摘要
本文对象为一机械厂，有大量的高低压供电设备。本文通过分析负荷及
增容的具体情况，选出新配电室的具体位置，明确负荷等级，调整母线所接负荷，确定系统运行方案及配电柜参数，运用负荷计算、短路电流计算和动热稳定校验计算，选择并校验符合条件的电气设备，设计出二次回路，使变电所一次设备的控制、调节、继电保护和自动装置、测量和信号回路以及操作电源系统能有效的运行。在优化系统的过程中，尽量提高电能的利用率和使用效率，采取多种方式降低线损，从而节约能源节约资金，努力降低改造成本。在对供配电系统进行设计的基础上，根据变配电站实现综合自动化的现状，从设计原则、系统配置及结构、功能、技术指标等方面着手，对本厂变配电室综合自动化系统进行了可行性分析，设计出了符合本厂情况的综合自动化系统。最后，还进行了综合自动化系统的软件设计，使变配电室智能化水平得到了极大地提升。
关键词:负荷计算；二次回路；综合自动化；智能化
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1绪论
一切大规模的现代化工业生产都需要电能。众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供给用：电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。
在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小(除电化工业外)。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供给突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。
1.1课题背景
随着生产和生活的用电量大幅度增加，电能在给人们的生活和生产带来极大便利的同时也留下了安全隐患。据《中国火灾统计年鉴》公布，我国主要城市所发生的火灾当中，电气火灾已经成为威胁人民生活和生产安全的重要因素。而引起电气火灾的主要原因便是短路和过负载运行所产生
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的导线超温情况。而线路绝缘胶皮燃烧产生的氯化氨与空气中的水分相结合，化合成稀盐酸附着在电气设备、仪器装置上生成导电薄膜，严重降低了机电设备和一、二次接线回路的绝缘性能，直接影响机电设备和发电机组的安全运行并缩短其寿命。另外，建筑供配电系统的可靠性，也直接关系到人身安全，任何事故都将造成公共场所秩序混乱，由此产生严重的经济损失乃至政治影响等。
该公司原有的供电系统已经很难满足现有现有生产的要求，况且电气设备的老化及落后已经极大的制约了新设备的投入。为了保障人身安全，供电可靠，技术先进和经济合理，供配电系统设计必须从全局出发，统筹兼顾，通过研究负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案。此次供配电系统的设计应根据工程特点、规模和发展规划，做到远近期结合，以近期为主。供配电系统应采用符合国家现行有关标准的效率高、能耗低、性能先进的电气产品。
只进行工厂供配电的设计，使其满足现有的基本要求，显然是不够的。变配电室综合自动化使供配电系统更具有智能化。20世纪70年代，国外就开展了变配电站综合自动化的相关研究，技术也相对较成熟。而我国变配电站综合自动化系统的相关研究开始于20世纪80年代中后期。随着微电子技术、电脑技术和通信技术的发展，变电站综合自动化技术也得到了迅速发展。变电站综合自动化是将变电站二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等)经过功能的组合和优化设计，利用先进的电脑技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护。变电站综合自动化系统，即利用微型电脑和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用电脑的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便
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监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。由此看来，在电力系统自动化技术日新月异的今天，变配电综合自动化系统在电力生产中发挥着重要的作用。所以，将变配电站的综合自动化技术应用到电压等级低一级的供配电室，从而进行工厂供配电室的综合自动化设计是十分必要的。
1.2研究设计的主要内容
本课题设计的主要内容如下：
一、通过对工厂供配电最优化方案的研究，设计出高压供电线路，从而确定增容后系统的接线方案。
二、优化方案实施过程中，分析系统属性确定无功补偿的方式，根据负荷计算，短路电流计算和动热稳定校验计算，选择出符合条件的电气设备。
三、根据供配电一次回路的特点，设计出变配电系统的二次回路，同时，采取必要的节能措施以减少改造成本。
四、通过工厂供配电系统的可行性分析，设计出符合本厂供配电的综合自动化系统。
五、采取有力措施提高变电站综合自动化系统的可靠性。
六、根据工厂实际情况，设计出本厂的变配电室综合自动化系统软件。
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3工厂供配电系统设计
3.1高压供电线路设计
3.1.1配电室选址
一、配电所的设计要求:
1、供电可靠，技术先进，保障人身安全，经济合理，维修方便。 2、根据工程特点，规模和发展规划，以近期为主，适当考虑发展，正确处理近期建设和原期发展的关系，进行远近结合。
3、结合负荷性质，用电容量，工程特点，所址环境，地区供电条件和节约电能等因素，并征求建设单位的意见，综合考虑，合理确定设计方案。
4、变配电所采用的设备和元件，应符合国家或行业的产品技术标准，并优先选用技术先进，经济适用和节能的成套设备及定型产品。
5、地震基本强度为7度及以上的地区，变配电所的设计和电气设备的安装应采取必要的抗震措施。 二、变配电所选址：
变配电所地址选择应根据以下要求综合考虑确定： 1、 接近负荷中心； 2、 接近电源侧； 3、 进出线方便； 4、 运输设备方便；
5、 不应设在有剧烈震动或高温的地方； 6、 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；
7、 不应设在厕所，浴室或其他经常积水场所的正下方，也不宜与上述场所相贴邻；
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8、 不应设在地势低洼和可能积水的场所； 9、 不应设在有爆炸危险的区域里；
10、不宜设在有火灾危险区域的正上方或正下方。
3.1.2负荷等级的划分
一、符合以下情况之一时，应为一级负荷：
1、中断供电将造成人身伤亡时。
2、中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如:重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。
3、中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如:重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。 二、符合以下情况之一时，应为二级负荷：
1、中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如:主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。
