工厂总降压变电所及配电系统设计.doc

邵阳学院毕业设计（论文）1 原始资料及负荷计算1.1 原始资料1.1.1 负荷情况本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为4800h，本厂除了铸造车间，电镀车间和锅炉房为二级负荷，其余均为三级负荷。其负荷情况见表1-1。表1-1 工厂负荷情况表厂房编号用电单位名称负荷性质设备容量（kw） 需要系数(Kd）额定电压（V）功率因素(）1仓库动力880.253800.65照明20.802201.02铸造车间动力8250.353800.70照明280.802201.03金工车间动力3380.253800.60照明100.802201.04电镀车间动力6800.53800.75照明200.82201.05工具车间动力2270.33800.65照明120.802201.06装配车间动力1380.353800.70照明100.802201.07机修车间动力1750.253800.65照明120.802201.08锅炉房动力1380.653800.8照明20.802201.09宿舍区生活用电4000.70380/2201.01.1.2 电源情况：按照工厂与当地供电部门签订的供电协议，从距本厂6km处的一条10kV公用干线T接取得电源，干线首端装设的高压断路器断流容量为500MVA。为满足工厂二级负荷的要求，可从邻近的工厂取得备用电源。电源接入详见图1.1.图1.1 电源接入图1.2 负荷计算1.2.1 负荷计算的意义 计算负荷是根据已知的工厂的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷。它是设计时作为选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的重要依据。 负荷计算的目的是为了掌握用电情况,合理选择配电系统的设备和元件,如导线、电缆、变压器、开关等。负荷计算过小,则依此选用的设备和载流部分有过热危险,轻者使线路和配电设备寿命降低,重者影响供电系统的安全运行.负荷计算偏大,则造成设备的浪费和投资的增大。为此,正确进行负荷计算是供电设计的前提,也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。1.2.2 负荷计算方法 目前负荷计算常用需要系数法、二项式法、和利用系数法,前二种方法在国内设计单位的使用最为普遍。此外还有一些尚未推广的方法如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法和ABC法等. 常采用需用系数法计算用电设备组的负荷时，应将性质相同的用电设备划作一组，并根据该组用电设备的类别，查出相应的需用系数，然后按照上述公式求出该组用电设备的计算负荷。 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。1.2.3 计算过程如下：根据10kv配电工程设计手册采用需要系数法对各个车间进行计算时，其公式有： 有功功率： (1.1) 无功功率： (1.2) 视在功率： (1.3) 额定电流： (1.4) 上式中：需要系数 设备的额定容量 功率因数的正切值 U额定电压根据上述公式对负荷进行计算有： 仓库： 铸造车间： 金工车间： 电镀车间： 工具车间： 装配车间： 机修车间： 锅炉房： 宿舍区： 各个车间的照明负荷： 负荷计算结果见表1-2。表1-2 负荷计算结果负荷名称额 定容 量（kW）额定电压（V）负荷特性COStan有功功率P30(kW)无功功率Q30(kW)仓库883800.650.752216.5铸造车间8253800.71.02288.75294.53金工车间3383800.61.3384.5112.38工具车间2273800.651.1768.179.68电镀车间7503800.751.08375407.30装配车间1383800.71.0248.349.26机修车间1753800.651.1743.7551.19锅炉房13838010110.40各车间照明962201075.20宿舍区200380/220102800总负荷13961010.84根据10kv配电工程设计手册对全厂负荷进行计算有下列公式：有功功率： (1.5) 无功功率： (1.6)视在功率： (1.7) 额定电流： (1.8) 上式中：有功同时系数 无功同时系数 P各车间的有功功率（既上面计算中的） Q各车间的无功功率（既上面计算中的）根据10kv配电工程设计手册配电所一般取值0.851，一般取0.951.取全厂的同时系数为：，则全厂的计算负荷为： , 1.2.4 年耗电量的估算 年有功电能消耗量及年无功电能耗电量可由下式计算得到：年有功电能消耗量： (1.9)平均有功负荷系数，有功功率，年负荷利用小时数。