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10kV变电站的系统设计浅论于玮

发表时间：2020/5/7 来源：《电力设备》2020年第2期作者：于玮1 孙庆海2

[导读] 摘要：在基础设施的建设过程中，10kV变电站及其供电系统的可靠性起着举足轻重的作用。

        （内蒙古自治区民航机场有限责任公司呼和浩特分公司动力能源保障部内蒙古呼和浩特 010070）
        摘要：在基础设施的建设过程中，10kV变电站及其供电系统的可靠性起着举足轻重的作用。本文从站址选择、主接线选用、短路电流、设备选型、继保配置、防雷接地、照明、配网自动化等方面论述了10kV变电站设计的主要内容和设计程序，以供同行参考。
        关键词：10kV变电站；系统设计
        10kV配电网属中压配电网，它延伸至用电负荷的中心或居民小区内，直接面对工矿企业和居民等广大用户的供电需要，起着承上启下确保用户供电的作用，因此10kV配电网所处的地位十分重要。在配电工程中，能否保证系统安全、经济、可靠地运行，工程的设计质量是一个重要条件。本文就10kV变电站的设计思路进行探讨。
        一、变电站位置的确定
        变电站位置应避开大气污秽、盐雾、与邻近设施有相互影响的地区(如军事设施、通信电台、飞机场等)、滑坡、滚石、明暗河塘等，靠近负荷中心出线条件好，交通运输方便。在居民区变电站的建设中要求变电站离其它建筑物宜大于5m。在设计中，还应考虑到变电站的噪声对周围环境的影响，必要时采用控制和降低噪声的措施。
        二、主变压器选择
        在10kV变电站中，要选用性能优越、节能低损耗和环保型的变压器。变压器的台数及容量要根据负荷计算和负荷分级的结果并结合经济运行进行选择。当有大量的一、二级负荷，或季节负荷变化较大，或集中负荷较大时，宜装设两台及以上的变压器。当其中任一台变压器断开时，其余变压器应满足一级负荷及大部分二级负荷的用电需要。定变压器容量时还要综合考虑环境温度、通风散热条件等相关因素，对冲击性较大的负荷、季节性容量较大的负荷、小区或高层建筑的消防和电梯等需备用电源的负荷等可设专用变压器，此方法既保障了电能的质量及供电的可靠性，又结合了电费电价政策，做到经济运行。为了使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用，并有利于抑制3n次谐波影响，宜选用的变压器接线组别为D，yn11.D，yn11接线的变压器低压侧单相接地短路时的短路电流大，也有利于低压侧单相接地故障的切除。在改、扩建工程中，为了满足变压器并列运行条件，选用的变压器接线组别与原有的保持一致，短路阻抗百分比接近，容量比不超过1∶3。如我市某企业，其设备的用电规格与我国不相一致，根据用户的意见，我们将容量为630kVA的主变接线组别定为D，dn，并要求变压器设单独的接地系统，以此满足用户的供电要求。设在高层建筑内部的变电站，主变采用干式变压器；设在周围大气环境较差的变电站，应选用密闭型或防腐型变压器，为了不降低配电运行的电压，10kV变电站的主变分接头宜放在10.5kV上，分接范围油浸变为±5%，干式变为±2×2.5%。
        三、短路电流计算
        在供电系统中危害最大的故障是短路，为了正确选择和校验电气设备，须计算短路电流。在10kV变电站的短路电流计算中，一般将三相短路电流作为重点，为了简化短路电流计算方法，在保证计算精度的情况下，可忽略一些次要因素的影响，其规定有：
        （1）所有电源的电动势相位角相同，电流的频率相同，短路前电力系统的电势和电流是对称的；
        （2）认为变压器为理想变压器，变压器的铁芯始终处于不饱和状态，即电抗值不随电流大小发生变化；
        （3）输电线路的分布电容略去不计；
        （4）每一个电压级均采用平均额定电压，只有电抗器采用加于电抗器端点的实际额定电压；
        （5）一般只计发电机、变压器、电抗器、线路等元件的电抗；
        （6）在简化系统阻抗时，距短路点远的电源与近的电源不能合并。

