变 电 站 二 次 电 路 设 计 有 关 问 题 分 析
变电站一次设备有断路器、刀闸以及电流与电压互感器等组成。二次设备包括继电保护、就地监测与控制以及远方调度所需要的各种保护装置、测量仪表与通信设备。变电站一次与二次设备之间通过二次电路相互连接，二次电路便成为保证电力系统正常运行的重要环节之一。
变电站二次电路一旦发生故障，就会引起变电站继电保护误动或拒动，造成变电站事故停电。所以变配电站二次电路的电气设计与维护对保证电力系统正常运行有着非常重要作用。
1 变电站二次电路设计内容
变电站二次电路设计包括测量、控制、保护与信号回路以及外部控制与连锁电缆设计。采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，还包括变电站综合自动化（微机保护）装置的装置电源以及各装置与计算机之间的通信电缆设计。
变电站二次电路的测量回路包括电流回路与电压回路，电流回路又分为测量回路与保护回路。电流回路设计与一次系统设计所选用的电流互感器为两相式与三相式电流互感器以及有无零序电流互感器有关。电压回路设计与一次系统所选用的电压互感器为V/V 型与Y/Y/△（开口三角形）型有关。
变电站二次电路的控制、保护与信号回路设计，与一次系统设计所选用的继电保护装置、开关柜与断路器操动机构型号有关。变电站二次电路的控制、保护与信号回路，根据一次系统设计可分为电源进线、母线分段断路器、线路出线、变压器出线、高压电动机出线、高压电力电容器出线、变压器差动保护、电动机差动保护以及电压互感器监控与备用电源自投等二次电路设计。
户内变电站二次设备都分散安装在开关柜上。户外变电站二次设备都集中安装在控制与保护屏上。常规保护的保护与控制分为保护与控制两个屏。有电能表时需要单独设计电能表屏。采用变电站综合自动化微机保护）装置后，控制与 保护回路得到简化，可以集中安装在一个屏上，称为控制保护屏。高压电动机比较多时，考虑到高压电动机经常起动容易引起干扰，有时也采用变电站综合自动化（微机保护）装置集中组屏方式。
2 测量回路设计
电流测量回路采用的电流互感器准确度应比所接测量仪表高一个等级。电能计量一般选0.2级，测量选0.5或1.0级。保护回路采用的电流互感器按照准确级限值系数来选择，电流保护选10P级，电流差动保护选5P级。
电源中性点不接地的供电系统，可选两相式电流互感器。电源中性点直接接地或通过串联电阻接地的供电系统，应选三相式电流互感器。高压电力电容器以及利用变压器高压侧过电流保护作为变压器低压侧过电流保护的后备保护时，也应选三相式电流互感器。
零序电流互感器对于电源中性点不接地与通过串联电阻接地的的供电系统，用于单相接地故障保护。对于电源中性点直接接地的供电系统，用于单相接地短路保护，也称为零序过电流保护。
V/V 型电压互感器用于无单相接地故障保护要求的变电站，为三相三线制电气测量仪表与电能表提供三相线电压。有并网要求时也可选用V/V 型电压互感器。有单相接地故障保护要求的变电站应选用Y/Y/△（开口三角形）型电压互感器。
电源中性点不接地与通过串联电阻接地的供电系统，发生单相接地故障后，不接地两相对地电压有时会升高为线电压，应采用只需要线电压的三相三线制电气测量仪表，不应采用需要相电压的三相四线制电气测量仪表。
变电站综合自动化装置（微机保护）可以计算出三相电流与三相电压、有功与无功功率、功率因数等电气参数，不需要再设计各种电气测量仪表。
为了观察高压电动机的起动电流与起动时间，在开关柜、控制保护屏、现场操作箱与DCS（PLC）操作台上应设计一相指针式电流表。此相电流还可以作为DCS（PLC）操作台电流变送器的一次侧电流。现场操作箱与DCS（PLC）操作台距离开关柜比较远时，应选用二次侧额定电流为1A的电流互感器。它比二次侧额定电流为5A的电流互感器二次侧额定负载能力加大25倍。
变电站综合自动化（微机保护）装置可以计算出电能作为内部核算，只需要内部核算时可以不再设计电能表。需要收费时应设计电能表，变电站有计算机系统时，应选用具有标准串行通信接口与标准通信规约的多功能电能表，以便直接与计算机联网。
将测量与保护电流以及测量电压，接到变电站综合自动化（微机保护）装置的相应接线端子上，各种测量与保护功能完全由软件来实现。所以采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，变电站二次电路测量回路设计得到简化，也提高了二次电路的可靠性。
3 控制回路设计
采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，可以直接进行事故与预告报警，不需要通过信号继电器与断路器位置来组成事故与预告报警电路，又因为有遥控合分闸操作，所以控制回路就不需要再采用不对应接线，合分闸回路设计就非常简单。为了方便作防跳试验，合分闸可以选用控制按钮。如果选用转换开关，需要选用自复位式转换开关。
