【正文】 、降壓變電站、用電設(shè)備構(gòu)成的電力系統(tǒng)完成了將電能傳輸?shù)接脩舻娜蝿?wù)，再在用戶處通過用電設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、熱能、光能等其它形式的能量。由于受到電源結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的限制，還考慮到交通運(yùn)輸?shù)钠款i，我國主要采用在資源豐富地區(qū)集中發(fā)電，然后遠(yuǎn)距離輸送到用電地區(qū)的輸電形式來滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電能的需要。由于受到絕緣水平和制造工藝的限制，發(fā)電機(jī)端發(fā)出的電壓僅為2030k v，由s=ui可知當(dāng)傳輸功率一定時(shí)，電壓越低，電流越大，傳輸過程中的電能損耗就越大，這樣到遠(yuǎn)距離的輸電線路末端，電壓將可能不能滿足用戶的要求，因此，為了降低電能損耗，提高末端電壓，必須將電壓升高，再進(jìn)行電力傳輸。因此，在發(fā)電機(jī)發(fā)出電后，須經(jīng)升壓變電站將電壓升高，再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。由于高壓操作維護(hù)較困難，且考慮到用戶安全，到達(dá)用電地區(qū)后再經(jīng)降壓變電站將電壓降低到供用戶使用的電壓，因此，變電站在電能的傳輸過程中具有不可替代的作用。變電站的設(shè)計(jì)是電網(wǎng)規(guī)劃的重要內(nèi)容。變電站的位置、變電站與系統(tǒng)的連接方式、變電站的容量、變電站的主接線形式等因素將影響電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性乃至影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此變電站設(shè)計(jì)需綜合考慮各方面的因素，慎重進(jìn)行。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)主要包括變電站個(gè)數(shù)及容量的確定、變電站之間的連接方式及供電范圍的確定等以建立優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展相繼出現(xiàn)了基于各種計(jì)算機(jī)算法的規(guī)劃方法，例如基于啟發(fā)式算法的電網(wǎng)規(guī)劃、蟻群算法在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用等等，這些方法的出現(xiàn)使電網(wǎng)規(guī)劃更加省時(shí)、有效。 變電站一次及二次設(shè)備的發(fā)展 變電站一次設(shè)備的發(fā)展由電力系統(tǒng)傳輸來的電能經(jīng)隔離開關(guān)、斷路器、然后經(jīng)過變壓器進(jìn)行電壓變換，將電能傳輸?shù)絽R流母線再進(jìn)行電能的分配。這些對(duì)電能進(jìn)行傳輸和變換的設(shè)備稱為電力系統(tǒng)的一次設(shè)備。一次設(shè)備的主要特點(diǎn)是高電壓，它的發(fā)展主要表現(xiàn)在絕緣水平和滅弧能力的提高，以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平；以及在故障情況下切斷故障的能力，以提高電能質(zhì)量。以斷路器為例，先后出現(xiàn)了磁吹斷路器、空氣斷路器、油斷路器、真空斷路器、六氟化硫斷路器。絕緣技術(shù)及斷流技術(shù)的發(fā)展使變壓器的容量也得以不斷擴(kuò)大，從而促進(jìn)了大規(guī)模電力系統(tǒng)的形成。 變電站二次的發(fā)展電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除了一次設(shè)備外，還需要對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測量控制等的裝置設(shè)備，以確保供電質(zhì)量，減少停電帶來的損失。這些對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測量、控制的設(shè)備稱為變電站的二次設(shè)備，由二次設(shè)備組成的系統(tǒng)稱為繼電保護(hù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)由互感器的二次側(cè)通過控制電纜連接到控制室內(nèi)，再引接到相應(yīng)控制屏的繼電器上，工作人員通過對(duì)控制屏的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備的控制。