Metso D200137 变电站和开关站设计考虑因素:尺寸、负荷、成本

　　当在O&M的发电厂或输配电设施中担任电厂操作员或维护工程师时，对开关站开关方案和变电站设备(如变压器、断路器、隔离开关和母线)的深入了解对于定位和识别故障时的安全操作非常重要。

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　　开关设备和变电站由隔离开关、断路器、母线和接地开关组成，在将电力从发电源输送到用户的过程中起着至关重要的作用。母线开关方案有多种变化，母线分段器将母线分成多个部分，为任何需要拆除进行维护的设备提供了灵活性。接地棒和金属板由用于开关站和变电站安全的特定材料制成。开关站设备通常防水且坚固，需要的维护较少。

　　变电站和开关设备

　　水力发电厂通常远离大城市，电力通过输电线路输送到很远的地方，并转换成不同的电压等级。变电站是用于发电或消耗之外的目的的设备的集合，电能通过它在分配之前进行切换或修改其特性，如从交流到DC，从高电压到低电压的转换，反之亦然。

　　开关站通常由隔离开关、接地、断路器、母线和自动变压器组成，并配有一个保护系统，该系统接收发电厂发电机的电力并通过其进行调度输电线路(例如，220千伏/500千伏)。

　　术语“变电站”通常适用于从一条或多条输电线接收电力并将其分配的设备类型，通常以较低的电压分配给配电电路。当电力需求高而频率低时变电站卸下负载。

　　开关站中安装了以下类型的组件:

　　电力和自耦变压器

　　用于计量目的和继电器保护输入的电流/电压互感器(CT/PT)

　　母线

　　出于维护目的隔离特定部件的隔离器或隔离开关

　　断路器分别在正常和异常情况下中断和断开(例如短路)电路中出现的电流

　　陷波器或线路陷波器阻挡高频信号，在实际应用中，用于通过传输线在两个变电站之间进行通信(语音和数据)

　　继电器用于保护发电机、变压器和母线

　　接地开关用于接地和短路电路

　　开关装置

　　提供最大灵活性的开关装置通常是最昂贵的，因为为了维护或检修的目的，必须为任何要移除的设备维护更多的设备。考虑以下因素以做出最终决定:

　　目的是提供一个不间断电源顺畅

　　进线和发电机的尺寸和数量

　　初期投资和后期运营维护需求计划

　　用于未来扩展的物理空间，以容纳新线路和发电机组

　　馈线的数量和负载的特性。

　　正常的天气状况。

　　单母线

　　如图1所示，单总线方案有一个优点:成本低廉，易于实施和操作。发电机和馈线都连接到一条公共母线上。任何一个断路器的故障都会使一个发电机组或馈电线停止工作，但是一个总线故障会使整个工厂停工。该方案仅在涉及少量功率的情况下使用，并且没有冗余，因此为了维护，整个母线必须断电。

　　图一。带有三台发电机和三条馈电线的单母线方案，每条馈电线都带有隔离开关和断路器。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　备用母线

　　增加了一条备用母线和一个额外的断路器。这种方案的优点是，可以在不关闭发电机或馈线的情况下，出于维护和修理目的移除任何断路器。主母线上的维护仍然需要完全关闭，或者需要在没有保护的备用母线上运行。备用母线方案2比单母线略贵。

　　双母线，单断路器

　　如图2所示，双母线、单断路器是最便宜的，因为它允许在不停电的情况下进行母线维护。断路器故障仍然需要停止馈线或发电机的运行。

　　图二。双母线单断路器方案。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　双母线，双断路器

　　图3中提到的双母线、双断路器方案要求每个发电机或馈电线有两个断路器。任何母线或断路器都可以在不损失发电机或绕过任何保护的情况下停止运行进行维修或检修。

　　图3。双母线双断路器方案包括辅助母线和主母线。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　一根半母线

