10KV供配电系统设计

摘 要 随着人们的居住条件的不断改善 人们对小区电力供应的要求越来越高 特别是供电的可靠性和持续性 这就要求在进行供配电系统设计时要结合该小 区的规模和规模标准来设计 要既能满足小区的用电负荷 又能保证小区的供 电安全及供电可靠性 本次设计课题内容为某小区 10KV 供配电系统设计 论文的主体结构为 首 先论述了课题的意义和设计概况 主要包含此小区供配电系统的设计理论 设 计前期根据民用住宅建筑物的负荷计算准则来进行负荷计算 运用了三种负荷 计算方法对各类别的用电负荷进行计算和统计 经过分析选择低压集中无功补 偿方式 采用并联电容器 使功率因数由 0 85 提高到 0 932 大大降低了设备 运行的损耗 再采用标幺值法对短路电流进行运算 选择主要电气设备的型号 和参数 灵活将电器设备的原理进行理解及运用 根据数据表 选择了合适的 电缆型号和截面 后期则从防直击雷和接地系统的角度 对建筑物进行防雷保 护的设计 及图纸的绘制 关键词 供配电系统 短路计算 无功补偿 I ABSTRACT With the continuous improvement of people s living conditions people s demand for residential power supply is increasingly high especially the reliability and continuity of power supply This requires the design of power supply and distribution system to combine the size and scale of the district standards to design to both meet the district s electricity load but also to ensure that the district s power supply security and reliability This design topic for the residential area 10KV power supply and distribution design The main structure of the thesis is as follows firstly the significance and the design of the project are discussed including the design theory of the power supply and distribution system Preliminary design according to the load of residential buildings calculation criterion for load calculation using three kinds of calculation methods of all kinds of used electricity load calculation and statistics and selection of shunt capacitor of low voltage reactive power compensation the power factor increased from 0 85 to 0 932 greatly reduces the loss of equipment operation by p u method of short circuit current calculation for power transformer selection and electrical equipment models and the parameters identified flexible understanding and application of the principle of electrical equipment according to the data table select the appropriate cable type and the cross section From the late direct lightning protection and grounding system point of view design of lightning protection of buildings drawing and drawing Key words power supply and distribution system short circuit calculation reactive power compensation II 目 录 1 前言 1 1 1 课题意义 1 1 2 设计概况 1 1 3 设计范围 1 1 4 设计原则及标准 1 1 5 设计思路 2 2 住宅小区的负荷计算 3 2 1 负荷的分类 3 2 3 负荷计算准则 3 2 3 电气负荷计算 4 2 3 1 计算的主要方法 4 2 3 2 其它负荷计算方法 5 2 3 3 详细负荷计算 6 2 4 系统负荷计算的统计结果 10 3 无功功率补偿及其计算 13 3 1 无功补偿的必要 13 3 2 无功补偿装置的选择 13 3 3 并联电容器无功功率补偿的计算方法 13 4 短路电流计算 16 4 1 短路电流计算的目的 16 4 2 实用计算时的基本假设 16 4 3 标么值法计算短路电流 16 4 3 1 按标么值法进行短路计算 16 4 3 2 