某大型钢铁联合企业维修制造厂变电所供配电设计.doc

XXX大型钢铁联合企业维修制造厂变电所供配电设计摘 要本论文主要依照工厂供电设计必须遵循的一般原则、基本内容和设计流程，对某电机修造厂变电所进行了设计说明，本文按照设计要求，在查阅大量参考资料、手册后，对负荷计算及无功功率补偿计算，变配电所所址和型式的选择，变电所主变压器台数、容量及类型的选择，变配电所主结线方案的设计，短路电流的计算，变配电所一次设备的选择，变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定，变配电所防雷保护与接地装置的设计等进行了详细的设计说明。并附有相应的图表、公式和计算结果。这次设计的变配电所完全满足设计要求。本设计通过对计算负荷，选出变压器；通过计算三相短路电流，选出其他保护器件；通过三相短路电流，选择过电流保护设备；然后选择二次回路的设备，对一次侧设备进行控制、检测；最后注意安全、接地和防雷的设置。关键词：有功功率，电力变压器，三相短路电流，过电流，接地目录第一章 绪论1.1课题背景本课题是根据刘介才主编的工厂供电设计指导上两个题目为原型，根据指导老师的要求设计。变电所是电力系统中的一个重要环节,它的运行情况直接影响到电力系统的可靠、经济运行。在35KV10KV配电变电所设计研究方面，最近几十年发展更是迅猛。尤其是对变电站综合自动化的研究，已经进行了多年,并取得了令人瞩目的进展。变电站综合自动化目前在国外已得到了较普遍的应用。例如美国、德国、法国、意大利等国家,在他们所属的某些电力公司里,大多数的变电站都实现了综合自动化及无人值班方式。在我国，现在变电所的基本也是向着变电站综合自动化这个方向发展的，但是根据我国的国情，现在大多数变电站还是没有完全实现保护和控制综合自动化。传统的变电站的设计发展到现在已经十分的成熟了。根据供电的设计内容和流程，可以十分的方便的按照步骤设计。1.2课题的设计内容及意义本题目主要目的是设计某电机修造厂的变电所总降压配电设计。与原来的课程设计比较，本题不仅设计量大了许多，而且在多个方面的要求也有所加强。虽然变电所的设计在现在已经不是高新的技术，但是作为电气自动化专业的学生，本题目还是很全面的包含了一大部分专业课程学习的内容，而且各个方面都有所深入。尤其是继电保护的问题，有了更加深入的学习。虽然本题没有对变电站综合自动化有所研究，但是对日后向这个方面的学习和发展打下了坚实的基础。通过这次设计不仅进一步加强专业知识的学习，拓宽知识面，提高理论知识水平。而且扩宽了就业面，提高就业能力，提高了独立思考和分析问题的能力。设计的主要内容、设计图样设计的主要内容包括（1）设计的基本依据和资料。（2）区域变电所和车间变电所负荷计算。 （3）无功功率补偿计算及补偿电容器选择。（4）短路电流的计算和动稳定度，热稳定度的计算机。（5）变压器容量及台数的选择。（6）变电所进出线的选择。（7）变电所的电缆，电线，高压开关柜，电流互感器，避雷器，母线等主要设备的选择。（8）区域变电所进线侧线路的继电保护，（采用定时限过电流保护）。主变压器的差动保护，瓦斯继电器保护，工厂变电所进线侧单相接地保护。（9）防雷装置与保护接地装置的设计。（10）工厂变电所主接线图、各种保护装置接线原理图。（11）画出工厂变电所的平面图。设计图样（1）变电所主结线电路图电机修造厂总降压变电所主结线电路图（2）各种保护装置接线原理图变电所进线侧线路的继电保护原理电路图，（采用定时限过电流保护）。主变压器的差动保护原理电路图，瓦斯继电器保护原理电路图，工厂变电所进线侧单相接地保护原理电路图第二章 总体设计2.1变电所一次设计2.1.1负荷计算（1）计算负荷是根据已知的工厂的用电设备安装容量求取确定的、预期不变的最大假想负荷。也就是通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。在配电设计中，通常采用半小时的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。（2）计算负荷是用户供电系统结构设计、供电线路截面选择、变压器数量和容量选择、电气设备额定参数选择等的依据，合理地确定用户各级用电系统的计算负荷非常重要。2.1.2负荷计算的方法有功计算负荷为 (2-1)式中，为设备容量。无功计算负荷为 (2-2)式中，为对应于用电设备组的正切值。视在计算负荷为 (2-3)总的计算电流为 (2-4)式中，为额定电压380V。变压器功率损耗的计算：变压器的负荷率 (2-5)变压器的功率损耗为 (2-6) (2-7)按照上面公式计算得到工厂各车间计算负荷及所选变压器的结果汇总于表2-1。