毕业设计--10KV变电所设计.doc

XX 大学毕业设计 10KV 变电所设计 毕业设计 论文 任务书 一 题目 10kv 变电所设计 指导思想和目的 1 灵活运用本专业所学的基础和专业知识 2 培养学生的专业技术知识和技能 能运用所学理论知识和技能解决生产第一线 的运行 维护 检修及技术管理等实际工作 具有分析解决一般技术和业务问题的能 力 3 对学生进行一次高级人才基本技能的综合训练 培养学生分析和解决本专业技 术实际问题的能力 包括技术经济政策的理解能力 查阅和综合分析各种文献资料 掌握使用工程技术规范和手册 图表等技术资料的能力 计算机应用能力 绘图和设 计说明书 论文 的撰写等方面的能力 4 培养学生树立严肃认真的工作作风 实事求是 严谨论证的科学态度 团结勤 奋 协同作战的优良作风和应有的职业道德 二 设计任务或主要技术指标 1 设计任务 要求根据用电负荷实际情况 并适当考虑发展 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形式 确定变电所主变压器的参数 容量与类型 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 绘制设计图纸 二 设计进度与要求 第 1 周 收集 10kv 降压变电所资料 第 2 周 了解掌握 10kv 降压变电站的基本组成 第 3 周 根据设计背景计算变电所负荷 第 4 周 短路电流计算 第 5 周 电气主接线选择与校验 第 6 周 继电保护预防雷保护的设计 弟 7 周 制作 10kv 降压变电站设计报告 弟 8 周 答辩 三 主要参考书及参考资料 1 刘介才编著 工厂供电 第 4 版 机械工业出版社 2005 2 雷振山编著 中小型变电所实用设计手册 第 1 版 中国水利水电出版社 2000 3 雷振山编著 实用供配电技术手册 第 1 版 中国水利水电出版社 2002 4 王子午编著 常用供配电设备选型手册 第一版 煤炭工业出版社 1998 5 徐泽植编著 10kV 及以下供配电设计与安装 第一版 煤炭工业出版社 2002 教研室主任 签名 系 部 主任 签名 2012 年 2 月 21 日 摘要 变电所是电力系统的一个重要组成部分 由电器设备和线路按一定的接线方式所 构成 他从电力系统取得电能 通过其变换 分配 输送与保护等功能 然后将电能 安全 可靠 经济的输送到每一个用电设备的转设场所 变电所供配电设计需要考虑 很多方面 分析变电所担负的任务及用户负荷等情况 利用用户数据进行负荷计算 确 定用户无功功率补偿装置 同时进行各种变压器的选择 从而确定变电所的主接线方 式 再进行短路电流计算 选择导线 选择变电所高低压电气一次设备等 本变电所 的设计包括了 1 总体方案的确定 2 负荷分析 3 短路电流的计算 4 主接 线方案的选择 5 继电保护的选择与整定 6 防雷设计 关键词 变电所 负荷 短路电流 防雷设计 目录 1 变电站设计背景 1 1 1 工厂变配电所的设计 1 1 1 1 电力用户供电系统的分类 1 1 1 2 工厂变配电所的设计原则 1 1 2 原始资料 1 1 2 1 课题来源 1 1 2 2 设计背景 1 2 变电所负荷计算和无功补偿的计算 3 2 1 计算负荷的方法及负荷计算法的确定 3 2 2 需要系数法的基本知识 3 2 3 变电所的负荷计算 4 2 3 1 负荷统计 4 2 3 2 负荷计算 5 2 4 无功补偿的目的和方案 8 2 5 无功补偿的计算及电容器的选择 8 3 变电所变压器台数和容量的选择 11 3 1 变压器的选择原则 11 3 2 变压器类型的选择 11 3 3 变压器台数的选择 11 3 4 变压器容量的选择 11 4 电气主接线方案的设计 13 4 1 主接线的基本要求 13 4 2 主接线的基本形式与分析 13 4 3 变电所主接线方案的选择 15 5 短路电流的计算 17 5 1 产生短路电流的原因 危害及计算方法 17 5 2 高压电网三相短路计算 17 6 变电所高压进线 一次设备和低压线路的选择与效验 21 6 1 高压侧的负荷计算 21 6 1 1 变压器的功率损耗计算 21 6 1 2 高压侧的负荷计算 21 6 2 变电所高压进线的选择与校验 21 6 2 1 架空线的选择 22 6 2 2 电缆进线的选择 22 6 3 高压一次设备的选择 22 6 3 1 高压断路器的选择与效验 22 6 3 2 高压隔离开关的选择与效验 24 6 3 3 高压熔断器的选择与效验 25 6 3 4 电流互感器的选择与效验 26 6 3 5 电压互感器的选择 27 6 3 6 接地开关的选择与效验 27 6 3 7 高压侧母线的效验 27 6 3 8 绝缘子的效验 28 6 4 变电所低压一次设备的选择 28 6 5 低压线路导线的选择 30 7 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定 34 7 1 二次回路的定义和分类 34 7 2 二次回路操作电源的选择 34 7 3 二次回路的接线要求 34 7 4 高压断路器的控制和信号回路 35 7 5 变电所的电能计量回路 35 7 6 变电所的测量和绝缘监测回路 35 7 7 继电保护的整定 35 8 变电所防雷与接地装置的确定 38 8 1 确定共用人工接地装置 38 8 2 防雷保护的选择 39 总结 40 致谢 41 参考文献 42 附录 A 43 附录 B 44 附录 C 45 10kv 变电所设计 1 1 