10KV变电所电气部分设计.pdf

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1、 电气工程基础课程设计 220/110/10 KV 降压变电所电气部分（10KV 侧电气部分设计）学 院：机电工程学院 专 业：电气工程及其自动化 姓 名:学 号：指导教师：设计完成日期：2013 年 2 月 14 日 0 220/110/10KV 降压变电所电气部分设计 目 录 摘要.（3）1 变电所原始资料.(3）2 变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择.(4）主变台数的确定.(5）2.1.3、主变压器容量的确定.(5）2.1.4、变压器类型的确定.(5）2.1.5、变压器参数的确定.(5）2.2 变电所主接线方案的选择及供电接线形式的选择.(6）2.2.1 主接线的基本要求.(6）

2、2.2.2 电气主接线的设计原则.(7）2.2.3 主接线的设计步骤.(7）2.3 变配电所的主接线方案的技术比较.(7）2.3.1 主接线的设计方案.(7）2.3.2 主接线方案的确定.(9）3 短路电流计算.(10）3.1 短路电流计算条件.（10）3.2 短路电流计算方法与步骤.（10）3.2.1 方法.（10）3.2.2 短路电流计算的步骤.（10）3.3 短路电流的原因及其计算.（11）4 10KV 侧电气设备的选择.（13）4.1 电气设备的选择原则.（13）4.2 电气设备选择的技术条件.（13）4.3 主要电气设备的选择.（14）参考文献.（18）摘要 变电所是电力系统的一个重

3、要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。变电所涉及方面很多，需要考虑的问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电所高低压电气设备，为变电所平面及剖面图提供依据。在变电站的设计中，既要求所变电能能很好地服务于工业生产，又要切实保证工厂生产和生活的用电的需要，并做好节能工作，就必须达

4、到以下基本要求：1 安全：在变电过程中，不发生人身事故和设备事故。可靠：所变电能应满足电能用户对用电的可靠性的要求。优质：所变电能应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。经济：变电站的投资要少，输送费用要低，并尽可能地节约电能、减少有色金属的消耗量和尽可能地节约用地面积。本变电所的 初步设计包括了：（1）总体方案的确定（2）负荷分析（3）短路电流的计算（4）配电系统设计与系统接线方案选择。【关键词】：变电所.变压器.接线.配电系统 1 变电所原始资料 1.变电所与电力系统的连接方式：系统以双回220KV 线路向变电所供电，S=2100MVA，x=0.004。2.负荷资料：设计变电所在城市近郊，

5、向开发区的炼钢厂供电，在变电所附近还有地区负荷。确定本变电所的电压等级为 220/110/10KV，220KV 是本变电所的电源电压，110KV和 10KV 是二次电压。在中压侧 110KV 母线，送出 2 回线路，主要供给炼钢厂（一类负荷），最大负荷为 42000KW,其中重要负荷占 65%，COS=0.95；在低压侧 10KV母线，送出 12 回线路，主要给部分工厂和民用（主要为二三类负荷），最大负荷为 9800KW，其中重要负荷占 62%；在本所 220KV 母线有三回输出线路。最大负荷利用小时数 Tmax=5500h，同时率取 0.9，线路损耗取 5%。该变电所的所址，地势平坦，交通方

6、便，环境最高温度为 40C。2 变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择 主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，与系统联系的紧密程度。另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。总之主变的选择关系到待建变电站设计的成功与否，所以对主变的选择我们一定要全方面考虑。既要满足近期负荷的要求也要考虑到远期。变电所主变压器的选择有以下几点原则：1)在变电所中，一般装设两台主变压器；终端或分支变电所，如只有一个电源进线，可只装设一台主变压器；对于 330kV、550kV 变电所，经技术经济为合理时，可装设 34 台主变压

7、器。2)对于 330 kV 及以下的变电所，在设备运输不受条件限制时，均采用三相变压器。500 kV 变电所，应经技术经济论证后，确定是采用三相变压器，还是单相变压器组，以及是否设立备用的单相变压器。3)装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台事帮停运后，其余主变压器的容量应保证该所全部负荷的 60%以上，并应保证用户的一级和全部二级负荷的供电。4)具有三种电压等级的变电所，如各侧的功率均达到主变压器额定容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但需装设无功补偿设备时，主变压器一般先用三绕组变压器。2 5)与两种 110kV 及以上中性点直接接地系统连接的变压器，一般优先选用自耦变压器，当自耦变压器