短路计算过程及结果 18 5 系统变压器的选择 21 5 1 小区供配电系统布局 21 5 2 变压器的类型选择 21 5 3 箱式变压器 21 5 4 高压环网柜 23 III 5 5 高 低压分线设备选择 23 5 5 1 高压电缆分支箱的选择 23 5 5 2 低压电缆分支箱的选择 23 5 6 高 低压电缆类型及截面选择 23 5 6 1 高压电缆的选择 23 5 6 2 低压电缆的选择 24 6 防雷接地系统设计 25 6 1 防雷设计的必要 25 6 2 建筑物的防雷措施 25 6 3 雷电波的危害 25 6 4 本建筑防雷接地系统设计结果 25 6 4 1 防直击雷 26 6 4 2 接地系统 26 结束语 27 参考文献 28 致谢 29 0 1 前 言 1 1 课题意义 住宅小区是城市居住区公共空间的重心 小区供配电规划是小区电力网配 置的依据和基础 小区的电力配套设施常因配置标准不统一 供电方案不规范 等原因 使其出现供电可靠性不高 设备运行损耗大 后续维护不便的问题 而困扰着万千用户 因此要在保证供电系统安全可靠运行的同时兼顾社会 经 济效益 提高设备的运行效果 近几年来 国内外电力行业开始使用新型的箱式变电站与配电室 设计时可 根据需要来选择适合的变电站 其容量在100kVA 1600kVA的范围 箱式变电站 的优点主要为占地面积小 可灵活选择站址且适应性强 投资小 社会 经济效益 明显 1 2 设计概况 本小区 总面积105000平方米 其中住宅面积85000平方米 商业面积 20000平方米 由1栋17层高层住宅 4栋18层高层住宅 3栋23层高层住宅组成 分两期建设 小区配电系统一次设计 本工程一期安装四台630kVA室外箱式变压器 变压器容量为2520kVA 小区 消防设备及电梯 生活汞为一级负荷 备用电源由开发商自设柴油发电机组 本设计 总体上依据 民用建筑设计规范 来确立设计思路 并且根据实 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 图纸绘制 1 3 设计范围 按照城区供电局 10kV 及以下配电网的规范 对于本小区配电系统 设计的 范围如下 从 10KV 配电线路起至 一户一表 表箱 含分户表计 止范围内的 10 0 4KV 高低压配电系统的电气设计 1 4 设计原则及标准 本设计主要参考了如下国家规范及电气行业标准 3 110KV 高压配电装置设计规范 GB50060 2008 20KV 及以下变电所设计规范 GB50053 2013 民用建筑电气设计规范 JGJ 16 2008 1 供配电系统设计规范 GB50052 2011 电力工程电缆设计规范 GB50217 2007 电测量及电能计量装置设计技术规范 DL T5137 2001 GB3804 2004 3 40 5KV 交流高压负荷开关 DL401 91 高压电缆选用原则 GB11032 2010 交流无间隙金属氧化物避雷器 一般 10KV 电网须按不同用电负荷的可靠性要求 选择最适当的接线方式 工程中 正确的选用线路导线的截面和长度 可以降低有色金属的用量 既减少 了线路的损耗 也保证供电质量 1 5 设计思路 本住宅小区共有建筑楼 8 座 包括周边绿化空地 占地面积约 105000 平方 米 其中住宅楼 6 8 楼 23 层属一类高层 二类高层住宅楼 6 座 1 3 5 7 楼 18 层 2 楼 17 层 商业面积 2571 平方米 地下车库 14628 平方米 对于小区住宅建筑来说 通常从 10KV 的高压电力网进线 经由小区新增环 网柜采用电缆接入 再经箱式变的高低压变换箱 将电压引至各楼栋单元的总 配电箱 接地系统为 TN C S 系统 保护采用户外式重复接地保护 接地电阻小 于等于 4 高压从 10KV 的高压电力网进线 经高压环网柜引入 低压配电干线则采用 母线绝缘电力电缆 YJV 穿管埋地下或是沿内墙敷设 顶板暗敷设 2 2 小区负荷计算 本小区建筑平面总面积 105000 平方米 其中住宅面积 85000 平方米 商业 面积 20000 平方米 包含 1 栋 17 层高层住宅 4 栋 18 层高层住宅 3 栋 23 层 高层住宅 小区的供配电系统随现代人们生活的提高 生产的需要而规划的 作为本小区民用建筑供配电系统设计的前提 负荷计算的合理性是选择主要电 力设备容量 型号 电缆截面的主要依据 小区的电压质量与居民的日常生活 与工作息息相关 其用电负荷按国家住宅小区用电标准估算得来 2 1 负荷分类与电源 为了使小区建成 设备投入使用后 小区居民能拥有稳定的供电电压 为 其日常生活提供电力保障 同时又考虑到长期生活 实际供电时的经济性 按 设备负荷在运行中的重要性和如若意外中断供电而可能形成损失的程度来将负 荷进行分类 一级负荷 即在设备运行中意外中断供电 将可能致使人员伤亡 威胁人 身安全或对自然环境造成不可恢复的破坏 对公民人身和经济方面产生巨大影 响 二级负荷 是在一级负荷之下 不会造成公民安全的威胁但有可能使社会 经济产生较大的损失 三级负荷 此类负荷是指除开一级 二级负荷规定之外的其他用电负荷 其产生的可能损失程度的影响较小 或者说不会给人们生活和工作带来直接或 明显的影响 根据上述描述 本次设计的小区消防设备及电梯 生活泵为一级负荷 备 用电源由开发商自设柴油发电机组 小区供电系统电源 由城市 10KV 的电力网经由本小区新增环网柜采用电缆 接入新增分支箱 经过箱式变压器的高低压变换箱引入 采用电缆接入客户新 增箱变 接地系统采用 TN C S 系统 2 2 负荷计算准则 本设计遵照 国网公司电力安全工程规范 中之规定 城市居民小区的每 户供电容量规格一般在 4 10kW 本小区的小户型房屋面积约为每户 80m2 大户型则为 150m2 小户型每户 