学校供配电系统项目设计方案

1 学校供配电系统项目设计方案 1 概 述 课程设计的论文题目是：高校供配电工程总体规划方案设计；作为高校，随着本科教育工作的推进和未来几年的继续扩招，对学校的基础设施建设特别是电力设施将提出相当大的挑战。因此，我们做供配电设计工作，要作到未雨绸缪。为未来发展提供足够的空间：这主要表现在电力变压器及一些相当重要的配电线路上，应力求在满足现有需求的基础上从大选择，以避免一台变压器或一组变压器刚服役不到几年又因为容量问题而台而光荣下岗的情况的发生。 总而言之，定位现实，着眼未来；以发展的眼光来设计此课题供配电系 统设计应贯彻执行国家的经济技术指标，做到保障人身安全，供电可靠，技术先进和经济合理。在设计中，必须从全局出发，统筹兼顾，按负荷性质、用电容量、工程特点，以及地区供电特点，合理确定设计方案。还应注意近远期结合，以近期为主。设计中尽量采用符合国家现行有关标准的效率高、能耗低、性能先进的电气产品。 供配电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和日常生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求： 1、安全 在电能的供应、传输、分配和使用中，应确保不发生人身事故和设备事故。 2、可靠 在电力系统的运行 过程中，应避免发生供电中断，满足电能用户对供电可靠性的要求。 3、优质 就是要满足电能用户对电压和频率等质量的要求。 4、经济 降低电力系统的投资和运行费用，并尽可能地节约有色金属的消耗量，通过合理规划和调度，减少电能损耗，实现电力系统的经济运行。 此外，在供配电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。 2 原始资料分析 供配电设计内容主要包括变配电设计、高压配电线路设计、低压配电线路设计和电气照明设计等。其设计步骤一般如下： 1 收集原始资料 在动手设计之前，应根据设计任务书的要求，收集用电设备的性质、特征、 2 功率、布局、环境及气象条件；各用电单位的平面图及断面图；用电设备平面布置图；电源的电压、容量及可能提供的供电方式。 2电力负荷的分析计算 根据提供的各用电单位的电力负荷清单，分析那些电力设备属一级负荷，那些属二级负荷，那些属三级负荷，然后按需要系数法分别计算出各用电单位及全部的计算负荷，在中学平面图上画出各用电单位的负荷图。 根据各用电单位的负荷性质及平面布局，确定在那些地方设变电所及各变电所中的变压器台数。然后根据确定的变电 所布局，拟出各用电单位变电所供电范围，并计算各变电所的计算负荷。 3配电系统设计 配电系统设计应根据工艺设计所提供的设备平面布置图、拟出两种可行的配电系统方案进行比较后，确定一种方案。 4低压配电屏的选择 5选择高压电器 6变配电所平面布置设计： 根据变电所应靠近负荷中心及进出线方便的原则，确定变电所的位置，然后根据环境条件确定变压器是放在户外还是室内。 3 系统计算负荷及无功功率补偿 计算负荷是确定供配电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据；计算负 荷确定的是否正确，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。采用无功补偿，提高了系统的功率因数，不仅可以节能，减少线路压降，提高供电质量，还可以提高系统供电的裕量。本章采用需要系数法对学校的各类用电负荷进行详细计算，并采用 并联电容器 方法对低 压进行集中补偿 ，以提高功率因数。 负荷计算 负荷计算的内容和目的 （ 1）负荷计算的内容包括设备功率计算，计算负荷，尖峰电流，一、二级负荷和平均负荷等内容。 计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动 负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用 30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。 