8、的第三绕组接有无功补偿设备时，应根据无功功率的潮流情况，校验公共绕组容量，以免在某种运行方式下，限制自耦变压器输出功率。6)500kV 变电所可选用自耦强迫油循环风冷式变压器。主变压器的阻抗电压(即短路电压)，应根据电网情况、断路器断流能力以及变压器结构选定。7)对于深入负荷中心的变电所，为简化电压等级和避免重复容量，可采用双绕组变压器。主变台数的确定 由原始资料可知，待建变电站是在城市近郊建设的。负荷大，出线多，且本所是枢纽变电所，在中低压侧已形成环网，所以考虑初期用两台大容量主变。两台主变压器，可保证供电的可靠性，避免一台变压器故障或检修时影响对用户的供电。随着未来经济的发展，可再投入一台

9、变压器。2.1.3、主变压器容量的确定 主变压器容量一般按变电所建成后 510 年规划负荷选择，并适当考虑到远期 1020 年的负荷发展，对于城市郊区变电所，主变压器应与城市规划相结合。此待建变电站坐落在城市近郊，当地主要负荷有炼钢厂,部分工厂和民用等地区负荷。考虑到城市近郊的发展速度非常快，所以我们选择大容量变压器以满足未来的经济发展要求。确定变压器容量:两台总容量：SSmax=19600KVA 单台运行时最大容量：S(60%70%)Smax =1176013720KVA 2.1.4、变压器类型的确定 依设计原则，只要不受运输条件限制，应优先考虑三相变压器。该变电所主变压器为 220kV 降

10、压变电所，单台容量不大 40000KVA，不会受到运输条件限制，故选用三相变压器。由于本变电所具有三种电压等级 220KV、110KV、10KV，各侧的功率均达到变压器额定容量的 15%以上，低压侧需装设无功补偿，因此主变压器宜采用三绕组变压器，且本变电所的接地方式适合采用自耦变压器。2.1.5、变压器参数的确定 表 21 变压器的参数 型号 OSFP740000/220 额定容量（kVA）40000 电压组合及其分接头范围 高压(kV)22022.5%中压(kV)121 低压(kV)10.5 连接组标号 YN,a0,d11 空载损耗(kW)33 负载损耗(kW)135 空载电流(%)0.8

11、阻抗电压(%)高 中 8 10 3 高 低 28 34 中 低 18 24 注:容量分配为 100/100/50.由表所知：%)32(SV=36)50100(18)%(3)32(NNSSSV 由此可计算出各绕组的等值电抗如下：归算到 10KV 侧得：X1=(VS1%/100)*(VN2/SN)*103=(14/100)*(102/40000)*103=0.35 X2=(VS2%/100)*(VN2/SN)*103=(-6/100)*(102/40000)*103=-0.15 X3=(VS3%/100)*(VN2/SN)*103=(42/100)*(102/40000)*103=1.05 选取基

12、准值MVASB100,VB=10.5KV,化为标幺值为：X1*=X1*SB/VB2=0.35*100/10.52=0.3175 X2=X2*SB/VB2=-0.15*100/10.52=-0.1361 X3*=X3*SB/VB2=1.05*100/10.52=0.9524 2.2 变电所主接线方案的选择及供电接线形式的选择 2.2.1 主接线的基本要求 主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容 器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。它是电气设备选择及确定配 电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。概 括地说，对一次接线的

13、基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。总之，变电所通过合理的接线、紧凑的布置、简化所内附属设备，从而达到减 少变电所占地面积，优化变电所设计，节约材料，减少人力物力的投入，并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修，达到降低投资的目的。2.2.2 电气主接线的设计原则 （1）考虑变电所在电力系统的地位和作用 变电所在电力系统的地位和作用是决定主接线的主要因素。变电所不管是枢纽变 电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地

