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第 5 卷 第 8 期 新一代信息技术 Vol.5 No.8 2022 年 4 月 NEW GENERATION OF INFORMATION TECHNOLOGY Apr.2022 通讯作者:匡洪海(1972)，女，博士，教授，研究方向：现代电力系统分析与新能源并网的运行与控制。DOI:10.3969/j.issn.2096-6091.2022.08.002 某工厂降压变电所的电气设计 周亮灵，匡洪海(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412000)摘 要：文章依据电气主接线的相关原则，设计了工业区高压配电设备接线方案。依据该接线方案，进行技术经济对比后，确定了变压器的选型。根据电气接线方案、变压器的选型，完成变电所的选址及防雷接地设计。最后，文章通过短路电流仿真验证了文章方案的可行性。关键词：负荷计算；变压器；主接线；Matlab/Simulink 本文著录格式：周亮灵，匡洪海.某工厂降压变电所的电气设计J.新一代信息技术，2022，5(8):06-09 中图分类号：TP712 文献标识码：A Electrical Design of Step-Down Substation in a Factory ZHOU Liang-ling,KUANG Hong-hai(School of Electrical and Information Engineering of Hunan University of Technology,Hunan Zhuzhou 412000,China)Abstract:According to the principle of electric main wiring,this paper designs the wiring scheme of high voltage distribution equipment in industrial area.According to the connection scheme,the selection of transformer is determined after the technical and economic comparison.According to the electrical wiring scheme,transformer selection,complete the substation location and lightning grounding design.Finally,the feasibility of the proposed scheme is verified by short-circuit current simulation.Key words:load calculation;transformer;main wiring;Matlab/Simulink Citation:ZHOU Liang-ling,KUANG Hong-hai.Electrical Design of Step-Down Substation in a FactoryJ.New Generation of Information Technology,2022,5(8):06-09 0 引言 电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统1-4。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。1 负荷计算和无功补偿 电厂配电系统的负荷计算，是为了确定电厂的大负载，并将其作为选择变压器、电力线路和电气开关等电气设备的依据。在电力工程中，计算负荷的方法主要有两种：一是需求系数法，二是二项式5。需求系数法是一种国际通用计算负载的方法，简单方便，适用于各种特点的公司，特别是在工厂中，在长期工作时间制度下，耗电机器设备占据了重要的负载。二项式计算方法的应用范围较广，但在确定机械和设备数量不多、体积差别不大的情况下，计算起来要比需求系数法更准确，计算起来也更容易。本次设计中采用了需求系数法。在电网中，变压器、磁感应电机等设备大都是在正常负荷范围内，因而其自然的能量系数很低，电网的功耗和电压损失都会增大，从而导致设备的供电能力下降，所以需要采用人为的方法来改善其运行效率6-8。按照国家电网技术规范，大负荷下的发电系数不能小于 0.9，在没有进行补偿以前，电站电网的自然功率系数是 0.85，故本设计采用 10 kV 汇流排进行集中补偿。该方案选用了 50 kVA 并联电容以及 BWF10.5-50-1 W 单相电容作为无功补偿电容，进行 3 次放大处理，在全负荷工况下，可获得 4 050 kV 的电压增量。由于这种方法是通过对高电压进行集中的无功补偿，所以选择电压变换器作为放电器效果更佳。