变电站设计背景 1 1 工厂变配电所的设计 1 1 1 电力用户供电系统的分类 电力用户供配电系统由外部电源进线 用户变配电所 高低压配电线路和用电设 备组成 按供电容量的不同 电力用户可分为大型 10000kV A 以上 中型 1000 10000kV A 小型 1000kV A 及以下 1 大型电力用户供电系统 大型电力用户的用户供电系统 采用的外部电源进线供电电压等级为 35kV 及以上 一般需要经用户总降压变电所和车间变电所两级变压 总降压变电所将进线电压降为 6 10kV 的内部高压配电电压 然后经高压配电线路引至各个车间变电所 车间变电所 再将电压变为 220 380V 的低电压供用电设备使用 某些厂区环境和设备条件许可的大型电力用户也有采用所谓 高压深入负荷中心 的供电方式 即 35kV 的进线电压直接一次降为 220 380V 的低压配电电压 2 中型电力用户 一般采用 10kV 的外部电源进线供电电压 经高压配电所和 10kV 用户内部高压配 电线路馈电给各车间变电所 车间变电所再将电压变换成 220 380V 的低电压供用电设 备使用 3 小型电力用户供电系统 对于小型电力用户供电系统 由于所需容量较小 通常只设有一个相当于车间变 电所的降压变电所 将 6 10KV 电压降为低压用电设备所需电压 1 1 2 工厂变配电所的设计原则 1 必须遵守国家的有关规程和标准 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 应做到保障人身和设备安全 供电可靠 电能质量合格 技术先进和经济合理 应采用效率高 能耗低 性能较先进的电气产品 3 应根据工程特点 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 近期结合 以近期为主 适当考虑扩建的可能性 4 必须从全局出发 统筹兼顾 按照负荷性质 用电容量 工程特点和地区供电条 件等 合理确定设计方案 1 2 原始资料 1 2 1 课题来源 本课题是某机械化安装公司的变电所新建项目 1 2 2 设计背景 本公司现要新建一个 10 0 4kV 的变配电所 向公司生产区 办公楼 职工住宅区 及其生活水泵组供电 10kv 变电所设计 2 原先变电所只能满足两个车间 办公楼和生活区的用电负荷 随着近年来 随着 企业内部的调整 下属子公司之间的相互合并等原因 公司扩充了规模 兼并了原来 其他单位的一些用电设备 因此 原先的变电所已经不能满足需要 要在原址旁边新 建一座 10 0 4kV 变配电所 以满足单位改革后用电负荷的要求 鉴于公司用电的特殊性 新建变电所的电源取自 3km 某公司一专用 35kV 变电站 和 3km 外市供电公司另一相同容量的 35kV 变电站 新变电所建成后 能满足现有的生产 生活用电 有效地提高负荷转移能力 进 一步提高供电可靠性 对某机械化安装公司全厂用电设备的统计如表 2 1 表 2 1 用电负荷统计 用电设备负荷统计 kW 负荷类 别 机床设备组433 45三级 电焊机设备 组 129 35三级 起重机组113 2三级 办公楼30三级 住宅区水泵 组 176三级 住宅用电768三级 厂区照明29三级 10kv 变电所设计 3 2 变电所负荷计算和无功补偿的计算 2 1 计算负荷的方法及负荷计算法的确定 由于用电设备组并不一定同时运行 即使同时运行 也并不一定都能达到额定容 量 另外 各用电设备的工作制也不一样 有连续 短时 断续周期之分 在设计时 如果简单地把各用电设备的额定容量加起来 作为选择导线截面和电气设备容量的依 据 选择过大会使设备欠载 造成投资和有色金属的浪费 选择过小则会使设备过载 运行 出现过热 导致绝缘老化甚至损坏 影响导线或电气设备的安全运行 严重时 会造成火灾事故 为避免这种情况的发生 设计时 应用计算负荷选择导线和电气设 备 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负荷 其热效应 与某一段时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等 在供电设计中 通常采用半 小时的最大平均值作为按发热条件选择电气设备和导体的依据 用半小时最大负荷 30 P 来表示其有功计算负荷 而无功计算负荷 视在计算负荷 和计算电流则分别表示为 30 Q 30 S 和 30 I 我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式法 由于需要系 数法的优点是简便 适用于全产和车间变电所负荷的计算 因此本设计变电所的负荷 的计算采用需要系数法 2 2 需要系数法的基本知识 1 需要系数 d K 需要系数是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量的比值 即 d K max P e P 30 P e P 式 2 1 用电设备组的设备容量 e P 是指用电设备组所有设备 不含备用设备 的额定容 量 N K 之和 即 e P N P 而设备的额定容量 是设备在额定条件下的最大输出功 率 但是用电设备组的设备实际上不一定都同时运行 运行的设备也不一定都满负荷 同时设备本身和配电线路都有功率损耗 因此用电设备组的需要系数为 d K K L K eWL 式 2 2 式中 K 代表设备组的同时系数 即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部 设备容量之比 