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華博士科普廳（四）：發電廠、變電站電氣部分
變電站的作用和構成是什么？ 
答：變電站是連接發電廠、電網和電力用戶的中間環節。為了把電力輸送到遠離發電廠的城鎮、工礦等負荷中心,通常在發電廠或發電廠附近,建立升壓變電站,由變壓器將發電機發出電能的電壓升高,然后通過輸電線路與電力系統連接,再經降壓變電站的降壓變壓器把電壓降到所需各級電壓,供給用戶使用。變電站主要有匯集和分配電力、控制操作、升降電壓等功能,通常由變壓器、高低壓配電裝置以及相應的建筑物等構成。
變電站的分類有哪些？
答：按作用分為升壓變電站、降壓變電站、樞紐變電站；按管理形式分為有人值班變電站、無人值班變電站；按結構類型分為屋外變電站、屋內變電站；按地理條件分為地上變電站和地下變電站。
變電站的規模有多大？
答：變電站的規模一般以電壓等級、變壓器總容量和各級電壓出線回路數來表示。電壓等級通常以變壓器的高壓側額定電壓表示,如35、10、220、330、500、750、100千伏變電站等。變壓器總容量,通常以全站主變壓器的容量總和來表示。各級電壓出線回路數,根據變電站的容量和工業區用戶來確定,如某一變電站有35千伏輸電線路5條、10千伏輸電線路4條以及10千伏用戶配電線路3條,該站就共有出線12回。
發電廠和變電站的電氣一次設備如何構成？
答：發電廠和變電站的電氣一次設備由發電機，變壓器，斷路器，隔離開關，熔斷器，互感器，消弧線圈，電抗器，電力電容器，調相機，絕緣子，載流導體，避雷裝置和接地裝置等部分構成。
變壓器是什么？
答：變壓器是電力系統的主要元件之一。它是一種靜止的電氣設備,有維護簡單、運行可靠的特點。目前用于電力系統的變壓器有常規型、自耦型兩種。常規型變壓器一般用于輸電(升壓)、受電(降壓)；自耦變壓器用于耦合不同電壓等級的電力系統。隨著電力系統容量的不斷擴大,單臺變壓器的容量也越來越大,現在投入使用較大的單臺變壓器有500千伏、840MVA三相雙繞組和330千伏、360MVA自耦變壓器等。
變壓器的作用：變壓器主要作用是變換電壓,它將一種等級的電壓變換成同頻率的另一種等級的電壓,這樣有利于電力的傳輸和分配。電壓經變壓器升高后,高電壓送電可以減少線路損耗,能達到遠距離經濟送電的目的。降壓變壓器把高電壓再變為用戶所需的各級電壓,滿足用戶需要。
斷路器是什么？
答：斷路器是發電廠和變電站的主要開關設備。無論被控制設備處在何種工作狀態(如負載、空載、故障),斷路器都能夠在規定的時間內可靠動作(接通或斷開)。
斷路器的作用：正常情況下,根據電力系統運行需要,通過斷路器將設備投入(接通)或退出(斷開)運行。當電氣設備或線路發生故障時,由繼電保護動作控制斷路器,使故障設備或線路從電力系統中迅速切除,保證電力系統內無故障設備的運行。
隔離開關是什么？
答：隔離開關俗稱刀閘。因沒有滅弧元件,不能用來切斷負荷電流,更不能切斷故障電流。與斷路器配合使用時,只有在斷開斷路器的情況下,才能進行操作。
隔離開關的作用：隔離開關主要作用是隔離電源,將需要檢修的設備與電源用一個明顯斷開點隔開，以保證電氣設備能安全地進行檢修或故障處理；也可用來改變運行方式,如在雙母線接線的電路中,可將設備或線路從一組母線切換至另一組母線上(俗稱倒母線)。
互感器是什么？
答：互感器包括電流互感器和電壓互感器。
互感器的作用：互感器是把高電壓和大電流按比例變換成適合儀表或保護裝置使用的低電壓(如100伏)和小電流(如5安或1安)。
(1)互感器與測量儀表配合,對設備和線路的電壓、電流、功率等進行測量。
(2)互感器與繼電器或保護裝置配合,對電氣設備和電力系統進行保護。
(3)互感器能使測量儀表、繼電保護裝置與電氣設備的高電壓隔離,保證運行值班人員的人身安全和二次設備的安全。
(4)將電路的電壓、電流變換成統一的標準值,以利儀表、繼電器等二次設備標準化。
消弧線圈是什么？
