某冶金机械修造厂总降压变电所及高压配电系统设计

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 河南工业职业技术学院Henan Polytechnic Institute
毕业设计
论文题目：某冶金机械修造厂总降压变电所
及高压配电系统设计
专业：电气自动化技术
班级：电气1001班
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指导教师：***
摘要
随着我国国民经济的飞速发展，工业对电力的需求也越来越迫切。

随着中国工业规模的不断扩大，对电力供应的安全性、可靠性提出了更高的要求，因此电力系统与用户直接关联的供电系统尤为重要。

作为供电系统的主要组成部分，电气设备的质量及其性能的先进性是决定供电系统安全可靠运行的前提条件之一。

本设计根据该冶金机械厂的相关资料和实际情况，对该厂的总降压变电所和高压供电系统进行设计。

本设计首先根据工厂提供的资料对工厂的负荷情况进行了计算，根据负荷情况对变压器的容量和台数进行了选择。

该厂电源由某变电所以35kV双回路架空线引出，本设计选择在该厂设立总降压变电所先将电压降为厂区供电电压10kV，在由各车间变电所降为负荷所需电压。

为保证供电系统的可靠性，总降压变电所采用单母线分段式接线方式，厂区供电系统采用放射式接线方式。

通过计算，本设计对各变电所的主要电气设备、电缆和母线进行了选择和校验，对一次侧主要设备进行了继电保护整定，对避雷和接地装置进行了选择。

关键词：变电所；供电系统；电气设备
目次
1 绪论 (1)
1.1 工厂供电的意义及要求 (1)
1.2 工厂供电设计的一般原则 (1)
1.3 设计的具体内容 (2)
1.4 工厂原始资料 (2)
2 工厂的电力负荷及其计算 (3)
2.1 工厂的电力负荷 (3)
2.2 车间计算负荷的确定 (3)
2.3 工厂计算负荷的确定 (4)
2.4 无功功率补偿及其计算 (5)
3 降压变电所及变压器的选择 (7)
3.1 总降压变电所所址的选择 (7)
3.2 降压变电所形式的选择 (7)
3.3 厂区供电电压的选择 (8)
3.4 总降压变电所变压器台数和容量的选择 (9)
3.5 车间变电所变压器选择 (9)
4 总降压变电所主接线方案及供电线路的设计 (10)
4.1 总降压变电所的任务和类型 (10)
4.2 变电所主接线方案的设计原则与要求 (10)
4.3 主接线方案的选择 (11)
4.4 厂区配电线路的设计 (11)
4.5 总降压变电所二次回路操作电源设计 (12)
5 短路电流计算 (13)
5.1 短路电流计算的目的 (13)
5.2 短路电流计算的方法和步骤 (14)
5.3 该厂供电系统电路及短路等效电路 (15)
5.4 短路计算 (15)
5.5 短路计算结果 (21)
6 一次设备的选择与校验 (22)
6.1 一次设备的选择校验的条件与项目 (22)
6.2 一次设备效验公式 (22)
6.3 一次设备的选择与校验 (23)
6.4 电缆、母线的选择 (24)
7 继电保护装置的整定计算 (26)
7.1 总降压变电所35/10kV变压器的保护 (27)
7.2 35kV电力线路保护 (29)
7.3 10kV电力线路保护 (29)
8 防雷保护与接地装置的设计 (30)
8.1 变电所防雷保护与防雷装置的选择 (30)
8.2 接地装置的设计计算 (31)
结论 (32)
1 绪论
从十九世纪七十年代开始，人类开始了以电能的广泛使用为显著特点的第二次工业革命。