3 （ 2）负荷计算的目的是为了合理的选择供电系统中的导线、开关电器、变压器等元件、整定继电保护，使电气设备和材料得以充分利用和安全运行。 计负荷的确定 计算负荷的方法主要有需要系数法和二项式法。前一种方法比较简便，在设计单位的使用最为普遍。当用电设备台数较多、各台设备容量相差不甚悬殊时，通常都采用需要系数法计算。当用电设备台数较少而容量又相差悬殊时，则宜采用二项式法计算，凡是民用建筑中的 负荷，一般都是用需要系数 既简便又实用，因为民用建筑中单机负荷较大的各类设备都是采用单机组或同类机群放射式供电，在计及供电线路、开关时，都是用单机的额定电流或起动电流进行选型或校验的，所以普遍采用需要系数法。 本设计则采用需要系数法来确定计算负荷。 按需要系数法确定计算负荷的公式 （ 1）有功计算负荷（单位为 30 P 式中 用电设备组总的设备容量（不含备用设备容 量，单位为 用电设备组的需要系数。 （ 2） 无功计算负荷（单位为 3030 ta （ 3） 视在计算负荷（单位为 3030 （ 4） 计算电流（单位为 A） 30303 （ 5） 多组用电设备有功计算负荷基本公式： 同时系数 : 0 0 0 . 8 5 0 . 9 5 本次设 计取 3 0 3 0P K P P 4 3 0 3 0Q K q Q 3 0 3 0 3 U 3 0 3 0c o s 负荷计算的结果 根据实验中学计资料，按照需要系数法，负荷计算结果如表 3 表 3负荷计算表 建筑 名称 负荷 性质 数量 总容量 /需要系数计 算 负 荷 30/P 荧光灯 288 2 2 白炽灯 44 2 投影机 24 2 2 空调 24 2 48 2 4 消防电 36 合 计 #舍楼 荧光灯 100 4 4 4 白炽灯 98 4 电风扇 100 4 10 4 0 消防电 18 4 4 合 计 光灯 40 5 餐厅 电视 8 电风扇 20 2 电磁炉 40 80 68 0 68 电冰箱 40 16 消防栓 10 合 计 表 3筑 名称 负荷 性质 数量 总容量 /需要系数 计 算 负 荷 30/P 30/ 0/S A 图书馆 荧光灯 60 白炽灯 8 空调 6 12 电脑 6 消防栓 4 合计 育中心 白炽灯 40 音响 10 1 消防栓 4 合计 卫室 荧光灯 2 空调 1 2 电脑 1 消防栓 2 合计 园内路灯 白炽灯 150 6 计 6 白炽灯 12 6 操场 音响 10 1 合计 合计 以 K p = K q =无功功率补偿及其计算 无功补偿的目的 按供电局的规定，低压功率因数补偿到 压功率因数要求 用无功补偿，提高系统的功率因数，既可以节能、减少线路压降，又能提高供电质量，还可以提高系统供电的裕量。因此，供配电系统中的无功功率补偿是必不可少的。 无功功率的人工补偿装置 工程中普遍采用并联电容器来补偿供电系统的无功功率 。 并联电容器的补偿方式，有以下三种： （ 1） 高压集中补偿 电容器装设在变配电所的高压电容器室内，与高压母线相联（如图 2 （ 2） 低压集中补偿 电容器装设在变配电所的低压配电室或单独的低压电容器室内，与低压母线相联。它利用指示灯或放电电阻放电。按 95规定：低压电容器组可采用三角形结线或中性点不接地的星形结线方式（如图2 （ 3） 低压分散补偿 电容器装设在低压配电箱旁或与用电设备并联。它就利用用电设备本身的绕组放电。电容器组多采用三角形结线（如图 2 7 民用建筑供电有它的特殊性：一是照明负荷占的比重比较大，属于分散负荷；二是电机大部分是空调风机、防排烟风机，其容量也是小而分散。由于上诉原因，在民用建筑的供电系统中，一般都是采用低压配电装置处集中补偿。而且，采用低压集中补偿不需要从电力系统中获取无功，可以减少电力系统的无功功率发生装置，也减少了电力系统到用户的线路上的无功传输，从而减少了这部分线路的电压损失及电能损耗。因此，本设计采用低压集中补偿。 