变电站毕业设计.doc

摘要变电所是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备和线路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。变电所供配电设计需要考虑很多方面，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况.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，从而确定变电所的主接线方式，再进行短路电流计算，选择导线，选择变电所高低压电气一次设备等。本文详细介绍了某矿35kV变电所的设计。文中对主接线的选择、高压设备的选择、负荷计算、短路电流计算，各种继电保护选择和整定计算皆有详细的说明。特别对主接线的选择，变压器的选择，还有一些电气设备如断路器、电流互感器、电压互感器等的选择校验作了详细的说明和分析。依据供电规则，着重解决了负荷统计、变电所主结线方案的选择、进出线的选择、变电所所址的选择、主变压器的台数和容量的选择、短路计算及开关设备的选择、防雷保护与接地装置的设计等问题，并结合地区的供电规则和工程实际情况选择出最合适的方案及参数、各种设备型号及容量。其中还对变电所的主接线，平面布置等通过CAD制图直观的展现出来 关键词：负荷计算: 电气主接线设计: 短路电流计算: 防雷AbstractSubstation is an important part of power system, the electrical equipment and lines at a certain wiring posed, he obtained power from the power system, through its transformation, distribution, transportation and protection function, then electric energy safe, reliable, and economical transport to each a used electric equipment set places. Transformer for distribution design need to consider many aspects, analysis of substation and tasks such as user load. The use of user data load calculation, to determine the reactive power compensation device users. At the same time, the choice of various transformers, so as to determine the substation main wiring mode, and then short-circuit current calculation, select the wire, select substation high and low voltage electrical once equipment, etc. This paper describes the 35 kV of a mine down the substation design. In the main connection of choice, the choice of high-voltage equipment, load calculation, short-circuit current basis, the protection of various options and setting calculation there are detailed instructions. In particular the choice of the main cable, transformers choice, there are some electrical equipment such as circuit breakers, current transformers, high voltage transformer, and so the choice of checking a detailed description and analysis. rules based on power supply, focus on resolving a load statistics, the mainline for selection, choice, the choice of the site by the substation, the main capacity and the number of Taiwans choice, short-circuit calculation and the choice of switching equipment , Relay and the choice of setting, lightning protection and grounding equipment design and other issues, combined with the power of the actual situation of rules and choose the most appropriate solutions and various models and equipment capacity. It