箱式变电站的设计与应用全解.doc

箱式变电站的设计与应用摘 要电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气自动化化以后，可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。本次设计为青海油田培训中心实训基地箱式变电站的设计，根据甲方及相关专业提供的用电负荷和供电条件，并适当考虑生产的发展，按照国家相关标准、设计准则，本着安全可靠、技术先进、经济合理的要求确定箱式变电所的位置和形式。通过负荷计算，确定变压器的台数和容量。选择变电所主接线方案及高低压设备与进出线，合理选择整定继电器保护装置等。由于本人能力有限，设计过程中难免有考虑不足之处，尚请师傅们批评指正，以便能及时纠正错误，利于今后设计工作的进步和提高。谢谢指导！目 录第1章 绪 论3第2章 负荷计算及无功功率补偿计算4第3章 主变压器台数及容量的选择6第4章 变电所主接线方案的选择7第5章 变电所位置、型式的选择7第6章 高低压开关柜的选择9第7章 变电所高低压电气设备选择10第8章 继电保护的配置12第9章 总结13第1章 绪 论 1.1 电气设计的一般原则按照国家标准GB50052-95 供配电系统设计规范、GB50053-94 10kV及以下变电所设计规范、GB50054-95 低压配电设计规范等的规定，供电设计必须遵循以下原则： （1）遵守规程、执行政策；必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。 （2）安全可靠、先进合理；应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。 （3）近期为主、考虑发展；应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。 （4）全局出发、统筹兼顾。按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电的设计人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。1.2 工程概况1.2.1 本工程为青海油田培训中心实训基地箱式变电站的设计。1.2.2 负荷情况本工程主要用电负荷有实训场站、实验楼和焊工实训工房的用电，根据供配电系统设计规范GB50052-95规定，确定培训基地电力负荷为三级负荷。1.2.3 电源状况 实训基地内有一条6kV线路通过，从用电容量、电源的输送距离，以及考虑今后的发展规划来看，在满足供电电压偏差的允许值范围内，实训基地供电电源直接由6kV架空线路T接而来，线路采用铠装电缆直埋敷设。第2章 负荷计算及无功功率补偿计算2.1 负荷计算2.1.1负荷计算的目的负荷计算的目的是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是合理地进行无功功率补偿的重要依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费。如计算负荷确定过小，又将使电气设备和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，同样要造成损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。在进行负荷计算时，要考虑环境及社会因素的影响，并应为将来的发展留有适当余量。2.1.2负荷计算的方法负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。本设计采用需要系数法确定。主要计算公式有：有功功率： (2-1)无功功率: (2-2)视在功率: (2-3)计算电流: (2-4)2.1.3 用电负荷计算用电情况详见电力负荷计算表（表1）。取,根据表1可算出：kW , kVar则kW kVar kVA 表1：电 力 负 荷 计 算 表序号负荷名称容 量Pe(kW)Kdcos tg计 算 负 荷P(kW)Q(kVar)S(kVA)1实训场站抽油机4370.80.51.732118.4204237.7加热炉22.010.80.75435输油泵47.50.80.80.75241830压缩机17510.80.757556.393.8混输泵12210.80.752216.527.5加药装置1410.80.75435注水泵19010.80.759076.7112.5注醇泵1410.80.75435电潜泵12210.80.752216.527.5螺杆泵12210.71.022216.527.5照 明50.84合 计kp=0.51952222942实训工房动 力5000.30.80.75150112.5188照 明400.832合 计182112.52143陈列室动 力300.80.80.75241830照 明50.84合 计2818584实验楼动 力2000.80.80.75160120200照 明50.84合 计1641202025检测工房动 力300.80.80.75241830照 明100.99合 计3118366工棚照 明100.997门卫照 明50.848修井机动 力25010.80.75250187.5313合 计kp=0.9688456829 总计88367811042.2 无功功率补偿计算无功补偿是用来提高电压质量、降低网损的有效措施之一，方法是给感性电路中的电感并联电容器，使感性负荷所吸收的无功功率大部分有电容器提供。由于规范要求,而由上面计算可知，因此需要进行无功补偿。各计算负荷合计kW补偿前 补偿后 (2-5)kVar选择补偿400kVar电容器.