并联电容器的选择计算方 法 （ 1） 无功功率补偿容量（单位为 计算 3 0 3 012( t a n t a n ) （ 2）并联电容器个数 式中 单个电容器的容量（单位为 无功功率补偿的计算 由负荷计算表知，该学 380 侧最大负荷时的功率因数为 民用建筑各地供电局规定低压功率因数补偿到 压功率因数补偿到 8 （ 1） 低压电容器柜（屏）的选择方法 低压无功功率自动补偿屏有 1、 2、 3、 4 等 4 种方 案。其中 1、 2 屏为主屏， 3、 4屏为辅屏。 1、 3屏各有六条支路，电容器为 屏共 84用六步控制，每步投入 142、 4屏各有八条支路，电容器亦为 屏共 112用 8步控制，每步投入 14 选择步骤： 根据控制步数要求，选择一台 1号或 2 号主屏。 根据所需无功补偿容量再补充一台或数台 3号或 4号辅屏 （ 2） 低压电容器柜（屏）的选择 30 12( t a n t a n )5 3 6 . 5 2 6 t a n ( a r c c o s 0 . 8 1 ) t a n ( a r c c o s 0 . 9 2 ) v 6 . 5 2 6 ( 0 . 7 2 4 0 . 4 2 6 ) v a r 1 5 9 . 8 8 v a 选 低压自动补偿屏 ,并联电容器为 (主屏 )1台与方案 3(辅屏 )1台相结合 ,总共容量 842=168功补偿后， 3800 3无功补偿后宾馆的计算负荷 项目 63010 . 补偿前负荷 80V 侧无功补偿容量 168 380V 侧补偿后负荷 变压器功率损耗 10负荷总计 过低压集 中补偿后，不但提高了系统的功率因数，使高压侧的功率因数达到了 且减少了线路压降，提高了供电质量，还提高了系统供电的裕量。 4 变配电所主变压器及主接线方案的选择 变配电所是电力网的重要组成部分，承担着电网电压的变换和电能传输任务。他的设计（ 变电所位置的确定和主变压器及主接线方案的选择 ）至关重要， 9 其中主接线代表了变配电所主体结构，它对各种电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系，并将长期影响电力系统运行的可靠性、安全性、灵活性和经济性。 本设计严格遵循变电所各个部分设计的原则，选择出适合本实验中学供配电方式的方案。 变配电所位置的选择 变配电所型式的概述 变配电所有屋内式和屋外式。 屋内式的特点由于允许安全净距小，可以分层布置；故占地面积少；维修、操作、巡视在室内进行，比较方便，不受气候的影响；外界污秽空气不会影响电气设备，维护工作可以减轻；房屋建筑投资较大。 屋外式的特点土建工程量和费用较少，建设周期短；扩建方便；相邻设备之间距离较大，便于带电作业；占地面积大；设备露天运行条件差，需加强绝缘；天气变化对维修和操作有 较大影响。 在选择工厂总变配电所型式时，应根据具体的地理环境，因地制宜；技术经济合理时，应优先选用屋内式。 负荷较大的车间，宜设附设式或半露天式变电所。 负荷较大的多跨厂房宜设车间内变电所或组合式成套变电所。 负荷小而分散的工厂车间或远离有易燃易爆危险及腐蚀性车间时，宜设独立变电所。 变电所主变压器的选择 主变压器的选择包括主变台数和容量的选择，它的确定应结合变电所主接线方案的选择，下面将做详细介绍。 变电所主变压器选型的原则 为了调压和降低电能损耗，变压器选择应考虑以下原则： （ 1） 变压器应尽量选节能型的油浸或干式变压器； （ 2） 独立的变配电所，可选节能型干式变压器； （ 3） 非一类建筑物，当变压器附设在首层靠外墙时，可安装油浸变压器，但容量不得超过 400 10 变电所主变压器台数的选择 变压器台数应根据负荷特点和经济运行要求进行选择。当符合下列条件之一时，宜采用两台及以上变压器： （ 1） 有大量一级负荷或者虽为二级负荷，但有一定数量的消防设备、保安设备等用电； （ 2） 集中负荷较大，所需变压器容量超过 500，可选用两台小容量变压器，以确保供电安全； （ 3） 季节性负荷变化较大时，可设两台或两台以上变压器，以便在淡季时可切除整台变压器。 其它情况下宜装设一台变压器。 