表2-1 工厂各车间计算负荷及所选变压器的结果汇总序号车间名称380V侧计算负荷变压器型号台数变压器功率损耗10KV侧计算负荷有功负荷/KW无功负荷/Kvar视在负荷/KVA有功损耗/KW无功损耗/Kvar有功负荷/KW无功负荷/Kvar视在负荷/KVA6锻造车间6084103S9-125/10/0.4/1台1.65.361.689.3108.57锅炉房123107163S9-200/10/0.4/1台2.27.9125.2114.9169.98空压站292257389S9-400/10/0.4/1台4.919.12296.9276.1405.49汽车库14458155S9-160/10/0.4/1台2.58.2146.566.2160.810大线圈车间10324106S9-125/10/0.4/1台1.65.5104.629.5108.711半成品试验站8895251032S9-800/10/0.4/2台10.145.8899.1529.61043.512成品试验站748337820S9-1000/10/0.4/1台8.637.3756.6374.3844.1总计2390.51479.92811.52.1.3 总降压变电所变压器选择由于工厂厂区范围不大，高压配电线路上的功率损耗可忽略不计，因此表2-1所示车间变压器高压侧的计算负荷可认为就是总降压变电所出线上的计算负荷。取，则总降压变电所低压母线上的计算负荷为因为大多数负荷为三级负荷，只有少数为二级负荷，故从经济性上考虑总降压变电所可装设一台容量为3150KVA的变压器,型号为S9-3150/35/10/Yd11,少数的二级负荷及重要的三级负荷，可由区域变电所的10KV线路作为备用线路。总降压变电所低压侧的功率因数为考虑到变压器的无功功率损耗远大于有功功率损耗，由此可判断工厂进线处的功率因数必然小于0.85。为使工厂的功率因数天提供提高到0.9，需在总降压变电所低压侧10KV母线上装设并联电容器进行补偿，取低压侧补偿后的功率因数为0.92，则需装设的电容器补偿容量为选择BWF10.5-50-1W型电容器，所需电容器个数为n=Qc/qc=440/50=8.8，取n=9，则实际补偿容量为Qc=50*9kvar=450kvar。补偿后变电所低压侧视在计算负荷为查附表A-2，选择S9-3150/35型、35/10.5kv的变压器，其技术数据如下变压器的负荷率为 ，则变压器的功率损耗为变压器高压侧计算负荷为则工厂进线处的功率因数为满足电业部门的要求。2.1.4 总降压变电所和车间变电所位置选择1、总降压变电所位置选择根据供电电源情况，考虑尽量将总降压变电所设置在靠近负荷中心且远离人员集中区，结合厂区供电平面图，拟将总降压变电所设置在厂区南部，如厂区供电平面图2-1所示。2、车间变电所位置选择根据各车间负荷情况，设置七个车间变电所，每个车间变电所装设一台变压器，根据厂区平面布置图所提供的分布情况及车间负荷情况，结合其他各项选择原则，并与工艺、土建等相关方面协商确定变电所位置，变电所设置如图厂区平面布置图如图2-1所示。图2-1 厂区供电平面图2.1.5 总降压变电所电气主接线设计对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为610KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。总降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。由上面的负荷计算知本设计中的主接线方案为一条电源进线，一台主变压器，一条二级负荷的备用电源进线，变压器一次侧采取无母线接线，二次侧采取单母线分段接线。主接线如图2-2所示。图2-2 总降压变电所电气主接线2.1.6车间变电所电气主接线设计设计原则：车间变电所变压器的单台容量，一般不宜大于1250KVA,这样可使变压器更接近于车间负荷中心，减少低压配电线路的投资和电能损耗，并且变压器低压侧短路电流不至于太大，开关电器的断流容量和短路动稳定易满足要求。因此对于11号车间应选择两台变压器，电气主接线如下图2-3 。 2.1.7 短路电流计算为了选择高压电气设备，整定继电保护，必须进行短路电流计算。短路电流按系统正常运行方式进行计算。短路电流计算电路及短路点的设置如图2-2所示（T2以大线圈车间为例）。图2-4 短路计算电路根据计算电路图作出计算短路电流的等效电路如图2-3所示。图2-5 等效电路1. 求各元件电抗标幺值设则（1） 电力系统当时，当时，（2）架空线路WL(3)主变压器T1(4)车间变压器T22. 系统最大运行方式下三相短路电流及短路容量计算（1）k1点短路总电抗标幺值为因此，k1点短路时的三相短路电流及短路容量分别为（2）k2点短路总电抗标幺值为因此，k2点短路时的三相短路电流及短路容量分别为（3）k3点短路时的三相短路电流及短路容量分别为系统最小运行方式下短路电流计算过程同上，将计算结果汇总于表2-2。