2 电气主接线设计方案 电力供应体系包括发电厂、变电站、线路和用8 期 周亮灵等:某工厂降压变电所的电气设计 7 户。变电所是连接发电厂与用户的桥梁，具有电力的转换与分配功能。为了满足生产和加工的需要，在变电所内安装了大量的电子设备，这些电子设备都是按照相应的技术规范进行的。根据预计的生产流程，将变电站、隔离开关等线路连接起来的电力线路，称为电力设备总接线9。电力装置的主接线，是指通过高压电器的线路，按照各自的功能要求，将电力输送到电网中，从而形成一条输送电力的高电压的网络。本文介绍了电气设备或成套设备的全部组成和连接作用的线路图，并按照工作中的顺序进行系统设计。由于电力、配电、用户在生产过程中必须同步进行，因此，电力系统的主接线的选择将直接关系到人们的生活和生产。在符合国家相关技术型经济方针的情况下，要正确地解决各种关系，对相关的各种影响因子进行综合剖析，以达到技术优良、经济高效、可信任的目的。2.1 35 kV 变电站电气主接线设计 随着社会、经济的迅速发展，各大电网企业必须做到“先进性”，这是当今国际上普遍存在的一种现象，所以搞好电网的整体布局和配套设施的建设就成为当务之急。可靠和持久通常取决于对变电所的正确制定和分配。它能直接影响整个电力系统的安全保护和经济状况，是连接发电站与客户的一种零售商，具有转换和分配电力的功能。电力设备的主接线是发电厂变电所建设的第一步，其主接线的制定直接关系到设备的选择、设备布局、保护设备的确定，这是电力设备部分工程投资的根本因素。电力系统总接线是整个设计中最关键的环节，只要选定了主接线模式，就能确保整个系统的整体设计风格。主接线的设计要遵循国家有关法律、法规、本工程的具体需要以及所携带的负载类型。在保证供电可靠性和负载转移的灵活性的基础上，还要确保维修的便捷，便于日常维修。同时，在进行主接线的设计时，不仅需要兼顾经济性，还要为日后发展预留足够的空间。2.2 主接线的设计原则 以国家相关的方针、政策、法规、规范为准则；结合工程实际情况和具体特点，全面、综合加以分析，力求保证供电可靠、调度灵活、操作方便、节省投资的原则10。根据负荷需求量，系统软件所需容量大小确定主接线的容量预留。为了能够保证在负荷突变、发电机维护、安全事故等情况下的无线电广播正常工作，因此系统运行容量预留 810%。如果一个变电所有两个或以上的变压器发生故障，则需要调动其它的变电所的容量保证该变电所的 6070%的负荷使用。因此，对主要接线的要求归纳如下：实际操作应尽量简单方便；主接线应简单明了；调度灵活、便于操作人员掌握。由于我国的工业发展速度很快，所以电力项目的负荷增长速度很快。因此，在选择主接线时，必须充分考虑后期改造升级的可能性。变电所的主接线选择，决定着变电所对电力系统的影响；负载特性、小组出线数目、电网结构等。2.3 变电站对主接线的基本要求 2.3.1 满足供电可靠性 电力供应系统的工作是保证用户用电时的电力供应可靠、稳定，同时是电力设备的主连接方式的主要要求。因此，在分析电力系统的主要线路时，应充分考虑变电站的位置、负载特性、运行经验等因素。在进行电路设计时，必须考虑到断路器的故障，以及定期维修等对系统供电可靠性的影响；在设计时，要考虑到进、出线可能出现的故障，断电的极限电流数值；在系统大部分设备维修期间，需要考虑到重要用电负荷的供电保障问题，以确保重要的负载用电供给。2.3.2 运行检修的灵活性 协调性是指这种主接线方式能够为整个电力系统提供多种运行方式，以解决不同设备维修时的供电问题，主要体现在以下方面：电源一次连接应符合弹性要求。由于变电所的建设是一个漫长的过程，不可能一次建成。所以需要分阶段的施工，而且需要大量的扩建。因此，要考虑到后期的施工，如何最大限度地降低设备的故障，降低设备的运行距离，降低设备运行的次数，确保系统的稳定性。当发生故障时，还要考虑多种操作模式，对于极易发生故障的区域，要做到快速反应以保护好该故障区域，保证电力的持续供应。2.3.3 经济型 在达到可靠性、协调能力的同时，设计方案应当考虑到投入的经济性：最小的投入，就是要尽量的降低变电所的建设成本，最主要的是降低设备的购置成本。其次，要尽量减少用地，在布置主接线时，要合理安排各设备的布局和规模，在保证设备运输方便的同时，尽量减少设备的占地。最后，控制电力损失。由于变压器在正常工作中存在着损耗，因此应综合考虑变压器的型号、数量，尽量减少不必要的电能消耗。3 变压器的选择 3.1 变压器的选择原则 对于二级负荷和三级负荷，变电站内仅设一座变压器，其容量应大于相应计算负荷 15%，并从其 8 新一代信息技术 2022 年 它厂变电站的低压母线中获取备用电源；对于第一个负载的生产车间，在一次或两次分离的情况下，采用两个分装变压器，在故障检修时，其余的变压器可以保证一级负载的分配。变压器工作模式分为明预留或暗备用11-12。明预留是指在运行中仅使用的一种装置，而暗备用是两个不同的变压器同时工作，每一个都承担 50%的负载。