电气工程课程设计-某冶金机械厂降压变电所的电气设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 电气工程课程设计 题 目 某冶金机械厂降压变电所的电气设计院 系 电气信息工程学院自动化系 专业班级 电气 学生姓名 学生学号 指导教师 2011年 7月 18 日东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 某厂降压变电所的电气设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容：对中小型工厂的供配电系统进行设计，模拟一个中小型工厂10/0.4kV、容量为1000kVA的降压变电所，既含有高压供电部分又含有电力变压器低压配电部分，注重理论联系实际，理论知识力求全面，同时注重介绍和反映现代供配电技术的新技术。其它各项设计，均应根据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、经济合理的要求进行设计。参考资料：1 于永源，杨绮雯电力系统分析（第二版）M北京：中国电力出版社，2004 2 电力工业部西北电力设计院编电力工程电气设备手册（下册）M北京：中国电力出版社，1998年10月 3 电力工业部西北电力设计院编变电所总布置设计技术规程M北京：中国电力出版社，1996年12月 4 电力工业部西北电力设计院编电力工程电气设计手册（1册）M北京：中国电力出版社，1996年6月完成期限 2011.7.10至2011.7.18 指导教师 专业负责人 2011年 7 月 9 日电气工程课程设计（报告）目 录1 设计要求12 工厂负荷计算及配电系统的确定12.1 工厂实际情况的介绍12.2 工厂负荷计算和无功补偿计算32.3变电所位置和型式的选择73电气设备的选择与电气校验73.1变电所主变压器台数、容量及主结线方案的选择73.2 高低压线路的选择93.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值94 短路电流计算104.1绘制计算电路104.2确定短路计算基准值114.3变电所一次设备的选择与校验115继电保护系统的设计125.1变电所二次回路方案的选择125.2变电所继电保护装置145.3主变压器速断电流保护166防雷和接地装置的设计166.1接地电阻的要求166.2 接地装置的设计167 结论17参考文献181 设计要求（1）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。（2）确定变电所主变压器的台数与容量、类型。（3）选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线。（4）确定二次回路方案。（5）选择整定继电保护装置。（6）确定防雷和接地装置。（7）绘制设计图样。2 工厂负荷计算及配电系统的确定2.1 工厂实际情况的介绍 1.本次设计的机器厂厂区平面布置图如图2.1所示公共电源干线厂 区后厂门北工厂生活区厂 门大 街图2.1厂区平面布置图图2.1 厂区平面布置图用电编号用电单位编号用电单位名称负荷性质设备容量/kW需要系数功率因数1铸造车间动力3450.40.65照明80.91.02锻压车间动力 3450.250.65照明70.81.03金工车间动力2750.30.6照明80.81.0 4工具车间动力2900.250,6照明100.81.0 5电镀车间动力3000.60.7照明70.81.0 6热处理动力2550.50.751.0照明70.80.75 7装配车间动力1350.40.75照明70.81.08机修车间动力1250.30.6照明40.81.09锅炉房动力550.50.7照明10.81.010仓库动力250.30.6照明20.81.0生活区照明3000.81.02.各车间负荷情况见表2-1。表2-1 各车间负荷情况3.供电电源。按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近一条10kV的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-185，导线为等边三角形排列，线距为1.5m；干线首端（即电力系统的馈电变电所）距离本厂约10km，该干线首端所装高压断路器的断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，其定时限过电流保护整定的动作时间为1.4s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用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达100km，电缆线路总长度达30km。4.气象资料。