容量按 4 6kW 设定 大户型则设定为每户 8 10kW 的负荷容量 其设定均按照 国家民用建筑供电标准来进行估算 3 其具体规格如下表 1 表 1 小区负荷规格 2 3 电气 负荷计算 住宅小区的负荷计算是住宅小区电源设计的一个重要组成部分 直接影响 住户的供电能力 设计时选用了三种计算方法对住宅小区负荷进行计算 以此 合理配置小区配电变压器及选择电缆型号与截面 满足居民生活需求 其计算 结果的正确与否 将直接影响到设备效率的利用和能否安全运行 2 3 1 计算的主要方法 1 单位指标法 NiPMn 1 式中 计算负荷 单位为 kW 仅用于计算居民日常照明用电 不 含客梯 水压力等负荷 参考 住宅设计规范 GB50096 1999 和各地住宅负荷标准 Pn 住宅负荷的单位用电指标 一般确定在 4 8kW Pn 楼栋住户数 Ni 同时系数 值按每楼栋住户数目的不同选取相应不同的数值来计 算 本小区住户数在 100 户以下的取 0 6 住户数在 100 户以上的则取 0 55 计 算 2 单位面积法 按单位面积法来处理负荷时 单位负荷的密度随居住面积的增大而减小 本小区按资料给定区域面积进行公式计算 即 2 deSPM 式中 计算负荷 单位为 kW 单位面积的计算负荷 单位为 W m2 ed 单位居住面积 单位为 m2 同时系数 可按总的住户数进行折算 其取值范围同单位指标法 3 需要系数法 规格 100m2及以下 100m2以上 每户容量 4 6kW 8 10kW 4 其计算方法简便 结果也较符合实际 常用于施工负荷计算 是目前世界 普遍采用的一种方法 有功计算负荷 计算负荷或称有功功率 为 jsP 3 exjsPK 式中 计算负荷 不含备用容量 单位为 kW js 需要系数 xK 设备容量 eP 无功计算负荷 为 jsQ 4 tanjsjP 式中 无功功率 单位为 kVAr js 有功功率 P 功率因数角的正切值 tan 视在计算负荷 为 jsS 5 cosjjPS 式中 视在计算负荷 视在功率 单位为 kVA jsS 功率因数 co 计算电流 为 jsI 6 cos3NjjsjsUPSI 式中 计算电流 单位为 A jsI 视在容量 视在功率 单位为 kVA S 额定电压 单位为 V NU 2 3 2 其它负荷计算方法 根据设计的实际需要 在选取小区主体居民照明用电负荷的方法后 继续 计算其它用电所需负荷 如电梯 小区物业与门卫亮化 绿化照明 地下车库 泵房 消防用电 动力与热力交换站及小区绿化等周边配套设施用电负荷 诸 如此类负荷的计算 其所用方法如下 1 电梯负荷 NPiD 7 式中 电梯运行总负荷 单位为 kW 每部电梯运行负荷 单位为 kW i 5 电梯台数 N 2 二次加压水泵 8 式中 实际负荷 单位为 kW PM 各类水泵的单台负荷 单位为 kW i 水泵台数 N 3 物业负荷 9 PWi 式中 物业在居民家庭用电最大负荷时段的实际负荷 总负荷 单位为 kW i 物业在居民家庭用电最大负荷时段的同时系数 4 小区亮化 按照小区亮化及景观照明布局 统计路灯和绿化灯饰的数量 按每种灯泡 功率的累计 用 表示 其单位为 kW PL 5 本小区的其他类负荷的总计 10 2 3 3 详细负荷计算 1 居民用电负荷计算 本设计居民用电负荷采用单位指标法 其原则重点参照 供配电系统设计 规范 GB50052 2011 中的相关规定 其中主要参数 单位用电指标 根据 住宅设计规范 GB50096 1999 并参考各地住nP 宅负荷标准 住宅区通常确定在 4kW 8kW 的范围 功率因数取 0 85 同时系数 值 须按实际每楼栋住户数目的不同来选取相应不同的数值 本小区住户数 在 100 户以下的取 0 6 住户数在 100 户以上的则按 0 55 计算 其具体计算过程如下 1 住宅楼的户数为 60 户 根据规定户数低于 100 户 取 0 6 单位用电 指标依据 住宅设计规范 GB50096 1999 取 6kW 功率因数取 0 85 计算负荷 KWNiPMn 216 06 无功功率 kvar7 139 0 tan rcos21t jsjQ i WMD 6 视在计算负荷 KVA1 2548 06cos jjPS 计算电流为 33 NjsjsUI 本小区共 8 栋主体住宅建筑 2 8 号住宅区可依次按照上述计算公式和 方法 得出住宅区总的计算负荷为 2120kW 其具体数据总结如下表 2 表 2 住宅区 8 座楼负荷计算表 计算负荷 kW 序 号 楼号 户数 单位指 标 kW 负荷同 时率 cos 1 1 60 6 0 6 0 85 216 133 7 254 1 386 2 2 120 6 0 55 0 85 296 183 2 348 2 529 3 3 74 5 0 6 0 85 222 137 4 261 1 397 4 4 138 4 0 55 0 85 303 6 187 9 357 1 543 5 5 108 4 0 55 0 85 237 6 147 1 279 5 425 6 6 138 4 0 55 0 85 303 6 187 9 357 1 543 7 7 108 4 0 55 0 85 237 6 147 1 279 5 425 8 8 138 4 0 55 0 85 303 6 187 9 357 1 543 合计 824 2120 1312 2 2494 1 3791 kW jsPvar jsQkVA jsS I 7 2 商业用电负荷计算 因为已知商业区面积 故采用单位面积法求取每栋楼底商负荷 即 deSPM 11 式中 实际最大负荷 单位为 kW 单位面积计算负荷 单位为 W m2 ed 单户住宅面积 单位为 m2 同时系数 可按基本住户数折算同时系数 同时系数取值范围同上 根据实际情况 商业用户的单位面积计算负荷 