光明机械厂降压变电所的电气设计

/※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※2009级工厂供电课程设计光明机械厂降压变电所的电气设计姓名学号院、系、部班号完成时间摘要依据本厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际状况，并适当考虑工厂生产的发展，依据平安牢靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所型式，确定变电所主变压器的台数和容量、类型，选择变电所主结线方案及凹凸压设备和进出线，确定二次回路方案，确定所防雷接地装置和照明设计。关键词：变电所类型主结线方案二次回路防雷照明设计目录TOC\o"1-3"\h\u第1章设计任务 11.1设计要求 11.2设计依据 1第2章负荷计算和无功功率补偿 32.1负荷计算 32.2无功功率补偿 5第3章变电所主变压器及主接线方案的选择 73.1变电所主变压器的选择 73.2变电所主接线方案的选择 73.2.1选择主接线变压器台数的原则 73.3主接线方案的技术经济比较 10第4章短路电流的计算 114.2确定短路计算基准值 114.3计算短路电路中个元件的电抗标幺值 114.4k-1点（10.5kV侧）的相关计算 124.5k-2点（0.4kV侧）的相关计算 12第5章变电所一次设备的选择校验 145.110kV侧一次设备的选择校验 145.2380V侧一次设备的选择校验 155.3凹凸压母线的选择 16第6章变压所进出线和邻近单位联络线的选择 176.110kV高压进线和引入电缆的选择 176.2380低压出线的选择 176.3作为备用电源的高压联络线的选择校验 19第7章变电所二次回路方案的选择 217.1变电所二次回路方案的选择 21第8章降压变电所防雷和接地装置的设计 228.1变电所的防雷爱护 228.2变电所公共接地装置的设计 22第9章设计总结 24参考文献 25第1章设计任务1.1设计要求要求依据本厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际状况，并适当考虑工厂生产的发展，依据平安牢靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所型式，确定变电所主变压器的台数和容量、类型，选择变电所主结线方案及凹凸压设备和进出线，确定二次回路方案，确定所防雷接地装置和照明设计，最终按要求写出设计说明书，绘制变电所系统图，功率因数补偿到0.9。平面图见附录表。1.2设计依据1.2.1工厂负荷状况本厂车间为两班制，年最大负荷利用小时为4600小时，日最大负荷持续时间为8小时，该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。工厂负荷统计资料如表1-1所示。1.2.2供电电源状况依据工厂和供电协议，本厂可由旁边一条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-150，导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8km。断路器断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过流爱护和电流速断爱护，定时限过电流爱护整定的动作时间为2S，为满意工厂二级负荷的要求，可采纳高压联络线由2公里处邻近单位取得备用电源。已知和本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线总长度为30km。1.2.3气象资料本厂所在地区的年最高气温为40度，年平均气温为23度，年最低气温为-13度，年最热月平均最高气温为33度，年最热月平均气温为28度，年最热月地下0.8m处平均温度为25℃。年雷暴日为60。1.2.4地质水文资料本厂所在地区平均海拔700米，底层以砂粘土为主，地下水位为30米。表1-1工厂负荷统计资料厂房编号厂房名称负荷类别设备容量/kW须要系数功率因数1铸造车间动力3000．30．7照明60．81．02锻压车间动力3500．30．65照明80．71．07金工车间动力4000．20．65照明100．81．06工具车间动力3600．30．6照明70．91．04电镀车间动力2500．50．8照明50．81．03热处理车间动力1500．60．8照明50．81．09装配车间动力1800．30．7照明60．81．010机修车间动力1600．20．65照明40．81．08锅炉车间动力500．70．8照明10．81．05仓库动力200．40．8照明10．81．0生活区照明3500．70．9第2章负荷计算和无功功率补偿2.1负荷计算2.1.1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） =，为系数(2)无功计算负荷（单位为kvar） =tan(3)视在计算负荷（单位为kvA） =(4)计算电流（单位为A）=,为用电设备的额定电压（单位为KV）多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） =式中是全部设备组有功计算负荷之和，是有功负荷同时系数，可取0.85~0.95（2）无功计算负荷（单位为kvar）=，是全部设备无功之和；是无功负荷同时系数，可取0.9~0.97（3）视在计算负荷（单位为kvA） =（4）计算电流（单位为A） =经过计算，得到各厂房和生活区的负荷计算表，如表2-1所示（额定电压取380V）表2-1 各厂房和生活区的负荷计算表编号名称类别设备容量/kW须要系数costan计算负荷/KW/kvar/kVA/A1铸造车间动力3000．30．71.029091.8————照明60．81．004.80————小计306——94.891.8132200.62锻压车间动力3500．30．651.17105123————照明80．71．005.60————小计358——110.61231652517金工车间动力4000．20．651.178093.5————照明100．81．0080————小计410——8893.5128.4195.16工具车间动力3600．30．61.33108144————照明70．91．006.30————小计367——114.31441842804电镀车间动力2500．50．80.7512593.8————照明50．81．0040————小计255——12993.81602443热处理车间动力1500．60．80.759067.5————照明50．81．0040————小计155——9467.5115.7175.89装配车间动力1800．30．71.025455.1————照明60．81．004.80————小计186——58.855.180.612210机修车间动力1600．20．651.173237.4————照明40．81．003.20————小计164——35.237.451.4788锅炉车间动力500．