工厂总降压变电所及高压配电系统设计.doc

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工厂总降压变电所主接线和车间变电所主接线的选择101.工厂总降压变电所主接线选择101.1 方案的比较131.2 方案的选择132. 车间变电所主接线的选择142.1 方案的比较162.2 方案的选择16三.总降压变电所主变压器的选择和各车间变电所变压器的选择161.总降压变电所主变压器的选择162.各车间变电所变压器的选择17四.变电所所址的选择181.负荷中心的确定182.变电所所址的确定19五.短路电流计算201.计算等值电路图202.计算电抗213.最大运行方式下的短路点计算223.1 d1点的短路电流计算223.2 d2点的短路电流计算224.最小运行方式下的短路点计算234.1 d1点的短路电流计算234.2 d2点的短路电流计算23六. 高压电气设备的选择241.35kV架空线的选择242.10kV母线的选择253.10kV电缆的选择264.10kV架空线的选择275.高压断路器的选择286.高压隔离开关的选择307.电流互感器的选择328.电压互感器的选择34七.防雷和接地保护361.避雷器的选择362.接地设计37心得体会38参考文献39摘 要为使工厂供电工作很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，本设计在大量收集资料，并对原始资料进行分析后，做出35kV变电所及变电系统电气部分的选择和设计，使其达到以下基本要求：1、安全 在电能的供应、分配和使用中，不发生人身事故和设备事故。2、可靠 满足电能用户对供电可靠性的要求。3、优质 满足电能用户对电压和频率等质量的要求4、经济 供电系统的投资少，运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。 此外，在供电工作中，又合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，顾全大局，适应发展。同时，学习了工厂供电，做这次课程设计就是为了巩固对所学知识的深化理解，对将来走上工作岗位从事低压电气的设计有很大的帮助。本次设计主要是总降压变电所和车间变电所的设计，包括总降压变电所所址的选择，负荷统计，总降压变电所的主接线和车间变电所主接线的选择，架空线、电缆等高压电气设备的选择，最后进行防雷和接地保护。 任 务 书设计题目： 工厂总降压变电所及高压配电系统设计1.2设计依据(12)(3)(4)(13)(5)(2)道路(1)(6)(7)(9)(10)(14)(15)道路(8)(11)比例：1：50001.2设计依据1.2.1工厂总平面布置图(12)成品试验站内大型集中负荷(3)成品试验车间(4)锻造车间(5)电机修理车间道路(13)原料车间(2) 加压站(1)半成品试验车间(6)汽车库(9)设备处仓库(10)空压房(7)机械加工车间(14)线圈车间(11)备件车间(8)锅炉房道路(15)新品试制车间比例：1：50001.2.2全厂各车间负荷情况汇总表。序号车间名称Pe/kWKdcos1电机修理车间23000.60.72机械加工车间8800.650.653新品试制车间6500.550.64原料车间5500.350.655备件车间5600.50.76锻造车间1800.60.657锅炉房2600.90.88空压房3020.80.659汽车库560.50.710线圈车间3280.550.6511半成品试验车间7500.650.7512成品试验车间25640.350.613加压站（10KV转供负荷）2740.550.6514设备处仓库（10KV转供负荷）6540.550.7515成品试验站内大型集中负荷38740.650.751.2.3供用电协议。1）当地供电部门可提供两种电源：从某220/35KV区域变电站提供电源，该站距离厂南5公里；从某35/10KV变电所，提供10KV备用电源，该所距离厂南5公里。2）配电系统技术数据。（1）区域变电站35KV母线短路数据为：运行方式电源35千伏母线短容量说明系统最大运行方式时S（3）dmax=580兆伏安系统最小运行方式时S（3）dmin=265兆伏安（2）配电系统3）供电部门对工厂提出的技术要求：区域变电站35KV馈电线路定时限过流保护装置的整定时间为1.8秒，要求厂总降压变电所的保护动作时间不大于1.3秒。