表2-2 短路电流计算结果短路计算点运行方式三相短路电流/KA短路容量/MVAIkishIshSkK1最大5.213.267.85333.33最小3.188.114.8204.1K2最大2.295.843.4641.67最小2.125.43.238.6K3最大4.197.74.572.91最小4.177.674.542.892.1.8 主要电气设备选择（1）主变压器35KV侧设备主变压器35KV侧计算电流，35KV配电装置采用户外布置，所选用各设备有关参数见表2-3表2-3 主变压器35KV侧所选用各设备安装电气条件设备型号规格项目数据项目断路器SW2-35/1000隔离开关GW4-35G/600电流互感器LCW-35电压互感器JDJJ-35避雷器FZ-35353535353535521000600100/55.216.5333.33100013.3455046(2)主变压器10KV侧设备主变压器10KV侧计算电流,选用GG-1A(F)-04型高压柜，各设备有关参数见表2-4表2-4 主变压器10KV侧所用各设备安装点电气条件设备型号规格项目数据项目高压断路器SN10-10I/630隔离开关GN8-10T/600电流互感器LAJ-1010101010173.2630600300/52.291641.673005.844052（3）10KV馈电线路设备以去空压站的馈电线路为例，由表2-1知空压站线路的计算负荷389KVA，其计算电流为,10KV馈电线路设备选择方法与主变压器10KV侧相同，选用GG-1A(F)-03型高压开关柜，计算从略。2.1.9变电所进出线选择2.1.9.1 35KV高压进线的选择校验采用LGJ型钢芯铝绞线架空铺设（1）按经济电流密度选择导线截面线路的计算电流为由资料可查的经济电流密度，因此导线的经济截面为，选用与接近的标准截面，即选LGJ-25型钢芯铝绞线。（2）校验发热条件查电力工程基础附录表A-8知，LGJ-25型钢芯铝绞线的允许载流量（室外25度）,因此发热条件满足要求。（3）校验机械强度查电力工程基础表2-2知35KV钢芯铝绞线的最小允许截面为，因此所选用的LGJ-25型钢芯铝绞线不满足机械强度要求。因此改选LGJ-35型钢芯铝绞线.2.1.9.2 10.5KV高压出线的选择（1） 馈电给6号厂房（锻造车间）的线路采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。 按发热条件选择由及土壤温度25，查表，初选缆芯为的交联电缆，其，满足发热条件。 校验电压损耗 由电机修造厂平面图量得变电所至一号厂房距离约100m，而表查得的铝芯电缆的（按缆芯工作温度80计），又6号厂房的，因此按式 （2-9）满足允许电压损耗5的要求。 短路热稳定校验计算满足短路热稳定的最小截面由于前面所选的缆芯截面小于，不满足短路热稳定度要求，因此改选缆芯的交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，即YJL22-10000-335125的四芯电缆（中性线芯按不小于相线芯一半选择，下同）。（2） 馈电给7号厂房（锅炉房）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。（3） 馈电给8号厂房（空压站）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。（4） 馈电给9号厂房（汽车库）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。（5）馈电给10号厂房（大线圈车间）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。（6） 馈电给11号厂房（半成品试验站）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。（7） 馈电给12号厂房（成品试验站）的线路 亦采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（方法同上，从略）缆芯截面选，即YJL22-10000-335125的四芯电缆。2.1.9.3 作为备用电源的高压线的选择校验采用LJ型铝绞线架空敷设，与相距约4km的某35/10kV变电所的10kV母线相联。（1） 按发热条件选择工厂二级负荷容量共169.9kVA，计算电流及室外环境温度为38，查表，初选LJ-16，其35时的，满足发热条件。（2） 校验电压损耗由表查得缆芯为的铝绞线的，（按线间几何均距0.8m计）。又，线路长度按4km计，因此按式(3-9)，得满足允许电压损耗5的要求。（3） 短路热稳定度校验因为邻近某35/10kV变电所电源10kV侧的短路数据不知，因此该联络线的短路热稳定度校验计算无法进行，只有暂缺。