这个时期的电力工业和电器制造业迅速发展起来，同时为社会创造了巨大的社会财富，也极大地提高了人们的生活水平，更为以后电子计算机的问世奠定了基础。

1831年，法拉第发现了电磁感应定律，它揭示了电、磁现象之间的相互联系，为以后发电机的发明、电能的大规模生产和传输以及电能的广泛应用提供了重要理论基础。

随着电能在社会各个方面的广泛应用，人类社会从此进入了电气化时代，电能成为主要的能源，并极大地促进了社会生产力的发展。

1.1工厂供电的意义及要求
电能不仅是人们生活的能源，更重要的是工业生产的主要能源和动力。

电能容易从其他一次能源中获得，也容易转化为工业生产中的电能、动能，而且使用方便灵活。

电能的输送和分配简单经济是电能的又一优点，通过导线可以直接把电能引至负荷，不像蒸汽机、内燃机那样笨重，更避免了一次能源费时耗力的运输。

当代工厂里应用的信息技术、生产自动化技术和其他高新技术无一不是建立在电能应用的基础之上的。

因此，电能在当代工业生产有着及其广泛的应用，是工业生产中不可替代的能源。

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。

电能在工业生产中的重要性，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。

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。

在工厂中，供电系统起着至关重要的作用。

要保证工厂内的正常生活生产秩序、保证人民群众财产，就要有一个可靠稳定的供电系统。

一个优质的工厂供电系统必须达到以下基本要求：
（1）安全电能在供应、分配和使用中，要保证输电线路的安全性，设计合理的供电系统，不能够因为供电系统出现人身伤亡事故和设备事故；
（2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。

对于一些要求连续不间断供电的企业，可靠性是第一位的。

对于一些负荷，如果由于电力系统故障供电系统突然中断，可能会造成重大设备损坏、大量产品报废很严重的经济财产损失，甚至发生重大的人身伤亡事故，给国家和人民带来经济上甚至政治上的重大损失；
（3）优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。

使用电设备在额定的电压、频率下进行生产，不仅可以避免设备损坏，而且也以提高产品质量，给企业带来利润；
（4）经济供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

1.2工厂供电设计的一般原则
工厂供电设计必须遵循以下原则：
（1）工厂供电设计必须遵守国家的有关法令、标准和技术规范，执行国家的有关方针政策，包括节约能源、节约有色金属和保护环境等技术经济政策；
（2）工厂供电设计应做到保障人身和设备的安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理，设计中应采用符合国家标准的效率高、能耗低、性能先进及与用户投资能力
相适应的经济合理的电器产品；
（3）工厂供电设计必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案；
（4）工厂供电设计应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。

1.3设计的具体内容
该冶金机械厂总降压变电所及高压配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况，解决对电能分配的安全可靠，经济合理的问题。

其基本内容有以下几方面：
（1）工厂的负荷计算及无功补偿；
（2）确定工厂总配变电所的所址和型式；
（3）确定工厂总配变电所的所址、形式、主接线方式，确定主变压器的型式、容量和台数；
（3）短路电流计算；
（4）一次设备的选择；
（5）选择工厂电源进线及高压配电线路；
（6）对一次侧进行继电保护整定计算；
（7）工厂总配变电所防雷保护及接地装置的设计。

1.4 工厂原始资料
本设计的原始资料如下：
1、工厂总平面布置图，如图1.1。

图1.1 工厂总平面布置图
2、工厂生产任务、规模及产品规格：本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻压、铆焊、毛坯件为主体。

年生产规模为铸钢件1000t，
铸铁件3000t，锻件1000t，铆焊件2500t。

3、工厂各车间负荷情况及车间变电所的容量见表2.1和表2.2。

4、供用电协议
1）工厂电源从供电部门某220/35kV变电站以35 kV双回架空线路引入本厂，其中一路作为工作电源，另一路作为备用电源。

两个电源不并列运行。

变电站距厂东侧8km。

2）系统的短路数据，如表1.1所示。

3）供电部门对工厂提出的技术要求:①区域变电站35kV馈线电路定时限过流保护装置的整定时间t op=2s，工厂总降压变电所保护的动作时间不得大于1.5s②工厂在总降压变电所35k电源侧进行电能计量。

③工厂最大负荷时功率因数不得低于0. 9。

5、厂负荷性质：本厂为三班工作制，年最大有功利用小时为6000h属二级负荷。

表1.1 区域变电站35kV母线短路数据
2 工厂的电力负荷及其计算
2.1 工厂的电力负荷
电力负荷（electric power load）又称电力负载，有两种含义：一是指耗用电能用电设备或用户，另一是指用电设备或用户耗用的功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。

电力负荷的具体含义视具体情况而定，本章指的是用电设备或用户耗用的功率大小。

计算负荷又称需要负荷或最大负荷P max。

计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。

在配电设计中，通常采用半小时最大平均负荷P30作为按发热条件选择电器或导体的依据。

计算负荷是供电设计计算的基本依据。

计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。

如果计算负荷确定得过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费。

如果计算负荷确定得过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷状态下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾。