14、位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。（2）考虑近期和远期的发展规模 变电所主接线设计应根据五到十年电力系统发展规划进行。应根据负荷的大小及 分布负荷增长速度和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以 及所连接电源数和出线回数。考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响 对一级用电负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部 一级用电负荷不间断供电；对二级用电负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级用电负荷供电；三级用电负荷一般只需一个电源供电。（3）考虑主变台数对主接线的影响 变电所主变的容量和台数，对变

15、电所主接线的选择将会产生直接的影响。通常对 大 4 型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性的要求低。（4）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响 发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障 停运情况下的应急要求。电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时否允切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。2.2.3 主接线的设计步骤 电气主接线的具体设计步骤如下：一、分析原始资料(1)

16、本工程情况 等。(2)电力系统情况 电力系统近期及远景发展规划（510 年），变电站在电力系 变电站类型，设计规划容量（近期，远景），主变台数及容量 统中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。(3)负荷情况量等。(4)环境条件 当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度 负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容 等因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。(5)设备制造情况 为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性 能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。2.3

17、变配电所的主接线方案的技术比较 2.3.1 主接线的设计方案 根据以上原则结合所给的设计任务书，电气主接线拟定以下两个方案，如图所示；方案：220KV 侧采用单母线带旁路母线，110KV 采用单母分段接线，10KV 采用单母分段接线。如图 21 所示：图 21 电气主接线方案（1）方案：220KV 侧采用双母接线，110KV 采用内桥式，10KV 单母分段接线。如图 2-2 所示：2.3.2 主接线方案的确定 表 21 方案与方案的综合比较 方案 项目 方案 方案 可靠性 1、主接线简单清晰、设备少 2、采用单母带旁母线接线，出线及主线间隔断路器检修，不需停电，母线检修或故障时，220KV 配

18、电置全停，供电不可靠 3、配置不太合理，两回线路中同时出现故障的概率很小 1、主接线复杂、采用设备较多 2、采用双母接线，任一条母线或母线上的设备检修，不需要停掉线路，供电可靠 3、配置合理，两回线路中同时出现故障的概率很小 灵活性 1、运行方式简单，易于操作 2、各种电压等级均便于扩建 1、变压器接在不同的母线上，负荷分配均匀，调度灵活方便，运行方式相对复杂、操作烦琐 5 按 SDJ288220500KV 变电所设计规程规定，“220KV 配电装置出线在4 回以上时，宜采用双母线及他接线”。其由于本工程 220KV 断路器采用6SF断路器，其检修周期长，可靠性高，故不可设旁母线。由于有两回线

19、路，一回线路停运时，仍满足 N-1 原则，所以，220KV 宜采用双母接线。对 110KV 侧的接线方式，出线仅为两回，按照规按照规程要求，宜采用桥式接线，以双回线向炼钢厂供电。考虑到主变不会经常投切，和对线路操作和检修的方便性，采用内桥接线。对 10KV 侧的接线方式，按照规程要求，采用单母分段接线。综上比较，最终确定方案为最佳方案。3 短路电流计算 3.1 短路电流计算条件 因为系统电压等级较高，输电导线的截面较大、电阻较小、电抗较大，因此在短路电流的计算过程中忽略 R、计及 X。计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中

20、可能并列运行的接线方式。计算容量按无穷大系统容量进行计算。短路种类一般按三相短路进行计算。短路计算10KV 母线短路时的计算点。3.2 短路电流计算方法与步骤 3.2.1 方法 在工程设计中，短路电流的计算通常采用实用运算曲线法。3.2.2 短路电流计算的步骤 选择计算短路点；画出等值网络（次暂态网络）图 a.首先去掉系统中的所有负荷分支、线路电容、各元件的电阻，发电机用次暂态电抗 Xd”；b.选取基准容量 Sj和基准电压 Uj（kV）（一般取各级的平均电压），计算基准电流 Ij=Sj/3Uj（kA）；c.计算各元件换算为同一基准值的标么电抗；d.绘制等值网络图，并将各元件统一编号，分子标各元

