某工厂降压变电所的电气设计.doc

1 某工厂降压变电所的电气设计某工厂降压变电所的电气设计 前言前言 工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。电能 是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换 而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简 单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此， 电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。 在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品 成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在工业生产中的重 要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于 工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动 生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件， 有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突 然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。 本次设计根据课题提供的某机械制造厂的用电负荷和供电条件，并适 当考虑生产的发展，按照国家相关标准、设计准则，本着安全可靠、技 术先进、经济合理的要求确定本厂变电所的位置和形式。通过负荷计算， 确定主变压器的台数和容量。进行短路电流计算，选择变电所主接线方 案及高低压设备与进出线,最后按要求写出设计说明书,并绘出设计图样。 具体过程和步骤:根据工厂总平面图,工厂负荷情况,供电电源情况, 气象资料,地区水文资料和电费制度等,先计算电力负荷,判断是否要进行 无功功率补偿,接着进行变电所位置和型式选择,并确定变电所变压器台 数和容量, 主接线方案选择,最后进 2 行短路电流的计算,并对变电所一次设备选择和校验和高低压线路的选择。 目录 前言前言 工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。 1 任务书任务书 3 一、设计题目： 3 二、设计要求： 3 三、设计依据： 3 第一章第一章 负荷计算和无功功率补偿负荷计算和无功功率补偿 .4 第二章第二章 变压器台数容量和类型的选择变压器台数容量和类型的选择 .9 第三章第三章 变电所主接线方案设计变电所主接线方案设计 10 第一节 变压器一次侧主接线.10 第二节 变压器二次侧主接线.10 第四章第四章 短路电流计算短路电流计算 12 第五章第五章 变电所一次设备及进出线的选择与校验变电所一次设备及进出线的选择与校验 14 第一节 变压器的选择与校验.14 第二节 低压两侧隔离开关的选择与校验.15 第三节 高压断路器的选择与检验.15 第六章第六章 选择整定继电保护装置选择整定继电保护装置 16 第七章第七章 防雷保护和接地装置的设计防雷保护和接地装置的设计 17 结束语结束语 .19 参考文献参考文献 .20 3 任务书任务书 一、设计题目：某工厂降压变电所的电气设计。 二、设计要求： 1、选择变电所主接线方案 2、确定变电所主变压器的台数和设备容量、类型 3、选择高低压设备和进出线 4、选择相应的保护装置 三、设计依据： 1 工厂负荷情况 本厂大多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数 3500h，日最大负 荷持续时间为 6h，低压动力负荷为三相，额定电压为 380V；电气照明为 单相，额定电压为 220V。 序号厂房名 称 负荷类 别 设备容量/KW需用系数功率因数 cos 动力3500.30.651锻压车 间照明80.71.0 动力3600.30.62工具车 间照明70.91.0 动力500.70.83锅炉房 照明10.81.0 动力4000.20.654金工车 间照明100.81.0 动力1800.30.75装配车 间照明60.81.0 动力200.40.86仓库 照明10.81.0 4 动力1500.50.87热处理 车间照明60.71.0 动力1000.60.88铆焊车 间照明50.71.0 动力500.80.89烘房 照明20.71.0 10生活区 照明 照明2000.80.9 注：生活区距供电所 200m，生活区的照明负荷中含有家用电器。 2、供电电源情况 本厂从附近一条 10KV 的公用电源干线取得工作电源，干线导线型号 LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距 1m，干线首端（电力系统的馈电 变电站）距离本厂 8km。干线首段断路器容量为 400MVA。此断路器配备 有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过电流保护动作时间为 1.7S。