2、中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如:交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。③不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。
根据工厂的生产特性，并考虑中断供电对其所产生的影响情况，故将本厂的用电负荷划分为二级负荷。
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3.1.3对接线方案的选择
一、主接线方案设计原则与要求
变电所的主接线，应根据变电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。
1、安全 应符合有关国家标准和技术标准的要求，能充分保证人身和设备的安全。
2、可靠 应满足电力负荷特别是其中一、二级负荷对供电可靠性的要求。
3、灵活 应能必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。
〔4、经济 在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。 二、常见主接线方案
1、只装有一台主变压器的变电所主接线方案
只装有一台主变压器的变电所，其高压侧一般采用无母线的接线，根据高压侧采用的开关电器不同，有三种比较典型的主接线方案：
〔1〕高压侧采用隔离开关-熔断器或户外跌开式熔断器的主接线方案； 〔2〕高压侧采用负荷开关-熔断器或负荷型跌开式熔断器的主接线方案；
〔3〕高压侧采用隔离开关-断路器的主接线方案。 2、装有两台主变压器的变电所主接线方案 装有两台主变压器的变电所的典型主接线方案有： 〔1〕高压无母线、低压单母线分段的主接线方案；
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〔2〕高压采用单母线、低压单母线分段的主接线方案； 〔3〕高低压侧均为单母线分段的主接线方案。 三、主接线方案确定
1、10kV侧主接线方案的拟定
由工厂负荷计算表〔见附录三〕可知，高压侧进线有一条10kV的公用电源干线，为满足工厂二级负荷的要求，又采用与附近单位连接高压联络线的方式取得备用电源，因此，变电所高压侧有两条电源进线，一条工作，一条备用，同时为保证供电的可靠性和对扩建的适应性所以10kV侧可采用单母线或单母线分段的方案。
2、380V侧主接线方案的拟定
由原始资料可知，工厂用电部门较多，为保证供电的可靠性和灵活性可采用单母线或单母线分段接线的方案，对电能进行聚集，使每一个用电部门都可以方便地获得电能。
3、方案确定
根据前面章节的计算，假设主变采用一台S11型变压器时，总进线为两路。为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，低压侧采用单母线形式，其系统图见图3.1。
假设主变采用两台S11型变压器时，总进线为两路，为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，两台变压器在正常情况下分裂运行，当其中任意一台出现故障时另一台作为备用，当总进线中的任一回路出现故障时两台变压器并列运行。
上表3.1是两种主接线方案的比较，从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案优于装设一台主变的方案。从经济指标来看，装设一台主变的方案优于装设两台主变的方案。由于集中负荷较大，已经大1250kVA,低压侧出线回路数较多，且有一定量的二级负荷，考虑今后增容
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扩建的适应性，从技术指标考虑，采用于装设两台主变的方案。
3.1.4配电柜选择
对于配电柜选择的选择，应满足以下要求:
一、高压开关柜的结构应保证工作人员的安全和便于运行、维护、检查、检修和试验。
二、高压开关柜的结构应有足够的机械强度，以保证在操作一次设备时，二次设备不会产生永久性变形和影响性能的弹性变形。
三、开关柜内必须有工作位置、试验位置、以保证手车处于以上位置时，不能随意移动。
四、开关柜内手车的推进与拉出应灵活方便，不产生冲击力，相同规格的手车应具有互换性。
五、沿所有开关柜整个长度延伸方向应设有专用的接地导体。 六、“五防”联锁要求:
●断路器手车只能在试验或工作位置时，断路器才能进行合、分阐操作。
●当接地开关处于分闸状态时，手车才能从试验或断开位置移到工作位置。
●手车处于工作位置时，接地开关操作轴被锁定，接地开关不能合闸。 ●当断路器处于合闸状态时，丝杆被锁定，不能移动手车。 ●只有当接地开关合上，电缆室门才能打开检修电缆。 ●断路器在工作位置，二次插头不能拨下。
七、二次回路导线应有足够的截面，从而不致影响互感器准确度，应使用铜导线，其截面电流回路采用不小于2.5mm、电压回路不小于1.5 mm.
八、开关柜电缆室门要求做成带绞链，并与断路器联锁，满足五防功
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能。
九、电流互感器的安装要求便于拆装和做试验。
十、高压开关柜的结构必须是中置式开关柜，断路器室下部必须是一个独立小室，中间加隔板完全分开。
对于原有系统，采用的是固定式开关柜，柜内继电保护主要是电磁式继电器，操作复杂，稳定性差，制约生产因素多，属于落后产品，且防护等级已经达不到现有要求，不能满足现有生产的需要。综合比较现有的多种配电柜，研究其各自的特点，最终采用了KYN系列开关柜，此柜采用中置式结构，节约了断路器室约50%的空间，更有利于电缆的安装，且技术含量高，容量大，结构设计合理，牢固，外型美观，安全可靠，防护等级高，维修量小等特点，还可以与微机接口，实现配电站的自动化。
3.2无功补偿
工厂供配电系统中，功率因数的高低是衡量一个工厂电能质量的重要指标，功率因数偏低就意味着系统中无功电源不足，会导致系统电压降低而造成电能损耗增加，用电效率降低，限制了供电线路的送电能力。供电部门一般要求工厂的月平均功率因素到达0.9以上，当企业的自然总平均功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率达不到要求时，应采用必要的无功功率补偿设备进一步提高工厂的功率因数。 本工厂中，采用电力电容器进行无功功率补偿。 补偿方式有两类：
一、高压集中补偿
高压集中补偿是将并联电容器集中装设在高压配电所的高压母线上，这种补偿方式只能补偿高压母线前边所有线路上的无功功率，而高压母线后面的无功功率得不到补偿，这种补偿方式只适合于大中型企业。
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3.4设备的选择与校验
供配电系统中的导线及电气设备包括电力变压器，高低压开关电器，互感器等，均需要依据正常工作条件，环境条件及安装条件进行选择，部分设备还需要依据故障情况进行短路电流的动稳定度，热稳定度校验，在保障供配电系统安全可靠工作的前提下，力争做到运行维护方便，技术先进，投资经济合理。
供配电系统中的电气设备按正常工作条件进行选择，就是要考虑电气设备装设的环境条件和电气要求：环境条件是指电气设备所处的位置(户内或户外)，环境温度，海拔高度以及有无防尘，防腐，防火，防爆等要求;电气要求是指电气设备对电压，电流，频率等方面的要求；对开关电器及保护用设备，如开关，熔断器等，还应考虑其断流能力。
电气设备短路情况进行校验，就是要按最大可能的短路故障(通常为三相短路故障)时的动，热稳定度进行校验。但熔断器和有熔断保护的电器和导体(如电压互感器等)，以及架空线路，一般不必考虑动稳定度，热稳定度的校验，对电缆，也不必进行动稳定度的校验。
