电力电气-《电力系统之变电站基础知识》

1. 电力系统概述：

1.1. 电力系统定义：

电力系统是电能生产、变换、输送、分配、消费的各种设备按照一定的技术和经济要求有机组成的一个统一系统的总称。简言之，电力系统是由发电机、变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。

1.2. 电力系统的构成：

动力系统是由锅炉（反应堆）、汽轮机（水轮机）、发电机等生产电能的设备，变压器、输电线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、家用电器、照明等各种消耗电能的设备以及测量、保护、控制乃至能量管理系统所组成的统一整体。

动力系统化学能煤石油锅炉天然气核能电力系统热能汽轮机机械能电力网发电机电能铀水反应堆水能升压变压器输电线路降压变压器用电设备水轮机

1.3. 电力系统的电压等级：

1.3.1. 额定电压等级

我国国家标准规定的部分标准电压（额定电压）如下表： 控制屏的颜色 用电设备额定线电压 深灰 黄褐 深绿 深蓝 绛红 浅绿 绿 粉红 鲜黄 朱红 紫 白

发电机线电压 230V 400V 3.15KV 6.3KV 10.5KV 13.8KV 15.75KV 18KV 1

变压器一次线电压 220V 380V 3和3.15*KV 6和6.3*KV 10和10.5*KV 35KV 110KV 220KV 330KV 变压器二次线电压 330V 400V 3.15和3.3KV 6.3和6.6KV 10.5和11KV 38.5KV 121KV 242KV 363KV 220V 380V 3KV 6KV 10KV 35KV 110KV 220KV 330KV 淡黄 +5% 500KV -5% 500KV 550KV TG~

通常取线路始末电压的算术平均值作为用电设备以及电力网的额定电压。

由于用电设备的允许电压偏移为+-5%，而延线路的电压降落一般为10%，这就要求线路始端电压为额定值的105%，以保证末端电压不低于95%。发电机往往接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路的105%。通常，6.3KV多用于50MW及以下的发电机；10.5KV用于25~100MW的发电机;13.8KV用于125MW的汽轮发电机和72.5MW的水轮发电机;15.75KV用于200MW的汽轮发电机和225MW的水轮发电机;18KV用于300MW的汽轮发电机。

变压器的一次额定电压：升压变压器一般与发电机直接湘连，故与发电机相同，见表中有“*”降压变压器相当于用电设备，故与线路相同。

变压器的二次额定电压：考虑到变压器内部的电压降落一般为5%，故比线路高5%~10%。只有漏抗很小的、二次侧线路较短和电压特别高的变压器，采用5%。

习惯上把1KV以上的电气设备称为高压设备反之为低压设备。 1.3.2. 电压等级的使用范围：

500、330、220KV多半用于大电力系统的主干线；110KV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；35、10KV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络。大功率电动机用3、6、10KV，小功率电动机用220、380V；照明用220、380V