变电所主变压器容量的选择 根据实验中学的负荷性质和电源情况，中学变电所的主变压器可由下列两种方案： （ 1）装有一台主变压器的变电所 主变压器容量 型式采用 容量根据上式，选 30 即选一台 0 型空气自冷干式变压器。 （ 2）装有两台主变压器的变电所 每台主变压器容量0%，最好为总的计算负荷0%左右，即 级负荷之和 +）， 即 +） 若装设两台主变压器 型号亦采用 每台容量按以上两式选择，因此选择两台 0 型空气自冷干式变压器。其联结组别采用 11 变配电所主接线方案的选择 变（配）电所的主结线（一次接线）是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。用图形符号表示主要电气设备在电路中连接的相互关系，称为电气主结线图。电气主结线图通常以单线图形式表示。 主结线的基本形式有 单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。 变配电所主接线设计要求 电气主接线设计应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。 （ 1） 可靠性 供电可靠性是指能够长期、连续、正常地向用户供电的能力 ,是电力生产和分配的首要要求，主接线的设计首先应满足这个要求。 电气主接线不仅要保证在正常运行时 ,还要考虑到检修和事故时 ,都不能导致一类负荷停电 ,一般负荷也要尽量减少停电时间。显然 ,这些都会导致费用的增加 ,与经济性的要求发生矛盾。因此 ,应根据具体情况进行技术经济比较 ,保证必要的可靠性 ,而不可片面地追求高的 可靠性。 （ 2） 灵活性 满足调度时的灵活性要求。应能根据安全、优质、经济的目标，灵活地投入和切换电源、变压器和线路，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。 满足检修时的灵活性要求。在某一设备需要检修时，应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全隔离，保证检修人员检修时的方便和安全。 满足扩建时的灵活性要求。大的电力工程往往要分期建设。从初期的主接线到最终方案的确定，每次过渡都 应比较方便，对已运行部分影响小，不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的改建工作量最少。 （ 3） 经济性 在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可靠、灵活，必然要选用高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下作到经济合理。一般应当从以下几方面考虑。 节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采取限制短路电流的措施， 12 以节省开关电器的数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便 降低投资。 电能损耗少，经济合理地选择主变压器的形式、容量和台数，避免两次压降而增加电能损失。 占地面小。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时，要注意节约搬迁费用、安装费用和外汇费用。对大容量电厂或变电站，在可能和允许的条件下，应采取一次设计，分期投资建设，尽快发挥经济效益。 变配电所主接线方案的拟定 按上面考虑的两种主变压器的方案可设计下列按两种主接线方案： （ 1）装设一台主变压器的主接线方案 如图（ 4示 （ 2）装设两台主变压器的主接线方 案 如图（ 4示 S G 1 0 - 6 3 010 0 . 4 K 设一台主变的主接线方案（附高压柜列图） 13 S G 1 0 - 4 0 010 0 . 4 K 1 0 - 4 0 010 0 . 