某中控柜架公司供配电系统电气部分初步设计

黄石理工学院电气与电子信息工程学院供配电工程课程设计报告设计题目：姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 起止时间： 地 点： 指导教师： 完成时间： 年 月 日供配电工程课程设计任务书（8）一、设计题目某中控柜架公司供配电系统电气部分初步设计二、设计目的及要求通过本课程设计，熟悉现行国家标准和设计规范，树立起技术与工程经济相统一的辨证观点；培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；掌握电气工程设计计算的方法，为今后从事电力工程设计、建设、运行及管理工作，打下必要的基础。要求根据用户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，确定配电所及车间变电所的位置与型式，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定车间变电所主变压器的台数与容量、类型，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。三、设计依据1、工厂负荷情况该公司是一家专业制造 GCS、GCK、MNS、GGD 等低压及 XGN、GZSI、HXGN、KYN、GGIA等高压开关柜柜体的技术密集型企业，下设有数控剪板车间、数控锻冲车间、数控折弯车间、全自动型材流水线车间、高精度专业电焊车间、全密闭喷涂磷化车间、自动化组装车间、智能式检验侯审车间等。该公司多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为 4500 小时，日最大负荷持续时间 6 小时。按二级负荷设计。该公司负荷统计资料如表所示。表 负荷统计资料2、供电电源情况按照工厂与当地电业部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近 35/10kV 地区变电站取得工作电源，距厂约为 5km。1 0kV 母 线 短 路 数 据 ：编号 厂房名称 设备容量/kW 需要系数 功率因数1 剪板车间 850 0.55 0.702 锻冲车间 730 0.50 0.753 折弯车间 580 0.50 0.754 型材车间 440 0 45 0 755 电焊车间 390 0.50 0.756 喷涂磷化车间 300 0.45 0.707 组装车间 240 0.45 0.708 检验车间 140 0.55 0.809 综 合 楼 230 0.80 0.85、 ， 其出口断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保MVASmax.k203VASmin.k103护，定时限过电流保护整定的动作时间为 1.5s。要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于 0.90。3气象资料本厂所在地区的年最高气温为 40，年平均气温为 25，年最低气温为2，年最热月平均最高气温为 33，年最热月平均气温为 26，年最热月地下 0.8m 处平均温度为25。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为 52.2 天。4地质水文资料本厂所在地区平均海拔 200m，地层以砂粘土为主，地下水位为 2m。5电费制度本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电价制交纳电费。基本电价 20 元/千伏安/月，电度电价 0.5 元/度。四、设计任务设计内容包括：负荷计算及无功功率的补偿计算，高压配电所所址的选择，变配电所主接线方案的选择，车间变压器位置、台数和容量的确定，高低压配电线路及导线截面选择，短路计算和开关设备的选择，保护配置及整定计算 *，防雷保护与接地装置设计 *等。2.负荷计算2.1 三相用电设备组负荷计算的方法有功计算负荷（kW） edcPK无功计算负荷（kvar） tanQ视在负荷计算（kVA） cosS计算电流（A） NcUI3dK需 要 系 数 eP设 备 容 量 os功 率 因 数 N额 定 电 压2.2 计算负荷及无功功率补偿(1) 对铸铝车 间 计 算 ：有功计算负荷（kW） =890 0.8=712KW.edcK无功计算负荷（kvar） =712 tan(arccos0.85)=441.44KWtanPQ视在负荷计算（kVA） =712/0.85=837.65 KWcosS计算电流 = =1272.7ANccUI387.650故同上计算方法可得到各厂房及生活区的负荷计算如表 1-11-1 电力负荷计算表计算负荷车间变电所序号厂房名称设备容量/kW需要系数/Kd功率因数/costan Pc/kW Qc/kvarSc/kvA Ic/A1 1 剪板车 间 850 0.55 0.70 1.02 467.5 476.9 667.9 1015.1 2 2 锻冲车 间 730 0.50 0.75 0.88 365.0 321.9 486.7 739.7 3 3 折弯车 间 580 0.50 0.75 0.88 290.0 255.8 386.7 587.7 4 4 型材车 间 440 045 075 0.88 198.0 174.6 264.0 401.3 5 5 电焊车 间 390 0.50 0.75 0.88 195.0 172.0 260.0 395.2 6 6 喷涂磷化车间 300 0.45 0.70 1.02 135.0 137.7 192.9 293.1 6 7 组装车 间 240 0.45 0.70 1.02 108.0 110.2 154.3 234.5 6 8 检验车 间 140 0.55 0.80 0.75 77.0 57.8 96.3 146.3 7 9 综合楼 230 0.80 0.85 0.62 184.0 114.0 216.5 329.0 (2) 无功功率补偿考虑到每个车间的功率不同，现如下分配：1、2、3、4、5 号车间单独设一个车间变电所，分别为 STS1,STS2,STS3,STS4,STS5;6、7、8 分为一个变电所为STS6；9 为单独设为一个变电所；一共有七个车间变电所，每个车间选用型式并且选用的自愈式低压并联电力电容器 BSMJ0.4-12-3 进行无功补偿。