3.2 总降压变电所主变压器的选择 由于电厂一次负载的比例在 70%以上，所以在机组中，必须选用 2 个主要的变压器作为后备。根据 负 载80%的 计 算，也 就 是80%16 259.9=13 008(kVA)，因为工厂 88.8%的车间都是一级负载，所以变压器的调压方式是有载调压，在不断电的情况下降低压，供电可靠性高，且因为总降压变电所需要的额定电压是 0.11 kV 到 10 kV，所以可以选用双绕组的变压器。4 变电所的类型及所址选择 4.1 变配电所所址选择的一般原则 变电站的位置选择一定要考虑到电力系统的建设和合理的布局，尽可能地接近用户、接近负载的核心。如此一来，不但可以减少工程建设的投入，还可以节省大量的电能。因此，根据以下准则，对变电站的位置进行判断：（1）靠近负载中心，降低电力系统电磁损耗，降低工作电压损耗，降低稀有金属消耗。（2）进出通道方便。要有足够的空间进行进线、载线。（3）靠近电源开关。变电站布置在靠近开关电源进电线一侧，防止过大的输出功率回路，引起不必要的电磁能量损耗和工作电压损失。（4）按规定的分配半径进行分配。由于额定电压决定了线路的输送功率和输送间隔，分配半径太大会严重损害线路上的工作电压，使得末端用电量机器设备处的工作电压不符合要求。因此，变电站所在位置必须保证所有电力负荷都在合理分配范围之内，否则必须采取抬高变电站的措施或其它措施。4.2 总降压变电所的所址及布置形式 工厂总降压变电站根据工业区的大小、负载分布情况，可以设置一座或多座（通常一座）。厂内低压变电站一般采用整体式，单独设在厂房内，尽量靠近负荷中心，减小供电半径。从整体布置上来说，由于全厂的负载和 110 kV的高电压转供都是非常密集的，并且总容量也不算太大，因此，这座厂房就是一个主要的降压变电站，并且是单独的。由于当初的图纸上只是给出了一些厂房的布置图，并没有具体的计划，因此，在这个位置上，只是做了一个初步的计划。5 防雷接地 5.1 防雷保护 5.1.1 直击雷保护 雷击是闪电击中电器线路时，机械设备或房屋结构引起的过电压现象。正常设备工作电压的振幅达到 10100 mA，但是雷电振幅达到几百 kA，以至于对用电设备造成及其危险的电磁影响、明显的短路失效以及多次充放电。因此，雷击具有极强的破坏性和侵略性。5.1.2 侵入波保护 雷击波入侵（高电压入侵）：当电线受到闪电或电击时，会沿着电线路径上的高压行波扩散。这种工作的电压会侵入大楼或流入电源设备而引起过压。研究显示，大城市发生的闪电安全事件占 50%至 70%。所以，在制造时，一定要做好充分的防护措施。为避免由电线入侵引起的闪电过压，应采用110 KV 进线、10 KV 母线桥、10 KV 各母线各安装一组高压保护装置，以避免因电线入侵引起的闪电超载。为保证主变压器的中性线，在 110 KV 主变中性线上设置了一个高压保护装置。5.1.3 变配电所的防雷措施（1）安装避雷装置。为了防止雷击，室外配电网必须安装防雷接地。（2）高压电容器安装在高压侧。这个关键是要对主变压器进行维修，防止震波沿输电线路侵入变电站，破坏变电站这个最重要的装置。所以，必须尽量靠近主变压器的位置设置高压避雷器。高压避雷器的接地线，必须与低压侧的中性线、塑料外壳等相连。（3）将高压保护器安装于低电压末端。为了避免雷电通过低电压线路进入电网和穿透变压器的隔离层，采用了多个限流带。（4）进线避雷规程 35 kV 及以下变电所进线的雷维护布线应在进线 12 km 的位置设一条避雷线，以防其受到雷电的影响。为避免避雷线维修区的外缘路被雷击，进变电所的额定过载电流不能超过5 kA，来波陡度也不能超过一定的允许范围，一般采用在避雷线上设置一个管型的避雷装置。5.2 本设计的防雷保护方案 由于是电力系统的关键节点，一旦出现电闪，将导致电力系统的大规模断电，严重时还会对电力系统中的一些关键设备造成损坏。变电所发生的雷电安全事件包括两类：第一类是由变电所引起的；二是由电击导致的电弧沿线路入侵变电站。由于防雷电防护的设计，必须要了解工厂的具体布局，才能确定防雷的保护距离，而在原始资料中，并没有说明工厂的具体规模和车间的大小，所以，防雷的设计仅限于原理上的分析。8 期 周亮灵等:某工厂降压变电所的电气设计 9 （1）110 kV 电力进线一侧设置 2km 长的避雷线，以控制雷电流的幅度，并在避雷线的两端安装管式避雷器。（2）将阀类型的避雷器安装到变压器的高压侧，并对变压器进行维修。（3）将阀式避雷器安装在 10 kV 同轴电缆一侧，以防止雷击波通过低压线路侵入。（4）将阀式避雷器安装到 110 kV 及 10 kV 母线一侧，以保护母线。5.3 接地保护的设计 基于安全性需要，本章方案进行了接地防护的设计。接地装置的安装原则：（1）将接地装置的功率切换器连接到 110 kV 的同轴隔离开关上；（2）在 110 kV、10 kV 母线上安装接地装置的供电开关；（3）10 kV 馈线可以按现场条件设定或不设接地开关。