为满足工厂二级负荷要求，采用长度为 20 Km 架空线路取得备用 电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长为 80Km，电缆线路 总长度为 25Km。 变电所最大负荷时功率因数不低于 0.9。 3、气象资料 年最高气温 38，年最低气温-8。 年平均气温 23，年最热月平均气温 33。 年最热月地下 0.8m 处平均温度为 25。 年雷暴日数为 20 日。 第一章第一章 负荷计算和无功功率补偿负荷计算和无功功率补偿 (一)负荷计算 在负荷计算时，采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和 5 动力部分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。具体步骤如 下： 1. 锻压车间：动力部分 ， ； 30(11) 3500.3105PkWkW 30(11) 1051.1115.5 varQkWk ； 22 30(11) 105385399Sk VAA 30(11) 399 606.23 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(12) 80.75.6PkWkW 30(12) 0Q 2. 工具车间：动力部分， ； 30(21) 3600.3108PkWkW 30(21) 1081.33143.64 varQkWk 22 30(21) 108143.64179.71Sk VAA 30(21) 179.71 273.05 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(22) 70.99.3PkWkW 30(22) 0Q 3. 锅炉房：动力部分， ； 30(31) 500.735PkWkW 30(31) 350.7526.25 varQkWk 22 30(31) 3526.2543.75Sk VAA 30(31) 43.75 66.47 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(32) 10.80.8PkWkW 30(32) 0Q 4. 金工车间：动力部分， ； 30(41) 4000.280PkWkW 30(41) 801.188 varQkWk 22 30(41) 8088118.93Sk VAA 30(41) 118.93 180.69 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(42) 100.88PkWkW 30(42) 0Q 5. 装配车间车间：动力部分， ； 30(51) 1800.354PkWkW 30(51) 541.0255.08 varQkWk 22 30(51) 84.555.0877.13Sk VAA 30(51) 77.13 117.19 1.732 0.38 k VA IA kV A 6 照明部分，； 30(52) 60.84.8PkWkW 30(52) 0Q 6. 仓库：动力部分， ； 30(61) 200.48PkWkW 30(61) 80.756 varQkWk 22 30(61) 8610Sk VAA 30(61) 10 15.19 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(62) 10.80.8PkWkW 30(62) 0Q 7. 热处理车间：动力部分， ； 30(71) 1500.575PkWkW 30(71) 750.7556.25 varQkWk 22 30(71) 7556.2593.75Sk VAA 30(71) 93.75 142.44 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(72) 60.74.2PkWkW 30(72) 0Q 8. 铆焊车间：动力部分， ； 30(81) 1000.660PkWkW 30(81) 600.7545 varQkWk 22 30(81) 604575Sk VAA 30(81) 75 113.95 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(82) 50.73.5PkWkW 30(82) 0Q 9. 烘房：动力部分， ； 30(91) 500.840PkWkW 30(91) 400.7530 varQkWk 22 30(91) 403050Sk VAA 30(91) 50 75.97 1.732 0.38 k VA IA kV A 照明部分，； 30(92) 20.71.4PkWkW 30(92) 0Q 10. 生活区照明：照明 ； 30(101) 2000.8160PkWkW 30(101) 1600.4876.8 varQkWk 取全厂的同时系数为：，则全厂的计算负荷为：0.95 p K0.97 q K 7 10 3030 i30 i 1 +0.95 763.4725.23 p i PKPPkW （. 1）（. 