并采用低压集中补偿方式。补偿之前对每个车间变电所所供应的车间进行有功和无功求和，再算出其视在功率和功率因素。表 1-2 补偿之前各车间变电所低压侧计算负荷编号 车间变电 所 有功Pc/KW 无功Qc/KW视在功率Sc/kVA 功率因数 计算电流/A1 STS1 467.5 476.9 667.9 0.70 1015.1 2 STS2 365.0 321.9 486.7 0.75 739.7 3 STS3 290.0 255.8 386.7 0.75 587.7 4 STS4 198.0 174.6 264.0 0.75 401.3 5 STS5 195.0 172.0 260.0 0.75 395.2 6 STS6 320.0 305.7 443.5 0.72 673.87 STS7 184.0 114.0 216.5 0.83 475.3而供电局要求该厂 10kV 进线侧最大负荷时功率因数不得低于 0.9，380V侧最大负荷时功率因数不得大于 0.92。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此 380 侧最大功率因数因大于 0.9，暂取 0.92 来计算 380V 侧所需无功功率补偿容量。对变电所 STS1 有Qc=Pc(tan1-tan2)=467.5tan(arccos0.7)-tan(arccos0.92)kvar=277.79kvar.故选择 GGJ1-01 型低压无功补偿柜（BSMJ0.4-12-3） ，所需安装的组数 n=Qc/12=277.79/1223。所需柜数 2 台。所以实际补偿为 12 24=288Kvar.则补偿之后总的无功计算负荷为 Qc=476.9-288=188.9Kvar.则补偿之后的总的视在功率为477.9KW.功率因素 =467.5/477.9=0.97.计算电流为22()CCSPQcos726.1A 则同理按照上面的计算方法可得如下表：1-3。其中功率补3ccNIU偿都选用 GGJ1-01 型低压无功补偿柜（BSMJ0.4-12-3） ，依次选用的是 2 台，2台，1 台，1 台，1 台，2 台,1 台。表 1-3 补偿之后各车间变电所低压侧计算负荷编号 车间变电 所 有功Pc/KW 无功Qc/KW实际补偿 KW 视在功率Sc/kVA 功率因数 计算电 流/A1 STS1 467.5 188.9 288 477.9 0.97 726.12 STS2 365.0 153.9 168 375.3 0.97 570.23 STS3 290.0 111.8 144 298.9 0.97 454.14 STS4 198.0 78.6 96 200.8 0.98 305.15 STS5 195.0 76 96 196.0 0.99 297.86 STS6 320.0 113.7 192 329.4 0.97 500.57 STS7 184.0 66 48 184.9 0.98 280.9考虑到车间变电所低变压器压侧折算到高压侧有损耗，即有变压器的功率损耗为：对变电所 STS1 高压侧有= +PT = +0.01Sc=467.5+0.01477.9=472.279KW1CPCP= +QT = +0.05Sc=188.9+0.05477.9=212.795 KvarQ对其他变电所高压侧计算有有:STS2: =368.753KW, =172.665Kvar2CP2CQSTS3: =292.989KW. =126.745Kvar33STS4: =200.008KW, =88.64Kvar4C4CSTS5: =196.96KW, =85.8Kvar5CP5CQSTS6: =323.294KW, =130.17Kvar66STS7: =323.294KW, =130.17KvarCC则 =2040.132KW, =892.06Kvar.PQSc2 = =2226.6KVA22C无功率补偿后，工厂的功率因数为：cos= / Sc2= 0.920.90P因此，符合本设计的要求。2.3 车间变电所的所址和型式由于工厂属二级负荷，并且取得 10kV 母线作为电源，所以变电所选用10kV/0.38kV 直降变电所。综合考虑以下几种因素后： 1、便于维护与检查；2、便于进出线；3、保证运行安全；4、节约土地与建筑费用；5、适应发展要求。2.4 变电所主变压器和主接线方案选择因为 10kV 侧 7 个变电所的视在负荷分别为：477.9，375.3，298.9，200.8，196.0，329.4，184.9。都选一台变压器又考虑到工厂以后的发展，所以选用 7 台 S11-M-301600/10 全密封系列变压器，其中第一个车间变压器容量为 500 kVA，第二个和第六个车间变压器容量为 400 kVA，三、四、五、七车间各为 315 kVA。