第3章 主变压器台数及容量的选择根据电力负荷计算表，为减少电焊设备干扰以及变压器损耗，故选择2台6/0.4kV电力变压器，一台为电焊机及修井机提供电源，另一台为实训场站、实验楼及检测工房等提供电源。变压器容量选择分别为630KVA和500KVA，经计算变压器负载率均大于=70%，符合经济运行要求，并留有二期建设余量。第4章 变电所主接线方案的选择单母线接线（sing1e-bus configuration）由线路、变压器回路和一组（汇流）母线所组成的电气主接线。单母线接线的每一回路都通过一台断路器和一组母线隔离开关接到这组母线上，见图。这种接线方式的优点是简单清晰，设备较少，操作方便和占地少。但因为所有线路和变压器回路都接在一组母线上，所以当母线或母线隔离开关进行检修或发生故障,或线路、变压器继电保护装置动作而断路器拒绝动作时，都会使整个配电装置停止运行，运行可靠性和灵活性不高，仅适用于线路数量较少、母线短的牵引变电所和铁路变、配电所。介于本工程数量较少、母线不长等情况，高低压母线均采用单母线接线形式。第5章 变电所位置、型式的选择5.1 变电所位置变电所所址选择应满足下列几条要求：1） 接近负荷中心；2） 接近电源侧；3） 进出线方便；4） 运输设备方便；5） 不应设在容易积水、剧烈震动或高温的场所；6） 不应设在有爆炸危险的区域内；7） 其他等等从上面几条综合确定，变电所设在实验楼与实训战场之间的空地比较合理，靠近负荷中心，且与原有6KV架空线路较近，便于引线。5.2 变电所型式的选择5.2.1 箱式变电站概述及应用箱式变电站又称户外成套变电站，也称做组合式变电站，因其具有组合灵活、便于运输、迁移、安装方便、施工周期短、运行费用低、占地面积小、无污染、免维护等优点，受到广泛重视。因其易于深入负荷中心，减少供电半径，提高末端电压质量，特别适用于农村电网改造，被誉为21世纪变电所建设的目标模式。5.2.2箱式变电站特点1 、技术先进安全可*靠，箱体部分采用目前国内领先技术及工艺，外壳一般采用镀铝锌钢板，框架采用标准集装箱材料及制作工艺，有良好的防腐性能，保证20年不锈蚀，内封板采用铝合金扣板，夹层采用防火保温材料，箱体内安装空调及除湿装置，设备运行不受自然气候环境及外界污染影响，可保证在4040的恶劣环境下正常运行。 箱体内一次设备采用单元真空开关柜、干式变压器、干式互感器、真空断路器(弹簧操作机构)等国内技术领先设备，产品无裸露带电部分，为全绝缘结构，完全能达到零触电事故，全站可实现无油化运行，安全性高，二次采用微机综合自动化系统，可实现无人值守。 2 自动化程度高 全站智能化设计，保护系统采用变电所微机综合自动化装置，分散安装，可实现四遥，即遥测、遥信、遥控、遥调，每个单元均具有独立运行功能，继电保护功能齐全，可对运行参数进行远方设置，对箱体内湿度、温度进行控制，满足无人值班的要求。 3 工厂预制化 设计时，只要设计人员根据变电站的实际要求，作出一次主接线图和箱外设备的设计，就可以选择由厂家提供的箱变规格和型号，所有设备在工厂一次安装、调试合格，真正实现变电所建设工厂化，缩短了设计制造周期；现场安装仅需箱体定位、箱体间电缆联络、出线电缆连接、保护定值校验、传动试验及其它需调试的工作，整个变电站从安装到投运大约只需58天的时间，大大缩短了建设工期。 4 组合方式灵活 箱式变电站由于结构比较紧凑，每个箱均构成一个独立系统，这就使得组合方式灵活多变，我们可以全部采用箱式。 5 投资省、见效快 、占地面积小 以上例来说明，因选用箱式变电站无房建工程量，符合国家节约土地的政策。 鉴于以上特点，此6/0.4kV变电所采用箱式变电所，运行维修方便，占地面积少。变电所布置紧凑合理。第6章 高低压开关柜的选择高低压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高低压成套配电装置，1）高压开关柜有固定式和手车式（移可式）两大类型。本设计6kV设备选用XGN15-12(F) 箱式固定交流金属封闭开柜。结构特点：1、采用的负荷开关是独立单元，内部充以六氟化硫气体作为绝缘介质，长寿命，高参数，无污染，少维护； 2、外壳选用优质钢板或根据用户的需要采用敷铝锌板，具有耐腐蚀、搞氧化、外形结构新颖、美观等优点； 3、弹簧储能操作，三相可自动跳脱，五防联锁与操作机构一体，联动安全可靠； 4、开关柜可方便构成环网供电单元及其它接线方式,且可无限延伸; 5、采用六氟化硫负荷开关，综合性能安全可靠，无油、无毒，不会发生火灾爆炸危险； 6、柜体结构简单，操作方便，体积小，重量轻，外形美观。2）低压开关柜有固定式和抽出式两大类型。本设计0.4kV设备选用GGD2系列交流低压开关柜。GGD型交流低压配电柜适用于变电站、发电厂、厂矿企业等电力用户的交流50Hz，额定工作电压380V，额定工作电流1000-3150A的配电系统，作为动力、照明及发配电设备的电能转换、分配与控制之用。GGD型交流低压配电柜是根据能源部，广大电力用户及设计部门的要求，按照安全、经济、合理、可靠的原则设计的新型低压配电柜。产品具有分断能力高，动热稳定性好，电气方案灵活、组合方便，系列性，实用性强、结构新颖，防护等级高等特点。可作为低压成套开关设备的更新换代产品使用。第7章 变电所高低压电气设备选择7.1 开关柜的选择低压母线Id3=27.0kA，选择分断能力为30kA的低压开关柜及相关低压元器件。 7.2 6kV进线电缆截面选择计算6kV侧变压器计算电流：A（1）按持续允许电流选择70mm2交联聚乙烯绝缘铜芯电缆直埋，土壤热阻为2.0m/w的情况下的载流量为：（2）按经济电流密度选择年最大负荷利用小时=4000h，铜芯电缆的经济电流密度为2.25A/mm2结论：经计算用70mm2电缆满足要求，故选YJV22-10kV -370mm2电缆。