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参照以上原则，给出变电站在最大运行方式下的等效电路图，运用同一变化法或个别变化法分别得出：
        ①次暂态短路电流(I")，用来作为继电保护的整定计算和校验断路器的额定断流容量；
        ②三相短路冲击电流(Ish)，用来校验电器和母线的动稳定；
        ③三相短路电流稳态有效值(I∞)，用来校验电器和载流导体的热稳定；
        ④次暂态三相短路容量(S")，用来校验断路器的遮断容量和判断母线短路容量是否超过规定值，作为选择限流电抗器的依据。
        四、继电保护的配置
        当变压器故障时，在保护的配置上一般有两种途径：如选用断路器或开关来开断短路电流，则配以各类的微机保护。如一次设备选用的是负荷开关，则选用熔断器来保护，两者比较如下：
        （1）断路器或开关具备所有的保护功能与操作功能，价格较昂贵。负荷开关只能分合额定负荷电流，不能开断短路电流，需配合高遮断容量后备式限流熔断器作为保护元件来开断短路电流，价格较便宜。
        （2）在切空载变压器时，断路器或开关会产生截流过电压，负荷开关则没有此种现象。
        （3）对变压器的保护，断路器或开关的全开断时间为继保动作时间、自身动作时间、熄弧时间之和，一般会大于油浸变发生短路故障时要求切除的时间。限流熔断器具有速断功能，但必须防止熔断器单相熔断时设备的非全相运行，应在熔断器撞击器的作用下让负荷开关脱扣，完成三相电路的开断。
        （4）由于高遮断容量后备式限流熔断器的保护范围在最小熔断电流到最大开断容量之间，且限流熔断器的时间特性曲线为反时限曲线，短路发生后，可在短时内熔断来切除故障，所以可对其后所接设备如CT、电缆等提供保护。使用断路器或开关则要提高其它设备的热稳定要求，但就限制线性谐振过电压方面来说，在变压器的高压侧应避免使用熔断器。
        五、防雷与接地
        （1）10kV变电站在建设过程中，可利用钢筋混凝土结构的屋顶，将其钢筋焊接成网并接地来防护直击雷。
        （2）在变电站内的高压侧、低压侧及进线段安装避雷器，以防护侵入雷电波、操作过电压及暂时过电压。
        （3）10kV变电站中的接地网一般由扁钢及角钢组成，也可利用建筑物钢筋混凝土内的钢筋体作接地网，但各钢筋体之间必须连成电气通路并保证其电气连续性符合要求。接地电阻值要求不大于4Ω。变压器、高低压配电装置、墙上的设备预埋件等都需用扁钢等与接地网作可靠焊接进行接地。发电机的接地系统需另行设置，不得与变电站的接地网连接。
        （4）低压配电系统按接地方式的不同可分为三类：即TT、TN和IT系统，TT方式供电系统是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称作保护接地系统。TN方式供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称作接零保护系统。在TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开又可分为：TNC和TNS方式供电系统。TN-C方式供电系统是用工作零线兼作接零保护线，适用于三相负载基本平衡的情况。TN-S方式供电系统是把工作零线N和专用保护线PE严格分开，当N线断开，如三相负荷不平衡，中性点电位升高，但外壳、PE线电位。TN-S方式供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。此外，在一些由用户提供的图纸中，我们还可看到TN-C-S方式的供电系统，此系统的前部分是TN-C方式供电，系统的后部分出PE线，且与N线不再合并。TN-C-S供电系统是在TN-C系统上的临时变通作法，适用于工业企业，但当负荷端装设RCD(漏电开关)、干线末端装有断零保护时也可用于住宅小区的低压供电系统。
        结束语
        综上所述，在变电站设计中，对设计人员的要求越来越高，既要掌握电气专业知识，又必须结合实际设计，充分考虑其优越性。即要满足电力规程规范各项要求，又要注意电工建构筑物的设计及总平面图的布置，布置既要安全实用兼顾发展，美观大方。这个阶段设计人员需开动脑筋多比较各种方案，才能做出经济合理的设计。
        参考文献：
        [1]芮静康.现代工业与民用供配电设计手册[S].北京：中国水利水电出版社，2018.
        [2]蓝毓俊，戴继伟.各类10kV配电站对环境影响的测量与分析[J].上海电力，2017，(4).
        [3]吴致尧，何志伟.10kV配电系统无功补偿的研究进展[J].电机电器技术，2017，(5).