供配电课程设计.docx

1 绪论
1.1 设计概况
本工程概况：地下一层，地上16层，建筑总高度49米，属二类高层民用建筑。
首先，根据设计要求和目的，按照最新的《供配电系统设计规范》对其中的建筑负荷进行分类统计，根据《高层民用建筑设计防火规范》，按照现行的国家标准工业与民用供配电系统设计要求进行设计，然后进行负荷等级与无功补偿计算，列出负荷计算表。其次，根据负荷类别及对供电可靠性的要求进行负荷计算，根据最后总计算负荷选择变压器容量及台数、主接线方案以及是否需要柴油发电机，确定配电所主接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠又要灵活经济，安装容易维修方便。接着选择大楼的高低压部分进行短路电流的计算，并列出计算表格，选择配电所的一次设备及其校验，包括高低压断路器、熔断器、隔离开关、避雷器、开关柜，电流、电压互感器等设备，并根据需要进行热稳定和力稳定检验，列表表示。然后进行导线电缆的选择与校验。最后，根据相关规范，进行建筑的防雷保护与接地设计。

2 负荷计算

负荷计算是供配电工程设计的基础，必须正确计算负荷，才能设计出合理的供配电系统。负荷计算主要包括求计算负荷、尖峰电流，确定一、二级负荷和季节性负荷的容量等内容。
负荷计算是指一组用电负载实际运行时，消耗电能最多的半小时的平均功率，也称半小时最大负荷。计算负荷将作为发热条件选择配电变压器、供电线路导体及电气设备的依据，并用来计算电压损失和功率损耗，也可作为电能消耗及无功功率补偿的计算依据。

2.1 负荷分级

本工程属于二类高层民用建筑，用电负荷分级如下：
二级负荷：负一层车库照明、负一层配电房照明、各层公共照明、防火卷帘、消防控制室、客消梯、客梯、消防泵、正压风机、潜污泵、排烟风机等。
三级负荷：3-16层住户照明、1层及2层照明及插座、环境照明、屋面照明、生活水泵等。
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，本设计将采用需要系数法予以确定。需要系数法是用设备功率乘以需要系数和同时系数,直接求出计算负荷。

2.2 用电设备组的计算负荷

本工程负荷包括照明、电力及消防负荷。该综合楼的商店门面房等需要二次设计，因此先按功率因数法预留负荷，其余用电设备负荷功率由照明设计计算而得或有其他专业提供。
首先计算用电设备组单台设备的容量（Pe），在根据所提供的需要系数Kx，得到设备组的有功计算负荷
（2.1）
式中，Kx为给出的需要系数；
Pe为单台电气设备的设备容量（kW）。
设备组的无功计算负荷
（2.2）
式中，为给出的正切值；
Pj为有功计算负荷（kW）。
设备组的计算容量
（2.3）
设备组的计算电流
（2.4）
式中，UN为系统的额定电压（kV）。
设备组的功率因数
（2.5）
负荷计算书见附表1。
根据负荷计算书所得数据计算可得Pc=Pcl+Pcm=614.2+58.8=672.7 KW
Qc=Qcl+Qcm=538.25+43.875=583.125 Kvar

2.3 低压侧负荷计算及无功补偿

计入同时系数后的总计算负荷和功率因数。对于总计算负荷，取用功和无功同时系数分别为Kp= Kq=0.8，则计入同时系数后的总计算负荷为
Pc1= Kp×Pc=0.8×672.7=538.16 KW
Qc1= Kq×Qc=0.8×582.125=465.7 Kvar
Sc1=Pc12+Qc12=711.683 KVA
cosφ1=Pc1Sc1=0.76
根据规范要求，民用建筑低压侧无功功率补偿后的功率因数应达到0.90以上，一般在计算时按达到0.92来计算，故需要进行无功功率补偿。
∆Qc=Pc×[tan(cos-10.76)-tan(cos-10.92)]=235.85
可取接近的240Kvar。
无功功率补偿后的总有功计算负荷保持不变，总无功计算负荷为
Qc2= Qc1-∆Qc=225.7 Kvar
Sc2=Pc12+Qc22=585.19 KVA
cosφ2=Pc1Sc2=0.923,无功补偿满足要求。

2.4 高压侧负荷计算

变压器的损耗：
有功损耗∆PT=0.01× Sc2=5.8519 KW
无功损耗∆QT=0.05× Sc2=29.260 Kvar
所以变电所高压侧的总计算负荷为
PCI= Pc1+∆PT=544.0119 KW
QCI= Qc2+∆QT=259.11 Kvar
SCI=PCI2+QCI2=602.567 KVA
总功率因数cosφ= PCI/ SCI=0.903，满足功率因数要求。

