变配电站综合自动化系统的电气设计

变 配 电 站 综 合 自 动 化 系 统 的 电 气 设 计

变配电站综合自动化系统在电力系统已经得到广泛的应用，在工业与民用建筑变配电站也开始推广。变配电站综合自动化系统是电力系统继电保护中最先进的技术，它与常规继电保护在电气设计上有着较大的区别。在推广与应用过程中，变配电站二次电路设计也就出现了一些新的问题。

1 变配电站综合自动化系统电气设计与常规继电保护电气设计的区别

1.1变配电站综合自动化系统的定义
利用计算机技术，以一个配电间隔为单位，将继电保护、自动装置、站内监控与远方调度等功能集中在一起的计算机系统称为变配电站综合自动化系统。变配电站的自动装置主要有自动重合闸备、用电源互投、有载调压、无功功率自动补偿、低周波减载与母线测量电压自动切换。站内监控能将变配电站的电流、电压、功率、电能、频率与谐波等参数以及各种事故报警及时传输到计算机。值班人员能随时观察到变配电站的运行情况，提高管理水平；并能及时发现与处理事故，减少事故停电时间。并为实现无人值班创造了条件。
在小型变配电站可以不设置计算机，可将变配电站综合自动化装置有事故与预告报警输出干接点，分别引到值班室中央信号屏（箱），发生事故可以及时进行报警。值班人员可以随时到配电室，在变配电站综合自动化装置液晶显示屏上，对变配电站的各种参数以及事故记录进行观察。在继电保护方面它有自诊断功能，测量精度高，保护整定简单方便，保护功能通过软件可以扩展。能随时观察到各种保护定值，并可在线整定。随着产品质量不断提高，价格不断下降，其应用会越来越广泛。
1.2变配电站综合自动化系统电气设计与常规继电保护电气设计的区别
常规继电保护电气设计要根据保护配置，选择电流继电器、电压继电器、防跳继电器、中间继电器、信号继电器等，二次电路设计比较复杂，虽然有国家标准图可直接选用，如果有变化时，修改比较麻烦。变配电站综合自动化系统的保护功能由软件来完成，各种保护二次电路区别不是太大，这就大大简化了二次电路的设计。
但是目前变配电站综合自动化装置端子定义各厂家差别太大，给二次电路设计造成一定的困难。现在尚无国家标准图供参考，许多项目二次电路设计由变配电站综合自动化装置生产厂家来设计，他们对设计规范以及图纸表示方法了解不够，二次电路的设计图纸存在一定问题。

2 变配电站综合自动化系统电气设计的内容

变配电站综合自动化系电气设计的主要内容包括保护功能选择以及操作电源、测量回路、控制回路、信号回路、通信电缆与外部电缆设计。控制回路还包括备用电源互投、母线测量电压自动切换与有载调压等。
变配电站供电方案确定后，便可进行一次单线系统图设计，选择开关柜与操动机构型号。然后即可进行变配电站综合自动化系统的二次电路设计，它首先要满足一次供电方案以及所选的开关柜与操动机构技术要求。变配电站综合自动化系统不会影响到一次供电方案以及开关柜与操动机构选择。

3 保护功能选择

变配电站综合自动化装置保护功能比较全。电流保护有速断、过流与过负荷三段保护，过负荷有定时限与反定时限保护。电压保护有过电压、低电压以及失压（无电压与电流）保护。单相接地保护（安装零序电流互感器后可以实现单相接地保护报警并跳闸）。变压器的瓦斯与温度保护。电动机的睹转与热保护以及工艺故障跳闸。电容器的不平衡电流与不平衡电压保护。自动装置有自动重合闸、备用电源互投与母线测量电压自动切换等。变配电站综合自动化装置保护功能完全由软件来完成，在其液晶显示屏上可以利用输入键进行设置，不需要完全由二次电路设计来保证，这样就大大简化了二次电路设计。

