红星机械厂变电所设计.doc

第1章　 设计要求
1.１　工厂负荷情况：
本厂车间为两班制，年最大负荷利用小时为4800小时，日最大负荷持续时间为6小时，该厂除铸造车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。工厂负荷统计如下
厂房编号
厂房名称
负荷类别
设备容量/kW
需要系数
功率因数
1
铸造车间
动力
315
0.4
0.75
2
铁铆车间
动力
270
0.3
0.7
3
金工1车间
动力
275
0.4
0.75
4
金工2车间
动力
210
0.4
0.7
5
工具车间
动力
220
0.3
0.7
6
氧气车间
动力
200
0.3
0.8
7
热处理车间
动力
315
0.4
0.8
8
装配车间
动力
285
0.3
0.7
9
机修车间
动力
232
0.3
0.75
10
锅炉房
动力
75
0.3
0.7
11
仓库
动力
34
0.4
0.7
12
生活用电
照明
150
0.7
1.0
表1-1 红星机械厂负荷统计资料
1. 2　供电电源情况
按照工厂与供电协议，本厂由3公里处取得10kV电源进线，干线首端断路器断流容量为500MVA，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2公里处邻近单位取得备用电源。
1. 3　有关情况
本厂所在地区的年最高气温为41度，年平均气温为23度，年最低气温为 - 8度，年最热月平均最高气温为30度，年最热月平均气温为26度，土壤温度25度，年雷暴日为20。本厂所在地区平均海拔500米，底层以砂粘土为主。

第2章　负荷计算和无功功率计算及补偿
2.1　负荷计算
负荷计算的方法有需要系数法、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：
无功功率:
视在功率:
计算电流:
注:由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取
，
总的有功计算负荷为 ：
总的无功计算负荷为：
总的视在计算负荷为：
总的计算电流为:

根据要求及负荷计算公式，分别计算各车间的,,,然后列出表
格。
1．铸造车间
动力: 查表1得，

2.铁铆车间
动力：查表1得,

3. 金工1车间:
动力：查表1得，

4.金工2车间：
动力：查表1得，

5.工具车间：
动力：查表1得，

6.氧气车间：
动力：查表1得，

7.热处理车间：
动力：查表1得，

8.装配车间
动力：查表1得，

9．机修车间：
动力：查表1得，

10.锅炉房：
动力：查表1得，

11.仓库：
动力：查表1得，

12.生活用电：
照明：查表1得，

此工厂照明属于单相用电设备,动力属于三相用电设备,但是照明的容量不超过动力总容量的15%,所以单相设备综合按三相负荷平衡计算.则所有厂房总的计算负荷：
取

通过以上计算得到以下得负荷汇总
表2-1负荷计算表
编号
名称
类别
设备容量/kW
需要系数

cos
tan
计算负荷
/kW
/kvar
/kVA
/A
1
铸造
车间

动力
315
0．4
0．75
0.88
126
110.88
168
260
2
铁铆
车间
动力
270
0．3
0．7
1.02
81
82.62
115.71
176
3
金工1
车间
动力
275
0．4
0．75
0.88
110
96.8
146.67
220
4
金工2
车间
动力
210
0．4
0．7
1.02
84
85.68
120
182
5
工具
车间
动力
220
0．3
0．7
1.02
66
67.32
94.29
143
6
氧气
车间
动力
200
0．3
0．8
0.75
60
45
75
114
7
热处理
车间
动力
315
0．4
0．8
0.75
126
94.5
157.5
240
8
装配
车间
动力
285
0．3
0．7
1.02
85.5
87.21

186
9
机修
车间
动力
232
0．3
0．75
0.88
69.6
61.248
92.8
141
10
锅炉房
动力
75
0．3
0．7
1.02
22.5
22.95
32.14
48.8
11
仓库
动力
34
0.4
0.7
1.02
13.6
13.872
19.429
30
12
生活区
照明
150
0.7
1.0
0
105
0
105
27.56

