联合循环——19（变电站）
时间：2022-10-27 06:30:00
一、变电站的定义
变电站是电气的一部分生成、传输和分配系统。变电站将电压从高到低，或相反，或执行其他重要功能中的任何一个。电站及电气设备在此之间，电源可能会流经几个不同电压等级的变电站。变电站可以包括变压器在高传输电压和低配电电压之间或两个不同传输电压之间的互连处改变电压电平。
变电站可由电力公司拥有和运营，也可由大型工。变电站通常无人值守，依靠SCADA远程监督和控制。
The word substation comes from the days before the distribution system became a grid. As central generation stations became larger, smaller generating plants were converted to distribution stations, receiving their energy supply from a larger plant instead of using their own generators. The first substations were connected to only one power station, where the generators were housed, and were subsidiaries of that power station.
变电站这个词来自配电系统成为电网之前。 随着中央发电站越来越大，小型发电厂被转换为配电站，从大型发电厂获得能源供应，而不是使用自己的发电机。 第一个变电站只连接到一个发电站，发电机所在的发电站是发电站的子公司。
二、变电站类型(7种)
变电站可以通过其电压等级、其在电力系统中的应用、绝缘大部分连接的方法、结构的样式和材料来描述。这些类别没有脱节；例如，为了解决具体问题，变电站可能包括重要的配电功能。
（1）输电变电站
输电变电站连接两条或两条以上的传输线。最简单的情况是所有的传输线都有相同的电压。在这种情况下，变电站包许连接或隔离线路进行故障清除或维护。输电站可能有变压器在两个输电电压之间转换，电压控制/功率因数校正设备(如电容器、电抗器或静态无功补偿器)和设备(如移相变压器)控制两个相邻电力系统之间的功率流。输电变电站的范围可以从简单到复杂。一个小的开关站可能只是一辆公共汽车和一些断路器。最大的输变电站可覆盖多个电压等级、多个断路器和大量的保护和控制设备(电压和电流互感器、继电器和公顷)SCADA系统）。国际标准可用于现代变电站，如IEC 标准 61850来实施。
(2)配电变电站
配电变电所从传输系统的区域传输功率的分配系统。将电力消费者直接连接到主传输网络是不经济的，除非他们使用大量的电力，否则配电站将电压降低到适合当地配电的水平。输入配电变电站通常是至少两条传输线或子传输线。例如，输入电压 115 kV 或该地区常见的任何电压。输出是多个馈线。配电电压通常为中压，介于 2.4 kV 和 33 kV 这取决于服务区的大小和当地公用事业的做法。馈线沿高架桥（或地下，在某些情况下）运行，并为客户或附近的配电变压器供电。
配电变电站除了转换电压外，还隔离了传输或配电系统中的故障。配电变电站通常是调压点，虽然调压设备也可以安装在长配电线路上（几英里/公里）。
大城市中心城市配电变电站复杂，低压侧有高压开关、开关和备用系统。更典型的配电变电站在低压侧有开关、变压器和最小设施。
(3)集电器变电站
在风电场或光伏电站等分布式发电项目中，可能需要集电变电站。它类似于配电变电站，但功率流方向相反，从许多风力涡轮机或逆变器向上进入输电网。收集器系统通常运行，以建立经济性 35 kV 虽然有些收集器系统是左右的，但是 12 kV，此外，收集器变电站将电压升高到电网的传输电压。如有必要，集电变电站还可以提供功率因数校正来测量和控制风电场。在某些特殊情况下，集电变电站也可以包含一个 HVDC 换流站[1]。
集电变电站也存在于附近几个输出功率相当的热力或水力发电厂。这种变电站的例子是德国的Brauweiler捷克共和国Hradec，这些变电站从附近的褐煤发电厂收集电力。如果不需要变压器将电压提高到传输水平，则变电站是开关站。
[1] . A high-voltage, direct current (HVDC高压直流电力传输系统) electric power transmission system (also called a power superhighway or an electrical superhighway) uses direct current (DC) for the bulk transmission of electrical power, in contrast with the more common alternating current (AC) systems.
Most HVDC links typically use voltages between 100 kV and 800 kV. However, a 1,100 kV link in China was completed in 2019 over a distance of 3,300 km (2,100 mi英里) with a power capacity of 12，000 MW（是900M二拖二联合循环电厂容量13.3倍）. With this dimension, intercontinental connections become possible which could help to deal with the fluctuations of wind power and photovoltaics.有了这种方法，洲际连接成为可能，有助于应对风电和光伏的波动。
HVDC allows power transmission between AC transmission systems that are not synchronized. Since the power flow through an HVDC link can be controlled independently of the phase angle between source and load, it can stabilize a network against disturbances due to rapid changes in power. HVDC also allows transfer of power between grid systems running at different frequencies, such as 50 Hz and 60 Hz. This improves the stability and economy of each grid, by allowing exchange of power between incompatible networks.
