某机械厂降压变电所的电气设计

中北大学电力系统课程设计任务书 10/11 学年第 二 学期学 院：专 业：电气工程及自动化学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：XX机械厂降压变电所的电气设计起 迄 日 期:指 导 教 师:系主任： 下达任务书日期: 电 力 系 统 课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计，巩固和加深电力系统基础和电力系统分析课程中所用的理论知识，基本掌握变电所电气设计部分设计的一般方法，提高电气设计的设计能力，为今后从事生产和科研工作打下一定的基础。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求、确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地装置，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。设计依据：1、工厂总平面布置图 图11-12、工厂负荷情况 本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为3000h，日最大负荷持续时间为7h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属于二级负荷外，其余均属于三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。本厂的负荷统计资料如附表所示：3、供电电源情况 按照工厂与当地供电部门签定的供用电协议规定，本厂可由附近一条10KV的干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LJ-120，导线为等边三角形排列，线距1.3m ,干线首端距离本厂约9km。干线首端所装设的高压短路器断流容量为300MVA，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。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为69km，电缆线路总长度为19km。4、气象资料：本厂所在地区的年最高温度38，年平均气温为16，年最低温度为-10，年最热月平均最高温度30，年最热月平均气温为25，年最热月地下0.8M处平均温度25，当地主导风向为南风，年雷暴日数35天。5、地质水文资料：平均海拔500M，地层以沙粘土为主，地下水位5m。6、电费制度 供电贴费800元/KVA。每月电费按两部电费制：基本电费为按主变压器容量计为18元/KVA，动力电费为0.2元/KW.H，照明电费为0.5元/KW.H。工厂最大负荷时功率因数不得小于 0.92 。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：提交课程设计说明书一份。4主要参考文献：1 刘介才， 工厂电气设计指导.北京：机械工业出版社 5工作计划及进度：2011年6月13日 6 月15日负荷计算与无功补偿6月16 6 月17日 确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型 6月18日 6月 21日 确定变电所主接线方案及高低压电气设备和进出线，确定防雷和接地装置6月22日 6月24日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日 附表 1-1 工厂负荷统计资料厂房编号厂房名称负荷类别设备容量/KW需要系数Kd功率因数1铸造车间动力2600.360.69照明7.50.81.02锻压车间动力3200.250.64照明7.50.81.03金工车间动力3600.250.62照明60.851.04工具车间动力3100.280.63照明8.50.71.05电镀车间动力2000.450.75照明6.50.831.06热处理车间动力1550.50.75照明70.81.07装配车间动力1200.350.68照明7.20.81.08机修车间动力1650.260.68照明4.50.81.09锅炉房动力750.650.75照明1.60.751.010仓库动力200.360.85照明1.80.781.0生活区照明2600.750.96 目 录 1 引言 12 负荷计算和无功功率补偿 22.1 负荷计算的目的及意义 22.2 负荷计算的方法 2 2.3 符合计算 3 2.4无功率补偿 43 变电所位置和型式的选择 63.1变电所位置的选择 74变电所主变压器和主结线方案的选择 84.1 变电所主变压器的选择 84.2 变电所主结线方案的选择 84.3 两种主接线方案经济技术比较 105 短路电路计算 115.1 绘制计算电路 115.2 确定短路电流基准值 115.3 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 115.4 计算K-1点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量 125.5 计算K-2点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量 126 变电所一次设备的选择校验 136.1 10KV侧一次设备的选择校验 136.2 380V侧一次设备的选择校验 146.3 高低压母线的选择 147 变电所进出线与邻近单位联络线的选择 157.1高压进线的选择校验 157.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 157.3 380V低压出线的选择 157.4 作为备用电源的高压联络线的选择校验 178 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定 198.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路 198.2 变电所的电能计量回路 198.3 变电所的测量和绝缘监察回路 198.4 变电所的保护装置 198.5 作为备用电源的高压联络线的继电保护装置 209 变电所防雷保护 219.1 直击雷保护 219.2 雷电侵入波的保护 2110 变电所公共接地装置的设计 2210.1 接地电阻的要求 2210.2 接地装置设计 2211 总 结 24附图 25参考文献26致谢 271 引言为使工厂供电工作很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，本设计在大量收集资料，并对原始资料进行分析后，做出35kV变电所及变电系统电气部分的选择和设计，使其达到以下基本要求：1、安全 在电能的供应、分配和使用中，不发生人身事故和设备事故。