某机修厂变电所电气设计.doc

前言
电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转化而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用，电能的输送和分配简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于生产自动化小型化变电所的建设方案，是在总结国内外变电所设计运行经验的基础上提出的，与过去建设的常规变电所和简陋变电所有明显区别。无论是主接线方式、设备配置及选型、总体布置还是保护方式，都形成了一种新的格局，从而使小型化变电所无法按已有规程进行设计。
机修厂变电所供电是指该对该机修厂各个车间所需电能的供应和分配，良好的供电系统有利于提高生产效率，节约生产成本，更有利于实现生产过程的自动化，因此车间变电所的设计是一个重要的工作。
为了保障电能从电源安全、可靠、经济、优质地送到车间的各个用电部门，必须达到以下基本要求:
（1） 安全。在电能供应分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。
（2） 可靠。应满足电能用户对供电可靠性的要求。
（3） 优质。应满足用户对电压、频率、波形不畸变等电能质量要求。
（4） 经济。在满足以上要求的前提下，供电系统尽量要接线简单，投资要少，运行费用要低，并考虑尽可能地节约点能和有色金属的消耗量。

目 录

第一章 设计任务 4
1.1设计要求 4
1.2设计依据 4
1.2.1工厂负荷情况 4
1.2.2工厂供电情况 5
1.2.3其他资料 5
第二章 负荷计算和无功功率补偿 5
2.1负荷计算 5
2.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式 5
2.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式 5
2.2无功功率补偿 7
第三章 变电所主变压器及主接线方案的选择 8
3.1变电所主变压器的选择 8
3.2变电所主接线方案的选择 8
3.2.1装设两台主变压器的主接线方案 8
第四章 短路电流的计算 10
4.1绘制计算电路 10
4.2确定短路基准值 10
4.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值 10
4.3.1电力系统 10
4.3.2架空线路 10
4.3.3电力变压器 11
4.4 K-1点（10.5KV侧）的相关计算 11
4.4.1总电抗标幺值 11
4.4.2三相短路电流周期分量有效值 11
4.4.3其他短路电流 11
4.4.4三相短路电容 11
4.5 K-2点（0.4KV侧）的相关计算 11
4.5.1总电抗标幺值 11

4.5.2三相短路电流周期分量有效值 11
4.5.3其他短路电流 11
4.5.4三相短路电容 12
第五章 变电所一次设备的选择校验 12
5.1 10KV侧一次设备的选择校验 12
5.1.1 按工作电压选择 12
5.1.2按工作电流选择 12
5.1.3按断流能力选择 12
5.1.4隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 12
5.2 380V侧一次设备的选择校验 13
5.3 高低压母线的选择 14
第六章 选择整定继电保护装置 14
6.1 主变电所继电保护装置 14
6.1.1 主变压器的继电保护装置 14
6.1.2 保护动作的整定 14
6.1.3 过电流保护动作时间的整定 15

6.1.4 过电流保护灵敏度系数的校验 15
6.2 装设电流速断保护 15
6.2.1 速断电流的整定 15
6.2.2 电流速断保护灵敏度系数的校验 15
第七章 降压变电所防雷与接地装置的设计 15
7.1 变电所的防雷保护 15
7.1.1 直接防雷保护 16
7.1.2 雷电侵入波的防护 16
7.2 变电所公共接地装置的设计 16
7.2.1 接地电阻的要求 16
7.2.2 接地装置的设计 16
结束语 17
参考文献 18
附录 19

第一章 设计任务
1.1设计要求
(1)选择变电所主接线方案
(2)确定变电所主变压器的台数和容量.类型
(3)选择高低压设备和进出线
(4)选择整定继电保护装置
1.2设计依据
1.2.1 工厂负荷情况
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。低压动力负荷为三相，额定电压为380V；电气照明为单相，额定电压220V。本厂的负荷统计资料如表1.1所示。