答：消弧線圈主要用于中性點不直接接地的電力系統中,當發生單相金屬性接地故障時,補償接地電容電流,使其值在允許的范圍內。
消弧線圈是一個帶有鐵芯的電感線圈,鐵芯具有間隙,以便得到較大的電感電流。線圈的接地側有若干個抽頭,以便在一定的范圍內分級調節電感的大小。消弧線圈一般接于變壓器或發電機的中性點。消弧線圈的補償方式有過補償、全補償、欠補償三種。
電抗器是什么？
答：電力系統中所采取的電抗器常見的有串聯電抗器和并聯電抗器。串聯電抗器主要用來限制短路電流,也有在濾波器中與電容器串聯或并聯用來限制電網中的高次諧波。
(一)功能
220、110、35、10千伏電網中的電抗器是用來吸收電纜線路的充電容性無功的。可以通過調整并聯電抗器的數量來調整運行電壓。超高壓并聯電抗器有改善電力系統無功功率有關運行狀況的多種功能,主要包括：
(1)輕空載或輕負荷線路上的電容效應,以降低工頻暫態過電壓。
(2)改善長輸電線路上的電壓分布。
(3)使輕負荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡,防止無功功率不合理流動,同時也減輕了線路上的功率損失。
(4)在大機組與系統并列時,降低高壓母線上工頻穩態電壓,便于發電機同期并列。
(5)防止發電機帶長線路可能出現的自勵磁諧振現象。
(6)當采用電抗器中性點經小電抗接地裝置時,還可用小電抗器補償線路相間及相地電容,以加速潛供電流自動熄滅,便于采用。
電力電容器是什么？
答：在交流網絡中所使用的感性負載,其阻抗含有較大的電抗分量。當它們接到交流電源上時,除了從電源吸收一部分有功功率外,還和電源之間進行著電場能量和磁場能量的交換。這部分交換的功率稱為無功功率。負載的無功功率越大，其功率因數越低。為了提高功率因數,減少線路電能損耗,改善電能質量，可采用并聯電容的辦法來補償無功功率。電力電容器的分類和用途如下：
1.移相電容器
用于補償電力系統感性負載的無功功率,以提高系統的功率因數,改善電壓質降低線路損耗;還可以直接與感應電動機定子繞組并聯,構成自激運行的異步發電裝置。
2.串聯電容器
用來補償線路的感抗,提高系統的動、靜態穩定性,改善線路的電壓質量,從而加長輸電距離和增大輸送能力。
3.耦合電容器
通常用來使高頻載波裝置在低電壓下與高壓線路耦合,并應用于控制、測量和保護裝置中。
4.濾波電容器
多用在整流器的濾波裝置中。
5.均壓電容器
一般并聯接于斷路器的斷口上,使各斷口間的電壓在開斷時分布均勻。
6.貯能電容器
正常運行時補償電容器充電貯能,故障時,控制母線電壓消失或下降,補償電容向繼電保護裝置和開關跳閘回路單獨放電,使其可靠動作。
調相機是什么？
答：調相機實際上是一個不帶機械負載運行的同步電動機。它裝于負荷中心的變電站,用以補償無功功率、改善功率因數。
絕緣子、母線是什么？
答：絕緣子又名瓷瓶,廣泛應用于發電廠和變電站的戶內、外配電裝置、變壓器開關電器及輸配電線路中,用來支持和固定帶電導體,使之與地絕緣,或作為帶電導體之間的絕緣。因此,要求絕緣子具有足夠的機械強度和絕緣性能,并能在惡劣環境(高溫、潮濕、多塵埃、污垢等)下安全運行。
在發電廠和變電站的各級電壓配電裝置中,將發電機、變壓器與各種電器連接的導線稱為母線。母線是各級電壓配電裝置的中間環節,它的作用是匯集、分配和傳送電能。
電纜是什么？
答：使用的電纜一般有電力電纜和控制電纜。電力電纜大量應用于一次接線中,控制電纜則大量應用于二次接線中。
(一)電力電纜的用途及優缺點
電力電纜是傳輸和分配電能的一種特殊電線,它被大量應用于發電廠和變電站中。它具有防潮、防腐和防損傷等特點。電纜可以直接埋在地下及敷設在隧道或溝里,也可以敷設在水中或海底。在城市或廠區,使用電纜可使市容和廠區整齊美觀并增加出線走廊。電纜的缺點是價貴,敷設、維護和檢修較為復雜。
(二)電力電纜的結構