变电站的两路电源进线与母联三个断路器的合闸回路应根据上一级电网的要求设计联锁。由外部供电的变电站一般情况下不允许两路电源同时运行，所以变电站的两路电源进线与母联三个断路器只允许两路同时合闸，不允许三个断路器同时合闸。高压电动机有时需要将现场允许合闸信号串联在合闸回路。
变电站综合自动化（微机保护）装置分散安装于开关柜上时，开关柜上应设计就地手动合分闸操作，变电站综合自动化（微机保护）装置可以进行遥控合分闸操作。为了保证检修时的安全，需要设计就地与遥控合分闸转换，也可以设计遥控合分闸解除来保证检修时的安全，以简化二次电路设计。变电站综合自动化（微机保护）装置集中组屏时，在控制保护屏上也需要设计手动合分闸操作，这样就有开关柜、控制保护屏与远方计算机遥控三地操作。
有高压电动机时控制回路设计需要增加电动机机旁手动合分闸操作，有DCS(PLC)系统时，DCS(PLC)系统还需要进行合分闸操作。应将合分闸控制、断路器合分闸位置信号以及一相电流测量先引到机旁操作箱或端子箱后，再引到DCS(PLC)系统。合闸控制应设计优先权，机旁操作箱优先权最高，需要设计合闸连锁转换开关。以便保证高压电动机检修时的安全。
现在电磁操作机构已经很少采用，变电站设计时普遍采用弹簧储能操动机构，永磁操动机构也开始推广。对于不经常起停的高压电动机可以选用弹簧储能操动机构，对于经常起停的高压电动机可以选用永磁操动机构，对于频繁起停以及有正反转控制要求的高压电动机，应选用高压真空接触器。
高压电动机距离变电站比较近时，对于频繁起停以及有正反转控制要求的高压电动机，变电站此高压电动机的出线柜，可直接选用高压熔断器与高压真空接触器。此时如果选用变电站综合自动化（微机保护）装置，保护功能可加强，但电流速断保护应退出，由高压熔断器进线短路保护。过电流、过负荷、热保护、堵转保护与起动保护等，可以由变电站综合自动化（微机保护装置）通过断开高压真空接触器进行保护。现场起停操作与各种紧急停车直接控制高压真空接触器。高压真空接触器采用电保持，可提高紧急停车的可靠性。
高压电动机距离变电站比较远时，对于频繁起停以及有正反转控制要求的高压电动机，变电站高压电动机的出线柜可直接选用高压真空断路器，此时变电站综合自动化装置（微机保护）电流速断保护就可以投入，对高压电动机进线各种保护。高压真空接触器可安装在高压电动机旁边，高压真空接触器只进行起停操作与紧急停车。为方便检修高压真空接触器前需要安装隔离开关。
4 保护回路设计
常规继电保护的保护回路有各种保护继电器组成，保护回路设计比较复杂。采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，只需要按照变电站综合自动化（微机保护）装置的端子定义，将控制电源、合分闸线圈接到对应的端子上就可以了， 保护回路设计比较简单。
变电站综合自动化（微机保护）装置一般都有防跳功能，断路器操动机构内部也可以带防跳功能。为了减少跳闸回路中串联的元器件，一般只选用一种防跳功能，设计时可优先选用带防跳功能的操动机构。
永磁操动机构的合分闸电流非常小，起动不了串联在跳闸回路中防跳继电器的电流线圈，所以选用永磁能操动机构时，必须选用带防跳功能的永磁操动机构。
5 信号回路设计
变电站的信号分为位置信号以及报警与跳闸信号。位置信号回路设计包括开关柜与控制保护屏上的合分闸指示、手车试验与运行位置指示。上述信号还需要按照变电站综合自动化（微机保护）装置的端子定义，分别接到对应的位置信号端子上，设计也比较简单。
变电站综合自动化（微机保护）装置信号回路的输入电压为交直流两用，而且与变电站操作电源电压相同时，信号回路可以与指示信号灯共用辅助接点，信号回路设计比较简单。变电站综合自动化（微机保护）装置信号回路的输入电压与变电站操作电源电压不相同时，信号回路就不能够与指示信号灯共用辅助接点，信号回路设计时应引起注意。
报警信号有变压轻器瓦斯与温度报警，高压电动机的故障信号。跳闸信号有变压重器瓦斯与超高温度信号，高压电动机的事故停车信号。采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，需要按照变电站综合自动化（微机保护）装置的端子定义，分别接到对应的报警与跳闸信号端子上，设计也比较简单。
变电站各种事故与预告报警信号通过计算机通信，由计算机进行统一报警与保存。不需要再设计中央信号报警。变电站综合自动化装置（微机保护）装置都具有事故与预告报警信号输出干接点，变电站有计算机相同时，可以将其并联后统一引到值班室集中报警信号箱，作为计算机报警的后备。