2、可靠 满足电能用户对供电可靠性的要求。3、优质 满足电能用户对电压和频率等质量的要求4、经济 供电系统的投资少，运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。 此外，在供电工作中，又合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，顾全大局，适应发展。按照国家标准GB50052-95 供配电系统设计规范、GB50053-94 10kv及以下设计规范、GB50054-95 低压配电设计规范等的规定，进行工厂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。作为从事工厂供电工作的人员，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。2 负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算的目的及意义进行电力设计的基本原始资料是用电部门提供的用电设备的安装容量。这些用电设备品种多、数量大、工作情况复杂，因此，如何根据这些原始资料正确估算所需的电力和用电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度，将直接影响到电力设计的质量。若计算过高，将使设备和导线选择偏大，造成投资和有色金属的浪费；而估算过低，又将使设备和导线选择偏小，造成运行时过热，加快绝缘老化，降低使用寿命，增大电能损耗，影响系统的正常运行。可见，正确计算电力负荷具有重要意义。2.2 负荷计算的方法用电设备计算负荷的确定，是工程中常用的有需要系数法和二项式法。需要系数法是世界各国普遍应用的确定计算负荷的基本方法。有功计算负荷的计算公式 P30KdPe 无功计算负荷的计算公式 Q30P30tan视在计算负荷的计算公式 S30P30/cos计算电流的计算公式 I30S30/UN需要系数计算的公式 2.3 负荷计算编号名称类别设备容量KW需要系数有功计算负荷KW无功计算负荷Kvar视在计算负荷KVA计算电流A1铸造车间动力2600.360.691.0593.698.28135.65205.53照明7.50.81.006.006.0027.27小计267.599.698.28141.65232.92锻压车间动力3200.250.641.208096125189.39照明7.50.81.0.06627.27小计327.58696131216.663金工车间动力3600.250.621.2790114.3145.16219.94照明60.851.005.15.123.18小计36695.1114.3150.26243.124工具车间动力3100.280.631.2386.8106.76137.78208.75照明8.50.71.005.955.9527.05小计318.592.75106.76143.73235.85电镀车间动力2000.450.750.889079.2120181.2照明6.50.831.005.405.4024.55小计206.595.4079.2125.4205.756热处理车间动力1550.50.750.8877.568.2103.33156.57照明70.81.005.65.625.5小计16283.168.2108.93182.077装配车间动力1200.350.681.084245.3661.7693.59照明7.20.81.005.765.7626.18小计127.247.7645.3667.52119.778机修车间动力1650.260.681.0842.946.3363.0995.58照明4.50.81.003.63.616.36小计169.546.546.3366.69111.949锅炉房动力750.650.750.8848.7542.96598.48照明1.60.751.001.21.25.45小计76.649.9542.966.2103.9310仓库动力200.360.850.627.24.468.4712.83照明1.80.781.001.401.406.36小计21.88.604.469.8719.1911生活区照明2600.750.960.2919556.55203.13533.06总计动力1985896.76757.631310.052204.19照明318.1取0.8，0.850.75801.68719.751077.371639.892.4 无功功率补偿 由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷是的功率因数只有0.7。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0.92。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0.92，暂取0.93来计算380V侧所需无功功率补偿容量：=(tan - tan)=801.68tan(arccos0.75) - tan(arccos0.93) = 454.19KVAR故选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）5台相组合，总共容量84kvar6=504kvar如图所示。图2.1 PGJ1型低压自动补偿屏因此无功补偿后工厂380V侧和10KV侧的负荷计算如表2.2所示。项 目cos计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A380V侧补偿前负荷0.7801.68719.251077.371639.89380V侧无功补偿容量-504380V侧补偿后负荷0.99801.68265.561077.371639.89主变压器功率损耗0.015S30=16.760.06S30=64.6410kV侧负荷总计0.93817.84321.2878.6550.72表2.2 无功补偿后工厂的计算负荷3 变电所位置和型式的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心.工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定.即在工厂平面图的下边和左侧,任作一直角坐标的X轴和Y轴,测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置,例如P1(x1,y1) 、P2(x2,y2) 、P3(x3,y3)等.而工厂的负荷中心设在P(x,y),P为P1+P2+P3+=Pi.