3 变配电室系统设计

3.1 供电电源

本工程由附近10kV配电所引来一回10kV电源，另在负一层设置一台柴油发电机提供应急电源，本工程为高层民用建筑，用电设备额定电压为220/380V，低压配电距离最长不超过150m,所以本工程只设置1座10/0.38kV变电所，对所有的用电设备均采用低压220/380V三相四线制TN-S系统配电。

3.2 变配电室系统

变配电室主结线的选择原则：
(1)当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。
(2)当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。
(3)当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。
(4)为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。
(5)接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。
(6)6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。
(7)采用6～10 KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。
(8)由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。
(9)变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。
(10)当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。
最后，综合各方面因素选择高压侧采用单母线分段结线方式、低压侧采用单母线分段方式。低压配电系统采用树干式与放射式结合的方式。高低压侧系统图见附录。

4 短路电流计算

供电系统要求正常的不间断的对负荷供电，以保证生产和生活的正常进行。然而由于各种原因也难免出现故障，而使系统正常运行遭到破坏。系统中最常见的故障就是短路。短路就是不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的电阻性短路。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺值法（又称相对单位制法）。
选取变配电所变压器及供电回路WL1到住宅三层配电箱进行短路计算，高压电缆YJV22-8.7/10kV型。

4.1 高低压侧短路电流计算

图4-1 高低压侧短路示意图

标幺值法：选取基准容量和基准电压如下
Sd=100MVA，Uav1=10.5kV，Uav2=0.4kV，Soc=500MVA，
（4.1）
（4.2）
（1）电力系统的标幺值
（4.3）
（2）架空线路的标幺值
X0=0.35Ω/km，l=1km
则 X2*=x0l×SdUav2=0.35×1×100MVA(10.5KV)2=0.317 （4.4）
（3）电力变压器的标幺值
S9-800 Dyn11型电力变压器短路阻抗电压百分比Uk%=4.5
则 （4.5）
（4）等效电路如下图所示
K1 K2
10.2 20.317 35.63

图4-2 高低压侧短路等效电路图

（5） k1点总电抗标幺值为
X*K1 = X1*+ X2*=0.2+0.317=0.517 （4.6）
0.517
10.638KA
从而 （4.7）
10.638KA

10.638KA=27.128KA

10.638KA=16.064KA

三相短路容量
（4.8）
（6） k2点总电抗标幺值为
0.317+5.63=6.147 （4.9）

6.147
23.475KA （4.10）

23.475KA

1.84×23.475=43.194KA

1.09×23.475=25.588KA

三相短路容量
6.147
16.268MVA (4.11)

短路
计算点
三相短路电流（kA）
三相短路容量（MVA）

k1
10.638
10.638
10.638
27.128
16.064
193.424
k2
23.475
23.475
23.475
43.194
25.588
16.268
表4-1 短路电流计算表

5 高低压电气设备的选择

5.1 变压器的选择

本工程为二类高层建筑，负荷为二、三及负荷，但是该建筑为商主两用高层民用建筑，防火要求较高，且为了减少占地，变电所位于主体建筑地下水内，故宜采用三相双绕组干式变压器，联接组别为Dyn11,无励磁调压，电压比为10/0.4KV。故本工程选择一台SG9—800kVA—10/0.4kV防护等级IP20,变压器参数如下：

表5-1 SG9-800的主要技术指标

变压器型号

额定
容量
/

额定电压
/kV

联结 组型 号

损耗/kW

空载
电流
%

短路
阻抗
%

高压
低压

空载
负载

SG9-800
800
10
0.4
Dyn11
2.45
7.45
1.3
4.5

根据应急电源需求选取柴油发电机的容量，应急电源所供的设备有回路WL8a、WP1a-WP14a,其总设备功率为Pe=231.5kW,需要系数Kx=0.8，Pj=185.2kW,则柴油发电机容量可按如下公式计算

式中，为发电机并联运行不均匀系数，一般取0.9，单台取1。
K为可靠系数，一般取1.1。
计算得出柴油发电机容量P=203.72kW
柴油发电机为环保型，零烟气排放，低于45摄氏度冷却风，并且配有自动启动装置，启动时间不大于15s。

回路
Wl8a
Wp1a
Wp2a
Wp3a
Wp4a
Wp5a
Wp6a
Wp7a
Wp8a
Wp9a
Wp10a
Wp11a
Wp13a
Wp14a
负荷
24
3
3
5
18
18
18
18
7.5
7.5
74
5.5
15
15
表5-2 应急电源提供的设备功率