L K 代表设备组的负荷系数 即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容 量之比 10kv 变电所设计 4 e 代表设备组的平均效率 WL 代表配电线路的平均效率 即配电线路在最大负荷时的末端功率与首段功率 之比 2 计算用电设备组的计算负荷 在求出有功计算负荷 30 P 后 可按下列各公式分别求出其余的计算负荷 30 Q 30 P tan 30 S 30 P cos 式 2 3 30 I 30 S 3 N U 式中 cos 代表用电设备组的平均功率因数 tan 代表对应于用电设备组 cos 的 正切值 3 计算多组用电设备的计算负荷 在车间变电所低压母线上或配电干线上 常有多种用电设备 应考虑各种用电设 备的最大负荷不同时出现的因数 因此在确定多组用电设备的计算负荷时 应引入有 功计算负荷和无功计算负荷的同时系数 P K 和 Q K 对有 N 组用电设备的计算负荷如 下 30 P p K 30 1 N i i P 30 Q Q K 30 1 N i i Q 式 2 4 30 S 22 3030 PQ 30 I 30 S 3 N U 同时系数 P K 和 Q K 的取值为 对车间干线 P K 取 0 85 0 95 Q K 取 0 90 0 97 对低压母线 由用电设备组计算负荷直接相加计算 P K 取 0 80 0 90 Q K 取 0 85 0 95 由车间干线计算负荷直接相加计算 P K 取 0 90 0 95 Q K 取 0 93 0 97 2 3 变电所的负荷计算 2 3 1 负荷统计 对某机械化安装公司全厂用电设备的统计如表 2 1 10kv 变电所设计 5 表 2 1 用电负荷统计 用电设备负荷统计 kW 负荷类 别 机床设备组433 45三级 电焊机设备 组 129 35三级 起重机组113 2三级 办公楼30三级 住宅区水泵 组 176三级 住宅用电768三级 厂区照明29三级 2 3 2 负荷计算 按需要系数法计算各组负荷由式子 2 1 和式子 2 3 可知 有功功率 30 P d K e P 式 2 5 无功功率 30 Q 30 P tan 2 6 视在功率 30 S 22 3030 PQ 2 7 上述三个公式中 e P 每组设备容量之和 单位为 kW d K 需要系数 cos 用 电设备组的平均功率因数 tan 对应于用电设备组 cos 的正切值 小批量生产的金属冷加工机床电动机 查附录 A d K 0 16 0 2 取 0 2 cos 0 5 tan 1 73 有功负荷 30 1 P d K 1 e P 0 2 433 45 86 69 kW 无功负荷 30 1 Q 30 1 P tan 86 69 1 73 149 97 kvar 视在功率 30 1 S 22 30 1 30 1 PQ 174 74 kV A 电焊机组的计算负荷 查附录 A d K 0 35 cos 0 35 tan 2 68 10kv 变电所设计 6 有功负荷 30 2 P d K 2 e P 0 35 129 35 45 27 kW 无功负荷 30 2 Q 30 2 P tan 45 27 2 68 121 33 kvar 视在功率 30 2 S 22 30 2 30 2 PQ 129 5 kV A 起重机的计算负荷 查附录 A d K 0 1 0 15 取 0 15 cos 0 5 tan 1 73 有功负荷 30 3 P d K 3 e P 0 15 113 2 16 98 kW 无功负荷 30 3 Q 30 3 P tan 16 98 1 73 29 38 kvar 视在功率 30 3 S 22 30 3 30 3 PQ 33 93 kV A 住宅区水泵组 查附录 A d K 0 8 cos 0 8 tan 0 75 有功负荷 30 4 P d K 4 e P 4 0 8 176 140 8 kW 无功负荷 30 4 Q 30 4 P tan 0 75 140 8 105 6 kvar 视在功率 30 4 S 22 30 4 30 4 PQ 176 kV A 办公楼 查附录 A d K 0 8 cos 1 tan 0 有功负荷 30 5 P d K 5 e P 0 8 30 24 kW 无功负荷 30 5 Q 30 5 P tan 0 kvar 视在功率 30 5 S 22 30 5 30 5 PQ 24 kV A 住宅区 查附录 A d K 0 45 cos 1 tan 0 有功负荷 30 6 P d K 6 e P 0 45 768 345 6 kW 无功负荷 30 6 Q 30 6 P tan 0 kvar 视在功率 30 6 S 22 30 6 30 6 PQ 345 6 kV A 厂区照明 查附录 A d K 1 cos 1 tan 0 有功负荷 30 7 P d K 7 e P 1 29 29 kW 无功负荷 30 7 Q 30 7 P tan 0 kvar 10kv 变电所设计 7 视在功率 30 7 S 22 30 7 30 7 PQ 29 kV A 因此对于干线的总负荷的计算 取 p K 0 95 Q K 0 97 1 有功功率 30 P p K 30 1 N i i P 0 95 688 34 653 92 KW 2 无功功率 30 Q Q K 30 1 N i i Q 0 97 406 28 394 09 kvar 3 视在功率 30 S 22 3030 PQ 763 49 kV A 对于低压母线的总负荷的计算 取 p K 0 90 Q