具体参数如表 2-6 所示表 2-6 变压器参数额定容量/kVA 空载损耗P0/W 短路损耗Pk/W 阻抗电压 Uk% 空载电流 I0%315 480 3650 4.0 1.1400 570 4300 4.0 1.0500 680 5100 4.0 1.03.主接线方案的选择因为工厂是二级负载且考虑到供电可靠性因素，故选择双回母线进线单母线分段接线方式单母线接线方式的优点：简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建。如图 3-1 和表 3-1 所示4.短路电流的计算4.1 短路电流的计算方法基准电流 cddUSI3基准电抗 dddSIX2三相短路电流周期分量有效值 XIkk /)3()3(三相短路容量的计算公式 IUSddc/绘制计算电路 图 4-1 确定基准值 设 Sd=100MVA，Ud=Uo ，即高压侧 Ud1=10.5kV,低压侧Ud2=0.4kV，则1015.33.SdI kAU24.0.Id4.2 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 电力系统最大电抗标幺值 9.01)3(minax kSdX最小电抗标幺值 5.02)3(maxin klSd 架空线路59.1)5.10(5/35.0 220*2 KVAMkUSdxXc 电力变压器 5.2160410/%*4*3 ndSX因此绘制等效电路 如图 4-2图 4-2 等效电路计算 k-1 点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容抗总电抗标幺值最大总电抗标幺值 5.29.1.0*2*max)1(m XXlkax最小总电抗标幺值05.*2*min)1(minlk三相短路电流周期分量有效值最大值 KAXIIkd 63.209./5.*)1min()3(1-kmax ）（最小值 IIkdk 2.5./.*)1max()3()1min 其他短路电流 KAIIIk2.)3()1in)3()3(min63()max)()(ax IIIk.)3()1)3()3(mKAIi 6.52.5.5.2)3(min)3(mnsh MAX 73)()(axsII 1.1.)3(min)3(minsh KA046255)(ax)(axs 三相短路容量 MVXSSkdk 85.709.21*)min(3)1max(）（ Akdkm 45.*)1max(3)1(in）（计算 k-2 点（0.4kV）侧的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量六台变压器分列运行，取其中一个作为计算例子（第一个车间变电所 STS1） ，其他五个相同总电抗标幺值 5.6459.1.0*3*2*max)2(m XXXlkax 09.*3*2*in)2(inlk三相短路电流周期分量有效值 KAXIIkdk 2.5.641*)2max()3()2min IIkdk 7.2309.641*)2min()3()2max 其他短路电流在 10/0.4kV 变压器二次侧低压母线发生三相短路时，一般 ，可取XR31，因此 ，则：6.1shk IIishsh31.,6.2KAII kkk 7.2)()max)3(2)3()2max“ KAIII kkk 2.)3()2min)3(2)3(2min“ sh 56.7.6.)3(axis 1022)(mn KAIsh 831.)3(ax sm 95)(in三相短路容抗 AKVXSSkdk 42.1609.*)2min()3()2axkdk 38.5.6*)2max()3()2min将以上数据列成短路计算表,如表 4-1 和 4-2 所示：表 4-1 最大运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流/kA 三相短路容抗/MVA短路计算点 *X(3)KII(3)(3)shi(3)shI(3)kSK-1 2.5 2.63 2.63 2.63 6.7 4.0 47.85K-2 6.5 22.2 22.2 22.2 50.17 25.09 16.42表 4-2 最小运行方式下总电抗标幺值 三相短路电流/kA 三相短路容抗/MVA短路计算点 *X(3)KII(3)(3)shi(3)shI(3)kSK-1 2.09 2.2 2.2 2.2 5.6 3.3 40K-2 6.09 23.7 23.7 23.7 53.56 26.78 15.385.变电所的一次设备的选择校验供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。电气设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。电气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电气装置所处的位置（室内或室外） 、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率（一般为 50Hz）等的要求；对一些断流电器如开关、熔断器等，应考虑其断流能力。5.1 高压设备器件的校验对于高压设备器件的校验项目见表 5-1：表 5-1 高压设备器件的校验项目短路电流校验电器设备名称 额定电压 /kV 额定电流/A 断流能力 /kA动稳定 热稳定真空断路器 旋转式隔离开关 电缆、绝缘导线 高压熔断器 电流互感器 电压互感器 选择校验的条件设备的额定电压应不小于装置地点的额定电压设备的额定电压应不小于通过设备的计算电流设备的最大开断（或功率）应不小于它可能开断的最大电流（或功率）按三相短路冲击电电流和流校验按三相短路稳态短路发热假象时间校验5.2 主要设备的选择校验在本设计中所用到的 10kV 的高压成套设备为 XGN2-12 型箱型固定式交流金属封闭开关设备。