The modern form of HVDC transmission uses technology developed extensively in the 1930s in Sweden (ASEA) and in Germany. Early commercial installations included one in the Soviet Union in 1951 between Moscow and Kashira, and a 100 kV, 20 MW system between Gotland and mainland Sweden in 1954.Before the Chinese project of 2019, the longest HVDC link in the world was the Rio Madeira link in Brazil, which consists of two bipoles of ±600 kV, 3150 MW each, connecting Porto Velho in the state of Rond?nia to the S?nia to the S?o Paulo area with a length of more than 2,500 km (1,600 mi).
HVDC 允许在不同步交流输电系统之间传输电力。由于通过 HVDC 线路的功率流可以独立于源与负载之间的相位角进行控制，因此可以稳定网络，防止因功率快速变化而受到干扰。 **HVDC 也允许以不同的频率(例如 50 Hz 和 60 Hz）电网系统之间的电力传输。**允许不兼容网络之间的电力交换，提高了每个电网的稳定性和经济性。
采用现代高压直流输电形式 1930 年代在瑞典 (ASEA) 以及德国广泛开发的技术。早期的商业设备包括 1951 苏联莫斯科和年 Kashira 之间的一个，以及 1954 年哥特兰岛和瑞典大陆之间 100 kV、20 MW 系统。在 2019 在中国项目之前，巴西是世界上最长的高压直流输电线路 Rio Madeira 有两条线 ±600 kV、每个 3150 MW 朗多尼亚州的双极组成 Porto Velho 连接圣保罗地区。长度超过 2,500 公（1,600 英里）。
（4）换流站
换流站可能与HVDC换流站、牵引电流或互连的非同步网络相关联。这些站包含电力电子设备来改变电流的频率，或者从交流电转换为直流电或反向转换。以前的旋转转换器改变了频率来互连两个系统；现在这样的变电站很少见。
（5）交换站
开关站是没有变压器且仅在单一电压水平下运行的变电站。开关站有时用作收集站和分配站。有时它们用于将电流切换到备用线路或在出现故障时用于并联电路。一个例子是HVDC Inga-Shaba输电线路的开关站。
开关站也可称为开关站，它们通常直接位于发电站附近或附近。在这种情况下，发电站的发电机将电力供应到院子一侧的发电机母线上，而输电线路从院子另一侧的馈线母线获取电力。
变电站执行的一项重要功能是切换，即传输线路或其他组件进出系统的连接和断开。切换事件可能是计划内的，也可能是计划外的。传输线或其他组件可能需要断电以进行维护或新建，例如，添加或移除传输线或变压器。为了保持供应的可靠性，公司旨在在执行维护的同时保持系统正常运行。所有要执行的工作，从例行测试到添加全新的变电站，都应该在保持整个系统运行的同时完成。
意外切换事件是由传输线或任何其他组件中的故障引起的，例如：
一条线被闪电击中并产生电弧；
一座塔被大风吹倒了。
开关站的功能是在尽可能短的时间内隔离系统的故障部分。对故障设备断电可保护其免受进一步损坏，隔离故障有助于保持电网的其余部分稳定运行。
（6）铁路
电气化铁路也使用变电站，通常是配电变电站。在一些情况下，当前类型的转换发生，通常与整流器为直流电（DC）的火车，或旋转转换器用于使用列车交流电以比公共电网的其它频率（AC）。有时，如果铁路网络还运营自己的电网和发电机为其他车站供电，则它们也是输电变电站或集电变电站。
（7）移动变电站
移动变电站是在轮子上的变电站，含有变压器，断路器和母线成品安装在一个自包含的半挂车，意在通过被拉动卡车。它们设计紧凑，适合在公共道路上行驶，并在发生自然灾害或战争时用作临时备份。移动变电站的额定值通常远低于永久性装置，并且可能会建在多个单元中以满足公路旅行的限制。
三、变电站的组成部分（Elements of a substation）
变电站一般有开关、保护和控制设备和变压器。在大型变电站中，断路器用于中断网络上可能发生的任何短路或过载电流。较小的配电站可以使用重合器断路器或熔断器来保护配电电路。变电站本身通常没有发电机，尽管发电厂附近可能有一个变电站。其他设备，如电容器、电压调节器和电抗器也可能位于变电站。
变电站可能位于有围栏的地表、地下或位于特殊用途的建筑物中。高层建筑可能有多个室内变电站。室内变电站通常位于城市地区，以降低变压器的噪音，出于外观原因，或保护开关设备免受极端气候或污染条件的影响。
一个接地（地线）系统必须设计。必须计算总接地电位上升和故障期间的电位梯度（称为接触电位和跨步电位）[6]，以在输电系统发生短路时保护行人。变电站的接地故障会导致地电位升高。故障期间流经地球表面的电流会导致金属物体的电压与人脚下的地面电压明显不同；这种接触电位存在触电危险。如果变电站有金属围栏，它必须正确接地以保护人们免受这种危险。