21、件编号，分母标各元件电抗标么值；2、各种电压等级便于扩建 经济性 设备少、占地面积小，投资相对较小 设备多、占地面积大，投资相对较大 6 化简等值网络图 a.为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形的等值网络；b.求出各电源与短路点之间的电抗，即转移电抗 Xnd；求计算电抗 Xjs，即将各转移电抗换算为各电源容量（等值发电机容量）为基准的计算电抗 Xjs1，Xjs2；由 Xjs1，Xjs2值从适当的运算曲线中查出各电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到 Xjs=3）；计算无限大容量（Xjs3）的电源供给的短路电流周期分量；计算短路电流周期分量有名值和

22、短路容量；计算短路电流冲击值；绘制短路电流计算结果表。3.3 短路电流的原因及其计算 供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定 值的大电流。造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击 穿等。短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。短路电流在 线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连 接的电动机或

23、其它设备的正常运行。由于本设计中回路线路较多，比较复杂，为了计算的准确性。固此，计算方法采 用标幺值法计算。进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。标幺值的概念是：某量的标幺值=与实际值同单位该量的标准值任意单位该量的实际值 所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量是没有单位的。供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。根据上面所选的参数进行计算 取基准功率 SB=100MVA X=0.004 XT1=1/200(34+10-24)100/

24、20=0.5 XT2=1/200(10+24-34)100/20=0 XT3=1/200(34+24-10)100/20=1.2 由于两台变压器型号完全相同，其中性点电位相等，因此等值电路图可化简为:经过计算：XT1/2=0.25 XT2/2=0 XT3/2=0.6 所以当 k3 点短路时：7 X=X+XT1/2+XT3/2=0.004+0.25+0.6=0.854 I=I=Ik=（1/0.854）100/(310.5)=6.44KA 短路次暂态电流：Is=I=6.44KA 短路冲击电流：ich=2.556.44=16.422KA 全电流最大有效值：Ich=1.516.44=9.724KA 短

25、路电流容量：Sd=36.4410.5=117.118MVA 4 电气设备选择 4.1 电气设备选择的原则 由于电气设备和载流导体得用途及工作条件各异,因此它们的选择校验项目和方法也都完全不相同。但是，电气设备和载留导体在正常运行和短路时都必须可靠地工作，为此，它们的选择都有一个共同的原则：按正常工作状态选择；按短路状态校验。电气设备选择的一般原则为：(1)应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展。(2)应满足安装地点和当地环境条件校核。(3)应力求技术先进和经济合理。(4)同类设备应尽量减少品种。(5)与整个工程的建设标准协调一致。(6)选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正

26、式签订合格的特殊情况下选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准。4.2 电气设备选择的技术条件 高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。(1)电压：选用的电器允许最高工作电压 Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug。(2)电流:选用的电器额定电流 Ie不得低于 所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流 Ig。校验的一般原则：电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动热稳定校验，校验的短路电流一般取最严重情况的短路电流。用熔断器保护的电器可不校验热稳定。短路的热稳定条件 Qdt在计算时间 ts 内，短路电流的热效应（KA2S）Itt 秒内设备允许通过的热稳定电流

27、有效值（KA2S）T设备允许通过的热稳定电流时间（s）8 校验短路热稳定所用的计算时间Ts 按下式计算 t=td+tkd td 继电保护装置动作时间内（S）tkd断路的全分闸时间（s）(4)动稳定校验 电动力稳定是导体和电器承受短时电流机械效应的能力，称动稳定。满足动稳定的条件是：上式中 ichIch 短路冲击电流幅值及其有效值 idwIdw 允许通过动稳定电流的幅值和有效值(5)绝缘水平：在工作电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。接口的绝缘水平应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流

28、应根据实际需要确定。高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能方式下回路持续工作电流的要求。4.3 主要电气设备的选择 10KV 侧断路器和隔离开关 表 5-1 真空断路器 ZN12-10 参数表 电压等级 型号 额定电压 额定电流 Ir（KA）额定关合电流（KA）动稳定电流 10kV ZN12-10 12KV 2000A 50 140 140kA 表 5-2 隔离开关 GN6-10T/1000 参数表 高压熔断器 表 5-3 高压熔断器 BN3-10 参数表 表 5-4 电流互感器 LAJ-10 参数表 设备 项目 LAJ-10 产品数据 计算数据 UeUew 10K