表1.1 工厂负荷统计资料
厂房编号
厂房名称
负荷类别
设备容量/kW
需要系数
功率因数
1
锻压车间
动力
350
0．3
0．65
照明
8
0．7
1．0
2
工具车间
动力
360
0．3
0．6
照明
7
0．9
1．0
3
锅炉房
动力
50
0．7
0．8

照明
1
0．8
1．0
4
金工车间
动力
400
0．2
0．65

照明
10
0．8
1．0
5
装配车间
动力
180
0．3
0．7
照明
6
0．8
1．0
6
仓库
动力
20
0. 4
0. 8
照明
1
0. 8
1. 0

1.2.2供电电源情况
（1） 由附近一条10kV的公用电源干线取得工作电源,该干线的导线型号为LGJ-70，导线为等边三角形排列，线距为1m；干线首端距离本厂约8km。干线首端断路器容量为400MVA。此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过流保护整定的动作时间为1.5s。为满足工厂二级负荷要求，采用长度为20km架空线路取得备用电源。
（2） 变电所最大负荷功率因数不低于0.9
1.2.3 其他资料（平面图，气象，地质水文等）略

第二章 负荷计算和无功功率补偿
2.1负荷计算

2.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式
a)有功计算负荷（单位为KW）
= ， 为系数
b)无功计算负荷（单位为kvar）
= tan
c)视在计算负荷（单位为kvA）
=
d)计算电流（单位为A）
=, 为用电设备的额定电压（单位为KV）

2.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式
a)有功计算负荷（单位为KW） =
式中是所有设备组有功计算负荷之和，是有功负荷同时系数，可取0.85~0.95
b)无功计算负荷（单位为kvar）
=，是所有设备无功之和；是无功负荷同时系数，可取0.9~0.97
c)视在计算负荷（单位为kvA） =
d)计算电流（单位为A） =
(式中 P30=PC ,Q30=QC ,S30=SC , I30=IC)
经过计算，得到各厂房和生活区的负荷计算表，如表2.1所示（额定电压取380V）

编号
名称
类别
设备容量/kW
需要系数

cos
tan
计算负荷
/kW
/kvar
/kVA
/A
1
锻压
车间
动力
350
0．3
0．65
1.17
105
122.85
——
——
照明
8
0．7
1．0
0
5.6
0
——
——
小计
358
——

110.6
123.85
165
251
2
工具
车间
动力
360
0．3
0．6
1.33
108
143.64
——
——
照明
7
0．9
1．0
0
6.3
0
——
——
小计
367
——

114.3
143.64
184
280
3
锅炉
车间
动力
50
0．7
0．8
0.75
35
26.3
——
——
照明
1
0．8
1．0
0
0.8
0
——
——
小计
51
——

35.8
26.3
44.4
67
4
金工
车间
动力
400
0．2
0．65
1.17
80
93.6
——
——
照明
10
0．8
1．0
0
8
0
——
——
小计
410
——

88
93.6
128
194
5
装配
车间
动力
180
0．3
0．7
1.02
54
55.1
——
——
照明
6
0．8
1．0
0
4.8
0
——
——
小计
186
——

58.8
55.1
80.6
122
6
仓库
动力
20
0．4
0．8
0.75
8
6
——
——
照明
1
0．8
1．0
0
0.8
0
——
——
小计
21
——

8.8
6
10.7
16.2
总计（380V侧）
动力
1360

374.67
402.68
550.03
31760
照明
33
计入=0.9, =0.9
0.681

382.92
435.68
580.04
33490
表2.1 各厂房和生活区的负荷计算表

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抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。

由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.681。而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不低于0.9。考虑到主变压器的无功损耗元大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：

=(tan - tan)=374.67[tan(arccos0.681) - tan(arccos0.92) ] = 243.16kvar ， 并联电容器为BW0.4-12-1型12台,实际补偿为12*21=252kvar 。 补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，而无功计算负荷=（402.68-252）kvar=150.68 kvar，视在功率=403.83 kVA，计算电流=613.57 A,功率因数提高为cos==0.909。

