220kV变电站的研究综述

摘要：本文介绍了国内外变电所的发展情况，概括了我国变电所的发展前景，指出了变电所发展过程中存在的一些问题，提出了变电所继电保护技术的发展趋势，同时概述了变电站的主要组成部分及各部分的作用，并且简单阐述了220kV变电所整体设计的基本思路。

关键词：变电所；国内外；现状；存在问题；发展趋势

220kV Substation Research

Abstract： This article describes the development of a substation at home and abroad, and outlines the prospects for the development of China's substation, and pointed out some problems in the substation development process, the proposed substation relay protection technology trends, and outlined the major component of the role of the various parts of the substation, and briefly discusses the basic idea of the overall design of 220kV substation.

Key words: Substation; home and abroad; the status quo; problems; trends

前言

本课题来源于生产实践，其研究的内容以及变电站的研究水平不仅与我们的生活息息相关，还对我们的生活和生产起着至关重要的影响。

随着工业时代的发展，电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理的驾驭电力必须从电力工程的设计原则和方法上理解和掌握其精髓，提高电力系统的安全可靠性和运行效率，从而达到降低生产成本提高经济效益的目的。随着高新技术的发展和应用，对电能质量和供电可靠提出了新的要求，高压、超高压变电站的设计和运行系统必须适应这种新形势，因此，改善电网结构，提高供电能力与可靠性以及综合自动化程度，以满足日益增长的社会需求是电力企业的首要目标。

进入21世纪后，我国电力仍将以较高的速度和更大的规模发展，电源和电网建设的任务仍很重。作为发电厂和用户的中间环节，变换和分配电能的重要组成部分，将面临电力体制改革和技术创新能力的双重挑战，如何合理的设计一个变电所，使之在技术上、管理上适应电力市场化体制和竞争需要，促使电网互联范围的不断扩大，是这次设计的主要目的。

1 国外研究现状

目前一些发达国家的电能极度紧缺，电力资源紧缺是制约他们发展的一个重要因数。为了满足需求这些国家通过各种方式来降低电能的损耗，比如说增高电压就是一种比较方便、实用的方法，这些国家已经形成了比较完善的变电设计理论。比较完善的变电站设计理论是真正做到了节约、集约、高效等特点。总之，发达国家通过改善变电站结构，降低变电站功率损耗，尽可能地提高变电所的灵活性，最终达到提高经济性的目的。

2 我国电力系统现状

2.1 电力建设成就

中国电力工业始于1882年。新中国成立前，电力工业发展缓慢，1949年发电装机容量和发电量仅为185万千瓦和43亿千瓦时，分别居世界第21位和第25位。新中国成立后，电力工业得到快速发展，1978年发电装机容量达到5712万千瓦，发电量达到2566亿千瓦时，分别跃居世界第8位和第7位。1978年改革开放到2000年，我国发电装机和发电量先后超越法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本，居世界第2位。1987年发电装机突破1亿千瓦，1995年超过了2亿千瓦，2000年跨上3亿千瓦台阶。进入新世纪，电力工业进入历史上的高速发展阶段，2004年全国发电装机突破4亿千瓦，2005年超过了5亿千瓦。

2.2 电力技术水平的发展

改革开放之前，我国发电设备只能生产12.5万千瓦和20万千瓦等级及以下的机组，输变电设备只能生产220千伏及以下的装置。随着电力工业的技术装备水平不断提高，我国成批量生产的30万千瓦和60万千瓦机组已成为国内的主力机型。目前,60万千瓦、90万千瓦超临界机组已经投产发电，国产百万千瓦级超超临界机组也即将投产。通过引进国际先进技术，国内合作生产的30万千瓦大型循环流化床锅炉发电设备、9F级联合循环燃气轮机、60万千瓦级压水堆核电站和70万千瓦三峡水轮机组等发电设备在性价比上已经具有了国际竞争力。同时，国内制造厂家生产制造的500kV交直流输变电设备已成为电网的骨干输电网架。西北750 千伏交流输变电示范工程和河南灵宝背靠背成套设备已建成投产。但是，在有些方面我国同国际先进水平相比仍有一定差距，如百万千瓦级核电站的设备制造。

2.3 城市变电站的发展状况

随着城市中心地区的用电负荷迅速增长,形势迫使在城市电网加快改造和建设的同时,在中心城区要迅速地建设一批高质量的城市变电站,在多种变电站的型式中户内型变电站受到各方面的重视,在这几年中得到飞速发展。