取 100W m2 地下室取edP 5W m2 同时系数 商业用户取 0 8 地下室负荷取 0 9 按单位面积法求解 其具体计算如下 1 底商面积为 600m 2 商业用户用电指标取 100W m2 取 0 8 功率因数 取 0 85 计算容量为 kW48 061 deSPM 无功功率为 var7 2961 tan rcos48t jsjQ 视在功率为 kVA5 6 0cojsjsS 计算电流为 83 NjsjsUI 2 底商面积为 600m2 商业用电指标取 100W m2 取 0 8 功率因数取 0 85 计算负荷为 kW7 8 091 deSPM 无功功率为 kvar1 4869 tan rcos48t jsjQ 视在功率为 kVA 915 07co jsjsS 计算电流为 3843 NjsjsUI 地下室的面积为 14628m2 用电指标取 5W m2 取 0 9 功率因数取 0 85 计算负荷为 kW8 69 014 deSPM 无功功率为 var7 4015 tan rcos8t jsjQ 8 视在功率为 kVA4 785 0cos jjPS 计算电流为 183 NjsjsUI 综上 商业负荷及地下室的设备总容量为 kW5 198 674 jsP 本小区商业区及地下室负荷计算表如表 3 表 3 商业区及地下室负荷计算表 3 其余主要设备用电负荷计算 1 电梯的负荷分级 电梯的负荷分级应符合电力系统负荷分级规范的要求 客梯的供电要求如 下 一级负荷的客梯 应由引自两路独立电源的专用回路供电 二级负荷的客梯 可由两回路供电 其中一回路应为专用回路 另一路为 备用回路 三级负荷的客梯 宜由建筑物低压配电柜以一路专用回路供电 当有困难 时 电源可由同层配电箱接引 本小区规模为某市城区住宅小区 由1栋17层高层住宅 4栋18层高层住宅 3栋23层高层住宅组成 其均为高层建筑 且地下设有商业区 电梯采用一级负 计算负荷 kW 序 号 楼号 户数 面积 m 2 单位面 积负荷 W m 2 负荷同 时率 cos 1 1 底商 1 600 100 0 8 0 85 48 29 7 56 5 86 2 2 底商 4 971 100 0 8 0 85 77 7 48 1 91 4 139 3 地下室 14628 5 0 9 0 85 65 8 40 7 77 4 118 合计 191 5 118 5 225 3 343 kW jsPvar jsQkVA jsS I 9 荷 本设计双电源引入 2 电梯负荷 根据各楼中电梯配备台数来计算 NPDi 12 式中 电梯总负荷 单位为 kW 单部电梯负荷 单位为 kW i 电梯台数 1 楼电梯负荷 kW42 NPDi 2 楼电梯负荷 8 3 楼电梯负荷 i 4 楼电梯负荷 603 5 楼电梯负荷 k42 Pi 6 楼电梯负荷 ND 7 楼电梯负荷 8i 8 楼电梯负荷 W603 由此可得小区电梯总负荷为 k576048 PD 3 物业公司及小区内其他用电 物业公司的用电负荷主要用于照明 办公使用 其负荷一般按居民家庭用 电最大负荷时段的实际负荷来统计 用单位面积法求 k248 056 deSPM 根据小区实际情况估算其他设备所需负荷 地下室通风负荷约为 110kW 加 上所需动力 258kW 水泵房按资料可设定负荷 128kW 小区地下车库用电约为 220kW 小区消防及压力共投入约 200kW 小区为高层建筑 故需要考虑高层水 压及热力交换约 200kW 设备房 配电室 弱电机房 监控室共弱 100kW 此类 设备房在运行时按满负荷运行考虑 另小区室外亮化 门卫用电及建筑物亮化 用电共约 80kW 2 4 系统负荷计算的统计结果 本系统负荷计算主要采用需要系数法 其计算比较方便 且结果较符合实 际 目前 在国内外配电设计计算中运用的最为普遍 根据上面计算的细节性 负荷归纳总结 整理得出结果 本小区负荷分配的具体计算方法如下 序号 1 计算负荷为 kW5 614105 26 jsP 10 计算电流为 A5 1038 356cos3 NjjsjsUPSI 负荷同时率取 0 75 则 实际负荷为 kW1 4275 061 jsP 实际电流为 63 jsI 序号 2 8 按上述依次计算 功率因数取 0 85 负荷同时率取 0 75 按照需要系数法 因此进行数据统计计算 负荷的分配状况及变压器容量 选择如表 4 表 5 所示 表 4 负荷的分配状况表 序 号 楼号 计算负 荷 kW 计算电 流 A cos负荷同 时率 实际负 荷 kW 实际电 流 A 补偿后功 率因数 1 1 楼住宅 1 2 楼商铺物业 地下室及通风 1 电梯风机 561 5 1003 5 0 85 0 75 421 1 752 6 0 95 2 2 楼住宅 2 电梯风机 水泵房 512 915 2 0 85 0 75 384 549 1 0 95 3 3 楼住宅 3 电梯风机 地下室动力 568 1015 3 0 85 0 75 426 761 5 0 95 4 4 楼住宅 4 电梯风机 地下室通风 门卫及亮化 553 6 841 1 0 85 0 75 415 2 630 8 0 95 5 5 楼住宅 5 电梯风机 地下车库 545 6 829 0 85 0 75 409 2 621 75 0 95 6 6 楼住宅 6 电梯风机 高层水压及热力 交换 563 6 856 3 0 85 0 75 422 7 643 2 0 95 11 7 7 楼住宅 7 电梯风机 高层水压及热力 交换 525 6 798 6 0 85 0 75 394 2 598 9 0 95 8 8 楼住宅 8 电梯风机 设备房 513 6 780 4 0 85 0 75 385 2 585 3 0 95 总 计 4343 5 6599 3257 6 4949 3 表 