由此可见，正确确定计算负荷意义重大。

但是负荷情况复杂，影响负荷计算的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。

实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。

因此负荷计算只能力求接近实际。

2.2 车间计算负荷的确定
车间计算负荷是选择工厂内配电线路电缆型号和主要电气设备包括车间变压器的基本依据。

我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法、利用系数法和二项式法。

需要系数法是国际上普遍采用的确定计算负荷的基本方法，本设计采用需要系数法进行负荷计算。

计算的基本公式如下：
有功计算负荷P30为
（2.1）这里的K d称为需要系数（demand coefficient），P e为车间用电设备总容量。

无功计算负荷Q30为
（2.2）式中，tan为对应于车间用电设备的正切值。

视在计算负荷为
（2.3）式中，为车间供电设备的平均功率因素。

计算电流I30为
（2.4）式中，U N为用电设备组的额定电压。

根据工厂给出的资料，通过计算整理，得出该工厂各车间的负荷计算表及该工厂6kV 高压设备的负荷计算表，结果见表2.1和表2.2。

2.3 工厂计算负荷的确定
工厂计算负荷是选择工厂电源进线及主要电气设备包括主变压器的基本依据，也是计算工厂的功率因素及无功补偿容量的基本依据，确定工厂计算负荷的方法很多，有需要系数法、年产量估算工厂计算负荷和逐级计算法等。

根据国际普遍的计算方法和该冶金机械厂的实际情况，本设计采用需要系数法计算工厂的计算负荷。

根据该厂提供的各车间及工厂高压设备负荷数据，运用需要系数法，根据上面给出的公式通过计算、整理得出该工厂的负荷计算表2.3。

表 2.1 各车间380V负荷计算表
表2.2 各车间6kV高压负荷计算表
表2.3 工厂负荷计算表
2.4 无功功率补偿及其计算
工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负载，还有感性的电力变压器，从而使功率因素降低。

如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因素的情况下，尚达不到规定的工厂功率因素要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。

假设功率因数由cos提高到cos＇，这时在用户需要的有功功率P30不变的条件下，由公式（2.2）和公式（2.3）知无功计算功率和视在功率都有所减小。

相应地负荷电流I30也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既节约了电能，又提高了电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因素对供电系统大有好处。

在提高功率因素的同时，工厂总降压变电所的主变压器容量可以选的小一些，这不仅可降低变电所的初投资，而且可以减少工厂的电费开支，因此进行无功功率补偿对工厂本身也有一定经济实惠。

通过该厂的负荷计算表可知该厂的功率因素=0.79，不能达到供电部门的要求。

在《供电营业规则》中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因素应达到下列规定：100kV A及以上高压供电的用户功率因素为0.90以上。

”并规定，凡功率因素未达到上述规定的，应增添无功补偿装置。

无功功率的人工补偿装置主要有同步补偿机和并联电容器两种。

由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此本设计选用并联电容进行无功补偿。

由该厂的负荷计算表可知，总变压器低压侧的视在计算负荷为4942kV A，因此为进行功率补偿时，主变压器容量应选为5000kV A。

此时变电所低压侧的功率因素未0.79。

按规定，变电所高压侧的功率因素cos≥0.9.。

考虑到变压器本身的无功功率损耗ΔQ T远大于其有功功率损耗ΔP T，一般ΔQ T=（4~5）ΔP T，因此在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因素应略高于0.90，这里取cos＇=0.93。

要使低压侧功率因素由0.79提高到0.93，低压侧需装设的并联电容器容量为
Q C = 3904×（tanarccos0.79－tanarccos0.93）kvar
= 1486.9kvar 取 Q C =1500kvar
补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为
4198.6kVA kVA 1500.130453904S 2
2230=-+
=）（＇）（ 因此主变补偿后选择容量不变，仍为5000kV A 。

变压器的功率损耗为
ΔP T ≈ 0.015= 0.015×4198.6kV A = 63kW ΔQ T ≈ 0.06= 0.06×4198.6 kV A=251.9kvar
变电所高压侧的计算负荷为
= 3904kW + 63kW = 3967kW
=（3045.1—1500）kvar + 251.9kvar =1797kvar
4355kVA kVA 17977396S 22'130=+=）
（
补偿后工厂的功率因素为
1.90kV
A 4355/3967S P cos 130130==）（＇）（＇／＝ϕ 这一功率因素满足供电部门规定的要求。

