电力工程课程设计-住宅小区电力工程设计

电力工程课程设计任务书

设计题目：住宅小区电力工程设计

专业班级：电气工程及其自动化2班

一、设计目的

1）使学生初步掌握企业供配电系统和变电所设计的基本思路、

方法和步骤；

2）使学生学会查阅工程手册，借助费料进行简单设计；

3）通过设计将所学理论知识系统化、工程化，从而培养学生分

析问题，解决问题的能力

二、设计要求

要求根据本厂或小区所能取得的电源及本厂用电负荷情况，并适

当考虑到工厂生产的发展，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型式，确定变电所主变压器的台数与容量，

选择变电所主接线方案及高低压设备与进出线，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，最后按要求提交设计

计算书及说明书，绘出设计图纸。

三、设计任务

1、高压供电系统设计

根据供电部门提供的资料，选择本厂最优供电电压等级。

2、总降压变电站设计

<1>主接线设计：根据设计任务书，分析原始资料与数据，列出

技术上可能实现的多个方案，经过概略分析比较，留下2・3个较优方

案，对较优方案进行详细数据计算分析比较（经济计算分析时，设备

价格，使用综合投资指标），确定最优方案

<2>短路电流计算，根据电气设备选择继电保护需要，确定短路

计算点，计算三相短路电流，计算结果列出汇总表

<3>主要电器设备选择：主要电气设备选择，包括断路器，隔离

开关，导电截面和型号，绝缘子等设备的选择和校验。选用设备型号、

数量、汇成设备一览表。

<4>主要设备继电保护设计，包括主变压器，线路等元件的保护

方案、保护方式的选择和整定计算。

<5>配电装置设计：包括配电装置布置型式的选择、设备布置图。

<6>防雷、接地设计：包括直击雷保护，进行波保护和接地网设

计。

3、车间变电所设计

根据车间负荷情况，选择车间变压器的台数，容量，以及变电所

位置的原则考虑。

4、厂区10KV配电系统设计

根据所给资料，列出配电系统接线方案，经过详细的设计和分析

比较，确定最优方案。

（二）要求在规定时间内独立完成以下工作量：

1、设计说明书、计算书须包括：

（1）目录、前言。

（2）负荷计算和无功功率计算及补偿；

（3）变电所位置和型式的选择；

（4）变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择;

（5）短路电流的计算；

（6）变电所一次设备的选择与校验；

（7）变电所高、低压线路的选择；

（8）变电所二次回路方案选择及继电保护的整定；

（9）防雷和接地装置的确定（针对变电所）；

（10）附录参考文献。

2、设计图纸

3、提交成果

（1）设计计算书一份（设计报告）。

（2）设计图纸4张（A3图纸）。

高压电气主接线1张；

低压电气主接线1张；

变电所平面布置图1张。

四、主要参考文献

20MW,最小负荷15MW,cos$=0.8,Tmax=4500h/a,为II类、III类

负荷。

（第二组）（二）220kV电压等级：架空线5回，最大负荷250MW,最

小负荷200MW,cosQ=0.85,Tmax=4500h/a,为I类、II类负荷。

（第三组）（三）500kV电压等级：架空线4回，备用线1回，5C0kV

与电力系统连接，接受该发电厂的剩余功率。电力系统容量为350CMW,

当取基准容量为10OMVA时，系统归算到500kV侧的X”

为4600h,日最大负荷持续时间为6h°该厂除铸造车间、电镀车

间属二级负荷外，其余均属三级负荷。低压动力设备均为三相，

额定电压380V,电气照明及家用电器均为单相，额定电压220V。

本厂的负荷统计资料如表1所示。

表1.全厂各车间负荷统计表

厂房编号厂房名称负荷类型设备容量需要系数功率因数

/kW

1铸造车间动力3000.30.7

照明60.81.()

2锻压车间动力3500.30.65

照明80.71.0

3金工车间动力4000.20.65

照明100.81.0

4工具车间动力3600.30.6

照明70.91.0

5电镀车间动力2500.50.8

照明50.81.0

照明10.81.()

生活区照明3500.70.9

3.供电电源情况：按照工厂与当地供电部门签订的协议规定，本厂

可由附近一条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。该干线的导线型号为LGJ-15O,导线为等

