电力电气 某10KV工厂供电系统设计

某10KV工厂供电系统设计

摘要

本文研究的是一个独立的变电站的整体电压。当使用指定的线路和负载参数

时，首先分析主线配置，以确定它是否最经济、最可靠，同时也考虑到安全和安

装的方便。一旦计算出可转换性，就会对主变压器的数量、容量、类型做出结论。

然后，计算每个组件的参数，并将系统还原为净短当量形式。接下来，得到最关

键部件的网络等效，并选择一个点进行净短论计算。一旦选择了这两个电流极限,

就会扩大第一和连续电流，选择短延时和连续电流操作进行计算，然后选择设备

并进行测量。其中有母线，断路器，隔离开关，变压器等，来最后决定配电装置。

同时分析了防雷设计和消弧线圈补偿装置。最后，绘制了电气主接线图的CAD制

图软件。

关键词：负荷计算：短路电流：主接线：防雷接地

1绪论

L1研究目的及意义

随着中国经济的快速发展和技术的进步，对供配电系统的要求也越来越高。

供配电系统设计的配电设备过多，用电计量因地而异，难以符合标准要求，供配

电系统整体设计存在环境不合格、缺乏监控手段等问题。

整个电力供应、分配，包括电线、电缆、断路器、变压器和变电站，通常被

称为〃整体系统〃。系统设计应遵循高质量、经济性和可靠性原则。如果设计整个

供配电系统，关键是还要保证电能的安全，同时，要尽量节约能源。因此，设计

过程不应半途而废，尽最大努力制定有效的整体方案。下图说明了供配电系统的

节能过程。首先，应计算总降压变电站的最大负荷和总功率因素。导线或电器通

常根据30分钟的最大平均负荷来选择。功率因数主要是指电流的视在功率、有功

功率和无功功率。其次，应选择主线来补充供配电系统。最好根据可靠性、灵活

性和经济性的原则来选择主接线，其中可靠性优先于灵活性和经济性。此外，相

关设计应保证供电的可靠性和连续性；主线设计应保证调度、扩容和维修过程的

灵活性；主线设计应尽量减少和降低经济功率损失和电能损耗。最后，应设计接

地和防雷装置，以提高设备和配电房的安全性。

1.2国内外研究现状

随着社会的进步和时代的发展，人们开始对智能建筑有着越来越多的需求,

智能建筑与日俱增。我国变电站的设计正是旧设备向新设备的转化，人工值守的

变电站向无人值守变电站的转化，交流输电向直流输出的转化，交流输出向直流

输出的转化。随着网络技术和计算机技术的快速发展，电力系统的变电技术也有

了新的成就，我国变电站的设计出现了一些新的方向。

首先就是要解决变电站主接线的简化问题，这样才能减少占地空间；还要升

级更新电气的高压设备，这样才能够提高经济收益和资源的利用率；最后要实现

变电所的自动化和智能化，减少人工操作。

1.3设计主要内容及各章节安排

首先进行功率计算并且要确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的

台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定二次回

路，选择继电保护装置，确定防雷和接地装置等.

