某厂10KV变电所设计

吉林建筑大学城建学院课程设计报告题目名称光明机械制造厂10KV变电所设计院〔系〕电气信息工程系课程名称供配电课程设计班级学号学生姓名指导教师起止日期2016.12.10---12.16成绩目录摘要............................................IABSTRACT............................................II第1章绪论...................................................11.1设计目的....................................................11.2设计任务...................................................11.3设计要求..................................................2第2章负荷计算和无功功率补偿..............................42.1负荷计算和无功补偿计算的目的.................................42.2负荷计算的方法的选择...............................42.3负荷计算...............................42.4无功补偿计算..........................................7第3章工厂变电所的设备选择及主接线设计...........................93.1总降压变电所位置的选择.....................................93.2变压器台数及容量的选择....................................93.3变电所主接线的选择原那么....................................103.4变电所主接线方案的选择................................11第4章工厂供配电系统的短路电流计算................................134.1短路电流计算的目的及方法..................................134.2短路电流计算...............................................134.3计算短路电路中各元件的电阻抗标幺值.........................144.2故障点的短路电流计算.......................................15第5章短路电流计算........................................17第6章变电所一次设备的选择与校检..................................206.1变电所高压一次设备的选择及校检.............................206.2变电所低压一次设备的选择及校检.............................22第7章变电所防雷与接地装置的设计..................................247.1变电所的防雷保护.............................247.2变电所公共接地装置的设计.............................24结论......................................................26致谢.......................................................27参考文献............................................28摘要设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。如本设计中用到了工厂供电的绝大多数的根底理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养。设计可分为几局部：负荷计算和无功功率计算及补偿；变电所位置和形式的选择；变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择；短路电流的计算；变电所一次设备的选择与校验；变电所高、低压线路的选择；变电所二次回路方案选择及继电保护的整定；防雷和接地装置确实定。关键词：负荷计算,无功功率,主接线ABSTRACTToprotectthesafetyofindustrialproduction,toensurereasonabledistributionofelectricenergy,transmission,flexibleoperationmodechanges.Specialforthisdesign.Elaboratedonthedesignofthemainmechanicalplantatotalstep-downsubstationelectricaldesign.Carriedoutinthedesignofthestatisticalcalculationoftheloadontheplant;substationlocationandtypeofchoice;substationmaintransformerandmainlineschemeofchoice;short-circuitcurrentcalculation;substationequipmentselectionofacheck;substationintotheoutletandadjacentunitsofthecontactlineofchoice;step-downsubstationlightningprotectionandgroundingequipmentdesign.Keywords：Reactivepowercompensation;Substation;transformer第1章绪论1.1设计目的通过课程设计稳固本课程理论知识，掌握供配电设计的根本方法，通过解决各种实际问题，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算、绘图、设计说明书等方面得到训练，为今后的工作奠定根底。1.2设计任务1.根据光明机械厂用电负荷，并适当考虑生产的开展，按平安可靠、技术先进、经济和的要求，确定工厂变电所的位置与型式；通过计算负荷，确定主变压器台数及容量；进行短路电流的计算，选择变电所的主线及高、低电气设备；选择整定继电保护装置；最后按要求写出设计计算说明书，绘出设计图纸。2.课题设计资料〔1〕工程总平面图如图1-1：图1-1〔2〕工厂负荷数据：机械厂多数车间为3班制，年最大负荷利用小时数为6400小时。