13台进行该工厂的无功功率补偿。

3 降压变电所及变压器的选择
3.1 总降压变电所所址的选择
变电所所址的选择按照国家有关标准和规范，应根据下列要求，选择确定：
1、靠近负荷中心；
2、节约用地，不占或少占耕地及经济效益高的土地；
3、与城乡或工矿企业规划相协调，便于架空和电缆线路的引入和引出；
4、交通运输方便；
5、环境宜无明显污秽，如空气污秽时，所址宜设在受污源影响最小处；
6、具有适宜的地质、地形和地貌条件(例如避开断层、滑坡、塌陷区、溶洞地带、山区风口和有危岩或易发生滚石的场所)，所址宜避免选在有重要文物或开采后对变电所有影响的矿藏地点，否则应征得有关部门的同意；
7、所址标高宜在50年一遇高水位之上，否则，所区应有可靠的防洪措施或与地区(工业企业)的防洪标准相一致，但仍应高于内涝水位；
8、应考虑职工生活上的方便及水源条件；
9、应考虑变电所与周围环境、邻近设施的相互影响。

根据上面的要求，本设计结合该工厂的负荷情况和工厂的布局，选择该厂的西南角锅炉房东面作为总降压变电所的所址，其变电所所址示意图见图3.1所示
3.2 降压变电所形式的选择
变电所的形式有很多种，优点各异。

露天式配电装置具有运行维护方便，占地面积少、投资少等优点，而屋内式配电装置安装方便、运行可靠，故本设计总降压变电所35kV侧采用屋外式配电装置，变压器放置于露天，10kV侧采用屋内式配电装置。

根据各车间的地理位置，车间建筑物结构、周围环境和车间负荷等情况，本设计详细考虑了各个车间的变电所形式，其中第一、二、三和四号车间变电所采用车间附设式变电所。

由于第五号车间变电所在锅炉房旁边，故采用独立式，以保证供电安全。

3.1 工厂高压配电系统示意图
3.3 厂区供电电压的选择
工厂供电电压的选择，主要取决于当地电网的供电电压登记，同时也要考虑工厂用电设备的电压、容量和供电距离等因素。

由于在同一输送功率和输送距离条件下，供电电压越高，则线路电流越小，从而使线路导线或电缆截面越小，可减少线路的初投资和有色金属消耗量。

该冶金机械厂经过与当地供电部门协商，工厂电源从电力系统的某220/35kV变电站以35kV双回路架空线引入工厂，其中一路作为工作电源，另一路作为备用电源，两个电源不并列运行。

系统变电站距工厂东侧8km。

工厂供电系统的高压配电电压，主要取决于工厂高压用电设备的电压和容量、数量等因素。

工厂通常采用的高压配电电压为10kV。

如果工厂拥有想当数量的6kV用电设备，或者供电电源电压就是从邻近发电厂取得的6.3kV直配电压，则可考虑采用6kV作为工厂的高压配电系统。

如果当地电网供电电压为35kV，而厂区环境条件又允许采用35kV架空线路和较经济的35kV电气设备时，则可考虑采用35kV作为高压配电电压深入工厂各车间负荷中心。

这种高压深入负荷中心的直配方式，可以省去一级中间变压，大大简化供电系统接线，节约投资和有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量，但必须要保证人身生产安全。

该厂从邻近变电所引入35kV电压电源作为工厂电源，考虑到该工厂车间密集，道路狭
窄，厂区布局复杂，为了确保厂区内的人身和生产安全，保障正常的生产生活秩序，故本设计不采用35k高压深入负荷中心的直配方式，而需要经过工厂内的总降压变电所降压后在厂内配电。

工厂有6kV高压负荷电弧炉2台，工频炉2台和空压机2台，但6kV高压用电设备不多，所以本设计仍采用将35kV电源经总降压变电所降压至10kV作高压配电电压，而6kV高压负荷则通过专用的10/6.3kV变压器单独供电。

3.4 总降压变电所变压器台数和容量的选择
根据工厂提供的数据，本工厂负荷为二级负荷，且工厂视在计算负荷为4941.9kV A，故本工厂总降压变电所应选择两台主变压器。

由于本工厂选用两台主变压器，故每台主变压器的容量S N·T不应小于总的计算负荷S30的60%~70%。

但由于本工厂的负荷均为二级负荷，故该工厂的总降压变电所选用两台容量为5000kV A型号为S9-5000/35的变压器，其技术参数见表3.1。

3.5 车间变电所变压器选择
电力系统的35kV供电电源引入该厂后，经过厂区内的35/10kV总降变电所将电压降至10kV给厂区供电。

10kV仍是高压电源，不能被380V以下负荷所用，固还需要进行降压才能供负荷使用。

根据工厂布局并结合实际情况，在该工厂设立五个10/0.4kV车间变电所，给车间380V以下负荷供电。

由于该厂有6kV高压负荷，故在有高压负荷的车间变电所需专门设立10/6kV变压器给高压负荷供电。

对于有重要的二级负荷且容量较大的车间变电所，需要采用两台变压器进行供电，以保证供电的可靠性。

本设计结合工厂实际情况和各车间的负荷需要，总结各车间变电所所需变压器型号见表3.2所示，以及所需变压器的技术参数见表3.3所示。

表3.1 S9-5000/35变压器技术参数
表3.3 各型号变压器技术参数
4 总降压变电所主接线方案及供电线路的设计
4.1 总降压变电所的任务和类型
总降压变电所是工厂供电系统中最重要的变电所，它担负着从电力系统中受电，然后将电压从35kV降至厂区内高压供电系统电压，然后将电能分配到各车间变电所。