工厂在总降压变电所35KV侧计量。功率因素值应在0.9以上。1.2.4工厂的负荷性质本工厂大部分车间为一班制，少数车间为两班或三班制，年最大负荷利用小时数为2500小时。锅炉房提供高压蒸汽，停电会使锅炉发生危险。由于距离市区较远，消防用水需要厂方自备。因此，锅炉房要求较高的可靠性。1.2.5工厂的自然条件 （1）年最高气温为40，年最低气温5，年平均气温为10。 （2）站所选地址地质以粘土为主，地下水位3-5米。 （3）风向以东南风为主。 1.3设计任务及设计大纲1.3.1高压供电系统设计根据供电部门提供的资料，选择本厂最优供电电压等级。1.3.2总变电所设计 1）主结线设计：根据设计任务书，分析原始资料与数据，列出技术上可能实现的多个方案，经过概略分析比较，留下2-3个较优方案进行详细计算和分析比较（经济计算分析时，设备价格、使用综合投资指标），确定最优方案。 2）短路电流计算：根据电气设备选择和继电保护的需要，确定短路计算点，计算三相短路电流，计算结果列出汇总表。 3）主要电气设备选择：主要电气设备的选择，包括断路器、隔离开关、互感器、导线截面和型号、绝缘子等设备的选择及效验。选用设备型号、数量、汇总设备一览表。 4）主要设备继电保护设计：包括主变压器、线路等元件的保护方式选择和整定计算。 5）配电装置设计：包括配电装置形式的选择、设备布置图。 6）防雷、接地设计：包括直击雷保护、进行波保护和接地网设计。1.4设计成果1.4.1设计说明书包括对各种设计方案分析比较的扼要说明，并附有必要的计算及表格。1.4.2设计图纸 1）降压变电所电气主结线图。 2）变电所平面布置图3）主变压器保护原理接线图。一.全厂负荷计算1. 计算负荷的确定根据任务书的要求，按照需要系数法求计算负荷，相关计算公式如下。有功计算负荷为 （11）无功计算负荷为 （12）视在计算负荷为 （13）计算电流为 （14）得各项数据列表11所示（下表数据均为10kV侧）：表11计算负荷统计序号用电设备Pe/kWKdCos计 算 负 荷/kW/kvar/kVA/A1半成品试验车间7500.650.75487.5429649.3837.52原料车间5500.350.65192.5225.23296.2817.13成品试验车间25640.350.6897.41193.541493.2786.24锻造车间1800.60.65108126.36166.239.65电机修理车间23000.60.713801407.61971.23113.86汽车库560.50.72828.56402.37机械加工车间8800.650.65572669.24880.3850.88锅炉房2600.90.8234175.5292.516.99设备处仓库（10KV转供负荷）6540.550.75359.7316.54479.1527.710空压房3020.80.65241.6282.67371.8521.511备件车间5600.50.7280285.6399.9623.112成品试验站内大型集中负荷38740.650.750.882518.12215.933357.20193.813加压站（10KV转供负荷）2740.550.65150.7176.32231.9513.414线圈车间3280.550.65180.4211.07277.661615新品试制车间6500.550.6357.5475.48594.8834.3合 计7987.48218.6411501.92664有功负荷同时系数取无功负荷同时系数取7588.037927.0810527.372. 变压器的损耗近视计算 有功损耗 无功损耗 3. 无功功率补偿计算从设计任务书的要求可知，其功率因素不应小于0.9，考虑到变压器的无功功率损耗，大于有功功率损耗，因此，在变压器的10kV侧进行无功功率补偿时，其补偿后的功率因素应稍大于0.9，现设，则10kV侧在补偿前的功率因素为:因此，所需要的补偿容量为： （15） 选取35kV侧在补偿后的负荷及功率因素计算： 满足了设计任务书的要求，其计算数据如下表12所示表12无功补偿统计表项 目cos计算负荷/kW/kvar/kVA /A （10kV侧）10kV侧补偿前0.727588.037927.0810527.37607.81需要补偿容量-5000变压器损耗105.27526.3735kV侧补偿后0.9137693.303453.458425138.98 根据设计任务书的要求以及以上计算结果，选取：并联补偿电容为 BWF10.5-100-1型电容器50只。