在供配电系统中尽管各种电气设备的作用不一样，但选择的要求和条件有诸多是相同的。为保证设备安全，可靠的运行，各种设备均应按正常工作条件下的额定电压和额定电流选择，并按短路故障条件校验其动稳定度和热稳定度。
3.4.1 一次设备选择与校验的条件
为了保证一次设备安全可靠地运行，必须按以下条件选择和校验：
一、按正常工作条件，包括电压、电流、频率、开断电流等选择。 二、按短路条件，包括动稳定和热稳定来校验。
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三、考虑电气设备运行的环境条件和温度、湿度、海拔以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。
3.4.5高压侧断路器的选择与校验
对于高压侧断路器，以前使用的是II型少油断路器。经过多年的使用发现，10kV少油断路器运行中存在检修次数频繁、检修工作量大，渗漏问题较难处理问题，在一定的条件下会产生高压可燃的气体，乃至发生爆炸，所以在电力发展过种中，这种断路器越来越不能满足社会发展的需要。
由于放置在室内，且其开断能力较大，故使用真空断路器。研究发现，真空断路器与少油断路器相比较有着明显的优势:
一、真空断路器维护简单，无爆炸危险，无污染，噪音低，检修费用低，故障率低。
二、灭弧室开断后介质恢复快，不需要冷却和更换，熄弧能力底，无损耗，触头压力小。
三、开断电流大，主回路接触电阻小，并适合于频繁操作等比较苛刻的工作条件。
四、真空断路器使用寿命长，一般可达20年左右，可靠性高。 相比各种真空断路器，VS1的机械传动设计的比较好，可靠性高，选择型号为VS1-12的真空断路器，且与配电柜为成套产品。
对于高压侧断路器的校验，只需其开断能力大于短路电流即可。由于其为成套产品，查产品样本，断路器的选择均满足要求。而断路器的速断保护、过电流保护、零序保护、高温报警等，均与二次回路有关。
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从图中可以看出各种回路虽然保护对象不同，但只要保护的对象发生异常情况，都可以根据观察信号灯，操作控制开关来进行各一次回路上断路器的合闸与跳闸。而且从灯的颜色也可以辩明事故信号，预告信号等重要信息。这样，保护装置和监测装置动作后都要发出相应的信号提醒或提示运行人员，从而保障供电的安全性。
3.6节能措施
为了提高电能的利用率和使用效率，节约能源节约资金，工厂的节电工作涉及面很广，既包括配电系统的节能改造，也包括电动机、风机、水泵等用电设备的节能改造。其中，配电系统的电能损耗率(简称线损率)是工厂一项重要的电气综合技术经济指标，电气管理人员必须切实做好线损管理工作。工厂的配电系统电能损耗与厂内的负荷分布、网络结构、无功配量、运行方式、用电构成、电压等级以及一、二次设备的技术性能等因素有关。配电网损耗理论上由三部分组成，即发生在线路导线电阻上的电能损失，发生在配电变压器高低压绕组电阻上的电能损失和发生在配电变压器铁心上的电能损失。本工程中采用如下几种措施降低配电系统的损耗:
一、改造迂回线路
随着工厂的发展，负荷的变化，配电线路的延伸，厂内逐年自然形成的电网不一定合理，甚至有迂回送电的情况，所以，对迂回线路必须进行改造。在线路走向改造时，主干线要接近负荷中心，分支线角度不能超过90度角。
二、改造卡脖子线，增大导线截面
随着生产发展的需要，厂内线路有的增大了负荷，增加了大的用户，有的由于电源的重新布点，使原来线路的末端变成了首端，有的由于建厂时线路建设标准低，形成了卡脖子线。改造时应增大这些导线的截面，既
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保证供电容量，又降低线路电阻，到达降损节能的目的。改造卡脖子线的标准是使线路导线截面在最大负荷时，其电流密度不大于1~1.5A/mm。当线路的导线截面一定时，在条件允许时采用己有的双回路并联工作和尽量利用备用线路供电，通过间接增大配电线路的导线截面，降低导线电能损耗。
三、改造导线的接续方法
线路导线接续不好会使接续点发热，并损耗能源。我们对导线的接续采取了如下的措施:
1、导线接续尽量防止缠绕法，改为炮接、有张力时的钳接和无张力时的设备线夹连接。
2、不同导线接续在耐张杆的引流或设备上完成，应该用铝铜过渡线夹。 3、导线或设备线夹在安装前就处理好，无锈蚀，安装时要紧固好。 四、采用无功补偿，提高功率因数
由于有功损耗与cos2Φ成反比，又由于功率因数的改善，也将引起网络电压的上升，所以采用无功补偿，提高功率因素cos2Φ可大大降低损耗。同时，功率因素的提高，在输送相同的有功功率时，也可降低配电变压器及配电线路的负荷电流。配电系统进行无功补偿时坚持全面规划，合理布局，分散补偿，就地平衡的原则。由于本工程中大量采用同步电动机，很多情况下其总的功率因素已经到达要求，只有在较少的情况下根据实际变化采用电容器自动投补的方式进行无功补偿。
五、选择同步电动机
在扩容时综合考虑采用同步电动机。由于同步电动机为容性负荷，其功率是可以超前的。通过调节励磁电流在超前的功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数。功率因数越高，用电电流就越小，从而减少用电量，节约电能。
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六、逐步更新高能耗变压器
由于建厂时间长，同时也由于受财力和物力的限制，改造前工厂仍在使用SJ1、SL1，等系列的高能耗变压器，对这些高能耗变压器应逐步淘汰。所以当更新或新增变压器时，我们选择S7、S9和S10-等系列的低损耗变压器，使用这些低损耗变压器可大幅度降低空载损耗和短路损耗。当工厂变压器数量较多时，我们确定了新型变压器数量和容量，及时投入和退出，使之到达合理运行。在负荷较低时，我们尽量减少空载变压器的台数，特别是节假日、停产检修时，我们对配电系统进行了认真调度。
七、增建二次变压所，缩小供电半径
随着生产的发展变化，工厂的变电所有的已经逐渐远离负荷中心，根据实际情况，增建二次变电所，将变电所依旧设置在负荷中心，通过缩短供电线路长度，降低线路的电能损耗。
4工厂变配电室综合自动化设计
4.1变配电室综合自动化的可行性分析
4.1.1传统变配电室存在的问题
变配电室担负着电能转换和电能重新分配的重要任务，对一个企业的安全和经济运行都起着举足轻重的作用。如果仍依靠原来的人工抄表、记录、人工操作为主，依靠原来变电站的旧设备，会存在以下几方面的缺点。
一、安全性、可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求。 二、供电质量缺乏科学的保证。
三、占地面积大，从而影响整个工矿企业的长远利益。
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四、不适应电力系统快速计算和实时控制的要求。
五、维护工作量大，设备可靠性差，同时给每年的校验保护定值工作带来了困难。
4.1.2变配电室综合自动化技术的优越性与技术支持
通过采用先进的技术，提高变配电室综合自动化水平，增加遥控、遥测、遥信、遥调四遥功能，会表达出以下几方面的优越性:
一、提高供电质量，降低损耗。
二、提高变配电室的安全、可靠运行水平，突出四遥装置的特点。 三、提高电力系统的运行及管理水平，防止人为的主观干预，运行人员只要通过观看CRT屏幕，对变配电室主要设备和各输、配电线路的运行工况和运行参数一目了然。
四、缩小变配电室占地面积，降低造价，减少总投资。 五、减少维护工作量，减少值班员的工作量，实现减人增效。 由于变配电室所是变配电系统中的重要环节。降低变配电室造价，提高变配电室的供配电电能质量和供电可靠性，减少变电所值班人员，尽量防止误操作，缩短事故处理时间是现代化智能变电所有的功能。所以，实现变配电室综合自动化势在必行。