总计
动力
2431

844.2
768.08
　——
——
照明
150
计入=0.95, =0.97
0.77

901.74
745.037
1169.70
1777
2.2　无功功率的补偿及变压器的选择
电力变压器得功率损耗：
有功损耗： 无功损耗：
注意： 以上二式中为变压器二次侧的视在计算负荷。
并联电容器得容量：
并联电容器的个数：
2.2.1　无功补偿计算
按规定，变压器高压侧的，考虑到变压器本身得无功功率损耗远大于其有功功率损耗，因此在变压器低压侧进行无功功率补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高与0.90，取。
又
要使低压侧功率因数又0.77提高到0.92，需装设的并联电容器得容量
查《工厂供电》附录表4，选用BKMJ0.4-25-3的电容器，其参数为额定容量为25Kvar，额定电容为500uF.电容个数
故取
2.2.2　补偿后的变压器容量及功率因数
补偿后的低压侧的视在计算负荷为
考虑无功补偿后最终确定变压器：选用型号为S9-1250/10的变压器，其额定容量为1250kVA。

22.3　变压器的选择
因工厂得总计算视在功率kVA，查附录表5，选用型号为S9-1250/10得变压器，其参数为：额定容量为1250kVA,高压10kV，空载损耗为1950W,负载损耗为12kW，空载电流（%）为0.6，阻抗电压（%）为4.5。
2.2.4　变压器的校验
变压器的功率损耗为：

变压器高压侧得计算负荷为:

补偿后的功率因数为：

这一功率因数满足要求。
第3章　变电所位置和型式的选择
3.1　根据变配电所位置选择一般原则
1． 尽量靠近负荷中心；
2． 进出线方便；
3． 靠近电源侧；
4．设备运输方便；
5． 不应设在有剧烈震动或高温的场所；
6． 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；
7． 不宜设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻；
8． 不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方；
9．不应设在地势较洼和可能积水的场所。
综合考虑，变电所的型式为：采用独立变电所。建在厂内一侧，有高、低压配电室、值班室及变压器室。值班室有分别通往高、低压配电室的门，且朝值班室开；变压器室的门朝外开，室内设通风窗，进风窗设在变压器室前门的下方，出风窗设在变压器室的上方;高压配电室设不能开启的自然采光窗，窗台距室外地坪1.8，低压配电室设能开启地自然采光窗
3.2　变电所方案
有原始材料知，该厂除铸造车间、锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷，综合考虑变配电所位置的选择原则，根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：
a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1250 kVA>=1169.708 kVA，即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。
b)装设两台变压器型号为S9型，而每台变压器容量根据式（3-1）、（3-2）选择，即
1169.708 kVA=（701.82818796）kVA （3-1）
=(168+32.143) kVA=200.143kVA （3-2）
即选两台S9-800/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。
3.2.1 变电所主接线方案的选择和比较
由于此厂的二级负荷只有二个车间其余车间均为三级负荷，因此选用一个主变压器可以满足供电需要，考虑经济造价问题选两台主变压器的造价要比选用一台主变压器的高很多；考虑供电可靠性方面两台主变压器要比一台要好，但是可以再选用一台主变压器的情况下加设临近的高低压联络线来解决问题，这样选用一台主变压器就比选用两台的要合理此处选用一台主变压器。主变压器的联结组为Yyn0 。

第4章 短路电流的计算
4.1 绘制计算电路
SN10-10I=500MVA
K-1
K-2
3km
10.5kV
S9-1250
0.4kV

(3)
(1)
～
∞系统

图4-1 短路计算电路
4.2 确定短路计算基准值
设基准容量=100MVA，基准电压==1.05，为短路计算电压，即高压侧=10.5kV，低压侧=0.4kV，则
（4-1）
（4-2）
4.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值
4.3.1　电力系统
已知电力系统出口断路器的断流容量=500MVA，
故=100MVA/500MVA=0.2 （4-3）
4.3.2架空线路
查附录表6得线路电抗，而线路长3km，故 （4-4）
4.3.3电力变压器
查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故
=3.6 （4-5）
式中，为变压器的额定容量。因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。

k-1
k-2

图4-2 短路计算等效电路
4.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算
4.4.1总电抗标幺值
=0.2+0.98=1.18 （4-6）
4.4.2 三相短路电流周期分量有效值
（4-7）
4.4.3 其他短路电流
（4-8）
（4-9）
（4-10）
4.4.4 三相短路容量
（4-11）
4.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算
4.5.1总电抗标幺值
=0.2+0.98+3.6=4.78 （4-12）
4.5.2三相短路电流周期分量有效值
（4-13）
4.5.3 其他短路电流
（4-14）
（4-15）
（4-16）
4.5.4三相短路容量
（4-17）
表4-1 短路计算结果
短路计算点
三相短路电流
三相短路容量/MVA

k-1
4.67
4.67
4.67
11.9
7.05
84.75
k-2
30.1
30.1
30.1
55.4
28.8
20.9

第5章　变电所一次设备的选择校验
5.1 10kV侧一次设备的选择校验
5.1.1按工作电压选则
设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。
5.1.2按工作电流选择
设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即
5.1.3按断流能力选择
设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即或；对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。
5.1.4 隔离开关和断路器的短路稳定度校验
a)动稳定校验条件 或
、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值
b)热稳定校验条件 如表5-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。

