工厂降压变电所的电气设计.pdf

兰州交通大学新能源与动力工程学院课程设计任务书课程名称：电力工程课程设计指导教师（签名）：杜露露班级：姓名：学号：一、课程设计题目某工厂降压变电所的电气设计二、课程设计使用的原始资料（数据）及设计技术要求：1.教材2.课程设计说明书二、课程设计的目的通过课程设计，主要达到以下目的：1使学生获得综合运用学过的知识进行变电所主接线设计和电气设备选型的基本能力；2巩固与扩大学生的电气综合设计知识，为毕业设计做准备；3为后续课程的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。三、课程设计的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）设计内容：1.负荷计算和无功功率补偿；2.变电所主变压器台数和容量、类型的选择；3.变电所主结线方案的设计；4.短路电流的计算；5.变电所一次设备的选择与校验。四、工作进度安排日期地点设计内容7 月 6 日明德楼 411由课程设计负责人讲解本课程设计任务及相关内容，下达设计任务书。7 月 7 日明德楼 411同学熟悉设计内容和要求，收集相关设计资料及参考书。讲解设计及报告的具体要求，指导学生开展设计。7 月 8 日明德楼 411检查学生的进度及完成情况，并就相关问题进行答疑和提问，并对撰写报告进行指导。7 月 9 日明德楼 411检查学生的进度及完成情况，并对撰写报告进行指导，于17：30收齐报告。7 月 10 日明德楼 411评阅报告，根据成绩评定条件进行成绩评定，并对本组学生进行成绩排序，写出指导评语。五、主要参考文献1电力工程鞠平主编机械工业出版社2工厂供电设计指导刘介才主编机械工业出版社3电力系统工程C.L.Wadhwa 科学出版社4电力工程基础孙丽华机械工业出版社审核批准意见系主任（签字）年月日目录引言.任务书.-0-一、设计题目：.-1-二、设计要求：.-1-三、设计依据：.-1-第一章 负荷计算和无功功率补偿.-2-第二章 变压器台数容量和类型的选择.-6-第三章 变电所主接线方案设计.-7-第一节 变压器一次侧主接线.-7-第二节 变压器二次侧主接线.-7-第四章 短路电流计算.-8-第五章 变电所一次设备及进出线的选择与校验.-10-第一节 变压器的选择与校验.-10-第二节 低压两侧隔离开关的选择与校验.-10-第三节 高压断路器的选择与检验.-11-第六章 选择整定继电保护装置.-12-第七章 防雷保护和接地装置的设计.-13-结束语.-15-参考文献.-16-0-引言工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。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换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。本次设计根据课题提供的某机械制造厂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本厂变电所的位置和形式。通过负荷计算，确定主变压器的台数和容量。进行短路电流计算，选择变电所主接线方案及高低压设备与进出线,最后按要求写出设计说明书,并绘出设计图样。具体过程和步骤:根据工厂总平面图,工厂负荷情况,供电电源情况,气象资料,地区水文资料和电费制度等,先计算电力负荷,判断是否要进行无功功率补偿,接着进行变电所位置和型式选择,并确定变电所变压器台数和容量,主接线方案选择,最后进行短路电流的计算,并对变电所一次设备选择和校验和高低压线路的选择。-1-任务书一、设计题目：某工厂降压变电所的电气设计。二、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设备容量、类型3、选择高低压设备和进出线4、选择相应的保护装置三、设计依据：1 工厂负荷情况本厂大多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数3500h，日最大负荷持续时间为 6h，低压动力负荷为三相，额定电压为380V；电气照明为单相，额定电压为 220V。序号厂房名称负荷类别设备容量/KW需用系数功率因数cos1锻压车间动力3500.30.65照明80.71.02工具车间动力3600.30.6照明70.91.03锅炉房动力500.70.8照明10.81.04金工车间动力4000.20.65照明100.81.05装配车间动力1800.30.7照明60.81.06仓库动力200.40.8照明10.81.07热处理动力1500.50.8-2-车间照明60.71.08铆焊车间动力1000.60.8照明50.71.09烘房动力500.80.8照明20.71.010生活区照明照明2000.80.9注：生活区距供电所200m，生活区的照明负荷中含有家用电器。2、供电电源情况本厂从附近一条 10KV 的公用电源干线取得工作电源，干线导线型号LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距1m，干线首端（电力系统的馈电变电站）距离本厂 8km。干线首段断路器容量为400MVA。此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过电流保护动作时间为1.7S。为满足工厂二级负荷要求，采用长度为20 Km 架空线路取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长为80Km，电缆线路总长度为25Km。