变电站无计算机相同时，可以将变电站综合自动化（微机保护）装置事故与预告报警信号输出干接点，与断路器一对常开与常闭辅助接点分别引到值班室分路报警信号屏，进行断路器运行状态指示与分路报警。
6 母线测量电压自动切换
变电站电压互感器发生事故需要退出时，母线电压测量就会消失。变电站有高压电动机出线时，高压电动机的低电压保护就会受到影响， 有电能表时电能计量时也会受到影响。此时应设计两段母线测量电压自动切换。当一台电压互感器发生事故，母线测量电压自动切换后，发生事故的电压互感器必须设计防止反送电的断开点。切换除判三相电压外，还与变电站的运行方式有关，只有在母联断路器为合闸，或者两路电源进线为合闸母联断路器为分闸时，才允许切换。
7备用电源自投
由双路电源供电的变电站，其中一路电源经常断开作为备用时，可以根据负荷的重要性，设计备用电源自投。在国家标准、“电力装置的继电保护和自动装置设计规范（GB 50062 -- 92）”第十一章中对备用电源自投作了规定。但再其条文说明中提出：鉴于发电厂与变电站常常不设置备用电源自动投入装置，而采用手动投入，不应强求一律“自动投入”，所以只作了一些原则规定与提出几点最根本的要求。
采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，由于变电站综合自动化（微机保护）装置的电源进线保护装置，一般都带有备用电源自投功能，二次电路设计也比较简单。二次电路设计好之后，运行过程中不投入时可通过软件组态将备用电源自投退出，或将备用电源自投连接片打开。
有些变电站综合自动化（微机保护）装置的备用电源自投软件，还具有备用电源投入后，主供来电自恢复功能，如果需要主供来电自恢复，一次电路设计时一定要设计线路电压互感器，或将测量用电压互感器设计在进线断路器之前。
8 操作电源选择
变电站操作电源有直流110V与220V以及交流220V三种。大中型变电站一般都选用直流操作电源。由于弹簧储能操动机构的合分闸电流只有几安培，永磁操动机构的合分闸电流只有几十毫安；所以操作电源应优先选用直流110V。现在全部采用半导体发光二极管信号灯，每只电流只有十几毫安，采用直流操作电源时，蓄电池容量可选20～38AH，此时只需要一面直流屏就可以了。
小型变电站采用常规保护时选用交流操作电源，交流操作电源直接取此电压互感器。交流操作的继电保护动作时由电流脱扣器来跳闸，电流脱扣器由事故电流来驱动与操作电源无关，可靠性比较高。采用变电站综合自动化（微机保护）装置后，变电站综合自动化（微机保护）装置断电后就停止运行，变电站综合自动化（微机保护）装置是通过断路器操动机构的跳闸线圈来跳闸，操作电源断电后，也无发完成事故跳闸。所以小型变电站采用交流操作电源，同时选用变电站综合自动化（微机保护）装置时，应设计UPS或EPS不间断电源作为交流操作电源与变电站综合自动化（微机保护）装置电源的后备电源，容量一般不大于3kVA。为提高可靠性，操作电源采用不接地系统，并设置对地绝缘监视，UPS或EPS不间断电源内部应有隔离变压器，否则外部应设置隔离变压器。
9 外部电缆设计
变电站外部电缆包括：交直流电源屏电源、合分闸电源、控制电源、信号电源、变电站综合自动化（微机保护）装置电源以及控制电缆、信号电缆与变电站综合自动化（微机保护）装置到计算机的通信电缆。
交直流电源屏一般需要由低压开关柜或所用变引两路电源电缆。由交直流电源屏到开关柜有合分闸、控制、信号以及变电站综合自动化（微机保护）装置电源电缆，控制与信号合用一路电源后，每排开关柜需要三根电源电缆。
控制与信号电缆包括各开关柜之间的连锁控制与信号电缆、备用电源自投控制与信号电缆电缆、母线电压自动切换控制与信号电缆。变压器到变电站综合自动化（微机保护）装置的瓦斯与温度信号电缆。高压电动机到变电站综合自动化（微机保护）装置的测量、信号与控制电缆。
变电站设计时应设计外部电缆表，表中需要有电缆编号、电缆名称、电缆用途、电缆起始位置与终到位置、电缆型号与规格以及电缆长度。设计好电缆表之后，一般可以不设计外部电缆平面图。但引出电缆沟的电缆需要预埋好电缆管道或敷设好电缆桥架。
结束语
变电站二次电路设计需要根据变电站综合自动化（微机保护）装置功能与端子定义、电流与电压互感器型号与规格与断路器操动机构的信型号与规格来进行。上述设备功能改进后二次电路设计也需要改进。所以需要及时了解上述设备功能的改进与变化。
现在变电站开始向数字化技术发展，电流与电压互感器输出不再是交流0～5A或0～100V模拟量，而是改进IEC61850协议规定的数字量，断路器操动机构也智能化，通过IEC61850协议与变电站综合自动化（微机保护）装置相连接。这样变电站二次电路设计就成为计算机网络设计，发生了根本性变化。当然变电站数字化技术在110kV以上电压等级的户外变电站推广，才有实际意义。