随着电脑技术的飞速发展，变配电室传统的电磁式继电保护装置正逐步被微机综合保护装置所取代。新一代的微机综合保护器，不仅涵盖了传统继电保护和自动装置的全部功能，而且能对变配电回路的开关状态，电流、电压等模拟信号，事故下的脉冲信号，以及一些非电量信号进行采集、储存和运算。电脑技术的发展，影响了整个电器制造行业的产品革新，高低压电器产品正向着智能化的方向发展，在满足各类电器基本功能的同时亦具备了各种电量和非电量信号的采集、储存和处理功能。现代控制技术
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和现代通信技术在电力(电气)行业的应用，使上述电器产品一般均具备了数据通信接口，为各个电气控制节点间的数据进行交换、整合，实现信息资源共享，实施实时监测、集中管理乃至远程控制提供了可能。变配电所综合自动化装置，包含了上述集保护、测量计量、控制、通信于一体的智能化前端设备，将这些前端设备的通信接口连接起来的现场总线，进行通信预处理的通信管理单元以及经过组态的上位机单元(远方工作站、维护工程师站、数据库工作站等)。通过上述设备或单元的连接，实现变配电所运行数据的采集、储存、交换，并经过预置软件程序的支持对变配电所实现自动化遥测、遥信、遥控和遥调。传统的继电保护和自动装置，其结构基本上都是采用各类电磁式继电器构筑。它们的结构特点决定了信息资源不可能共享，硬件配置繁多，接线复杂，精度低，稳定性和可靠性差，并由此造成维护、校验工作量繁重装置误动、拒动的概率大。即便是上世纪80年代出现的电子式继电保护和自动化远动装置亦未能彻底解决信息资源的共享问题。由于工艺技术的不成熟，此类装置的稳定性和可靠性远远不够理想，并且在远动的通信上抗干扰能力差、误码多。在当时的科技发展条件下，工厂变配电室的”四遥”和无人值守的运行方式，仅仅是工厂电力工作者的初步试探和美好的期待。
变配电室综合自动化装置是基于现代电脑技术、现代控制技术和现代通信技术，对变配电所电力系统进行保护和控制，是传统电力自动化模式的重大改革。它的应用彻底改变了传统继电保护和自动装置的结构模式，大大提高了变配电所运行的本质安全性，减少了自动装置和人为误动的概率，减少了繁重复杂的检修和维护工作量。在变配电所综合自动化的基础上，可进一步构筑工厂变配电综合自动化系统，实现整个工厂变配电系统的自动化，从而大大降低工厂变配电系统的运行成本，提高工厂变配电系统运行的安全性和经济性。
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4.2综合自动化系统设计方案
本课题中设计的第一步，便是确定适合于此题的综合自动化系统结构。通常，综合自动化有三种结构:集中式，分散分布式和分层分布式，第一种只适合于保护比较简单的情况，且有如下一些问题的存在:前置管理机任务繁重、引线多，降低了整个系统的可靠性，假设前置机故障，将失去当地及远方的所有信息及功能;软件复杂，修改工作量大，系统调试烦琐。组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软、硬件都必须另行设计，工作量大并且扩展一些自动化需求的功能较难。第二种不利于整体监视控制。而第3种采用分层分布式智能单元(IED)，即把整个生产过程的控制功能、管理功能分散开，让控制系统由不同规模、不同功能的智能单元连接而成。且分层分布式结构，有利于集中控制多个变配电室。综合考虑本工厂发展前景，选择第三种方式为本系统的结构。
变配电所综合自动化装置，采用分层分布式的系统结构加图4.1所示，由现场保护测控层、通信管理层构成。
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通信管理层主控机现场保护控制层10KV微机总和保护和测控装置高低压智能设备
图4.1 变配电室综合自动化装置图
一、现场保护测控层
现场保护测控层包括采用分散式就地安装，集保护、测量计量、控制、通信于一体的电动机测控保护单元、变压器测控保护单元、线路测控保护单元、同期合闸单元、备自投单元、重合闸单元等各种功能的10kV微机综合保护、测控装置，通过现场总线与通信管理层中的主控机相连。
变配电所内各类高低压智能设备，如直流电源装置、小电流接地选线装置、消谐装置以及0.4kV的智能开关装置等，亦可通过相应的通信接口与通信管理层中的主控机相连。所有回路的综合保护装置均可按需要配置DCS接口，将各种电气运行状态和运行参数直接接入电气或化工的DCS，实现跨系统的资源共享。具体设计的内容包括: 1、对于电气一次设备
〔1〕变电站主要一次设备大多为油断路器，其可靠性较差，将其更换
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为真空断路器，以便实施联动控制。
〔2〕主变压器中性点隔离开关由手动操作改为电动操作。 2、对于电气二次设备
对于电气二次设备的改造有条件的变电站应全部改造为综合自动化系统，具体如下:
〔1〕取消全站的常规控制、保护屏，在各开关对应的控制回路中(开关柜或保护屏)设就地操作功能及红绿灯，增设微机五防闭锁功能，设置“当地”、“远方”切换开关。
〔2〕取消当地测量仪表。
〔3〕组建站内自动化系统及分布式通信网络。
〔4〕10kV线路开关选用微机保护，安装于高压开关柜上。 〔5〕改造主变压器的温度测量回路，以适应测温的需求。
〔6〕更换站内旧式电能表为智能式电能表，电能量通过电度表电能采集装置上传至综合自动化系统及地调。
〔7〕更换站内直流系统为高频开关电源，带有通信485接口，实现与微机综合自动化系统的接口通信，电池采用免维护的铅酸蓄电池。
〔8〕继电保护配置按设计规程配置，要求面向控制对象独立设置，所有间隔智能单元功能相对独立，互不牵连。凡可以就地完成的功能决不依赖通信网。本系统继电保护按被保护的电力设备(间隔)分别独立设置，直接由相关的TA及TV输入电气量，动作后由接点输出，直接操作相应的断路器跳闸线圈;其它一些重要的控制设备，例如备用电源自动投入装置，通过设置专用的装置，放在相应间隔上。
〔9〕更换站用电系统，使之具有备用电源自动投入及遥控功能。 〔10〕保护装置设置有通信接口，接入站内通信网以便在保护动作后向变电站层微机设备提供报告等，但保护功能完全不依赖通信网。
这里，10 kV部分采用“四合一”(集保护、控制、测量、通信为一体)
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装置，主变间隔配置专用的测控单元，实现保护和测量严格分开。小电流接地选线由10kV开关柜上的智能单元、开口三角电压监测点和主站构成。各智能单元实时计算当前的3U0，3I0向量，当系统接地导致3U0升高时，母线开口三角电压监测点向主站报选线接地信号，主站则在接到接地信号后调各装置内的3U0，3I0向量，进行比较从而实现接地选线功能，节省了常规的小电流接地选线装置。备自投功能采用专用的备用电源自动投入装置，通过该装置实现10kV母线分段开关自动投入，提高供电的可靠性和连续性。
同时，还要注意数字量和模拟量的输入与输出。在变电站综合自动化系统中，需要采集的信息很多，但从它们的性质来分，可分为模拟量、开关量、脉冲量和广义读表数等四大类。一般来说，针对电脑而言，处理的都是数字量，对模拟量的处理，也是必须先转换成数字量才能进行处理的。而对于模拟量的输入与输出，变电站的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都是模拟量，这些模拟量都是随时间连续变化的物理量，由于电脑只能识别数字量，所以模拟信号必须通过模拟量输入通道，转换成相应的数字信号才能输入到电脑中进行处理。另一方面，为了实现对生产过程的控制，有时还需要输出模拟信号，其中要涉及到模拟量输入输出通道的组成、数模转换器、模数转换器、多路转换器、采样保持器、高集成度的数据采集系统、采样方式等等。 二、通信管理层