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變電站的二次系統(tǒng)正在向數(shù)字化、智能化發(fā)展。一次設(shè)備的信息通過互感器的二次側(cè)經(jīng)過模擬量輸入通道(由電壓變換器、濾波器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)組成)傳到控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)上，通過計(jì)算機(jī)對(duì)一次設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測量、控制，并且能通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信，使運(yùn)行人員能夠掌握整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使整個(gè)電力系統(tǒng)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。智能變電站通過加裝智能元件，從而使一次與二次，變電站與變電站之間的通信更加智能化，是電力系統(tǒng)的運(yùn)行的可控性進(jìn)一步加強(qiáng)。 電力系統(tǒng)發(fā)展階段的研究 電力工業(yè)的形成人類對(duì)電的認(rèn)識(shí)是從自然界中的雷電開始的，從摩擦起電到富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，人們認(rèn)識(shí)到它們來自電荷、定義導(dǎo)體與絕緣體、發(fā)現(xiàn)同性相斥異性相吸、發(fā)明萊頓瓶、避雷針的提出等重要的發(fā)明相繼出現(xiàn)，人們?cè)陔姷氖澜缋锊粩嗵剿?。磁在我國古代最早?yīng)用于指南針，從磁石到司南、指南魚、指北龜，人們認(rèn)識(shí)到地球的磁性，磁極是成對(duì)出現(xiàn)的、發(fā)現(xiàn)了地球的水平傾角、電流的磁效應(yīng)等重要的現(xiàn)象陸續(xù)被人們發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)磁的認(rèn)識(shí)越來越深。1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第在前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由電磁作用能產(chǎn)生不間斷的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，為電動(dòng)機(jī)的發(fā)展開辟了道路。1831年法拉第在經(jīng)過了多次的實(shí)驗(yàn)與觀察思考后提出了著名的電磁感應(yīng)定律：一個(gè)線圈中感生的感應(yīng)電流，其大小與單位時(shí)間中線圈所切割的磁力線多少成正比，與線圈電阻成反比。定律中提出割切磁力線的概念，清楚的說明了不論移動(dòng)磁鐵或是移動(dòng)線圈或是通斷另一個(gè)線圈中的電流，只要磁力線與線圈有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成割切磁力線，就能看到電磁感應(yīng)現(xiàn)象。為發(fā)電機(jī)的發(fā)明做了理論鋪墊。并于同一年由法拉第發(fā)明了世界上第一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)。在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上產(chǎn)生的交流電，1876年在電力照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。烏薩根利用交流電的優(yōu)點(diǎn)，利用感應(yīng)線圈改變了供電電壓，并于1882年在莫斯科全俄展覽會(huì)上展出了升壓變壓器及降壓變壓器。電機(jī)的進(jìn)步及交流電的應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)力來源問題得到解決，只要有人集中建造發(fā)電廠，再用導(dǎo)線就可以將電能輸送到各個(gè)工廠及千家萬戶，對(duì)每個(gè)用戶來說只要具備電動(dòng)機(jī)就成為動(dòng)力來源了。這無疑為工業(yè)的迅速發(fā)展創(chuàng)造了條件，加速了電氣化時(shí)代的到來。1875年，法國巴黎建成世界上第一座火力發(fā)電廠，標(biāo)志著世界電力時(shí)代的到來。