本厂所在地区的年最高气温为40，年平均气温为20，年最低气温为-5，年最热月平均最高气温为35，年最热月平均气温为28，年最热月地下0.8m处平均温度为25，年主导风向为东风，年雷暴日数为32。5.地质资料。本厂所在地区平均海拔500m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。6.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，按两部电费制缴纳电费。每月基本电费按主变压器容量为18元/（kVA），动力电费为1元/（kWh)，照明（含家电）电费为0.56元/（kWh），工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.2.2 工厂负荷计算和无功补偿计算2.2.1负荷计算负荷计算，可作为按发热条件选择变压器、导体及电器的依据，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1 单组用电设备计算负荷的计算公式 1）有功计算负荷（单位为kW） （2-1）2) 无功计算负荷（单位为kVAR） （2-2）3）视在计算负荷（单位为KVA） （2-3）4）计算电流（单位为A） （2-4）为用电设备的额定电压则由以上得：（1） 铸造车间的动力负荷：查表得=345kW，=0.4，=0.65，=1.17，因此铸造车间的照明负荷：查表得=8Kw，=0.9，=1.0，=0，因此因此总的负荷为：（取）（2） 锻压车间的动力负荷：查表得，=0.65，=1.17，因此锻压车间的照明负荷：查表得=7kW，=1.0，=0，因此因此总的负荷为：（取）经过计算，得到各车间和生活区的负荷计算表，如表2-1所示（额定电压取380V）。表2-2 各车间和生活区及整个工厂的负荷计算表编号名称类别计算负荷（kW）（kVAR（KVA）1铸造车间动力0.651.17138161.4212.3照明1.007.207.2小计130.7145.3195.3 2锻压车间动力0.651.1776.2589.21117.3照明1.005.605.6小计73.6780.291093金工车间动力0.61.3382.5109.7137.5照明1.006.406.4小计8098.8127.14工具车间动力0.61.3372.596.43120.8照明1.00808小计72.4586.81135电镀车间动力0.71.02180183.6257照明1.005.605.6小计167165.22356热处理动力0.750.88127.5112.2170照明1.005.605.6小计119.8101156.77装配车间动力0.750.885447.5272照明1.005.605.6小计53.6442.7768.68机修车间动力0.61.3337.549.962.5照明1.003.2032小计36.6345589锅炉房动力0.71.0227.52839.3照明1.000.800.8小计25.4725.23610仓库动力0.61.337.59.97512.5照明1.001.6016小计8.19912.211生活区8008012全工厂总和762.8719.410482.2.2无功功率的补偿提高功率因数，可以充分利用系统内各发电变电设备的容量，增加其输电能力，减少供电线路导线的截面，节约有色金属，减少电力网中的功率损耗和电能损耗，并降低线路中的电压损失，达到节约电能和提高供电质量的目的。由上得整个低压侧的负荷：则由最大负荷时功率因数公式得：该厂380V侧最大负荷时的功率因数又有0.73，而供电部门要求该厂10kV进线侧最大负荷时功率因数不低于0.9，考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量则选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用1台主屏与5台辅屏相组合，则总共容量。补偿前后变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，计算电流 ，功率因数提高为cos = ，满足规定的要求。2.3变电所位置和型式的选择2.3.1变电所所址选择的一般原则变电所所址的选择，应根据下列要求并经技术经济分析比较后确定：1)尽量接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属量。2)进出线方便，特别是要便于架空进出线。3)接近电源侧，别是工厂的总降压变电所和高压配电所。4)设备运输方便，特别是要考虑电力变压器和高低压成套配电装置的运输。5)不应设在有剧烈运动或高温的场所，无法避开时应有防震和隔热措施。6)不应设在多尘或有腐蚀性气体的场所，无法远离时，不应设在污染源的下风侧。7)不应设在厕所、浴室和其他经常积水场所的正下方，且不应与上述场所贴邻。