某冶金机械修造厂总降压变电所及高压配电系统设计

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河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计

论文题目：某冶金机械修造厂总降压变电所

及高压配电系统设计

专业：电气自动化技术班级：电气1001班姓名：张志海学号：0401100136指导教师：张季萌1

摘要

随着我国国民经济的飞速发展，工业对电力的需求也越来越迫切。随着中国工业规模的不断扩大，对电力供应的安全性、可靠性提出了更高的要求，因此电力系统与用户直接关联的供电系统尤为重要。作为供电系统的主要组成部分，电气设备的质量及其性能的先进性是决定供电系统安全可靠运行的前提条件之一。本设计根据该冶金机械厂的相关资料和实际状况，对该厂的总降压变电所和高压供电系统进行设计。本设计首先根据工厂提供的资料对工厂的负荷状况进行了计算，根据负荷状况对变压器的容量和台数进行了选择。该厂电源由某变电所以35kV双回路架空线引出，本设计选择在该厂设立总降压变电所先将电压降为厂区供电电压10kV，在由各车间变电所降为负荷所需电压。为保证供电系统的可靠性，总降压变电所采用单母线分段式接线方式，厂区供电系统采用放射式接线方式。通过计算，本设计对各变电所的主要电气设备、电缆和母线进行了选择和校验，对一次侧主要设备进行了继电保护整定，对避雷和接地装置进行了选择。

相适应的经济合理的电器产品；

（3）工厂供电设计必需从全局出发，统筹兼顾，依照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案；

（4）工厂供电设计应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。

1.3设计的具体内容

该冶金机械厂总降压变电所及高压配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电状况，解决对电能分派的安全可靠，经济合理的问题。其基本内容有以下几方面：

（1）工厂的负荷计算及无功补偿；（2）确定工厂总配变电所的所址和型式；

（3）确定工厂总配变电所的所址、形式、主接线方式，确定主变压器的型式、容量和台数；

（3）短路电流计算；（4）一次设备的选择；

（5）选择工厂电源进线及高压配电线路；（6）对一次侧进行继电保护整定计算；

（7）工厂总配变电所防雷保护及接地装置的设计。

1.4工厂原始资料

本设计的原始资料如下：

1、工厂总平面布置图，如图1.1。

铆焊车间N0.3变电所机修车间空压站锻造车间No.4变电所综合楼No.1变电所铸钢车间No.1变电所木型车间木型库No.2变电所铸铁车间制材场水塔水泵房锅炉房No.5变电所35kV电源进线北

图1.1工厂总平面布置图

2

2、工厂生产任务、规模及产品规格：本厂主要承受全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻压、铆焊、毛坯件为主体。年生产规模为铸钢件1000t，铸铁件3000t，锻件1000t，铆焊件2500t。

3、工厂各车间负荷状况及车间变电所的容量见表2.1和表2.2。4、供用电协议1）工厂电源从供电部门某220/35kV变电站以35kV双回架空线路引入本厂，其中一路作为工作电源，另一路作为备用电源。两个电源不并列运行。变电站距厂东侧8km。

2）系统的短路数据，如表1.1所示。3）供电部门对工厂提出的技术要求:①区域变电站35kV馈线电路定时限过流保护装置的整定时间top=2s，工厂总降压变电所保护的动作时间不得大于1.5s②工厂在总降压变电所35k电源侧进行电能计量。③工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9。

5、厂负荷性质：本厂为三班工作制，年最大有功利用小时为6000h属二级负荷。

表1.1区域变电站35kV母线短路数据

系统运行方式最大运行方式

系统短路容量Soc·max=200MVA系统运行方式最小运行方式系统短路容量Soc·min=175MVA2工厂的电力负荷及其计算

2.1工厂的电力负荷

电力负荷（electricpowerload）又称电力负载，有两种含义：一是指耗用电能用电设备或用户，另一是指用电设备或用户耗用的功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义视具体状况而定，本章指的是用电设备或用户耗用的功率大小。

计算负荷又称需要负荷或最大负荷Pmax。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，寻常采用半小时最大平均负荷P30作为按发热条件选择电器或导体的依据。

计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。假使计算负荷确定得过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费。假使计算负荷确定得过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷状态下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但是负荷状况繁杂，影响负荷计算的因素好多，虽然各类负荷的变化有一定规律可循，但仍难确凿确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。因此负荷计算只能力求接近实际。