5 变压器容量选择 序号 1 8 箱变的选择方案 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 421 1kW 负荷电流为 752 6A 1 2 630kVA 变压器运行负荷率为 66 8 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 384kW 负荷电流为 549 1A 2 2 630kVA 变压器运行负荷率为 61 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 426kW 负荷电流为 761 5A 3 2 630kVA 变压器运行负荷率为 67 6 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 428 4kW 负荷电流为 630 8A 4 2 630kVA 变压器运行负荷率为 68 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 409 2kW 负荷电流为 660A 5 2 630kVA 变压器运行负荷率为 65 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 422 7kW 负荷电流为 643 2A 6 2 630kVA 变压器运行负荷率为 67 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 394 2kW 负荷电流为 598 9A 7 2 630kVA 变压器运行负荷率为 62 6 12 1 依照计算数据 实际运行后的负荷功率为 428 4kW 负荷电流为 685 4A 8 2 630kVA 变压器运行负荷率为 61 1 据有关变压器运行规程及要求中的规定 为确保变压器安全 经济 可靠运行 应选择 630kVA 电力变压器做为 1 8 箱式变的供电电源 3 无功功率补偿及其计算 3 1 无功补偿的必要 电力系统功率因数的高低属于一项经济性指标 依照我国 1996 年实行的 供电营业规则 的规定 电力用户要在自然功率因数的基准上 按有关标准 安装无功补偿设备 其意义不仅可降低输电线路上的损耗 减少了电能消耗 更使得电气设备容量得以充分利用 从而提高居民们的用电质量 所以说 在 小区的功率因数指标无法达到标准的时候 就必须增添补偿装置 否则会造成 许多不良的影响 3 2 无功功率补偿装置的选择 本设计属工程设计 工程中常并联电容器来补偿供电系统的无功功率 并联电容器的补偿 可以归纳为两类 高 低压集中型补偿和低压分散型 补偿 其优点主要在于安装方便 后期运维便利 设备损耗小在配电应用中较 为普遍 在民用建筑供电时有它的特殊性 照明负荷占比较大的比重 属分散性负 荷 一般都是采用低压配电装置处集中补偿 而采用低压集中补偿时不需要从 电力系统中吸收无功 既减少了电力系统的无功功率发生装置的使用 也降低 了对用户的线路上的无功传输 最终可使输电线路电压的损失及电能损耗降到 最低 综合来看 本设计选择低压集中型补偿方式 13 A8 694301 572 NjsjsUSI A76438051 NjsjsUSI kvar14293 054 tan rcos5 43tan jsjPQkW5 43 PM kvar6 2819 0543 tan rcos5 43tan jsjPQ kvar6 1259 0 329 43 95 0tan rcos85s tnco ta 21 jscPQ 8 01cos jsS 3 3 并联电容器无功功率补偿的计算方法 无功功率补偿容量 单位为 kVAr 的计算 jscjsc Pq tan t21 13 由负荷计算表可知 本小区 380V 侧最大负荷时的功率因数为 0 85 而民用建筑各地供电局规定低压功率因数补偿到 0 95 高压供电用户功率因数补偿到 0 9 以上 无功补偿计算的详细过程如下 补偿前的功率因数为 380V 侧补偿前负荷 380V 侧补偿后负荷 380V 侧无功补偿容量 kV 4co jsjsPkV cojjskW M 14 386 0tan jsPQ kvar 154js 10KV 侧负荷总计 补偿后功率因数为 经过低压集中补偿后 不但有效地提高了系统的功率因数 使高压侧的功 率因数达到了 0 932 根据供电局的要求 已达标 而且减少了线路压降 提 高了供电质量 还提高了系统供电的裕量 无功补偿后 380V 侧和 10kV 侧的负荷计算如表 6 表 6 无功补偿后的计算负荷 计算负荷 项目 cos kW jsP kvar jsQ kVA jsS I 380V 侧补偿前负荷 0 85 4343 5 2688 6 5110 7764 380V 侧无功补偿容量 1259 6 380V 侧补偿后负荷 0 95 4343 5 1429 4572 1 6946 8 主变压器功率损耗 0 015 62 6jsS0 06 250 3jsS 10KV 侧负荷总计 0 932 4026 1 1554 3 9 02 co r W026 jP 15 4 短路电流计算 4 1 短路电流计算的目的 短路 是指电源通向用电设备的导线不经过负载而直接连通的状态 经验 表明 在各种类型的短路中 单相短路占大多数 两相短路和三相短路的可能 性依次减小 三相短路发生的几率虽然不高 但其造成的危害较大 须引起重 视 为使设备能具有足够的动稳定性和热稳定性 只有正确选择和校验电气设 备 才能保证其在发生短路时不会被损坏 短路故障时系统中将出现比正常运 行时的额定电流大许多倍的短路电流 其数值可达几万甚至几十万安 因此 在供配电设计中必须考虑短路故障产生的各种影响 短路电流的计算还可以用 于防雷接地工程设计中 4 2 