年无功电能耗电量： (1.10)平均无功负荷系数，无功功率，年负荷利用小时数。 结合本厂的情况，年负荷利用小时数为4800h，取年平均有功负荷系数0.72，年平均无功负荷系数0.78。 由此可得本厂： 年有功耗电量： 年无功耗电量： 1.2.5 无功功率补偿由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为： =1649.35kVA 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0.81提高到0.95， 则低压侧需装设的并联电容器容量为： 取： =525kVar则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为： 计算电流 ： 变压器的功率损耗为： =0.0151402.30=21.03kW =0.061402.30=84.138kW 变电所高压侧的计算负荷为： , 补偿后的功率因数为： 。满足（大于0.90）的要求。2 变电所主变压器台数和容量选择2.1 变电所主变压器台数的选择变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷：季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级重要负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。2.2 变压器容量的选择 变电所主变压器容量选择。每台变压器的容量应同时满足以下两个条件： （1）任一台变压器单独运行时，宜满足：（2）任一台变压器单独运行时，应满足：，即满足全部一、二级负荷需求。 代入数据可得：=0.61451.34=870.804kVA。 （289.26+467.43+110.4）=867.09kW同时又考虑到未来510年的负荷发展，初步取=1000kVA 。考虑到安全性和可靠性的问题，选择S11-M系列全封闭油浸式变压器。具体型号：S11-M-1000/10，其主要技术指标如表2-1所示。表2-1 S11-M-1000/10型变压器参数变压器型号额定容量（kVA）额定电压（kV）联结组别空载损耗(kW）负载损耗（kW）空载电流 %短路阻抗 %S11-M-1000/10100010.5/0.4D，yn111.1510.3 0.54.5（附：参考尺寸（mm）：长：1780宽：1150高：1630重量（kg）：3010）3 电气主接线3.1 电气主接线的概述 变电所主接线(一次接线)表示变电所接受、变换和分配电能的路径，它由各种电力设备(隔离开关、断路器、互感器、变压器等)及其连接线组成，通常用单线图表示。 主接线是否合理,对变电所设备选择和布置,运行的灵活性、安全性、可靠性和经济性,以及继电保护和控制方式都有密切关系.它是供电设计中的重要环节。在图上所有电气设备均以新的国家标准图形符号表示，按它们的正常状态画出。所谓正常状态，就是电气设备所处的电路中既无电压，也无外力作用的状态。对于图中的断路器和隔离开关，是画出它们的断开位置。在图上高压设备均以标准图形符号代表，一般在主接线路图上只标出设备的图形符号，在主接线的施工图上，除画出代表设备的图形符号外，还应在图形符号旁边写明设备的型号与规范。从主接线图上我们可了解变电所设备的电压、电流的流向、设备的型号和数量、变电所的规模及设备间的连接方式等，因此，主接线图是变电所的最主要的图纸之一。3.2 电气主接线的设计原则和要求3.2.1 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。(3) 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。 (4)考虑主变台数对主接线的影响变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将会产生直接的影响。通常对大型变电所，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。 (5)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。3.2.2 电气主接线设计的基本要求 变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接总数、设备特点等条件确定。并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。 (1) 可靠实用 所为可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。