2.2车间计算负荷的确定

车间计算负荷是选择工厂内配电线路电缆型号和主要电气设备包括车间变压器的基本依据。我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法、利用系数法和二项式法。需要系数法是国际上普遍采用的确定计算负荷的基本方法，本设计采用需要系数法进行负荷计算。计算的基本公式如下：

有功计算负荷P30为

3

P30?KdPe（2.1）

这里的Kd称为需要系数（demandcoefficient），Pe为车间用电设备总容量。

无功计算负荷Q30为

Q30?P30tan?（2.2）

式中，tan?为对应于车间用电设备cos?的正切值。

视在计算负荷为

S30?P30cos?（2.3）

式中，cos?为车间供电设备的平均功率因素。

计算电流I30为

I30?S303UN（2.4）

式中，UN为用电设备组的额定电压。

根据工厂给出的资料，通过计算整理，得出该工厂各车间的负荷计算表及该工厂6kV高压设备的负荷计算表，结果见表2.1和表2.2。

2.3工厂计算负荷的确定

工厂计算负荷是选择工厂电源进线及主要电气设备包括主变压器的基本依据，也是计算工厂的功率因素及无功补偿容量的基本依据，确定工厂计算负荷的方法好多，有需要系数法、年产量估算工厂计算负荷和逐级计算法等。根据国际普遍的计算方法和该冶金机械厂的实际状况，本设计采用需要系数法计算工厂的计算负荷。

根据该厂提供的各车间及工厂高压设备负荷数据，运用需要系数法，根据上面给出的公式通过计算、整理得出该工厂的负荷计算表2.3。

表2.1各车间380V负荷计算表cos?tan?车间（单位）设备计算负荷Kd序号12车间变电I30/A所变压器台数及容量/kVA2×16002×800名称铸钢车间铸铁车间砂库小计(KΣ=0.9)容量/kW200010001102110设备容量/kW12002812283900.40.40.7—Kd0.650.700.60—cos?P30/kW1.171.021.33—tan?Q30/kvar936408102.4459.4S30/kVA1230.8571.4128.3628.880040077429.31870No.1车变867.5No.2车变194.9955.4（续表）车间变电所序车间（单位）号名称3铆焊车间No.1水泵房4小计(KΣ=0.9)空压站

P30/kW计算负荷Q30/kvar712.815.8655.7291.7S30/kVA80026.3740.0442I30/A变压器台数及容量/kVA2×10000.30.75—0.850.450.8—0.751.980.75—0.8836021342.9331.54

1215.No.3车变39.61124671.5No.4车变1×800

机修车间锻造车间木型车间制材场综合楼5小计(KΣ=0.9)锅炉房No.2水泵房仓库（1、2）污水提升站小计(KΣ=0.9)15022018620209863002888144300.250.30.350.280.9—0.750.750.30.65—0.650.550.600.601—0.800.800.650.80—1.171.521.331.330—0.750.751.170.75—37.56665.15.618471.32252126.49.1253.443.9100.386.67.40476.9168.815.830.96.8200.157.7120108.59.318670.5281.326.340.611.4322.987.7182.3164.814.127.31018427.4No.5车变40.061.917.3490.6计算负荷S30/kVA2586.2355.65003443.6I30/A248.934.248.1331.41×400序车间（单位）高压设备名称号名称123铸钢车间铸铁车间空压站小计

全厂设备容量/kW111540.35Kd电弧炉工频炉空压机表2.2各车间6kV高压负荷计算表

cos?tan?设备容量Kd/kW2×12502×2002×25034000.90.80.85—0.870.90.85—0.570.480.62—P30/kWQ30/kvar225032042529951282.5153.6263.51699.6表2.3工厂负荷计算表

cos?tan?P30/kW0.790.783904计算负荷S30/kVA4941.8I30/A285.3Q30/kvar3045.12.4无功功率补偿及其计算

工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负载，还有感

性的电力变压器，从而使功率因素降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因素的状况下，尚达不到规定的工厂功率因素要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。假设功率因数由cos?提高到cos?＇，这时在用户需要的有功功率P30不变的条件下，由公式（2.2）和公式（2.3）知无功计算功率和视在功率都有所减小。相应地负荷电流I30也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既俭约了电能，又提高了电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因素对供电系统大有好处。在提高功率因素的同时，工厂总降压变电所的主变压器容量可以选的小一些，这不仅可降低变电所的初投资，而且可以减少工厂的电费开支，因此进行无功功率补偿对工厂本身也有一定经济实惠。