K 0 95 1 有功功率 30 P p K 30 1 N i i P 0 90 688 34 619 506 KW 2 无功功率 30 Q Q K 30 1 N i i Q 0 95 406 28 385 966 kvar 3 视在功率 30 S 22 3030 PQ 729 9 kV A 由上面计算得出如下表 2 2 所示 10kv 变电所设计 8 表 2 2 计算负荷表 计算负荷 设备组 d K cos tan 30 P kW 30 Q kvar 30 S kV A 机床组0 20 51 7386 69149 97174 74 电焊机组0 350 352 6845 27121 33129 5 起重机0 150 51 7316 9829 3833 93 水泵组0 80 80 75140 8105 6176 办公楼0 81024024 住宅区0 4510345 60345 6 厂区照明11029029 688 34406 28 对干线取 P K 0 95 Q K 0 97 653 92394 09763 49 总计 对低压母线取 P K 0 90 Q K 0 95 619 506385 966729 9 2 4 无功补偿的目的和方案 由于用户的大量负荷如感应电动机 电焊机 气体放电灯等 都是感性负荷 使 得功率因数偏低 因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数 电力系统要求用户的 功率因数不低于 0 9 按照实际情况本次设计要求功率因数为 0 92 以上 因此必须采取 措施提高系统功率因数 目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电 容器装置 根据现场的实际情况 拟定采用低压集中补偿方式进行无功补偿 2 5 无功补偿的计算及电容器的选择 我国 供电营业规则 规定 容量在 100kV A 及以上高压供电用户 最大负荷时 的功率因数不得低于 0 9 如达不到上述要求 则必须进行无功功率补偿 一般情况下 由于用户的大量如 感应电动机 电焊机 电弧炉及气体放电灯等 10kv 变电所设计 9 都是感性负荷 使得功率因数偏低 达不到上述要求 因此需要采用无功补偿措施来 提高功率因数 当功率因数提高时 在有功功率不变的情况下 无功功率和视在功率 分别减小 从而使负荷电流相应减小 这就可使供电系统的电能损耗和电压损失降低 并可选用较小容量的电力变压器 开关设备和较小截面的电线电缆 减少投资和节约 有色金属 因此 提高功率因数对整个供电系统大有好处 要使功率因数提高 通常需装设人工补偿装置 最大负荷时的无功补偿容量 N C Q 应为 N C Q 3030 QQ 30 P tan tan 式 2 8 按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量 当负荷减小时 补偿 容量也应相应减小 以免造成过补偿 因此 无功补偿装置通常装设无功功率自动补 偿控制器 针对预先设定的功率因数目标值 根据负荷的变化相应投切电容器组数 使瞬时功率因数满足要求 提高功率因数的补偿装置有稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备 前 者主要有同步补偿机和并联电容器 动态无功功率补偿设备用于急剧变动的冲击负荷 低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装 根据负荷变化相应循环 投切的电容器组数一般有 4 6 8 10 12 组等 用上式确定了总的补偿容量后 就 可根据选定的单相并联电容器容量 N C q 来确定电容器组数 C N C N q Q n 式 2 9 在用户供电系统中 无功补偿装置位置一般有三种安装方式 1 高压集中补偿 补偿效果不如后两种补偿方式 但初投资较少 便于集中运行维护 而且能对企 业高压侧的无功功率进行有效补偿 以满足企业总功率因数的要求 所以在一些大中 型企业中应用 2 低压集中补偿 补偿效果较高压集中补偿方式好 特别是它能减少变压器的视在功率 从而可使 主变压器的容量选的较小 因而在实际工程中应用相当普遍 3 低压分散补偿 补偿效果最好 应优先采用 但这种补偿方式总的投资较大 且电容器组在被补 偿的设备停止运用时 它也将一并被切除 因此其利用率较低 由上面的分析并综合考虑本次设计采用低压集中补偿方式 303030 P QS 取自低压母线侧的计算负荷 cos 提高至 0 92 cos 3030 PS 9 729 506 619 0 85 10kv 变电所设计 10 30 N C QPtantan 619 506 tan arccos0 85 tan arccos0 92 120 kvar 选择 BSMJ0 4 20 3 型自愈式并联电容器 N C q 20kvar 由式子 2 9 可知 电容器组数 C N C N q Q n 式 2 10 120kvar 20kvar 6 所以电容器组数选择 6 组 补偿后的视在功率计算负荷 2222 303030 619 506 385 966 120 N C SPQQ 674 19kV A cos 30 30 S P 619 966 674 19 0 92 补偿后的计算电流 30 30 2 3 N S I U 674 19 1 732 0 38 1024 33A 10kv 变电所设计 11 3 变电所变压器台数和容量的选择 3 1 变压器的选择原则 电力变压器是供电系统中的关键设备 