补偿总容量为:100kvar50=5000kvar。二. 工厂总降压变电所主接线和车间变电所主接线的选择1.工厂总降压变电所主接线选择方案一：只装有一台主变压器的总降压变电所主接线图QS1 QF1 T QS2 QF2 QS3方案二：采用外桥式接线的总降压变电所主接线图QS9QF5QF4T2T1QS8QS7QF3QF2QS6QS5QF1QS4QS3QS2QS1WL2WL1QF6QS10方案三：一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线图 WL2WL1 QF4QF3 QS10 QS9QF8QF7T2 T1QF6QF5QS8 QS7 QS6QS5QS4 QS2QS3 QF2QF1QS11.1方案的比较方案一，只装有一台主变压器的总降压变电所主接线图这种主接线的一次侧无母线，二次侧为单母线。其特点是简单经济，但供电的可靠性不高，只适用于三级负荷的工厂。方案二，采用外桥式接线的总降压变电所主接线图一次侧采用外桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图。其一次侧的高压断路器QF1跨接在两路电源进线之间，但处在断路器QF2和QF3的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式接线。这种主接线的灵活性也较好，供电的可靠性同样较高，适用于一二级负荷的工厂。如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF2，投入QF1（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并行运行。这种接线方式多用于电源线路较短而变电所负荷变动较大，适用于经济运行需经常切换的总降压变电所。方案三：一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线图这种主接线的灵活性好，可靠性高，但采用的高压设备较多，线路复杂，不够经济。可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。1.2 方案的选择根据总降压变电所的要求，锅炉房提供高压蒸汽，停电会使锅炉发生危险，可知锅炉房是一级负荷，而方案一虽然简单经济，但是可靠性不高，只适用于三级负荷，方案一不可取。方案二和方案三都是适用于一级负荷和二级负荷，都能满足本设计的要求，但是方案三采用的高压设备较多，线路复杂，从经济方面考虑是不够经济的。而方案二这种接线方式多用于电源线路较短而变电所负荷变动较大，适用于经济运行需经常切换的总降压变电所。方案二正适合本设计的要求，所以最终确定方案二为本设计的主降压总接线。2. 车间变电所主接线的选择方案一：高压双回路进线的一台主变压器变电所主接线图方案二：高压侧无母线，低压侧单母线分段的变电所主接线图2.1方案的比较方案一：高压双回路进线的一台主变压器变电所主接线图高压侧采用隔离开关断路器的变电所主接线图。这种主接线采用了高压断路器，因此变电所的停、送电操作十分灵活方便，而且在发生短路故障时，过电流保护装置动作，断路器会自动跳闸，如果短路故障已经消除，则可立即合闸恢复供电。变电所有两路进线，提高了供电的可靠性，适用于二级负荷和少量一级负荷。方案二：高压侧无母线，低压侧单母线分段的变电所主接线图这种主接线的供电可靠性较高，当任一主变压器或任一电源进线停电检修或发生故障时，该变电所通过闭合低压母线分段开关，即可迅速恢复对整个变电所的供电。如果两台主变压器高压侧断路器装设互为备用电源自动投入装置，则任一主变压器高压侧断路器因电源断电而跳闸时，另一主变压器高压侧的断路器在备用电源自动投入装置作用下自动合闸，恢复整个变电所的供电，该变电所多用于一级负荷。2.2方案的选择根据车间变电所的任务和要求可知，工厂大部分时间为一班制，少数车间为两班制或三班制，所以采用方案一就能满足要求。如果选择方案二，肯定也能满足要求，但是接线复杂，电气设备较多，不够经济。