通过该厂的负荷计算表可知该厂的功率因素cos?=0.79，不能达到供电部门的要求。在《供电营业规则》中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因素应达到以下规定：100kVA及以上高压供电的用户功率因素为0.90以上。〞并规定，凡功率因素

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未达到上述规定的，应增加无功补偿装置。

无功功率的人工补偿装置主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护便利、有功损耗小以及组装灵活、扩容便利等优点，因此本设计选用并联电容进行无功补偿。

由该厂的负荷计算表可知，总变压器低压侧的视在计算负荷为4942kVA，因此为进行功率补偿时，主变压器容量应选为5000kVA。此时变电所低压侧的功率因素未0.79。按规定，变电所高压侧的功率因素cos?≥0.9.。考虑到变压器本身的无功功率损耗ΔQT远大于其有功功率损耗ΔPT，一般ΔQT=（4~5）ΔPT，因此在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因素应略高于0.90，这里取cos?＇=0.93。

要使低压侧功率因素由0.79提高到0.93，低压侧需装设的并联电容器容量为

QC=3904×（tanarccos0.79－tanarccos0.93）kvar=1486.9kvar取QC=1500kvar

补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为

S30?（2）＇39042?（3045.1?1500）kVA?4198.6kVA2

因此主变补偿后选择容量不变，仍为5000kVA。

变压器的功率损耗为

ΔPT≈0.015S＇=0.015×4198.6kVA=63kW30（2）ΔQT≈0.06S＇=0.06×4198.6kVA=251.9kvar30（2）变电所高压侧的计算负荷为

=3904kW+63kW=3967kWP30（1）Q＇=（3045.1—1500）kvar+251.9kvar=1797kvar30（1）S30?（1）'＇3967?1797kVA?4355kVA22

I30?S30（1）3UN'?71.84A

补偿后工厂的功率因素为

cos?＝P30／S30?3967/4355kVA?0.91（1）（1）＇＇这一功率因素满足供电部门规定的要求。

根据以上计算，本设计从常用并联电容器中选出型号为BWF10.5-120-1的并联电容器13台进行该工厂的无功功率补偿。

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X?13?Uk%Sd100SN?Uk%Sd100SN?4.5?100?10100?800?4?100?10100?4003?5.6

3X?15?10

故可得出短路等效电路图5.2，根据短路图可算出各短路点的总阻抗如下：

X?（k?1）?X1?X2?0.36?X?（k?2）?X1?X2?X3∥X4?1.06?

??X?（k?3）?X1?X2?X3∥X4?X5∥X6?2.46?X?（k?4）?X1?X2?X3∥X4?X7?2.26?X?（k?5）?X1?X2?X3∥X4?X8∥X9?3.86?X?（k?6）?X??X1?X2?X3∥X4?X10?8.16?（k?9）X?（k?7）?X1?X2?X3∥X4?X11∥X12?3.31?X?（k?8）?X1?X2?X3∥X4?X13?6.66?X?（k?10）?X1?X2?X3∥X4?X15?11.06?6、计算三相短路电流和短路容量

（1）k-1点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-1?（3）???????

Id1X??（k?1）?1.75kV0.36?4.86kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I??Ik-1?4.86kA

（3）（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?4.36kA?9.81kA?1.51?4.36kA?6.58kA

Ish?1.51I（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1000.36MVA?277.78MVA

17

52.862.8k-3UC372.285.6k-4UC4k-131.4k-295.6107.1114.5124.5135.6147.11510k-510.120.26UC1k-641.4UC2k-7k-8k-9k-10

图5.2短路等效电路图

（2）k-2点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-2?（3）Id2X?（k?2）??5.50kA1.06?5.19kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I??Ik-2?5.19kA

（3）（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?5.19kA?11.68kA?1.51?5.19kA?7.84kA

Ish?1.51I（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1001.06MVA?94.34MVA

（3）k-3点短路

三相短路电流周期分量有效值

18

Ik-3?（3）Id3X?（k?3）??134.47kV2.46?54.56kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)（3）（3）?I??Ik-3?54.56kA

三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?54.56kA?1.51?54.56kA?122.76kA?82.39kA

Ish?1.51I（\3）

三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1002.46MVA?40.65MVA

（4）k-4点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-4?（3）Id4X?（k?4）??9.16kV2.26?4.05kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I??Ik-4?4.05kA

（3）（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25IIsh?1.51I（3）（3）（\3）?2.25?4.05kA?9.11kA?1.51?4.05kA?6.12kA

（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX??（k?1）?1002.26MVA?44.25MVA