其主要功能是升压或降压以利于电能的合 理输送 分配和使用 对变电所主接线的形式及其可靠性与经济性有着重要影响 所 以 正确合理地选择变压器的类型 台数和容量 是对接下来主接线设计的一个主要 前题 选择时必须遵照有关国家规范标准 因地制宜 结合实际情况 合理选择 并应 优先选用技术先进 高效节能 免维护的新产品 并优先选用技术先进的产品 3 2 变压器类型的选择 电力变压器类型的选择是指确定变压器的相数 调压方式 绕组形式 绝缘及冷 却方式 联结组别等 变压器按相数分 有单相和三相两种 用户变电所一般采用三相变压器 变压器按调压方式分 有无载调压和有载调压两种 10kV 配电变压器一般采用无 载调压方式 变压器按绕组形式分 有双绕组变压器 三绕组变压器和自耦变压器等 用户供 电系统大多采用双绕组变压器 变压器按绝缘及冷却方式分 有油浸式 干式和充气式 SF6 等 10kV 配电变压器有 Yyn0 和 Dyn11 两种常见联结组 由于 Dyn11 联结组变压器具 有低压侧单相接地短路电流大 具有利于故障切除 承受单相不平衡负荷的负载能力 强和高压侧三角形接线有利于抑制零序谐波电流注入电网等优点 从而在 TN 及 TT 系 统接地形式的低压电网中得到越来越广泛的应用 由上面分析得出选择变压器的类型为油浸式 无载调压 双绕组 Dyn11 联结组 3 3 变压器台数的选择 变压器的台数一般根据负荷等级 用电容量和经济运行等条件综合考虑确定 10kV 及以下变电所设计规范 GB50053 94 中规定 当符合以下条件之一时 宜装 设两台及两台以上的变压器 有大量一级或二级负荷 季节性负荷变化较大 集中负荷容量较大 结合本厂的情况 考虑到二级重要负荷的供电安全可靠 故选择两台主变压器 3 4 变压器容量的选择 变压器的容量 N T S 首先应保证在计算负荷 S30 下变压器能长期可靠运行 对有两台变压器的变电所 通常采用等容量的变压器 每台容量应同时满足以下 10kv 变电所设计 12 两个条件 满足总计算负荷 70 的需要 即 N T S 0 7 30 S 式 3 1 满足全部一 二级负荷 30 S 的需要 即 N T S 30 S 式 3 2 条件 是考虑到两台变压器运行时 每台变压器各承受总计算负荷的 50 负载 率约为 0 7 此时变压器效率较高 而在事故情况下 一台变压器承受总计算负荷时 只过载 40 可继续运行一段时间 在此时间内 完全有可能调整生产 可切除三级 负荷 条件 是考虑在事故情况下 一台变压器仍能保证一 二级负荷的供电 根据无功补偿后的计算负荷 30 S 674 19kV A 代入数据可得 N T S 0 7 674 19 471 933kVA 同时又考虑到未来 5 10 年得负荷发展 初步取 N T S 500kV A 考虑到安全性和可靠性的问题 确定变压器为 S9 系列油浸式变压器 型号 S9 500 10 其主要技术指标见表 3 1 表 3 1 主变压器的技术指标 主变型号额定容量 N S kV A 联结组别空载损耗 O P kW 短路损耗 K P kW 空载电流 O I 阻抗电压 K U S9 500 10500Dyn111 034 9534 10kv 变电所设计 13 4 电气主接线方案的设计 4 1 主接线的基本要求 主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 概 括地说 对一次接线的基本要求包括安全 可靠 灵活和经济四个方面 1 安全性 安全包括设备安全及人身安全 一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求 正确选择电气设备及其监视 保护系统 考虑各种安全技术措施 2 可靠性 不仅和一次接线的形式有关 还和电气设备的技术性能 运行管理的自动化程度 因素有关 3 灵活性 用最少的切换来适应各种不同的运行方式 适应负荷发展 4 经济性 在满足上述技术要求的前提下 主接线方案应力求接线简化 投资省 占地少 运行费用低 采用的设备少 且应选用技术先进 经济适用的节能产品 总之 变电所通过合理的接线 紧凑的布置 简化所内附属设备 从而达到减少 变电所占地面积 优化变电所设计 节约材料 减少人力物力的投入 并能可靠安全 的运行 避免不必要的定期检修 达到降低投资的目的 4 2 主接线的基本形式与分析 主接线的基本形式有单母线接线 双母线接线 桥式接线等多种 1 单母线接线 这种接线的优点是接线简单清晰 设备少 操作方便 便于扩建和采用成套配电 装置 缺点 不够灵活可靠 任一元件 母线及母线隔离开关等 故障检修 均需要 使整个配电装置停电 单母线可用隔离开关分段 但当一段母线故障时 全部回路仍 需短时停电 在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电 适用范围 适应于容量较小 对供电可靠性要求不高的场合 出线回路少的小型 变配电所 一般供三级负荷 两路电源进线的单母线可供二级负荷 如图 4 1 所示 10kv 变电所设计 14 源源 T V 1T 2T 图 4 1 单母线不分段主接线 2 单母线分段主接线 当出线回路数增多且有两路电源进线时 可用断路器将母线分段 成为单母线分 段接线 母线分段后 可提高供电的可靠性和灵活性 在正常工作时 分段断路器可 接通也可断开运行 两路电源进线一用一备时 分段断路器接同运行 此时 任一段 母线出现故障 分段断路器与故障段进线断路器都会在继电保护装置作用下自动断开 将故障段母线切除后 非故障段母线便可继续工作 