变电站内通信网络连接各设备层，使独立的各自分散的设备形成协同工作的有机总体，并与外部系统紧密相连。这一层我们定义为通信管理层。变电站综合自动化系统的总体性能在很大程度上取决于此层的性能。
通信管理层(亦称下位机系统)的主要配置为具有通信管理功能的主控机。主控机一般采用单元组合设计，每个主控单元均可提供假设干个RS485/
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232/ 422串行接口，用以接入各种智能设备，通过规约转换，各设备可方便地接入通信系统(或接入以太网)。RS422/ 485接口总线网见图4.2
终端调试后台系统RS-232/485RS-232GPS对时RS-232总控单元区调市调秒脉冲输入秒脉冲信号秒脉冲输出VQCRS-422/485/光线各类型继电保护装置、数据采集装置和只能测控装置
图4.2 RS-422/485接口总线网
智能设备的接入一般采用面向对象的设计原则，以保证接入的智能设备有清晰的各种功能分布界面，便于设计、控制、维护和管理。某些类型的主控单元还可分别通过RS485串行接口与DCS相连。
主控单元通过现场总线分别与10kV微机综合保护测控装置、变配电所内各类高低压智能设备通信。主控单元与上位机系统可采用普通通信电缆配以调制解调器连接，在设置局域网的系统中，亦可采用以太网连接方式，以光纤作为传输介质。
变配电综合自动化系统是一个在线进行数据采集和数据交换的系统，系统中各种不同功能的设置之间，实时进行着大量的信息交流。因此需要确定统一的数据交换格式，遵守共同的通信规约。数据通信包括两方面的内容:一是综合自动化系统内部各子系统或各功能模块间的信息交换，二是变电站与控制中心间的通信。而采用以上的通信网络，运行状态稳定，故障率较低。且该网络系统无需增加其他设备即可直接实现双机备份，所有
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设备可提供独立的双网接线，通信互不干扰，可组成双通信网络，通信可靠性较高。
4.3提高变配电室综合自动化系统可靠性的措施
4.3.1综合变电站带来的问题
变电站综合自动化确实给我们的工作带来了效益，可在目前来看，它还属于是一种新生事物，特别是不少工作在变电站第一线的技术人员与运行人员，对它的技术和系统结构还不了解，对其可靠性问题还比较担忧;另一方面，变电站综合自动化系统内部各个子系统都为低电平的弱电系统，但它们的工作环境是电磁干扰极其严重的强电场所，确实会影响到各个元器件的正常工作。
4.3.2采取的措施
一、抑制干扰源的影响，采取屏蔽措施、减少强电回路的感应祸合等。 二、接地和减少共阻抗祸合，采取一次系统接地、二次系统接地、变电站综合自动化系统的工作接地等。 三、隔离措施
1、模拟量的隔离
2、开关量输入、输出的隔离 四、滤波
滤波是抑制自动化系统模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一。 五、电脑供电电源的抗干扰措施
采用变压器隔离、电源滤波器，采用不间断电源UPS等有效方法。
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4.4工厂变配电综合自动化系统功能
工厂变配电综合自动化系统的测控和管理功能，因不同厂商开发的软件及用户的要求不同而有所差异，但一般应满足以下的主要功能或要求。
一、实时数据的采集与处理功能 二、数据库的建立与维护功能 三、故障报警功能
四、事件顺序记录和事故追忆功能 五、监视屏画面实时生成和显示功能 六、在线计算、自动制表及输出功能 七、友好的人一机界面和对话功能 八、系统自诊断与自恢复功能 九、电能计算 十、其他功能
4.5变电站综合自动化系统的软件可靠性研究
较之常规的变电站自动化系统，变电站综合自动化系统的主要优越性表达在其借助通信，实现各个断路器间隔中的保护测控单元、变电站电脑系统、电网控制中心自动化系统之间的信息交换和信息共享，从而提高变电站运行的可靠性。可靠的通信一方面依赖于可靠的IED装置、电脑硬件、传输介质、接口设备、网络拓扑结构以及相关的抗干扰技术，另一方面依赖于实现各种功能的软件系统的可靠运行。衡量软件系统的质量需要相关的数学模型和指标，而软件可靠性模型恰好能满足这种需要，它能定性和定量地评价软件系统的可靠性，评价和预测可靠性走向，在软件产品的开发、运行和维护的各个阶段都能发挥其指导性作用。
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JM模型(Jelinski and Moranda Model)是Z. Je2linski和P. Moranda于1972年提出的，它把故障间隔时间看成一种随机过程，符合一定的分布，分布参数依赖于各间隔时间内程序中的残留故障数。模型基本假设如下:
一、软件中的初始故障个数为一个未知但固定的常数，用N表示。 二、故障一旦被查出即被完全排除，且不引入新的故障于是每次排错之后，N就减1。
三、任何时候的故障率都与软件中的故障剩余个数成正比，其单位故障率用表示。
设t1，t2，•••，tn表示相继出现的并被改正的故障之间的时间区间样本，则第i次故障发生的时间服从参数[N(i1)]的负指数分布，其故障密度函数可以表示为:
[N(i1)]ti 〔4.1〕 f(t1)[N(i1)]exp{JM模型的数学表示简单，假设比较合乎直觉，数据要求也较为简单。但是其假设二不完善，因而缺乏广泛适用性。本文对假设二做出修改，建立一个适用于变电站综合自动化系统的改良的JM可靠性模型。
本文根据某变电站综合自动化系统软件的测试数据，利用基于改良的JM模型的软件可靠性模型预测出单位故障率，软件设计中存在的初始故障数及其查出时间。模型的仿真软件为Matlab6. 5，其算法流程如图4.3所示。其中，当前累积故障数表示到当前时间为止系统累积发生故障的次数；下一故障发生率为监测程序根据当前状况预测下一故障发生的概率；下一故障时间表示预测下一故障最有可能发生的时间;初始故障数为估计出的软件设计和编码中存在的原始故障个数。由于该模型的参数方程是非严格单调的，本文采用了步长为0.1的试探性数值求解法，以保证在较短时间内求得参数的满意解。
通过对变电站综合自动化系统的软件可靠性的模型的研究，可以做以
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下工作：1、对所开发的软件进行可靠性预测，并根据可靠性指标判断其是否能满足实际运行需要；2、可以利用该模型估算测试成本。
针对目前电力系统对软件可靠性的研究相对薄弱的情况，本文对变电站综合自动化系统软件的开发测试阶段建立了软件可靠性模型并提出了相应的算法，提出的改良JM模型在原有JM模型的基础上引入了故障消除概率，从而克服了原模型对于排错过程估计过于乐观的不足。该算法能估计出软件初始故障数、单位故障率，并能预测出软件下一故障发生的概率及最可能出现的时间，为判断产品的质量达标与否提供理论依据。
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入口连接数据库，获得测试数据当前积累故障数为ErrorNum,当前错误消除数为ElimNumi，求解后保存到Ui求解参数，保存到Sumti，保存最近一次失效时间到t0F(x)=(1/x)+[1/(x-u*)]+[1/(x-2u**)]+…以步长为0.1迭代求解，得到满意解存至N，计为初始故障数N迭代失败Y计算单位故障率Φ=ErrorNum/（N×t-Sumti）输出迭代失败标志计算下一故障发生率计算下一故障发生时间参数显示返回
4.3 算法流程图
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5结论
本文遵循电气工程设计的一般步骤和方法，按照相应的要求，对一机械厂供配电及综合自动化系统进行了详细的设计，从而不仅使此化肥厂的供电系统能完全满足改造后的要求，并且其配电室自动化水平也更具智能化。在供电可靠性，安全性，经济性及变配电室的科技含量等方面都有很大的提高。论文所完成的主要工作和取得的一些成果包括:
一、调查了供电系统原有的结构，确定了现有系统的供电方案。同时，优化原有系统的不足之处，调整负荷分配，明确补偿方式。
二、通过负荷计算、短路电流计算和动热稳定校验计算得出相应的数据，查阅相关标准和书籍，并且以最优化为原则，综合考虑，多方面比较，选择出了能保证供电安全可靠的电气设备。
三、设计出了二次回路，时刻检测电气参数，使其具有对一次设备的控制、调节和保护，从而保证供配电的安全可靠性。在优化原有系统的同时采取多种措施及技术减少改造成本。
四、通过可行性分析，结合实际情况，设计出了符合本厂条件的综合自动化系统。同时，采取有力措施提高变电站综合自动化系统的可靠性。
五、对变电站综合自动化系统软件的开发测试阶段建立了软件可靠性模型并提出了相应的算法。
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致谢
本论文的研究工作是在我的老师梁**的精心指导和悉心关心下完成的，在我的学业和论文的研究工作中，无不倾注着老师辛勤的汗水和心血，在此成文之际，谨向梁老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意！从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了许多做人的道理。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神给我留下了深刻的印象，并将使我终身受益。
另外，我还要感谢所有学习期间曾给我帮助的老师、同学和朋友。衷心的感谢在百忙之中评阅论文和参加论文答辩的各位老师!
署名：*** 二零一零年五月
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附录一
变电所10kV高压一次系统图：
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附录二
变电所380V低压一次系统图：
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附录三
机械厂负荷计算表：
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 名称 类别 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 设备容量 需要系数 pe(kW) 300 10 310 280 10 290 30 5 12 200 8 208 250 10 260 200 26 226 300 13 313 350 8 358 850 26 876 200 4 204 500 10 Kd 0.4 0.8 — 0.3 0.7 — 0.4 0.8 — 0.5 0.8 — 0.3 0.9 — 0.4 0.8 — 0.2 0.8 — 0.2 0.8 — 0.3 0.8 — 0.7 0.8 — 0.6 0.8 cos tan 1.02 0.48 — 1.33 0.48 — 0.62 0.48 — 0.62 0.48 — 1.17 0.48 — 1.02 0.48 — 1.33 0.48 — 1.17 0.48 — 1.98 0.48 — 0.75 0.48 — 1.02 0.48 - 33 -
120 8 128 84 7 91 12 4 16 100 6.4 106.4 75 9 84 80 20.8 100.8 60 10.4 70.4 70 6.4 76.4 255 20.8 275.8 140 3.2 143.2 300 8 计算负荷 p30(kW) Q30(kvar) 0.7 0.9 — 0.6 0.9 — 0.85 0.9 — 0.85 0.9 — 0.65 0.9 — 0.7 0.9 — 0.6 0.9 — 0.65 0.9 — 0.45 0.9 — 0.8 0.9 — 0.7 0.9 122.4 3.8 126.2 111.7 3.4 115.1 7.4 1.9 9.3 62 3.1 65.1 87.8 4.3 92.1 81.6 10 91.6 79.8 5 84.8 81.9 3.1 85.0 504.9 10 514.9 105 1.5 106.5 306 3.8 S30(kVA) — — 179.8 — — 146.7 — — 18.5 — — 124.7 — — 124.7 — — 136.2 — — 110.2 — — 114.3 — — 584.1 — — 178.5 — — I30(A) — — 273 — — 223 — — 28 — — 189 — — 189 — — 207 — — 167 — — 174 — — 887 — — 271 — — 铸造车间 锻压车间 仓库 电镀车间 工具车间 组装车间 维修车间 金工车间 焊接车间 锅炉房 动力 11 热处理车间 照明 山东科技大学学士学位论文
12 生活区 小计 照明 动力 总计〔380v侧〕 照明 510 200 3460 330 取 — — — 0.7 — — 0.9 — — 0.48 — 308 140 1540 309.8 67.2 1667.6 436.8 155.3 — 664 236 — Kp0.8，Kq0.8 1232 1334.1 1816 2759 附录四
英文文献及译文
Analysis of the reasons for the low power factor of the factory power supply system, and to improve power factor and to take effective idle work compensation measure is discussed. To saved the electrical energy, raised enterpriseps economic efficiency has important effect。
Large and medium-sized enterprises PeiDianJian with responsibility for the whole enterprise management and distribution of electricity. At present, most of the enterprise management mode PeiDianJian obsolete, low automatization, difficult to adapt to the requirements of the development of enterprises. In view of this situation, we have developed PeiDianJian monitoring and management system. This system in the computer as the core, real-time monitoring of electric parameters, PeiDianJian all the data processing, dynamic display of statements and output. This system can be used in the PeiDianJian enterprise technical renewal and the transformation of enterprise to do well planned, save electricity, improve economic benefit has important significance.