1.4. 电力系统中性点的运行方式：

1.4.1. 中性点非直接接地系统：

小电流接地系统，也称小接地短路电流系统。

供电可靠性高，但对绝缘水平要求高。电压等级较高的系统，绝缘费用在设备总价格中占相当大比重，故多用于60KV及以下的系统。

当 3~6KV网络接地电流<30A 10KV网络接地电流<20A

35~60KV网络接地电流<10A采用中性点不接地运行方式 反之，采用中性点经消弧线圈接地方式。 1.4.2. 中性点直接接地系统：

大电流接地系统，也称大接地短路电流系统。

单相接地需跳闸，但对绝缘水平要求不高。110KV及以上系统采用。

1.5. 电力系统工程学科

1.5.1. 电力系统理论

以电路、电磁场、电机理论为基础。 1.5.2. 输配电技术

超高压输电线路、远距离交直流输电系统，以及提高输电线路输送能力等方面的问题。 1.5.3. 电力系统规划

稳态运行分析、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理、运行方式优化

2

1.5.4. 电力系统保护

故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护。 1.5.5. 电力系统控制

数据采集、变量调节、电能质量控制、运行优化控制、能量管理系统。

《电力系统稳态分析》：电力系统的基本知识、电力系统中各元件的特性和数学模型、电力系统正常运行状况的分析和计算、电力系统的运行调节和优化。

《电力系统暂态分析》：电磁暂态过程（故障分析）、机电暂态过程（稳定性分析）

《发电厂电气设备》、《发电厂及变电站二次回路》、《继电保护》、《自动装置原理》、《电力系统远动技术》、《高电压技术》

2. 变电站基础：

2.1. 定义：

电力网中的线路连接点，用于变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。

2.2. 分类：

根据变电站在系统中的地位和作用可分为以下几类：

 枢纽变电站：在系统处于枢纽地位，一般为500或330KV。全所停电，引起系统解列或瘫痪。

 中间变电站：一般设在高压和超高压主要环线线路或系统主要干线的接口处，起中间环节作用，电压为220~330KV。全所停电，引起区域网解列。

 地区变电站：主要给所属地区供电，电压一般为110~220KV。全所停电，引起所属地区停电。  企业变电站：工矿企业专用变电站，电压一般为110KV，中大型企业多为220KV。全所停电，引起该企业停电。

 终端变电站：在输电线路的终端，直接向用户供电，电压多为110KV。全所停电，引起用户停电。

 开关站：无变压器，只起汇集、分配电能的作用，电压多为10KV。

它主要包括一次设备和二次设备。

2.3. 一次设备：

2.3.1. 定义和分类：

通常把生产、输送、变换电压、分配电能的设备称为一次设备。

分类：

 生产和变换电能的设备：发电机、变压器、电动机。

 接通和断开电路的开关设备：断路器、隔离开关、熔断器、接触器等。  短路电流或防御过电压的设备：电抗器、避雷器。  接地装置：

 载流导体：母线、电缆、架空线路。

 补偿装置：调相机、静止补偿器、电容器、并联电抗器。  仪用互感器：电流互感器、电压互感器。

3

2.3.2. 电力变压器：

2.3.2.1.

定义：

借助于电磁感应作用，将一种交流电压和电流变成相同频率的另一种或几种不同电压或电流，并用于电力系统输电、配电和用电的电气设备。 2.3.2.2. 分类：  相数：单相、三相、多相变压器。

 绕组数：双绕组、三绕组、多绕组、自藕变压器。  用途：升压、降压变压器。

 调压方式：有载调压、无励磁调压、无分接变压器。  绝缘介质：油浸、干式变压器。 2.3.2.3. 有载调压分接开关：

自整角机指示位置、ZY1型（贵州长征电器厂）、MR型（西德）有载开关。 例如：35/10±3×2.5%

位置显示：当地显示、控制室显示、远方显示。编码方式、空接点方式、直流遥测方式。 2.3.2.4. 图形及文字符号表示：

双绕组变压器三绕组变压器自藕变压器

文字符号：TM（新） B（旧） 2.3.3. 断路器： 2.3.3.1. 用途：

在正常或故障状态下，接通或断开高压电路的专用电器。断路器的触头装有特殊的灭弧装置，能迅速的断开短路电流，切断故障电路。 2.3.3.2. 分类： 根据灭弧介质：  油断路器：结构简单，价格便宜。检修时间短（6次），易燃。少油断路器在10~220KV得到广泛应用。

 压缩空气断路器：通流及开断能力大，动作时间短；但结构复杂，需配置空气压缩系统，噪声大。多用于110KV及以上系统中。

 真空断路器：体积小，开断能力强，开断时间短，可频繁操作，不需经常检修（可开断额定短路电流30~50次），无污染。用于10~35KV系统中，正逐步替代少油断路器。  SF6断路器：通流及开断能力大，可频繁操作，不需经常检修（10~20年）；但价格较贵。可用于10~500KV系统中。 2.3.3.3. 操作机构：