4 括操作电源与中央信号设计

4.1变配电站操作电源种类
变配电站操作电源有直流操作与交流操作两种。直流操作电压有220V、110V与48V三种。交流操作要采用UPS或EPS电源作为后备电源，由于UPS与EPS电源的输出电压为220V，所以交流操作电压也为220V。直流48V用于弱电集控，采用变配电站综合自动系统后，弱电集控已经淘汰，直流48V不在使用。
4.2变配电站操作电源接地系统
变配电站操作电源为不接地系统，并应设计对地绝缘监视。直流操作电源输出不接地就可形成不接地系统。交流操作需要采用UPS或EPS电源作为后备电源时，必须在UPS或EPS电源输出端加220V/220V隔离变压器后形成不接地系统，并设置对地绝缘监视。
4.3变配电站综合自动化装置的供电电源
变配电站综合自动化装置的供电电源电压为交直流两用，电压有直流220V与110V以及交流220V三种，功耗不大于10W，供电电源可引自交、直流电源屏。信号回路电压有直流220V、110V与24V以及交流220V四种。为24V时，24V电源由变配电站综合自动化装置提供。
4.4直流操作电源
直流操作电源由蓄电池作为后备电源，可靠性高，可实现无延时切换。变配电站综合自动化装置的供电电源取此直流屏，操作电源设计没比较简单。采用弹簧储能与永磁操动机构后，由于其合分闸以及储能电源电流都很小，直流操作电源电压应选110V。
4.5交流操作电源
交流操作电源可由电压互感器、所用变或低压柜供电。常规继电保护采用交流操作时，事故跳闸由操动机构内部的电流脱扣器来完成。反时限与交流操作电源无关，定时限交流操作电源消失后，仍然可以无延时跳闸，保护不会拒动。采用变配电站综合自动化装置后，事故跳闸由操动机构内部的分励脱扣器来完成，对交流操作电源切换时间要求很高。有关设计手册与二次接线标准图要求采用在线式UPS不间断电源供电。
仔细分析发现，变配电站综合自动化装置内部电源选用开关电源，大容量的滤波电容可保证变配电站综合自动化装置供电电源中断0.5S不会死机。变配电站综合自动化装置跳闸的固有时间为35mS。假如交流操作电源切换时间为20mS变配电站综合自动化装置在25mS内不会死机，35mS后才能发出跳闸指令给操动机构内部的分励脱扣器，此时交流操作电源已恢复，继电保护跳闸不会受到影响。所以选用的UPS或EPS不间断电源供电切换时间不大于20mS就可以了,但必须为低电压切换，不能选用失压切换。如果所选用的UPS或EPS不间断电源供电切换时间大于35mS，就会对继电保护造成影响。
4.6直流屏
4.6.1 变配电站操作电源采用直流操作时要选用直流屏。采用弹簧储能与永磁操动机构后，因为其合分闸电流小，操作电源电压应优先选用直流110V，按照交流电源断电后蓄电池应保证一小时供电的要求，蓄电池安时数可选10～38AH。
4.6.2 直流屏一次系统分为合分闸与控制两段母线。合分闸母线电压为蓄电池充电电240V，通过降压元件降为220 V再给控制母线供电。如果取消降压元件，两段母线分别给变配电站两段母线开关柜合分闸与控制回路供电，蓄电池充电电压定为220V时，蓄电池的放电末期电压可达到0.80×220V＝176V。可以将蓄电池的充电电压定为1.05×220V＝231V，蓄电池的放电末期电压可为达到0.80X230V＝184V。不仅可以降低直流屏成本，降压元件的能耗也不再存在。
4.7交流电源屏
变配电站操作电源采用交流操作时要选用交流电源屏，电压为220V， UPS或EPS电源应为低电压切换，切换时间不大于20mS，蓄电池安时数可选10～20AH。
4.8中央信号
有计算机系统的变配电站由计算机系统进行中央信号报警，也可以设计简单的集中报警信号箱作为计算机系统报警的后备。没有计算机系统的变配电站应选用分路报警的中央信号箱进行中央信号报警。设计时优先选用带中央信号的直流屏与交流电源屏，可简化设计，节省投资。