该设备是三相交流 50Hz 单母线及单母线带旁路系统的户内成套设备，具有安全连锁、防误性能、运行安全可靠、真空灭弧室免维护等特点。在该设计的总降压变电所内用到该系列的开关柜有如下器件：（1）电流互感器 LZZJ-10 的选择和校验电流互感器应按装设 地点条件及额定电压，一次电流，二次电流（一般为 5A） ，准确级等进行选择，并应校验其短路动稳态和和热稳态。LZZJ-10 校验如表 5-2 所示：表 5-2 LZZJ-10 校验安装地点的电气条件 LZZJ-10序号 项目 数据 项目 数据 结论1 UN 10kV UN 10kV(最高11.5kV) 合格2 IC 116.3 IN 630A 合格3 (3)k3.25 (3)k- 合格4 ()shI4.91 ()shI50kA 合格5 2tima11.62kA2.S 2tima446.25kA2.S 合格（2）高压熔断器 RN2-10 的选择和校验在 335kV 的电站和变电所常用的高压熔断器有户内高压限流熔断器， 最高额定电压能达40.5kV，常用的型号有 RN 1、RN 3、RN 5、XRNM 1、XRN T 1、XRN T 2、XRN T3 型， 主要用于保护电力线路、电力变压器和电力电容器等设备的过载和短路；RN2 和 RN 4 型额定电流均为 0.5A ， 为保护电压互感器的专用熔断器。 RN2-10 高压熔断器的选择校验如表5-3 所示：表 5-3 RN2-10 高压熔断器的选择校验表安装地点的电气条件 RN2-10 高压熔断器序号项目 数 据 项目 数 据 结论1 NU10kV NU12kV 合格2 cI116.3 cI200A 合格3 (3)KI3.25 IK 31.5kA 合格（3）其他项目的校验其他项目校验包括：真空断路器 ZN28A-12/630-20，1000-20、电压互感器JDZ-12、隔离开关 GN30-10/630-20 如表 5-4 所示。表 5-4 其他校验项目选择校验项目 电压 电流 断流能 力 动稳定 度 热稳定度参数 UN IC IK(3) i(3)sh I2tIMA结论安装地点的电气条件 数据 10kV 116.3 3.25 8.2911.62kA2.S合格参数 UN IN IK ish I2t 合格(20kA)2 4S=真空断路器 ZN28A-12/630-20，1000-2012kV 630A 20kA 50kA1600kA2.S合格电压互感器 JDZ-12 12kV - - - - 合格设备型号规格隔离开关 GN30-10/630-20 10kV 630A 31.5 kA 80kA(31.5kA)24S=3969 kA2.S合格导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。5.3 导线与电缆的选择与校验导线（包括裸线和绝缘导线）截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。母线的选择：按发热条件来选择，即满足母线容许载流量 IIc(计算电流)，即选择 TMY-3(505).10kV 的架空线的截面选择： (3) 32min/.2510/87.4imaAItCm由于线路很短,线路末端短路电流与始端电流相差不大,因此以 10KV 母线上短路时的短路电流进行校验，电力电缆截面选择： (3) 322min/./.35imaIt 5.4 低压设备的选择与校验低压一次设备的选择校验项目和条件如表 5-5、5-6 所示表 5-5 低压一次设备校验短路电流设备名称 额定电压 额定电流热稳定 动稳定开断能力/kA低压断路器 隔离开关关 低压熔断器 表 5-6 低压一次侧进线备的选择校验选择校验项目 电压 电流 断流能 力 动稳定 度 热稳定度参数 NUcI(3)KI)3(shi2imaIt按装 地点的电气条件 数据 0.38kV 1163A 17.95kA40.57kA 1.0S*(40.57kA)2=1645.9 kA2.S参数 .NQF.FIOCImaxi tIHD13 0.66 1000A 50kA 100kA 1S*(50kA)2=2500kA2.SDW15 0.66 1000A 40kA 80kA 1S*(40kA)2=1600kA2.S设备型号规格LMZ3-0.66 0.66 1000A 40kA 63kA 0.5S*(40kA)2=800kA2.S5.3 电力变压器继电保护整定计算电力变压器的继电保护1.反时限过电流保护（1） 整定动作电流 变压器的最大负荷电流是 A2.max1. 103.722.53clNTNSIU取 Krel=1.3 Kre=0.8 Ki=250/5=50 ,故反时限过电流保护的动作电流为A.max.23.57.608relwOPliII查附录表，选用 GL-15/10 型继电器，动作电流整定为 8A(2)检验灵敏度变压器低压母线两相短路电流反映到高压侧的电流值为 (3)(3) 2.min0.860.861.750.84kkIKAIK反时限过电流保护的灵敏度为 (3).min1750.8.71.5wkpopISA满足灵敏度要求。2.电流速断保护（1）整定速断电流 变压器低压母线三相短路电流反映到高压侧的电流值为(3)(3)2210/8.7/().754kkIKK电流速断保护的动作电流（速断电流）为 (3)2.50relwqbkiIIA因反时限过电流保护的 ，故速断电流倍数为8OP21.3qbopIn（2