本设计，总体上依据《工厂供电技术》来确定设计思路，并根据实际情况完

成配电系统的负荷计算、无功补偿、短路计算、设备选型以及校验。本设计第三

章用来计算负荷和无功功率补偿，第四章选择主变压器和变电所主接线，第五章

来计算短路电流，第六章进行一次设备的校验与选择，第七章总结。

2变电站原始数据

2.1建设性质及规模

在长城化工的一所变电站中主要来管理六个车间，和其他负荷的供电任务。

它们的负载为380/220、%在一个全新变电站构建后，可以满足现有的生产和生活

用电量，有效地增加了负荷。传递能力进一步提高了电源的可靠性。

2.2变电站的负荷属性

工厂的大部分电气设备都是长期连续负荷，需要持续供电。如果停电超过两

分钟，产品就会报废；如果停电超过半小时，主要设备池和炉子就会损坏；因此，

主要车间和辅助设施都是I类负荷。

该工厂分三班运作，年产能为8760小时，最大负荷利用率为5600小时。短路

容量均为200MVA,距上级变电所1.5km。

3负荷计算与功率因数计算

在运行过程中，电力系统必须消耗一定量的能量。电力系统的负荷是整个系

统中所有电气设备所消耗的功率组成数据。系统以三种形式消耗所有功率：无功

功率、有功功率和视在功率。这个数据还包括发电厂在发电时损失的负荷。全部

的电力系统的负载并且各个级损失掉的负载组成了全电厂的负载。

3.1负荷计算的目的

挑选适合的组件和设备是电源系统中正常进行的首要的前提条件。假使负荷

的运算值大于实际值，则所选设备的容量也将太大，从而增加了投入的资金并导

致不必要的浪费。因此，计算出的负荷值必须准确无误，这才是确保电源安全运

行和合理投资资金的重要前提。

3.2按照需要系数法来决定计算负荷

3.2.1系数法的计算公式

（1）一台的用电设备的计算负荷是

1）有功功率的计算负荷为（单位：kW）

P3。=5与（2-1）

其中式中：凡是用电设备组的所需要系数；2是用电设备组的设备容量（不

含备用设备）。

2）无功功率的计算负载为（单位为kvar）

Q3（y=P3（）tan0（2-2）

式中：tan©是相对应的用电设备组es1的正切值。

3）表观计算负荷（单位为kVA）

Smo=VP30+<?30=悬

(2-3)

式中：cos<p—用电设备组的平均功率因数。

（2）用电设备组的计算负荷

1）有功功率计算负荷（单位：kW）

P30=（2-4）

式中：£「301一一所有设备组有功计算负荷尸3。之和;