因此仿照力学中计算重心的力矩方程,可得负荷中心的坐标: (3.1) (3.2)图.1 机械厂总平面图3.1变电所位置的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。在工厂平面图的下边和左侧，分别作一条直角坐标的x轴和y轴，然后测出各车间（建筑）和生活区负荷点的坐标位置p1(2.5,5.51)；p2(3.6,3.54)；p3(5.56,1.3)；p4(4,6.7)；p5(6.2,6.7)p6(6.2,5)；p7(6.2,3.4)；p8(8.55,6.7)；p9(8.55,5)；p10(8.55,3.4)；p0(1.2,1.1)（工厂生活区），如图3-1所示：而工厂的负荷中心假设在P（x，y），其中P=P1+P2+P3=Pi。仿照力学计算重心的力矩方程，可得负荷中心的坐标如图3-1：由计算结果可知，x=4.33 y=4.17工厂的负荷中心在2号厂房的东北角。考虑的方便进出线及周围环境情况，决定在2号厂房的东侧紧靠厂房修建工厂变电所，其型式为附设式。4 变电所主变压器和主结线方案的选择4.1变电所主变压器的选择 根据工厂的负荷性质和电源情况,工厂变电所的主变压器可有下列两种方案: 装设一台主变压器 型式采用S9，而容量根据式有1000817.84即选择一台S9-1000/10配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与临近单位相连的高压联络线来承担。 装设两台主变压器 形式采用S9，而每台容量根据下式选择，即：（0.60.7）817.84=（490.7572.49）KVA而且=（141.65+111.94+203.13）kVA=456.72KVA因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷的备用电源亦由与临近单位相联的高压联络线来承担。4.2变电所主结线方案的选择 按上面考虑的两种主变压器的方案可设计以下两种主结线方案：（1） 装设一台主变的主结线方案,如图4.1所示。（2） 装设两台主变的主结线方案,如图4.2所示。 图4.1 装设一台主变压器的主结线方案 图4.2 装设两台主变压器的主结线方案4.3两种主接线方案经济技术比较 表4.1 两种主接线方案的比较比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案技术指标供电安全性满足要求满足要求供电可靠性基本满足要求满足要求供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗小灵活方便性只一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些经济指标电力变压器的综合投资由手册查得S91000单价为10.76万元，而由手册查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为210.76万元=21.52万元由手册查得S9630单价为7.47万元，因此两台综合投资为47.47万元=29.88万元，比一台变压器多投资8.36万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查手册得 GGA（F）型柜按每台3.5万元计，查手册得其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为41.53.5=21万元本方案采用6台GGA（F）柜，其综合投资额约为61.53.5=31.5万元，比一台主变的方案多投资10.5万元电力变压器和高压开关柜的年运行费参照手册计算，主变和高压开关柜的折算和维修管理费每年为4.893万元（其余略）主变和高压开关柜的折旧费和维修管理费每年为7.067万元，比一台主变的方案多耗2.174万元供电贴费按800元/KVA计，贴费为10000.08=80万元贴费为26300.08万元=100.8万元，比一台主变的方案多交20.8万元 从表4.1可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案。5 短路电流的计算5.1绘制计算电路如下图：表5.11： 短路计算电路5.2确定短路电流基准值设=100MVA,=1.05,即高压侧=10.5KV,低压侧=0.4KV,则：=5.5KA=144KA5.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值(1)电力系统 已知=300MVA,故=100MVA/300MVA=0.33(2)架空电路 LJ-120的=0.35/km，而线长9km故=(0.359)=2.8(3)电力变压器 %=4.5,故=7.1因此，绘制短路计算等效电路如下图，图5.31：短路计算等效电路5.4计算K-1点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量(1) 总电抗的标幺值 =0.33+2.8=3.13(2)三相短路电流周期分量有效值=5.5/3.13=1.76KA(3)短路次暂态短路电流=1.76KA(4)短路稳态电流 =1.76KA(5)短路冲击电流 =2.551.76KA=4.49KA(6)短路后第一个周期的短路电流有效值=1.5121.76KA=2.66KA(7)三项短路容量 =100/3.13=31.95MVA5.5计算K-2点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量总电抗的标幺值 =0.33+2.8+3.55=6.68(1)三相短路电流周期分量有效值=144/6.68=21.56KA(2)短路次暂态短路电流=21.56KA(3)短路稳态电流 =21.56KA(4)短路冲击电流 =39.67KA(5)短路后第一个周期的短路电流有效值=23.5KA(6)三项短路容量 =100/6.68=14.97MVA短路计算点三相短路电流/KA三相短路容量/MVAK-11.761.761.764.492.6631.95K-221.5621.5621.5639.6723.514.976 变电所一次设备的选择校验6.1 10kV侧一次设备的选择校验 如表6.1所示。 表6.1 10kV侧一次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 他装置地点条件参数数据10 50.72 1.764.16.1一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630A16kA40kA512高压隔离开关GN-10/20010kV200A25.5Ka500高压熔断器RN2-1010kV0.5A50kA电压互感器JDJ-1010/0.1kV电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010Kv100/5A31.8Ka81二次负荷0.6避雷器FS4-1010kV户 外 式 高 压隔离开关GW4-15G/20012kV400A25Kv500表6.1所选一次设备均满足要求。