而当两路电源同时工作互为备用 时 分段断路器则断开运行 此时若任一电源出现故障 电源进线断路器自动断开 分段断路器可自动投入 保证给全部出线或重要负荷继续供电 如图 4 2 所示 10kv 变电所设计 15 1T2T 2TV 1TV 源源1 源源2 图 4 2 单母线分段主接线 单母线分段接线保留了单母线接线的优点 又在一定程度上克服了它的缺点 如 缩小了母线故障的影响范围 分别从两段母线上引出两路出线可保证对一级负荷的供 电等 4 3 变电所主接线方案的选择 方案 高低压侧均采用单母线分段 优点 用断路器把母线分段后 对重要用户可以从不同母线段引出两个回路 用 两个电路供电 当一段母线故障时 分段断路器自动切除故障母线保证正常断母线不 间断供电和不致使重要用户停电 缺点 当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出现须停电 方案 单母线分段带旁路 优点 具有单母线分段全部优点 在检修断路器时不至中断用户供电 缺点 投资高 方案 高压采用单母线 低压采用单母线分段 优点 任一主变压器检修或发生故障时 通过切换操作 即可迅速恢复对整个变 电所的供电 10kv 变电所设计 16 缺点 在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时 整个变电所仍需停电 以上三种方案均能满足主接线要求 采用第三个方案时虽然经济性最佳 但是其 可靠性相比其他两方案差 采用方案二需要的断路器数量多 接线复杂 他们的经济 性能较差 采用方案一既满足负荷供电要求又较经济 故本次设计选用方案 10kv 变电所设计 17 5 短路电流的计算 5 1 产生短路电流的原因 危害及计算方法 供电系统应该正常的不间断地可靠供电 以保证生产和生活的正常进行 但是供 电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏 所谓短路 就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定 值的大电流 造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏 误动作 雷击或过电压击 穿等 短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍 当它通过电气设备时 设备的载流部分变形或损坏 选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定 短路电流在 线路上产生很大的压降 离短路点越近的母线 电压下降越厉害 从而影响与母线连 接的电动机或其它设备的正常运行 计算方法采用标幺值法计算 进行计算的物理量 不是用具体单位的值 而是用 其相对值表示 这种计算方法叫做标幺值法 标幺值的概念是 某量的标幺值 与实际值同单位该量的标准值 任意单位该量的实际值 所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度 用标幺值表示的物理量是没有单位 的 供电系统中的元件包括电源 输电线路 变压器 电抗器和用户电力线路 为了 求出电源至短路点电抗标幺值 需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值 5 2 高压电网三相短路计算 电源取自距本变电所 3km 外的 35kV 变电站 用 10kV 双回架空线路向本变电所供 电 出口处的短路容量为 250MV A 图 5 1 高压电网短路电流计算图 求 10kV 母线上 K 1 点短路和 380V 低压母线上 K 2 点短路电流和短路容量 电源 10kv 变电所设计 18 侧短路容量定为 Sk 250MV A 确定基准值 取 d S 100MV A 1C U 10 5kV 2C U 0 4KV 而 1d I 1c d U3 S 100MV A 3 10 5kV 5 50kA 2d I 2c d U3 S 100MV A 3 0 4kV 144 34kA 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 电力系统 由于电源侧短路容量定为 Sk 250MVA 因此 1 X dk S S 100MV A 250MV A 0 4 架空线路 查附录 B 得 X0 0 35 km 因此 2 X 2 02dc X LS U 0 35 km 3km 2 kV 5 10 A MV100 0 95 电力变压器 Uk 4 而 NT S 500KV A 因此 3 X 4 X 100 KdNT U S S A kV500 100 A kV10 100 4 3 8 然后绘出短路电路的等效电路如图 5 2 图 5 2 等效电路 求 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量 总电抗标幺值 1 K X 1 X 2 X 0 4 0 95 1 35 三相短路电流周期分量有效值 3 1 K I 11 d K I X 5 50kA 1 35 4 07kA 10kv 变电所设计 19 其他三相短路电流 3 1 K I 3 1 K I 3 1 K I 4 07kA 3 Sh i 2 55 4 07kA 10 38kA 3 Sh I 1 51 4 07kA 6 15kA 三相短路容量 3 1 K S 1 d K S X 100MV A 1 35 74 1MV