综合考虑后选择方案一为车间变电所的主接线图。三.总降压变电所主变压器的选择和各车间变电所变压器的选择1.总降压变电所主变压器的选择 根据补偿后的总计算负荷（8425kVA），同时考虑工厂5-10年的负荷增长，变压器容量考虑一定的预留，本期工厂负荷能保证变压器运行在60-70%经济负荷区内即可，本设计只选择2台主变压器即可满足需要。因此选择型号为： SFL-10000-35/10.5的变压器，如表31所示。表31变压器参数表 型号SFL-10000/35 空载电流 1.1% 额定电压高压低压35kV10.5kV 短路电压百分数 7.5%2. 各车间变电所变压器的选择根据工厂的实际要求，每一个车间要配备一台车间变电所，选择结果如下表所示。表32车间变电所选择结果组号用电设备名 称/kVA总容量（kVA） 变压器额定容量（kV.A）联接组 标 号阻抗电压 （%）1半成品试验车间649.382438.86S9-2500/10(6)2500Dyn116原料车间296.28成品试验车间1493.272锻造车间166.233057.84S9-3150/10(6)3150Dyn115.5电机修理车间1971.23汽车库40机械加工车间880.383锅炉房292.51936.88S9-2000/10(6)2000Dyn11 6线圈车间277.66空压房371.85备件车间399.96新品试制车间594.884成品试验站内大型集中负荷3357.203357.20S9-4000/10(6)4000Dyn11 5.5四.变电所所址的选择1.负荷中心的确定 变电所的位置应尽量接近负荷中心，工厂的负荷中心用功率矩法确定。 在工厂的平面图上建立如下的坐标系，x轴和y轴,按照1:5000的比例尺确定各车间和相关厂房负荷中心的坐标。平面图上的数字表示各车间和相关厂房的编号，例如（320,275）就表示1号车间的坐标。图41 负荷分布图1.1各车间标注如下：1半成品试验车间 2加压站 3成品试验车 4锻造车间 5电机修理车间 6汽车库 7机械加工车间 8锅炉房 9 设备处仓库 10空压房 11备件车间 12成品试验站内大型集中负荷 13原料车间 14线圈车间 15新品试制车间1.2各车间和相关厂房的负荷中心坐标如下：(mm)（62,54）（62,70）（67,86）（36,87）（35，71） （35,54）（36,36） （134,24）（102,41） （134,40） （104,23） （96,87） （95,70） （72，23） （72,12）根据负荷中心的坐标公式 （41） （42）求得中心负荷P（75,43.65 ）2.变电所所址的确定根据分析，如果按照上述确定的负荷中心选择总降压变电所的所址，正好位于道路上，这是不合理的；在考虑进出线对设备的影响，按照图纸的比例以及综合考虑变电所位置选择的原则后，确定负荷中心（75,78 ）为总降压变电所坐标中心，如图42所示。图42负荷中心图五.短路电流计算1.计算等值电路图 10kV 35kV X3 X1 X2 S图51等值电路图基本数据系统最大运行方式时系统最小运行方式时变压器 U%=7.5线路 L=5km 2.计算电抗设基准容量 基准电压 将所有电抗归算到35kV侧：系统电抗 架空线路电抗 变压器电抗 3.最大运行方式下的短路点计算3.1 d1点的短路电流计算10kV母线侧没有电源，无法向35kV侧提供短路电流，即可略去不计，则点短路电流标幺值为：换算到35kV侧0秒钟短路电流有名值在高压电路发生三相短路时，一般可以取Ksh = 1.8短路冲击电流有效值短路冲击电流短路容量 3.2d2点的短路电流计算10kV母线侧没有电源，无法向35kV侧提供短路电流，即可略去不计，则点短路电流标幺值为：换算到10kV侧0秒钟短路电流有名值在高压电路发生三相短路时，一般可以取Ksh = 1.8短路冲击电流有效值短路冲击电流短路容量 4.最小运行方式下的短路点计算4.1 点的短路电流计算同上所得，则d1点短路电流标幺值为：换算到35kV侧0秒钟短路电流有名值在高压电路发生三相短路时，一般可以取Ksh = 1.8短路冲击电流有效值短路冲击电流短路容量 4.2点的短路电流计算10kV母线侧没有电源，无法向35kV侧提供短路电流，即可略去不计，则d2点短路电流标幺值为：换算到10kV侧0秒钟短路电流有名值在高压电路发生三相短路时，一般可以取Ksh = 1.8短路冲击电流有效值短路冲击电流短路容量 以上计算结果列表如表51所示。