6.2 380V侧一次设备的选择校验 如表6.2所示。 表6.2 380V侧一次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 他装置地点条件参数数据3801639.8921.5638.9594.0一次设备型号规格额定参数低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kV低压断路器DZ20-630380V630A30kA低压断路器DZ20-200380V200A25kA低压刀开关HD13-1500/30380V1500A电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A电流互感器LMZ1-0.5500V100/5160/5避雷器户外隔离开关表6.2所选一次设备均满足要求。6.3 高低压母线的选择 参照表528，10kV母线选LMY-3（），即母线尺寸为；380V母线选LMY-3,即母线尺寸为，而中性线母线尺寸为。7 .变电所进出线和与邻近单位联络线的选择7.1 高压进线的选择校验采用LJ型铝绞线架空敷设，接住10KV公用干线（1）按发热条件选择由I30=I1NT=57.7A及室外环境温度25，查手册，初选LJ-16，其25时的Ial90AI30,满足发热条件。（2）校验机械强度由手册，最小允许截面AMIN=25mm2,因此LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。因为此线路很短，不需校验电压损耗。7.2 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型绞联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。（1）按发热条件选择由I30=I1NT=57.7A及土壤温度25查手册初选缆芯为25mm2的交联电缆，其Ial=90AI30，满足发热条件。（2）校验短路热稳定Amin=I(3)=197002=22mm2A=25mm2C查表可得；tima按终端变电所保护动作时间0.5s，加断路器断路时间0.2s，再加0.05s计，故tima=0.75s。因此YJL22-1000-325电缆满足短路热稳定条件。7.3 380V低压出线的选择（1）馈电给1号厂房（铸造车间）的线路采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。1）按发热条件选择由I30=232.9A及地下0.8m土壤温度为25，查表得初选LJ150，其25时的Ial375AI30，满足发热条件。2）检验电压损耗 由图11-3所示平面图量得变电所至1号厂房距离约为70m，由表查得LJ150的R0=0.28/km,X0=0.34/km(按接线几何均距0.8 m来计)，又1号厂房的P30=93.6kW,Q30=98.28Kvar,因此：U=6.27VU=（6.27V/380V）100=1.67Ual=5满足允许电压损耗5%的要求（2）馈电给2号厂房（锻压车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（3）馈电给3号厂房（金工车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（4）馈电给4号厂房（工具车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（5）馈电给5号厂房（电镀车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（6）馈电给6号厂房（热处理车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（7）馈电给7号厂房（装配车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（8）馈电给8号厂房（机修车间）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（9）馈电给9厂房（锅炉房）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（10）馈电给10（仓库）的线路 亦采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝心电缆直接埋地敷设。缆芯截面选240mm，即VLV22-1000-3240+1120的四芯电缆。（11）馈电给生活区的线路 采用LJ型铝绞线架空敷设为了确保生活用电（照明、家电）的电压质量，决定采用四回LJ120型铝绞线架空敷设，查表得LJ120的R0=0.31/km,X0=0.07/km(按线间几何均居0.6m计），因此： U=14.23vU=%=3.7%1.5按GB5006292规定，电流保护（含电流速断保护）的最小灵敏系数为1.5，因此这里装设的电流速断保护的灵敏系数是达到要求的。8.5作为备用电源的高压联络线的继电保护装置（1） 装设反时限过电流保护 亦采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式结线，去分流体跳闸的操作方式。1） 过电流保护动作电流的整定。IL。max=2I30，Krel=1.3，Kw=1，Kre=0.8，Ki=50/5=10，因此动作电流为：Iop=15.6A整定为16A。2）过电流保护动作时间的整定。按终端保护考虑，动作时间的整定为0.5S。3）过电流保护灵敏系数。因无邻近单位变电所10kV母线经联络线至本厂变电所低压母线的短路数据，无法检验灵敏系数。（2）装设电流速断保护低压总开关采用DW15-1500/3型低压断路器，三相均装过流脱扣器，既可保护低压侧的相间短路和过负荷，而且可保护低压侧单相接地短路。脱扣器动作电流的整定可参看参考文献。低压测所有出线上均采用DZ20型低压断路器控制，其瞬时脱扣器可实现对线路短路故障的保护。9.变电所防雷保护9.1直击雷保护 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。在此设计中，由于变电所为附设式结构，与厂房为同一建筑，所以不考虑直击雷的影响。9.2雷电侵入波的防护1)在10kv的电源进线终端上装设FS4-10型阀式避雷器。引下线用25mm4mm的镀锌扁钢，下面与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地螺栓相连。2)在10kv高压进线配电室内设有GG1 A（F）-54型开关柜。其中配有FS4-1