5.2 高压断路器的选择

高压断路器主要作为主变压器回路、电源进线回路的控制和保护电器及分段联络用电器。使用环境为建筑物地下室内高压开关柜（AH3、AH4、AH5、AH6、AH7、AH10柜）内，10KV系统中中性点经消弧线圈接地。根据需要和产品供应情况10KV系统选用VS1型户内真空断路器，配用弹簧操纵机构。
（1） 额定电压UN>=10KV
（2） 最大长期工作电流Imax=Ic=Sc3UN=46.188A
（3） 开断电流校验：短路电流Ik2=10.638A<Ioc=17.5A,满足条件。
（4） 短路热稳定校验：定时限保护装置的动作时限tpr=1s,开断时间tab=0.1s,则tk=tpr+tab=1.1s>1s.故tima=tk=1.1s.
I∞2tima=10.638*10.638*1.1=124.484KA2S< It2t=31.52*4=3969KA2S
故满足热稳定性要求。
（5） 短路动稳定性校验：短路冲击电ish=2.55 I∞=27.128KA<imax=63KA
故满足动稳定性要求。
选择VS1-12-630-17.5型的户内真空高压断路器满足要求见表5-3。

设备参数
VS1-12-630-17.5
计算数据
UN(KV)
12
UN(KV)
10
IN(KA)
630
Imax(KA)
46.188
IOC(KA)
31.5
I∞(KA)
10.638
It2t(KA2S)
3969
I∞2tima(KA2S)
124.484
imax(KA)
80
ish(KA)
27.128
表5-3 高压断路器选择额定参数与计算数据比较

5.3 低压断路器的选择

低压断路器选择NS400/3P,对其进行校验：
（1） 瞬时脱扣器：
动作电流的整定：要求IN.OR=400A≥KrelIPK=1.35*1000=1350A
应选脱扣器整定倍数K=4。IOP(O)=4*400=1600A>1350A,
与保护线路的配合：IOP(O) =1600A<KOLIal=4.5*434=1953A
满足条件，故应选择整定电流为1600A的半导体式瞬时过流脱扣器。
（2） 长延时脱扣器：
动作电流的整定：要求IOP(L) ≥KrelIMAX=1.1*199.41=219.351A
与保护线路的配合：IOP(L) =KIN=400A<KOLIal=1*434=434A
故应该选择整定电流为400A的热式脱扣器。
(3) 断流能力校验：
NS400/3P的开断电流IOC=45KA>IK3(3)=23.475KA
(4) 灵敏度校验：KS=IKMIN/IOP≥1.5，灵敏度满足要求。
综合上述，所选择低压断路器为NS400/3P，脱扣器的整定电流为400A。

设备参数
NS400/3P
比较条件
计算数据
UN(KV)
690
≥
UN(KV)
380
IN(A)
400
≥
IMAX(A)
199.41
IOC(KA)
45
≥
IK3(3)(KA)
23.475
长延时脱扣器
IN.OR（A）
400
≥
Imax（A）
199.41
IOP(L)（A）
400
≥
Krel Imax（A）
219.351
≤
KOLIal（A）
434
瞬时脱扣器
IOP(O)（A）
1600
≥
KrelIpk（A）
1350
≤
KOLIal（A）
1943
KS
3.75
>
KS
1.5
表5-4 低压断路器选择额定参数与计算数据比较

6 导线的选择

为了保证供电的安全、可靠、优质、经济，选择导线和电缆时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件；经济电流密度；机械强度。
1、材料选择：优先选用铝材料，下列场合可采用铜导线：
（1）重要的操作回路及二次回路。
（2）移动设备的线路及剧烈振动场合的线路。
（3）对铝有严重腐蚀的场合。
（4）爆炸危险场所有特殊要求者。
（5）国际工程有要求者。
2、按允许载流量选择导线或电缆截面积。
3、按允许电压损失选择导线和电缆截面积。
4、按经济电流密度条件选择导线和电缆截面积。
5、按机械强度选择导线和电缆截面积：要求所选的导线和电缆的截面积不小于其最小允许截面积。

