摘要：变电站是电网的重要组成部分，智能化的变电站是促进电网智能化的关键环节。通过对保护设备一次负荷的计算，对主变压器进行选型。对线路中保护需要的电能参数进行整定，选择相应的微机保护方案。介绍一种变电站系统的配置方案，实现变电站系统自动化。
关键词：煤矿；变电站；继电保护；自动化
引言
变电站的继电保护系统融合了计算机技术、通信技术、电气技术等多个领域，以实现电力系统的稳定运行为目的，通过电气测量技术对变电站的主要电气参数进行实时测量，利用软件编程实现相关的额逻辑判断，确定变电站是工作在“故障”、“非故障”、“正常”的工作状态，发出警报并根据需要做出动作。变电站的继电保护系统主要包括：主变压器保护、母线保护、线路保护、网络通讯实现等。
1变电站一次侧计算与设计
1.1 主变压器选型
在工程应用中，可根据所选取变电站中各类设备需求系数和长期运行下功率因数的指导值。本文选用变电器负荷可分为两种类型：第一种是吸收电网中感性无功功率的用电设备，主要包括生产中的同步电机，压风机和风井设备；第二种是消耗电网中有功功率的电气设备，主要包括异步电机和各个地方的照明设备。
变压器的选型需要考虑，整个配电网络的整体运行情况。根据主要负荷的负载情况，根据现场设备运行的实际情况，主要包括相对应的同时系数和设备工作时的功率因数，可以得到电网汇总的有功容量为13 971.8 kW，取电网的同时系数为0.85，则总有功功率为：
Pzj = 13 971.8× 0.85= 11 876.03 kW （1）
无功功率的计算公式为：
Qzj = 7 331.75× 0.85= 6 231.988 kVar （2）
电网中总的视在功率计算公式为：
Szj = 7 331.75× 0.85= 6 231.988 kVar （3）
自然功率因数计算公式为：
cosФzj = Pzj
Szj =11 876.03/13 411.85= 0.89 （4）
在配电网的变压器选型中，一般考虑两台变压器并列运行的方法，当其中一台变压器工作时，可以满足配电网中大部分电气设备的运行需求，这些需要持续供电的设备包括：提升机、风井及井下负荷，也被成为一级负荷。因此主变压器的选型为S13L -12 500/35 型变压器（额定功率为12 500 kVA，负载阻抗Ud %=7.5%）在实际应用中，彼此相互独立，采取分裂运行的工作方式。
1.2 功率因数补偿方法
变压器的输出功率受到功率因数的影响而改变，最终使变压器的运行效率下降，很多设备并不能正常使用，造成电能资源的浪费。必须设计相关的功率因数补偿的方案，提升电网的功率因数，就是提高电能的利用率。以下将从设备改进和就地补偿的两个方面提升系统的功率因数。
（1） 针对经常使用的风井和提升机设备，可以从电机选型上进行优化，利用鼠笼式异步电动机，降低设备的无功消耗功率，从而提高功率因数。在一些压风和风扇设备中，控制系统并不需要通过调频调节电机的转速，在该类设备中，使用同步电机为旋转设备提供动力，可以起到无功补偿的作用，降低系统的无功消耗功率，从而提高功率因数。
（2） 利用就地补偿的方法，在母线旁边装设相关的电容器设备，实现对该母线上电能无功功率的集中补偿。提高整个矿区的功率因数。功率因数提升公式如下：
QC =Kpf Pmax ( tanФ1 - tanФ2 ) （5）
该式中个字母的含义如下：
Kpf ：各个用电设备的同时率；
Pmax ：全矿区的有功功率计算负荷；
Ф1 ：无功补偿之前系统的功率因数；
Ф2 ：无功补偿之后系统的功率因数。
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1.3 短路电流计算
根据用电设备的负荷统计和相关功率的计算方法可知，井下设备的总有功功率为5 502.4 kW，总的无功功率为4562.1516 kVar，视在功率为7261.6801 kVA。根据负荷电流S/ 3 U，电路中的最大负荷电路为700 A，选用额定电流400 A 的电缆，本次变电站的设计中采用4根电缆，其中两根用作备用电缆。