忆——有功负荷同时系数，可取0.85〜0.95。

3）熔制成型（熔制）车间

4）后加工（磨抛）车间

5）后加工（封接）车间

6）配料车间

7）锅炉房

8）厂区其他负荷（一）

9）厂区其他负荷（二）

二，确定变电站低压侧的计算负荷（有功同时负荷系数为0.95,无功同时负

荷系数为0.97）

3.2.3负荷计算表

在使用需求系数法来运算出每个车间的负荷，来取得每一个车间的无功功率

以及有功功率和视在功率.把数据

一起汇总后，取得表2T,下面的表所示。

编号额定功率/kW需要系数Kd功率因数cos9

tan0计算负荷

表27负荷计算表

3.3功率因数计算一、功率因数的确定

根据公式（2-6）,变电站低压侧的总视在功率为4740.69kVA,总有功功率

为4524.85k

0.95

根据设计数据的要求，变电站高压侧的功率因数大于0.9,且不满足设计要

求，则进行不需要无功补偿。

3.4小结

计算变电站的负荷是用需求系数法完成的。每个电厂的有功、无功和视在功

率都要计算出来。变电站低压侧的总视在功率应通过将每个工厂的计算数据乘以

同期系数来计算。此外，它为同时选择无功补偿和主变压器奠定了基础。

4.变压器选择及变电所主接线设计

变压器在传输过程中起着非常重要的作用。转移电源后，升压变压器会增加

前一级的电压。当电压达到指定值时，使用高压传输线将电能传输到指定位置,

从而减少传输过程中的损耗并保持电压的稳定性。

4.1主变压器数量和容量的选择

4.1.1变压器数量的确定

工厂的大部分电气设备都是长期连续负荷，需要持续供电。如果停电超过两

分钟，产品就会报废；如果停电超过半小时，主要设备池和炉子就会损坏；因此，

主要车间和辅助设施都是I类负荷。该厂实行三班倒，年产能为8760小时，最大

负荷利用率为5600小时。在这种情况下，由于停电几乎肯定会给公司带来人员或

重大财产损失，变电站选择了两台主变压器并联运行，一台作为备用。

4.1.2变压器容量的确定

每台变压器选择最大负荷的70%。正常情况下，两台变压器均投入运行，每

台变压器承受50%的最大负荷：故障

时，变压器过载能力为1.4倍，即，它能承受所有一次和二次负荷，保证

供电的可靠性。

,（4-1）

根据上式计算，变压器的容量最小为4524.85kVAo

4.2变压器型式的选择

变电站位于海拔60米处，地势平坦，不是强地震区。因此，在本设计中选择

S11型油浸式变压器。从4.1.2起可

用的主变压器的容量不应小于4524.85kVAkVA。考虑到各种因素，例如经济

因素，请查看表格，发现为此设计选择的主要变压器模型为S11-4700/10。所需

变压器的模型和技术参数如表4T所示。

表4T变压器型号与技术参数

变压器型号额定容量/KVA

额定电压/kV联结组标号损耗/kW空载电流（％）阻抗电压（％）

4.3电气主接线及其设计

通常电气主接线以单线图的形式表示，仅在个别情况下，当三相电路中的设

备不对称时，则用三线图表示。电气主接线的基本形式有单母线接线、双母线接

线、桥式接线三种。

4.3.1单母线接线⑴单母线不分段接线

断路器的作用是切断能量的流动。在母线，即电源线附近，它们被称为隔窗

开关，可以隔离电源；而在其他地方，它们被称为安全断路器，以防止危险的电

压水平进入电路。无分段接线的单母线的优点是电路简单，使用方便，配电装置

的建设成本低；但缺点是缺乏可靠性和灵活性。当母线或隔离开关出现故障或需

要维修时，必须将其与所有电源电路断开，导致所有用户停电.因此，这种布线

方法只适用于容量有限和可靠性要求低的用户。

图4.1单母线不分段接线(2)单母线分段接线

这种布线方法没有对母线进行分段，导致工作不可靠，灵活性下降，效益降

低。单个母线段是由电源的数量、功率的大小和电网的布线决定的。通常情况下，

每个区段与一个或两个电源相连，导线与每个区段的连接方式是使每个区段的导

线上的负载分布与电源功率平衡，尽量减少区段之间的功率转换。

单个母线的分段可用于隔离开关以及断路落的分段。由于开关设备的不同，

分段的作用也不尽相同。1）带分段隔离开关的单母线接线母线维护可以分段；

当母线发生故障时，可以将故障部分切除，以保证其他部分继续运行；因此，单

母线接线比没有分段的单母线更可靠。2）用分段式断路器接线的单母线除具有

分段隔离开关的功能外另外，在继电保护的作用下，负载电流、故障电流以及实

现自动分、合闸，都可以被切断。另外，为了检修有故隙的母线，分段断开断路

器。当故障发生在分段断路器啮合时，继电器保护切断了故障部分的电路，从而

使系统更加可靠.

图4.2单母线分段接线4.3.2双母线接线

双母线接线克服了单母线接线的缺点，而两条母线互为备用，具有较高的可

靠性和灵活性。

双母线接线一般只用在对供电可靠性要求很高的大型工厂总降压变电所35

者有自备发电厂的610kV的母线系统。

UOkV母线系统和有重要高压负荷或

双母线接线有两种工作模式:一组母线电路，使组明电路通常处于开路状态;