边三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8kmo干线首

端所装设的高压断路器断流容量为500MVAo此断路器配备有定

时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作

时间为1.7s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由

临近的单位取得备用电源。

4.气象资料：本厂所在地区的年最高气温为38。（2,年平均气温为23

℃,年最低气温为一8。（2,年最热月平均最高气温为33。（2,年最

热月平均气温为26。。年最热月地下0.8m处平均温度为25

当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。

5.地质水文资料：本厂所在地区平均海拔500团，地层以砂粘土为主，

地下水为2m。

6.电费制度：本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧

计量电能，设专用计量柜，按两部电费制交纳电费。每月基本电

费按主变压器容量计为18元/kVA,电费为0.55元/kW-h。工厂最

大负荷时的功率因数不得低于0.9。此外，电力用户需按新装变

压器容量计算，一次性地向供电部门交纳供电贴费：6〜10kV等

级时为800元/kVA。

负荷计算和无功功率补偿

一、负荷计算的内容和目的

（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计算负荷，是确定静电电容器容量的依

据。

二、负荷计算的方法

二.需要系数法一一用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求

出计算负荷。用于设备数量多，容量差别不大的工程计算，尤其适用

于配、变电所和干的负荷计算。

厂厂负容需功功率因数有功无功计视在

房房荷量要率角的正切计算算负荷计算

编名类Pe系因tan中负荷Qc负荷

号称型/k数数Pc/kvarSc

wKdCos/kw/kVA

4)

(2)利用系数法一一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。适用于各种范围的负荷计算，但计算过程稍繁。

全厂负荷计算的过程

本设计各车间计算负荷采用需要系数法确定。

主要计算公式有：

有功计算负荷(kW)Pc=PcKd

无功计算负荷(kvar):Qc=^tan(/>

视在计算负荷(kVA)：SCWJ+Q/

计算电流(A)：Ic=Sc电UN

具体车间计算负荷如下表:

1铸动300.0.71.029091.82128.57

造力03

昭

车八、、60.1.004.804.8

间明8

2锻动350.0.651.17105122.85161.54

压力03

车照80.1.005.605.6

间明7

3金动400.0.651.1780123.0893.53

工力02

车照100.1.00808

间明8

4工动360.0.61.33108144180

具力03

昭

车八、、70.1.006.306.3

间明9

5电动250.().80.7512593.75156.25

镀力05

昭

车八、、50.1.00404

间明8

昭

J、、、10.1.000.800.8

明8

生活区，昭、、、350.0.9272.2

0.48245118.66

明072

有功计算负荷无功计算负荷视在计算负荷

Pc/kwQc/kw(Sc/kw)

总计782.5694.161046.02

同时系数

743.38659.45993.72

Kv=0.95

功率因素(cos.)0.748

表3各车间负荷计算表

从表中可知：有功计算负荷匕=2月=782.5KW

无功计算负荷Qc=694.16Kvar

视在计算负荷/=此.2+。/=]046.02KVA

再乘以同时系数K“=0.95

此时此'=兄xK&=743.38KW

Qc，=QcxK±q=659.45kvar

,22

Sc'=yjPc+Qc=993.72/CV•A

功率因素cos°=生=0-748<o.9,所以要进行无功功率补偿

无功功率补偿

(1)由于本设计中cos°=0.748〈0.9,因此需要进行功率补偿。由公

式可知：

，

QN.C=^7-（tan^1-tan（^2）

式中tan/一—补偿前的自然平均功率因数对应的正切值

tan^2——补偿后的功率因数对应的正切值

采用低压侧集中补偿的方法，为使高压侧功率因数达到0.9,则

补偿后的低压功率因数应达到0.92

校正前cos。1=0.748,tan=0.887

校正后cos02=0.92,tan(p2=0.425

QNC=743.38x(0.887-0.425)=342.92A：var

(2)查课本附录表A-5,选BWO.4T2-1型电容器，则所需电容器个

数为n=2/12=342.93/12=29.57；取n=30,则实际补偿容量为

QC=12x30Kvar=360Kvar

(3)补偿后的变压器的容量和功率因素

无功补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为

S)=,743.382+(659.45-360)2=801.426”-A

因此，无关补偿后变压器的容量改选为lOOOkv。查附录表A-1知，

S9T000/10型(YynO)电力变压器的技术数据为：

△痣=1.7KW,密=lO.3KW/o%=0.74%=4.5。

变压器负荷率为夕=S1/Sc=0.801，则变压器功率损耗为

22

\PT=\PG+ft\PK=1.7+0.801x10.3/nV=8.31AW

△Qr=奈Uo%+%)=(0.7+0.8012x4.5)Kvar=35.87

变压器高压侧的计算负荷为

Pc=743.38+8.31=751.69

Qc=(659.45-360)+35.87=336.32

SI=J751.69、+336.32-=8234)

变电所高压侧的功率因素为

导畿-2…%满足要求

补偿后的负荷如下表

全厂负无功功率视在计算负荷

有功功率Pc/kw

荷Qc/kvar(Sc/kVA)

补偿前743.38659.45993.72

无功补

-360

偿

补偿后751.69336.32823.50

补偿后功率因数(cos。)0.9128

表4补偿后的计算负荷

变电所的选择及主变压器的选择

变电所的位置与型式选择

从地理位置方面来考虑：

变电所位置的选择，应根据下列要求经技术、经济比较确定:

一、接近负荷中心；

二、进出线方便；

三、接近电源侧；

四、设备运输方便；

五、不应设在有剧烈振动或高温的场所：

六、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设

在污染源盛行风向的下风侧；

七、不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与

上述场所相贴邻；

八、不应设在有爆炸危险环境的正上方或止下方，且不宜设在有火

灾危险环境的正上方或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物

毗连时，应符合现行国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规

范》的规定；

九、不应设在地势低洼和可能积水的场所。

从经济性方面来考虑：

一种配电变压器选址方法，包括有个变压器和个负荷点，具体步骤为:

1）确定各个负荷点未来用电量情况，将规划区负荷点粗略分为个片

区；

2）对各个片区进行单源连续选址优化，确定各个片区变压器的坐标

位置；

3）计算各个负荷点距离变压器的距离，由距离最近的变压器为负荷

点进行供电，并根据计算的结果重新划分片区；

4）判断各个负荷点的归属片区是否发生变化，若发生变化则转入步

骤2）,若没有变化则结束配电变压器选址。本发对配电变压器选址

进行了优化，引入了水平高度坐标和修正系数，显著增加了变压器供

电区域的年经济损耗的计算精度，增加了配电变压器选址合理性，减

少了因年经济损耗所带来的经济损失。

变电所类型有室内型和室外型。室内型运行维护方便，占地面积少。

所以采用室内型变电所

变电所的类型主要有以下几种类型：

(1):独立变电所

(2)：附设变电所

(3)：车间内变电所

(4)：地下变电所

所以，变电所的类型为附设变电所。

主变压器的类型、台数与容量的选择

(1)考虑到变压器在车间建筑内，故选用低损耗的SCB10型

10/0.4kV三相干式双绕组电力变压器。变压器采用无载调压方式，

分接头±5%,联接组别Dynll,带风机冷却并配置温度控制仪自动控

制，带IP20防护外壳。

(2)由于工厂总负荷容量较大，且存在多个二级负荷，对电源

的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生

故障后检修时，另一台变压器能对二级负荷继续供电，故选两台变压

器。

(3)变压器容量是根据无功补偿后的计算负荷确定的。补偿后

的总计算负荷为S’.=823.57kV.A,工厂二级负荷为276.78kV-A,对于

室内变压器，由于散热条件差，一般室内环境比室外大约高8。。因

此其容量还要减少8%,所以室内变压器的实际容量力为

ST=(0.92-a:-2°)5沂，其中工=828.5,解得=925.28kV-A<1000kV-A

故一台变压器的容量为1000kV-A,备用变压器的容置为1000kV-A。短路电流的计算

短路及其原因、后果

短路：指供电系统中不同电位的导电部分（各相导体、地线等）

之间发生的低阻性短接。短路是电力系统最常见的一•种故障，也是最

严重的一种故障

主要原因：电气设备载流部分的绝缘损坏，其次是人员误操作、

鸟兽危害等。

短路后果：

>短路电流产生的热量，使导体温度急剧上升，会使绝缘损

坏；

>短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；

短路会使系统电压骤降，影响系统其地设备的正常运行；

严重的短路会影响系统的稳定性；

短路还会造成停电；

不对称短路的短路电流会对通信和电子设备等产生电磁干扰等。

第二节高压电网短路电流的计算

利用标幺值法计算

由于采用10KV电压供电，故线路电流

由设计要求中可知：工厂使用干线的导线牌号为LGJ-150,导线

为等三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8km。干线首端所

装设的高压断路器断流容量为500MV-Ao此断路器配备有定时限过

电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为

1.7so为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位

取得备用电源。查表得与=0.358。/加，ro=o.221Q/^n

主要高压变压器的短路电流计算

(1)确定基准值

取邑=100MV・AUc]=10.5kVUc2=()AkV

Sd100/WVA

=5.50kA

而V3xUeiy[3x\0.5kV

_S__100MVA

144.34kA

Q~V3xt/,~百X0.4ZV

计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

1)电力系统凡=500MVA)

XI=1二100/500=0.2

Sk

2)架空线路(X。=0.358Q/km)