5 测量回路设计

5.1测量回路设计内容
测量回路设计分为电流测量回路与电压测量回设计。电流测量回路设计的主要问题有三相式电流互感器与两相式电流互感器以及零序电流互感器选择。电压测量回设计的主要问题有V/V型电压互感器与Y0/Y0/△(开口三角形)电压互感器选择。另外还应考虑是否需要设计电能表。
5.2电流测量回路设计
5.2.1电流测量回路包括计量回路、测量回路与保护回路。
5.2.2 三电流互感器
我国10kV供电系统为不接地系统。随着电力系统的不断发展，输配电线路总长度越来越长，同一组变压器供电的10kV电网的对地电容电流总和超过允许值时，发生单相接地故障就要求跳闸。10kV供电系统中性点经过大电阻接地。此时继电保护就要采用三电流互感器。如果需要用变压器高压侧过电流保护作为低压侧母干线末端单相接地短路的后备保护时，也要求采用三电流互感器。高压电动机与高压电容器三相电流不平衡保护也需要采用三电流互感器。
5.2.3 二电流互感器
同一组变压器供电的10kV电网的对地电容电流总和不超过允许值时，10kV供电系统中性点不接地。没有上述后备与不平衡保护要求时，可采用二电流互感器。
5.2.4 零序电流互感器
10kV供电系统中性点不接地，发生单相接地故障后，同一组变压器供电的10kV电网单相接地一相对地电容电流为零，其它不接地两相对地电容电流增加√3倍，三相电压仍然平衡（中性点不发生漂移），不接地两相对地电容电流总电流经过单相接地故障回路流向母线，大小为不接地两相对地电容电流的向量和，等于正常时一相对地电容电流的三倍。安装零序电流互感器后，就可以判断出单相接地故障回路。对于出线回路比较多的大中型变配电站，可安装零序电流互感器作为单相接地故障保护。不采用变配电站综合自动化装置时，可选用微机型小电流选线装置。采用具有单相接地保护功能的变配电站综合自动化装置后，可以直接进行单相接地故障跳闸，就不需要再选用微机型小电流选线装置。
5.3电压测量回路设计
5.3.1 无高压计量的小型变配电站可以不安装电压互感器。
5.3.2 10kV供电系统中性点不接地，发生单相接地故障后，由上一级变配电站进行单相接地故报警或跳闸的小型变配电站，可安装V/V型电压互感器。
5.3.3 10kV供电系统中性点不接地，发生单相接地故障后，需要进行单相接地故障报警或跳闸的大中型变配电站，需要安装Y0/Y0/△(开口三角形)型电压互感器。
5.4电压与电流互感器以及零序电流互感器设计原则
5.4.1 电压与电流互感器以及零序电流互感器应根据同一电压等级供配电网电源中性点接地方式和运行方式来进行设计。
5.4.2 变配电站供电源中性点直接接地，或经过大电阻（小电流）接地时，发生单相接地故障（又称为单相对地短路）后，需要跳闸；此时应设计三电流互感器，电压互感器可选用V/V型或Y0/Y0型，不再设计零序电流互感器进行单相接地保护。
5.4.3 变配电站供电源中性点不接地时，由一路供电线路T形接线（树干式）供电给多个允许临时停电的变配电站，上一级变配电站出线应设计单相接地保护。各用户变配电站可不设计单相接地保护，此时应设计两电流互感器，电压互感器选用V/V型，发生单相接地故障后，通过轮流拉闸查找单相接地故障点。
5.4.4 变配电站供电源中性点不接地时，由一路专用供电线路供电的允许临时停电的变配电站，上一级变配电站出线应设计单相接地保护。用户变配电站可以不设计单相接地保护，此时应设计两电流互感器，电压互感器应选用V/V型，通过轮流拉闸查找单相接地。
5.4.5 变配电站供电源中性点不接地时，由一路专用供电线路供电的不允许临时停电的变配电站，用户变配电站电源进线应设计单相接地保护，此时可设计两电流互感器，电压互感器应选用Y0/Y0/△(开口三角形)型电压互感器，进行单相接地保护。出线回路较多时，可只在各出线回路设计零序电流互感器，发生单相接地故障后，各出线回路变配电站综合自动化装置通过单相接地保护（判零序电流与零序电压），查找出接地回路，进行单相接地故障报警或跳闸。
5.5测量仪表设计
变配电站综合自动化装置液晶显示屏上可以观察到电流与功率等参数，开关柜上就可以不再设计各种测量仪表。高压电动机出线柜与高压电动机机旁以及DCS系统操纵台应设计单相过载型指针式电流表，以便于观察到电动机的启动电流与启动时间。此时如果用二次侧额定电流为1A的电流互感器，可以减小引到高压电动机机旁电流测量电缆的截面。DCS系统需要4～20mA电流时电流变送器可安装在DCS系统操纵台操。有些变配电站综合自动化装置只有保护电流测量，此时应设计电流等测量仪表，接到电流互感器的测量绕组上。
5.6电能表设计
有计算机系统时可统计电能报表，开关柜上应安装普通型自带电源隔离输出的脉冲电能表。现在变配电站综合自动化装置可以计算电能，开关柜上就可不安装电能表，此时电能报表只能作为内部核算用。