表2-5 高压进出线选规格型线路名称导线或电缆的型号规格35kV电源进线LGJ-35钢芯铝绞线(三相三线架空)10kV高压出线至6号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至7号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至8号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至9号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至10号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至11号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)至12号厂房YJL22-10000-335125四芯电缆(直埋)与邻近35/10kV变电所10kV联络线LJ-16铝绞线(三相三线架空)2.2变电所二次方案的选择与继电保护2.2.1总降压变电所的电能计量回路总降压变电所35kV进线侧装设专用计量柜，装设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能和无功电能，并据以计算每月工厂的平均功率因数。计量柜由上级供电部门加封和管理。2.2.2 变电所的测量和绝缘监察回路 变电所35kV侧母线装有电压互感器避雷器柜，其中电压互感器为3个JDJJ2-35型，组成（开口三角）的结线，用以实现电压测量和绝缘监察。作为备用电源的高压联络线上，装有三相有功电度表、三相无功电度表和电流表。高压进线上，亦装有电流表。10kV侧的出线上，均装有有功电度表和无功电度表。10kV侧母线装有电压互感器避雷器柜，其中电压互感器为2个JDJ-10型，用以实现电压测量和绝缘监察。仪表的准确度等级按规范要求。2.2.3 总降压变电所的保护装置（1） 进线侧线路的继电保护装设定时限过电流保护。采用GL15型感应式过电流继电器，三相三继电器式结线。（见图2-6）。其工作原理为：当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA瞬时动作，闭合其触点，使时间继电器KT动作。KT经过整定的时限后，其延时触点闭合，使串联的信号继电器（电流型）KS和中间继电器KM动作。KS动作后，其指示牌掉下，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号。KM动作后，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。QF跳闸后，其辅助触点QF1-2随之切断跳闸回路。在短路故障被切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器均自动返回起始状态，而KS可手动复位。图2-6变电所进线侧线路定时限过电流保护的原理电路图 过电流保护动作电流的整定利用式（2-10） （2-10）其中，因此动作电流为：整定为4A。（只能为整数，且不能大于10A） 过电流保护动作时间的整定定时限过电流保护其动作时限，利用时间继电器（DS型）来整定。因为题目知区域变电站220/35kV馈电线的过电流保护整定时间，所以电机修造厂变电所进线侧线路的定时限过电流保护时间t，由于不知区域变电站馈电线采用的是定时限过电流保护，还是反时限过电流保护。我在这里假设为反时限过电流保护，所以t2s0.7s1.3s所以时间整定为1.3s。 过电流保护灵敏系数的检验利用式（2-11） （2-11）其中，因此其保护灵敏系数为：1.5满足灵敏系数1.5的要求。（2） 主变压器的继电保护装置电流速断保护保护采用两相两继电器式接线，继电器为DL11型，电流互感器变比为Ki=100/5=20，保护装置的动作电流应躲过变压器二次侧母线的最大三相短路穿越电流，即灵敏度应按变压器一次侧的最小两相短路电流来校验，即 装设瓦斯保护（其接线图见图2-7）其保护原理如下：当变压器内部发生轻微故障（轻瓦斯）时，瓦斯继电器KG的上触点KG1-2闭合，动作于报警信号。当变压器内部发生严重故障（重瓦斯）时，KG的下触点KG3-4闭合，通常是经中间继电器KM动作于断路器QF的跳闸机构YR，同时通过信号继电器KS发出跳闸信号。但KG3-4闭合，也可以利用切换片XB切换，使KS线圈串接限流电阻R，动作于报警信号。由于瓦斯继电器下触点KG3-4在重瓦斯故障时可能有“抖动”（接触不稳定）的情况，因此为了使跳闸回路稳定地接通，断路器能足够可靠地跳闸，这里利用中间继电器KM的上触点KM1-2作“自保持”触点。只要KG3-4因重瓦斯动作一闭合，就使KM动作，并借其上触点KM1-2的闭合而自保持动作状态，同时其下触点KM3-4也闭合，使断路器QF跳闸。断路器跳闸后，其辅助触点QF1-2断开跳闸回路，以减轻中间继电器触点的工作，而其另一对辅助触点QF3-4则切断中间继电器KM的自保持回路，使中间继电器返回。