断路器的操作机构是使断路器分闸、合闸，并将断路器保持在合闸状态的设备。

 电磁操作机构：制造简单，成本低；但合闸消耗功率大，时间长，结构笨重。广泛用于110KV及以下的断路器中。

 弹簧操作机构：交流化操作。用于10~35KV的断路器中。

 液压式操作机构：体积小，操作平稳，无噪声，可交流操作；但结构复杂。在110KV及以上少油和SF6断路器得到广泛应用。

 气动操作机构：可用于各电压等级，多用于空气断路器。

4

2.3.3.4. 图形及文字符号表示：

文字符号：QF（新） DL（旧） 2.3.4. 隔离开关： 2.3.4.1. 用途：

主要起隔离电压和切换电路的作用。无灭弧装置。注意应“先开后断”。可手动操作，也可电动操作（110KV及以上）。 2.3.4.2. 图形及文字符号表示：

新旧

文字符号：QS（新） G（旧） 2.3.5. 电力电容器： 2.3.5.1. 用途：

并联连接于交流电力系统中，用于补偿感性无功功率，改善功率因数，改善电压质量，降低线路损耗，提高系统或变压器的有功输出。 2.3.5.2. 图形及文字符号表示：

新旧

文字符号：C

2.3.6. 限流电抗器： 2.3.6.1. 用途：

短路电流在允许范围内，保证母线残压不致过低（60%）。 2.3.6.2. 图形及文字符号表示：

文字符号：L 2.3.7. 熔断器： 2.3.7.1. 用途：

用于高压小容量电路中，作为过载和短路故障的保护设备。 2.3.7.2. 图形及文字符号表示：

文字符号：FU（新）RD（旧）

5

2.3.8. 避雷器：

2.3.8.1.

用途：

系统可能出现的雷电和操作过电压。 2.3.8.2. 图形及文字符号表示：

文字符号：F

2.3.9. 电流互感器： 2.3.9.1. 作用：

将一次回路的大电流变为二次回路标准的小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化；使二次设备与高电压部分隔离，保证人身和设备的安全。 2.3.9.2. 注意：

R1i1X1R0i0X0R2i2X2RX

电流互感器二次侧阻抗很小，相当于短路。严禁将电流互感器二次侧开路。因为开路一是会产生数千伏的高电压，危及设备及人身安全；二是由于铁芯内的磁通剧增，电流互感器严重发热将其烧毁；三是铁芯饱和产生剩磁使电流互感器误差增大。电流互感器二次回路不允许安装熔断器。 2.3.9.3. 电流互感器的准确级： 仪用电流互感器的准确级： 准确级 0.1 0.2 0.5 1 I/Ie 5 20 5 20 5 20 5 20 电流误差 ±% 相位误差±’ 0.4 0.2 0.75 0.35 1.5 0.75 3 1.5 15 8 5 30 15 10 90 45 30 180 90 60 100~120 0.1 100~120 0.2 100~120 0.5 100~120 1 保护用电流互感器的准确级： 准确级 5PN 额定电流下的误差 1 额定准确先值下的误差 电流误差 ±% 相位误差±’ （I=NIe） 60 5 6

10PN 3 2.3.9.4. 图形及文字符号表示：

10

文字符号：TA（新） LH（旧） 2.3.10. 电压互感器： 2.3.10.1. 作用：

将一次回路的大电压变为二次回路标准的小电压，使测量仪表和保护装置标准化、小型化；使二次设备与高电压部分隔离，保证人身和设备的安全。 2.3.10.2. 注意：

电压互感器二次侧阻抗很大，相当于开路。严禁将电压互感器二次侧短路。因为断路一是会产生很大的短路电流，故电压互感器二次回路必须安装熔断器或空气开关。 2.3.10.3. 电流互感器的准确级

电压互感器的准确级： 准确级 0.1 0.2 0.5 1 额定电流下的误差 0.1 0.2 0.5 1 保证误差的条件 电压误差 ±% 相位误差±’ （U/Ue） 5 10 20 40 0.8~1.2 或 3 3 2.3.10.4. 电压互感器的接线方式：  单相电压互感器接线：