We use the mains by huge power supply system is provided, all the network supply circuit is only for each of the power supply system, network, a tiny branches output. Metal wires connected by good conductors of power supply circuit, each of its source power substation, and then from that power to client to substation and its level in scale, thousands of kilometers and hundreds of kilometers of kilometers. Bare wire in the air in the vertical distribution of atmospheric mountain while high and low, in accordance with the Qing, from
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dozens of rice to thousands of meters and hundreds of meters above all common. 2 km In such a large scope, the vertical distribution and wide for substation online, due to weather, no matter where or by direct discharge, clouds cloud in discharging, in the air and good conductors of bare wire easily inductive or direct lightning introduction to. This is the power system and power equipment to be struck by lightning external environment.
Power supply system and electric defense methods of lightning
Analysis of the power supply system and electric easily be struck by lightning, can draw on electrical equipment, defense lightning damage, should be perfected in the power supply system, and avoid thunder lightning protection measures, the core problem is how to maximize effectively or truncate the high voltage and the thunder and lightning, strong flow under the frequency of more than 10 KHz seitching invasion.
transformer segregation laws
To effectively cut from the high voltage power and strong currents, currently use transformer isolation method. So-called isolation method, is based on transformer transformer equation:
EM = 4144fNBMS
Type of EM for transformer original (vice), unit V; potential edge F for power source) frequency, unit (speed, N the original (vice) side of coil, The intensity of magnetic core materials BM, unit Wb/M2, S for the core area, unit M2.
This equation, powerful lightning invade the transformer, due to transformer voltage electric ray than the normal supply of high pressure many times, make incentive magnetic induction than the maximum allowed by magnetic core transformer core strength BM, thus the magnetic saturation, transformer -- electricity failure, GaoLei voltage transform temporarily cannot transfer to the transformer, a deputy side of transformer protection lightning channel, the deputy of electrical equipment load. While there are usually installed transformer power valve can be powerful lightning and the lightning
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flow into the earth, and in the safe, high voltage, current, power
Flow, fuses will fuse off. Stop So, always packed transformer electrical equipment configuration of transformer, than by lightning bad probability is greatly reduced.
Why in the fall after the power supply, sluice stop there will still be struck by lightning disasters. This happened because lightning, invading transformer connected by vice and load of electrical equipment based on low, still can exist, these induction lightning induction lightning electronics products will cause of lightning. This problem is often neglected, many lightning disasters, the event is not solved the problem. The successful development of lightning power, for we solve this problem.
Lightning arrester power
For truncated or stop high-pressure seitching in metal wires to load caused by lightning, electric 1890 invented the clearance of the way after the lightning series fuse, 1922 made us Westinghouse carbonized silicon arresters. To use the 1972 Japan dielectric properties research into fell seconds with no gaps (ZnO) service. Current power supply system is widely used in such power lightning.
Zno arrester by zinc oxide thermistors, each thermistors according to need to have it made in certain switching voltage (psa). When in the lower voltage arresters ends switching voltage (psa), high resistance thermistors present state, arrester doesn't work. When lightning arrester ends when, in the voltages above switching voltage (psa), thermistors, low resistance by breakdown, even close circuit state, in a very short time (50ns ´ s, 10-9) arrester is high, the work of a lightning through introducing the earth grounding safety. When, after the lightning arrester stabilised, voltage on both ends of the lower voltage switching voltage (psa), thermistors and present state of high value, lightning arrester stop working, electric conduction normal power.
FenLiuXing avoid thunder
FenLiuXing avoid thunder, is the core of wire cable in transmission series
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on two capacitor, input shunt capacitor in an inductance coil. So, when the capacitance and inductance coil capactance C L reasonable choice of inductance, make through two more than 10 frequency capacitor, much like KHz TV signal frequency speed to sign for dozens of hundreds of megabytes speed signals through the capacitance, and lightning frequency circuit reactance small majority in 100 KHz, when lightning through the capacitance, will produce larger pressure drop. And through the situation, high capacitance signals through the inductance greater pressure drop when L, much lower frequency of lightning, through the low impedance, large discharge by lightning, XieRu grounding. Television antenna lightning current share this line shunt principle and method.
Production of equipment, such as mechanical processing machine, with various kinds of crane, with induction motor, etc, these large and electric power load is perceptual load, make the power factor of power supply system, the influence of distribution transformer lines and economic operation of power sector, reach the power factor, thus must adopt the reactive power compensation measures to improve the power factor, and can save energy and reduce consumption.
The power factor of system of power supply is an important technical and economic indexes, the power factor of electric equipment is reflected the active power and the ratio of power nai. Relevant procedure: high voltage power supply power plant, the maximum load of power factor may not be less than 0.9, Other factories, power factor may not be less than 0.85.
The main factors that affect the power factor
The power factor of ac electric equipment, mainly because in its working process, in addition to generate power loss, also produce reactive power loss. Therefore improving power factor the essence of the problem is to reduce the electric equipment of reactive power consumption. Asynchronous motor and power transformer is reactive power loss of the main equipment and power lines of reactive power loss, it is current through the lines. Circuit reactance.
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Parallel compensation in power capacitors supply system of factory installed position, have high concentrated compensation, low-pressure concentrated compensation and separate compensation on-spot three modes, etc.
Theoretically speaking, the reactive power compensation is the best way of reactive power, where is produced, the whole system where compensation will not reactive current flow, but in actual power supply system in this is impossible. We currently have a 10 kv power supply system, and has three switch power transformer substation, three workshops 800kVA respectively, 560kVA capacity, 630kVA. Dynamic load hundreds of machine tools and machining, electric welding machine, etc. Combined with practical, electricity load during load fluctuation change is big, the characteristics of small load after midnight, in order to avoid over compensation, and meet after midnight on all load cases are adopted to improve the low voltage offset, automatic reactive compensation devices.