6 控制回路设计

6.1控制回路设计内容
控制回路设计主要包括电源进线与母联断路器合分闸连锁、合分闸操作、不对应接线、防跳、备用电源互投与母线测量电压自动切换等。
6.2控制回路的合分闸连锁
6.2.1 控制回路的合分闸连锁由变配电站的运行方式来决定。有两路进线单母线不分段的变配电站，两路进线断路器不能同时合闸，要求互相连锁。有两路进线单母线分段的配电站，两路进线与母联三个断路器只允许两个同时合闸，三个断路器要求互相连锁。
6.2.2 高压电动机出线柜有工艺允许合闸连锁以及工艺与电动机故障跳闸。对于有启动设备的高压电动机出线，需要引出一对断路器常开辅助接点到启动设备，启动时间控制可在启动设备中设计时间继电器。
6.3合分闸操作
6.3.1 采用变配电站综合自动化系统后，一般只设计开关柜前就地操作与计算机远方遥控操作。变配电站综合自动化装置集中组屏时，要设计开关柜前就地操作与保护屏（或控制屏）两地操作以及计算机远方遥控操作。
6.3.2 高压电动机出线柜除上述操作方式外，还有电动机机旁与DCS系统操纵台操作，电动机机旁合闸优先权最高。需要将断路器的合闸操电源引到现场机旁操纵箱后，经过转换开关后再引到出线柜与DCS系统。
6.4不对应接线
常规设计开关柜合分闸操作开关采用不对应接线。合分闸操作开关有预合－合闸－合后与预分－分闸－分后六个位置。在预合与预分位置时合分闸信号灯接到闪光母线上，以便对断路器合分闸控制回路进行检查，合闸或分闸时通过闪光信号灯验证合闸或分闸是否成功。合闸或分闸后闪光信号灯停止。在合闸后操作开关接点与断路器常闭接点串联后，再接到事故跳闸报警母线，与信号继电器事故跳闸常开保持接点形成事故跳闸报警信号电路。
采用变配电站综合自动化装置后，变配电站综合自动化装置本身已有事故跳闸与事故预告报警干接点输出，有了计算机遥控后，不应再设计不对应接线，合分闸操作应选用自复位开关或控制按钮。为了方便作防跳试验，最好选用控制按钮。
6.5防跳
6.5.1 断路器的合闸控制回路出现故障，处于接通状态，合闸后再去手动分闸，由于合闸控制回路处于接通状态，会马上又合闸，无法断开断路器。如果此时发生事故，问题就更大，事故跳闸后会马上又合闸，合闸后会马上又事故跳闸，直到断路器被损坏使事故扩大。所以断路器合分闸控制回路必须设计防跳保护。
6.5.2 直流操作常规设计选用专用防跳继电器进行防跳保护。防跳继电器有电流与电压两组线圈。电流线圈串联在分闸控制回路，电压线圈并联在合闸线圈上。分闸控制回路接通时防跳继电器电流线圈启动，其一组常开接点接通防跳继电器的电压线圈，如果此时断路器的合闸控制回路出现故障，处于接通状态，防跳继电电压线圈的常开接点吸合，使其自保持；其常闭接点断开合闸回路，使断路器不能再合闸。另外一组常开接点串联电阻后将接通分闸回路，其到保护作用。
6.5.3 由于目前尚无用于交流操作的防跳继电器，交流操作只能选用中间继电器进行防跳。将中间继电器线圈并联在合闸线圈上，其常闭接点串联在弹簧储能电源回路，如果断路器的合闸控制回路出现故障，处于接通状态，中间继电器吸合，其常闭接点断开弹簧储能电源回路，弹簧不能储能，断路器就不能再合闸。