该方案的接地保护设计是按照接地设备的安装规范进行的，110 kV 同轴绝缘开关两侧和 110 kV、10 kV 母线槽一侧安装了接地设备供电开关，10 kV馈线未安装。6 短路仿真分析 在供配电系统的设计与运行中，应充分注意各种常见的失效和运行状况。从实际操作中可以看出，在各种电势差异的传导部件中，最常出现的是短路。首先造成短路的是电源装置的部分绝缘被损坏。在对电气设备与继电保护的选用与校验中，三相的短路损伤最为严重，故在大运行状态下，三相的短路能力是对电气、电气线路进行筛选与检查的依据。6.1 短路仿真电路图的绘制 电路图是指在电路设计中，从电力主导线上提取出局部的简单线路，并按短路电流进行运算13。6.2 仿真模型构建 该设计方案采用了 MATLAB/SIMULINK 的 SimPowerSystems 作为电力系统分析的辅助工具。对电动机系统软件、电力工程传输等进行了仿真。为探讨本工程设计的二次母线短路问题，建立的仿真模型能最大程度地模拟出供电端至二次母线端的全部功率负载和各装置的实际参数。使用的是模块库中的模组建模，对某些主要的参数进行了选择和简化。图 1 为所构造的短路仿真模型。如上图所示，从左到右各模块的含义是三相电源模块、输电线路等效模块、断路器模块、110 kV总线、转供负荷模块、主变 T1、T2、10 kV 总线、三相短路故障模块，各模块的参数设置均依据本次厂供电设计的实际数据进行。B110kVB2B13575+j2497kV.A2*12500kV.Athree phase faultABCthree-phase 115kV ABCabcThree-Phase BreakerABCabcT2ABCabcT1Scope1Scope3MultimeterABCABCL=8kmx=0.40hm/kmABCIabcABCabcABCabc110kVABCABC 图 1 短路仿真模型 Fig.1 short circuit simulation model 7 结论 文章结合实际情况、参考相关文献，对 110 kV低压变电所一期电气工程进行了初步的变压器选型设计，通过对变电所选址、防雷接地设计完成了该变电所的电气设计。最后通过短路电流进行仿真分析，验证了该设计方案的可行性。参考文献 1 刘介才.工厂供电设计指导M.北京:机械工业出版社,1999.2 刘涳.电气及自动化专业毕业设计宝典M.西安:西安电子科技大学出版社,2008.3 刘学军.工厂供电M.北京:中国电力出版社,2007.4 刘学军.工厂供电设计指导M.北京:中国电力出版社,2008.5 刘健.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2008.6 祝淑萍.工业企业电力网及变电设备M.北京:冶金工业出版社,2003.（下转第 21 页）8 期 罗春美:广播电视无线发射台站接地设计与等电位连接技术研究 21 式的接地+等电位连接设置场地，即在机房核心点建立基于接地系统的级联组网模式10，有效降低设计成本和施工难度，而电位选取可以通过空间思维配备在地网附近桥接处，尽量减少连线距离和长度等。级联模式组成的联合接地网（地网+铁塔+变压器），当三者边缘间的距离L25 m时，通常需要进行接地点位的焊接，反之则不用。前文提到的接地电阻值通常技术参数设置为5，一旦遇到土壤等地理环境导致实际电阻值较大时，可以采用扩大建设的接地网范围来降低土壤电阻率的影响，即通过环形设计轮状结构的接地网，优化系统参数取值。机房内部的接地方式与机房外部设备的接地需要单独连接联合接地网，通常选取的标准是路径最短或时效最优的方式，值得注意的是机房内各电子电气设备的等电位连接，需要首先进行汇聚成排或者直接采取环形结构，通过直连的方式进入外部的接地排，如图 5 所示。图 5 广播电视无线发射台站机房等电位连接图例 Fig.5 equipotential connection legend of radio and television wireless transmitting station room 3 结论 本次针对广播电视无线发射台站接地设计和等电位连接技术的理论和实践进行了深入研究，重点对机房的整体设计思路、技术应用的重要性、建设方案设计和技术应用等环节进行充分论述，并结合前期采集的实际数据进行对比、分析，不断优化调 整技术方案，解决了在机房防雷击等问题中接地电阻与等电位对整体性能的影响以及建设实施方案对系统工程施工与成本核算的影响等，采取系统集成、分段设计与综合运用等方式解决了关键性问题，掌握接地设计和等电位连接技术对处于复杂环境条件下发射台站工作稳定性、持久性具有意义，也为中国广电行业领域的快速发展建设提供了有益探索。参考文献 1 王琳,尚致楠,李飞,等.大型短波广播发射台电磁辐射环境非等距网格测量法J.电波科学学报,2017,32(02):192-198.2 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