70．80.753526.3————照明10．81．000.80————小计51——35.826.344.467（续）编号名称类别设备容量/kW须要系数costan计算负荷/KW/kvar/kVA/A5仓库动力200．40．80.7586————照明10．81．000.80————小计21——8.8610.716.211生活区照明3500.70.90.48245117.6272413总计动力22201014.3855.5————照明403计入=0.9,=0.950.75912.9812.71222.218572.2无功功率补偿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洁、运行维护便利、有功损耗小以及组装敏捷、扩容便利等优点，因此并联电容器在供电系统中应用最为普遍。由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.75。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元大于有功损耗，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：=(tan-tan)=912.9[tan(arccos0.75)-tan(arccos0.92)]=416.2kvar 取=420,补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，而无功计算负荷=（812.7-420）kvar=392.7kvar，视在功率=994kVA，计算电流=1510A,功率因数提高为cos==0.918。在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为1250kVA,才能满意负荷用电的须要；而实行无功补偿后，主变压器T的容量选为1000kVA的就足够了。同时由于计算电流的削减，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无功补偿的经济效益特别可观。因此无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2-2所示。表2-2无功补偿后工厂的计算负荷项目cos计算负荷/KW/kvar/kVA/A380V侧补偿前负荷0.75912.9812.71222.21857380V侧无功补偿容量-420380V侧补偿后负荷0.92912.9392.79941510主变压器功率损耗0.015=14.90.06=59.610KV侧负荷计算0.92927.8452.3102359第3章变电所主变压器及主接线方案的选择3.1变电所主变压器的选择 依据工厂的负荷性质和电源状况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案： a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量依据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1000kVA>=994kVA，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担当。 b)装设两台变压器型号为S9型，而每台变压器容量依据式（3-1）、（3-2）选择，即994kVA=（596～696）kVA （3-1）=(132+160+44.4)kVA=336.4kVA （3-2）因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。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担当。主变压器的联结组均为Yzn11。3.2变电所主接线方案的选择选择主接线变压器台数的原则应满意用电负荷对供电牢靠性的要求。对季节性负荷或昼夜负荷变动较大的宜于采纳经济运行方式的变电所，也可考虑两台变压器。以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器对一、二级负荷接着供电，对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采纳一台变压器，但必需在低压侧敷设其他变电所相联线作为备用电源，或另有自备电源对季节性负荷或昼夜负荷改变较大的而宜于采纳经济运行方式的变电所，也可考虑两台变压器（3）除上述两种状况外，一般车间变电所宜采纳一台变压器。但是负荷集中地地方且容量相当大的变电所，随为三级负荷，也可以采纳两台或多台变压器。（4）在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有肯定的余地。按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：3.2.2装设一台主变压器的主接线方案 如图3-1所示 图3-1装设一台主变压器的主接线方案3.2.3装设两台主变压器的主接线方案 如图3-2所示图3-2装设两台主变压器的主接线方案3.3主接线方案的技术经济比较表3-1主接线方案的技术经济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平安性满意要求满意要求供电牢靠性基本满意要求满意要求供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗较小敏捷便利性只有一台主变，敏捷性稍差由于有两台主变，敏捷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额查得S9-1000/10的单价为15.1万元，而变压器综合投资约为其单价的2倍，因此综合投资约为2*15.1=30.2万元查得S9-630/10的单价为10.5万元，因此两台变压器的综合投资约为4*10.5=42万元，比一台主变方案多投资11.8万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查得GG-1A(F)型柜可按每台4万元计，其综合投资可按设备的1.5倍计，因此高压开关柜的综合投资约为4*1.5*4=24万元本方案采纳6台GG-1A(F)柜，其综合投资约为6*1.5*4=36万元，比一台主变方案多投资12万元电力变压器和高压开关柜的年运行费主变的折旧费=30.2万元*0.05=1.51万元；高压开关柜的折旧费=24万元*0.06=1.44万元；变配电的修理管理费=（30.2+24）万元*0.06=3.25万元。因此主变和高压开关柜的折旧和修理管理费=（1.51+1.44+3.25）=6.2万元主变的折旧费=42万元*0.05=2.1万元；高压开关柜的折旧费=36万元*0.06=2.16万元；变配电的修理管理费=（42+36）万元*0.06=4.68万元。