机械厂负荷统计资料见表1-1：〔3〕供电电源情况：按照供电局协议，机械厂可由10kV公共市电架空进线〔中间有电缆接入变电所〕；也可引自邻厂高压联络线。〔4〕电源短路容量：10kV公共市电架空进线首段所装高压断路器的断流容量为。〔5〕供电局要求的功率因数：要求工厂变电所高压侧cosφ≥0.9。厂房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仓库动力880.251.170.65照明20.801.02铸造车间动力2380.351.020.70照明100.801.03锻压车间动力2380.251.170.65照明100.801.04金工车间动力4380.251.330.60照明100.801.05工具车间动力5380.251.170.65照明100.801.06电镀车间动力2380.500.880.75照明100.801.07热处理车间动力1380.501.330.60照明100.801.08装配车间动力1380.351.020.70照明100.801.09机修车间动力1380.251.170.65照明50.801.010锅炉房动力1380.501.170.65照明20.801.0宿舍区照明4000.701.0表1-11.3设计要求1.要求每个学生独立完成设计任务。2.要正确运用设计资料。3.给出变配电所的主接线图。4.完成课程设计任务书规定内容。5.要求提交成果。〔1〕完成课程设计报告书一份；〔2〕A3变配电所的主接线图纸一张。第2章负荷计算和无功功率的补偿2.1负荷计算和无功补偿计算的目的1.求计算负荷，是选择确定建筑物报装容量、变压器容量的依据；2.求计算电流，是选择缆线和开关设备的依据；3.求有功计算负荷和无功补偿计算负荷，是确定静电电容器容量的依据。2.2负荷计算的方法的选择假设某供电范围内所有电气设备的容量为∑,当这些设备正常使用时，由于各种原因，该供电范围负荷曲线上的计算负荷总会比电气设备的总容量∑小，即〔2-1〕其中，为小于1的数。确定这个值常数的方法有需要系数法、二项式法和利用系数法等。以下为两种常用确实定值的方法：1.需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。适用范围：用于设备数量多，容量差异不大的工程计算，尤其适用于配、变电所和干线的负荷计算。2.利用系数法：采用利用系数求出最大负荷区间内的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数，得出计算负荷。2.3负荷计算1.单组用电设备计算负荷的计算公式当分组后同一组中设备台数n大于3台时，计算负荷应考虑其需要系数，即：有功计算负荷〔单位为〕：〔2-2〕为需要系数，为设备的额定功率；无功计算负荷〔单位为〕：〔2-3〕视在计算负荷〔单位为〕：〔2-4〕计算电流〔单位为〕:=〔2-5〕其中，为用电设备的额定电压〔单位为〕。2.多组用电设备计算负荷的计算公式当供电范围内有m个性质不同的电气设备组时，先将每一组的单组计算负荷计算出来后，考虑各种设备组的计算负荷Pc·j、Qc·j在各自负荷曲线上不可能同时出现，以一个同时系数来表达这种不同时率，因此其计算负荷时要确定一个同时系数参与运算,公式如下：有功计算负荷〔单位为〕：〔2-6〕式中，K∑P为有功功率同时系数。对于配电干线的计算负荷，K∑P的取值范围一般取值为[0.8,0.9]；对于变电站总计算负荷，K∑P取值范围为[0.85,1]。无功计算负荷〔单位为〕：〔2-7〕式中，K∑Q为无功功率同时系数。对于配电干线的计算负荷，K∑Q的取值范围为[0.93,0.97]；对于变电站总计算负荷，K∑Q取值范围一般在[0.95,1]之间。视在计算负荷〔单位为〕：〔2-8〕计算电流〔单位为〕:=〔2-9〕将任务书中该机械厂各车间各负荷参数代入到以上单组用电设备计算负荷的计算公式中，其中包括个车间参数动力局部和照明局部小计，将结果记录表2-1中。表2-1机械厂各车间单组负荷计算表编号名称类别设备容量需要系数计算负荷1仓库动力880.250.681.172225.7433.8651.45照明20.8101.601.62.432铸造车间动力2380.350.71.0283.384.966118.98180.77照明100.81080812.163锻压车间动力2380.250.651.1759.569.61591.58139.15照明100.81080812.164金工车间动力4380.250.601.33109.5145.635182.21276.84照明100.81080812.165工具车间动力5380.250.651.17134.5157.365207.01314.53照明100.801080812.166电镀车间动力2380.500.750.88119104.72158.52240.85照明100.801080812.167热处理车间动力1380.500.601.336991.77114.82174.46照明100.801080812.168装配车间动力1380.350.701.0248.349.26668.99104.82照明100.801080812.169机修动力1380.250.651.1734.540.36550.1080.68照明50.80104046.0810锅炉房动力1380.500.651.176980.73106.2161.36照明20.80101.601.62.4311宿舍区照明4000.7010268.60268.6408.11各车间单组机械运行的负荷计算结束后可得：〔2-10〕〔2-11〕〔2-12〕〔2-13〕取全厂的同时系数为,;那么全厂的计算负荷为：〔2-14〕〔2-15〕〔2-16〕〔2-17〕此时，其功率因数为：〔2-18〕2.4无功补偿的计算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、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此本次设计采用并联电容器在变压器的低压侧做无功功率补偿。由于本厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.783。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，这里取0.93来计算380V侧所需无功功率补偿容量：〔2-19〕取：那么补偿后变电所低压侧的视在功率计算负荷为：〔2-20〕参考《供配电系统》教材中提供的电容器型号，假设选择容量为12/台的电容器做无功补偿，可得所需电容器的台数N为：〔2-21〕取，那么实际的无功补偿功率：〔2-22〕计算电流为：〔2-24〕功率因数：=〔2-23〕变压器的功率损耗为：〔2-25〕〔2-26〕其中，、、、、都是变压器的额定参数，取经验值即可。补偿后，变电所高压侧的计算负荷为：〔2-27〕(2-28〕(2-29〕(2-30〕补偿后的实际功率因数：(2-31〕满足〔大于0.90〕的要求。