表51短路电流汇总表运行方式短路点Id/kAish/kAIsh/kAS/MVA最大运行方式4.90812.5157.41314.525.1513.1337.7893.66最小运行方式2.9837.614.505191.164.31711.0086.51978.51六. 高压电气设备的选择1.35kV架空线的选择1.1选择经济截面考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以35kV架空线相应的Igmax=1.05Ie 即：Igmax =1.05 =1.05 =0.173kA根据设计条件 Tmax=2500h，查工厂供电表54得故 选标准截面120，即LGJ120型钢芯铝线。1.2校验发热条件根据给定条件环境条件最高温度为40，查工厂供电附录表16得LGJ120的允许载流量，因此满足发热条件。1.3校验机械强度查工厂供电附录表14得35kV架空钢芯铝线的最小截面，因此所选LGJ120型钢芯铝线也满足机械强度要求。2.10kV母线的选择考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以10kV母线相应的Igmax=1.05Ie 即：Igmax =1.05 =1.05 =0.527kA选择母线（按照最大工作电流）：选择808单条矩形硬铝导体平放作母线，面积为S=640mm2，平放时，长期允许载流量为Ia1=1274A，导体最高允许温度为70，根据工作环境温度为25的条件，查综合修正系数K=0.81：Ie=kIa1=0.811274=1031.94AIgmax,满足载流量的要求。2.1热稳定的校验（按最大运行方式d2点短路）根据设计任务书的条件，配电所的继保动作时限不能大于1.3秒，即top=1.3s，断路器开短时间toc=0.2s，非周期分量等效时间ts=0.05s,则:短路假想时间tima=top+toc+ts=1.3+0.2+0.05=1.55s。母线最小截面积Smin= =73.69640mm2SSmin，满足热定的要求。2.2 动稳定校验取跨距，相间距离母线在最大方式下运行时d2点短路时的最大电动力母线在F作用时的弯曲力矩为母线在截面系数为故母线短路时所受的计算应力为而铝母线的最大允许应力所以该硬铝母线满足动稳定要求。3.10kV电缆的选择以成品试验站内大型集中负荷的10kV进线电流为例，进线总电流为193.8A，选择YJLV223150型三芯交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，其允许载流量为。3.1 额定电流校验3.2热稳定截面校验Smin= =73.69150mm2 由此可见所选电缆符合规格。同理选择其他车间电缆如下表61所示。表61车间电缆汇总表车间型号载流量No.1YJLV2231690No.2BLX-10-34-SC20-F19No.3YJLV22325105No.4BLX-10-32.5-SC15-F15No.5YJLV22350120No.6BLX-10-32.5-SC15-F15No.7YJLV2231690No.8BLX-10-34-SC20-F19No.9BLX-10-310-SC25-F36No.10BLX-10-36-SC20-F26No.11BLX-10-36-SC20-F26No.12YJLV223150219No.13BLX-10-32.5-SC15-F15No.14BLX-10-34-SC20-F19No.15BLX-10-310-SC25-F364.10kV架空线的选择4.1选择经济截面考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以10kV架空线相应的Igmax=1.05Ie 即：Igmax =1.05 =1.05 =0.152kA根据设计条件 Tmax=2500h，查工厂供电表54得故 选标准截面95，即LGJ95型钢芯铝线。4.2校验发热条件根据给定条件环境条件最高温度为40，查工厂供电附录表16得LGJ95的允许载流量，因此满足发热条件。