also substation on the main wiring, layout, adjacent to the high number of low-voltage protection devices, such as through the CAD drawing intuitive shown. Key words: load calculation: main electric wiring design: short-circuit current calculation: mine: relay目录1 概述12 负荷计算及无功补偿计算32.1负荷计算的目的和意义32.2 需用系数法32.3 负荷统计与计算42.4 选择变压器并计算损耗52.5 计算6kV母线总负荷及全矿负荷82.6 主变压器的选择92.7 功率因数的补偿及电容器（柜）的选择113 短路电流计算143.1 算出井下电缆的根数153.2 计算各短路点的短路电流153.3 限流电抗器的选择与校检174 变电所主接线方式的选择及设备选择194.1 35kV主接线系统的确定194.2 35kV系统设备的选择194.3 6kV系统的确定及配电箱型号的选择214.4 进出线的选择244.5 高压电缆型号及截面的选择254.6 母线瓷瓶及穿墙套管的选择314.7 35kV室外构架的选择325 二次回路方案的确定及继电保护的选择与整定335.1 35kV进出线与联络开关继电保护方案的选择335.2 变压器保护325.3 6kV配出线路的继电保护346 变电所的防雷与接地456.1 变配电所的防雷设计426.2 接地装置的设计及计算426.2.1 保护接地方案设计426.2.2 保护接地装置计算427 变电所的室外布置488 结论49致谢50参考文献51 1 概述1.1 本矿概况(1) 本矿为年产量120万吨，服务年限75年的矿井(2) 井筒深度为400m，主副两井距离为80m(3) 开拓方式：中央竖井，立井开拓(4) 瓦斯等级：轻沼气矿1.2 电源(1) 供电电压等级：35kV(2) 离矿井地面变电所的距离：4km(3) 系统电抗 最大运行方式：=0.16 最小运行方式： =0.42(4) 输电方式：架空线双回路(5) 出线过流保护动作时间：3秒(6) 电费收取方法：两部电价制，固定部分按最高负荷收费，每千瓦6元。1.3 基本地质气象资料 (1) 日最高温度 37(2) 冻土层厚度 0.8m(3) 主导风向 西北(4) 最大风速 4m/s(5) 地震烈度 6度1.4 矿井负荷统计表表1-1 电力负荷统计及计算编号设备名称电动机型安装台数/工作台数设备容量kW需用系数Kx功率因数costan计算容量安装容量工作容量有功功率kW无功功率 kvar视在功率 kVA一地面高压1主井提升机绕1/1148014800.840.850.621243.2770.81462.62副井提升机绕1/19859850.840.850.62827.4513973.43压气机同5/3225013500.570.950.331282.5-5941413.44东风井同2/116008000.490.920.426784-3368535西风井同2/1200010000.480.950.33960-4301052二地面低压1洗煤厂-105010500.790.840.646829.5535.9987.52机修厂-4504500.560.750.882252222.33363铁路煤仓-6006000.750.760.855450384.8592.14矸石山-1501500.850.820.696127.589155.55坑木加工厂-2502500.80.830.672001342416工人村-5605600.750.820.698420293.2512.27支农-4504500.820.840.646369238.4439.38地面低压及照明-125012500.860.830.6721075722.41295.29东西风井低压侧-75750.820.850.6261.538.172.4三井下负荷1主排水泵-7/4560032000.530.870.5672968168334122东翼一采区-8508500.620.631.23527648.2836.53东翼二采区-9809800.630.651.17617.4722.4949.84西翼一采区-100010000.630.641.2630756984.45西翼二采区-8008000.640.651.17512599787.72 负荷计算及无功补偿计算2.1负荷计算的目的和意义负荷计算是指矿区总体供电规划中对矿区各种企业用户总负荷的概略计算。通过计算得到的变电所负荷容量（或电流）是确定供电系统、选择变压器容量、选择电气设备、导线截面和依表量程的依据，也是继电保护整定的重要数据。企业生产所需的电能，都是由电力系统供给，企业所需的电能都是通过企业的各级变电站经过电压变换后，分配到各用电设备。因此企业变电站可以说是企业电力供应的枢纽，所处的位置十分重要。进行企业电力负荷计算的主要目的就是为了正确地选择企业各级变电站的变压器容量、各种企业电力设备的型号、规格以及供电网所用的导线型号等提供科学依据2.2 需用系数法由于一台设备的额定容量往往大于其实际负荷，成组设备中各负荷的功率因数（）不同，一般又不同时工作，最大负荷不同时出现等情况，所以难以精确地计算变电所负荷。故本设计采用了较为精确的需用系数法来进行变电所负荷计算，其计算简便，煤矿系统的供电设计目前主要采用这种方法。单一用电设备供电时的计算负荷 (2-1) 其中：负荷系数；：用电设备的实际负荷；：用电设备的额定负荷；：用电设备实际负荷时的效率；：线路的效率，一般取0.90.9s；：单一负荷的需用系数； (2-2)：用电设备的功率因数角。