实用计算时的基本假设 考虑到现代电力系统的实际情况 要进行准确的短路计算是相当复杂的 同时对解决大部分实际问题 并不要求十分精确的计算结果 例如 选择效验 电气设备时 一般只需近似计算可能通过该设备的最大的三相短路电流值 为 简化计算 实用中常近似计算 这种近似计算法在电力工程中又被称为短路电 流实用计算 它是建立在一系列的假设基础上的 其计算结果稍偏大 短路电流实用计算的基本假设如下 1 短路发生前 电力系统是三相对称的 16 2 电力系统中 系统频率 相位均保持不变 3 变压器的励磁电阻 架空线的电阻和对地电容均略去不计 4 电力系统中各元件的磁路不饱和 5 对负荷只作近似估算 由于负荷电流一般比短路电流要小得多 故近似 计算时 不计电容的影响 4 3 标么值法计算短路电流 短路故障对电力系统的危害极大 常用计算方法有欧姆法 有名单位制法 和标么值法 工程中常采用标幺值法进行短路计算 本设计也采用的是标么值 法 4 3 1 按标么值法进行短路计算 该工程中的短路电流计算采用的是标么值法 其表达式为 14 基 准 值有 名 值标 么 值 具体计算步骤是 选出基准电压和基准容量 并进行短路基准电流的计算 然后计算出电路中各主要元件的阻抗标幺值 同时按所选择的短路计算点绘出 等效电路图 对于工程供电系统来说 可以将电力系统当作无限大容量电源 最后计算短路电流和短路容量 计算步骤如下 1 根据工程实况绘制短路电路简化图 确定短路点 2 设定基准值 基准值可随意设定 一般建筑供配电中基准容量一般取 设定基准容量 和基准电压 基准电压 0MVAd SdSdUNavd1 05U 并计算基准电流 短路基准电流计算公式 dI 15 式中 为基准容量 单位为 A dI 为基准容量 单位为 MVA S 3 依次计算各元件的电抗标幺值 计算短路回路中各主要元件的阻抗标 么值 一般只计算电抗 电力系统 16 ocdSX 1 式中 为基准容量 单位为 MVA dS 为系统高压母线出口断路器遮断容量 单位为 MVA oc 电力变压器 ddI3 17 17 NdktSUX 10 式中 为变压器额定容量 单位为 kVA NS 基准容量 单位为 MVA d 为变压器短路电压百分值 kU 4 绘制短路回路等效电路 并计算总电抗标幺值 用标么值法进行短路 计算时 无论有几个短路计算点 其短路等值电路只有一个 5 计算三相短路电流 分别对短路计算点计算其各种短路电流 三相短 路电流周期分量 短路次暂态短路电流 短路稳态电流 短路冲 3 dI 3 I 3 I 击电流 3 shi 18 XIdd 3 式中 为三相短路电流周期分量 单位为 A 3 dI 为系统总电抗 标幺值 X 在一个无限大容量系统中 存在下列关系 19 3 3 dII 高压侧的短路冲击电流及其有效值可以根据下列公式近似计算 20 3 3 5 2 Iish 21 1 Is 低压侧的短路冲击电流及其有效值可以根据下列公式近似计算 22 3 3 84 Iish 23 091 Is 6 三相短路容量 24 3 XMVASdK 式中 Sd 为基准容量 单位为 MVA 为系统总电抗 标幺值 X 4 3 2 短路计算过程及结果 选取短路计算点并绘制等效电路图 一般选取各线路始 末端作为短路计算点 线路始端的最大三相短路电流 常用来校验电气设备的动 热稳定性 并作为上一级继电保护的整定参数之一 18 MVA31857 10311 davdIUS 50 1834 182 5 02763 122121avtdUX76 4 5 0 22nnkt S kA57 1k 4 3 3 11 kdavd IIXI 8 57 25 1 Iish kA6 23 1 1IIsh 34 016 85 02121avtd X TXL线路末端的最小两相短路电流常用来校验相关继电保护的灵敏度 在本次设计中 可选用10KV母线 0 4KV母线出现末端为短路点 由于本次设计10 0 4KV变电站正常运行为全分列方式 故任意点的短路电流由系统电源通过本回路提供 画出图1所示的等效电路计算图 图 1 等效电路计算图 系统电抗 98 6 22kavsU 变压器电抗 折算到 10KV 侧时 电抗为 110KV 变压站到短路点 d1 的电抗为 绘制短路点 d1 等值电路图 图 2 d1 短路点处等值电路图 短路点 d1 的短路容量为 三相短路电流 短路冲击电流峰值 短路冲击电流有效值 19 kA49 3806 43 12 davdXUI 1 9 85 2Iish kA5 4 32 1 2 IIsh MV 2 322davdIS 1d LXT 06 5 1 407 345 021212avtdUX 绘制短路点 d2 等值电路图 图 3 d2 短路点处等值电路图 110KV 变电站到短路点 d2 的电抗 短路点 d2 的短路容量为 三相短路电流 短路冲击电流峰值 短路冲击电流有效值 综上计算结果如表 7 表 7 短路电流表 短路点 三相短路电流 kA 三相短路 容量 MVA 3 dI 3 I 3 I 3 shi 3 shI 3 dS 17 57 17 57 17 57 44 8 23 6 318 38 49 38 49 38 49 98 1 58 5 26 62 20 5 系统主变压器的选择 电源采用现场一级变压 该小区配电设计共选择 8 台 630kVA 变压器 均采 用 10KV 变为 0 4KV 的户外箱式 小区内负荷点散而多 变压器安装在小区中心 较方便 既可降低投入 减少设备运行的成本 又便于后期维护和扩建 每个 变压器的容量根据各栋楼建筑的区域划分的负荷确定 5 1 小区供配电系统布局 小区绿化空地较空旷 楼与楼之间间隔较大 供电的远近程度较大 而每 台箱式变的供电范围是有限的 如需满足小区负荷分散分布的要求 则须设立 多台箱式变压器 根据该小区整体建筑的布局和负荷容量大小进行划分 