在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为1250kVA,才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T的容量选为1000kVA的就足够了。同时由于计算电流的减少，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无功补偿的经济效益十分可观。因此无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2.2所示。
表2.2 无功补偿后工厂的计算负荷
项目
cos
计算负荷
/KW
/kvar
/kVA
/A
380V侧补偿前负荷
0.681
374.67
402.68
550.03
31760
380V侧无功补偿容量

-252

380V侧补偿后负荷
0.92
374.67
150.68
403.83
613.57
主变压器功率损耗

0.015=6.06
0.06=24.23

10KV侧负荷计算
0.909
380.73
174.91
418.71
24.175

第三章 变电所主变压器及主接线方案的选择
3.1变电所主变压器的选择
根据工厂的负荷性质和电源情况，应满足用电负荷对可靠性的要求。在有一.二级负荷的变电所中，选两台主变压器。装设两台变压器型号为S9型，即：

所以选择=315kVA，阻抗电压为4的S9系列变压器两台。
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Yyn0 。

3.2 变电所主接线方案的选择
装设两台主变压器的主接线图

第四章 短路电流的计算
4.1 绘制计算电路 500MVA
K-1
K-2
LGJ-150,8km
10.5kV
S9-1000
0.4kV
(2)
(3)
(1)
～
∞系统

图5.1 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
（4-1）
（4-2）
4.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值
4.3.1电力系统
已知电力系统出口断路器的断流容量=400MVA，故 （4-3）
4.3.2架空线路
查表得LGJ-150的线路电抗，而线路长8km，故 （4-4）
4.3.3电力变压器
查表得变压器的短路电压百分值=4，故
（4-5）
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-1
k-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
4.4.1总电抗标幺值
（4-6）
4.4.2 三相短路电流周期分量有效值
（4-7）
4.4.3 其他短路电流
（4-8）
（4-9）
（4-10）
4.4.4 三相短路容量
（4-11）
4.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算
4.5.1总电抗标幺值
（4-12）
4.5.2三相短路电流周期分量有效值
（4-13）
4.5.3 其他短路电流
（4-14）
（4-15）
（4-16）
4.5.4三相短路容量
（4-17）
以上短路计算结果综合图表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/MVA

k-1
2
2
2
5.1
3.02
36.36
k-2
15.873
15.873
15.873
29.206
17.30
11.00

第五章 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
5.1.1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。
5.1.2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

5.1.3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。

5.1.4 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
动态定度
热稳定度
其它
装置地点条件
参数

数据
10kV
24.175
2kA
5.1kA

一次设备型号规格
额定参数

高压少油断路器SN10-10I/630
10kV
630kA
16kA
40 kA

高压隔离开关-10/200
10kV
200A
-
25.5 kA

高压熔断器RN2-10
10kV
0.5A
50 kA
-
-

电压互感器JDZJ-10

-
-
-
-

电流互感器LQJ-10
10kV
100/5A
-

=31.8 kA

=81

避雷针FZ-10
10kV
-
-
-
-

户外隔离开关GW4-12/400
12kV
400A
-
25kA

5.2 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
动态
定度
热稳定度
其它
装置地点条件
参数

-
数据
380V
总613.57A
15.873 kA
29.206kA
-
-
一次设备型号规格
额定参数

-
低压断路器
DW15-1000
380V
1000A
40kA
-
-
-
低压断路器DZ20-100
380V
100A
18kA
-
-
-
低压断路器DW20-200
380V
200A

25kA
-
-
-
低压断路器
DW20-400
380V
400A
30kA
-
-
-
电流互感器LCZ-0.5
500V
600-1500/5A
-
-
-
-
电流互感器LQJ-0.5
500V
160-400/5A

-
-
-
-
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（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。

第六章 选择整定继电保护装置
6.1变电所继电保护装置
6.1.1主变压器的继电保护装置
a）装设瓦斯保护。当变压器油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号；当产生大量的瓦斯时，应动作于高压侧断路器。
b）装设反时限过电流保护。采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式结线，去分流跳闸的操作方式。
6.1.2护动作电流整定