图2-7 变压器瓦斯保护的接线图2.3变电所的防雷保护与接地装置的设计2.3.1 变电所的防雷保护（1） 直击雷防护在变电所屋顶装设避雷针或避雷带，并引出两根接地线与变电所公共接地装置相连。由于变电所有露天配电装置，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括整个变电所。按规定，独立避雷针的接地装置接地电阻。通常采用36根长2.5m、50mm的钢管，在装避雷针的杆塔附近作一排或多边形排列，管间距离5m，打入地下，管顶距地面0.6m。接地管间用40mm4mm的镀锌扁钢焊接相连。引下线用25mm4mm的镀锌扁钢，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20mm的镀锌圆钢，长11.5m。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有3m以上距离。在35kV架空进行上，架设12kM的避雷线，以消除近区进线上的雷击闪络，避免其引起的雷电侵入波对变电所电气装置的危害。（2） 雷电侵入波的防护 在35kV电源进线的终端杆上装设FZ-35型阀式避雷器。引下线采用25mm4mm的镀锌扁钢，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端螺栓连接。 在35kV高压配电室内装设有JYN1-35-102型开关柜，其中配有FZ-35型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来保护，防护雷电侵入波的危害。 在10kV高压配电室内装设有GG-1A(F)-55型开关柜，其中配有FS4-10型避雷器。主要保护10kV侧出线上的各种一次设备。2.3.2 变电所公共接地装置的设计（1） 接地电阻的要求 按资料上的表，此变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件： 式中 （由于题目没有给出35kV电网中架空线路和电缆线路总长度，所以我假设35kV电网中架空线路总长度为60km，35kV电网中电缆线路总长度为4km。）因此公共接地装置接地电阻（2） 接地装置的设计单根垂直管形接地体的接地电阻采用长2.5m、50mm的钢管14根，沿变电所三面布置，管距5mm，垂直打入地下，管顶离地面0.6m。管间用40mm4mm的镀锌扁钢焊接相连。变电所的变压器室有两条接地干线，35kV、10kV配电室各有一条和两条接地干线与室外公共接地装置焊接相连，电容器室有两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25mm4mm的镀锌扁钢。接地电阻的验算：满足的接地电阻要求。式中0.65在资料中查表近似地选取。第三章 结论我做的是某电机修造厂全厂总降压变电所及配电系统的设计.通过这次毕业设计，我加深了对工厂供电知识的理解，基本上掌握了进行一次设计所要经历的步骤，象总降压的设计，我进行课题分析、查资料，进行设计，整理说明书到最后完成整个设计。事实上这次设计对我们的锻炼是多方面的，除了对设计过程熟悉外，我们还进一步提高了作图，说明书编辑，各种信息的分析，对WORD文档的使用等多方面的能力。作为大学阶段一次重要的学习经历我感觉自己受益非浅，同时深深的感觉到自己所学知识的浅薄以及实际工作中可能会遇到的的细节问题的众多。两个周的时间就这样匆匆的过去了，电机修造厂变电所的设计已经按照设计原则要求设计完了，虽然能够满足设计任务书的要求，但是笔者认为还要提高和改进的地方还有很多，比如说在变电所微机保护和综合自动化、电气安全、节能等方面还有很多需要以后补充和提高的地方。在细节方面，还有许多需要精雕细琢的地方，这次没有能够深入下去。希望以后有机会能够进一步。笔者认为变电所设计以后的发展方向应该是朝着微机综合自动化发展的。变电站微机综合自动化可实现继电保护、电网安全监控、电量和非电量监测、设备参数自动调整、中央信号、电压无功综合控制、电能自动分时统计、事故跳闸过程参数自动记录、事件按时排序、事故处理提示、快速处理事故、微机控制免维护直流电源供电和微机运行一体化功能，实现变电所无人值班。这方面在国外现在发展得已经相当的成熟了，而我国虽然虽然也发展了几十年了，但是现在还是没有普遍应用开来。造成我国变电所微机综合自动化发展缓慢的主要原因是该系统价格较高，只要大型的变电所才有条件安装。以后需要解决的问题就是要设法降低其投资额，以便应用在小型的变电所中。参 考 文 献1 刘介才.工厂供电（第4版）.北京：机械工业出版社，2004.2 刘介才.工厂供电设计指导.北京：机械工业出版社，1999.3 张保会，尹项根.电力系统继电保护（第2版）.北京：中国电力出版社，2009.4 陈珩.电力系统分析(第1版). 北京：中国电力出版社，2007.