6.5.4 用于直流操作的变配电站综合自动化装置内部有防跳继电器，其功能与动作原理同上述常规防跳。由于目前尚无用于交流操作的防跳继电器。用于交流操作的变配电站综合自动化装置内部无防跳继电器，既无防跳功能。此时应选用带防跳功能的操动机构，或设计外部中间继电器跳进行防跳。
6.5.5 永磁操动机构的分闸电流一般小于0.5A，防跳继电器电流线圈启动电流为1.0～3A。所以永磁操动机构不能采用防跳继电器进行防跳保护。应选用自带防跳功能的永磁操动机构。
此时变配电站综合自动化装置内部防跳继电器应取消。
6.5.6 有些弹簧储能操动机构内部带防跳保护。操动机构内部带防跳保护成套性好。因为变配电站综合自动化装置退出运行时，内部防跳就不起作用；选用中间继电器跳进行防跳时，要增加一个中间继电器，所以应优先选用操动机构内部防跳。
6.6备用电源互投
6.6.1 有两路以上电源进线的变配电站应设计备用电源互投。备用电源互投方案由变配电站电源进线运行方式来决定。有两路电源进线单母线不分段的变配电站只有进线备自投。有两路电源进线单母线分段的变配电站，有进线备自投与母联备自投，进线备自投又分为1号进线为主供2号进线为备用以及2号进线为主供1号进线为备用两种。
6.6.2 变配电站综合自动化装置具有备自投功能。有些产品为专用备自投装置，有些产品电源进线保护装置带备自投功能。设计时应优选用电源进线保护装置带备自投功能的产品，以减少投资，简化控制回路设计。
6.6.3 设计手册规定备用电源在备用进线有电时才能自投，这给设计带来一定问题。有些供电部门不允许用户变配电站安装线路电压互感器，也不允许将电压互感器安装在电源进线柜之前。这就无法取得线路电压，备用进线有电时才能自投，与设计手册规定发生矛盾。设计时可将计量柜安装在电源进线柜之前的电源进线隔离柜，再将电压互感器安装在电源进线隔离柜与电源进线柜之间。
6.6.4 设计时如果电压互感器不能安装在电源进线柜之前时，可要求变配电站综合自动化装置备用进线先自投一次，自投后如果没有电压，再失压跳闸，并发出备自投失败预告信号。如果要求自投自复，即在备用电源进线投入后，主供电源再来电，自动恢复主供电源供电，此时必须设计线路电压互感器，或将电压互感器安装在电源进线柜之前，否则取不到来电信号，主供电源就无法自动恢复供电。
6.7母线测量电压自动切换
6.7.1 当变配电站的一次接线为单母线分段时，如果有电能表或高压电动机出线时，应设计母线测量电压自动切换。并根据电源进线运行方式，与两路电源进线及母联断路器实现连锁。
6.7.2 选用具有母线测量电压自动切换功能的变配电站综合自动化电压互感器监测装置后，可以使控制回路设计得到简化。由一台电压互感器监测装置来实现母线测量电压自动切换时，只有在两路电源进线为合闸，或母联与一路电源进线为合闸时才允许自动切换。由两台电压互感器监测装置分别来实现母线测量电压自动切换时，只有在本段电源进线为合闸，或母联为合闸时才允许自动切换。
6.8 保护出口应设计连接片，以方便保护试验。在做过电流保护试验时将电流速断出口连接片打开，做过负荷保护试验时将电流速断与过电流保护出口连接片打开。