與世界有電的歷史幾乎同步，1879年，中國上海公共租界點(diǎn)亮了第一盞電燈，隨后1882年在上海創(chuàng)辦了中國第一家公用電業(yè)公司——上海電氣公司。從此中國翻開了電力工業(yè)的第一頁。1891年，德國勞芬電廠建設(shè)世界上第一臺(tái)三相交流發(fā)電機(jī)，使電力既用于照明又用于電力拖動(dòng)，開創(chuàng)了大功率遠(yuǎn)距離輸電的歷史。電力的廣泛應(yīng)用，電力需求的不斷增加，推動(dòng)電力技術(shù)不斷發(fā)展。 發(fā)電廠的建設(shè)與電力傳輸美國在1879年在舊金山建成實(shí)驗(yàn)電廠向用戶出售電能，主要是供用戶照明使用，英國霍爾本電廠、俄國彼得堡電廠先后建成。從發(fā)電廠向用戶輸送電能的問題，早在1873年法國佛泰因在維也納國際博覽會(huì)上用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，輸電到一千米以外的電動(dòng)機(jī)，成功的驅(qū)動(dòng)了一臺(tái)水泵。1874年俄國的皮羅茨基進(jìn)行了直流輸電的實(shí)驗(yàn)，并申請(qǐng)了專利。1876年俄國雅布羅契柯夫用交流向路燈輸電并采用開磁路的最早的變壓器。1880年在俄國《電》雜志中拉契諾夫提出：當(dāng)輸電距離加長或傳輸?shù)碾娔茉黾訒r(shí)必須升高電壓。1882年他在法國建造了57千米的輸電線，將密士巴赫水電站的電能輸送到巴黎博覽會(huì)，功率約為3馬力，始端電壓為1413v，終端電壓為850v，線路損失高達(dá)總能量的78%。1885年他又建成自瓦利爾到巴黎的輸電線，距離為56km，這次將始端電壓提高到6000v，線路損失降低到總能量的55%，因?yàn)椴捎玫氖侵绷麟娎^續(xù)提高電壓是很困難的，現(xiàn)在看來這個(gè)輸電效率是太低了，但是能夠遠(yuǎn)距離傳輸電能在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是一個(gè)突破了。由于交流電可以用變壓器很方便的提高或降低電壓，同時(shí)交流電機(jī)制造方便、成本低廉，不會(huì)產(chǎn)生換向故障等優(yōu)點(diǎn)，交流電得到廣泛應(yīng)用。1886年美國開始建造交流發(fā)電廠，功率為6kw，用單相供電，歐洲又陸續(xù)建成一些發(fā)電廠。1888年多里沃—多布羅夫斯基創(chuàng)立三相制，在1991年建成由法國勞芬水電廠至德國法蘭克福的三相交流高壓輸電線路。在始端采用390/15200v的升壓變壓器，在終端建有兩座變電所將電壓降低。輸電效率已達(dá)到80%以上，經(jīng)濟(jì)效益比較顯著，此后的交流輸電大都采用三相制了。美國1882年僅有發(fā)電廠3座，至1902年電廠數(shù)目已達(dá)3621座，發(fā)展十分迅速。歐洲各國興辦電廠數(shù)目也迅速增加，電力工業(yè)已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)部門了。隨著發(fā)電廠的建立，需要有通斷大電流、耐受高電壓的開關(guān)電器，20年代最簡單的開關(guān)是金屬棒與盛有水銀的容器。接通時(shí)就將金屬棒插入水銀中，斷開時(shí)將棒提起。這種開關(guān)比較笨重，價(jià)錢也很貴，使用時(shí)要操作幾次才能保證接觸良好，這迫使人們尋求更好的開關(guān)。除了在接通后開關(guān)觸點(diǎn)要接觸良好外，隨著功率和電流的增大，開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的火花就成為電弧了。電弧的高溫可以使觸點(diǎn)燒壞，甚至熔化，造成傷人或火災(zāi)。因此必須設(shè)法使電弧及早熄滅，使電路的分?jǐn)喑晒Α?893年多里沃—多布羅夫斯基設(shè)計(jì)成自動(dòng)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)具有過載時(shí)自動(dòng)切斷保護(hù)發(fā)電機(jī)的作用。1897年英國工程師布朗取得羊角形出頭的斷路器專利。1895年英國費(fèi)朗梯取得油斷路器專利。電力傳輸技術(shù)的發(fā)展，表現(xiàn)在電壓等級(jí)的不斷提高。因?yàn)檩旊娋€傳送電能的容量、距離和效率都與電壓的等級(jí)有密切的關(guān)系。1906年發(fā)明了懸鏈?zhǔn)浇^緣子，它比針柱式絕緣子耐受的電壓可以提高很多倍，而且機(jī)械強(qiáng)度也大為增加，可以承受更粗重的導(dǎo)線。分裂導(dǎo)線的發(fā)明使高壓導(dǎo)線上的電暈損失減少。高壓斷路器出現(xiàn)多種類型，特別是滅弧技術(shù)不斷改進(jìn)。