用电设备的计算负荷 (2-3) 其中：成组负荷的需用系数：该组设备的同时系数：该组设备的负荷系数：该组设备的加权平均效率；：该组设备的加权平均功率因数。总计算负荷因各用电设备组的最大负荷常常不是在同一时刻需要，所以，计算总的计算负荷时，应该将各用电设备组计算负荷之和再乘以组间的最大负荷同时系数。一般地，组数越多，越小。 (2-4) 2.3 负荷统计与计算(1) 用电设备分组，由表1-1确定各组用电设备的总额定容量。(2) 由表1-1查出各用电设备组的需要系数和功率因数，根据公式2-1计算出各用电设备组的计算负荷。(3) 对主提升机 =0.84，=0.85，=0.62则有功功率 P=14800.84=1243.2kW；无功功率 Q=Ptan=1243.20.62=770.8kvar；视在功率 S=P/cos=1243.2/0.85=1462.6kVA；(4)压气机：其电机为同步电机对于同步电机，Q的数值应为同步电动机的补偿能力（估算值）。同步电动机的补偿能力百分数可查到（查=曲线）。P=22500.57=1282.5kW压风机的负荷率=需用系数/同时系数 =0.57/0.6=0.95查表=0.44kvarS=1413.4kVA同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷，结果记入表1-1全矿电力负荷计算负荷表中。注：主扇风机、压风机等功率因数超前，表示其无功电流为容性，即提供无功功率，起无功补偿作用，它们的计算无功功率为负值。2.4 选择变压器并计算损耗选出地面低压及井底车场各负荷的变压器，并计算变压器的有功及无功损耗并折算到6kV侧容量。(1)有功损耗： （2-3）无功损耗： 式中变压器的负荷率，； 变压器计算负荷，kVA； 变压器额定容量，kVA； 变压器空载有功损耗，kW； 变压器满载有功损耗，kW； 变压器空载无功损耗，kvar，； 变压器空载电流占额定电流的百分数； 变压器满载无功损耗，kvar，； 变压器阻抗电压占额定电压的百分数； 、均可由变压器产品样本中查的。(2) 洗煤厂：=987.5kVA(二类负荷) 选两台S-1000/10型电力变压器，采用分裂运行方式。本设计中，凡是二类负荷所选的两台低压变压器均采用分裂运行方式，而不是采用一台运行、一台备用方式。因为单台运行则存在功耗增加、效率大大降低等缺点，故本设计中均不采用后一种运行方式。额定容量：=1000kVA空载损耗：=1.8kW短路损耗：=11.6kW空载电流：%=2.5%阻抗电压：%=4.5% 有功损耗 =2+2（）=21.8+211.6()=3.6+5.7=9.3kW =%=2.5%1000=25kvar =%=4.5%1000=45kvar 无功损耗=2+2（）=225+245()=71.9kvar 折算到6kV侧： P=829.5+9.3=838.8kW Q=535.9+71.9=607.8kvar S=1035.9kVA同样方法可计算其他变压器折算到6kV侧容量并填入表2-1中，电动机型号填入表2-2。表2-1 6kV母线统计负荷计算表编号设备名称电动机型安装台数/工作台数设备容量kW需用系数Kx功率因数计算容量安装容量工作容量有功功率kW无功功率 kvar视在功率 kVA一地面高压1主井提升机绕1/1148014800.840.850.621243.2770.81462.62副井提升机绕1/19859850.840.850.62827.4513973.43压气机同5/3225013500.570.950.331282.5-5941413.44东风井同2/116008000.490.920.426784-3368535西风井同2/1200010000.480.950.33960-4301052二地面低压1洗煤厂-105010500.790.840.646838.8607.81035.92机修厂-4504500.560.750.882257264.43563铁路煤仓-6006000.750.760.855456.2435.1630.44矸石山-1501500.850.820.696130.6100.61655坑木加工厂-2502500.80.830.67204.4151.3254.36工人村-5605600.750.820.698438.9330.9549.77支农-4504500.820.840.646375.4269.8462.38地面低压及照明-125012500.860.830.6721086.8815.11358.59东西风井低压侧-75750.820.850.6261.538.172.4三井下负荷1主排水泵鼠7/4560032000.530.870.5672968168334122东翼一采区-8508500.620.631.23527648.2836.53东翼二采区-9809800.630.651.17617.4722.4949.84西翼一采区-100010000.630.641.2630756984.45西翼二采区-8008000.640.651.17512599787.76井底车场-2902900.840.850.62248197.2316.8全矿高压负荷统计-22745176450.6720.887-14510.6756316363.3全矿计算负荷-22745176450.620.887-13059.56806.714724表2-2 