形成一个以箱变为 中心 低压变压器为辅助的配电系统结构 如图 1 这里采用电缆放射式配 电 一般为 3 6 回路 将线路引至各单元内总配电箱 再由总配电箱分区树干 式引至各楼层电缆井的低压电表计量箱 21 图 4 小区供电系统关系图 5 2 变压器的选择 1 变压器的类型 国内 10KV 及以下的配电网常采用的类型有 非晶合金铁心变压器 油浸式 配电变压器 S11 系列配电变压器 卷铁心配电变压器等 对于非晶合金铁心变压器 此类变压器最大的优势在于其空载时 损耗大 大降低 相对同容量的新型 S9 型降了 70 降幅明显 但其材料基本上依赖国 外进口 故进价较高 在建筑电力电网配套设施建设中 多选用 S11 型 变压 器的容量在 800kVA 以上时 箱式变的设计就变得非常复杂且不易操作 也增加 了设备运行的安全隐患 故一般须将容量控制在 800kVA 以下 2 选择原则 1 当只选取一台主变压器时 总容量 应要不小于全部用电设备计算负TNS 荷 即 30S 25 30T 2 装设两台时 任意一台变压器容量 应不小于总的计算负荷 的NS 30S 60 70 即 26 对于多台主变压器并列运行 需满足一 二级负荷的所有要求 27 3 各变压器容量确定 正常状态下 变压器应该是并列运行 分列运行是非正常状态 属短时工 30 7 6 TN 30 STN 供电局 1 0 K V 线路 供电局 1 0 K V 线路 高压电缆 分接箱 高压电缆 分接箱 箱式变 箱式变 箱式变 箱式变 低分箱 低分箱 低分箱 低分箱 低分箱 低分箱 低分箱 低分箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 单元配电箱 高压主进线电缆 高压分支电缆 低压主电缆 低压分支电缆 22 作状态 因此确定变压器容量时 保证每台变压器能够供所承载的负荷独立 正常 按照变压器并列运行状态进行统计 安全地工作 经过无功补偿后 全部设备用电负荷为 负荷率按 70 来进行计算 则实际容量为 KVA5 3201 457 07 3 STN8 216 KVA 本小区共 8 栋主体住宅建筑 选择 8 台同型号的 630kVA 变压器来给小区 供电 根据计算结果决定选用额定容量为 630 kVA 的变压器 S11 630 10 变压器选型参数如下表 8 表 8 变压器选型参数 型号 额定容 量 kVA 一次额 定电流 A 二次额 定电流 A 空载损 耗 W 负载损 耗 W 阻抗电 压 空载电 流 S11 630 10 630 37 8 907 2 1200 6200 4 5 0 9 5 3 箱式变压器 国内配电网箱式变的选择主要有 美式和欧式箱变 二者相比 欧式的外形漂亮 安装便利 易于以后的运维 其缺点是体积 较大 不利放置 美式箱变布局采用模块式 是将高压开关设备 低压配电装 置 配电变压器分别隔在三个不同的空间 其所使用的电力设备均为常规型 易购得与后期维护 占地面积小且节约土地资源 故本次设计采用美式箱变 本设计所选用的箱式变型号为 ZGS11 型 5 4 高压环网柜 本小区高压环网柜在进线侧安装负荷开关 以方便对所有高压分支箱电源 的调控 可以在不影响系统正常运行 来对设备进行检修 从而有效地避免线 路短路故障范围扩大 高压环网柜型号为 HXGW 12 型 KDF 电缆分支箱 1K 负荷开关柜 2 2 2 回进线 2 回出线 5 5 高 低压分线设备选择 5 4736 68 222 cjsjsjsQPS 23 5 5 1 高压电缆分支箱的选择 DF 系列电缆分支箱近几年来广泛被用于电力配网系统中 其特点是 可用 穿墙套管作为母排连接 电缆长度短 排列整齐 不需跨度交叉 适合用于住 宅小区中 结构紧凑 占地面积小 美观整洁 高压电缆分支箱选用 DFW 10KV 型 其主要功能特点 全密封 绝缘 耐腐 蚀 操作方便且安全可靠 采用 1 进 5 出 5 5 2 低压电缆分支箱的选择 低压电缆分支箱仍用 DF 系列 选择 DFW 0 4KV 型 其所采用的电缆接头符 合 DIN47636 标准 一般采用额定电流 630A 螺栓固定连接式电缆接头 其进出 线灵活 实际应用最多可达 8 分支进出线 5 6 高 低压电缆类型及截面选择 5 6 1 高压电缆的选择 高压电缆选用的是铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铠装高压电力电缆 YJV22 8 7 10KV 聚氯乙烯护套铠装高压电力电缆主要适用于室内 管道 电缆沟 隧道等 又可埋在松散的土壤中 其结构简单 重量轻 敷设不受限制等优点 其使用 特性 1 最高额定温度为 90 C 短路时 最长持续时间不可超过 5S 2 敷设电缆环境温度不宜低于 0 C 3 敷设时允许弯曲的半径 单芯电缆须大于电缆外径的 15 倍 多芯电缆则 须大于电缆外径的 10 倍 依据变压器低压侧的计算电流 选定电缆截面的型号 YJV22 3 300 的 高压电缆 YJV22 3 240 的高压电缆 YJV22 3 150 的高压电缆 5 6 2 低压电缆的选择 本设计低压电力电缆均采用铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电 力电缆 YJV 220 6 1KV 查表知对应所需低压电缆的截面 再考虑电缆线路长度及使用中的稳定性 所造成的电压降低 在实际选用时 须在标准载流量的基础上将电缆截面增大 1 至 2 个型号 表 9 YJV22 型电缆载流量电压降表速查表 芯数 电缆截面 mm 2 载流量 A 电压降 mV m 24 2 10 58 4 67 4 16 80 2 6 4 25 108 1 6 4 35 130 1 2 4 50 165 0 87 4 70 220 