第3章工厂变电所的设备选择及主接线设计3.1总降压变电所位置的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定。结合本厂的实际情况，这里变电所采用独立变电所。其设立位置参见图3-1。图中亦标出了各车间距离变电所的距离。图3-1厂区供电线缆规划图3.2变压器台数及容量的选择1.变压器台数和容量的选择依据主变压器台数应根据符合特点和经济运行要求进行选择。当符合以下条件之一时，宜装设两台及以上变压器。(1)大量一级或二级负荷。(2)合变化较大，适于采用经济运行方式。(3)中负荷较大，例如大于1250kVA。其他情况下宜装设一台变压器2.工厂的负荷特性和电源情况，工厂变电所的主变压器可有以下两种方案：(1)设一台主变压器采用型号为S9型，容量根据式，即采用一台S9-800/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承当。(2)设两台变压器采用S9型变压器，每台的容量按以下公式选择：而且因此选两台S9-500/10型低损耗配电变压器。二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的高压联络线来承当。由于该厂的负荷含二级负荷，且二级负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求高，在经济条件允许的条件下应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，应选两台变压器。主变压器的联结组别均采用Yyn0。高压开关柜选用GG-1A(F)型。3.3变电所主接线的选择原那么1.变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。它把各电源送来的电能聚集起来，并分给各用户。它说明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。所以电气主接线是变电所电气局部的主体，对变电所以及电力系统的平安、可靠、经济运行起着重要作用，并对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。2.在选择电气主接线时的设计依据(1)变电所所在电力系统中的地位和作用。(2)变电所的分期和最终建设规模。(3)负荷大小和重要性。(4)系统备用容量大小。3.主接线设计的根本要求：(1)平安性：平安包括设备平安和人身平安。(2)可靠性：可靠就是变电所的主接线应能满足各级负荷对供电可靠性的要求。(3)灵活性：灵活就是在保障平安可靠的前提下主接线能够适应不同的运行方式。(4)经济性：满足以上要求的前提下，尽量降低建设投资和年运行费用。3.4变电所主接线方案的选择母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式。常用的母线制主要有三种：单母线制，单母线分段制和双母线分段制。方案Ⅰ：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段母线不间断供电和不致使重要用户停电，供电可靠性相当高，可供一、二级负荷。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。方案Ⅱ：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对用户供电。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。方案Ⅲ：高压采用单母线、低压单母线分段。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。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，但第三种最经济，因此优先考虑。但可靠性较低，但如果上下压侧有与其他的变电所相连的联络线时，那么供电可高性将得到大大的提高。因此最终方案是高压侧采用单母线，低压侧单母线分段，同时旁路加上与其他的变电所相连的联络线。主接线电路图如图3-2所示。图3-2某车间变电所主接线电路图第4章工厂供、配电系统短路电流计算4.1短路电流计算的目的及方法所谓短路，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。短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比拟简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。4.2短路电流计算短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺值法两种。该设计采用标幺值法计算短路电流。在标幺值法中，参与运算的物体量均用其相对值。因此标幺值的概念是：所谓的基准值是衡量某个物理量的标准或尺度。短路点k-1，k-2取变压器两侧。因此短路计算电路图如图4-1所示。图4-1短路计算电路设，，低压侧，那么基准电流：4.3计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1.电源的电抗标幺值由任务资料断路器容量为，因此2.架空线路的电抗标幺值架空线路初选LJ-120，验证在第6章进行。假设架空线路线间几何均距为1500mm，那么由附录表14可查得，而线路长5km，故架空线路的的电抗标幺值为3.电力变压器的电抗标幺值根据第3章3.1节中对变压器台数和容量的选择结果，本设计中选择2台型号为S9-500/10的变压器，查附表1可得，其短路电压百分数，因此绘短路等效电路图如图4-2所示，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标明了短路计算点。图4-2短路等效电路图4.4故障点的短路电流计算1.总电抗标幺值2.三相短路电流周期分量有效值3.其他短路电流4.三相短路容量1.总电抗标幺值2.三相短路电流周期分量有效值3.其他短路电流4.三相短路容量计算结果综合如表4-3所示。表4-3短路计算结果短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk－12.92.92.97.44.452.1k－224.324.324.344.826.516.9短路电流计算采用两路电源供线，一路为距本厂6km的馈电变电站经LGJ-185架空线〔系统按∞电源计〕，该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。图5-1变电所系统图首先确定基准值取所以：计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值：〔忽略架空线至变电所的电缆电抗〕电力系统：架空线路：查手册得，因此：3〕变压器：由所选的变压器的技术参数得，因此：根据以上计算可以绘得短路等效电路图如以下图5-2所示。