ABCABC

 不完全星形（V-V）接线：

ABC

只能测量线电压，不能测量相电压。广泛用于中性点非直接接地系统中。  三相三柱式电压互感器接线：

7

ABC

只能测量线电压，不能测量相电压。  三相五柱式电压互感器接线：

ABC

既能测量线电压，又能测量相电压，还能测量零序电压。广泛用于3~10KV配电装置。  三台单相三绕组电压互感器接线：

ABC

既能测量线电压，又能测量相电压，还能测量零序电压。广泛用于110KV及以上的中性点直接接地系统中。

2.3.10.5. 图形及文字符号表示：

文字符号：TV（新） YH（旧）

8

2.4. 二次设备：

2.4.1. 定义和分类：

对一次设备进行监察、测量、控制和保护的辅助设备称为二次设备。

它主要包括测量、计量仪表，继电保护和自动装置，远动装置，通信装置，操作电源系统。

2.4.2. 二次回路：

二次设备按一定的顺序连成的电路称为二次电路或二次回路。它包括交流电压回路、交流电流回路、控制和信号回路、继电保护及自动装置回路、操作电源系统。

9

2.4.3. 互感器的二次回路

2.4.3.1.

电压互感器二次回路：

 电压互感器的接线方式应满足测量仪表、远动装置、继电保护和自动装置的要求。  应装设短路保护：熔断器（35KV及以下）或快速自动开关（110KV及以上，熔断器动作较慢，防止距离误动）

 安全接地（保护接地）：应有一个可靠的接地点，B相接地（35KV及以下），N相接地（110KV及以上）。

 应有防止二次回路向一次回路反馈电压的措施  对于双母线，应有可靠的二次切换回路。 2.4.3.2. 电流互感器二次回路  电流互感器的接线方式应满足测量仪表、远动装置、继电保护和自动装置的要求。  应有防止开路的措施

 安全接地（保护接地）：应有一个可靠的接地点，但不允许有多个接地点。  保证电流互感器的准确度，二次负载不应大于允许值。  保证极性连接正确 2.4.4. 操作电源

为控制信号测量及继电保护装置提供可靠的工作电源。  蓄电池直流电源

 电源变换式直流电源：UPS+整流

 复式整流直流电源：有所用变和电流互感器+铁磁谐振稳压器经整流供电  硅整流电容储能直流电源：硅整流设备和电容器，用于小容量、终端变电站  交流操作电源：用于终端变电站 2.4.5. 断路器控制和信号回路

2.4.6. 隔离开关的控制与闭锁回路： 防止带负荷拉合刀闸 防止误入带电间隔 防止误分、合断路器 防止带电挂接地线 防止带地线合刀闸

2.4.7. 信号系统 2.4.7.1. 事故信号

断路器事故跳闸，音响信号引起注意，灯光信号便于判断发生故障的设备及故障的性质。事故音响信号采用蜂鸣器（电笛，电喇叭） 2.4.7.2. 预告信号 包括：过负荷、变压器轻瓦斯保护动作、变压器油温过高、电压互感器二次回路断线、交直流回路绝缘损坏、控制回路断线及操作机构异常等。预告音响信号采用电铃。 2.4.7.3. 位置信号     

2.4.8. 同期系统

不同步，产生巨大的冲击电流（损坏电气设备），电压严重下降，电力系统振荡甚至瓦解。

10

2.4.9. 测量回路：

ABCNABCN2.4.10.

2.4.10.1.

二次接线图： 定义及分类：

ABC ABC 二次接线图是用二次设备特定的图形和文字符号表示二次设备互相连接的电气接线图。它包括二次电路图和安装接线图。 2.4.10.2. 二次电路图：

它用于详细描述二次电路、设备的基本组成部分、作用原理和连接关系，并作为编制安装接线图的依据。它包括原理接线图和展开接线图。

11

-L1L2L3-QFK8+Y2+K7K5-+K6信号信号K1K2K3K3TA1TA3++

原理接线图比较直观，但当电路较复杂时，设计和阅读较困难，故主要用于继电保护和自动装置的工作原理和构成这套装置所需要的设备。 2.4.10.3. 展开接线图：

TA1L1L2L3K1TA3K2K4K5K6QFY2L-L+K2K3K4K5K7K6K8信号L+K7K8K1K3

展开接线图按供电给二次接线的每个电源来划分。一般分成交流电流、交流电压、直流操作回路和信号回路。

2.4.11. 安装接线图：

用于二次回路的安装接线。包括屏面布置图、屏背面接线图。 2.4.11.1. 屏面布置图

2.4.11.2.