2） （） 11 3030( 1)30( 2) 1 +0.97 642.52=623.24 var qii i QKQQk （） ； 22 30 725.23623.24956.24SkV A 30 956.24 1452.89 30.38 kV A IA kV (二)无功功率补偿 由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为： ， 30 956.24SkV A 这时低压侧的功率因数为：,可知，该厂 380V 侧最 (2) 725.23 cos0.76 956.24 大负荷是的功率因数只有 0.76.而供电部门要求该厂 10KV 进线侧最大负 荷是功率因数不应该低于 0.91。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功 损耗，因此 380V 侧最大负荷是功率因素应稍大于 0.91，暂取 0.92 来计 算 380V 侧所需无功功率补偿容量： 无功功率补偿公式 1230 (tantan) C QP 式中 补偿前的自然平均功率因数对应的正切值 1 tan 补偿后的功率因数对应的正切值 2 tan 所以无功功率补偿容量为： 123030(tan tan)725.23tan(arccos0.76)tan(arccos0.92)311.12QPkarkar 电力计算负荷表： 8 厂房 编号 用电单 位名称 负荷 性质 有功功 率（ 30 P ）kW 无功功率 （ 30 Q ）vark 视在功 率（ 30 S kV A ） 计算 电流 （ 30 I ）A 动力 105115.5399606.2 3 1 锻压车 间 照明 5.6 动力 108143.64179.71273.0 5 2 工具车 间 照明 9.3 动力 3526.2543.7566.473 锅炉 房照明 0.8 动力 8088118.93380.6 9 4 金工车 间 照明 8 动力 5455.0877.13117.1 9 5 装配车 间 照明 48 动力 861015.196 仓 库照明 0.8 动力 7556.2593.75142.4 4 7 热处理 车间 照明 4.2 动力 604575113.9 5 8 铆焊车 间 照明 3.5 动力 40305075.979 烘房 照明 1.4 10 宿舍区照明 16076.8 有功计算负荷( 30 P )kW 无功计算负荷 （） 30 Qvark 视在计算负荷 （） 30 SkV A 总计 725.23623.24956.24 同时系 数 =0.9 K 5 0.950.97 9 功率因素（）cos 0.76 补偿后的负荷如下表 全厂负 荷 有功功率/kw 30 P无功功率/kvar 30 Q 视在计算负 /kVA 30 S 补偿前 725.23623.24956.24 无功补 偿 -311.12 补偿后 725.23312.12789.54 补偿后功率因数（）cos 0.918 第二章第二章 变压器台数容量和类型的选择变压器台数容量和类型的选择 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，联接组别 Dyn11，带风机冷却并配置温度控制仪自动控制，带%5 IP20 防护外壳。 2、 由于工厂总负荷容量较大，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，每台变压器的容量 30 725.23 kV AS ，每台变压器的容量为 800。0.7 725.23 507.66kV A NT SAkV 10 第三章第三章 变电所主接线方案设计变电所主接线方案设计 第一节第一节 变压器一次侧主接线变压器一次侧主接线 在前面选择变压器时选择 2 台主变压器，且本厂可由附近一条 10kV 的公用电源干线取得工作电源；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。所以采用一用一备的运行方式， 故变压器高压侧采用单母线接线，而低压侧采用单母线分段接线。 该方案根据当地供电部门的要求，两路电源均设置电能计量柜，且 设置在电源进线主开关后。变电所采用直流操作电源，为监视工作电源 和备用电源的电压，在母线上和备用进线断路器之前均安装有电压互感 器。当工作电源停电且备用电源电压正常时，先断开工作电源进线断路 器，然后接通备用电源进线断路器，由备用电源提供所有负荷。备用电 源的投入方式可采用手动投入，也可采用自动投入。进线柜和出线柜均 采用电缆进线和电缆出线。 第二节第二节 变压器二次侧主接线变压器二次侧主接线 低压出线柜采用 GCS 低压抽出式开关柜。采用 2 列低压柜，低压柜 最前端为变压器，变压器与低压柜之间通过矩形铜母线联接。在 2 个变 压器低压母线之间设置联络柜。2 个低压母线之间采用封闭式母线连接。 在联络柜之后 2 个低压母线上分别设置无功补偿柜。无功补偿均采用低 压侧集中补偿的方法，该方案考虑到以后发展，方便扩充出线柜。 具体为：2 个变压器的出线柜都采用 GCS-01E 方案，无功补偿柜采用 2 组 GCS-34A 主柜结合 2 组 GCS-35C 辅柜来进行无功补偿。 