4 K 设两台主变的主接线方案（附高压列柜图） 两种主接线方案通过技术指标和经济指标两个方面的比较，比较结果见表4 表 4种主结线方案的比较 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，电压损耗略大 由于两台主变并列，电压损耗略小 灵活方便性 只一台主变，灵活性稍差 由于有两台主变，灵活性好 扩建适应性 稍差一些 好一些 14 经济指标 电力变压器的综合投资额 由网上查得 表得其综合投资约为其单价的 2倍，因此其综合投资为 2 由网上查得 压器的综合投资额约为单价的四倍，因此两台综合投资为4 一台主变方案多投资 高压开关柜（含计量柜）的综合投资额 查表得 F）型柜按每台 4万元计，查表得其综合投资可按设备价的 此高压开关柜的综合投资约为 4 4万元 =24万元 本方案采用 7台 F）柜，其综合投资额约为 7 电力变压器和高压开关柜的年运行费 按表 4变的折旧费=压开关柜的折旧费 =24万元配电设备的维修管理费 =（ 4）万元此主变和高压开关柜设备的折旧和维修管理费 =（ 元 =余项目从略）。 主变的折旧费 =压开关柜的折旧费 =配电设备的维修管理费 =（ 元 此主变和高压开关柜设备的折旧和维修管理费 =（ 元 =一台主变方案多耗资 交供电部门的一次性供电贴费 按 900元 /费为 630 费为 2 400 2，比一台主变的方案的贴费多 上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线（图 4优于装设一台主变的主接线方案（图 4但按经济指标，则装设一台主变的方案（图4优于装设两台主变的方案（图 4因此决定采用装设一台主变的方案（图 4 5 短路电流计算 “短路”是电力系统中常发生的一种故障。所谓短路是电网中某一相导体未通过任何负荷而直接与另一相导体或“地”相碰触。电网正常运行的破坏大多数是由短路故障引起的。因此，正确计算短路电流尤为重要。 计算短路电流的目的 （ 1） 为保证电力系统的安全运行，在设计选择电气设备时，都要用可能流经该设备的最大短路电流进行热稳定和动稳定校验，以保证该设备在运行中能够经 15 受住突发短路引起的发热和电动力的巨大冲击。 （ 2） 为尽快切断电源对短路点的供电，继电保护装置将自动的使有关断路器跳闸，继电保护装置的整定和断路器的选择，也需要准确的短路电流数据。 短路计算的方法 短路电流计算的方法常用的有欧姆法（有名单位制法）和标么值法。 在电力系统计算短路电流时，如计算低压系统的短路电流，常采用有名单位制；但计算 高压系统短路电流，由于有多个电压等级，存在着电抗换算问题，为使计算简化常采用标么制。 因此，本设计采用的是标么值法来计算短路电流。 标么值法计算短路电流 用标么值法进行短路计算的方法 短路电流中各主要元件的电抗标么值求出以后，即可利用其等效电路图进行电路化简，计算其总电抗标么值 ，由于各元件电抗均采用相对值，与短路计算点的电压无关，因此无需进行电压换算，这也是标么值法较之欧姆法优越之处。 无限大容量系统三相短路周期分量有效值的标么值按下式计算为 ()( ) */c d 3 23 133（ 4 由此可求得三相短路电流周期分量有效值 ( ) ( ) *I I 33（ 4 求得 )后，即可利用前面得公式求出 I” (3)、 I (3)、 )和 )等。 三相短路容量得计算公式为 ( ) ( )* 33 33 （ 4 短路电流的计算过程与结果 （ 1） 绘制计算电路图如图 416 （ 2） 确定基准值 设00压侧，1 1 0 V， 低压侧2 11100 5 . 53 3 1 0 . 5dd V AU k v 22100 1443 3 0 . 4dd V AU k v （ 3） 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 电力系统 *1 100 0 . 2500 M V V A 架空线路 查表 8 线长 8 *2 21000 . 3 5 0 . 8 2 . 5 41 0 . 5 M V V 电力变压器 %，故 * % 34 1 0 0 1 0 0 0 6 3 51 0 0 1 0 0 6 3 0因此绘制等效电路，如图所示 （ 4） 计算 （ ）的短路电路总电 抗及三相短路电流和短路容量 系统 5001) (2) 185， 8 3） 5短路计算电路 17 总电抗标幺值 * * *121 0 . 