低压配电回路的电缆选择计算如此同理7.3母线的选择 在成套企业中，合理选择母线截面直接关系到设备的安全运行和生产制造成本，为此必须引起足够的重视，本人根据GB3906-91中附录F-根据短时持续电流的热效应计算裸导体截面的方法所推荐的计算公式式中:S-导体截面（mm2）I-电流有效值（A）(额定短时耐受电流)a-材料系数铜-13铝-8.5t-额定短路持续时间（秒）-温升（K）,对裸导体取180K（持续时小于2秒）对于4秒持续时间的取215k初步对常规所接触到的实例，进行了计算并汇总。详见下表2一、按照国标推荐计算公式，TMY母线最小截面见下表2：注：本表中母线的安全载流量是单片母线立放时的据，母线长期允许工作温度为70，环境温度为40。二、对于以上TMY母线最小截面选择结果的应用说明-1.上表中稳态短路电流有效值如何确定？在进行工程设计时，需要当地电力部门提供短路容量及短路阻抗，再计入供电线路阻抗，才可计算出短路电流，并以此来选择元器件的参数。在实际生产中，成套生产企业一般无法得到以上参数。为此，可根据上一级变压器的额定容量SN,短路阻抗UK，额定电压UN,额定电流IN等数据进行估算。目前，城市区域变压器的主变大多数为110KV/10KV，容量1640MVA,如果忽略系统阻抗，近似认为110KV则为无限容量系统，则三相短路稳态电流有效值IK可按下式估算-式中：I2N-主变次级额定电流根据以上所述，高压进线母线选用TMY-3(404)，接630KVA低压母线选用TMY-3（808）+（636.3），接500KVA低压母线选用TMY-4（636.3）。第8章 继电保护的配置继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。 (1)可靠性是指保护该动体时应可靠动作。不该动作时应可靠不动作。可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。 (2)选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。 灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求，通过继电保护的整定实现。 (4)速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。继电保护的种类(1) 过流保护过流保护分为定时限过流保护和反时限过流保护。继电保护的动作时间固定不变，与短路电流的大小无关，成为定时限过流继电保护。定时限过流继电保护的时间是由时间继电器设定的，时间继电器在一定的范围内连续可调，使用时可根据给定时间进行整定。继电保护的动作时间与短路电流的大小成反比，称为反时限过流继电保护。短路电流越大，这种保护动作的时间越短；短路电流越小，保护动作的时间越长。(2) 速断保护速断保护是为了克服过电流保护在靠近电源端的保护装置动作时限长，采用提高整定值，以限制动作范围的办法，这样就不必增加时限可以瞬时动作，其动作是按躲过最大运行方式下短路电流来考虑的，所以不能保护线路全长，它只能保护线路的一部分，系统运行方式的变化影响电流速断的保护范围。(3) 纵差保护 采用差动继电器作保护的测量元件，用来比较被保护元件各端电流的大小和相位之差，从而判断保护区内是否发生短路。由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。（4)干式变压器温度保护干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。干式变压器冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。本设计继电保护具体保护内容如下：（1）电源进线： 电流速断保护 （2）电源出线：电流速断保护 定时限过电流保护（3）变压器： 温度保护 （4）低压系统（常规）： 短路保护 过负载保护 接地故障保护第9章 总结通过这一年来的工作和学习，我感觉自己受益非浅，同时深深的感觉到自己的学习和工作能力在不断提高。将抽象的理论知识运用于工作之中，真正的学以致用。 经过这次的设计，使我学到了许多电气方面的知识，尤其对变电所加深了认识和了解，补充了自己专业知识的不足，完善了知识结构，加强了自己运用知识于实际的能力。 由于设计资料的有限和个人能力的不足，设计过程中还存在许多问题，比如在设备的选择与校验方面，因为没有设备的具体参数，所以没有进行说明选型和校验的具体步骤。再者，因为我初次涉及到这方面的设计，在设计过程中难免考虑得欠周到，以至于所选设备可能存在偏差，望师傅们批评和指正。在以后的工作中，我将会主动收集各方面资料，努力学习专业知识，苦练基本功，弥补自己在设计过程中的不足之处，在设备选型时多采用一些性价比高的设备，设计出即经济又可靠的配电方案。 参考文献 1 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册.北京：中国电力出版社，19892 施月华 主编.工厂常用电气设备手册（上、下册）.北京：中国电力出版社，19993 中华人民共和国机械工业部 主编.GB 50053-94 10kV及以下变电所设计规范. 北京：中国计划出版社，19944 中华人民共和国机械工业部 主编. GB 50054-95低压配电设计规范.北京：中国计划出版社，19995 中华人民共和国机械工业部 主编.GB 50052-95供配电系统设计规范. 北京：中国标准出版社，19966 中国航空工业规划设计研究院等编.工业与民用配电设计手册（第三版）.北京：中国电力出版社，2005