衡量可靠性的客观标准是运行实践。经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。(2) 运行灵活主接线运行方式灵活，利用最少的切换操作，达到不同的供电方式。根据用电负荷大小，应作到灵活的投入和切除变压器。检修时，可以方便的停运变压器、断路器、母线等电气设备，不影响工厂重要负荷的用电。 (3) 简单经济 在满足供电可靠性的前提下，尽量选用简单的接线。接线简单，既节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备，使节点少、事故和检修机率少；又要考虑单位的经济能力。经济合理地选用主变压器型号、容量、数量，减少二次降压用电，达到减少电能损失之目的。 (4) 操作方便 主接线操作简便与否，视主接线各回路是否按一条回路配置一台断路器的原则，符合这一原则，不仅操作简便、二次接线简单、扩建也方便，而且一条回路发生故障时不影响非故障回路供电。3.3 变电所电气主接线方案的选择方案：高、低压侧均采用单母线分段（见图3.1）。优点：用断路器把母线分段后，当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩。图3.1高低压均单母分段方案：单母线分段带旁母（见图3.2）。优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。缺点：设备多，接线复杂，投资高。图3.2 单母分段带旁母方案：高压采用单母线、低压单母线分段（见图3.3）。优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。图3.3 高压采用单母线、低压单母线分段以上三种方案均能满足主接线要求，采用方案时虽供电可靠性最佳，但需要的断路器数量多，接线复杂，操作复杂，投资高一般应用于较重要的变电站，不适用本次设计；方案较方案供电可靠性要高，但本厂的两回进线中有一回是作为备用电源，只有在主电源出现故障是才供电，而高压母线出现故障的几率比较小，实际中几乎可以不考虑。且方案较方案经济；因此主接线方式选择方案。根据所选的接线方式，画出主接线图，参见附图一变电所高压电气主接线图。4 短路电流的计算4.1 短路电流计算的一般概述电气设备或导体发生短路故障时通过的电流为短路电流。在工业企业供电系统的设计和运行中，不仅要考虑到正常工作状态，而且还要考虑到发生故障所造成的不正常状态。根据电力系统多年的实际运行经验，破坏供电系统正常运行的故障一般最常见的是各种短路。所谓短路是指相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接（接地），以及三相四线制系统中相线与中线短接。当发生短路时，短路回路的阻抗很小，于是在短路回路中将流通很大的短路电流（几千甚至几十万安），电源的电压完全降落在短路回路中。4.1.1 短路的原因 发生短路的主要原因是由于电力系统的绝缘被破坏。在大多数情况下，绝缘的破坏多数是由于未及时发现和未及时消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运行维护不当所，例如：过电压、直接雷击、绝缘材料的陈旧、绝缘配合不好、机械损坏等，运行人员的错误操作，如带负荷拉开隔离开关，或者检修后未拆接地线就接通断路器；在长期过负荷元件中，由于电流过大，载流导体的温度升高到不能容许的程度，使绝缘加速老化或破坏；在小接地电流系统中未及时或消除一相接地的不正常工作状态，此时，其它两相对地电压升高倍，造成绝缘损坏；在某些化工厂或沿海地区空气污秽，含有损坏绝缘的气体或固体物质，如不加强绝缘，经常进行维护检修或者采取其他特殊防护措施等，都很容易造成短路。此外，在电力系统中，某些事故也可能直接导致短路，如杆塔塌导线断线等。动物或飞禽跨接载流导体也会造成短路事故。4.1.2 短路的危害 短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏应力，如果导体和它们的支架不够坚固，则可能遭到严重破坏。短路电流越大，通过的时间越长，对故障元件破坏的程度也越大。由于短路电流很大，即使通过的时间很短，也会使短路电流所经过的元件和导体收起不能容许的发热，从而破坏绝缘甚至使载流部分退火、变形或烧毁。既然发生短路时流通很大的短路电流（超过额定电流许多倍），这样大的短路电流一旦流经电气设备的载流导体，必然要产生很大的电动力和热的破坏作用，随着发生短路地点和持续时间的长短，其破坏作用可能局限于一小部分，也可能影响整个系统。4.1.3 短路的类型 三相系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相短路（单相接地短路）和两相接地短路。