A 求 K 2 点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量 两台变压器并列运行 总电抗标幺值 2 K X 1234 XXX X 0 4 0 95 2 8 5 35 三相短路电流周期分量有效值 3 2 K I 22 d K I X 144 34kA 5 35 26 98kA 其他三相短路电流 在 10 0 4KV 变压器二次侧低压母线发生三相短路时 由于 1 3R X 可取 Sh K 1 6 因此 333 222 KKK III 26 98kA 3 Sh i 2 26 26 98kA 60 97kA 3 Sh I 1 31 26 98kA 35 34kA 三相短路容量 3 2 K S 2 d K S X 100MV A 5 35 18 69MV A 两台变压器分列运行 总电抗标幺值 2 K X 123 XXX 0 4 0 95 8 9 35 三相短路电流周期分量有效值 3 2 K I 22 d K I X 144 34kA 9 35 15 44kA 其他三相短路电流 333 222 KKK III 15 44kA 3 Sh i 2 26 15 44kA 34 89kA 3 Sh I 1 31 15 44kA 20 23kA 三相短路容量 10kv 变电所设计 20 3 2 K S 2 d K S X 100MV A 9 35 10 7MV A 由上面计算结果得出如表 5 1 表 5 1 高压短路计算结果 总电抗 标幺值 三相短路电流 kA三相短路量 MV A 短路计算点 X 3 K I 3 I 3 I 3 Sh i 3 Sh I 3 K S k 11 354 074 074 0710 386 1574 1 变压器并列运行5 3526 9826 9826 9860 9735 3418 69 k 2 变压器分列运行9 3515 4415 4415 4434 8920 2310 7 10kv 变电所设计 21 6 变电所高压进线 一次设备和低压线路的选择与效验 6 1 高压侧的负荷计算 6 1 1 变压器的功率损耗计算 变压器的有功功率损耗 T P O P E P 2 30 N T S S 式 6 1 O P 1 03kW E P 4 95 kW N T S 500kW 又由 30 S 674 19kW 因此 T P 1 03 4 95 2 674 19 500 10 03kW 变压器的无功率损耗 T Q N T S 100 I0 100 UK2 30 TN S S C O I 3 E U 4 N T S 500kW 又由 30 S 674 19kW 因此 T Q 500 100 3 100 4 2 500 19 674 51 36kvar 6 1 2 高压侧的负荷计算 对于本单位而言 变电所高压侧的计算负荷即是全厂及家属住宅区的总计算负荷 因此 不需要采用需要系数逐级计算法和全厂需要系数法进行计算 于是高压侧的有功功率 P 30 P T P 619 506 10 03 629 91kW 高压侧的无功功率 30 T QQQ 30N C QQ T Q 385 966 120 51 36 317 33kvar 高压侧的视在功率 22 SPQ 22 629 91317 33 705 33kV A 于是高压侧最大长期工作电流 301 3 n IS U 705 33 1 732 10 40 72A 6 2 变电所高压进线的选择与校验 对于高压开关柜 从柜下进线时一般需通过电缆引入 因此 采用架空线长距离 传输 再由电缆线引入的接线方式 对给高压开关柜引入的电缆线 因短路容量较大而负荷电流较小 一般先按短路 热稳定条件选择导体截面 然后再校验发热条件 10kv 变电所设计 22 6 2 1 架空线的选择 按热稳定条件选择导体截面 长度为 3km C 87A s 2 mm ima t 取 1 2 取 值为继电器动作时间 A Amin I 103 ima t C 4 07 103 2 1 87 51 25 2 mm 初选 70 2 mm 的 LGJ 型钢芯铝绞线 按发热条件进行校验 变压器高压侧最大长期工作电流为 30 I 40 72A 70 2 mm 的 LGJ 型钢芯铝绞线在 25 30 时的载流量为 275A 259A 大于 40 72A 故 满足条件 6 2 2 电缆进线的选择 按热稳定条件选择导体截面 C 143A s 2 mm ima t 取 1 2 A Amin I 103 ima t C 4 07 103 2 1 143 31 18 2 mm 初选 35mm2 的 YJY 型交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆 按发热条件进行校验 变压器高压侧最大长期工作电流 30 I 40 72A 35 2 mm 的 YJY 型三芯交联聚乙烯 绝缘铜芯电力电缆在 25 的空气中敷设时的载流量为 172A 在 20 直埋敷设时的载 流量为 166A 大于计算电流 故选择 35 2 mm 的 YJY 型三芯交联聚乙烯绝缘铜芯电力 电缆 6 3 高压一次设备的选择 根据机械厂所在地区的外界环境 高压侧采用天津市长城电器有限公司生产的 KYN 12 型户内移高压中置式开关设备 此开关柜的型号 KYN28A 12 其内部的 高压一次设备根据本厂需要选取 初选设备 高压断路器 VS1 12 630 接地开关 JN3 10 高压熔断器 RN2 10 200 电压互感器 JDZJ 10 电流互感器 LZZJ 10 200 5 隔离开关 