表5-1 10kV一次侧设备的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
其它

装置地点条件
参数

数据

10kV

72.265A
()

4.67kA

11.9kA

4.6721.9=
41.437

一次设备型号规格
额定参数

高压少油断路器SN10-10I/630
QF1

10kV

630kA

16kA

40 kA

1622=512

高压隔离开关-10/200
QS1-QS7

10kV

200A

-

25.5 kA

1025=500
二负荷 0.6
高压熔断器RN2-10
FU1 FU2

10kV

0.5A

50 kA

-

-

电压互感器JDJ-10
TV1

10/0.1kV

-

-

-

-

电压互感器JDZJ-10
TV2

-

-

-

-

电流互感器LQJ-10
TV2

10kV
1
00/5A

-
=31.8 kA
=81

避雷器FS4-10
10kV
-
-
-
-

5.2 380V侧一次设备的选择校验
同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表5-2所示，所选数据均满足要求。
表5-2 380V一次侧设备的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流
能力
动稳
定度
热稳定度
其它

装置地点条件
参数

-
数据
380V
总1777A
30.1kA
54.4kA
30.12×0.75=679.51
-

一次设备型号规格
额定参数

-
低压断路器DW15-1500/3D
QF2

380V

1500A

40kA

-

-

-
低压断路器DW15-630
QF5

380V
630A（大于）
30kA
(一般)

-

-

-
低压断路器DW15-200
QF6

380V
200A（大于）

35kA

-

-

-
低压刀开关HD13-1500/30
QK1-QK3

380V
1500A

-

-

-

-
电流互感器LMZJ1-0.5
TA5

500V
1
500/5A

-

-

-

-
电流互感器LMZ1-0.5
TA6 TA7

500V
100/5A
160/5A

-

-

-

-
5.3 高低压母线的选择
查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。
第6章　变压所进出线与邻近单位联络线的选择
6.1　10kV高压进线和引入电缆的选择
6.1.1　10kV高压进线的选择校验
采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。
a).按发热条件选择：由=72.626A及室外环境温度30°，查附表19得，初选LGJ-70,其30°C时的=206>,满足发热条件。
b).校验机械强度：查附录表14得，非居民区最小允许截面积=16，而LGJ-70满足要求，故选它。
由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。
6.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验
采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。
a)按发热条件选择 ：由==72.626A及土壤环境25°，查附表19得，初选缆线芯截面为50的交联电缆，其=125A>,满足发热条件。
b)校验热稳定度：按式，A为电缆截面积，单位为；为满足热路稳定条件的最小截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为一次侧 电缆的电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=4670，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时0.2s，C=84，把这些数据代入公式中得满足要求。
6.2　热处理车间380低压出线的选择
6.2.1　车间线路选择
馈电给7号厂房（热处理车间）的线路，亦采用VLV-500四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设
a）按发热条件需选择：由=240A及地下0.8m土壤温度为25℃，查附录表19，初选缆芯截面185，其=285A>，满足发热条件。
b）校验电压损耗：选择变电所至热处理车间的导线截面积, 而查附录表19得到185的铝芯电缆的=0.21 （按缆芯工作温度75°计），=0.07，又7号厂房的=126kW, =94.5 kvar，故线路电压损耗为
<=5%，满足允许电压损耗要求。
故选缆芯截面为185的电缆，即选BLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择，各个车间都相同。
6.2.2　生活区线路选择
馈电给生活区的线路采用BLX-1000型铝芯橡皮绝缘线明敷。
1）按发热条件选择：由=27.56A及室外环境温度（年最热月平均气温）30℃，初选BLX-1000-14，其30℃时≈32A>,满足发热条件。
2）校验机械强度：查附录表15可得，最小允许截面积Amin=10，因此BLX-1000-14不满足机械强度要求。因此选用BLX-1000-110。
因此决定采用四回BLX-1000-110的三相橡皮绝缘线对生活区供电。
6.3　作为备用电源的高压联络线的选择校验
采用YJL22—10000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆,直接埋地敷设,与相距约2km的临近单位变配电所的10kV母线相连。
6.3.1　按发热条件选择
工厂二级负荷容量共200.143kVA，，最热月土壤平均温度为25℃。初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满足要求。
6.3.2　校验电压损耗
查附录表19得缆芯为25的铝
（缆芯温度按80℃计），，而二级负荷的,，线路长度按2km计，因此