4.3校验机械强度 查工厂供电附录表14得35kV架空钢芯铝线的最小截面，因此所选LGJ120型钢芯铝线也满足机械强度要求。5. 高压断路器的选择根据设计任务书的条件，变电所的继保动作时限不能大于1.3秒，即，断路器开短时间，非周期分量等效时间，则：短路假想时间。5.1 安装在变压器35kV高压侧的断路器5.1.1 35kV断路器参数选择额定电压选择： UnUns =35kV最高工作电压选择： UalmUsm =Un1.15 =35 1.15 =38.5kV额定电流选择： IeIgmax 考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的Igmax=1.05Ie 即：Igmax =1.05 =1.05 =0.173kA额定开断电流选择（按最大运行方式d2点短路）：Ik =I即：Ik =5.15kA额定短路关合电流选择：iNclish 即：iNcl 13.133kA根据以上数据可以初步选择SW235型少油式断路器其参数如下表62所示。表62 35kV断路器参数型号额定电压/kV额定电流/A开断电流/kA动稳定电流峰值/kA热稳定电流峰值（4s）/kA固有分闸时间/s合闸时间/sSW2-35/1000 35 1000 16.5 45 16.50.06 0.45.1.2 35kV断路器校验热稳定校验 （61）计算时间tima=1.55s即，满足要求。检验动稳定：ish ies即：ish= ich=13.133 ies =16.5kA, 满足要求故35kV进线侧断路器选择户外SW235型少油式断路器能满足要求。5.2 安装在变压器10kV低压侧的断路器5.2.1 10kV断路器参数选择额定电压选择： UnUns =10kV最高工作电压选择： UalmUsm =Un1.15 =10 1.15 =11.5kV额定电流选择： IeIgmax 考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的Igmax=1.05Ie 即：Igmax =1.05 =1.05 额定开断电流选择（按最大运行方式d2点短路）即：Ik =5.15kA额定短路关合电流选择：iNclish 即：iNcl 13.133kA根据以上数据可以初步选择ZN310I型真空式断路器其参数如下表63所示。表63 10kV断路器参数型号额定电压/kV额定电流/A开断电流/kA动稳定电流峰值/kA热稳定电流峰值（4s）/kA固有分闸时间/s合闸时间/sZN3-10I 10 630 8 20 80.07 0.155.2.2 10kV断路器校验热稳定校验 （62）计算时间tima=1.55s即，满足要求。检验动稳定：ish ies即：ish= ich=13.133 ies =20kA, 满足要求故35kV进线侧断路器选择ZN-10I真空断路器能满足要求。6. 高压隔离开关的选择6.1 35kV侧隔离开关额定电压选择： UnVns = 35kV额定电流选择： IeIgmax 考虑到隔离开关是与相应的断路器配套使用，所以相应回路的Ie应与断路器相同，即：Ie =1000A根据以上数据可以初步选择GW535G/100083型隔离开关，其参数分别如下表64所示.表64 35kV侧隔离开关参数 型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（4S）GW5-35G/100083 35 1000 83 25热稳定校验 （63）计算时间tima=1.55s即，满足要求。检验动稳定： ish ies即：ish= ich=13.133 ies =83kA, 满足要求故35kV进线侧断路器选择GW535G/100083型隔离开关能满足要求。6.2 10kV侧隔离开关额定电压选择： UnVns = 10kV额定电流选择： IeIgmax 考虑到隔离开关是与相应的断路器配套使用，所以相应回路的Ie应与断路器相同，即：Ie =630A根据以上数据可以初步选择GN1910C型隔离开关，其参数分别如下表65所示。表65 10kV侧隔离开关参数 型号额定电压（kV）额定电流（A）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流（4S）GN1910C 10 630 50 20热稳定校验 （64）计算时间tima=1.55s即，满足要求