电力工程师面临的主要问题是可靠性和成本。一个好的设计试图在这两者之间取得平衡，以在不增加成本的情况下实现可靠性。设计还应允许在需要时扩展站点。
四、位置选择（Location selection）
变电站位置的选择必须考虑许多因素。需要足够的土地面积来安装具有必要电气安全间隙的设备，以及维护大型设备（例如变压器）的通道。
在土地成本高的地方，例如在城市地区，气体绝缘开关设备总体上可以节省资金。位于受洪水和热带风暴影响的沿海地区的变电站通常需要一个高架结构，以保持设备对浪涌敏感，以抵御这些因素。由于负载增长或计划增加传输，站点必须有扩展空间。必须考虑变电站的环境影响，例如排水、噪音和道路交通影响。
变电站站点必须位于要服务的配电区域的合理中心。现场必须防止路人闯入，既要保护人员免受电击或电弧伤害，又要保护电气系统免受故意破坏造成的误操作。
五、设计图（Design diagrams）
规划变电站布局的第一步是准备单线图，它以简化形式显示所需的开关和保护装置，以及进线和出线馈线或传输线。许多电力公司的惯例是准备单线图，其中主要元件（线路、开关、断路器、变压器）在页面上排列，类似于设备在实际站中的布置方式。
在常见的设计中，进线有一个隔离开关和一个断路器。在某些情况下，线路不会同时具备，只需要一个开关或一个断路器即可。隔离开关用于提供隔离，因为它不能中断负载电流。断路器用作自动中断故障电流的保护装置，可用于打开和关闭负载，或在电源以“错误”方向流动时切断线路。当大的故障电流流过断路器时，通过使用电流互感器来检测. 电流互感器输出的大小可用于使断路器跳闸，从而导致由断路器供电的负载与馈电点断开连接。这旨在将故障点与系统的其余部分隔离，并允许系统的其余部分以最小的影响继续运行。开关和断路器都可以在本地（在变电站内）或从监控中心远程操作。
**对于架空输电线路，闪电和开关浪涌的传播会导致变电站设备绝缘故障。线路入口避雷器用于相应地保护变电站设备。**绝缘协调研究被广泛进行，以确保设备故障（和相关的中断）最小化。
一旦通过开关元件，给定电压的线路连接到一条或多条总线。这些是母线组，通常是三的倍数，因为三相电力分配在世界范围内基本上是通用的。
所使用的开关、断路器和母线的布置会影响变电站的成本和可靠性。对于重要的变电站，可以采用环形母线、双母线或所谓的“半断路器”设置，这样任何一个断路器的故障都不会中断其他电路的供电，从而使变电站的某些部分可以断电进行维护和修理。仅为单个工业负载供电的变电站可能具有最少的开关装置，尤其是对于小型装置。
此单线图说明了开关站中常用的断路器半概念。
一旦为各种电压等级建立了总线，就可以在电压等级之间连接变压器。这些将再次具有断路器，就像传输线一样，以防变压器出现故障（通常称为“短路”）。
与此同时，变电站总是需要控制电路来命令各种断路器在某些组件发生故障时断开。
六、自动化（Automation）
早期的变电站需要手动切换或调整设备，以及手动收集负载、能耗和异常事件的数据。随着配电网络的复杂性增加，从集中管理的点对变电站进行自动化监督和控制在经济上变得必要，以便在紧急情况下进行整体协调并降低运营成本。远程控制变电站的早期努力使用专用通信线，通常与电源电路并排运行。电力线载波、微波无线电、光纤电缆以及专用有线遥控电路都已应用于监控和数据采集(SCADA) 用于变电站。微处理器的发展使得可以经济控制和监测的点数量呈指数增长。今天，诸如DNP3、IEC61850和Modbus等标准化通信协议用于允许多个智能电子设备相互通信并与监控中心进行通信。变电站的分布式自动控制是所谓智能电网的要素之一。
七、绝缘（Insulation）
开关、断路器、变压器和其他设备可以通过串在支撑结构上的空气绝缘裸导体互连。所需的空间随着系统电压和雷电浪涌电压额定值而增加。对于中压配电变电站，可采用金属封闭式开关装置，且不得裸露带电导体。对于更高的电压，气体绝缘开关装置减少了带电总线周围所需的空间。代替裸导体，总线和设备内置在充满六氟化硫(SF 6 ) 气体的加压管状容器中。这种气体具有比空气更高的绝缘值，可以减小设备的尺寸。除了空气或SF6气体，仪器将使用其他绝缘材料，如变压器油、纸、瓷器和聚合物绝缘体。
八、结构（Structure）
室外、地上变电站结构包括木杆、格子金属塔和管状金属结构，但也有其他变体。在空间充足且车站外观不是一个因素的情况下，钢格塔为输电线路和设备提供低成本的支撑。可以在外观更为重要的郊区指定低矮变电站。室内变电站可以是气体绝缘开关设备（高压），或金属封闭或金属包覆的低压开关设备。城市和郊区的室内变电站可以在外面完成，以便与该地区的其他建筑物融为一体。
紧凑变电站通常是建在一个金属外壳，其中，所述电气设备的每个项目位于非常靠近彼此，以创建该变电站的相对较小的覆盖区大小的室外变电站。
九、视频简介
Youtube（英文）：https://www.youtube.com/watch?v=7Q-aVBv7PWM&t=151s
哔哩哔哩（中文）：https://www.bilibili.com/video/BV1Dv411N74d