2.4 变电所综合自动化的发展现状

变电所自动化系统的基本功能包括：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电所其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等。变电站综合自动化是当前变电站发展的一个重要部分。变电站综合自动化改造是指利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、控制、保护以及与调度通信等综合性自动化功能。近年来，传统的变电站已经远远不能满足现代电力系统管理模式的需求，将变电站由常规站改造为综合自动化站已渐渐成为一种趋势。

2.4 变电所继电保护的发展现状

2.4.1 我国继电保护发展历程

随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，我国电力系统继电保护先后经历了四个不同的发展时期：2O世纪50年代是机电式继电保护，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。60年代广泛采用的是晶体管继电保护，而到了80年代集成电路继电保护取代了晶体管继电保护，60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。从90年代开始，继电保护已经进入了微机保护时代，由于微机保护不仅具有传统的继电保护和自动装置的功能，而且还具有实时参数显示、故障测距、故障滤波等功能，从而大大提高了继电保护的可靠性和准确性。随着改革开放的不断深入、国民经济的快速发展，电力系统继电保护技术将为我国经济的大发展做出巨大贡献。

2.4.2 我国电力系统继电保护的发展现状

(1)微机在继电保护中的大量普及

利用微型计算机超强的数学运算能力和逻辑处理能力，应用其独特、优秀的原理和算法，从而提高保护的性能是微机保护的最大优势。

(2)继电保护与前沿技术相结合如今的继电保护技术已经逐步实现网络化和测量、控制、保护、数据通信—体化。继电保护通过与这些社会前沿技术相结合，大大提高了继电保护的可靠性和电网的运行水平。

(3)使用人工智能(AI)、自适应控制算法等先进手段。

(4)性能优良的数字控制器件的使用。

(5)现代化的技术管理手段得到应用。

2.4.3 继电保护新技术

许多新技术都不断应用到继电保护的领域,例如IT技术的应用,实现了保护、控制、测量、数据通信一体化；应用人工神经网络,可以解决复杂的非线性化问题；应用光电互感器解决电流互感器的饱和问题；应用可编程控制器( PLC) 代替传统的机械触点继电器等等。

3 变电所发展趋势

3.1 整个系统的数字化、集成化、规范化

当前变电所自动化的发展趋势将会不断朝着高集成化、数字化、标准化方向发展。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路将会进一步应用在继电保护和测控装置上，这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加小型集成化。高集成化可以使装置通信、数据存储及处理能力更强，降低成本，减少故障率，有利于实现统一的运行管理。数字化是指变电站自动化系统的整体数字化、信息化以及与电力整体的协调操作。随着变电所一次设备的智能化，如智能开关设备、光电式电压和电流互感器和各类智能电子装置的出现和应用，变电所自动化将进人数字化阶段，有利于改进和优化现有的保护和控制功能。变电所自动化系统将逐步向产品标准化方向发展。具体表现在：产品基本功能设计和要求的标准化及产品的对外接口和通讯协议的标准化，变电所内不同厂家的设备可以做到互换互连，“即插即用”增加了用户选择变电所内各类设备和更换设备的自由度，同时不满足标准化设计的厂商将被逐步淘汰，使变电所自动化专业逐步走向良性的发展。

3.2 新型变电站——预制装配式变电站

预制装配式变电站从施工实际出发,打破以往的固化施工模式,由原来传统的户外型变电站、户内型变电站及地下或半地下型变电站建设,逐步发展成各部件由厂家按照通用规范分模块在工厂内预制、调试完成,到现场只需要进行拼装连接和再调试,大大缩短建设周期,减少维护。同时大大减少变电站的占地面积及建筑面积,节约了资源。符合国家电网公司推行的“两型一化”变电站土建设计要求,是变电站未来的发展方向。“预制装配式变电站”源于“两型一化”思路,它的特点就是注重新技术、新材料、新工艺集成应用,注重先进管理方法应用,注重资源节约,环境友好,工厂化生产,剥离冗余功能,注重系统优化、全局优化、费用优化。同时,可根据实际施工情况来并行施工,大大缩短施工工期。预制装配式变电站是对国家电网公司推行的“两型一化”及“全寿命周期”变电站的有益尝试,充分体现了其特点和优越性,明显缩短了施工工期,节约了资源,为未来变电站的发展指明了方向,值得推广。

