红光机械厂降压变电所的电气设计--学位论文.doc

目 录第1章 设计任务11.1设计要求11.2 设计依据11.3设计任务2第2章 负荷计算和无功功率补偿32.1 负荷计算32.2 无功功率补偿5第3章 变压器的选择及主接线方案的确定73.1变电所主变压器台数和容量73.2 主接线方案的技术经济比较8第4章 短路电流的计算114.1 绘制计算电路114.2 确定短路计算基准值114.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值114.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算124.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算12第5章 变电所一次设备的选择校验145.1 10kV侧一次设备的选择校验145.2 380V侧一次设备的选择校验165.3 高低压母线的选择17第6章 变压所进出线与邻近单位联络线的选择186.1 10kV高压进线和引入电缆的选择186.1.1 10kV高压进线的选择校验186.1.2 由高压配电室至主变压器的一段引入电缆的选择校验186.2 380低压出线的选择186.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验21第7章 降压变电所防雷与接地装置的设计237.1变电所的防雷保护237.1.1防直击雷保护237.1.2雷电侵入波的防护23第8章二次回路方案的选择24第9章 设计总结26参考文献27附录 红光机械厂降压变电所主接线图28红光机械厂降压变电所的电气设计第1章 设计任务1.1设计要求 要求根据本厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，确定变电所防雷接地装置，最后按要求写出设计说明书，绘制变电所系统图，功率因数补偿到0.9。1.2 设计依据1.工厂负荷情况：本厂车间为两班制，年最大负荷利用小时为4600小时，日最大负荷持续时间为6小时，该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。2、供电电源情况 按照工厂与供电协议，本厂可由附近一条10KV的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8km。 断路器断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7S，为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由2公里处邻近单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线总长度为25km。3、气象资料 本厂所在地区的年最高气温为38度，年平均气温为23度，年最低气温为 - 8度，年最热月平均最高气温为33度，年最热月平均气温为26度，年最热月地下0.8m处平均温度为25。年雷暴日为20。4、地质水文资料本厂所在地区平均海拔500米，底层以砂粘土为主，地下水位为20米。5、电费制度本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费制交纳电费。每月基本电费按主变压器容量计为18元/kw.h，照明电费为0.50元/kw.h。6、工厂负荷统计资料工厂编号厂房名称负荷类别设备容量/kw需要系数功率因数1铸造车间动力3000.30.7照明60.812锻压车间动力3500.30.65照明80.717金工车间动力4000.20.65照明100.816工具车间动力3600.30.6照明70.914电镀车间动力2500.50.8照明50.813热处理车间动力1500.60.8照明50.819装配车间动力1800.30.7照明60.8110机修车间动力1600.20.65照明40.818锅炉房动力500.70.8照明10.815仓库动力200.40.8照明10.81生活区照明3500.70.91.3设计任务1、设计说明书包括：1）摘要 2）目录 3）正文（设计过程及内容） 4）附录参考文献2、设计图样本设计只做出变电所主接线图1张即可第2章 负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算在负荷计算时，采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。由公式：，得：1. 铸造车间：动力部分 照明部分 2. 锻压车间：动力部分， 照明部分，； 3. 金工车间：动力部分， 明部分，； 4. 工具车间：动力部分， 照明部分， 5. 电镀车间：动力部分， 照明部分，； 6. 热处理车间：动力部分， 照明部分， 7. 装配车间：动力部分， 照明部分， ； 8. 机修车间：动力部分， 照明部分， ； 9. 锅炉房：动力部分， 照明部分，； 10. 仓库：动力部分 照明部分，；11.生活区照明 ； 另外，所有车间的照明负荷： 取全厂的同时系数为：，则全厂的计算负荷为：；2.2 无功功率补偿 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，因此并联电容器在供电系统中应用最为普遍。由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为： 这时低压侧的功率因数为：为使高压侧的功率因数0.90，则低压侧补偿后的功率因数应高于0.90，取： 。要使低压侧的功率因数由0.82提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：取:=370则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：计算电流AAkvI58.1607kv38.03.93.1044)2(30=变压器的功率损耗为： kwAkvSPT67.15.93.1044015.0015.0)2(30=D变电所高压侧的计算负荷为： 补偿后的功率因数为：满足要求。第3章 变压器的选择及主接线方案的确定3.1变电所主变压器台数和容量根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1250 kVA=1068.49 kVA，即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。b)装设两台变压器 型号为S9型，而每台变压器容量根据式（3-1）、（3-2）选择，即 (3-1) (3-2)代入数据可得：=（0.60.7）1068.49=（641.09747.94）。