（5）k-5点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-5?（3）Id5X?（k?5）??137.47kV3.86?35.61kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I?（3）?Ik-5?35.61kA

（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25IIsh?1.51I

（3）（3）（\3）?2.25?35.61kA?80.13kA?1.51?35.61kA?53.77kA19

（\3）

三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1003.86MVA?25.91MVA

（6）k-6点、k-9点短路三相短路电流周期分量有效值

Ik-6?Ik-9?（3）（3）Id6X?（k?6）??9.16kV8.16?1.12kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\3)?I?（3）?Ik-6?1.12kA

（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?1.12kA?2.53kA?1.51?1.12kA?1.69kA

Ish?1.51I（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1008.16MVA?12.25MVA

（7）k-7点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-7?（3）Id7X?（k?7）??137.47kV2.2?62.49kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I?（3）?Ik-7?62.49kA

（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?62.49kA?140.59kA?1.51?62.49kA?94.36kA

Ish?1.51I（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1002.2MVA?45.45MVA

（8）k-8点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-8?（3）Id8X?（k?8）??137.47kV6.66?20.64kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

20

I\(3)?I?（3）（3）?Ik-8?20.64kA

三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25IIsh?1.51I（3）（3）（\3）?2.25?20.64kA?51.60kA?1.51?20.64kA?31.17kA

（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??1006.66MVA?15.02MVA

（10）k-10点短路

三相短路电流周期分量有效值

Ik-10?（3）Id10X?（k?10）??137.47kV11.06?12.43kA

三相短路次暂态电流和稳态电流

I\(3)?I??Ik-1?12.43kA

（3）（3）三相短路冲击电流及第一个周期短路

ish?2.25I（3）（3）（\3）?2.25?12.43kA?27.97kA?1.51?12.43kA?18.77kA

Ish?1.51I（\3）三相短路容量

Sk-1?（3）SdX?（k?1）??10011.06MVA?9.04MVA

5.5短路计算结果

根据前面短路计算得出的各种短路状况的数据，经过整理得出该厂的短路计算表见表

5.2。

表5.2短路计算结果表电路点I（3）k三相短路电流/kA三相短路i（3）shI（\3）I（3）?I（3）sh容量/MVA277.7894.3440.6544.2525.9112.2545.4515.02k-1k-2k-3k-4k-5k-6k-7k-8

4.865.1954.564.0535.611.1262.4920.644.865.1954.564.0535.611.1262.4920.644.865.1954.564.0535.611.1262.4920.6421

9.8111.68122.769.1180.132.53140.5951.606.587.8482.396.1253.771.6994.3631.17

k-9k-10

1.1212.431.1212.431.1212.43

2.5327.971.6918.7712.259.046一次设备的选择与校验

6.1一次设备的选择校验的条件与项目

为了保证一次设备安全可靠地运行，必需按以下条件选择和校验：（1）按正常工作条件包括电压、电流、频率及开断电流等选择；（2）按短路条件包括动稳定和热稳定进行校验；

（3）考虑电气设备运行的环境条件如温度、湿度、海拔高度以及有无防尘、防爆、防腐、防火等要求；

选择一次设备时应考虑和效验的项目如表6.1所示。

表6.1一次设备选择校验的项目及满足的条件序号14789高压断路器低压断路器电流互感器电压互感器母线√√√√√—√设备的额定电压应不小于装置地点的额定电压√√√√—√√设备的额定电流应不小√—√√———设备的最大开端电流（或功3高压隔离开关设备名称电压/kV电流/kA断流能力/kA短路稳定度校验动稳定√√△√—√—按三相短路冲击电流校验热稳定√√△√—√√按三相短路稳态电流校验10电缆应满足的条件于通过设备率）应不小于的计算电流它可能开端的最大电流（或功率）备注√校验—不校验△一般可不校验6.2一次设备效验公式

本设计查阅相关资料，经过整理一次设备效验所需的公式得出一次设备效验公式表见表6.2。

表6.2一次设备效验公式表

序号

设备名称22

校验项目校验公式

(3)1高压断路器、高压负荷开关、高压隔离开关电流互感器动稳定热稳定动稳定热稳定动稳定2ima≥ishItt≥I∞(3)2tima(3)sh2Kes2Iin≥iσal≥σc(Kt·Iin)2t≥I∞(3)2timaA≥Amin=I(3)∞·tima/cA≥Amin=I(3)∞·tima/c(3)3母线热稳定热稳定4电缆和绝缘导线ima——设备的极限通过电流峰值（kA），ish(3)—通过设备的三相短路冲击电流（kA），It—设备的t秒热稳定电流（kA），t－设备的热稳定试验时间，I∞－三相短路稳符号态电流（KA，序号3、4中用A），tima－短路假想时间，Kes－动稳定倍数，Kt－热含义稳定倍数，σal－母线的最大允许应力，σc－母线通过时ish(3)受到的最大计算应力，A－导体的截面，Amin－导体满足热稳定的最小截面。6.3一次设备的选择与校验

