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变电站如何工作?

变电站虽然我们对其了解有限,但它却是电网像瑞士手表一样精准运转的关键组成部分。

我们很多人都曾路过或走过变电站却浑然不觉——或许我们曾经见过。无论是在城市还是乡村,这些日常生活中不可或缺的关键设施,都是一些看似陌生的日常物件。除非你有个电工朋友,或者读过一些关于能源如何输送到我们家中的文章,否则我们很少会去了解和认识它们。事实上,很少有人真正理解这些变电站的重要性,以及它们如何通过一项至关重要的创新技术,确保我们能够在家中、工作场所或各种公共设施中使用能源。简而言之,这些我们今天要揭开其神秘面纱的,正是那些日常谜题中令人着迷的谜团之一,尤其对于那些喜欢刨根问底的人来说。你是否也感到好奇呢?那就让我们一起探索吧!

我们一步一步来。或许最重要的是要快速解释一下,电网的工作原理我们作为消费者,身处一条漫长的能源供应链之中,持续稳定的能源供应以及基础设施的安全性和互联互通至关重要。电网就像一张蜘蛛网,由电缆、开关设备、电线杆、铁塔、变电站等各种元件构成。

https://youtu.be/QycbeEshNc0?feature=shared

简而言之,能源来自不同的发电来源,可以分为两大类:传统能源或可再生能源。

传统能源供应地距离我们很远——想想我们城市郊区的联合循环发电站——因此,电力必须高效地输送到市中心:在这里,电力被转换为高压。高压电通过高压电塔上的电缆输送到变电站,在那里电压可以从高压降至中压。这降低了风险,并使能源可以随时分配到各个用电点。

相比之下,可再生能源产生的能源输送路径截然不同,它以中压形式直接输送到位于城市附近的变电站。此外,在许多情况下,这些能源是在建筑物内部产生的,例如通过光伏板等系统,可以直接接入建筑物的供电系统。

这一切固然很好,但著名的变电站何时发挥作用呢?它们就像是庞大电网中的能量控制器和分配器。如果用足球术语来比喻,变电站就像是富有创造力的中场球员,对巧妙地组织进攻、时刻权衡传球方向至关重要。变电站(简称TS)位于变电站与电网的连接口,借助先进的电网保护和自动化系统,将电能分配到各个用电区域。例如,该领域的领先公司 Ormazabal 就实施了这些措施。这样一来,在TS的努力下,蜘蛛网围绕消费点变成了相互连接的环状结构。

这一切都使得保障电力供应、合理利用资源以及保障电力消费环境安全成为可能,从而实现……高效、安全和可持续的电力分配它们能够满足并适应各种现有的能源需求。如果没有这些神奇的“朋友”,我们将面临巨大的问题,因为我们会面临电力短缺。它们的重要性可见一斑。它们遍布居民区、购物中心、工厂、医院、铁路、公路、加油站……等等,不胜枚举。

既然我们已经知道它们的作用,剩下的就是找出它们的组成成分和工作原理了。

变电站由哪些部分组成?有哪些类型?它是如何工作的?

变电站由五个主要部分组成:

  1. 外壳:这是变电站的外层结构。它可以由预制混凝土、金属板甚至砖块制成。

Concrete enclosures
混凝土外壳对变电站的关键部件起到绝缘和保护作用。

  1. 变压器:这是 TS 的主要电气元件,它能升高或降低电路的电压,以便进行后续分配。

Transformers
变压器是电网运行的基础。

  1. 开关设备:作为变电站复杂性和技术发展的核心部件,开关设备根据其类型承担不同的功能,但其基本原理类似于一个大型开关,可以切断或允许电流通过。为此,技术发展至关重要,它提供了一种解决方案,即使在最恶劣的条件下,也能确保电网在中压下安全运行,保障操作人员和电网的安全。

Ormazabal CGMCOSMOS 2LV Switchgear
Ormazabal CGMCOSMOS 2LV 开关设备

  1. 保护继电器:该开关设备集成了智能保护、测量和控制元件。它们使电力公司以及私人和工业用户能够持续监测电流值、电压值和故障历史记录,并在必要时远程操控电网。这是一项真正的革命性技术。

Relays
继电器集成到开关设备的运行中。

  1. 低压配电盘:该元件负责分配电能,并在输送至您家中的过程中提供保护。变压器将电压降低后,电流增大,然后该元件将电流分配并保护到最终到达您家中的若干插座。

与其他方面一样,变电站也根据其用途分为不同类别。毫无疑问,您在公园漫步时,一定见过草丛中一些椭圆形的通风口;或者在工业区边缘,您可能注意到一些带有金属门、各种电气标志以及无可置疑的品质印记的混凝土建筑。奥尔马扎巴尔品牌嗯,它们是变电站,根据其物理位置的不同,这两种变电站是最典型的例子。让我们逐一来看:

Infografía de un centro de transformación estándar y sus elementos

  • 预制箱式TS:这或许是最常见的类型,只要仔细观察就很容易发现。它们是由不同尺寸的混凝土块组成,长度从三米到八米不等,并配有金属门。Ormazabal公司推出这种预制箱时,可谓是一项真正的革命,将安装时间从一个月缩短到了短短几天。有时,为了将箱体结构作为一块巨大的画布,人们会在箱体上绘制代表其所在位置的图案。您可能没有意识到,但您几乎每天都会经过其中一个。

 Transformer substation
变电站也可以是壁画(摄影:Óscar Daniel López)

  • 地下变电站:这种类型的变电站隐藏起来,以便与城市空间共存,无论是供行人使用还是……车辆出于交通便利或美观考虑。它们很容易辨认,因为它们有通风口——有些人会误称之为烟囱——可以通过位于顶部的活板门进入。某些型号,例如奥尔马扎巴尔开发的那些即使在最潮湿的条件下,也能保证电网的安全性和运行能力,因此这些设施具有可淹没性。

Ormazabal underground transformer substation
奥尔马萨瓦尔地下变电站内部结构图。

  • 半埋式变电站:这种方案将大部分结构埋入地下,同时仍可通过两个小门进行检修。在城市地区,这种类型的变电站较为常见。

half-buried transformer substation
这就是半埋式变电站的样子。

  • 土木工程建筑中的 TS:无论是位于建筑物的底层,并通过通风金属“立面”与公共通道隔开,还是位于土木工程砖砌建筑内,这种类型的 TS 都是最传统的,直到预制围护结构出现。
  • 户外型TS:在农村地区非常常见,它们位于高压塔顶。由于几乎没有任何防护措施,完全受天气影响,这种类型的TS通常不用于功率超过160千伏安的设备。

总之,我们在城市中看到的这些变电站的进线(与电网的连接)都是地下的;只有位于市中心以外的高压电塔区域的进线才是可见的。

每个TS的具体工作原理是什么?

现在我们知道了变电站的组成部件和类型,剩下的就是了解变电站是如何工作的了。

当电力通过电网到达变电站时,会通过中压开关设备进行分配。通常,电力公司最常用的配置是输入输出环路,并配备保护开关设备,用于在发生诸如电网过载等问题时保护每个变压器。

因此,变压器负责降低电压值,使输出电流值增加,从而获得较大的电流,然后通过低压配电盘将电流分配到众多插座。

这样,一旦变电站将电流调整到适合我们家庭使用的理想值,能量就会被输送到我们的插座,从而使一切正常工作。

因此,每个变电站对于保护和保障电力供应都至关重要。