3.3 我国电力系统继电保护技术的发展趋势

我国电力系统继电保护技术在经历了从建国初期到现在的三个阶段的发展之后，将会向更加智能化、网络化、信息化的方向发展。

(1)继电保护综合自动化

继电保护装置在现代化的网络条件下可以说是一种多功能的计算机装置，在整个计算机网络系统中可以看作是—个智能终端。在网络化的条件先实现了从网上获得电力系统运行和故障信息和数据，或者将接收到的被保护元件的信息和数据输送给网络控制中心或者终端。从保证电力系统的安全运行角度出发，继电保护的综合自动化将会是一个不可逆转的发展趋势，各个问题将会随着其进一步发展而逐步得到解决。

(2)继电保护技术智能化

近年来，人工智能技术在各个领域已经得到了广泛的应用。在电力领域应用的研究也已经开始。如神经网络、遗传算法、模糊逻辑等在电力系统的各个领域已经开始应用。

4 变电所主要电气设备及其作用

变电所由主接线、主变压器、高、低压配电装置、继电保护和控制系统、所用电和直流系统、远动和通信系统、必要的无功功率补偿装置和主控制室等组成。

(1)高压断路器（或称高压开关）线路正常时，用来通断负荷电流；线路故障时，用来切断巨大的短路电流。断路器具有良好的灭弧装置和较强的灭弧能力。按灭弧介质划分，断路器分为油断路器、空气断路器、SF6断路器等。

(2)负荷开关 线路正常时，用来通断负荷电流，但不能用来切断短路电流。负荷开关只有简易的灭弧装置，其灭弧能力有限。负荷开关在断开后具有明显的断开点。

(3)隔离开关（或称高压刀闸）隔离开关没有灭弧装置，其灭弧能力很小。仅当电气设备停电检修时，用来隔离电源，造成一个明显的断开点，以保证检修人员的工作安全。

(4)高压熔断器 在过负荷或短路时，能利用熔体熔断来切除故障。在某些情况下，熔断器可与负荷开关或隔离开关配合使用，以代替价格昂贵的高压断路器，以节约工程投资。

(5)电流互感器 将主回路中的大电流变换为小电流，供计量和继电保护用。电流互感器二次侧额定电流通常为5A或1A，使用中二次侧不允许开路。

(6)电压互感器 将高电压变换成低电压，供计量和继电保护用。电压互感器二次侧额定电压通常为100V，使用中二次侧不允许短路。

(7)避雷器 避雷器主要用来抑制架空线路和配电母线上的雷电过电压可操作过电压，以保护电器设备免受损害。

(8)所用变压器向变电所内部动力及照明负荷、操作电源提供电力。

综上所述，选择合适的电气设备是变电站设计中至关重要的任务。

5 变电所设计过程满足的要求

随着经济的发展和现代工业建设的迅速崛起，供电系统的设计越来越全面、系统，工厂用电量迅速增长，对电能质量、技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。设计是否合理，不仅直接影响基建投资、运行费用和有色金属的消耗量，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面，它和企业的经济效益、设备人身安全密切相关。

变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。

变电所要很好的为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能和环境保护工作，就必须达到以下基本要求：

(1)安全：在电能的供应、分配使用中，不应发生人生事故和设备事故。

(2)可靠：应满足电能用户对供电可靠性即连续性供电的要求。

(3)优质：应满足电能用户对电压和频率等的质量要求。

(4)经济：供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗。

此外，在供电工作中，应合理的处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观念，能顾大局，适应发展。例如计划用电问题，就不能只考虑一个单位的局部利益，更要有全局观念。

6 220kV变电所设计的基本思路

本次变电所设计的基本思路如下：

本220kV变电站设计对变电站内最重要的电气设备如主变压器、导线、电气设备等元器件进行选择。

（1）根据符合的性质以及容量确定电气主接线的形式和变压器台数与容量

（2）短路电流的计算

（3）主要电气设备的选择

（4）高低压母线和导线的选择

（5）继电保护部分的设计

（6）防雷与接地设备选择

7 结论

本文通过阅读大量书籍、论文、刊物等专业资料整理总结而成，目的是为设计220kV降压变电站做准备，通过阅读大量参考文献对我国电力系统现状有了一定的了解，同时对本次220kV降压变电设计有了一个初步的设计思路，知道了所需要的知识有哪些，设计过程中应注意哪些问题等等。设计是否合理，不仅直接影响基建投资、运行费用和有色金属的消耗量，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面，它和企业的经济效益、设备人身安全密切相关。

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