2 2 . 5 4 2 . 7 4 X 三相短路电流周期分量有效值 3 *11 1/ 5 . 5 / 2 . 7 4 2 . 0 1kd X K A K A 其它短路电流 3 3 3 1 2 . 0 1 I K A 3 32 . 5 5 2 . 5 5 2 . 0 1 5 . 1 3 K A K A 3 31 . 5 1 1 . 5 1 2 . 0 1 3 . 0 4 K A K A 三相短路容量 3 *1 1/ 1 0 0 / 2 . 7 4 3 6 . 5kd X M V A M V A （ 5） 计算 （ ）的短路电路总电抗及三相短路 电流和短路容量 总电抗标幺值 * * * *1 2 32 0 . 2 2 . 5 4 6 . 3 5 9 . 0 9 X X 三相短路电流周期分量有效值 3 *22 2/ 1 4 4 / 9 . 0 9 1 5 . 8kd X K A K A 其它短路电流 3 3 3 1 1 5 . 8 I K A 3 31 . 8 4 1 . 8 4 1 5 . 8 2 9 . 0 7 K A K A 3 31 . 0 9 1 . 0 9 1 5 . 8 1 7 . 2 K A K A 三相短路容量 3 *2 2/ 1 0 0 / 9 . 0 9 1 1kd X M V A M V A 以上计算结果综合如表 4 表 5短路计算结果 短路计算点 三 相短路电流 /相短路容量 /3 3I 3I 3336.5 1 18 6 变电所电气设备的选择 一次侧电气设备 10一次设备的选择校验 （ 1）高压断路器的选择校验 回 路 最 大 持 续 工 作 电 流 选 择 ：m a 0 5 1 . 0 5 3 6 . 43 c o s 3 1 0 . 5 0 . 9 1 根据断路器选择原则选择 30型高压真空断路器，其参数如下： 额定电流 A) 开断电流极限电流峰4S 热稳定电流 A) 630 2 验：额定工作电压 10路电压 10 动稳定校验： ) = 极限电流峰 ) 符合要求。 热稳定校验： 2 2 28 . 7 4 3 0 2 . 6tI t K A S 因为 2 0 . 2 2 . 2k o p o ct t t S ，参考供配电技术当 1时，可认为2 a kt t S ( 3 ) 2 2 22 . 0 1 2 . 2 8 . 8 9i m aI t K A S 2 ( 3 ) 2t t I t 开断电流校验： 开断电流 相短路电流 3 3 经上述校验所选断路器满足设计选择需求。 （ 2）户内高压隔离开关的选择校验 19 根据隔离开关的选择原则 以选择 10T/200 的隔离开关，其参数 如下： 额定电流 A) 动稳定电流峰 5S 热稳定电流 (200 0 校验：额定工作电压 10路计算电压 10稳定校验： ) = 动稳定电流峰值 符合要求。 热稳定校验： 2 2 21 0 5 5 0 0tI t K A S 2 a kt t S ( 3 ) 2 2 22 . 0 1 2 . 2 8 . 8 9i m aI t K A S 2 ( 3 ) 2t t I t 经上述校验所选断路器满足设计选择需求。 （ 3）户外高压隔离开关的选择校验 选择： 00 型高压隔离开关，其参数如下： 额定电流 A) 动稳定电流峰 5S 热稳定电流 (400 25 10 校验：额定工作电压 12路计算电压 10稳定校验： 5) = 动稳定电流峰值 符合要求。 热稳定校验： 2 2 21 0 5 5 0 0tI t K A S 2 a kt t S ( 3 ) 2 2 22 . 0 1 2 . 2 8 . 8 9i m aI t K A S 2 ( 3 ) 2t t I t 经上述校验所选高压隔离开关满足设计选择需求。 （ 4）高压熔断器选择校验 根据高压熔断器的选择原则，选择 高压熔断器，其参数如下： 20 额定电压 额定电流 A) 最大开断电流 (10