6kV电动机型号汇总表编号设备电动机型号台数安装容量kVA空载损耗kW短路损耗kW空载电流%阻抗电压%备注1洗煤厂S-1000/10210501.811.62.54.5二类分裂2机修厂S-400/1014000.925.83.24三类3铁路煤仓S-630/1026308.18.134.5二类4矸石山S-160/1011600.462.853.54二类5坑木加工厂S-250/1012500.6443.24三类6工人村S-630/1016301.38.134.5三类7支农S-500/1015001.086.93.24三类8地面低压及照明S-1250/10212502.213.82.54.5二类9东西风井低压侧忽略不计10井底车场KSGB23151.72.36.54二类隔爆干式2.5 计算6kV母线总负荷及全矿负荷(1) 6kV母线总负荷由公式（2-4）得： 有功负荷：=P=1243.2+827.4+1282.5+784+960+838.8+257+456.2+130.6+204.4+438.9+375.4+1086.8+261.5+2968+527+617.4+630+512+248=14510.6kW 无功负荷：=Q=770.8+513-594-336-430+607.8+246.4+435.1+100.6+151.3+330.9+269.8+815.1+238.1+1683+648.2+722.4+756+599+197.2=7563kvar视在功率：=16363.3kVA(2) 全矿计算负荷（各乘以组间最大负荷同时系数） 总有功功率： =14510 .60.9=13059.5kW总无功功率： =75630.9=6806.7kvar 总视在功率： =14727kVA 全矿自然功率因数： cos=/=13059.5/14727=0.8872.6 主变压器的选择全矿自然功率因数为0.887，达不到0.9，先按功率因数为0.9初选主变压器如按功率因数为0.9计，总容量应为： P/0.9=13059.5/0.9=14510.6kVA全矿非生产用电（三类负荷）为： P=257+204.4+438.9+375.4+61.52=1398.7kW以上数据均为表2-1中机修厂坑木加工厂工人村支农东西风井低压侧数据 P/0.9=1398.7/0.9=1554.1kVA由以上计算数据可看出：若选容量为12500kVA的主变压器，单独供电可基本满足原煤生产用电。故选两台S-12500/35型变压器（=12500kVA =13.5kW=70kW%=1%=7.5%），按分裂方式运行。S系列10-35千伏级电力变压器具有耗损低体积小重量轻节约能量节省运行费用等优点，它是目前我国中小型电力变压器较先进的产品，故本设计均选用S系列变压器。变压器的有功电力损耗为： =2+2（）=75.6kW =1%12500=125kvar =7.5%12500=937.5kvar变压器的无功电力损耗为： =2125+2937.5（）=901kvar我们知道，变压器当负荷在50%70%时效率最高，当两台同时运行时，负荷率为：变压器的最高效率为：=；根据所选的变压器： =/=13.5/70=0.1929 =0.4392压器运行在=0.522 时效率较高,如选用一台运行一台备用(如选容量过大),则损耗增加效率降低。我国实行两部电价收费，按设计任务书给出的条件，其固定部分按最高负荷收费（每千瓦6元）。既使按最高负荷的额定最高负荷计，则收：13059.56=78357元，如固定部分按变压器容量收费，则同时运行时按每kVA收4元计，则收：1250024=100000元。可见：实行固定部分按最高负荷收费办法，则两台同时运行比较合理。变电所35kV母线总（计算）负荷为：有功负荷：=+=13059.5+75.6=13135.1kW无功负荷：=+=6806.7+901=7707.7kvar视在功率：=15230kVA35kV母线自然功率因数为： cos=/=13135.1/15230=0.862 tan=0.5872.7 功率因数的补偿及电容器（柜）的选择2.7.1 功率因数补偿在负载有功功率不变的情况下，当功率因数降低后，则发电机和变压器的工作电流增大，使其能够输出的有功功率下降（），使设备容量不能充分利用。电流增大，使电能损耗和导线截面增加（，当不变，则，），电网的初期投资和运行费用也相应提高；电流的增大，还造成发电机、变压器和网络中的电压损失增大，电动机的端电压下降，从而减小了感应电动机的起动转矩和过负荷能力。提高功率因数的关键，在于如何减少电力系统中各个部分所需要的无功功率，特别是减少负载从电网中取用的无功功率，使电网在传送一定的有功功率时，尽量少输送或不输送无功功率。提高功率因数的方法主要有： 提高用电设备本身的功率因数在生产中，尽量采用鼠笼式异步发电机，避免电动机与变压器的转载运行；对不需调速的大型设备，尽量采用同步机，采用高压电动机等。在本设计中，扇风机和压风机就采用了同步电动机，它对该矿供电系统的功率因数具有一定的补偿作用。 人工补偿法多采用同步调相机和静电电容器等人工补偿装置。目前矿井变电所多在6kV母线上装设静电电容器来进行集中补偿，本变电所也采用了该方法。并联移相电容器的简单原理：主要是利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减小负载向电圈吸取的无功功率，提高了整个负荷相对电源的功率因数。并联电容器补偿法有投资少，有功功率损耗小，运行维修方便，故障范围小、无震动与噪声、安装地点灵活等优点。其缺点是只能有级调节，而不能随负荷无功功率需要的变化进行自动平滑的调节。电容器组一般应采用“”接法。因为： “”接线可以防止电容器容量不对称而出现的过电压。电容器电压最为敏感，而容易造成电容器击穿的事故。星形接线则由于中性点位移，产生部分过电压。 “”接法若发生一相断线，只是使各相的补偿容量有所减小，不致于严重不平衡，而星形接法若发生一相断线，就使该相失去补偿，严重影响供电质量。 采用“”接法可以充分发挥电容器的补偿能力。电容器的容量与电压有关。kvar 。在“”接法时，每相电容被加上线电压。