变电所最大负荷时功率因数不低于0.9。3、气象资料年最高气温 38，年最低气温-8。年平均气温 23，年最热月平均气温33。年最热月地下 0.8m 处平均温度为 25。年雷暴日数为 20 日。第一章负荷计算和无功功率补偿（一）负荷计算在负荷计算时，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。具体步骤如下：-3-锻压车间：动力部分，30(11)3500.3105PkWkW；30(11)1051.1115.5 varQkWk2230(11)105385399Sk VA；30(11)399606.231.7320.38k VAIAkV照明部分，30(12)80.75.6PkWkW；30(12)0Q工具车间：动力部分，30(21)3600.3108PkWkW；30(21)1081.33143.64 varQkWk2230(21)108143.64179.71Sk VA30(21)179.71273.051.7320.38k VAIAkV照明部分，30(22)70.99.3PkWkW；30(22)0Q锅炉房：动力部分，30(31)500.735PkWkW；30(31)350.7526.25 varQkWk2230(31)3526.2543.75Sk VA30(31)43.7566.471.7320.38k VAIAkV照明部分，30(32)10.80.8PkWkW；30(32)0Q金工车间：动力部分，30(41)4000.280PkWkW；30(41)801.188 varQkWk2230(41)8088118.93Sk VA30(41)118.93180.691.7320.38k VAIAkV照明部分，30(42)100.88PkWkW；30(42)0Q装配车间车间：动力部分，30(51)1800.354PkWkW；30(51)541.0255.08varQkWk2230(51)84.555.0877.13Sk VA30(51)77.13117.191.7320.38k VAIAkV照明部分，30(52)60.84.8PkWkW；30(52)0Q仓库：动力部分，30(61)200.48PkWkW；30(61)80.756 varQkWk-4-2230(61)8610Sk VA30(61)1015.191.7320.38k VAIAkV照明部分，30(62)10.80.8PkWkW；30(62)0Q热处理车间：动力部分，30(71)1500.575PkWkW；30(71)750.7556.25 varQkWk2230(71)7556.2593.75Sk VA30(71)93.75142.441.7320.38k VAIAkV照明部分，30(72)60.74.2PkWkW；30(72)0Q铆焊车间：动力部分，30(81)1000.660PkWkW；30(81)600.7545 varQkWk2230(81)604575Sk VA30(81)75113.951.7320.38k VAIAkV照明部分，30(82)50.73.5PkWkW；30(82)0Q烘房：动力部分，30(91)500.840PkWkW；30(91)400.7530 varQkWk2230(91)403050Sk VA30(91)5075.971.7320.38k VAIAkV照明部分，30(92)20.71.4PkWkW；30(92)0Q生活区照明：照明30(101)2000.8160PkWkW；30(101)1600.4876.8varQkWk取全厂的同时系数为：0.95pK，0.97qK，则全厂的计算负荷为：103030 i30 i1+0.95763.4725.23piPKPPkW（.1）（.2）（）113030(1)30(2)1+0.97642.52=623.24varqiiiQKQQk（）2230725.23623.24956.24SkV A；30956.241452.8930.38kVAIAkV（二）无功功率补偿-5-由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为：30956.24SkVA，这时低压侧的功率因数为：(2)725.23cos0.76956.24,可知，该厂 380V 侧最大负荷是的功率因数只有0.76.而供电部门要求该厂10KV 进线侧最大负荷是功率因数不应该低于0.91。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V 侧最大负荷是功率因素应稍大于0.91，暂取 0.92来计算 380V 侧所需无功功率补偿容量：无功功率补偿公式1230(tantan)CQP式中1tan补偿前的自然平均功率因数对应的正切值2tan补偿后的功率因数对应的正切值所以无功功率补偿容量为：123030(tantan)725.23tan(arccos0.76)tan(arccos 0.92)311.12QPkarkar电力计算负荷表：厂房编号用电单位名称负荷性质有功功率30P（kW）无功功率30Q（vark）视在功率30S（kV A）计算电流30I（A）1锻压车间动力105115.5399606.23照明5.62工具车间动力108143.64179.71273.05照明9.33锅炉房动力3526.2543.7566.47照明0.84金工车间动力8088118.93380.69照明85装配车间动力5455.0877.13117.19照明486仓库动力861015.19照明0.87热处理车间动力7556.2593.75142.44照明4.28铆焊车间动力604575113.95-6-照明3.59烘房动力40305075.97照明1.410宿舍区照明16076.8有功计算负荷30P(kW)无功计算负荷30Q（vark）视在计算负荷30S（kV A）总计725.23623.24956.24同时系数K=0.950.950.97功率因素（cos）0.76补偿后的负荷如下表全厂负荷有功计算负荷30P(kW)无功计算负荷30Q（vark）视在计算负荷30S（kV A）补偿前725.23623.24956.24无功补偿-311.12补偿后725.23312.12789.54补偿后功率因数（cos）0.918第二章变压器台数容量和类型的选择1、考虑到变压器在车间建筑内，故选用低损耗的 SCB10 型 10/0.4kV 三相干式双绕组电力变压器。