而另一组则同时使用两个母线电路，这时母线断路器关闭。

图4.3双母线接线4.3.3桥式接线

桥式接线可用于连接一个有两个电源馈线和两个变压器的总降压变电站。它

的定义是一个跨越两个电源馈线之间距离的桥。它比单母线部分的接线更直接,

并且可以减少单母线断路器的数量。根据桥的跨度，可分为内桥接线和外桥接线

两种类型。1）内桥式接线，适用于电源进线长、故障检修机会多、不需要经常

切换总降压变电站的变压器。

图4.4内桥式接线

图3.5外桥式接线

2）外桥接线适用于电力线路较短，故障检修机会较多，但变电站负荷变化

频繁，有必要在总降压变电站频繁切换变压器。

4.3.4变电站主接线的选择

根据所给相关材料的信息，对整个电力系统的规划，以及用户的需求和其他

方面的考虑，我们最终确定了应该采用哪种长期的10kV电力备份供应。这个架构

在高压侧加入了一条10kV母线，在低压侧加入了双母线。

图5-5主接线图

5.3小结

本章讨论了变压器的选择和电气主接线方法。变压器的选择有两种不同的方

式。首先，可以用以前的计算方法来确定变电站的视在功率。视在功率和主变压

器容量之间有直接的关系。在选择变压器时，一般会优先考虑那些能够做得比变

电站的视在功率所要求的更多的变压器将相位设计决定了变压器的类型、电压调

节和接下来的接线组。最后一项是变压器的规格是通过查询表格中的数值发现的。

由于任务要求，考察了S11三相油浸式变压器中的两种：成本和可靠性。在比较

并选择了各种布线方案后，确定了更合适的布线方法，并绘制了电气主接线图。

主配线是电源系统的重要组成部分。确定正确的主接线非常重要，它直接影响下

一个站的电气设备和配电设备的选择和操作可靠性。

5短路电流的计算

5.1电力系统短路概述

5.1.1短路电流计算的目的及方法

使用短路电流计算的1=1的是为了帮助选择主要电气线路和保护继电器当使

用标准值时，一般应使用标准化的数

值。

5.1.2限制短路电流的措施1）选择的网络结阂必须合适

首先，在电网规划和运行中采用适当的网络结构。这是最明显的措施。2）

选择合适的电气主接线和操作模式

为了减少短路电流，可以选择大阻抗的连接模式和适当的操作模式。例如，

对于大容量的发电厂，请使用单元接线。对于双回路用户，电路是分开工作的，

并且在负载允许时使用单回路工作模式。这样，可以通过增加系统阻抗来减小短

路电流。缺点是会降低供电过程的可靠性和灵活性。

3）采用高阻抗的设备限制短路电流

目前，这种方法已被广泛使用，通过使用高阻抗变压器或发电机来增加阻抗

并减少短路电流。4）使用限流电抗器

普通电抗器和分离电抗溶是分离电抗器的两种电流。这种限制电流的方法是

为了改善电路阻抗，但对系统灵活性和系统可靠性有不利影响。发电厂和变电站

通过使用限流电抗器来限制其短路电流。

5.2短路电流的计算5.2.1短路点选择及计算电路图绘制

应该在需要短路验证的电气部件上选择短路计算点，以便可以通过最大可能

的短路电流。选择电力系统中两个最重要的点，它们位于主配电站的10kv出口和

主变压器的次级侧。短路点的位置如图67所示。

图5T短路电路计算电路图5.2.2基准电流的计算

通常，设定基准容量，并设定基准电压(即短路计算电压)。因此，短路参

考电流为

(6-1)

在KT点取基准电压，即，所以KT点的基准电流为:

在K-2点取基准电压，即，所以K-2点的基准电流为:

5.2.3短路电路中各主要元件阻抗标幺值的计算

1）电力系统的电抗标幺值

（6-2）

式中一一电力系统出口断路器的断路容量，单位为MVA。已知当电源的短

路容量为200MVA时，系统的等效电抗为：

2）电力线路的电抗标幺值

（6-3）

式中一一线路所在电网的短路计算电压，单位为kV,O

查看《工厂供电设计指导（第3版）》得LJT85的，而线长1.5km,得

3）电力变压器电抗器单位值

（6-4）

其中-变压器短路电压（也称为阻抗电压）的百分比值；

变压器的额定容量（单位为kVA,但在此式应化为与同单位MVA）。

从表4-1可以看出，变压器的短路电压所占的百分比，则变压器的电抗标准

值为:

5.2.4绘制短路回路等效电路

图5-2短路等效电路图5.2.5计算短路电流

一、KT电的短路电流计算1）总电抗标幺值

2）三相短路电流的周期分量的有效值

3）三相短路暂态电流和稳态电流

4）三相短路浪涌电流

5）第一个周期的短路全电流有效值

6）三相短路容量

2.K-2电力的短路电流计算两个变压器并联运行：1）总电抗的标准值

2）三相短路电流的周期分量的有效值

3）三相短路暂态电流和稳态电流

4）三相短路浪涌电流

5）第一个周期的短路全电流有效值

6）三相短路容量

5.2.6短路电流计算结果

使用标准单位值计算短路电流，首先计算短路参考电流，然后计算电力系统

电抗，电力线电抗标准值和电力变压器的单位值电抗标准值，以分贝为单位，获

得基本数据后，将为每个短路点计算短路电流。总结以上短路电流计兑结果，结

果如表所小

表5T系统短路电流计算结果汇总

短路计算点三相短路电流

K-19.29.29.223.513.9167.2

K-218.718.718.747.6828.413.0

5.3小结

本章主要采用单位法计算系统的短路电流，分析了系统短路的可能原因，介

绍了短路电流的危害、短路类型，以及如何限制短路电流。为以后的电气设备的

选择提供了必要的数据。

6设备的选择和校脸

6.110kV侧一次设备的选择校验

选择校验项目电压电流断流

能力动稳定度热稳定度台数

装置地点条件参数UN130

数据10kV36OA(I1N•T)9.2kA23.5kA9.22X1.9

=160.8

一次设备型号规

格额定参数UNINlocimax

高压少油断路器SN10-101/63010kV630A16kV40kA162X

2=5122

lOkV400A-25.5kA102X5=5005

高压熔断器RN2T0lOkV0.5A50kA--2

电压互感器JDJTO10/0.IkV----1

电压互感器JDJZTO

电流互感港LQJTOlOkV100/5A-31.8KA813

避雷器FS4T0lOkV----2

户外式高压隔离开关

GW4-15G/20015kV200A

6.2380侧一次设条的选择校验

选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度台数

装置地点

条件参数UN130

数据380V18.7kA47.68kA18.72X0.7=244.8

一次设备型额定

参数UNINlocimax

低压断路器DW'15—1500/3380V8500A40kV1

低压断路器DZ20-630380V900A一般30kA12

低压断路器DZ20—200380V850A一般25kA3

号规格低压刀开关HD13—1500/30380V1500A-1

电流互感器LMZJ1—0.5500V1500/5A-1

电流互感落LMZ1—0.5500V160/5A

100/5A-1

6.3高压进线的选择与校验1）根据经济电流密度选择导线截面

本设计中选用钢芯铝绞线查表可知经济电流密度，计算可知，则根据经

济电流密度的要求，选择LGJ-35

2）根据加热条件检查

LGJ-35钢芯铝绞线的允许电流

符合高温条件。3）通过机械强度检查

6kV及以上线路钢芯铝绞线按机械强度条件要求的导线最小截面积为。

本设计选用架空线截面积为

，满足机械强度校验要求。6.4低压出线的选择与校验

低压插座包括低压母线桥和连接变压器和低压母线的低压母线。选择时，载

流能力必须大于计算出的电流。根据加热条件选择电缆横截面，并在低压母线无

功补偿后计算负载

6.4.1低压母线桥的选择

根据计算的电流，使用0.6/lkvPVC绝缘铜芯VV型电力电缆，电缆截面积为

630nl2。直接埋入电缆时，载流量为1113a,大于288.59a。

6.4.2低压母线的选择

根据计算出的电流，选择TMY-120*6的单片机低压铜排。在25℃,30℃,35℃

和40℃时的载流容量分别为8480A,8390A,7900A和7500A,均大于7338.52A。

6.5低压母线的选择

本章主要介绍系统电气设备的选择和所需设备的简要介绍。根据系统的计算

值，选择额定值与系统匹配的电气设备，并验证所选的电气设备。

7防雷保护设计

7.1变电站的防直援雷击措施

7.1.1直击雷防护

一个电气防雷器位于变电站的顶部，连接到两个接地的电路导体-所有的配

电和变压器设备都在室外，只要整个装置能得到保护，就可以使用避雷针。

7.2.2雷电波入侵的防护1）在架空线上靠近主变压器的位置安装额定电压

10kVo初级变压器由避雷器保护，以防止浪涌对穿透电弧造成

完整的损害。绝缘子的出口必须放在铁质电源线的底座附近，或者将绝缘子

的铁质地线与地而接触，以保护绝缘子。

7.2变电站公共接地装置的设计

7.2.1接地电阻的要求

根据某些功率设备要求的工作电阻值的相关表，该变电站的公共接地设备的

接地电阻应满足以下条件：

计算单相接地电流的位置

故上式

因此，是普通接地装置的接地电阻。

7.2.2接地装置的女计1）单根钢管的接地电阻

从任务说明中可以看出，公司所在区域的土溪由黄土和土壤的电阻率组成。

一根钢管的接地电阻为

2）确定接地钢管的数量

接地体应均匀且对称排列，N必须为整数。因此，选择16根直径为50n皿长

度为2.5m的钢管作为接地体。扁钢以环形焊接并连接。

7.3小结

本章关