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变电所

变电所（electrical substation）是发电、输电和配电系统的一部分，能将电压从高电压换流为低电压或反向换流，也可执行其他重要输电及配电功能。

变电所之元素
A：一次侧
B：二次侧
1. 一次侧输电缆
2. 接地线
3. 架空电缆
4. 电压互感器
5. 隔离开关
6. 断路器
7. 电流互感器
8. 避雷器
9. 主变压器
10. 控制中心
11. 铁丝网
12. 二次侧输电缆

变电所的主要功用为利用变压器将电压改变，其次亦能将为电网作功率因数补偿、电力系统保护（英语：Power system protection）等。一般而言，变电所皆为电力公司的一部分，少数情况下则属大型工厂或商户。在早年，变电所通常皆需要人工现场控制或作故障修复，而现时则主要依靠数据采集与监控系统作遥距管控。

种类 编辑

变电所可按其电压、用途、运作、材料等分为不同种类，故一个变电所可以同时属于以下数种分类。需注意不同地区对同一类变电所有不同名称，而同一名称在不同地区可以指不同的变电所，例如开关站Switchyard在美国指同一电压的变电所[1]，但在香港电灯公司则为275千伏特或132千伏特之变电所[2]。

输电变电所 编辑

 
澳洲墨尔本的一处高压变电所，图中可以三座220千伏特至66千伏特的变压器，变压器之间设有高压变压器防火墙（英语：high-voltage transformer fire barriers）。每座变压器的额定容量为150兆伏安。此变电所使用钢制结构以支撑变电所内的电缆及设备[3]

输电变电所，又名超高压变电所或高容量变压站[4]，将两个或以上的输电网络连结在一起[5]。若网络之间为同一电压，变电所会装有高压开关以便隔离线路以作维修保养。若网络之间为不同电压，则变电所会装有变压器、电容器、静止无功补偿装置（英语：static VAR compensator）等设备以控制网络的电力流向[6]。输电变电所大多时亦会作为开关的主要场所，故有些时候也会将输电变电所称之为“开关站”。

配电变电所 编辑

配电变电所，又名总变电所或分区变电所[4][2]，部分情况下亦能称之为输电变电所，将电力由输电网络换流至配电网络[5]。为减少电力于运送时浪费，经过输电网络时皆会大幅提高电压。配电变电所能于接近用户的区域降低电压以供附近用户使用，从而避免为客户各自安装昂贵的高压变压器[6]。

配电变电所一般会使用两个不同的输电变电所作为输入接点以提高可靠性，使某一输电变电所发生故障时仍能保证配电变电所的运作，从而确保当地用户的用电。配电变电所会将输电网络中的特高压电力换流为中高压后向馈线发送。以香港电灯为例，其分区变电所会将输电网络的275千伏特或132千伏特降至22千伏特及11千伏特[2]。电力将由馈线经架空电缆或地底电缆输送至客户处再作降压[4]。

除电压换流外，配电变电所亦用于隔离输电网络和配电网络的故障，以避免网络中某一点的故障会影响其他未有故障的服务[6]。配电变电所亦是电压调节（英语：voltage regulation）的地方[6]。

用户变电所 编辑

 
一组设于香港住宅地下的变电所，其会将配电网络的中高压电力换流为3相380伏，配以中性导体为住户提供220伏市电

在人口稠密的地区，一般再设有专门的用户变电所以安装将配电网络电压换流至市电的变压器，以避免变压器外露而做成危险，该变电所又名客户变电所[2]。而在一些较高的大厦，为减少市电较低电压做成的电力传输浪费，会于大厦的不同高度设立多座用户变电所，此举亦能保证大厦中市电的大压于各处皆不会因长距离输送而有所降压[2]。

某些供电网络会将输电网络与配电网络连结的变电所称为分区变电所，而客户处的变电所则称为配电变电所或配电分站[4]，需予注意。

一些发电厂会设有用户变压器，以就近供电给周围的用户。

收集变电所 编辑

风力发电厂及太阳能发电场（英语：Photovoltaic power station）等分散式发电项目或需要一座收集变电所来将产生的电能接入电网之内[7] 。收集变电所亦可作为风力发电厂的控制中心，提供功率因数补偿、发电量计算等功能[7]。

换流变电所 编辑

换流变电所主要用途为改变电力频率，例如将交流电换流为直流电以供高压直流输电或电气化铁路使用[8] 。另外，连结两个不同频率的电网之时亦需要使用到换流变电所，例子包括东日本50Hz与西日本60Hz的电网。此类变电所以前会使用回转变流机以变换频率，现时多改用电力电子零件[8]。

开关站 编辑

开关站为没有变压器故仅于一种电压值运作的变电所[1][6]。开关站一般用于控制电力流向以便维修及保养电力网络，同时减少电力流失。开关站利用负载启断开关或断路器来将输电线或其他零件从电网中连接及断开。一般而言，开关站平日主要用于控制电力流向来减少电力在输送过程间的流失，有需要时则可以用来阻隔故障及更换设备[1]。

牵引变电所 编辑

 
日本铁路公司JR东日本于埼玉县桶川市所设的一座变电所

牵引变电所为换流变电所的一种，主要用于电气化铁路[9]。牵引变电所会将交流电换流成适压的直流电或异频交流电以供列车提供牵引力。某些铁路会建设其单独使用的电网，此时牵引变电所亦会是输电变电所。一般现代列车皆会采用再生制动，此时电力或会从列车流回电网，故牵引变电所亦会对此有所准备[9]。

流动变电所 编辑

流动变电所是载有变压器、断路器等设备的特殊车辆，专门用于电力故障未及修复、自然灾害又或战争时临时使用。流动变电所相对上只有极低额定容量以降低重量，使其能符合路面要求[10]。