早期的自然熄弧發(fā)展為磁吹、油吹、高壓空氣吹弧等多種方法，增強(qiáng)了斷路器的分?jǐn)嗄芰Γ藗冇盅兄屏肆驓怏w密封式高壓電器及輸電管道。這些技術(shù)使高壓及超高壓的大功率遠(yuǎn)程輸電線路陸續(xù)實(shí)現(xiàn)[1]。1908年美國開始出現(xiàn)110kv輸電線路，到1922年又建成150kv線路，1923年再將輸電電壓提高到220kv，隨后歐洲許多國家也都建成220kv線路。1936年美國建成287kv輸電線。1959年蘇聯(lián)建成500kv輸電線。我國在70年代建成了西北的330kv線路，80年代建成了東北、華中、華北的500kv輸電線，并形成了近十個(gè)大型電力系統(tǒng)[2]。 電力系統(tǒng)的形成早期向電力負(fù)荷供電采用單臺(tái)發(fā)電機(jī)供電的方式，從發(fā)電廠發(fā)出的電力直接經(jīng)過架設(shè)輸送和分配電力的線路到用戶。如果用戶離發(fā)電廠較遠(yuǎn)，就需要通過升壓變電站的升壓變壓器才能輸送過去。到了用戶附近時(shí)在經(jīng)過降壓變電站的降壓變壓器把電壓降到用戶合適的電壓供用戶使用。這種由單臺(tái)發(fā)電機(jī)供電的方式，由于用戶的用電隨著季節(jié)、日月、晝夜而不同。高峰時(shí)的負(fù)荷與平均數(shù)相差很大，發(fā)電機(jī)大了成本太高，輕載時(shí)效率又太低。另外，雷電的發(fā)生、設(shè)備故障以及開關(guān)操作引起的過電壓都會(huì)引起用戶用電的中斷。為了克服上述缺點(diǎn)，我們把發(fā)電廠通過電力線路連接起來(如果各個(gè)發(fā)電廠機(jī)組發(fā)出的電壓等級(jí)不同，則還需要通過變壓器變成同一電壓等級(jí)才能連接)，從而組成電力系統(tǒng)。目前，全國出現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的趨勢，可以產(chǎn)生更顯著的經(jīng)濟(jì)效益：(1)更經(jīng)濟(jì)合理的開發(fā)一次能源，優(yōu)化電能資源配置，實(shí)現(xiàn)水、火電資源的優(yōu)勢互補(bǔ)。電網(wǎng)互聯(lián)可在煤炭豐富的礦區(qū)建立超臨界、超超臨界汽輪機(jī)組，高效率、低成本的大型水電廠，充分發(fā)揮水電和火電在電力系統(tǒng)中的互補(bǔ)作用。(2)降低互聯(lián)的各電網(wǎng)總的高峰用電負(fù)荷，提高提高發(fā)電機(jī)組的利用率。減少總的裝機(jī)容量。由于各區(qū)域電網(wǎng)的用電構(gòu)成、負(fù)荷特性、電力消費(fèi)習(xí)慣存在一定差異，各電網(wǎng)的年負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線和日負(fù)荷曲線將不同，使得各電網(wǎng)高峰用電負(fù)荷可能不出現(xiàn)在同一時(shí)間，相互錯(cuò)開。這樣互聯(lián)電網(wǎng)總的日高峰負(fù)荷、周高峰負(fù)荷和年高峰負(fù)荷不是各電網(wǎng)高峰負(fù)荷的線性相加，使得互聯(lián)電網(wǎng)總的高峰負(fù)荷比各電網(wǎng)高峰負(fù)荷之和低，互聯(lián)電網(wǎng)總的日負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線、年負(fù)荷曲線與各被互聯(lián)電網(wǎng)的相應(yīng)負(fù)荷曲線相比，峰谷差減少。因此，在整個(gè)電網(wǎng)同樣運(yùn)行容量的條件下，可向用戶提供更多的電力，從而提高發(fā)電機(jī)組的利用率。換句話說，在滿足同樣負(fù)荷水平條件下，整個(gè)電網(wǎng)可減少裝機(jī)容量，因此，電網(wǎng)互聯(lián)可產(chǎn)生較好的錯(cuò)峰效益。檢修和緊急事故備用互助支援，減少備用發(fā)電容量。(3)為了確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和向用戶連續(xù)不間斷的供電，電力系統(tǒng)無論大小都必須既有運(yùn)行備用、檢修備用又有事故備用。電網(wǎng)互聯(lián)以后，滿足同樣容量負(fù)荷水平的發(fā)電容量水平將減少，整個(gè)系統(tǒng)備用容量一般按期望的尖峰負(fù)荷的一定百分比安排，另外，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)單一元件故障的容量不會(huì)因聯(lián)網(wǎng)而增加，這樣，整個(gè)系統(tǒng)的備用容量可相應(yīng)減少。對(duì)各被聯(lián)電網(wǎng)來說它可享受到整個(gè)系統(tǒng)的備用容量，因而減少了本身的備用容量。