1.4接线系统设计
电力系统的正常运行是安全生产的重要条件，线缆必须布局合理，可以保证设备的正常用电需求，同时，满足生产的灵活性和经济性要求，供电系统的主接线方案主要包括：单母线、单母线分段、桥型接法。
供电系统的母线接线方式选择为单母线接线方案。该母线接线方案的优点如下。
（1） 在母线上通过一组断路器的配合使用，将单母线分成两段，同时按照平均分配的原则，将变电站的负荷分成两个部分，分别接在两个母线上，当煤矿中的某一个用电设备出现故障或者发生停电故障时，可以将改路中的重要负荷切换到另一路母线上，减小对煤矿生产的影响，保证重要负荷的持续供电，从而提高系统的供电可靠性。
（2） 在需要检修时，可以将两路负荷相互到彼此的母线上，方便检修，增加灵活性。
（3） 设备简单，运维成本低，出现故障时，自动切换负荷。
2 主变压器保护设计
变压器的主保护一般配置为差动保护，利用变压器线路出口处的差动电流整定值判断故障运行状态，为了增加保护动作的可靠性，利用比率制动曲线对变压器的差动保护进行约束，利用二次谐波区分故障状态和系统中的电压波动。同时在变压器的保护中增设零序电流保护作为后备保护。
2.1变压器主保护。
变压器的主保护一般配置为纵联差动保护，纵差保护可以根据变压器流入电流和流入电流的向量和来判断变压器的额工作运行状态。需要的电气参量信息只包括电流、与此同时，相比线路上的纵联差动保护，变压器的磁路更为复杂，在电力系统的电压突然增大时，变压器的磁路中将产生衰减的直流磁通，导致变压器的绕组中出现励磁涌流，引起纵联差动保护的误动作。
2.2变压器后备保护。
反映变压器相间短路的后备保护采用过电流保护，变压器后备保护的主要功能包括：接地保护、零序过流保护、过负荷保护等等。
3自动化系统设计
变电站自动化系统结构主要包括三个方面组成：站控层、间隔层、过程层。站控层是变电站自动化的最顶层，包含了服务器、监测界面等部分，可以向操作机构发出指令，监测整个配电网络的运行状态。采用IEC61850 以太网组成站控层网络。监控主机连接了通信监控机、通信交换机、通信网络等各类节点；在变电站的间隔层，中低压线路负荷涉及安全生产，应配置综合测控单元实时监控，拟配置深瑞公司智能仪表EPM5500P。采集模拟量、状态量、告警量，并发出控制操作状态，EPM5500 智能仪表I/O 组态灵活，支持ICE61850 协议；在过程层的单元配置中，通过许继公司BDH-806 合并单元，合并和处理常规电流、电压互感器的信号，通过IEC16850 协议， 将数据转化为以太网数据， 并通过ML2400 网络交换机与间隔层网络通信。通过站控层、间隔层、过程层三个层面网络结构的合理配置，使检测信息在网络中高速传输，实现变电站的自动化。
主变是变电站的重要组成部分，在主变的保护配置中，一般选择差动保护作为主保护。后备保护选择过电流保护，可以采用许继公司WBH-815B 系列保护装置，该装置可以方便地接入工业以太网，监测主变压器的差动电流、不平衡电流、谐波等电器参量，在电路出现故障的情况下，可以进行实时录波，方便分析故障原因。
结束语
本文在分析对变电站一次侧的主要电能参数进行计算，主要包括：变电站负荷计算、短路电流计算，并根据相关计算结果选择主变和功率补偿的方法，根据电气设备继电保护整定计算的结果确定母线保护和变压器保护的方案。并设计变电站的系统结构，提升自动化水平。
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论文作者:杨志强
论文发表刊物:《中国电业》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/29
标签：变电站论文; 变压器论文; 功率因数论文; 母线论文; 负荷论文; 设备论文; 功率论文; 《中国电业》2019年第11期论文;