其中，可靠系数，接线系数，继电器返回系数，电流互感器的电流比=100/5=20 ，因此动作电流为：
因此过电流保护动作电流整定为4A。
6.1.3过电流保护动作时间的整定
其过电流保护的动作时间可整定为

6.1.4过电流保护灵敏度系数的检验

其中，=0.86615.873kA/(10kV/0.4kV)=0.55 ，因此其灵敏度系数为： 满足灵敏度系数的1.5的要求。

6.2装设电流速断保护
利用GL15的速断装置。
6.2.1速断电流的整定：利用式，其中，，，，，因此速断保护电流为
6.2.2、电流速断保护灵敏度系数的检验
利用式，其中，，因此其保护灵敏度系数为>1.5,电流速断保护的灵敏度系数达到要求。

第七章 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 直接防雷保护

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40mm×4mm 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1～1.5。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FS4—10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GG—1A（F）—54型开关柜，其中配有FS4—10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。

7.2 变电所公共接地装置的设计

7.2.1接地电阻的要求
按《工厂供电设计指导》表9-6。此边点所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件：

且

其中, 因此公共接地装置接地电阻 。

7.2.2接地装置的设计
采用长2.5m、50mm的钢管16根，沿变电所三面均匀布置，管距5 m，垂直打入地下，管顶离地面0.6 m。管间用40mm×4mm的镀锌扁刚焊接相接。变电所的变压器室有两条接地干线、高低压配电室各有一条接地干线与室外公共接地装置焊接相连，接地干线均

采用25 mm ×4 mm的镀锌扁刚。变电所接地装置平面布置图如图9-1所示。接地电阻的验算：

满足欧的接地电阻要求，式中,查《工厂供电设计指导》表9-10”环行敖设”栏近似的选取。

结束语

一周的课程设计，结合所学发电厂电气部分、电力系统分析、继电保护等相关课程，通过查阅电力系统相关资料，我懂得了设计过程的具体细节和步骤，巩固了所学知识，查漏补缺，对变电站设计有了一定的认识，尤其对主接线，电气设备以及电力系统的选择方法进一步掌握。我相信这个过程对我们今后的学习和工作带来积极的影响，在学校剩余的时间内我会借阅电气相关资料，对本专业知识进一步掌握。通过这次设计中我对电气工程有了一个基本的整体感觉，对生活中的电力供应有了更好的理解。尤其通过这次课程设计结合了这两年学的相关的专业知识，对各门课都有了一个较全面的理解，这些必将对我以后的学习和工作有很好的帮助。最后感谢设计过程中老师的指导和同学们的帮助。

参考文献
【1】 水利电力部西北电力设计院编.电力工程电气设计手册（第一册）电气一次部分.北京：中国电力出版社，1996重印
【2】 肖艳萍主编.发电厂变电站电气设备.北京：中国电力出版社，2008.
【3】 李海燕主编.电力系统.北京：中国电力出版社，2006.
【4】 施怀瑾主编.电力系统继电保护（第二版）.重庆大学出版社.2005
【5】 丁毓山，雷振山 主编.《中小型变电所实用设计手册》.水利水电出版社.2000
【6】 陈化钢主编.企业供配电.北京：中国水利水电出版社，2003
【7】 王守相，王成山.现代配电系统分析[M].北京：高等教育出版社，2007.
【8】 任孝岐.110kv城区变电所设计思路.西北电力技术[J].2004,第32卷第3期：56-58，192.
【9】 钱银其.110kv变电站典型设计.江苏电机工程[J].2007, 第25卷第5期：59-62.
【10】刘介才.实用供配电技术手册[M].北京：中国水利水电出版社，2002
【11】 韩笑.继电保护分册[M].北京：中国水利水电出版社，2003年3月
【12】 刘介才.供电设计中若干问题的探讨[D].四川省电工科技学会优秀论文集，1990.
【13】 王国君.电气制图与读图手册[M].北京：科学普及出版社，1994
【14】 石方安.电气图形符号使用手册[M].北京：中国劳动出版社，1997

附录：
继电保护电路原理图及其展开图