设计 编辑

变电所之元素 编辑

变电所一般皆有开关、电力保护、变压器、控制器等设备[6]。在较大型的变电所中一般使用断路器来阻隔短路、过载及其他故障，小型变电所则可以使用自动开关（英语：autorecloser）或保险丝以保护配电网络。变电所中亦有电容器、稳压器等确保电力供应符合要求的设备。大型变电所可以露天兴建再加以围封，亦可以建于大楼之中。小型用户变电所一般建于建筑物地面层或地牢，摩天大楼则会兴较高楼层再兴建变电所[2]。假若变电所不是位于地面，一般会加设若干辅助设施以方便接线及维修，例如吊机、变压器升降机、高压电缆槽（香港俗称“地线槽房”）等。

变电所亦需要设计特殊的接地系统，以确保故障期间的接地电位上升（英语：Earth potential rise）符合标准[11][6]。变电所发生接地故障时会引致接地电位上升，使变电所附近的金属物件或会与地面之间有极大的电压差，做成触电风险。故此，变电所的地底或会有特别设计的接地网，金属物件也会确保已经完全接地[11]。

 
香港一处尚未完工的用户变电所，可见已安装的变压器和电子设备皆设于较高处，以避免轻微水浸时影响供电

电力工程学的目标为确保系统的可靠性的同时降低成本。变电所设计时应符合上述的目标，同时亦应容许日后扩展并提升容量[4][12]。

选择地点 编辑

选择变电所的地点需要考卢许多因素。首先变电所需要足够土地以安装各种装备，亦需要提供足够净空距离以保证安全[4][11]。位于地面或地牢的变电所亦需要设置阻水闸或后备排水泵，设备若有可能则会安装于较高处以保证供电不会遭水浸影响[13]。变电所的地点应处于供地范围的中央，以避免远距离负载有过大的电压下降[4]。变电所亦需要上锁以确保无关人等不会遭到电力危害，而电力系统亦不会遭受破坏[4]。

设计图则 编辑

设计变电所的第一步为准备该站的一线图（英语：one-line diagram），该图会简单地显示变电所所需要的变压器、开关和保护装置，然后工程师则可在该图的基础上再加上其他设备，最后再按既有的设备名单来设计变电所[5]。

一般而言，输入和输出的线路皆会有开关和断路器，某些较简易的线路则或会只取其一。开关用于隔离线路或仪器，某些开关容许于一般负载情况下打开，其他开关则需要断路器负责切断电流[11]。线路或仪器隔离后才可开始作维修或检查。线路发生故障而电流大幅上升时，电流检测变压器（英语：current transformer）的电流会启动保护继电器，经计算后会推动断路器自动断开以阻隔故障，从而避免整个电力系统被连带崩溃[11]。输电过程中闪电与开关所做成的峰值电压（英语：Voltage spike）会使绝缘体失效，从而破坏电缆以及其他设备。避雷器（英语：Surge arrester）用于减少峰值电压所做成的危害。开关之后电缆会连接至总线，并经其再向其他馈线输送电力[11]。一般而言总线为一组三条，以合三相电力所需。

 
这一线图显示了一个半断路器的设计。

开关、断路器和总线的设计决定了该变电所的供电可靠性及成本。一些较为重要的变电所或会使用“一个半断路器”方案[11]，以确保某一线路或断路器出现故障时不会严重影响其余线路，而维修断路器或总线的时候亦无需停止供电[11]。较简单的变电所则可能使用单总线设计以降低成本[12]

总线设计完成后即可使用变压器将不同电压连接在一起。变压器的选择亦会引致不同设计，例如油冷变压器需要加装灭火设备，其重量亦较高，未必适合于大楼高处的变电所使用[2]。当所有电力组件设计完毕后则可再为各设备规划其电子控制线路。

自动化 编辑

早期变电所需要工程人员于现场监察、操作及控制。随着电力及通讯系统发展，电力网络多会建立一个统一控制中心通过通讯设备遥距控制[2]，从而加快故障时的控制并减少所需人手。早期的电力系统自动化（英语：Power-system automation）使用了专用的铜制通讯线，其后则有逐渐采用电力线通信、微波通讯、光纤等方式连接至变电所的数据采集与监控系统（SCADA）[2]。电力系统自动代是智慧电网中的重要一环。

绝缘 编辑

若地方足够，各设备可以使用空气作绝缘。但若电压增加又或者空间不足，则需要使用其他绝缘方式，例如开关会设于密封管内，并加注六氟化硫（SF6）以提升绝缘效能[2]。其他绝缘方式包括绝缘油（英语：transformer oil）、纸、瓷、聚合物等[6]。

结构 编辑

 
加拿大安大略省士嘉堡的一所配电变电所。该站修饰成一座普通民房以融入当地环境。其正门显示了一张危险警告牌[14]

一般而言变电所需留有沟道以便维修[11]，若变电所亦应留有足够楼底高度[15]。某些城市内的变电所则或会稍作修饰以融入当地环境[14]。

参见 编辑

参考资料 编辑

维基共享资源中相关的多媒体资源：变电所
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  3. ^ Joint Consultation Paper: Western Metropolitan Melbourne Transmission Connection and Subtransmission Capacity (PDF). Jemena. Powercor Australia, Jemena, Australian Energy Market Operator. [2016-02-04]. （原始内容 (PDF)存档于2016-03-09）. 
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扩展阅读 编辑

R. M. S. de Oliveira and C. L. S. S. Sobrinho. Computational Environment for Simulating Lightning Strokes in a Power Substation by Finite-Difference Time-Domain Method. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2009, 51 (4): 995–1000. doi:10.1109/TEMC.2009.2028879. 

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