变压器采用无载调压方式，分接头%5，联接组别 Dyn11，带风机冷却并配置温度控制仪自动控制，带IP20防护外壳。2、由于工厂总负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对二级负荷继续供电，故选两台变压器。-7-3、变压器容量是根据无功补偿后的计算负荷确定的。补偿后的总计算负荷为30725.23 kVAS，每台变压器的容量0.7725.23 507.66kVANTS，每台变压器的容量为800AkV。第三章变电所主接线方案设计第一节变压器一次侧主接线在前面选择变压器时选择2 台主变压器，且本厂可由附近一条10kV 的公用电源干线取得工作电源；为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。所以采用一用一备的运行方式，故变压器高压侧采用单母线接线，而低压侧采用单母线分段接线。该方案根据当地供电部门的要求，两路电源均设置电能计量柜，且设置在电源进线主开关后。变电所采用直流操作电源，为监视工作电源和备用电源的电压，在母线上和备用进线断路器之前均安装有电压互感器。当工作电源停电且备用电源电压正常时，先断开工作电源进线断路器，然后接通备用电源进线断路器，由备用电源提供所有负荷。备用电源的投入方式可采用手动投入，也可采用自动投入。进线柜和出线柜均采用电缆进线和电缆出线。第二节变压器二次侧主接线低压出线柜采用 GCS 低压抽出式开关柜。采用2 列低压柜，低压柜最前端为变压器，变压器与低压柜之间通过矩形铜母线联接。在2 个变压器低压母线之间设置联络柜。2 个低压母线之间采用封闭式母线连接。在联络柜之后2 个低压母线上分别设置无功补偿柜。无功补偿均采用低压侧集中补偿的方法，该方案考虑到以后发展，方便扩充出线柜。-8-具体为：2 个变压器的出线柜都采用GCS-01E方案，无功补偿柜采用2组 GCS-34A 主柜结合 2 组 GCS-35C辅柜来进行无功补偿。第四章短路电流计算利用标幺值法计算由设计要求中可知：工厂使用干线的导线牌号为LGJ-150，导线为等三角形排列，线距为 1m；干线首端距离本厂约8km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为 400MV A。此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。查表得0 x=0.358km/,0r=0.221km/（1）确定基准值取A100MVdS10.5kV1cUkVUc4.02而kA5.505.103100311kVAMVUSIcddkA34.4414.03100322kVAMVUSIcdd计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1）电力系统（400MV AkS）X1*=kdSS=100/400=0.25-9-2）架空线路（0X=0.35/km）20222100*0.35/82.54(10.5)dSMVAXx lkmkmUkV3）电力变压器(前述选择变压器容量800KVA)345 100*%/1006.25 100800kdNTMVAXXUSSkVA（3）在 k-1 点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)电源至短路点的总电抗标幺值*12(1)2.79kXXX2)三相短路电流周期分量有效值311*(1)5.50/2.791.97 kAdkkIIX3)其他三相短路电流kAIIIkkk97.1)3(1)3(1)3(1kA5.0197.155.2)3(kAishkA2.9797.151.1)3(kAIsh4)三相短路容量(3)*1(1)100/2.7935.84 MV AkdkSSXMVA短路计算点总电抗标幺值三相短路电流/KA三相短路容量Sk/MV.A*X)3(kI)3(I)3(I)3(shi)3(shIK-1 点2.791.971.971.975.011.5135.84（4）在 k-2 点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)电源至短路点的总电抗标幺值*1234(2)15.29kXXXXX-10-2)三相短路电流周期分量有效值322*(2)144.34/15.299.44 kAdkkIIX3)其他三相短路电流(3)(3)(3)2229.44kkkIIIkA(3)1.849.4417.37 kAshikA(3)1.099.4410.29 kAshIkA4)三相短路容量(3)*2(2)100/15.296.54 MV AkdkSSXMVA短路计算点总电抗标幺值三相短路电流/KA三相短路容量 Sk/MV.A*X)3(kI)3(I)3(I)3(shi)3(shIK-2 点15.299.449.449.4417.3710.296.54第五章变电所一次设备及进出线的选择与校验第一节变压器的选择与校验由于工厂总负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对二级负荷继续供电，故选两台变压器。