【从零开始】电气一次设计学习指南

 

从零开始学习 变电站电气一次 设计 ，需构建 “基础 概念 →核心知识→设计技能→实践应用 → 现场实践 ”的系统学习路径，以下是分阶段的详细学习指南：  

一、夯实电力系统基础理论

变电站一次设计的本质是将电力系统理论应用于工程实践，需先掌握核心基础理论：  

1.电气基础理论

· 核心内容 ：电路原理（欧姆定律、基尔霍夫定律、交流电路分析）、电磁场理论（电磁感应、电容 /电感特性）、电机学（变压器、异步电机原理）。  

· 学习目标 ：理解电压、电流、功率的基本关系，掌握三相电路的对称 /不对称分析，明确变压器的变比、接线组别、运行特性（如空载/短路试验）。  

· 推荐资源 ：

通读《电力工程电气设计手册电气一次、二次部分》，学习变电站相关内容，重点学习第二章节:电气主接线；第五-十章节：设备及导体的选择及布置。

设备手册通识：《电力工程电气设备手册上、下册》；

理论学习：教材《电路》（邱关源）、《电机学》（汤蕴璆），重点关注

“三相电路”“变压器原理”章节。    

2.电力系统分析

· 核心内容 ：电力系统基本概念（电压等级划分： 35kV/110kV/220kV/500kV等）、潮流计算（功率分布、电压调整）、短路电流计算（对称短路、不对称短路）、稳定分析（静态/暂态稳定）。  

· 学习目标 ：  

o 掌握电力系统 “发-输-变-配”链条中变电站的角色（枢纽/终端/地区变电站）；  

o 理解短路电流的产生原因（如三相短路、单相接地短路），记住无限大电源系统下短路电流的周期分量、非周期分量、冲击电流计算公式（后续设备选型的核心依据）。  

· 推荐资源 ：

设计手册通读：《 电力工程设计手册 电力系统规划设计 》；

教材《电力系统分析》（何仰赞）、《电力系统继电保护原理》（贺家李，侧重一次设备与保护的配合）。    

二、掌握变电站一次设备与主接线设计

一次设计的核心是 “设备选型+接线方案+布置设计”，需先明确一次设备的功能与主接线的框架。  

1.核心一次设备原理与选型

变电站一次设备是电能传输、控制、保护的载体，需掌握其分类、参数、选型标准：  

设备类型	功能	核心参数	选型依据
变压器	电压变换、电能传输	额定容量（ MVA ）、额定电压（ kV ）、接线组别（如 YN,d11 ）、短路阻抗（ % ）	负荷容量（考虑 20% 裕度）、并列运行条件（变比 / 短路阻抗一致）、地区电网规划（未来扩建需求）
断路器	正常分合负荷电流、故障开断短路电流	额定电压、额定电流（ kA ）、额定开断电流（ kA ，需≥短路电流周期分量有效值）	短路电流计算结果（开断电流 ≥系统最大短路电流）、操作频繁度（ SF6 断路器适用于频繁操作）
隔离开关	隔离电源、形成明显断口	额定电压、额定电流、动稳定电流（峰值， ≥短路冲击电流）、热稳定电流（ kA · s ）	配合断路器断口设计，动 / 热稳定参数需≥短路电流对应值（无灭弧能力，不可带负荷操作）
母线	汇集 / 分配电能	材质（铜 / 铝）、截面（ mm 2，按载流量和短路热稳定校验）、形式（硬母线 / 软母线）	载流量（ ≥最大持续工作电流）、短路热稳定（ Q=I 2 t ≤导体允许热效应）、占地面积（软母线适合大跨度）
互感器	测量 / 保护（ CT ）、电压测量（ PT ）	CT 变比（如 600/5 ）、准确级（测量级 0.2S/ 保护级 5P20 ）； PT 变比（如 110kV/100V ）	负荷容量（ CT 二次负荷≤额定负荷）、短路电流（ CT 动 / 热稳定需≥短路电流）
避雷器	限制过电压（雷电 / 操作过电压）	额定电压（ kV ）、残压（ kA 下残压≤设备绝缘水平）	系统最高运行电压（额定电压 ≥ 1.1 倍系统最高电压）、设备绝缘配合（残压≤被保护设备耐压）

2.主接线设计：变电站的“电路拓扑框架”

主接线是一次设计的 “骨架”，需根据变电站类型（枢纽/终端/地区）、电压等级、可靠性需求选择方案：  

典型接线方式	结构特点	适用场景	核心优势
单母线（含分段）	所有设备接于单条母线，母线分段设分段断路器	110kV 以下终端变电站（负荷不重要，如工厂自用变电站）	简单经济，占地小
双母线（含双母分段）	两组母线 + 母联断路器，设备通过隔离开关接双母	220kV 及以上枢纽变电站（需高可靠性，如城市中心变电站）	可倒母线检修，一组母线故障不影响供电
桥式接线（内桥 / 外桥）	两回进线 + 两回出线，通过“桥断路器”连接	35kV 终端变电站（进出线少，如风电 / 光伏升压站）	结构简化，投资低
GIS 组合电器接线	断路器、隔离开关、互感器等集成于金属封闭体	城市变电站（占地紧张）或高海拔 / 污秽地区（防外部环境影响）	占地仅为常规设备 1/3~1/5 ，可靠性高

· 设计原则 ：需平衡 “可靠性（N-1准则：任一台主设备故障不中断重要负荷）、经济性（投资+运维成本）、灵活性（扩建方便）”，例如：枢纽变电站需优先选双母线分段，终端变电站可选单母线分段。  