总降压变电所是工厂能源的命脉，在工厂中占有特殊重要的地位。

工厂变配电所分总降压变电所和车间变电所，不过一般中小型工厂不设总降压变电所。

变电所的主要类型有露天式、独立式、地下式、楼上式等。

由于本章内容设计的是总降压变电所，故本设计的总降压变电所采用半露天式变电所，这种变电所建筑费用低，人力物力投入小，并且考虑到该厂为大型冶金机械厂，负荷很大，总降压变电所是全厂电能的来源，要保证总降压变电所的可靠运行，所以我们结合实际情况，将35kV母线和主变压器露天放置，10kV采用屋内开关柜接线。

4.2 变电所主接线方案的设计原则与要求
变电所的主接线，应根据变配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因素综合分析确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。

1、安全性
（1）在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关；
（2）在低压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关；
（3）在装设高压熔断器-负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开关；
（4）35kV及以上的线路末端，应装设与隔离开关联锁的接地刀闸；
（5）变电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。

装于母线上的避雷器，宜与电压互感器公用一组隔离开关，接于变压器引出线上的避雷器，不宜装设隔离开关。

2、可靠性
（1）变电所的主接线方案，必须与其负荷级别相适应。

对一级负荷，应由两个电源供电。

对二级负荷，应由两回路或一回6kV及以上专用架空线或电缆供电；其中采用电缆供电时，应采用两根电缆并联供电，且每根电缆应能承受100%的二级负荷；
（2）变电所的非专用电源进线侧，应装设带短路保护的断路器或负荷开关-熔断器。

当双电源供多个变电所时，宜采用环网供电方式；
（3）对一般生产区的车间变电所，宜由工厂总变配电所采用放射式高压配电，以确保供电可靠性，但对于辅助生产区及生活区的变电所，可采用树干式配电；
（4）变电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器。

当低压侧为单母线，且有自动切换电源要求时，低压总开关和低压母线分段开关，均应采用低压断路器。

3、灵活性
（1）变配电所的高低压母线，一般宜采用单母线或单母线分段接线方式；
（2）35kV及以上电源进线为双回路时，宜采用桥形接线和线路-变压器组接线；
（3）需带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路器或高压负荷开关；
（4）变电所的主接线方案应与主变压器的经济运行要求相适应；
（5）变电所的主接线方案应考虑到今后可能的增容扩展，特别是出线柜便于添置；
4、经济性
（1）变电所的主接线方案在满足运行要求的前提下，应力求简单。

变电所高压侧宜采用断路器较少或不用断路器的接线；
（2）变电所的电气设备应选用技术先进、经济适用的节能产品，不得选用国家明令淘汰的产品；
（3）工厂的电源进线上应装设专用的计量柜，其中的电流、电压互感器只供计费的电能表使用；
（4）应考虑无功功率的人工补偿，使最大负荷时功率因素达到规定的要求。

4.3 主接线方案的选择
由于工厂的负荷为二级负荷，总降压变电所出线较多，故本降压变电所采用单母线分段方式的接线，电气接线图见图4.1。

这种接线方式采用的高压开关设备较多，初期投资较大。

但单母线分段接线方式比其他接线方式的灵活性、可靠性更高，考虑到总降压变电所的在工厂的特殊地位，故本设计采用单母线分段方式的主接线方案，变电所平面布置图见附录A。

作为主变照明及应急用电，本设计采用由主变一次侧单引一个35/0.4的小型干式变压器供电，作为主变照明及应急用电，并加直流屏，以保证供电系统检修和维护的可靠性。

4.4 厂区配电线路的设计
该工厂高压配电系统采用常见的单回路放射式接线方式。

该种方式线路敷设容易，维护简便，易于实现自动化，切运行中线路之间互不影响，较之单回路树干式的供电可靠性高，但高压开关设备用的较多，投资较高。

其接线方案示意图见图4.1。