6.1 高压侧导线电缆选择

选择变配电室高压侧的电缆，及大楼附近电源引来的10kV进线侧，进行计算并选择合适的电缆线，该部分电缆按照经济电流浓密度计算，先按经济电流密度选择，而后按发热条件和短路热稳定校验。
544.0119
变电所10kV，由第一部分计算负荷可知Pj=544.0119kW，=0.903。
=34.78A
0.903×10
（1）按经济密度选择A （6.1）
1.54
经济电流密度取
=22.58mm2
34.78
1.54
则经济截面积 （6.2）
由以上条件选取YJV22-8.7/10kV型，交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，细钢丝铠装，截面积S=25。查表知其载流量正常允许最高温度。
（2）按发热条件校验：查表知其载流量正常允许最高温度，故满足发热条件。
（3）按电压损失校验：因距离短，容量不大，电压较高，故可不校验。
（4）按短路热稳定校验：
按公式 （6.3）
假象时间考虑继电保护动作时间0.7s，断路器全分段时间0.2s，热稳定系数C=135，
则<25
故满足短路热稳定要求。

6.2 低压侧导线电缆选择

选取回路WL1进行导线选取，配电柜出线经过WL1接三到九层楼层配电箱，该段导线距离较近，假设距离L=100m＜200m，则先按发热条件选择，再按电压损失和机械强度校验。
由前面计算可知该层设备容量为Pe=210kW,需要系数K=0.8，计算负荷为Pj=168kW，功率因数cos=0.8
319.06A
168KW
（1）按发热条件
查表，环境温度为时，可选择4*ZR-VV-150+1*ZR-VV-95，及一根截面为150，中性线截面为95。聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套阻燃电力电缆，其安全载流量为364A，满足条件。
46.2×150×100
168×100
（2）校验电压损失2.4%<5%，故满足电压损失要求。
（3）校验机械强度：低压线路导线最小截面Amin=16mm2<A=150mm2,故满足机械强度要求。
综上所述，该工程线路敷设方式为：
1、10kV高压电缆选用YJV22-8.7/10kV型，细钢丝铠装，埋地敷设，穿保护管进户。
2、 低压电缆选用ZR-VV全塑阻燃型，沿电缆盘，竖井或穿管敷设。
3、 室内配线采用ZR-VV，VV电缆，ZR-BV，BV导线沿电缆盘，电缆竖井，保护管敷设。

7 防雷与接地系统设计

7.1 建筑物防雷分类

按照建筑物的重要性、使用性质、发生雷击事故的可能性及后果，其防雷等级可分为三类：
1．第一类防雷建筑物
(1)具有特别重要用途的建筑物，如国际性航空港、通信枢纽、大型博展建筑、特级火车站、国宾馆、大型旅游建筑等。
(2)超高层建筑物，如40层以上的住宅建筑，建筑高度超过100米的其他民用以及一般工业建筑物。
(3)国家级重点文物保护的建筑物和构筑物。
2．第二类防雷建筑物
(1)重要的或人员密集的大型建筑物，如部、省级办公楼、省级大型的集会、博展、体育、交通、通信、广播、商业和影剧院建筑等。
(2)省级重点保护的建筑物和构筑物。
(3)19层及以上的住宅和高度超过50米的其他民用和一般工业建筑物。
3．第三类防雷建筑物
(1)10至18层的普通住宅。
(2)建筑高度部超过50米的教学楼和普通的旅馆、办公楼、科研楼、图书馆、档案楼和省级一下的邮政楼等。
4.本建筑物防雷类别的确定：
L=70.422m, W=35.731m, H=49m,与建筑物接收相同雷击次数的等效面积Ae=[LW+2(L+W)H(200-H)+πH(200-H)]×10-6
校正系数K=1，年平均雷暴日Td=22.6天，所以年预计雷击次数为
N=KNgAc=0.024KTd1.3Ae=0.024×1×22.61.3×0.044=0.061(次)
根据规范规定可知，本建筑物应划分为第三类防雷建筑物，主要防直击雷和雷电波侵入。