而采用星形接法时，每相电容器被加上相电压，所以有kvar。上式表明，具有相同电容器容量的三个单相电容器组，采用“”接法时的补偿容量是采用星形接法的3倍，因此在电压相等的情况下，因尽量采用“”接法。2.7.2 无功功率补偿计算kvar (2-11)其中：平均负荷系数，一般取0.70.8：全矿有功功率计算负荷：补偿前功率因数角：补偿后功率因数角在此是按全矿年均负荷计算补偿电容量。过去也有采用全矿最大负荷进行计计算的。如果时，将出现过补偿现象。所以为了节约投资，避免所选电容器过多，并取得较好的补偿效果，按平均负荷计算是合适的。补偿前：tan=0.587补偿后：cos=0.9，tan=0.484用公式计算所需补偿的无功功率： =0.7513135.1(0.587-0.484)=1015kvar选用GR-1Y-01型电容器柜四台（单台电容器容量为270kvar）GR-1Y-09型电容柜二台（为测量及放电柜）GR-1Y-01型电容器柜内装有BW6.3-18-1型电容器15个熔断器15个。GR-1Y型电容器柜为抑制高次谐波电抗器型，即带有串联电抗器的电容器柜，它的主要性能是：当线路中同时存在各种不同频率的高次谐波电流时能有效抑制这些谐波的电流总值，使其不超过电容器的允许值，避免电容器因过流而产生“鼓肚现象”。当电容器组合闸时，可限制合闸冲击涌流不超过电容器组额定电流的5倍。由于串联电抗器的阻抗值与电容器组的阻抗值之比为6%，因此，当网络存在5次以上谐波时，可使网络的总组抗始终保持感性，这样就能有效地防止网络产生并联谐振。另外，GR-1Y-01型电容器柜由于电抗器装在测量柜内，因此必须增选09（或10号）方案柜。这样，电容器柜补偿的总无功功率为1080kvar，经过电容器补偿后，全矿的总无功功率为： =7707.7-1080/0.75=6267.7kvar视在功率： =14553.9kVA功率因数为： cos=13135.1/14553.9=0.9032.7.3 全矿电耗的计算当cos=0.903时，取最大负荷利用小时数=3500，取变压器年运行时间t=8760小时，查与最大负荷损耗小时数的关系曲线，查得=2100则变压器电耗为： W=t+()=336481全矿电耗=6千伏总3500+35千伏变压器电耗 =13059.53500+336481=46044731 得：全矿吨煤电耗=全矿电耗/矿年产量（吨） =46044731/1800000=25.6度/吨3 短路电流计算在供电系统中出现次数较多的严重故障是短路，所谓短路就是指供电系统中一切不正常的相与相或相与地（中性点接地系统）在电气上被短路。发生短路的时候，由于系统中总的阻抗大大减小，因而短路电流可能达到很大的数值，强大的短路电流所产生的热和电动力会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能会烧毁电气设备；短路点的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；也可能干扰通讯，危及人身和设备的安全。短路有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路，就短路故障而言，出现单相短路故障是几率最大，三相短路故障的几率最小，但在配电系统中三相短路的后果最为严重，因而以此验算电器设备的能力，故本设计中主要计算三相短路电流。 研究短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围，并且选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和机械强度；可以选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障；采取限流措施，确定合理的主接线方案和主要运行方式等。3.1算出井下电缆的根数井下负荷：P=5502.4kW Q=4605.8kvar S=7175.6kVA cos=0.767井下总负荷电流=S/U=7175/6=690A轻沼气矿井下电缆根数=井下电流/400 +1=2.7若选3根，则正常情况下，两段母线（6kV）上负荷分配不均匀，影响供电质量，增加损耗，故选4根，2根备用 3.2计算各短路点的短路电流35kV母线，6kV母线，变电所短路电流计算，电路图如图3-2：图3-2变电所电路图设=100MVA；=37kV；=6.3kV；=6.3kV得：=1.56kA；=9.16kA；=9.16kA 已知：=0.16，=0.42架空线电抗：=0.44100/=0.117变压器电抗：=8%100/12.5=0.64电缆电抗：=L=0.080.54100/=0.109 最大运行方式下：35kV母线处点的短路电流为： =3.611.56=5.63kA =2.555.63=14.36kA =3.61100=361MVA6kV母线处点短路电流为： =1/（0.16+0.117+0.64）=1.09 =1.099.16=9.98kA =2.559.98=25.5kA =1.09100=109MVA井下中央变电所处知短路容量为： =1/(0.109/2 +0.16+0.117+0.64)=1.03 =1001.03=103MVA(超过50MVA) 在最小运行方式下：35kV母线处点的短路电流为： =1/（0.42+0.117）=1.86 =1.861.56=2.9kA =0.8662.9=2.51kA6kV母线处点短路电流为： =1/(0.42+0.117+0.64)=0.85 =0.859.16=7.78kA =0.8667.78=6.74kA其余均按上述方法计算后列入表3-1中：表3-1 各短路点的短路参数及各回路最大长时工作电流最大运行方式最小运行方式