屏背面接线图：

每一个安装单位的端子应按：交流电流回路、交流电压回路、信号回路、直流回路、其它回路布置。

设备与设备、设备与端子的连接导线表示方法采用相对编号法。两端子间的导线是中断的，在中断处标明去向。即若甲乙两端子相连，则在甲处标乙，乙处标甲。

12

2.5. 电气主接线：

2.5.1. 定义：

根据电能输送、分配的要求，表示一次设备相互之间的连接关系，以及本变电站与电力系统的电气连接关系的电路称为一次电路，也称为电气主接线。

二次设备连成的电路称为二次电路，也称为二次接线。

电气主接线一般绘制成单线图，即仅绘出三相交流电路中一相的连接情况。 2.5.2. 分类： 2.5.2.1. 单母线接线：

用于出线较少，容量小，对供电可靠性要求不高的变电站。 2.5.2.2. 单母线分段接线

用于出线较少，电压较低，装设有两台变压器，重要负荷由两回线供电的变电站。

13

2.5.2.3. 带旁路的单母线接线

用于进出线较多的35~10KV变电站。

35KV8 110KV6 220KV4时架设旁路母线。 2.5.2.4. 双母线接线：

用于引出线和电源较多，负荷大，要求可靠性和灵活性高的变电站或发电厂。6~10KV短路容量大，有出线电抗器的装置；35~63KV出线超过8回或电源较多负荷较大的装置；110~220KV出线超过5回，或在系统中处于重要位置出线不少于4回的装置。 2.5.2.5. 双母线分段接线：

14

多用于与220KV电力网连接的大型发电厂以及选用气体绝缘金属封闭电器330~500KV枢纽变电站。 2.5.2.6. 双母线带旁路接线

2.5.2.7.

一个半断路器接线：

广泛用于220~500KV超高压、大容量的系统中。

15

2.5.2.8. 桥形接线：

外桥内桥

用于仅有两台变压器和两条进出线的装置。内桥接线用于线路较长，变压器不需要经常切换运行方式的装置。外桥接线用于线路较短，变压器需要经常切换运行方式，系统中有穿越功率的装置。

3. 远动基本概念：

远程测量（遥测）：应用通信技术，传输被测变量的测量值。

远程信号（遥信）：应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等。。

远程命令（遥控）：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。

远程调节（遥调）：应用通信技术，完成对具有两个以上状态的运行设备的控制。 运动：应用通信技术，完成遥测、遥信、遥控和遥调等功能的总称。

远动系统：对广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。

通道（信道）：在数据传输中，传输信号的单一通路或其一段频带。 调度中心（控制中心）：监视控制发电、输电或配电网运行的所在地。 主站（控制站）：对子站实现远程监控的站。 子站（被控站）：受主站监视和控制的站。

规约：在远动系统中，为了正确地传输信息，制定的关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定。

事故追忆：对事件发生前后的运行情况进行记录。

远动终端（RTU）：由主站监控的子站，按规约进行远动数据的采集、处理、发送、接受以及输出执行等功能的设备。

单向传输：只可在一个预定方向上传输数据。

半双工传输：可在两个方向上传输数据，但不能同时传输，只可交替地传输。 双工传输：数据传输可同时双向进行。 异步传输：以字符为单位，通过在字符前后加上起止位来达到收发双方保持同步的一种传输方式。

同步传输：是以固定的时钟节拍来发送数据信号，通过通知每一比特的出发和到达的时间来保持比特、帧或规约数据块的同步的一种传输方式。

调制：将数据信号转换为适合于模拟电路传输的信号（载波信号）的过程。

16

解调：从调制的载波信号中将原调制信号复原的过程。

移频键控：用数据信号控制载波信号频率变化的一种调制方式。

17