1、总降压变电所35kV侧一次设备的选择与校验根据前面的计算数据，经过综合判断，本设计的总降压变电所35kV侧选用中型屋外式配电装置，并对该装置所用到的电气设备进行了效验。其主要电气设备的参数见表6.3，35kV侧一次设备选择效验表见表6.4。

2、总降压变电所10kV侧一次设备的选择与校验

该工厂总降压变电所10kV侧选用GG-1A（F）型开关柜，其主要电气设备参数及电气设备校验表见表6.5和表6.6所示，10kV开关柜室平面布置图见附录B。

3、各车间变电所10kV侧一次设备的选择与校验该工厂共有五个车间变电所，经过分析和计算，本设计的各个车间变电所10kV侧的电气设备均可选用同总降压变电所一致型号的电气设备和GG-1A（F）型开关柜。经过校验该型高压开关柜和电气设备的参数均合格，满足工厂各个车间变电所的用电需求。固各车间变电所10kV侧一次设备均选用同总降压变电所一致型号的电气设备和高压开关柜，其具体参数见表6.6。

表6.335kV屋外配电装置主要电气设备参数

名称断路器电流互感器电压互感器型号40GI-E16LCZ-35JDJ2-35JDJJ2-35熔断器RN5-35RW10-35/2电压UN电流I30主要技术数据UN=40.5kV，IN=1600A，Ioc=16kAI1N/I2N=20~1000A/5AU1N/U2N=35kV/0.1kV35kV3/0.1kV3/0.1kV3UN=35kV，IN=100A，Ioc=17kAUN=35kV，IN=2A，Ioc=16.5kA断流能力（3）Ik动稳定性（3）ish热稳定性Ioctima（3）2表6.435kV侧一次设备选择校验表选择效验项目装置地参数点条件23

数据设备参数断路器40GI-E1635kVUN40.5kV35kV35kV35/0.1kV71.84AIN1600A1000/5A100A—4.86kAIoc/Soc16kA—900MVA—9.81kAimax—130kA——主要技术数据17.71kA2Itt—900kA——型电流互感器LCZ-35号熔断器RN5-35电压互感器JDJ2-35名称断路器隔离开关电流互感器电压互感器避雷器表6.5GG-1A（F）型高压开关柜主要电气设备参数型号SN10-10ⅡGN8-10LAJ-10JDZ-10FZ-10UN=10kV，IN=1000A，Soc=500MVAUN=10kV，IN=400AUN=10kV，I1N/I2N=20~800A/5AU1N/U2N=10kV/0.1kVUN=10kV4、各车间变电所二次侧一次设备的选择与效验

低压开关设备的选择与校验，主要指低压断路器、低压刀开关、低压刀熔开关以及低压负荷开关的选择与校验。本设计中个车间变电所二次侧均采用低压短路器作为开关电器，并对其进行选择、整定与校验，其结果见表6.7。

表6.610kV侧一次设备选择校验表

选择效验项目装置地点条件数据设备参数断路器SN10-10Ⅱ10kVUN10kV10kV10/0.1kV285.3AIN1000A20~800/5A—5.19kAIoc/Soc31.5kA——11.68kAimax80kA181kA—参数电压UN电流I30断流能力（3）Ik动稳定性（3）ish热稳定性Ioctima（3）220.20kA2Itt31.5kA3600kA—型电流互感器LAJ-10号电压互感器JDJ2-356.4电缆、母线的选择

导电和电缆是电能传输的唯一途径，因此合理的选择电缆来保证供电系统安全、可靠、优质、经济的运行时至关重要的。导线的界面越大，电能损耗越小，但是线路投资、维修管理费用和有色金属消耗量都要增加。因此从经济方面考虑，可选择一个比较合理的导线截面，既是电能损耗小，又不致过分增加线路投资、维修管理费用和有色金属消耗量。