7 信号回路设计

7.1信号回路电压
7.1.1 变配电站综合自动化装置信号回路输入电压，有直流220V、110V与24V及交流220 V四种。直流220V、110V与交流220 V三种与操作电源等级一致，设计时应优先选用。
7.1.2 信号回路电压为直流24V的变配电站综合自动化装置，虽然直流24V电源由变配电站综自动化装置本身提供，但直流24V弱电线路与220 V强电线路要分开敷设，有变压器瓦斯与温度以及高压电动机事故跳闸信号时，尽量不选用信号回路电压为直流24V的变配电站综合自动化装置。
7.2信号回路信号种类
信号回路主要有断路器合分闸位置、手车柜手车运行与试验位置、固定柜隔离刀闸位置、接地刀闸位置、弹簧储能与永磁操动机构储能信号与高压电动机运行信号等位置信号。另外还有合分闸电源故障、变压器瓦斯与温度以及高压电动机故障等预告及跳闸信号。控制电源与合分闸回路变配电站综合自动化装置内部有故障监视。合分闸电源故障信号需要将开关柜内合分闸电源开关选用带报警辅助接点的低压断路器，将再其报警辅助接点接到信号端子上。
7.3合分闸回路监视
开关柜上信号灯接到合分闸回路也可以对合分闸回路进行监视。但分闸指示信号灯接到合闸回路时，应接到弹簧储能限位开关之后。不用信号灯对合闸回路进行监视时，分闸指示信号灯可单独用一对常闭接点进行分闸指示，变配电站综合自动化装置信号回路的电压为直流220V、110V或交流220 V时，变配电站综合自动化装置的断路器合分闸位置就可以与合分闸指示信号灯合用断路器常开与常闭接点。
7.4非电量信号
非电量信号包括变压器瓦斯与温度以及高压电动机事故跳闸信号等，它接到变配电站综合自动化装置信号输入端子后，经过软件处理可以实现跳闸与报警，这样可简化控制回路的设计。如果软件处理只能报警不能跳闸时，就需要设计信号继电器，信号继电器一对接点去跳闸，另一对接点接到变配电站综合自动化装置信号输入端子，进行报警。

8 外部电缆设计

8.1变配电站外部电缆设计内容
变配电站外部电缆设计包括操作电源回路电缆、测量回路电缆、控制回路电缆、信号回路电缆以及通信电缆设计。外部电缆设计应先设计电缆表，电缆表中要详细表明电缆编号、电缆用途、电缆起始端、电缆终到端、电缆型号与规格、电缆长度以及电缆备用芯数。设计电缆表后可以不再设计外部电缆平面图，但由电缆沟引出的电缆，应预埋好钢管，或敷设好电缆桥架。
8.2操作电源电缆
8.2.1 变配电站操作电源回路电缆包括合分闸电源、控制电源、信号电源与变配电站综合自动化装置电源电缆以及柜内照明与除湿控制电源电缆。信号电源可与控制电源合用一根电缆，到开关柜后再经过低压断路器或熔断器分为两路电源。柜内照明可与除湿控制电源合用一根电缆。每段母线上开关柜可分别设计四根电缆。
8.2.2 弹簧储能与永磁操动机构的合分闸电源电流都很小，合分闸电源电缆截面可放大一级，选用3×4mm2电缆，其于均选用3×2.5 mm2电缆。
8.3测量回路电缆
8.3.1 测量回路电缆有电流测量回路与电压测量回路电缆。电流测量回路电缆还有变压器差动与低压零序、高压电动机差动与机旁操纵箱测量电流以及高压电容器不不平衡电流测量。电压测量回路电缆还有变压器差动保护低压侧与高压电容器放电电压测量。
8.3.2 电流测量回路电缆截面选2.5 mm2，距离远时要根据电流互感器的负载容量对电缆截面进行校验。电压测量回路电缆截面均选1.5 mm2。
8.4控制回路电缆
控制回路电缆有电源进线与母联断路器合分闸连锁电缆、备用电源互投与母线测量电压自动切换电缆，引向高压电动机机旁操纵箱与DCS系统以及高压电容器的控制电缆，变压器差动保护跳低压侧控制电缆等。控制回路电缆截面均选1.5 mm2。
8.5信号回路电缆
信号回路电缆有变压器瓦斯与温度、高压电动机事故跳闸信号以及高压电容器不允许合闸连锁、备用电源互投、母线测量电压切换以及引向高压电动机机旁操纵箱与DCS系统以及高压电容器的信号电缆等。信号回路电缆截面均选1.5 mm2。
8.6通信电缆
通信电缆选用DJYYP－2×2×0.5 mm2计算机用屏蔽电缆。它的规格为两对两芯双绞，截面为0.5 mm2的总屏屏蔽电缆。通信距离较短时，也可以选用RVVP－3×1.0 mm2屏蔽电缆。

9 结束语

变配电站综合自动化系统是当前在变配电设计中普遍推广的先进技术。电气设计中会出现不少新问题。有些还涉及到设计规范与设计手册的一些规定。这就要求广大电气设计人员在设计中不断探索，并展开讨论，使其存在的问题不断得到解决，以便促进变配电站综合自动化系统这一先进技术更广泛的应用与发展。