GN19 10C 400 高压母线型号 TMY 3 50 4 TMY 3 80 10 1 60 6 绝缘子型号 ZA 10Y 抗弯强度 al F 3 75 户内支柱绝缘子 6 3 1 高压断路器的选择与效验 高压断路器除在正常情况下通断电路外 主要是在发生故障时 自动而快速的将 故障切除 以保证设备的安全运行 10kv 变电所设计 23 1 选择时 除按一般原则选择外 由于断路器还有切断短路电流 因而必须校验短 路容量 热稳定性及动稳定性等各项指标 按工作环境选择 选择户外或户内 若工作条件特殊 还需要选择特殊型式 按 额定电压选择 应该大于或等于所在电网的额定电压 即 N QFN UU 按额定电流 选择 应该等于或大于变压器高压侧最大长期工作电流 即 30N QF II 校验高压断 路器的开断电流 即 3 ocK II 校验高压断路器的动稳定性 sh ii max 校验高压断 路器的热稳定性 22 tima I tI t 2 高压断路器的选择 1 额定电压 N QF U 12KV 2 额定电流 N QF I 变压器高压侧最大长期工作电流 30 I 301 3 n IS U 705 33 1 732 10 40 72A 3 根据有关资料初选 VS1 12 630 型断路器如表 6 1 表 6 1 VS1 12 630 型断路器技术参数 技术参数 型号 额定电流 N QF I A 额定开断电流 oc I KA 极限通过电流 max i kA 4 秒热稳定 t I 电流 kA VS1 12 630 630404016 4 校验 a N QF U 12KV N U b N QF I 630A 30 I 40 72A c 额定开断电流校验 10KV 母线三相稳态短路电流 3 K I 4 07KA VS1 12 630 所以断路器的额定开断电流 oc I 40KA 符合要求 d 动稳定校验 10KV 母线三相短路冲击电流 3 Sh i 10 38 KV VS1 12 630 型断路器的极限通 过电流 max i 40 KA 3 Sh i max i 符合动稳定要求 e 热稳定效验 根据资料继电器的动作时间取 1 2 秒 即 ima t 1 2 秒 高压母线短路容量 10kv 变电所设计 24 Qdt 2 ima I t 6 15kA 2 1 2 S 45 4 kA2 S ZN3 10 630 40 型断路器的 4 秒热稳定 电流 t I 16 kA 2 t I t 16kA 2 4S 1024 kA2 S 2 ima I t 变压器高压侧最大长期工作电流 30 I 301 3 n IS U 705 33 1 732 10 40 72A 3 根据有关资料初选 GN19 10C 400 型隔离开关如表 6 2 表 6 2 GN19 10C 400 型隔离开关参数 技术参数 型号 额定电流 N g I A 极限通过电流 max i kA 4 秒热稳定 t I 电流 kA GN19 10C 400 4005012 5 4 校验 a N g U 10KV N U b N g I 400A 30 I 40 72A c 动稳定校验 10KV 母线三相短路冲击电流 3 Sh i 10 38 KV GN19 10C 400 隔离开关的极 限通过电流 max i 50 KA 3 Sh i max i 符合动稳定要求 10kv 变电所设计 25 d 热稳定效验 由于继电器的动作时间取 1 2 秒 即 ima t 1 2 秒 10KV 母线短路容量 dt Q 2 ima I t 6 15kA 2 1 2 S 45 4 kA2 S GN19 10C 400 隔离开关的 4 秒热稳定电 流 It 12 5 kA 2 t I t 12 5kA 2 4S 625 kA2 S 22 tima I tI t 符合热稳定要求 过以上效验可知 10KV 隔离开关选 GN19 10C 400 型隔离开关符合要求 6 3 3 高压熔断器的选择与效验 高压熔断器是一种过流保护元件 由熔件与熔管组成 当过载或短路时 熔件熔断 达到切断故障保护设备的目的 电流越大 熔断时间越短 在选择熔件时 除保证在 正常工作条件下 包括设备的起动 熔件不熔断外 还应该符合保护选择性的要求 高压熔断器的选择 按额定电压选择 熔断器的电压应该大于或等于所在电网的 额定电压 即 N FUN UU 按额定电流选择 熔断器的电流应该等于或大于它本身 所安装的熔体额定电流 即 30N FU II 校验高压熔断器的开断电流 即 3 ocK II 10kV 熔断器的选择 1 额定电压 N FU U 10KV 2 额定电流 N FU I 变压器高压侧最大长期工作电流 30 I 301 3 n IS U 705 331 732 10 40 72A 3 根据有关资料初选 RN2 10 200 型熔断器如表 6 3 表 6 3 RN2 10 200 型熔断器 4 校验 a N FU U 10KV N U b N FU I 200A 30 I 40 72A c 额定开断电流校验 10KV 母线三相稳态短路电流 3 K I 4 07KA RN2 10 200 型熔断器的额定开断电 流 oc I 50KA 符合要求 通过以上效验可知 10KV 熔断器选 RN2 10 200 型熔断器符合要求 技术参数 型号 额定电流 N FU I A 额定开断电流 oc I KA RN2 10 200 20050 10kv 变电所设计 26 6 3 4 电流互感器的选择与效验 电流互感器是一次电路与二次电路间的连接元件 用以分别向测量仪表和继电器 的电