不应设在有爆炸危险环境的正上方或者正下方。当与有爆炸或火宅危险环境的建筑物相毗连时，应符合现行国家标准GB50058-1992爆炸物和火灾危险环境电力装置设计规范的规定。8)不应设置在地势低洼和可能积水的场所。3 电气设备选择与电器校验3.1变电所主变压器台数、容量及主结线方案的选择3.1.1主变压器台数和容量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考虑有下列两种可供选择的方案：1、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，为补偿后总的计算负荷。选，即选一台S9-1000/10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。2、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 （3-1） （） （3-2）因此选两台则是S9-630/10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。主变压器的联结组均为Yyn0。3.1.2主结线方案的技术经济比较为了能够安全可靠、技术先进、经济合理的选择，在此对主结线方案进行技术经济比较。 表3-1 技术经济比较图比较项目装设一台变压器装设两台变压器技术指标供电安全性满足要求，较低满足要求，较高供电可靠性不高，仅适用于三级负荷较高，可供一、二级负荷供电质量电压损耗较大电压损耗较小供电灵活性灵活性稍差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查得S9-1000/10的单价为15.8万元，而变压器的综合投资约为其单价的2倍，因此综合投资约为215.8=31.6万元查得S9-63010的单价为10.5万元，因此两台变压器的综合投资约为410.5=42万元，比一台主变方案多投资10.4万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资查得GG-1A（F）型开关柜的单价为3万元，而开关柜的综合投资约为其单价的1.5倍，因此综合投资约为1.535=22.5万元采用6台GG-1A（F）型开关柜，其综合投资约为1.536=27万元，比一台主变方案多投资4.5万元电力变压器和高压开关柜的年运行费电力变压器的折旧费=31.60.05=1.58万元；高压开关柜的折旧费=22.50.06=1.35万元；变配电的维修管理费=（1.58+1.35）0.06=0.1758万元。因此电力变压器和高压开关柜的年运行费=（0.1758+1.58+1.35）万元=3.1万元电力变压器的折旧费=420.05=2.1万元；高压开关柜的折旧费=270.06=1.62万元；变配电的维修管理费=（2.1+1.62）0.06=0.2232万元。因此电力变压器和高压开关柜的年运行费=（0.2232+2.1+1.62）万元=3.94万元，比一台主变方案多投资0.84万元3.1.3变电所主结线方案的选择从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主结线方案略优于装设一台主变的主结线方案；按经济指标，装设一台主变的主结线方案比装设两台主变的主结线方案少投资15.74万元，相差在20万元内，因此决定采用装设两台主变的主结线方案比较安全可靠、技术先进、经济合理。装设两台主变压器的主结线方案如附录所示。3.2变电所高、低压线路的选择3.2.1 10kV高压进线和引入电缆的选择110kV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。1） 按发热条件选择由及室外环境温度为40，初选LGJ-35，其40时的，满足发热条件。2） 校验机械强度最小允许截面Amin=25mm2，而LGJ-35满足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。2高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交流聚乙烯绝缘的铝芯电缆埋地敷设。1） 按发热条件选择由及土壤环境25，初选缆线芯截面为25mm2的交联电缆，其，满足发热条件。2） 校验热稳定度按式AAmin=I(3)（/C），A为母线截面积，单位为mm2；Amin为满足短路热稳定条件的最大截面积，单位为mm2；C为材料热稳定系数；I(3) 为母线通过的三项短路稳态电流，单位为A；tima为短路发热假想时间，单位为s；本电缆线中I(3) =1720A，tima=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s，C=84，把这些数据代入公式得Amin= I(3)（/C）=1.6103A（/84）=16.5mm2A=25mm2；满足要求。