因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为Dyn0，如表3-1所示 。表3-1 两台变压器的型号变压器型号额定容量/额定电压/kV联 结 组型 号损耗/kW空载电流%短路阻抗%高压低压空载负载S9-630/1063010.50.4Dyn111.35.83.05（附：参考尺寸（mm）：长：1760宽：1025高：1655 重量（kg）：3410） 3.2 主接线方案的技术经济比较 装设一台主变压器的方案技术指标：供电安全性,满足要求。供电可靠性,基本满足要求。供电质量,由于一台主变，电压损耗较大。灵活方便性,只有一台主变，灵活性稍差。扩建适应性,稍差一些。经济指标：电力变压器的综合投资额，查得S9-1000/10的单价为15万元，而变压器综合投资约为其单价的2倍，因此综合投资约为2*15=30万元。高压开关柜（含计量柜）的综合投资额，查得GG-1A(F)型柜可按每台4.2万元计，其综合投资可按设备的1.5倍计，因此高压开关柜的综合投资约为4.2*1.5*4=25.2万元。电力变压器和高压开关柜的年运行费，主变压器的折旧费=30万元*0.05=1.5万元；高压开关柜的折旧费=25.2万元*0.06=1.5万元；变配电的维修管理费=（30+25.2）万元*0.06=3.3万元。因此主变和高压开关柜的折旧和维修管理费=（1.5+1.5+3.3）=6.3万元。供电贴费，主变容量每KVA为800元，供电贴费=1000KVA*0.08万元/KVA=80万元装设两台主变压器的方案技术指标：供电安全性，满足要求。供电可靠性，满足要求。供电质量，由于两台主变并列，电压损耗较小。灵活方便性，由于有两台主变，灵活性较好。扩建适应性，更好一些。经济指标：电力变压器的综合投资额，查得S9-630/10的单价为10.5万元，因此两台变压器的综合投资约为4*10.5=42万元，比一台主变方案多投资12万元。高压开关柜（含计量柜）的综合投资额，本方案采用6台GG-1A(F)柜，其综合投资约为6*1.5*4.2=37.8万元，比一台主变方案多投资12.6万元。电力变压器和高压开关柜的年运行费，主变的折旧费=42万元*0.05=2.1万元；高压开关柜的折旧费=37.8万元*0.06=2.3万元；变配电的维修管理费=（42+37.8）万元*0.06=4.8万元。因此主变和高压开关柜的折旧和维修管理费=（2.1+2.3+4.8）=9.2万元，比一台主变方案多投资2.9万元。供电贴费，供电贴费=2*630KVA*0.08万元=100.8万元，比一台主变多交20.8万元。从上文可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案远由于装设两台主变的主接线方案，因此决定采用装设一台主变压器主接线方案，主接线图见附录。 10kv选一个变压器方案图 10kv选两个变压器方案图第4章 短路电流的计算4.1 绘制计算电路500MVAK-1K-2LGJ-150,8km10.5kVS9-12500.4kV(2)(3)(1)系统图4-1 短路计算电路4.2 确定短路计算基准值设基准容量=100MVA，基准电压=1.05，为短路计算电压，即高压侧=10.5kV，低压侧=0.4kV，则 4.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值1.电力系统已知电力系统出口断路器的断流容量=500MVA，故=100MVA/500MVA=0.2 2.架空线路查表得LGJ-150的线路电抗，而线路长8km，故 3.电力变压器查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故=3.6 式中，为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。k-1k-2图4-2 短路计算等效电路4.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算1.总电抗标幺值=0.2+2.6=2.8 2. 三相短路电流周期分量有效值 3.其他短路电流 4. 三相短路容量 4.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算1.总电抗标幺值=0.2+2.6+4.5=6.4 2.三相短路电流周期分量有效值 3.其他短路电流 4.三相短路容量 如图表4-1所示。表4-1短路计算结果短路计算点三相短路电流三相短路容量/MVAk-11.961.961.965.02.9635.7k-222.522.522.541.424.515.6第5章 变电所一次设备的选择校验5.1 10kV侧一次设备的选择校验1.按工作电压选则 设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。2.按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即3.按断流能力选择设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即或对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。4.隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验a)动稳定校验条件或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件 对于上面的分析，如表5-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。表5-1 10 kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其它装置地点条件参数数据10Kv72.2A()1.96kA5.0kA1.961.9=7.30一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/630QF010Kv630kA16kA40 kA高压少油断路器SN10-10I/630QF/QF10Kv630kA16kA40 kA户外隔离开关GW4-12/40012Kv400A-25.5 kA二次负荷0.6户内隔离开关GN8-10/60010KV400A-20KA高压熔断器RN2-1010kV0.5A50 kA-电压互感器JSZJ-1010kV-电压互感器JSJW-1010KV-电流互感器LQJ-1010kV100/5A-=31.8 kA=815.2 380V侧一次设备的选择校验同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表5-2所示，所选数据均满足要求。 