29、V 10KV 隔离开关型号 额定电压（KV）额定电流（KA）动 稳 定 电 流(KA)热 稳 定 电 流(KA)（10S）GN6-10T/1000 10 1000 52 20 型号 额定电压（KA）熔断器额定电压（A）额定电流（A）BN3-10 10 75 10 9 IeImax 4000A 3820A Kd2Ie ich 360KA 94.1KA(KrIe)21Qd 40000 KA2S 1470.5 KA2S 表 5-5 电压互感器参数表 位置 型号 额定电压/(KV)二 次 绕组 准确级 额定输出/(VA)110KV 侧 JCC6-110 3110/31.0 测量 0.5 300 保护

30、3P 300 剩余 3P 150 10KV 侧 JSJW-10 10/0.1 测量 0.5 120 保护 3P 10KV 母线的选择 母线型号选择 变压器 110KV 母线上最大持续工作电流为：maxgI4000A,所以用矩形导体。因为Tmax=5500h/年，查铝质矩形、槽形和组合导体的经济电流密度曲线得J=0.74A（2mm）所以jS=JIg max=74.01.594=802.842mm 依据最大持续工作电流和经济电流密度JISgj/max 查发电厂电气部分P484 表 2-1，选择每相 1 条 80mm10mm 矩形铝导体，母线型号 LMY800，其参数见表 58。表 56 10KV

31、母线参数 导体尺寸 hb(mmmm)载流量 集肤效应系数fK 放置方式 8010 1411 1.05 平放 本变电所环境实际温度是40C 时，查发电厂电气部分（第三版）附表 3得 综合校正系数K=0.81 满足长期允许发热条件。10KV 侧断路器和隔离开关的选择（1）10KV 低压侧断路器的选择 进线断路器的等级比主变高压侧大一级，而母线分段断路器和进线断路器的 1 0 额定值相差不大，粗略计算，进线只取进线断路器。假设两台主变同时并联投入运行时，10KV 母线上发生短路，短路电流有名值 Id1=8.470（KA)短路冲击电流有名值 ish=2.55Id1=2.55 8.470=21.599(

32、KA)最大负荷电流 Imax=1.0525000/（310.5）=1445(A)额定电压 UNS=10KV 高工作电压 UalmUsm=1101.15=11.5(KV)断路器额定电压 UNUNS 断路器额定电流 IeImax 按断开电流选择 INbrId1 按短路电流计算 iNbaish 根据资料，可以知道内高压真空断路器 ZN28-10/1250-20 满足要求，具体参数如下:表附 1.1 ZN12-10 真空断路器其主要参数。电压等级 型号 额定电压 额定电流 Ir（KA）额定关合电流（KA）动稳定电流 10kV ZN12-10 12KV 2000A 50 140 140kA（1）校验热稳

33、定 QD=It2t=502*4=10000(KA2.S)QK=IP2tK=16.5*16.5*4=1089(KA2.S)即DQKQ满足要求;（2）校验动稳定 1402193.212.1755.2212shi 即满足要求;（2）10KV 高压隔离开关的选择 短路电流有名值 Id1=8.4704（KA)短路冲击电流有名值 ish=2.55Id1=2.55 8.4704=21.5992(KA)最大负荷电流 Imax=1445(A)额定电压 UNS=10KV 高工作电压 UalmUsm=101.15=11.5(KV)隔离开关额定电压 UNUNS 隔离开关额定电流 IeImax 根据资料，可以知道 GN

34、6-10T/1000 满足要求,具体参数如下:表附 1.2 隔离开关 GN6-10T/1000 参数表 隔离开关型号 额定电压（KV）额定电流（KA）动 稳 定 电 流(KA)热 稳 定 电 流(KA)（10S）GN6-10T/1000 10 1000 52 20 热稳定校验：1 1 It2*t=20210=4000(KA2S)QK=I2t=8.4704210=717.476(KA2S)因为 It2*tQK，所以满足热稳定要求 动稳定校验：因为 ies=52 KA ish=21.5992KA 通过校验，所选隔离开关满足设计要求。参考文献 1.中小型变电所实用设计手册 2000年5月第1版 中国水利水电出版社 雷振山 编 2.电力系统分析手册2003 年（第二版）中国水利水电出版社 陈跃 编 3.电气工程基础2001 年 8 月 武汉理工大学出版社 刘涤尘 编