变压器、导线、绝缘子、互感器、避雷器、隔离开关和断路器等电气设备外，还有电容器、套管、阻波器、电缆、电抗器和继电保护装置等，这些都是输变电系统中必不可缺的设备。（1）输变电系统的基本电气设备主要有导线、变压器、开关设备、高压绝缘子等。1）导线。导线的主要功能就是引导电能实现定向传输。导线按其结构可以分为两大类：一类是结构比较简单不外包绝缘的称为电线；另一类是外包特殊绝缘层和铠甲的称为电缆。电线中最简单的是裸导线，裸导线结构简单、使用量最大，在所有输变电设备中，它消耗的有色金属最多。电缆的用量比裸导线少得多，但是因为它具有占用空间小、受外界干扰少、比较可靠等优点，所以也占有特殊地位。电缆不仅可埋在地里，也可浸在水底，因此在一些跨江过海的地方都离不开电缆。电缆的制造比裸导线要复杂得多，这主要是因为要保证它的外皮和导线间的可靠绝缘。输变电系统中采用的电缆称为电力电缆。此外，还有供通信用的通信电缆等。 2）变压器。变压器是利用电磁感应原理对变压器两侧交流电压进行变换的电气设备。为了大幅度地降低电能远距离传输时在输电线路上的电能损耗，发电机发出的电能需要升高电压后再进行远距离传输，而在输电线路的负荷端，输电线路上的高电压只有降低等级后才能便于电力用户使用。电力系统中的电压每改变一次都需要使用变压器。根据升压和降压的不同作用，变压器又分为升压变压器和降压变压器。例如，要把发电站发出的电能送入输变电系统，就需要在发电站安装变压器，该变压器输入端（又称一次侧）的电压和发电机电压相同，变压器输出端（又称二次侧）的电压和该输变电系统的电压相同。这种输出电压比输入电压高的变压器即为升压变压器。当电能送到电力用户后，还需要很多变压器把输变电系统的高电压逐级降到电力用户侧的220V（相电压）或380V（线电压）。这种输出端电压比输入端电压低的变压器即为降压变压器。除了升压变压器和降压变压器外，还有联络变压器、隔离变压器和调压变压器等。例如，几个邻近的电网尽管平时没多少电能交换，但有时还是希望它们之间能够建立起一定的联系，以便在特定的情况下互送电能，相互支援。这种起联络作用的变压器称为联络变压器。此外，两个电压相同的电网也常通过变压器再连接，以减少一个电网的事故对另一个电网的影响，这种变压器称为隔离变压器。 3）开关设备。开关设备的主要作用是连接或隔离两个电气系统。高压开关是一种电气机械，其功能就是完成电路的接通和切断，达到电路的转换、控制和保护的目的。高压开关比常用低压开关重要得多，复杂得多。常见的日用开关才几两重，而高压开关有的重达几十吨，高达几层楼。这是因为它们之间承受的电压和电流大小很悬殊。按照接通及切断电路的能力，高压开关可分为好几类。最简单的是隔离开关，它只能在线路中基本没有电流时，接通或切断电路。但它有明显的断开间隙，一看就知道线路是否断开，因此凡是要将设备从线路断开进行检修的地方，都要安装隔离开关以保证安全。断路器也是一种开关，它是开关中较为复杂的一种，它既能在正常情况下接通或切断电路，又能在事故下切断和接通电路。除了隔离开关和断路器以外，还有在电流小于或接近正常时切断或接通电路的负荷开关。电流超过一定值时切断电路的熔断器以及为了确保高压电气设备检修时安全接地的接地开关等都属于高压开关。4）高压绝缘子。高压绝缘子是用于支撑或悬挂高电压导体，起对地隔离作用的一种特殊绝缘件。由于电瓷绝缘子的绝缘性能比较稳定，不怕风吹、日晒、雨淋，因此各种高压输变电设备（尤其是户外使用的），广泛采用高压电瓷作为绝缘，如：架空导线必须通过绝缘子挂在电线杆上才能保证绝缘，一条长500km的 330kV输电线路大约需要14万个绝缘子串。高压绝缘子的另一大类是高压套管，当高压导线穿过墙壁或从变压器油箱中引出时，都需要高压套管作为绝缘。除了高压电瓷作为绝缘子外，基于硅橡胶材料的合成绝缘子也获得了广泛应用。 （2）输变电的保护设备主要有互感器、继电保护装置、避雷器等。 1）互感器。互感器的主要功能是将变电站高电压导线对地电压或流过高电压导线的电流按照一定的比例转换为低电压和小电流，从而实现对变电站高电压导线对地电压和流过高电压导线的电流的有效测量。对于大电流、高电压系统，不能直接将电流和电压测量仪器或表计接入系统，这就需要将大电流、高电压按照一定的比例变换为小电流、低电压。通常利用互感器完成这种变换。互感器分为电流互感器和电压互感器，分别用于电流和电压变换。由于它们的变换原理和变压器相似，因此也称为测量变压器。互感器的主要作用： 互感器可将测量或保护用仪器仪表与系统一次回路隔离，避免短路电流流经仪器仪表，从而保证设备和人身安全； 由于互感器一次侧和二次侧只有磁联系，而无电的直接联系，因而降低了二次仪表对绝缘水平的要求； 互感器可以将一次回路的高压统一变为100V或100/3V的低电压，将一次回路中的大电流统一变为5A的小电流。这样，互感器二次侧的测量或保护用仪器仪表的制造就可做到标准化。2）继电保护装置。继电保护装置是电力系统重要的安全保护系统。它根据互感器以及其他一些测量设备反映的情况，决定需要将电力系统的哪些部分切除和哪些部分投入。虽然继电保护装置很小，只能在低电压下工作，但它却在整个电力系统安全运行中发挥重要作用。3）避雷器。避雷器主要用于保护变电站电气设备免遭雷击损害。变电站主要采用避雷针及避雷器两种防雷措施。避雷针的作用是不使雷直接击打在电气设备上。避雷器主要安装在变电站输电线路的进出端，当来自输电线路的雷电波的电压超过一定幅值时，它就首先动作，把部分雷电流经避雷器及接地网泄放到大地中，从而起到保护电气设备的作用。（3）其他电力设备。除了上述设备外，变电站一般还安装有电力电容器和电力电抗器。1）电力电容器。电力电容器的主要作用是为电力系统提供无功功率，达到节约电能的目的。主要用来给电力系统提供无功功率的电容器，一般称为移相电容器；而安装在变电站输电线路上以补偿输电线路本身无功功率的电容器称为串联电容器，串联电容器可以减少输电线路上的电压损失和功率损耗，而且由于就地提供无功功率，因此可以提高电力系统运行的稳定性。在远距离输电中利用电容器可明显提高输送容量。2）电力电抗器。电力电抗器与电力电容器的作用正好相反，它主要是吸收无功功率。对于比较长的高压输电线路，由于输电线路对地电容比较大，输电线路本身具有很大的无功功率，而这种无功功率往往正是引起变电站电压升高的根源。在这种情况下安装电力电抗器来吸收无功功率，不仅可限制电压升高，而且可提高输电能力。电力电抗器还有一个很重要的特性，那就是能抵抗电流的变化，因此它也被用来限制电力系统的短路电流。