表6.7各车间变电所二次侧断路器选择与效验表变电所编号NO.1No.2No.3No.4No.5

断路器型号DW17-2000SN1-10DW15-1600SN1-10DW17-2000DW17-1600SN1-10DW15-630UN/V380600038060003803806000380装设地点参数I30/A1870248.9955.434.21124101848.1490.624

(3)Ik/kA54.56校验参数UN/V690600069060006906906000690IN/A2000600125060020001250600630Ioc/kA80204020805020304.0535.611.1262.4920.641.1212.43

1、35kV架空线路的选择

35kV供电线路可先按经济电流密度确定经济截面，在校验其他条件。按经济电流密度jec计算经济截面Aec的公式为

Aec?I30jec（6.1）

式中，I30为线路的计算电流。我国现行的经济电流密度jec规定见表6.8所示。

该工厂为三班工作制，年最大有功利用小时为6000h，进线电缆选用铝芯电缆，由表6.8查的jec=1.54。由公式6.1计算得架空线路的经济截面

Aec?2

71.84A0.9A/mm2?79.82mm2

因此选用截面为95mm，型号为LGJ-95的钢芯铝绞线，LGJ-95的允许载流量Ial=335A﹥I30=71.84A，因此满足发热条件。

2、35kV母线的选择

由《发电厂电气主系统》图6.3查出铝矩形导体的经济电流密度jec=0.68，故母线的经济截面

Aec?71.84A0.68A/mm2?105.65mm2

故35kV母线选用25×5mm2单条竖放矩形导体，其载流量为350A，比I30大，因此满足要求。

表6.8导线和电缆的经济电流密度

线路类别架空线路电缆线路导线材质3000h以下铜铝铜铝3.001.652.501.92年最大有功负荷利用小时3000～5000h2.251.152.251.735000h以上1.750.902.001.542、总降压变电所10kV侧电缆的选择

根据公式6.1可算出总降压变电所10kV侧电缆的经济截面

Aec?285.3A2.00A/mm2?142.7mm2

因此选用截面为150mm2，型号为YJV－150的交联聚乙烯绝缘电缆。由《工发电厂电气主系统》中的数据得铜芯YJV－150的允许载流量Ial=411A﹥I30=71.84A,因此满足发热条件。

3、总降压变电所10kV侧母线的选择根据10kv母线处的电流电压等初选母线型号为LMY－480(40×4)，Ial=480A≥I30=285.3A，符合要求。

⑴动稳定校验

该10kV母线处的ish=11.68kA假设母线水平平放，档距为900mm，档数大于2，相邻两相母线的轴线距离为160mm。

(3)25

三相短路时的最大电动力

F(3)=3i(3)2sh?0.9×10-7N/A2=3（11.68×103）2××10-7=133Na0.16l母线在F(3)作用时的弯曲力矩为

M=

母线的截面系数为

W=b2h/6=0.042×0.004/6=1.1×10-5m3

故母线在三相短路时所受到的计算应力为

σc=M/W=12N·M/1.1×10-5m3=10.9MPa

而硬铝母线（LMY）的允许应力为

σal=70MPa＞σc=10.9MPa

由此可见该母线满足短路动稳定度的要求。

⑵热稳定校验

由表6-2中的热稳定校验公式可知

Amin?F(3)l10=133×0.9/10=12N·m

I(3)?32tima/c=5.19×10×4?0.2?0.05/87=122.98mm

A=40×4=160mm2＞Amin=122.98mm2

由此可知该母线满足短路热稳定度的要求。

4、总降压变电所至各车间变电所电缆选择

本设计的总降压变电所至各车间变电所的电缆均选用交联聚乙烯绝缘铜芯电缆，并对其进行了校验，其结果见表6.9。

表6.9总降压变电所至各车间变电所电缆选择与效验表

变电所编号No.1No.2No.3No.4No.5

电缆型号YJV-70YJV-25YJV-25YJV-25YJV-25计算电流I30/A217.7563.7642.7262.0718.64允许载流量Ial/A2551351351351357继电保护装置的整定计算

为了保证工厂供电系统的安全运行，避免过负荷和短路引起的过电流对系统的影响，因此在工厂的总降压变电所和厂区供电系统中有不同类型的继电保护装置。为了保证对保护装置的选择性、速动性、可靠性和灵敏性的基本要求，就需要对继电保护装置进行整定计算，来达到目的。本章对该工厂的总降压变电所和厂区供电系统的主要保护装置进行整定计算。