因此主变和高压开关柜的折旧和修理管理费=（2.1+2.16+4.68）=8.94万元，比一台主变方案多投资2.74万元从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案远由于装设两台主变的主接线方案，因此确定采纳装设一台主变的主接线方案。第4章短路电流的计算4.1绘制计算500MVA500MVAK-1K-2LGJ-150,8km10.5kVS9-10000.4kV(2)(3)(1)～∞系统图4-1短路计算电路4.2确定短路计算基准值 设基准容量=100MVA，基准电压==1.05，为短路计算电压，即高压侧=10.5kV，低压侧=0.4kV，则 （4-1） （4-2）4.3计算短路电路中个元件的电抗标幺值4.3.1电力系统 已知电力系统出口断路器的断流容量=500MVA，故 =100MVA/500MVA=0.2 （4-3）4.3.2架空线路 查表得LGJ-150的线路电抗，而线路长8km，故 （4-4）4.3.3电力变压器 查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故=4.5 （4-5）式中，为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。k-1k-2k-1k-2图4-2短路计算等效电路4.4k-1点（10.5kV侧）的相关计算4.4.1总电抗标幺值=0.2+2.6=2.8 （4-6）4.4.2三相短路电流周期重量有效值 （4-7）4.4.3其他短路电流 （4-8） （4-9） （4-10）4.4.4三相短路容量 （4-11）4.5k-2点（0.4kV侧）的相关计算4.5.1总电抗标幺值=0.2+2.6+4.5=7.3（4-12）4.5.2三相短路电流周期重量有效值 （4-13）4.5.3其他短路电流 （4-14） （4-15） （4-16）4.5.4三相短路容量 （4-17）以上短路计算结果综合图表4-1所示。表4-1 短路计算结果短路计算点三相短路电流三相短路容量/MVAk-11.961.961.965.02.9635.7k-219.719.719.736.221.513.7第5章变电所一次设备的选择校验5.110kV侧一次设备的选择校验 5.1.1按工作电压选择设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV，=11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。5.1.2按工作电流选择 设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即5.1.3按断流实力选择 设备的额定开断电流或断流容量，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或短路容量，即或对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。5.1.4隔离开关和断路器的短路稳定度校验a)动稳定校验条件 或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件对于上面的分析，如表5-1所示，由它可知所选一次设备均满意要求。表5-110kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流实力动态热稳定度热稳定度其它装置地点条件参数数据10kV60A()1.96kA5.0kA一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630kA16kA40kA高压隔离开关-10/20010kV200A-25.5kA高压熔断器RN2-1010kV0.5A50kA--电压互感器JDJ-1010/0.1kV电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010kV100/5A-=31.8kA=81二次负荷0.6户外隔离开关GW4-12/40012kV400A-25kA5.2380V侧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5-2所示，所选数据均满意要求。表5-2380V一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流实力动态热稳定度热稳定度其它装置地点条件参数-一次设备型号规格额定参数-低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kA低压断路器DW20-630（QF1QF2QF4QF6QF11380V630A（大于）30kA(一般)低压断路器DW20-200(QF3QF5QF7QF8QF9QF10380V200A（大于）25kA低压断路器HD13-1500/30380V1500A电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A电流互感器LMZ1-0.5500V100/5A160/5A5.3凹凸压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（10010）+636.3，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。第6章变压所进出线和邻近单位联络线的选择6.110kV高压进线和引入电缆的选择6.1.110kV高压进线的选择校验 采纳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==59A及室外环境温度33°，查表得，初选LGJ-25,其35°C时的=119A>,满意发热条件。（2）校验机械强度 查表得，最小允许截面积=25，而LGJ-25满意要求，故选它。由于此线路很短，故不须要校验电压损耗。6.1.2由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验采纳YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。（1）按发热条件选择由==59A及土壤环境25°，查表得，初选缆线芯截面为25的交联电缆，其=90A>,满意发热条件。（2）校验热路稳定按式，A为导线截面积，单位为；为满意热路稳定条件的最大截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为导线通过的三相短路稳态电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=1960，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所爱护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s，C=84，把这些数据代入公式中得<A=25。因此YJL22-10000-325电缆满意要求。