3A=2.60

X*=x/py=0.358Q/6〃x8Zmx

20(10.5ZV)2

3)电力变压器

4.5X100X1()32A

X^=U%S/100S^=4.5

kd—100x100024

在k-l点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

X*=X*+X；=0.2+2.6=2.8

3=4==197必(短路电流)

vi2.8

£=2.55/kI=5.02必（冲击电流）

7sh=1.5/^=3.0KA（冲击电流的有效值）

S100

S,,=—==——MV・A=35.71MV*A

A1XE；2.8

在k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

XZ；=X：+X；+X；=0.2+2.6+4.5=7.2

Ik2=白=翳=20.04K4（短路电流）

工2

ish=2.55.2=36.78必（冲击电流）

7sh=1.5人=21.84必（冲击电流的有效值）

S1（Y）

S*,=一J=——MV•A=}3.9SMV^A

k-X工7.2

总电抗

三相短路电流/KA三相短路

标幺值

短路计算点容量

X；Au9Sk/MV.A

KT点2.801.975.023.035.71

K-2点7.220.0436.7821.8413.98

断路器的整定

(1)住宅用户配电箱低压断路器的整定

/NOP=63A>I7=50.6A,热脱口器的的额定电流L.TR=63A>/,"50.6A,热脱口

器的的动作电流％TR=7L2A>KrelIje=\Ax50.6/1=55.66A，瞬时时脱口电流整

定为5倍，即/”=5x63=315A而KerIPK=4廉K“=4x50.6x2=404.8A，因此需增

加脱口电流。如整定为8倍时,/g=8x63=504A,满足躲过尖峰电流的要求。

(2)单元电度表箱1,2(均12户)低压断路器的整定

/N.OP=250A>Ij,=192.4A热脱口器的的额定电TR=250A>IJe=192.4A热

脱口器的的动作电流,I°PTR=282.5A>Kw/Z/e=1.1x192.4A=211.6A瞬时时脱

口电流整定为5倍，即心=5x250=1250A而

K,/蹬=4/*t=4x192.4x2=1539.2A因此需增加脱口电。如整定为8倍时，

心=8x250=2000A,满足躲过尖峰电流的要求。

(3)总箱ZX1低压断路器的整定

/NQP=315A>L=283.6A热脱口器的额定电bp,TR=315A2〃=283.6A热脱口

器的的动作电流,1。匕TR=356.0A>匕3、=1.1x283.64=312.0A瞬时时脱口电

流整定为5倍，即加=5x315=1575A而

K/心=4〃仁，=4x283.6x2=2268.8A因此需增加脱口电流。如整定为8倍时,

=8x315=2520A,满足躲过尖峰电流的要求。

防雷接地系统

概述

本工程设计的防雷与与接地系统涉及到变电所的和单体楼的两种不同设计

方案，在此分别对变电所予以详细说明，对单体楼作简要介绍。

变电所防雷接地系统设计

变电所是第一类防雷级别的建筑物，因此要按第一类防雷建筑物的保护措施

设计。

1、变电所防雷措施

1)由于变配电所设置在小区内，其已处在附近更高的建筑物上的防雷措施

的保护范围之内，故变电所不必考虑装设避雷针来防护直击雷。

2)装设避雷器用来防止雷电侵入波对变配电所电气装置特别是主变压器的

危害。

(1)在小区的进线电缆和联络电缆进变电所时，电缆头处的金属外皮应可

靠接地。

(2)每组高压母线上均应装设阀式避雷器。所有避雷器应以最短的接地线

与主接地网连接。阀式避雷器与主变压器及其他被保护设备的电器距离应尽量缩

短。

（3）对于本次设计的配电变压器低压侧中性点接地系统，变压器两侧的避

雷器与变压器的中性点及金属外壳一起接地。

2、变电所接地措施

根据GB50169-1992《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》规定，

电气装置的接地电阻（包括工频接地电阻和冲击接地电阻）要符合相应要求。对

于我们常采用的TN系统，其中所有设备的外露可导电部分均接在公共的PE线

或PEN线上，因此不存在保护接地电阻问题。

变电所在装设接地装置时，除了要充分利用自然接地体，以节约投资，节约

钢材外，还应装设人工接地体。本变电所周围公共接地装置采用置垂直钢管接地

体，用镀锌扁钢连接，接地装置的具体计算如下：

1）确定接地电阻

本变电所公共接地装置接地电阻应满足以下两个条件：

及"牛；RJ4Q,其中A=6A,故可得

坦上=20。，比较上述两个条件知，变电所的公共接地装置的接地电

6A

阻应为RE<4QO

2）计算单根钢管的接地电阻

查《工厂供电》附录表27,得砂质粘土的/7=100dm,

.八少小八p100Q-m，八八

按公式知，---------40Qo

/2.5m

3）确定接地的钢管数和最后接地方案

根据降⑴/（=40/4=10,但考虑到管间电流屏蔽效应的影响，初选15根

直径50mm、长2.5m的钢管作接地体。以〃=15和。〃=2去查《工厂供电》附录

表20~8得小.々0.66，故n="⑴=—"2—«15

0.66x4。

考虑到接地体的均匀对称布置，选用16根直径50mm,长2.5m的钢管作接

地体，用40