表5-2 380V一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其它装置地点条件参数-数据380V总1607.58A22.5kA41.4kA-型号规格额定参数-低压断路器QF1 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF2 DW15-400380V300A25kA400A-低压断路器QF3 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF4 DW15-400380V300A25kA400A-低压断路器QF5 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF6 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF7 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF8 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF9 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF10 DW15-200380V200A20kA200A-低压断路器QF11 DW15-200380V200A20kA200A-电容器BWF04-16-1/3-5.3 高低压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（10010）+806，即相母线尺寸为100mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。线距，档距为，档数大于2则最大动力： 所以，高压母线满足要求。同理，,低压母线满足要求。 M为母线通过短路冲击电流时所受到的弯曲力矩，W为母线的截面系数，b为母线截面的水平宽度，h为母线截面的垂直高度第6章 变压所进出线与邻近单位联络线的选择6.1 10kV高压进线和引入电缆的选择6.1.1 10kV高压进线的选择校验采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。a).按发热条件选择由=61.69A及室外环境温度33，查表得，初选LGJ-35,其35C时的=149A,满足发热条件。b).校验机械强度查表得，最小允许截面积=25，而LGJ-35满足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。6.1.2 由高压配电室至主变压器的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。a)按发热条件选择由=61.69A及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为25的交联电缆，其=149A,满足发热条件。b)校验热路稳定按式，A为电缆截面积，单位为；为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=1960A，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s，C=84，把这些数据代入公式中得因此YJL22-10000-3 25电缆满足要求。6.2 380低压出线的选择1.铸造车间1号厂房铸造车间的线路采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。 a）按发热条件需选择由=266A及地下0.8m土壤温度为25，查表，初选缆芯截面70，其=271.4A，满足发热条件。 b）校验电压损耗工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为288m，而查表得到70的铝芯电缆的=0.31 （按缆芯工作温度75计），=0.07，又1号厂房的=94kW, =91.8 kvar，故线路电压损耗为=5%。c）短路热稳定度校验不满足短热稳定要求，故改选缆芯截面为240的电缆，即选VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择，下同。2.锻压车间2号厂房锻压车间的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。3.热处理车间3号厂房热处理车间的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。4.电镀车间4号厂房电镀车间的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。5.仓库5号厂房仓库的线路，由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用聚氯乙烯绝缘铝芯导线BLV-1000型5根（包括3根相线、1根N线、1根PE线）穿硬塑料管埋地敷设。a）按发热条件需选择由=16.2A及环境温度26，初选截面积4，其=19A，满足发热条件。 b）校验机械强度查表得，=2.5，因此上面所选的4的导线满足机械强度要求。c) 所选穿管线估计长50m而查表得=0.85，=0.119，又仓库的=8.8kW, =6 kvar，因此I30,满足发热条件。2）效验机械强度查表可得，最小允许截面积Amin=10mm2，因此BLX-1000-1240满足机械强度要求。3）校验电压损耗,查表得其阻抗值与BLX-1000-1240近似等值的LJ-240的阻抗=0.14，=0.30（按线间几何均距0.8m），又生活区的=245KW，=117.6kvar，因此9.6%5%不满足允许电压损耗要求。因此决定采用四回BLX-1000-1120的三相架空线路对生活区供电。PEN线均采用BLX-1000-170橡皮绝缘线。6.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL2210000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆，直接埋地敖设，与相距约2Km的临近单位变配电所的10KY母线相连。1.按发热条件选择 工厂二级负荷容量共379.4KVA，最热月土壤平均温度为25。查表工厂供电附表，初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满足要求。2.