26

7.1总降压变电所35/10kV变压器的保护

本设计的总降压变电所采用S9-5000/35型电力变压器，该变压器的额定容量为5000KVA，所以本设计选择对该变压器装设差动保护和瓦斯保护。本设计变压器保护均选用GL-15/10型继电器进行保护，采用两相两继电器式接线，其接线形式见图7.1所示，反时限过电流保护的原理图见附录C。下面分别对继电保护进行整定计算。

1、差动保护

差动保护能正确区分被保护元件保护区内、外故障，并能瞬时切除保护区内的故障。变压器差动保护用来反映变压器绕组，引出线及套管上各种短路故障，是变压器的主保护。本设计差动保护选用BCH-2型继电器，原理接线图见附录C，变压器各侧有关数据见表7.1。

从表7.1可以看出，变压器二次侧电流I2大于一次侧电流I1，所以选较大者10.5kV侧为基本侧。BCH-2型继电器的平衡绕组WbⅠ接于10.5kV的基本侧，平衡绕组WbⅡ接于35kV侧。

计算差动保护基本侧动作电流，在决定一次动作电流时应满足以下三个条件：（1）躲过变压器励磁涌流的条件

Iop1=KrelITN，d=1.3×274.9A=357.4A（2）躲过电流互感器二次短线不应误动作的条件

Iop1=KrelIL，max=1.3×450A=585A

（3）躲过外部穿越性短路最大不平衡电流的条件

Iop1?KrelLunb，max?Krel（KstKerr??U??fs）Ik2，max

?1.3（1×0.1?0.05?0.05）?989.7A?257.3A

（\3）式中Krel，Kst—可靠系数与电流互感器的同型系数，Krel取1.3，Kst取1；

ITN，d，IL，max—变压器于基本侧的额定电流与最大负荷电流；

?U，?fs—改变变压器分接头调压引起的相对误差与整定匝数不同于计算匝数引起

的相对误差。?U去0.1，?fs去初步0.05进行计算；

Ik2，max—在最大运行方式下，变压器二次母线上短路，归算于基本侧的三相短路

（\3）电流次暂态值。

表7.1S9-5000/35型变压器差动保护数据数据名称35kV变压器额定电流电流互感器接线方式电流互感器变比计算值选择电流互感器标准变比电流互感器二次连接臂电流82.5AΔ33.3A200/53.57A各侧数据10.5kV274.9AY55A600/52.29A选取上述条件计算值中最大的作为基本侧的一次动作电流，即Iop1取585A。差动继电器基本侧的动作电流为

Iop，r?Iop1KconKTAy?585?1600/5?4.88A

27

式中KTAy，Kcon—基本侧的电流互感器变比与其接线系数。

该继电器在保持Wk\/Wk'?2时其动作安匝数为

Wop?ANIop，r?35?44.88?7匝

为了平衡得更确切，是不平衡电流影响更小，可将接于基本侧平衡绕组WbⅠ作为基本侧动作匝数的一部分，选取差动绕组Wb与平衡绕组WbⅠ的整定匝数Wd，set=6匝，WbⅠ，set=6匝，即Wop，set=Wd，set+WbⅠ，set=12匝。

确定费平衡绕组匝数

I1（WbⅡ+Wd，set）=I2（WbⅠ，set+Wd，set）

WbⅡ?I22.29（WbⅠ,set?Wd,set）?Wd，set?（4?7）?6?1.7匝I13.57选整定匝数WbⅡ,set=2匝，其相对误差为

?fs?WbⅡ?WbⅡ,setWbⅡ?Wd,set??0.0395

要求相对误差的绝对值不超过0.05，故满足要求，不必重新计算动作电流值。

确定短路绕组匝数，就是要确定短路绕组的插头的插孔。它有四组插孔，短路绕组匝

数越多，躲过励磁涌流的性能越好，但当内部故障电流中有较大非周期分量时，BCH-2型继电器动作时间要延长，因此，对励磁涌流倍数大的中、小容量变压器，当内部故障时短路电流非周期分量衰减较快，对保护动作时间要求较低，故多项选择用插孔C2-C1或D2-D1。本设计宜选用C1-C2插孔拧入螺钉，接通短路绕组。

该继电保护整定计算为单电源应以最小运行方式下10kV侧两相短路反应到电源进行

效验，10.5kV侧母线两端短路归算到35kV侧流入继电器的电流为

I（2）k2,r3?（23Ik2,minKTAd（3））?1.5?290200/5?10.9A

35kV电源侧BCH-2型继电器的动作电流为

Iop,r?ANWd,set?WbⅡ,,set?356?2?4.4A

则差动保护装置的最小灵敏系数为

K（2）s,min?Ik2,rIop,r（2）?10.94.4?2.5?2

可见，满足灵敏性要求.2、瓦斯保护

瓦斯保护又称气体继电保护，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，按GB50062—1992规定，800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的车间内油浸式变压器，均装设瓦斯保护。故该厂总降压变电所主变压器应装设瓦斯保护。