因此选择YJL22-10000-325电缆。3.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值1电力系统 已知电力系统出口断路器的断流容量，则 （3-1）2架空线路 LGJ-185的线路电流，而线路L=10km，则 （3-2）3电力变压器 变压器的短路电压百分值Uk%=4.5，则 （3-3）因此绘制短路计算等效电路如图3.3所示。图3.3短路计算等效电路4 短路电流计算4.1计算电路 图4.1 计算电路图4.2 确定短路计算基准值设基准容量，基准电压，为短路计算电压，即高压侧，低压侧，则 （4-1） （4-2）4.3变电所一次设备的选择与校验4.3.1 10kV侧一次设备的选择校验1按工作电压选择设备的额定电压UN。e一般不应小于所在系统的额定电压UN，即UN。eUN。2按工作电流选择 设备的额定电流IN。e一般不应小于所在电路的计算电流I30，即IN。eI30。3按断流能力选择 设备的额定开断电流Ioc，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Ik（3），即IocIk（3）。4. 按短路的动热稳定度校验 1）动稳定校验条件 imaxish（3）或ImaxIsh（3） （4-3） imax、Imax分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，ish（3）、Ish（3）分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值。 2）热稳定校验条件 It2.tI（3）2.tima （4-4）对应上面的分析，如表4.3所示，由它可知所选一次设备均满足要求。表4-3 10kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流动稳定度装置地点条件参数UNINIsh（3）数据10kV52.3A4.08kA一次设备型号规格额定参数UN。eIN。eimax电流互感器LQJ-10 -50/510kV60A高压少油断路器SN10-10I/63010kV630 A40 kA高压隔离开关GN8-10/20010kV200 A25.5 kA高压熔断器RN2-10/5010kV50A4.3.2一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4-4所示，所选数据均满足要求。表4-4 380V侧一次设备的选择校验选择校验项目电压电流动稳定度装置地点条件参数UNINIsh（3）数据380V1209.75A21.83 kA一次设备型号规格额定参数UN。eIN。eimax电流互感器LMZJ1-0.5-1250/5500V1250A低压断路器DW15-1500/3380V1500 A低压刀开关HD13-1500/30380V1500 A电流互感器LMZ1-0.5-1500/5380V1500A单投开关HD13-1500/31380V1500A低压断路器DW-1500 380V1500A5继电保护系统的设计5.1变电所二次回路方案的选择5.1.1高压短路的控制与信号回路断路器采用手力操动机构表5-1手力操动机构的断路器控制回路及其信号系统WC控制小母线RD红色信号灯WS信号小母线R1,R2限流电阻FU1FU3熔断器KA继电保护装置出口继电器触点YR跳闸线圈QF12QF56断路器辅助触点GN绿色信号灯QM手动操动机构辅助触点合闸时，推上操作机构手柄使断路器合闸。这时断路器的辅助触点QF34闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸。由于该回路有限流电阻R2，跳闸线圈YR虽有电流通过，但电流很小,不会动作。红灯RD亮，还表明跳闸回路及控制回路的熔断器FU1、FU2是完好的，即红灯RD同时起着监视跳闸回路完好性的作用。 分闸时，扳下操作机构手柄使断路器分闸。断路器的辅助触点QF34断开，切断跳闸回路，同时辅助触点QF12闭合，绿灯GN亮，指示断路器已经分闸。绿灯GN亮，还表明控制回路的熔断器FU1、FU2是完好韵，即绿灯GN同时起着监视控制回路完好性的作用。在断路器正常操作分、合闸时，由于操作机构辅助触点QM与断路器辅助触点QF56都是同时切换的，总是一开一合，所以事故信号回路总是不通的，不会错误地发出事故信号。当一次电路发生短路故障时，继电保护装置动作，其出口继电器KM触点闭合，接通跳闸线圈YR的回路(QF34原已闭合)，使断路器跳闸。随后QF34断开，使红灯RD灭，并切断YR的跳闸电源。与此同时，QF12闭合，使绿灯GN亮。这时操作机构的操作手柄虽然仍在合闸位置，但其黄色指示牌掉落，表示断路器自动跳闸。同时事故信号回路接通，发出音响和灯光信号。