校验电压损耗 由工厂供电附表可查得缆芯为25的铝（缆芯温度按80计），而二级负荷的,，线路长度按2km计，因此 由此可见满足要求电压损耗5%的要求。3.短路热稳定校验 按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25mm2的交联电缆是满足热稳定要求的。而临近单位10KV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表 6-1所示。表6-1 进出线和联络线的导线和电缆型号规格线 路 名 称导线或电缆的型号规格10KV电源进线LGJ-35铝绞线（三相三线架空）主变引入电缆YJL2210000325交联电缆（直埋）380V低压出线至1号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至2号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至3号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至4号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至5号厂房BLV100014铝芯线5根穿内径25硬塑管至6号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至7号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至8号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至9号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至10号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至生活区四回路，每回路3BLX-1000-1120+1BLX-1000-175橡皮线（三相四线架空线）与临近单位10KV联络线YJL2210000316交联电缆（直埋）第7章 降压变电所防雷与接地装置的设计7.1变电所的防雷保护7.1.1防直击雷保护 在变电所屋顶装设避雷针和避雷带，并引进出两根接地线与变电所公共接装置相连。如变电所的主变压器装在室外和有露天配电装置时，则应在变电所外面的适当位置装设独立避雷针，其装设高度应使其防雷保护范围包围整个变电所。如果变电所所在其它建筑物的直击雷防护范围内时，则可不另设独立的避雷针。按规定，独立的避雷针的接地装置接地电阻（表9-6）。通常采用3-6根长2.5 m的刚管，在装避雷针的杆塔附近做一排和多边形排列，管间距离5 m，打入地下，管顶距地面0.6 m。接地管间用40mm4mm 的镀锌扁刚焊接相接。引下线用25 mm 4 mm的镀锌扁刚，下与接地体焊接相连，并与装避雷针的杆塔及其基础内的钢筋相焊接，上与避雷针焊接相连。避雷针采用直径20mm的镀锌扁刚，长11.5。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有3m以上的距离。7.1.2雷电侵入波的防护 a)在10KV电源进线的终端杆上装设FS410型阀式避雷器。引下线采用25 mm 4 mm的镀锌扁刚，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端栓连接。 b）在10KV高压配电室内装设有GG1A（F）54型开关柜，其中配有FS410型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来保护，防雷电侵入波的危害。 c）在380V低压架空线出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入的雷电波。第8章二次回路方案的选择在供配电系统的运行过程中，往往由于电气设备的绝缘损坏、操作维护不当以及外力破坏等原因，造成系统故障或不正常的运行状态。在供配电系统中最常见的故障和不正常的运行状态为断线、短路、接地及过载。为了保证供配电系统的安全可靠运行，避免过载引起的过电流或短路产生的故障电流对系统的影响，在供配电系统中需装设不同类型的保护装置。保护装置的任务：一是故障时跳闸；二是异常状态发出报警信号。根据继电保护装置所担负的任务，它必须满足以下四项基本要求，即选择性、速动性、可靠性和灵敏性。根据本厂需要：10kV电源进线保护、主变压器保护、母线保护以及10kV馈电线路保护。高压断路器的操作机构控制与信号回路 断路器采用手动操动机构，其控制与信号回路如图7-1所示： 图7-1手动操作的断路器10V系统的绝缘监视装置，可采用三个单相双绕组变压器和三个电压表，当一次电路某一相发生接地故障时，电压互感器二次侧的对应相的电压表指零，其他两相的电压表读数则升高到线电压。由指零电压表的所在相即可得知该相线发生了单线接地故障。 图7-2母线的电压测量和绝缘监视电路第9章 设计总结本次课设应该感谢学院的安排，让我们在学习课本知识的同时，能够有这样的机会实践。更应该感谢导老师的细心指导，使我及时纠正错误。将此次设计顺利的完成。求出了工程总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数及高低压侧的短路计算，根据所求的负荷计算确定出变压器的容量，型号安装位置；确定了导线截面，确定供电线路布局，绘出供电平面CAD图;设计出变电所主接线方案，绘出变电所主接线方案图；选择校验电所一次；通过短路计算确定了系统的适当的继电保护，绘制出过电流保护电路的CAD图。通过供电设计，是该旅游区工程的供电得到保证，切实保证生产和生活用电的需要，并做好节能工作满足以下四项基本要求安全，可靠，优质，经济。在此供电设计中合理处理了局部和全局当前和长远等方面的关系，有全局观点，能顾全大局，适应发展。本次课程设计使我加深对所学理论知识的理解,掌握工程设计的方法。通过这次课程设计,我深深懂得要不断的把所学知识学以致用,还需通过自身不断的努力,不断提高自己分析问题,解决问题和编程技术终结报告的能力!感谢在此次设计中帮助我的同学，在他们的帮助下使我注意到了以前没有注意的问题，并加以改正，及时的找出了设计中的问题。最后更应该感谢我的指导老师曹永红老师和杨新霞老师，正是由于老师的辛勤培养,谆谆教导,才使此次课程设计得以圆满完成!最后道一声:老师,您辛苦了！参考文献1 苏文成，工厂供电第二版，机械工业出版社2 卢帆兴、肖清、周宇恒，电力工程综合设计指导书 3实用供配电技术手册中国水利水电出版社4实用电工电子技术手册实用电工电子技术手册编委会编机械工业出版社5 刘介才，工厂供电设计指导，机械工业出版社附录 红光机械厂降压变电所主接线图 10kv 29