三、核心设计技能：从计算到布置

一次设计需通过工程计算校验方案可行性，并完成设备布置与接地设计，是理论落地的关键环节。  

1.短路电流计算：设备选型的“尺子”

· 计算目标 ：获取变电站各节点的三相短路电流（周期分量有效值、冲击电流峰值）、不对称短路电流（单相 /两相短路，用于接地设计）。  

· 计算方法 ：  

o 手算：采用 “标幺值法”（简化多电压等级系统计算），绘制等值电路→合并电抗→计算短路电流。  

o 软件：学习 PSASP 或 PSCAD，输入系统参数（电源容量、线路电抗、变压器阻抗）自动计算（工程设计以软件计算为准，手算用于理解原理）。  

· 核心应用 ：校验断路器开断电流、隔离开关动稳定、母线热稳定、 CT/PT的额定参数。  

2.配电装置布置：设备的“空间排布”

根据电压等级和设备类型（常规敞开式 /GIS），设计平面布置与立体布局，需遵循设计规范：  

· 敞开式配电装置 （适用于 110kV及以上、占地宽松场景）：  

o 分 “高型/中型/半高型”，核心是 安全距离 （如 110kV带电体对地面最小距离2.7m，相间距离1.2m）；  

o 设备按 “进线→断路器→隔离开关→母线”的逻辑顺序布置，需绘制“平面布置图”（标注设备坐标）和“断面图”（标注高度尺寸）。  

· GIS组合电器布置 （适用于 35kV及以上、占地紧张场景，如城市变电站）：  

o GIS为模块化封闭设备，按“断路器模块→隔离开关模块→互感器模块”串联布置，重点考虑检修通道（≥1.2m）和电缆沟/汇控柜位置。  

3.接地系统设计：安全的“最后防线”

变电站接地需控制跨步电压（ ≤70V）、接触电压（≤40V），接地电阻≤0.5Ω（依据《交流电气装置的接地设计规范》GB 50065）：  

· 接地网结构 ：水平导体（ 60×6mm扁钢，网格间距5~10m）+垂直接地极（50×50×5mm角钢，长2.5m，间隔5~10m）；  

· 计算工具 ：采用 “等值面积法”或软件（如CDEGS）计算接地电阻，通过敷设降阻剂（适用于高土壤电阻率地区）或扩大接地网面积降低电阻。  

四、熟悉设计规范与工具

工程设计需严格遵循标准，同时掌握专业工具提升效率。  

1.核心设计规范与标准

设计的 “法律依据”，必须逐条对照：  

· 《变电站设计规程》（ DL/T 5455）：明确变电站总体设计原则；  

· 《电力系统安全稳定导则》（ DL/T 755）：主接线可靠性需满足系统稳定要求；  

· 《导体和电器选择设计技术规定》（ DL/T 5222）：设备选型的核心规范（含参数校验公式）；  

· 国家电网 /南方电网发布的典型设计方案 、 通用设计方案、各阶段设计深度要求 。  

2.设计工具与软件

· 绘图工具 ： AutoCAD（绘制一次系统图、平面布置图）、Visio（简化逻辑框图）；  

· 计算软件 ： PSASP （潮流 /短路电流计算）、ETAP（设备选型校验）、CDEGS（接地网计算）；  

· 辅助资料 ：《电力工程电气设计手册（一次部分）》（最权威的设备参数与计算公式手册）、设备厂家样本（如 ABB/Siemens断路器参数表）。  

五、实践应用：从图纸到项目

理论学习后需通过实践深化理解，重点关注 “图纸解读”与“案例分析”：  

1.典型设计图纸学习

变电站一次设计图纸包含：  

· 一次系统图（主接线图） ：标注设备型号（如主变 S11-50MVA/110kV）、接线方式（双母线分段）、电流/电压等级；  

· 平面布置图 ：按 “分区原则”（如主变区、110kV配电装置区、35kV配电装置区、接地变区）绘制设备位置；  

·防 雷 接地图 ：避雷针保护范围图、标注接地网网格尺寸、垂直接地极位置、接地引下线连接点；  

· 断面图 ：标注设备高度（如母线桥高度 8m）、安全距离（带电体对地2.7m）。  

2.案例分析与项目参与

· 参考案例 ：研究国家电网变电站 通用设计 ，分析不同方案的 主接线形式、平面布置、设备选线差异等 ；  

· 实践机会 ：参与设计院实习（ 报告编制、 绘制图纸、整理设备参数表）。  

六、关键注意事项

1. 安全优先 ：设计需满足《电力安全工作规程》，如设备绝缘水平（雷电冲击耐压、操作冲击耐压）、安全净距（依据电压等级查表）；  

2. 经济性平衡 ：方案比选时需计算全生命周期成本（如 GIS初始投资高，但运维成本低，10年总成本可能低于敞开式）；  

3. 动态学习 ：关注行业新规范（如新版《变电站设计规程》）和新技术（如智能变电站一次设备数字化改造）。  

学习资源推荐

· 教材 ：《发电厂电气部分》（熊信银，侧重一次设备与主接线）、《电力系统设计手册》； 《电力工程电气设计手册电气一次、二次部分》、《电力工程电气设备手册上、下册》、 《电路》（邱关源）

· 规范 ：登录 “国家能源局官网”下载DL/T系列标准（免费）；  

· 软件 ： AutoCAD（基础绘图必学）；  

· 案例 ：公司标准化设计、国家电网通用设计、典设、已竣工送电的项目图纸 。  

通过以上路径，从理论到实践逐步深入，重点把握 主接线形式选择、平断面布置 设计 、 设备配置，确保设计 与规范的符合性，即可系统掌握变电站电气一次设计核心能力。

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