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7.235kV电力线路保护

该工厂有35kV进线线路两条，一条为工作电源，另一条为备用电源。本设计35kV线路保护选用DL-10型继电器，采用两相两继电器式接线，其接线形式见图7.1所示。35kV线路采用的保护有过电流保护、电流速断保护和过负荷保护，其接线图见附录C，下面进行保护的整定计算。

ABCKA1KA2I>?IA?IB?ICI>?IaTA1?IaTA2?Ic?Ic

图7.1两相两继电器式接线图

1、过电流保护的整定计算

该线路的I30=285.3A，本设计的线路过电流保护的整定值取I30的2倍，故IL·max=2I30=570.6A。电流互感器变比为100/5，故整定电流

Iop?KrelKwKreKiIL?max?1.2?10.8?20?570.6A?42.8A

所以动作电流整定为43A。根据工厂的相关资料，该过电流保护的动作时间为2s。

2、电流速断保护的整定计算该线路三相短路电流周期分量有效值Ik·max=4860A，根据电流速断保护的整定计算公式得动作电流

Iqb?KrelKwKiKTIk?max?1.2?120?3.5?4860A?83.3A

因此，电流速断保护的动作电流为84A。3、过负荷保护

线路的过负荷保护一般对可能经常出现过负荷的电缆线路予以装设，一般延时动作于信号。由于本工厂负荷较大，简单出现过负荷现象，故本设计选用过负荷保护，过负荷保护的动作电流

Iop（OL）?1.320?285.3A?18.5A

故过负荷保护的整定值为18.5A，动作时间取15s。

7.310kV电力线路保护

该工厂的10kV线路较多，故本设计只选择变电所至No.1车间变电所的线路进行继电保护整定计算，其接线图见附录C。本设计10kV线路保护均选用DL-10型继电器进行保护，采用两相两继电器式接线，其接线形式见图7.1所示，定时限过电流保护的原理图见附录C。

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下面分别对继电保护进行整定计算。

1、过电流保护的整定计算

该线路的I30=217.75A，本设计的线路过电流保护的整定值取I30的2倍，故IL·max=2I30=435.5A。电流互感器变比为100/5，故整定电流

Iop?KrelKwKreKiIL?max?1.2?10.8?20?435.5A?32.6A

所以动作电流整定为33A。根据工厂的相关资料，该过电流保护的动作时间为2s。

2、电流速断保护的整定计算

该线路三相短路电流周期分量有效值Ik·max=58610A，根据电流速断保护的整定计算公式得动作电流

Iqb?KrelKwKiKTIk?max?1.2?120?3.5?58610A?1004.7A

因此，电流速断保护的动作电流为1005A。3、过负荷保护

线路的过负荷保护一般对可能经常出现过负荷的电缆线路予以装设，一般延时动作于信号。由于本工厂负荷较大，简单出现过负荷现象，故本设计选用过负荷保护，过负荷保护的动作电流

Iop（OL）?1.320?2118.9A?137.7A

故过负荷保护的整定值为140A，动作时间取15s。

8防雷保护与接地装置的设计

8.1变电所防雷保护与防雷装置的选择

1、变电所防雷保护

变电所及其屋外配电装置，应装设避雷针来防护直击雷。由于该厂变电所35kV采用屋外配电装置，故屋外配电装置和变电所均需装设避雷针进行直击雷防护。变电所屋顶为平屋顶，宜用避雷带做接闪器。根据它的防雷等级确定其引下线间距小于18m，避雷网格小于10m×10m或12m×8m，至少设两处防雷接地测试点，其屋顶防雷平面图见附录D。

为了防止雷电侵入波对变电所内电气装置特别是对主变压器产生危害，应当在变电所以下位置装设避雷器：

（1）高压架空线路的终端杆装设阀式避雷器，且由于该工厂需要一段引入电缆，故在架空线终端装设的避雷器要与电缆头处的金属外皮相连并一同接地；

（2）每组高压母线上都应装设阀式避雷器。变电所内所有阀式避雷器应以最短的接地线与配电装置的主接地网相连。

2、防雷装置的选择