根据运行经验统计，最常见的是单相接地短路，约占故障总数的60%，两相短路约占15%，两相接地短路约占20%，三相短路约占5%。三相短路虽少，但不能不考虑，因为它毕竟有发生的可能，并且对系统的稳定运行有着十分不利的影响。单相短路虽然机会多短路电流也大，但可以人为的减小单相短路电流数值，使单相短路电流最大可能值不超过三相短路电流的最大值。这就使全部电气设备可以只根据三相或两相短路电流来选择，况且三相短路又是不对称短路的计算基础，尤其是工业企业供电系统中大接地电流系统又很少，因此应该掌握交流三相短路电流的计算。4.1.4 短路回路参数的计算 在进行短路电流计算时，首先需要计算回路中各元件的阻抗。各元件阻抗的计算通常采用有名值和标么值两种计算方法。前一种计算方法主要适用于10kV以下低压供电系统的网路中，后一种计算方法多用在企业高压供电系统以及电力系统中。 (1)标么值 标么值一般又称为相对值，是一个无单位的值，通常采用带有*号的下标以示区别，标么值乘以100，即可得到用同一基准值表示的百分值。在标么值计算中。首先要选定基准值。虽然基准值可以任意选取，但实际计算中往往要考虑计算的方便和所得到的标么值清晰可见，如选取基值功率为100MVA和短路点所在网路的平均额定电压为基准电压。尚须指出，在电路的计算中，各量基准值之间必须服从电路的欧姆定律和功率方程式，也就是说在三相电路中，电流、电压、阻抗、和功率这四个物理量的基准值之间应满足下列关系： Sd=UdId (4.1) Ud=IdZd (4.2)上式中： Sd功率 Ud电压 Id电流 Zd阻抗的基准值(2)短路回路中各元件阻抗的计算计算短路电流时，必须知道系统中各元件的电阻抗，一般只考虑同步电机、变压器、电抗器、架空线和电缆线的电抗。4.2 短路计算过程本厂的供电系统简图如图4.1所示。采用主备二电源供电，主电源为距本厂6km的公用电源干线，采用LGJ-120架空线接至厂用变电所（系统按电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为500MVA；备用电源为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。图.4.1 供电系统简图4.2.1 确定基准值 取： ， ， 所以： 4.2.2 计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：（忽略架空线至变电所的电缆电抗）（1）电力系统的电抗标么值： （2） 架空线路的电抗标么值：查手册得，因此： （3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得，因此： 可绘得短路等效电路图如图4.2所示。图 4.2 短路等下电路图4.2.3 计算k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量（1）总电抗标么值： （2）三相短路电流周期分量有效值： （3）其他三相短路电流： kA, =2.552.614=6.67kA, =1.82.614.7kA.（4）三相短路容量： 4.2.4 计算k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量（1）总电抗标么值： （2）三相短路电流周期分量有效值： （3）其他三相短路电流： kA, =1.8428.2=51.92kA, =1.0928.2=30.752kA（4）三相短路容量： 短路计算的结果见表4-1表4.1 短路计算结果短路地点短路点编号短路点平均电压（kV）短路现暂态电流有效值I”(kA)短路稳态电流有效值I(kA)短路冲击电流ich(kA)短路点容量S”(MVA)10kV母线K-110.52.6142.6146.6747.5290.4kV 母线K-20.428.228.251.9219.595 变电所高压电气设备的选择为了保证高压电气设备的可靠运行，高压设备应安正常工作条件下的额定电压、额定电流等来选择，并按短路电流校验动稳定性和热稳定性，对短路器和熔断器还要按断流容量选择。5.1高压断路器的选择5.1.1 断路器选择的具体技术条件如下：(1)电压 (5.1) 电网工作电压。 (2)电流 (5.2) 最大持续工作电流 (3)开断电流 (5.3) 断路器实际开断时间t秒的短路电流周期分量； 断路器额定开断电流。 (4)动稳定校验 (5.4) 断路器极限通过电流峰值； 三相短路电流冲击值。 (5)热稳定校验 (5.5) 稳态三相短路电流； 短路电流发热等值时间； 断路器t秒热稳定电流。 其中由和短路电流计算时间t，可从发电厂电气部分课程设计参考资料查出短路电流周期分量等值时间，从而可计算出。