12 装设两台主变压器的主接线方案如下图： Y 0 Y 0 220/380V S9-800 GG-1A(F) GG-1A(F)-07 10/0.4kV S9-800 10/0.4kV 联络线 （备用电源） GG-1A(F)-54 GG-1A(F)-113、11 GW 口-10 10kV FS4-10 GG-1A(J)-01 GG- 1A(F) -113 GG- 1A(F) -11 GG- 1A(J) -01 GG- 1A(F) -96 GG- 1A(F) -07 GG- 1A(F) -54 主 变 主 变 联络 （备用） 高压柜列 -96 13 第四章第四章 短路电流计算短路电流计算 利用标幺值法计算 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 1m；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 400MVA。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邻近的单位取得备用电源。查 表得=0.358, =0.221 0 xkm/ 0 rkm/ （1）确定基准值 取 A100MV d S10.5kV 1 c UkVUc4 . 0 2 而 kA 5.50 5 . 103 100 3 1 1 kV AMV U S I c d d kA 34.441 4 . 03 100 3 2 2 kV AMV U S I c d d 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 1）电力系统（）400MV A k S X1*= =100/400=0.25 k d S S 2）架空线路（ = 0.35/km） 0 X 14 20 22 2 100 *0.35/82.54 (10.5) d SMV A Xx lkmkm UkV 3）电力变压器(前述选择变压器容量 800KVA) 34 5 100 *%/1006.25 100 800 kdNT MV A XXUSS kV A （3）在 k-1 点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1)电源至短路点的总电抗标幺值 * 12 (1) 2.79 k XXX 2)三相短路电流周期分量有效值 3 1 1 * (1) 5.50/2.791.97 kA d k k I I X 3)其他三相短路电流 kAIII kkk 97 . 1 )3( 1 )3( 1 )3( 1 kA 5.0197 . 1 55 . 2 )3( kAish kA 2.9797. 151. 1 )3( kAIsh 4)三相短路容量 (3)* 1(1) 100/ 2.7935.84 MV A kdk SSXMV A 总电抗 标幺值 三相短路电流/KA 短路计算点 * X )3( k I )3( I )3( I )3( sh i )3( sh I 三相短 路容量 Sk/MV.A K-1 点 2.791.971.971.975.011.5135.84 （4）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 1)电源至短路点的总电抗标幺值 15 * 1234 (2) 15.29 k XXXXX 2)三相短路电流周期分量有效值 3 2 2 * (2) 144.34/15.299.44 kA d k k I I X 3)其他三相短路电流 (3)(3)(3) 222 9.44 kkk IIIkA (3) 1.84 9.4417.37 kA sh ikA (3) 1.09 9.4410.29 kA sh IkA 4)三相短路容量 (3)* 2(2) 100/15.296.54 MV A kdk SSXMV A 总电抗 标幺值 三相短路电流/KA 短路计算点 * X )3( k I )3( I )3( I )3( sh i )3( sh I 三相短 路容量 Sk/MV.A K-2 点 15.299.449.449.44 17.3 7 10.2 9 6.54 第五章第五章 变电所一次设备变电所一次设备及进出线的选择与校验及进出线的选择与校验 第一节第一节 变压器的选择与校验变压器的选择与校验 由于工厂总负荷容量较大，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。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，每台变压 30 725.23 kV AS 16 器的容量，每台变压器的容量为 8000.7 725.23 507.66kV A NT S 。AkV 第二节第二节 低压低压两侧隔离开关的选择与校验两侧隔离开关的选择与校验 隔离开关的选择要遵循以下原则： 1 隔离开关的额定电压等于和大于工作电压； 2 隔离开关的额定电流大于回路工作电流； 3 隔离开关的动、热稳定大于回路短路时产生的动、热稳定电流值； 4 检验时电压 380V,电流 1500A。 第三节第三节 高压断路器的选择高压断路器的选择与检验与检验 一：高压断路器的选择 为保证高压电器在正常运行、检修、短路和过电压情况下的安全， 高压电器应按下列条件选择： 按正常工作条件包括电压、电流、频率、机械荷载等选择 按短路条件包括短时耐受电流、峰值耐受电流、关合和开断电流 等选择； 按环境条件包括温度、湿度、海拔、地震等选择； 按承受过电压能力包括绝缘水平等选择； 按各类高压电器的不同特点包括开关的操作性能、熔断器的保护 特性配合、互感器的负荷及准确等级等选择。 