变配电

定义

变配电是对变电与配电两类功能的合称。变电指把从电网引入的电压经变压器变换为用电设备所需的电压等级，配电指把变换后的电能通过配电装置分配给各个用电点^[1]。同时承担这两项功能的场所一般称为变配电所^[2]。

按照这一术语的使用习惯，变配电所只是变电所与配电所的统称，属于泛指性名称；具体指某一个体时，应分别称为变电所或配电所^[3]。变电所内装设电力变压器，负责受电、变压再分配；配电所母线上不设主变压器，只起开闭和分配电能的作用^[4]。

承担传输与分配电能任务的电路称为一次电路，也称电气主接线；对一次系统进行测量、控制、监察和保护的设备构成二次系统，包括测量装置、控制装置、继电保护装置和直流系统等^[5][1]。

原理

变配电的电压变换依靠电力变压器完成。变压器由铁芯与绕组构成，一次绕组通入交流电流后在铁芯中产生交变磁通，二次绕组由此感应出电压，实现电能的传递与电压的升降^[6]。变比由两侧绕组匝数之比决定，即 $U_1/U_2 = N_1/N_2$，因此同一台变压器可在不变换频率的条件下改变电压。

配电环节由配电装置实现，即母线、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等载流导体与开关电器连接成的组合装置，按主接线要求布置，作用是接受和分配电能^[1]。其布置形式有屋内式和屋外式，6~10 kV 多采用屋内式，110 kV 及以上通常采用屋外式^[7]。

运行中的变配电系统还要处理短路电流与无功功率问题。短路电流计算用于校验设备的动稳定与热稳定并选定断路器分断能力，并联电容器等无功补偿装置则用于提高功率因数^[8]。

flowchart LR

A[电网电源] --> B[高压配电装置]

B --> C[主变压器]

C --> D[低压配电装置]

D --> E[各用电点]

C --> F[无功补偿装置]

B --> G[继电保护与监控系统]

发展历程

早期变配电所的二次部分由继电保护、就地监控和远动装置组成，远方监控在20世纪60年代初期已能实现，所用设备为机电型继电保护装置与电子型远动装置，到80年代初期才广泛应用^[9]。20世纪80年代早期，保护设备仍以晶体管和集成电路为主，二次接线复杂、可靠性有限。

随着微处理器普及，继电保护、监控和远动装置相继改为微机实现，二次部分走向全微机化，形成变配电所综合自动化^[10]。20世纪90年代微机保护广泛应用后，变电站自动化取得实质进展，先后经历集中式、分散式、分散分层式等结构^[11]。集中式系统结构紧凑、造价低，适合35 kV或规模较小的站，但软件复杂、扩展性差；分散分层分布式把功能单元就近安装在开关柜或高压设备附近，减少了二次电缆并提高可靠性。

通信规约方面，早期多用IEC 60870-5-101/103、DNP3.0及厂商私有协议，互操作性较差；国际电工委员会(IEC)于2004年发布IEC 61850第一版，以面向对象建模方式规范数据命名、设备行为与通信服务，旨在解决不同厂商设备的互操作问题。国内设计规范也随电压等级变化更新，2013年发布的《20 kV及以下变电所设计规范》即由此前针对10 kV及以下电压等级的版本修订而来^[12]。

应用

在工厂与建筑供电中，变配电所是电能供应的中心。总降压变电所通常把35110 kV的电源电压降至610 kV，再送往车间变电所或高压用电设备；是否设置取决于地区电源电压等级与用户负荷大小^[5]。车间变电所按变压器位置分为附设式与车间内式，后者靠近负荷中心，可减少线路损耗，但因位于车间内部安全性略差^[13]。

变配电所内部一般设有高压配电室、低压配电室、变压器室、电容器室和值班室，安装高压配电柜、配电变压器、低压配电柜、电容补偿装置、直流电源与微机监控系统等设备^[14]。在铁路、冶金、石化等行业，变配电所同样是电力系统的核心环节，涉及继电保护改造、设备巡视与倒闸操作等具体作业^[2][15]。

自动化技术的应用使变配电所可实现遥测、遥信、遥控、遥调四项远动功能，并将数据实时送往调度中心；具备这些功能的站即具备无人值班运行的技术条件^[16][10]。监控系统还设有防误闭锁，需满足防止误合断路器、防止带负荷拉合隔离开关等要求^[9]。

局限

变配电技术的效果受限于设备能力与运行条件。配电线路的短路保护电器分断能力必须大于安装处的预期短路电流，若选用不当则无法切除故障；微型断路器分断能力有限，只能依靠与上级断路器的级联配合来弥补，且这种配合有严格条件^[4]。

综合自动化虽以无人值班为发展方向，但并非所有场所都适合，有人值班与无人值班对自动化系统的要求差异较大，简单操作可由就地装置完成，涉及系统运行的操作仍需远方调度中心控制^[9]。集中式监控系统还存在需敷设大量电缆、投资与工程量大、扩容灵活性差的问题^[10]。

变配电所的选址与布置受防火、土建等条件约束。户内变电所中油量较大的油浸变压器须设在单独变压器室内并配置储油或挡油设施，变压器室、配电室和电容器室的耐火等级有明确下限，位于建筑内的变电所还要按所在层位选用相应等级的防火门^[12]。这些要求限制了变配电设施在城市密集区域的小型化布置。

参见

• 电力变压器 —— 变配电过程中实现电压变换的核心设备。

• 继电保护 —— 检测故障并切除故障设备，保障变配电系统安全运行。

• 低压配电设计规范 —— 规定低压配电系统导体截面、接地型式等技术要求的标准。

• 变电站 —— 电压等级更高、承担电网间电压变换与电能汇集分配的设施。

• 无功补偿 —— 通过并联电容器等装置提高功率因数、改善电压质量的技术。