7.2 本建筑物防雷措施

(1) 防止直击雷的措施
第三类防雷建筑物，宜采用装设在建筑物上的避雷网（带）或避雷针或由这两种混合组成的接闪器。建筑易受雷击的部位是：
a.平面屋及坡度不大于1/10的屋面―――屋角、女儿墙、屋檐。
b.坡度大于1/10、小于1/2的屋面―――屋角、檐角、屋脊、屋檐；
c.坡度不大于1/2的屋面―――屋角、屋脊、檐角。
避雷网（带）应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设。并应在整个屋面组成不大于20m×20m或24m×16m的网格。平屋面的建筑物，当其宽度不大于20 m时，可仅沿网边敷设一圈避雷带。引下线不应少于两根，但周长不超过25m且高度不超过40 m的建筑物可只设一根引下线。引下线应沿建筑物四周均匀或对称布置，其间距不应大于25m。
（2）防雷电波侵入
低压线路宜全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置上。当全线采用电缆有困难时，可采用钢筋混凝土杆和铁横担的架空线，并应使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，其埋地长度应符合规范要求，但不应小于15m。在电缆与架空线连接处，尚应装设避雷器。避雷器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金属等应连在一起接地。
在本建筑中采用结构防雷，运用基础内混凝土构造钢筋网作为接地装置，构造柱之立筋作为引下线。构造柱内之主筋应通长联结，大于等于16钢筋连接不少于两根，小于16钢筋连接不少于四根。女儿墙上面的避雷带用10元钢与作为引下线的构造主筋焊接。避雷带明敷10钢筋，消防涂漆2遍，屋顶防水层上用304镀锌扁铁敷设不大于1010的网格，交点焊接，并于引下线焊接，屋顶金属构件应与避雷引下线联结。

7.3 接地与等电位联接设计

接地为防止触电或保护设备的安全,把电力电讯等设备的金属底盘或外壳接上地线;利用大地作电流回路接地线。在电力系统中，将设备和用电装置的中性点、外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接叫做接地。
接地装置由接地极(板)、接地母线(户内、户外)、接地引下线(接地跨接线)、构架接地组成接地装置。它被用以实现电气系统与大地相连接的目的。与大地直接接触实现电气连接的金属物体为接地极。它可以是人工接地极，也可以是自然接地极。对此接地极可赋以某种电气功能，例如用以作系统接地、保护接地或信号接地。接地母排是建筑物电气装置的参考电位点，通过它将电气装置内需接地的部分与接地极相连接。它还起另一作用，即通过它将电气装置内诸等电位联结线互相连通，从而实现一建筑物内大件导电部分间的总等电位联结。接地极与接地母排之间的连接线称为接地极引线。
本工程采用联合接地系统，接地电阻不大于1欧姆。在LPZ0和LPZ1界面处配电箱和消防报警系统配电箱安装SPD防电涌模块。在需要接地的地方预留接地连接板。在作为引下线的主筋上于室外埋深不小于0.7m处，焊接一根12镀锌元钢并引出，距建筑物外墙不小于1m，若需增设人工接地极，由此引出。
基础梁和桩基内的钢筋应焊接联通，作为自然接地体，接地电阻不大于1欧。30m及以上外墙的金属门窗，金属构件应与接地系统作可靠连接，30m及以上每层外圈梁内应用钢筋联通构成匀压环。

8 结束语

通过这次课程设计，我巩固和加深了在课堂上所学的知识，对建筑供配电设计有了初步的了解和认识，而且也复习了负荷计算、变压器的选择、防雷与接地等重要的知识点。最直接的收益是让我的供配电考试更加顺利，对知识有了系统的认识，并且可以灵活运用。同时我也加深了对现实生活中供配电知识的理解，基本上掌握了进行一次设计所要经历的步骤，像低压电气部分的设计，我与其他同学一起进行课题分析、查资料，进行设计，整理到最后完成整个设计等。
在整个过程中，我和寝室同学每天进行计算记录，反复演算，反复验证，将每一个小小的错误统计下来进行分析，现在看来之所以有的时候做的很慢还是因为以前上课时没有专心听讲，真是书到用时方恨少呀！这次设计接近实际，对我们以后的发展很重要。在设计的过程中经常会遇到大家意见不合的时候，并且大家都很坚持自己的意见，有自己的观点，我觉得这是很难得的。遇到的问题越多，越能够激发我们继续学习的动力，而且可以从中学到课本上没有的东西，如同学之间的团结合作精神，这是我感触最深的一面。大家团结一致，齐心协力，很多难题都可以迎刃而解。
在这里要感谢曹老师细心的给予我们帮助，我们利用这次机会学到了很多，不只是多认识了几个电器元件，最重要的是知道了我们自己的欠缺与不足，能在以后的学习过程中查漏补缺，找准方向，不断求索！

参考文献

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[4]《建筑电气设计手册》，中国建筑工业出版社，朱林根，2001.
[5]《低压电器及其配电电控设备选用手册》，科学技术出版社，李茂林，1998.
[6]《中低压配电设备与使用200例》，中国电力出版社，周武仲，2006.
[7]《工厂供配电》，北京大学出版社，王玉华，2006.
[8]《 AutoCAD2008中文版电气设计完全自学手册》，机械工业出版社，孟德星，2008.
[9]供配电系统设计规范，GB50054-2009.
[10]民用建筑电气设计规范，GBJGJ_T16-2008.

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