由此可见满足要求电压损耗5%的要求。
6.3.3　短路热稳定校验
按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25的交联电缆是满足热稳定要求的。而临近单位10kV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行。
以上所选变电所进出线和如表 6-1所示。联络线的导线和电缆型号规格
表6-1进出线联络线的导线和电缆型号规格
线 路 名 称
导线或电缆的型号规格
10KV电源进线
LGJ-70铝绞线（三相三线架空）
主变引入电缆
YJL22-10000-3 50型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
380V
低压
出线
至1号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至2号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至3号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至4号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至5号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋））
至6号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至7号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至8号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至9号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至10号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）
至11号厂房
VLV-500-3185+195的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆（直埋）

至12号生活区
四回BLX-1000-110的铝芯橡皮绝缘三相线明敷
与临近单位10KV联络线
YJL22—10000-325型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆（直埋）
第7章　变电所二次回路方案选择
7.1　变电所二次回路的选择
a)高压断路器的操作机构控制与信号回路断路器采用手动操动机构(见附录图3)。
b)变电所的电能计量回路变电所高压侧装设专用计量柜，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。
c)变电所的测量和绝缘监察回路变电所高压侧装有电压互感器——避雷器柜。其中电压互感器为3个JDZJ—10型，组成的接线，用以实现电压侧量和绝缘监察。作为备用电源的高压联路线上，装有三相有功电度表和三相无功电度表、电流表接（见附录图3）。高压进线上，也装上电流表。低压侧的动力出线上，均装有有功电度表和无功电度表，低压照明线路上装上三相四线有功电度。低压并联电容器组线路上，装上无功电度表。每一回路均装设电流表。低压母线装有电压表，仪表的准确度等级按符合要求。

第8章　降压变电所的防雷
8.1　变电所的防雷保护
8.1.1　直接防雷保护
在变电所屋顶装设避雷针和避雷带，并引进出两根接地线与变电所公共接装置相连。如变电所的主变压器装在室外和有露天配电装置时，则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围整个变电所。如果变电所所在其它建筑物的直击雷防护范围内时，则可不另设独立的避雷针。按规定，独立的避雷针的接地装置接地电阻R=10Ω。通常采用3-6根长2.5 m的刚管，在装避雷针的杆塔附近做一排和多边形排列，管间距离5 m，打入地下，管顶距地面0.6 m。接地管间用40mm×4mm 的镀锌扁刚焊接相接。引下线用25 mm ×4 mm的镀锌扁刚，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。避雷针采用直径20mm的镀锌扁刚，长1～1.5。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有3m以上的距离。
8.1.2　雷电侵入波的防护
a)在10KV电源进线的终端杆上装设FS4—10型阀式避雷器。引下线采用25 mm ×4 mm的镀锌扁刚，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端栓连接。
b）在10KV高压配电室内装设有GG—1A（F）—54型开关柜，其中配有FS4—10型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来保护，防雷电侵入波的危害。

第9章　设计总结
通过本次课程设计，将所学理论知识很好的运用到了实际当中。在具体的设计过程中，真正做到了学以致用，并使自己的实际操作能力得到了很大的提高
设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。如本设计中用到了工厂供电的绝大多数的基础理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养，为今后的工作和学习打下了很好的理论基础。
在此次设计过程中遇到了很多的困难，为了解决问题，激发了对获取知识的寻求，自学能力得到提高。同时通过本次锻炼自己的计算精准度有了进步；绘图方面，熟练了对AutoCAD等软件的掌握。

参考文献
[1] 刘介才.工厂供电.第5版.北京：机械工业出版社，2011
[2] 苏文成.工厂供电第二版.北京：机械工业出版社，2008

附　录

附录图1　主接线图

图7-2　10KV母线的电压测量和绝缘监视电路
附录图2　10KV母线的电压测量和绝缘监视电路

附录图3 6-10KV线路测量和计量仪表的原理电路

附录图4　手动操作的断路器