分析了工厂供电系统功率因数偏低的原因,探讨了提高功率因数的方法及采取的有效无功补偿措施,对节约电能,提高企业的经济效益有重要意义。
大、中型企业配电间担负着整个企业的电力管理与分配任务。目前, 多数企业的配电间管理方式陈旧, 自动化程度低, 难以适应企业发展的要求。针对这种情况, 我们研制了配电间监测与管理系统。该系统以电脑为核心, 实时监测配电间的全部电力参数,经数据处理后, 动态显示并输出各类报表。该系统可用于企业配电间的技术更新和改造,对企业搞好计划用电、节约用电、提高经济效益具有重要意义。
我们使用的市电是由庞大的供电系统网络提供的,每一路供电线路仅是供电系统网络的一细小分枝输出端。由良导体金属输电导线连接的每条供电线路, 其源头从发电厂到变电站, 再到输变电网再到用户端, 其水平尺度都在数百公里、上千公里乃至上万公里。裸露在空气中的导线在大气中的
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垂直分布依山而高, 依箐而低, 从几十米到几百米上千米以至两千米以上都常见。在这样大范围、垂直分布又广的整个供变电网上, 由于天气原因, 无论在哪里遭到直击雷还是有云间放电、云内放电,裸露在空气中的的良导体导线很容易感应或直接将雷电引入。这就是供电系统和用电设备易遭雷击的外部气象环境原因。
供电系统和电器防御雷电的主要方法
分析了供电系统和电器易遭雷击的原因, 可以得出,防御雷电对用电设备的危害, 应该从完善供电系统的防雷避雷措施做起, 而且, 核心的问题就是如何最大限度地有效遏制或截断过高的雷电压和过强的雷电流, 阻止10 多KHz 以下频率的雷电波侵入。
变压器隔离法
为有效地切断来自电网的高电压和强电流, 目前普遍采用变压器隔离法。所谓变压器隔离法, 就是根据变压器方程:
EM = 4144fNBMS
式中EM 为变压器原(副) 边电势, 单位V; f 为电源(信号源) 频率, 单位Hz ; N 原(副) 边线圈匝数;BM 铁芯材料的磁感应强度, 单位Wb/M2 ; S 为铁芯的截面积, 单位M2 。
由此方程可知, 当强大的雷电侵入到变压器时, 由于雷电压比电网给变压器正常的供电压高许多倍, 使得激励的磁感应强度远远大于铁芯允许通过的最大磁感应强度BM , 因而变压器铁芯饱和, 变压器的磁———电变换暂时失效, 高雷电压不能传输到变压器副边, 从而截断了雷电通道, 保护了变压器副边所负载的用电设备。同时变压器一般还安装有阀型电源避雷器, 可有效将强大的雷电流安全引入大地, 在电流过大、电压过高时, 电
流熔断器会熔断掉闸, 停止供电。所以, 但凡装了变压器的用电设备比未装变压器的, 被雷击坏的机率就大大降低。
为什么在掉闸停止供电后, 仍会有雷击灾害发生。这是因为发生雷击时,
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侵入变压器副边及连接所负载的用电设备的低压输电线上, 仍然还会存在有感应雷电,这些感应雷电仍会对电器电子产品造成雷电灾害。这个问题常被无视, 不少雷电灾害事件, 究其根源, 就是没有解决好这个问题。电源避雷器的研制成功, 为我们解决好这个问题提供了帮助。
电源避雷器防雷法
为截断或阻止高压雷电波在金属导线上的传播给负载电器造成雷电灾害, 自1890 年发明了间隙串联熔断方式的避雷器以后, 1922 年美国西屋公司制成了炭化硅避雷器。到了1972 年日本利用电介质的伏秒特性研制成了配电用无间隙氧化锌(ZnO) 避雷器。目前供电系统应用较广的就是这类电源避雷器。
氧化锌避雷器由氧化锌压敏电阻构成, 每块压敏电阻根据需要在制成时有它一定的开关电压(压敏电压) 。当加在避雷器两端的电压低于开关电压(压敏电压) 时,压敏电阻呈现高阻值状态, 避雷器不工作。当发生雷电时, 加在避雷器两端的雷电压高于开关电压(压敏电压) , 压敏电阻被击穿, 呈现低阻值状态, 甚至接近短路状态, 在很短时间( ´ 50ns , 即10 - 9 s) 避雷器即导通工作, 将过高过强的雷电流经接地线安全引入大地。当雷电过后, 电压趋稳, 避雷器两端的电压低于开关电压(压敏电压) 时, 压敏电阻又呈现高阻值状态, 避雷器停止导通工作, 电力线恢复正常供电。
分流型避雷法
分流型避雷法, 就是在传输导线电缆的芯线串联上两个电容器, 在电容器输入端并联一个电感线圈。这样,当电容的电容量C 和电感线圈的电感量L 合理选择, 使通过两个电容器、频率比10 多KHz 高得多的如电视信号等频率为几十兆Hz 到几百兆Hz 的电信号通过电容的电抗很小, 而雷电频率绝大部分在100KHz 以下, 当有雷电通过电容时, 则会产生较大压降。与通过电容的情况相反, 高频电信号通过电感L 时产生较大压降, 而频率低得多的雷电则通过很低的阻抗, 大量泄放雷电, 经接地线泄入大地。电视
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共用天线避雷器目前采用的就是这种传输线分流原理和方法。
生产所用的设备,如机械加工用的各类机床、天车,都带有感应电动机,还有电焊机等,这些大量的动力负荷都是感性负荷,使得供电系统的功率因数偏低,影响了线路及配电变压器的经济运行,达不到电力部门的功率因数要求,因此必须采取无功功率补偿的措施来提高功率因数,并能节约电能、降低损耗。
功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标,功率因数反映的是用电设备产生的有功功率与视在功率的比值。我国有关电力规程规定:高压供电的工厂,最大负荷时的功率因数不得低于0.9;其它工厂,功率因数不得低于0.85。
影响功率因数的主要因素
功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除产生有功功率损耗外,还产生无功功率损耗。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率损耗。异步电动机和电力变压器是产生无功功率损耗的主要设备,还有供电线路产生的无功功率损耗,它是电流通过线路电抗所产生的。
并联补偿的电力电容器在工厂供电系统中的装设位置,有高压集中补偿、低压集中补偿和单独就地补偿等三种方式
理论上而言,无功补偿最好的方式是在哪里产生无功,就在哪里补偿,整个系统将没有无功电流的流动,但在实际供电系统中这是不可能做到的。我厂目前供电系统有一个10千伏电力开关站,下设三个车间变电所,三台变压器容量分别为800kVA、560kVA、630kVA。动力负荷有几百台机加工机床、天车、电焊机等。结合实际,白天用电负荷大,负荷波动变化大,后半夜负荷很小的特点,为了防止后半夜过补偿,并满足在所有负荷情况下都改善电压偏移,采用了低压自动无功补偿装置。
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