電力電纜的基本結構由導電線芯、絕緣層和保護層三部分組成。為了改善電場的分布情況,減小切向應力,有的電纜加有屏蔽層。多芯電纜絕緣線芯間,還需增加填芯和填料,以便將電纜絞制成圓形。
發電廠和變電站的電氣二次回路如何構成？
答： 供、用電系統中,凡是對一次設備進行操作、控制、保護、測量的設備以及各種信號裝置,統稱為二次設備，有關的線路叫做二次回路。其任務是：通過對一次回路的監察、測量來反映一次回路的工作狀態,并控制一次系統；當一次回路發生故障時,能迅速切除故障部分,并發出信號,以保證一次設備安全、可靠、經濟、合理地運行。
常用的二次設備包括各種繼電器、熔斷器、切換開關、操作連接片、接線端子、蜂鳴器及警鈴等。二次回路按其性質則分為電流回路、電壓回路、操作回路及信號回路等。
二次回路的圖紙可分為原理圖、展開圖及安裝圖三種。
二次回路原理圖能清楚地表示出二次回路中各設備間的電氣聯系和動作原理。展開圖是根據原理圖將各元件按電氣連接的關系分解成各組成部分,分別畫在交流電流、交流電壓等各種回路中。展開圖中,各繼電器的觸點以及斷路器、隔離開關的輔助觸點的位置,都是以繼電器不帶電或斷路器、隔離開關等設備斷開時的位置為準。在展開圖的右側還常附有文字說明,以便更清楚地了解各回路的性質和作用。安裝圖則是根據原理圖和展開圖而繪制的全部元件位置和實際接線,據此進行次回路的安裝,表示方法是采用相對編號法。
在實際運行中,最常用的是二次展開圖,在二次回路查線、繼電保護校驗以及故障處理時都要用到。
斷路器的控制回路是什么？
答：斷路器的控制回路主要包括跳閘和合閘的電氣操作回路、監視跳閘和合閘回路完整性以及表示斷路器位置狀態(接通或斷開)的信號回路、防止其多次合閘的跳躍閉鎖回路等。控制回路由控制開關、斷路器的操動機構和控制電纜三部分組成。
電力系統繼電保護是什么？
答：在供電系統的運行過程中,往往由于電氣設備絕緣損壞、操作維護不當以及外力破壞等原因,造成短路事故或不正常的運行狀態。發生短路事故時,故障點產生的電弧可能將電氣設備燒毀；比額定電流大數倍至數十倍的短路電流的熱效應和電動力效應會加速電氣設備絕緣的老化或損壞設備；供電系統的瞬時電壓水平會降低而影響到用戶的生產；嚴重的短路事故除會造成全廠(站)停電外,還可能使電力系統的穩定受到破壞，使系統解列并造成地區大面積停電。因此,供電系統發生事故時,必須及時地采取有效措施迅速排除,以避免產生嚴重的后果。
當電力系統出現不正常的運行狀態(如中性點不接地系統的一相接地及電氣備過負荷等)時,繼電保護裝置能及時地發出信號或警報,通知運行值班人員進行處理；而當供電系統中發生事故時,它能自動地將故障切除,限制事故的范圍。
在供電系統中,還采用了備用電源自動投入等自動裝置,它與繼電保護裝置密切配合,從而提高了對用戶供電的可靠性。
電力系統自動裝置是什么？
答：（一）備用電源自動授入裝置
備用電源自動投入裝置(以下簡稱自投裝置)的作用是,當正常供電電源因供電線路故障或電源本身發生事故面停電時,它可將負荷自動切換至備用電源,使供電不至中斷。
對10千伏及以上電壓供電的重要負荷,可采用兩個電源進線斷路器的互投或兩段母線聯絡斷路器的自投裝置,也可以采用兩臺變壓器低壓側總斷路器的互投或母線聯絡斷路器的自動投入。
(二)自動重合閘裝置
自動重合間裝置也是一種反事故裝置。它主要裝設在有架空線路出線的斷路器上。
架空線路是供、用電系統中的一個薄弱環節,故障機會較多,但架空線上的事故大部分是瞬時性的,并非永久性的故障。自動重合閘裝置就是針對這一特點而設計的,即：當架空線路發生故障,由保護裝置動作將斷路器跳閘后,同時啟動自動重合閘裝置,經一定時限自動重合閘裝置使斷路器重新合閘恢復供電。若線路上故障屬瞬時性的,則重合成功供電不會中斷。若線路上的故障屬永久性的,則再由保護裝置將斷路器跳閘,自動重合閘裝置不再合閘。運行經驗說明,架空線路運行中自動重合閘裝置動作成功的比例約占70%左右,可見,自動重合閘裝置提高了供電的可靠性。一般架空線路均采用一次重合閘。
（清能院雷浩東博士修改審核）
責編：楊心蓓