图5-2短路等效电路图计算k-1点的短路电路总电抗幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值：三相短路电流周期分量有效值：其他三相短路电流：三相短路容量：计算k-2点短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值：三相短路电流周期分量有效值：其他三相短路电流：三相短路容量：变电所一次设备的选择与校验电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照有关设计标准的规定，在保证供配电平安可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。为了保障一次设备的可靠运行，必须按照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、开断电流等选择；〔2〕按短路条件包括动稳定、热稳定校验；〔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、防腐、防火、防爆等要求。〔4〕按各类设备的不同特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确度级等进行选择。6.1变电所高压一次设备的选择及校验一、变电所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生产的JYN2-10〔Z〕型户内移开式交流金属封闭开关设备。此高压开关柜的型号：JYN2-10/4ZTTA〔说明：4：一次方案号；Z：真空断路器；T：弹簧操动；TA：干热带〕。初选设备：高压断路器：ZN24-10/1250/20高压熔断器：RN2-10/0.5-50电流互感器：LZZQB6-10-0.5-200/5电压互感器：JDZJ-10接地开关：JN-3-10/25母线型号：TMY-3〔504〕；TMY-3〔8010〕+1〔606〕绝缘子型号：ZA-10Y抗弯强度：3.75kN〔户内支柱绝缘子〕从高压配电柜引出的10kV三芯电缆采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，型号：YJV-350，无钢铠护套，缆芯最高工作温度。二、变电所高压一次设备的校验根据《高压一次设备的选择校验工程和条件》，在据电压、电流、断流能力选择设备的根底上，对所选的高压侧设备进行必需的动稳定校验和热稳定度校验。设备的动稳定校验高压电器动稳定度校验校验条件：由以上短路电流计算得=；=。并查找所选设备的数据资料比拟高压断路器ZN24-10/1250/20=50kA，满足条件；电流互感器LZZQB6-10-0.5-200/5=79kA，满足条件；JN-3-10/25接地开关=63KA，满足条件。绝缘子动稳定度校验校验条件：母线采用平放在绝缘子上的方式，那么：〔其中=200mm；=900mm〕。所以：=满足要求。母线的动稳定校验校验条件：TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。10kV母线的短路电流=；=三相短路时所受的最大电动力：=母线的弯曲力矩：母线的截面系数：母线在三相短路时的计算应力：可得，=140MPa=，满足动稳定性要求。高压设备的热稳定性校验高压电器热稳定性校验校验条件：查阅产品资料：高压断路器：=31.5kA,t=4s；电流互感器：=44.5kA,t=1s；接地开关：=25kA,t=4s取，=，将数据代入上式，经计算以上电器均满足热稳定性要求。高压母线热稳定性校验校验条件：A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。母线的截面：A=504=200允许的最小截面：从而，，该母线满足热稳定性要求。高压电缆的热稳定性校验校验条件：A=允许的最小截面：所以选电缆YJV-350的截面A=50从而，，该电缆满足热稳定性要求。6.2变电所低压一次设备的选择及校验一、变电所低压一次设备的选择低压侧采用的也是天津长城电器生产的GGD2型低压开关柜。初选设备如下：低压断路器：NA1型智能万能断路器、TMS30型塑壳无飞弧智能断路器低压熔断器：NT系列电压互感器：JDZ1系列电流互感器：LMZJ1、LMZ1系列母线型号：TMY-3〔8010〕+1〔606〕绝缘子型号：ZA-6Y抗弯强度：3.75kN〔户内支柱绝缘子〕另外，无功补偿柜选用2个GCJ1-01型柜子，采用自动补偿，满足补偿要求。二、变电所低压一次设备的校验由于根据《低压一次设备的选择校验工程和条件》进行的低压一次侧设备选择，不需再对熔断器、刀开关、断路器进行校验。关于低压电流互感器、电压互感器、电容器及母线、电缆、绝缘子等校验工程与高压侧相应电器相同，这里仅列出低压母线的校验：380V侧母线上母线动稳定性校验：校验条件：TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。380V母线的短路电流=;=三相短路时所受的最大电动力为：母线的弯曲力矩：母线的截面系数：母线在三相短路时的计算应力：可得，=140MPa=，满足动稳定性要求。380V侧母线热稳定性校验：校验条件：A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。母线的截面：A=8010=800允许的最小截面：从而，，满足热稳定性要求。第7章变电所防雷与接地装置的设计7.1变电所的防雷保护一．直接防雷保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与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，那么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保护范围包围整个变电所。如果变电所所在其它建筑物的直击雷防护范围内时，那么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。通常采用3-6根长2.5m的刚管，在装避雷针的杆塔附近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，下与接地体焊接相连，并与装避雷针的杆塔及其根底内的钢筋相焊接，上与避雷针焊接相连。避雷针采用直径20mm的镀锌扁刚，长1～1.5。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有3m以上的距离。二．雷电侵入波的防护1.在10KV电源进线的终端杆上装设FS4—10型阀式避雷器。引下线采用25mm×4mm的镀锌扁刚，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端栓连接。2.在10KV高