5.1.2 断路器型号的选择10kv侧的短路器选择ZN63-12(VS1) 1250A，其参数见表5-1。表5-1 ZN63-12(VS1)型断路器参数型号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定电流（峰值）（kA）4s热稳定电流（有效值）（kA） ZN63-12(VS1)121.258031.55.1.3热稳定校验 (5.6) 稳态三相短路电流 短路电流发热等值时间 断路器t秒稳定电流 其中： ,。短路电流计算时间 (为全保护时间，为固有全分闸时间，它包括断路器固有分闸时间和电弧燃烧时间)可从小电气书图中查出短路电流周期分量等值时间，忽略短路电流非周期分量。所以： 满足热稳定要求 。 5.14 动稳定校验 (5.7) 断路器极限通过电流峰值； 三相短路冲击值。 满足动稳定要求。5.2 高压隔离开关的选择隔离开关形式的选择，应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。参数的选择要综合考虑技术条件和环境条件。5.2.1选择的具体技术条件如下： （1）电压 (5.8) 电网工作电压。 （2）电流 (5.9) 最大持续工作电流。 （3）动稳定校验 (5.10) 断路器极限通过电流峰值； 三相短路电流冲击值。 （4）热稳定校验 (5.11) 稳态三相短路电流； 短路电流发热等值时间； 断路器t秒热稳定电流。5.2.2 高压隔离开关型号的选择 10kv侧隔离开关选择GN30-10/1250，其参数见表5-2。表5-2 GN30-10/1250型隔离开关参数 型号额定电压（kV）额定电流（kA）动稳定电流（峰值）（kA）4s热稳定电流（有效值）（kA）GN30-10/1250101.258031.55.2.3 热稳定校验 (5.12) 稳态三相短路电流 短路电流发热等值时间 断路器t秒稳定电流 其中 ： ,。短路电流计算时间 (为全保护时间，为固有全分闸时间，它包括断路器固有分闸时间和电弧燃烧时间)可从小电气书中查出短路电流周期分量等值时间，忽略短路电流非周期分量。所以： 满足热稳定要求 。 5.2.4 动稳定校验 (5.13) 断路器极限通过电流峰值 三相短路冲击值。 满足动稳定要求。5.3 电压互感器高压侧电压互感器选择JDZ9-10 型单相-全封闭电压互感器，其参数表5-3。表5-3 JDZ9-10型电压互感器参数型号额定电压比（V）准确级额定输出cos=0.8极限输出 （A）额定绝缘水平 (kV)JDZ9-10 10/0.10.58060012/42/755.4 电流互感器的选择5.4.1选择的具体技术条件如下：(1) 一次回路电压 (5.14) 电流互感器安装处一次回路工作电压； 电流互感器额定电压。(2) 一次回路电流 (5.15) 电流互感器安装处一次回路最大工作电流； 电流互感器原边额定电流。(3) 动稳定校验 (5.16) 短路冲击电流最大值； 动稳定电流。(4) 热稳定校验 (5.17) 短时热电流； 三相短路电流周期分量稳态值。5.4.2 电流互感器型号的选择电流互感器选择LZZBJ9-10(A、B、D)电流互感器，其参数见表5-4.表5-4 LZZBJ9-10型电流互感器参数型号额定一次电流（A)准确级额定二次输出（A）额定短路热电流（kA）额定动稳定电流（kA）LZZBJ9-10(A、B、D)800-12500.510801105.5 高压熔断器高压熔断器选择RN2-10/0.5-15户内型，其参数见表5-5。表5-5 RN2-10/0.5-15户内型高压熔断器参数型号 额定电压(kV)额定电流(kA)开断电流(kA)三相断流容量（kVA)RN2-10/0.5-15户内型100.5-15 5010005.6 高压母线 母线型号：TMY-3（504）+1（606） 母线的动稳定校验 校验条件： (5.18) TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。 10kV母线的短路电流： =6.67kA 三相短路时所受的最大电动力： = 母线的弯曲力矩： 母线的截面系数： 母线在三相短路时的计算应力： 可得，=140MPa=，满足动稳定性要求。5.7 绝缘子的选择绝缘子型号：ZA-10Y抗弯强度：3.75kN（户内支柱绝缘子） 绝缘子动稳定度校验校验条件： (5.19)母线采用平放在绝缘子上的方式，则： （其中=200mm；=900mm）。所以：= 37.5N满足要求。5.8 高压电缆选择所选电缆YJV22-3120的截面 A=67校验条件： A= (5.20)允许的最小截面： 从而，该电缆满足热稳定性要求 。 6 变电所低压一次设备的选择低压侧采用的北京申电科技有限公司生产的GGD2型低压开关柜（柜形尺寸为800（10