由于各區(qū)域電網(wǎng)可分享備用容量，在出現(xiàn)事故時(shí)最有效的利用現(xiàn)有發(fā)電容量，進(jìn)行緊急事故的相互支援，從而減少用于備用的安裝容量。(4)提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和供電質(zhì)量。(5)安裝高效率、低成本大容量機(jī)組和建設(shè)更大容量規(guī)模電廠，產(chǎn)生更大規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，為了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，確保連續(xù)、可靠供電，單臺(tái)機(jī)組和但各電廠的容量占系統(tǒng)容量的比例應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，具體比例由各國電力系統(tǒng)安全導(dǎo)則按照停電造成的社會(huì)影響確定，一般應(yīng)保持在10%的范圍內(nèi)。由于電網(wǎng)互聯(lián)后。整個(gè)系統(tǒng)容量增加，單臺(tái)機(jī)組和電廠規(guī)模可加大，更多的投入大型、特大型高效率機(jī)組，從而是整個(gè)系統(tǒng)火電廠的供電煤耗率和供電成本以及電廠運(yùn)行、維護(hù)和管理的成本降低[2]。 電力系統(tǒng)的發(fā)展電力系統(tǒng)中為了減小事故造成的損失，保護(hù)人身及設(shè)備安全，必須有保護(hù)的設(shè)施。最早的保護(hù)設(shè)備只是簡單的熔斷器、避雷器、自動(dòng)斷路器等。隨著機(jī)組的加大和電壓的提高，陸續(xù)研制出各種繼電器及量測設(shè)備，組成保護(hù)電路。繼電保護(hù)已經(jīng)發(fā)展成為電廠中的一種專門技術(shù)了。除了事故處理外，在系統(tǒng)的正常運(yùn)行中仍然需要進(jìn)行一些調(diào)度工作，以適應(yīng)用戶負(fù)荷的變化和機(jī)組的情況，使系統(tǒng)的總體效率提高。這方面已經(jīng)進(jìn)行了很多研究：例如電能的潮流分布、短路電流的計(jì)算、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判定、過電壓分布等，又如勵(lì)磁調(diào)節(jié)技術(shù)、無功功率的補(bǔ)償、水電火電的配合、抽水蓄能方法、調(diào)峰技術(shù)等等，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。但是，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中牽涉的環(huán)節(jié)太多，出現(xiàn)的情況千變?nèi)f化，直到現(xiàn)在人們的技術(shù)水平還不能完全適應(yīng)需要，包括歐美很先進(jìn)的國家也一再出現(xiàn)電力系統(tǒng)失控，造成大面積停電。因此對(duì)電力系統(tǒng)的研究正在進(jìn)一步的發(fā)展中。 變電站的基本知識(shí)我們所使用的交流電主要是由交流發(fā)電機(jī)提供的，由于受絕緣水平的限制，發(fā)電機(jī)輸出端發(fā)出的電壓一般低于30kv，用這樣低的電壓將電能進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送事實(shí)上是不可能的，為此需要利用升壓變壓器將電壓升高后，然后再將電能進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，到用電負(fù)荷所在地區(qū)后，由于用電設(shè)備多是低壓設(shè)備，所以用高壓將電能輸送到用電地區(qū)后，還必須利用降壓變壓器降低電壓，才能供給用戶使用。因此，電壓變換在電力生產(chǎn)過程中是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。進(jìn)行電壓變換就需要相應(yīng)的電氣設(shè)備及其控制裝置和保護(hù)裝置，將這些變電設(shè)備按其功能和規(guī)定要求組合起來就成為變電站。變電站的主要電氣設(shè)備有電力變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線及各種無功補(bǔ)償裝置。 變電站的作用在電力系統(tǒng)中，變電站主要擔(dān)負(fù)著電壓變換這一重要任務(wù)，其作用概括如下：(1)提高輸電電壓，減少電能損失。電能在輸送過程中由于電流的熱效應(yīng)，就要產(chǎn)生電能損失，且電能轉(zhuǎn)化為熱能的損失數(shù)量和電流的平方成