　　两个馈电线需要三个断路器;因此，每个馈线有一个半断路器。这种类型的布置由于第三断路器而变得昂贵，并且还在变电站中占据额外的空间。三个断路器，每个都有两个隔离器，连接在两个母线之间。

　　图4。一条半母线方案。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　总线分段器

　　母线分段器将母线分成几个部分，这样它们可以很容易地相互隔离。它是开关装置的一个重要组成部分，可用于涉及一个以上电源和几条馈电线的上述任何装置。母线分段的主要目的是限制短路或过载故障时流经断路器或母线的电流。它还能使开关站的部分断电进行维护，而站场的其余部分仍在运行。

　　切换安排可以从便宜的(每台设备都必须保持运行以维持服务)到昂贵的(每台基本设备都有一个备用设备)不等。

　　图5。直母线分段隔离开关。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　结构位置和大型室外结构

　　由于开关站设备的尺寸和所涉及的电压，开关站设备位于室外。变电站设备可以安装在室内或室外。将变电站设在靠近负荷中心的室内通常更经济。总线和开关通常连接到墙壁、天花板、管道框架，或者可能是单元变电站的一部分，该单元变电站包括室内和室外的所有必要设备，如变压器、继电器、计量和开关。

　　小型室外变电站和开关站中的重型设备，如放置在混凝土基础上的变压器和油断路器，以及轻型设备，如安装在由管道和结构钢制成的结构上的总线和轻型设备，它们易于适应变化，另一个优点是钢模板更坚固且更便宜。大型户外变电站和开关站的结构可分为单元式、桁架式和接地式。在所有三种类型中，较重的设备都安装在中心结构上。

　　在单元式中，较轻的设备安装在钢架上，可以很容易地进行添加、修改和更改。当房地产成本较低时，单元式方案相对便宜。

　　桁架式结构结合了垂直梁和水平梁。隔离器和其他较轻的设备可以安装在桁架结构上。耐张绝缘子或管子可以支撑母线。这种类型的结构比单元型更贵，但它紧凑，需要更少的地面空间。如图6所示，在地面型结构中，几乎所有设备都安装在混凝土基座上，刚性母线由基座绝缘子支撑。

　　图6。地面型开关站布局。图片由穆尼尔·艾哈迈德提供

　　开关站的接地系统

　　为了提高电气系统的可靠性、稳定性和可用性，确保人员和设备的安全，正确的接地是必要的。接地系统是开关站和变电站安全的先决条件，所有非载流金属部件，如围栏、电缆、控制系统和金属结构，都必须接地。

　　导体尺寸很重要，因为在故障条件下，它为接地的导电部分提供了低电阻路径。通常，使用接地棒和接地片，接地片是附着接地导体的金属板，放置在地下水位以下。

　　最常见的是接地和接地棒，如镀锌管、不锈钢、包铜或实心铜棒。这些棒必须被推到地球的导电部分。当杆或板可以安装在永久湿度以下时，或者如果地面松散、干燥或多沙，其阻力可能会很高，因此应对土壤进行处理。方法是挖一条大约18英寸深的沟，并用岩盐、硫酸铜或硫酸镁填充。棒的数量取决于开关站和连接设备的大小和容量。

　　大型电站有大量的燃料棒。最好也是最昂贵的系统由结构下的导体网格组成，在每个导体和每个交叉点的末端有接地棒，然后每个设备在最近的点连接到网格上。避雷器也应通过最短路径接地，用于限制雷击引起的电压。

　　维护和操作

　　开关站中的设备的设计和制造方式使其具有坚固耐用和防风雨的特点，并且比发电站设备通常需要更少的维护。电池、油断路器、电力和汽车变压器应接受与发电站设备相同的测试和检查。在多烟多尘的环境中，需要更频繁的清洁计划。如果允许灰尘在长时间的干旱中聚集，第一场雨和雾会引起闪络。除了维护时间表，操作员在进入开关站或变电站时，应观察设备的异常情况。