6.2380V低压出线的选择选线时，应满意发热条件、电压损耗和机械强度的要求依次选择：对于发热条件：应使其允许载流量不小于通过相线的计算电流，即≥；中性线截面A0不小于相线截面A的50％，即A0≥0.5A；爱护线截面APE,当A≤16时，APE≥16；当16<A≤35时，APE≥16；当A>35时，APE≥0.5A。对于电压损耗：应使≤=5%；对于机械强度：导线截面应大于等于其最小截面。铸造车间线路采纳BXV-1000型橡皮绝缘铝导线导线明敷。（1）按发热条件需选择由=200.6A及地下0.8m土壤温度为25℃，查表，初选缆芯截面95，其=265A>，满意发热条件。 校验电压损耗变电所至1号厂房距离约为100m，而查表得到120的铝芯=0.36（按缆芯工作温度75°计），=0.206，又1号厂房的=94.8kW,=91.8kvar，故线路电压损耗为 <=5%。（3）短路热稳定度校验 不满意短热稳定要求，故改选导线截面为240的电缆，即选BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘的铝芯导线，中性线芯按不小于相线芯一半选择，下同。对于其他车间校验方法同铸造车间：锻压车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；热处理车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；电镀车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷;仓库:由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采纳BLV—1000—1×4铝芯线5根穿内径25硬塑管敷设；工具车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；金工车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；锅炉房：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；装配车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；机修车间：采纳BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷；生活区：采纳BLX-1000型铝芯橡皮绝缘线架空敷设。（1）按发热条件选择由I30=413A及室外环境温度（年最热月平均气温）33℃，初选BLX-1000-1240，其33℃时Ial≈455A>I30,满意发热条件。（2）效验机械强度查表可得，最小允许截面积Amin=10，因此BLX-1000-1240满意机械强度要求。（3）校验电压损耗查工厂平面图可得变电所至生活区的负荷中心距离200m左右，而查表得其阻抗值和BLX-1000-1240近似等值的LJ-240的阻抗=0.14，=0.30（按线间几何均距0.8m），又生活区的=245KW，=117.6kvar，因此>=5%不满意允许电压损耗要求。因此确定采纳四回，每回路BLX-1000-1120的三相架空线路对生活区供电。PEN线均采纳BLX-1000-175橡皮绝缘线。6.3作为备用电源的高压联络线的选择校验发热条件选择：工厂二级负荷容量共336.4KVA，，最热月土壤平均温度为28℃。查表《工厂供电设计指导》8-43，初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满意要求。校验电压损耗：由表《工厂供电设计指导》8-41可查得缆芯为25的铝（缆芯温度按80℃计），，而二级负荷的,，线路长度按2km计，因此由此可见满意要求电压损耗5%的要求。短路热稳定校验：按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25的交联电缆是满意热稳定要求的。而接近单位10KV的短路数据不知，因此该联路途的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。采纳YJL22—10000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆，干脆埋地敖设，和相距约2Km的接近单位变配电所的10KV母线相连。以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表6-1所示。表6-1进出线和联络线的导线和电缆型号规格线路名称导线或电缆的型号规格10KV电源进线LGJ-25铝绞线（三相三线架空）主变引入电缆YJL22—10000—3×25交联电缆（直埋）380V低压出线至1号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至2号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至3号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至4号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至5号厂房BLV—1000—1×4铝芯线5根穿内径25硬塑管至6号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至7号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至8号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至9号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至10号厂房BLX-1000-3240+1120的橡皮绝缘铝导线导线明敷至生活区四回路，每回路3×BLX-1000-1×120+1×BLX-1000-1×75橡皮线（三相四线架空线）和接近单位10KV联络线YJL-10000-3×25交联电缆（直埋）第7章变电所二次回路方案的选择7.1变电所二次回路方案的选择高压断路器的操作机构限制和信号回路断路器采纳手动操动机构，其限制和信号回路如图7-1所示：图7-1手动操作的断路器第8章降压变电所防雷和接地装置的设计8.1变电所的防雷爱护8.1.1干脆防雷爱护在变电所屋顶装设避雷针和避雷带，并引进出两根接地线和变电所公共接装置相连。如变电所的主变压器装在室外和有露天配电装置时，则应在变电所外面的适当位置装设独立避雷针，其装设高度应使其防雷爱护范围包围整个变电所。假如变电所所在其它建筑物的直击雷防护范围内时，则可不另设独立的避雷针。按规定，独立的避雷针的接地装置接地电阻（表9-6）。通常采纳3-6根长2.5m的刚管，在装避雷针的杆塔旁边做一排和多边形排列，管间距离5m，打入地下，管顶距地面0.6m。接地管间用40mm×4mm的镀锌扁刚焊接相接。引下线用25mm×4mm的镀锌扁刚，下和接地体焊接相