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技术答疑

输变电系统由哪些设备组成?

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,除了所示的变压器、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。
 
输变电系统设备组成
 
1—变压器;2—导线;3—绝缘子;4—互感器;5—避雷器;6—隔离开关;7—断路器
 
    下面,对输变电系统的主要电气设备及其功能进行简单介绍。
 
    (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。
 
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    (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:① 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;② 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;③ 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。
 
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电的输送和分配
 
电能是最方便和最清洁的终端能源,是现代人类社会对能源最主要的利用方式。大规模的电能从生产到使用要经过发电、输电、配电和用电四个环节,这四个环节组成了电力系统。所以说,电力系统就是由分布在辽阔地域的发电厂、变电站、输配电线路、用电设备等组成的大型互联系统,也是最大的人造能量传送系统。现代电力系统具有规模巨大、结构复杂、运行方式多变、非线性因素众多、扰动随机性强等基本特征。由于电力系统中缺乏大容量的快速储能设备,所以电能的生产和使用在任意时刻都必须保持基本平衡。20世纪以来,电能的消耗量稳步上升,每10年约增长1倍。随着我国用电负荷的强劲增长以及输电容量和规模的日益扩大,我国电网的发展趋势将可能在跨省(区)超高压电网之上逐步形成以实现远距离、大规模、低损耗输电为特征的特高压电网。
 
    下面,分别对电力系统中的发电、输电、配电和用电四个环节进行简述。
 
    常见的发电方式主要有以下几种:① 火力发电,利用燃烧煤炭、石油、液化天然气等燃料产生的热能,使锅炉水管中的水受热成为高温高压的蒸汽,并推动汽轮机转动,进而带动发电机发电;② 水力发电,通过筑坝将位于高处的水向低处流动时的位能转换为动能,此时装设在水道低处的水轮机受到水流的推动而转动,将水轮机和发电机相连接,带动发电机转动,将机械能转换为电能;③ 核能发电,如利用核能将反应堆中的水加热产生蒸汽,在蒸汽的推动下,汽轮机带动发电机转动产生电能;④ 风力发电,利用风力推动风车带动发电机发电;⑤ 太阳能热发电,利用聚热装置将太阳热能聚集并加热水管中的水产生蒸汽,进而带动涡轮发电机发电;⑥ 太阳能光发电,将具有光电效应的硅材料制成太阳能电池板,通过接受太阳光能的照射将光能转变成电能。此外,还有磁流体发电、潮汐发电、海洋温差发电、波浪发电、地热发电、生物质能发电等多种发电方式。但是目前大规模的发电方式主要还是火力发电、水力发电和核能发电。
 
    输电是将发电厂发出的电能通过高压输电线路输送到消费电能的地区(也称负荷中心),或进行相邻电网之间的电力互送,使其形成互联电网或统一电网,以保持发电和用电或两个电网之间供需平衡。输电方式主要有交流输电和直流输电两种。通常所说的交流输电是指三相交流输电。直流输电则包括两端直流输电和多端直流输电,绝大多数的直流输电工程都是两端直流输电。如图1-1 所示,对于交流输电而言,输电网是由升压变电站的升压变压器、高压输电线路、降压变电站的降压变压器组成的。在输电网中输电线、杆塔、绝缘子串、架空线路等称为输电设备;变压器、电抗器、电容器、断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、电压互感器、电流互感器、母线等变电一次设备和确保安全、可靠输电的继电保护、监视、控制和电力通信等变电二次设备等要集中在变电站内的设备统称为变电设备。对于直流输电来说,它的输电功能由直流输电线路和两端的换流站内的各种换流设备包括一次设备和二次设备来实现。
 
    配电是在消费电能的地区接受输电网受端的电力,然后进行再分配,输送到城市、郊区、乡镇和农村,并进一步分配和供给工业、农业、商业、居民以及特殊需要的用电部门。与输电网类似,配电网主要由电压相对较低的配电线路、开关设备、互感器和配电变压器等构成。配电网几乎都是采用三相交流配电网。
 
    用电主要是通过安装在配电网上的变压器,将配电网上电压进一步降低到380V线电压的三相电或220V相电压的单相电,然后经过用电设备将电能转换为其他形式的能量。
 
    综上所述,输电网和配电网是联系电力生产与消费的必不可少的环节。
 
 

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