这事故信号回路是按“不对应原理”接线的，由于操作手柄仍在合闸位置，其辅助触点QM闭合，而断路器已事故跳闸，其辅助触点QF56也返回闭合，因此事故信号回路接通。当值班员得知事故跳闸信号后，可将操作手柄扳下至分闸位置，这时黄色指示牌随之返回，事故信号也随之解除。控制回路中分别与指示灯GN和RD串联的电阻R1和R2，主要用来防止指示灯灯座短路时造成控制回路短路或断路器误跳闸。5.2.2绝缘监察回路绝缘监视装置用于小接地电流的电力系统中，以便及时发现单相接地故障，以免单相接地故障发展为两相接地短路，造成停电事故。635kV系统的绝缘监视装置，可采用三个单相双绕组电压互感器和三只电压表进行测量，也可以采用一个三相五芯柱三绕组电压互感器测量。当一次电路某一相发生接地故障时，电压互感器二次侧的对应相的电压表指零，其他两相的电压表读数则升高到线电压。由指零电压表的所在相即可得知该相线发生了单相接地故障。但是这种绝缘监视装置不能判明是哪一条线路发生了故障，因此它是无选择性的，只适用于出线不多的系统及作为有选择性的单相接地保护的一种辅助装置。5.2 变电所继电保护装置5.2.1主变压器的瓦斯保护装置规定：对电力变压器的下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置：绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路；绕组的匝间短路；外部短路引起的过电流；中性点直接接地系统中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；过负荷；油面降低；变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。不同容量、不同使用地点的变压器装设的保护装置不同，见规程规定，下面主要介绍变压器的瓦斯保护。 瓦斯保护称气体继电保护，是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本的相当灵敏的保护装置，瓦斯保护的主要元件是瓦斯继电器(又称气体继电器KG)，它装设在油浸式变压器的油箱与油枕之间的联通管中部。a)正常状态 b)轻瓦斯动作 c)重瓦斯动作 d)严重漏油时 图a 图b 图c 图d1.在变压器正常运行时，瓦斯继电器的容器内包括其中的上下开口油杯，都是充满油的；而上下油杯因各自平衡锤的作用而升起，如图a所示。此时上下两对触点都是断开的。2.当变压器油箱内部发生轻微故障时，由故障产生的少量气体慢慢升起，进入瓦斯继电器的容器，并由上而下地排除其中的油，使油面下降，上油杯因其中盛有残余的油而使其力矩大于转轴的另一端平衡锤的力矩而降落，如图b所示。这时上触点接通信号回路，发出音响和灯光信号，这称之为“轻瓦斯动作”。3.当变压器油箱内部发生严重故障时，如相间短路、铁心起火等，由故障产生的气体很多，带动油流迅猛地由变压器油箱通过联通管进入油枕。这大量的油气混合体在经过瓦斯继电器时，冲击挡板，使下油杯下降，如图c所示。这时下触点接通跳闸回路(通过中间继电器)，使断路器跳闸，同时发出音响和灯光信号，这称之为“重瓦斯动作”。 4.如果变压器油箱漏油，使得瓦斯继电器容器内的油也慢慢流尽，如图d所示。先是瓦斯继电器的上油杯下降，上触点接通，发生报警信号；接着其下油杯下降，下触点接通，使断路器跳闸，同时发出跳闸信号。5.2.2主变压器的过电流保护反时限过电流保护装置由GL15型感应式电流继电器组成，其原理如图8-2所示。当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA动作，经过一定延时后(反时限特性)。其常开触点闭合，常闭触点断开，这时断路器QF因其跳闸线圈YR被“去分流”而跳闸，切除短路故障。在继电器KA去分流跳闸的同时，其信号牌掉下，指示保护装置已经动作。在短路故障切除后，继电器自动返回，其信号牌可利用外壳上的旋钮手动复位。要求，继电器这两对触点的动作程序必须是常开触点先闭合，常闭触点后断开的转换触点。5.2.3电流保护动作电流的整定 （5-1） 其中可靠系数，继电器返回系数，接线系数，电流互感器的电流比，I1NT= ，则: 因此过电流保护动作电流整定为7A。5.2.4电流保护动作时间的整定变压器过电流保护的动作时间，也按阶梯原则整定。但对车间变电所来说，由于它属于电力系统的终端变电所，因此其动作时间可整定为最小值0.5s 。5.2.5电流保护灵敏度的校验变压器过电流保护的灵敏度，按变压器低压侧母线在系统最小运行方式时发生两相短路（换算到高压侧的电流值）来校验。其灵敏度的要求也与线路过电流保护相同，即,个别情况可以使。5.3主变压器速断电流保护5.3.1速断电流的整定 （5-2）其中， 因此速断保护电流为 5.3.2速断电流倍数6防雷和接地装置的设计6.1接地电阻的要求 此变电所的公共接地装置的接地电阻应满