二：高压断路器的检验 选择校验项目电压电流断流 能力 动稳 定度 热稳 定度 参数 UNI30Ikish I ）（3 装置地点条件 数据 10KV53.7(I1N T) 1.62K A 4.13K A 3.4 额定参数 UNINIOCimaxItt 17 高压真空断路 器 SN10- 10I/630 10KV630A8KA20KA128 高压隔离开关 GN8-10/200 10KV200A-25.5K A 500 第六章第六章 选择整定继电保护装置选择整定继电保护装置 （一）继电保护的整定 继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。 由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较 简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动 作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在 变电所高压母线上，动作于信号。 此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用 相关断路器实现三段保护。 （1)变压器继电保护 变电所内装有两台 800的变压器。低压母线侧三相短路电流为kV A ，高压侧继电保护用电流互感器的变比为 200/5A，继电器采 (3) 1.97 k IkA 用 GL-25/10 型，接成两相两继电器方式。 过电流保护动作时限的整定 由于此变电所为终端变电所，因此其过电流保护的 10 倍动作电流的 动作时限整定为。0.5s 18 （2）10KV 侧继电保护 在此选用 GL-25/10 型继电器。变压器一次侧过电流保护的 10 倍动 作时限整定为 0.5s；过电流保护采用两相两继电器式接线；高压侧线路 首端的三相短路电流为。 1.97kA 第七章第七章 防雷保护和接地装置的设计防雷保护和接地装置的设计 （一）防雷装置确定 雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的 危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安 全。下面分情况对防雷装置进行选择。 （二）直击雷的防治 根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击 雷保护装置。在进线段的 1km 长度内进行直击雷保护。防直击雷的常用 设备为避雷针。所选用的避雷器：接闪器采用直径的圆钢；引下线10mm 采用直径的圆钢；接地体采用三根 2.5m 长的的6mm50505mmmmmm 角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。 (三）雷电侵入波保护 由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。对 变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合 的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置 内安放阀式避雷器。 （四）接地装置确定 19 接地装置为接地线和接地体的组合，结合本厂实际条件选择接地装 置：交流电器设备可采用自然接地体，如建筑物的钢筋和金属管道。本 厂的大接地体采用扁钢，经校验，截面选择为，厚度为。铜 2 60mm3mm 接地线截面选择：低压电器设备地面上的外露部分截面选择为 （绝缘铜线）；电缆的接地芯截面选择为。 2 1.5mm 2 1mm 所用的接地电阻选择：查表得接地电阻应满足 R5，Re120V/IE 根据经验公式： 其中：为同一电压的 (35) 350 Nohcab E ULl R oh I 具有电联系的架空线线路总长度；为同一电压的具有电联系的电缆线 cab I 路总长度。 则： =4.67 (1) 10(6354.5) 350 E R 所以，变电所的接地电阻应选为 5。 结束语结束语 20 在课程设计这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，当然设 计过程中也遇到了许许多多的困难，但老师的讲解，同学的讨论，通过 上网和去图书馆查看相关的资料和书籍，让自己头脑模糊的概念逐渐清 晰，使自己逐步设计下来，每一次设计出来的结果都是我学习的收获， 当最后设计结束时，我真是感到莫大的欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最 终都会化为甜美的结果。 在课程设计中，总体上来说是获益匪浅。通过本次设计，所学理论 知识很好的运用到了实际的工程当中，在具体的设计过程中，将所学知 识很好的系统了一遍，体会到了学以致用的乐趣，事自己的实际工程能 力得到了很大的提高。 最后，感谢在设计过程中老师的讲解，也感谢同学们的帮忙，在你 们的帮助下我才设计设计出最终结果。 参考文献参考文献 1 刘介才.工厂供电，北京：机械工业出版社，2009. 1 2 刘介才.工厂供电设计指导，北京：机械工业出版社，1998 3 翁双安.供电工程，北京：机械工业出版社，2004 4 刘宝林. 电气设备选择施工安装设计应用手册，中国水利水电 出版社，1998