变压器容量是根据无功补偿后的计算负荷确定的。补偿后的总计算负荷为30725.23 kVAS，每台变压器的容量0.7725.23 507.66kV ANTS，每台变压器的容量为800AkV。第二节低压两侧隔离开关的选择与校验隔离开关的选择要遵循以下原则：-11-1 隔离开关的额定电压等于和大于工作电压；2 隔离开关的额定电流大于回路工作电流；3 隔离开关的动、热稳定大于回路短路时产生的动、热稳定电流值；4 检验时电压 380V,电流 1500A。第三节高压断路器的选择与检验一：高压断路器的选择为保证高压电器在正常运行、检修、短路和过电压情况下的安全，高压电器应按下列条件选择：按正常工作条件包括电压、电流、频率、机械荷载等选择 按短路条件包括短时耐受电流、峰值耐受电流、关合和开断电流等选择；按环境条件包括温度、湿度、海拔、地震等选择；按承受过电压能力包括绝缘水平等选择；按各类高压电器的不同特点包括开关的操作性能、熔断器的保护特性配合、互感器的负荷及准确等级等选择。二：高压断路器的检验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数UNI30IkishI）（3数据10KV53.7(I1N T)1.62KA4.13KA3.4额定参数UNINIOCimaxItt高压真空断路器SN10-10I/63010KV630A8KA20KA128高压隔离开关GN8-10/20010KV200A-25.5KA500-12-第六章选择整定继电保护装置（一）继电保护的整定继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在变电所高压母线上，动作于信号。此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用相关断路器实现三段保护。（1)变压器继电保护变电所内装有两台800kVA的变压器。低压母线侧三相短路电流为(3)1.97kIkA，高压侧继电保护用电流互感器的变比为200/5A，继电器采用GL-25/10 型，接成两相两继电器方式。过电流保护动作时限的整定由于此变电所为终端变电所，因此其过电流保护的10 倍动作电流的动作时限整定为0.5s。（2）10KV侧继电保护在此选用 GL-25/10 型继电器。变压器一次侧过电流保护的10 倍动作时限整定为 0.5s；过电流保护采用两相两继电器式接线；高压侧线路首端的三相短路电流为1.97kA。-13-第七章防雷保护和接地装置的设计（一）防雷装置确定雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。下面分情况对防雷装置进行选择。（二）直击雷的防治根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击雷保护装置。在进线段的1km长度内进行直击雷保护。防直击雷的常用设备为避雷针。所选用的避雷器：接闪器采用直径10mm的圆钢；引下线采用直径6mm的圆钢；接地体采用三根2.5m长的50505mmmmmm的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。(三）雷电侵入波保护由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。对变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置内安放阀式避雷器。（四）接地装置确定接地装置为接地线和接地体的组合，结合本厂实际条件选择接地装置：交流电器设备可采用自然接地体，如建筑物的钢筋和金属管道。本厂的大接地体采用扁钢，经校验，截面选择为260mm，厚度为3mm。铜接地线截面选择：低压电器设备地面上的外露部分截面选择为21.5mm（绝缘铜线）；电缆的接地芯截面选择为21mm。所用的接地电阻选择：查表得接地电阻应满足R 5，Re120V/IE-14-根据经验公式：(35)350NohcabEULlR其中：ohI为同一电压的具有电联系的架空线线路总长度；cabI为同一电压的具有电联系的电缆线路总长度。则：(1)10(6354.5)350ER=4.67所以，变电所的接地电阻应选为5。-15-结束语在课程设计这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，当然设计过程中也遇到了许许多多的困难，但老师的讲解，同学的讨论，通过上网和去图书馆查看相关的资料和书籍，让自己头脑模糊的概念逐渐清晰，使自己逐步设计下来，每一次设计出来的结果都是我学习的收获，当最后设计结束时，我真是感到莫大的欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的结果。在课程设计中，总体上来说是获益匪浅。通过本次设计，所学理论知识很好的运用到了实际的工程当中，在具体的设计过程中，将所学知识很好的系统了一遍，体会到了学以致用的乐趣，事自己的实际工程能力得到了很大的提高。最后，感谢在设计过程中老师的讲解，也感谢同学们的帮忙，在你们的帮助下我才设计设计出最终结果。-16-参考文献1刘介才.工厂供电，北京：机械工业出版社，2009.2刘介才.工厂供电设计指导，北京：机械工业出版社，19983翁双安.供电工程，北京：机械工业出版社，20044刘宝林.电气设备选择施工安装设计应用手册，中国水利水电出版社，1998