0 61 4 95 265 0 45 4 120 310 0 36 4 150 360 0 3 4 185 415 0 25 4 240 495 0 21 6 防雷接地系统设计 6 1 防雷设计的必要 民用建筑物采取何种防雷保护措施 须根据民用建筑防雷等级来确定 按 照相关规定 第一 二类民用建筑物 须防直击雷和雷电波的侵入 第三类则 应采用防止雷电波沿低压线路入侵的措施 而具体的选择 则需要根据建筑物 所处环境 位置以及自身高度 有无人员密集区来判断 遵照 建筑物防雷设计规范 GB50057 2010 的规定 本小区最高为 75 米 应按二类防雷建筑物处理 在配电网络中 保护接地方式 供电系统会由于接 地种类的不同也有所不同 正确选用保护接地方式 设计供配电系统 这对提 高电网可靠运行水平有重要的意义 6 2 建筑物的防雷措施 1 防直击雷 防直击雷的措施可设立避雷针或架空避雷线 宜采用装设在建筑物上的避 雷网 带 或避雷针或由其混合组成的接闪器 避雷装置由接闪器 引下线和 接地装置三部分组成 在高层建筑中 我国常用钢筋 混凝土作为防雷的引下 25 线 在雷雨天 当建筑物遭遇雷击 使雷电流快速散入大地 为使雷电流迅速 地疏散 接地体的接地电阻要小 一般不超过 10 欧 2 防雷电感应 为防止雷电在建筑物上产生火花 设计时均应通过接地装置可靠接地 以 便雷云放电后 雷电流能快速散入大地 保护建筑物 避免雷击损害 3 防雷电波侵入 当低压线路电缆全长采用埋地式或暗敷时 在入户端应将电缆金属外皮或 金属线糟接地 为防止雷电波侵入 可利用避雷器或保护间隙将雷电流引入大 地 正常时 避雷器的间隙保持绝缘状态 相互不影响 雷击过后 避雷器间 隙又恢复绝缘状态 从而保证系统正常运行 6 3 雷电波的危害 雷击时 雷电压很高 易将变压器 断路器等电气设备的绝缘击穿 如果 在电气设备附近装上避雷器 对雷电波的放电电压比电气设备绝缘的击穿电压 低 所以当雷电波侵袭建筑物时 避雷器现行放电 将雷电波削弱 就可保护 建筑物免受雷电波的损坏 6 4 本建筑防雷接地系统设计结果 6 4 1 防直击雷 根据第二类防雷建筑物的防雷措施 第 3 3 1 条 本设计用装设在建筑物 上的避雷带或避雷针或者混合组成的接闪器 避雷带应在建筑物外围沿屋角 屋脊 屋檐等容易遭受雷击的地方敷设 还在屋子布局组成不大于 10m 10m 或 12m 8m 的网格 所有避雷针都用避雷带联结 6 4 2 接地系统 本小区采用 TN C S 接地保护系统 接地电阻不大于 欧姆 接地体采用混 凝土基础钢筋 采用弱电设备作为共同接地体 进户外采用保护接地线 既保 障了人身及设备的用电安全 也降低因接地方式不合理而引起的强雷电 防雷 接地 电气设备安全接地以及其它需要接地的设备 弱电设备均采用共用接地 共用接地体的接地电阻应小于 1 为了保证设计的简洁美观 所有防雷装置 除开避雷带外均采用暗敷铺设 我国配电系统接地标准已等同于 IEC 标准 在电气实际应用中 参考国家 规范 供配电系统设计规范 GB 50052 2009 可知 在将 TN C 系统转换为 TN C S 系时 PEN 线变为两根线 PE N 线 在此处 PE N 线是连接在一起的 TN C S 系统的接线图 如图 3 所示 26 图5 TN C S接线系统 供配电系统设计规范 GB 50052 2009的第5 5 6 1图对如何在配电箱内 具体实施作了更明确地规定 接线图的特点 需注意的是在电源进线配电柜 箱 处 PE线和N线一定要连接起 其次是在电源进线的PEN线端须先与PE母线联接 并 齐接地 将PE母线与N母线连起来 结束语 本次设计课题为住宅小区 10KV 供配电设计 通过本次设计使我对自己大学 四年所学的专业课程有了更进一步的了解 巩固了专业知识和实际分析能力 只有通过自主设计 进行实际操作 才能学通学透电力系统设计 论文内容主要包括住宅小区供配电系统的设计理论与实践应用 设计前期 包括了居民的电力负荷计算 无功补偿设计 小区主要电气设备型号和参数的 确定 了解电器设备的原理及其性能的选择 短路电流的计算 后期须进行电 气设备防雷保护接地的设计 及小区图纸的绘制 在不断的学习设计中 拓宽 了自己的知识面 加深了对供配电系统和建筑电气设计的了解 这学期来 通过查找资料 编写程序 撰写论文 巩固并提高了我的电气 工程方面的知识 相关技能 软件掌握的越来越熟练 通过这段时间的学习 让我锻炼了专业知识 同时也懂了很多书本上没有的知识 体现了理论联系实 27 际的重要性 为以后的继续学习打下了坚实的基础 参考文献 1 刘思亮 建筑供配电 M 北京 中国建筑工业出版社 1998 2 戴瑜兴 民用建筑电气设计手册 M 北京 中国建筑工业出版社 2007 3 瞿义勇 民用建筑电气设计规范 M 北京 机械工业出版社 2010 4 孙兰 李雪佩等 住宅建筑电气设计规范 M 北京 中国建筑工业出版社 2011 5 中国建筑东北设计研究院 民用建筑电气设计规范 JGJ T16 92 M 北京 中国 计划出版社 2008 6 沈培坤 刘顺喜编著 防雷与接地装置 M 北京 化学工业出版社 2005 7 李英姿 住宅电气系统设计教程 M 北京 机械工业出版社 2005 8 胡国文 现代民用建筑电气工程设计与施工 M 北京 中国电力出版 社 2005 9 唐治平 供配电技术 M 北京 电子工业出版社 2013 10 戴瑜兴 民用建筑电气设计手册 M 北京 中国计划出版社 2007 11 尧有平 李晓华 电力系统工程 CAD 设计与实训 M 北京 北京理工大 28 学出版社 2008 12 应敏华 程乃蕾 供用电工程 M 北京 中国电力出版社 2006 13 建筑电气常用数据手册 M 北京 中国建筑工业出版社 2003 14 BILLINTON R JONNAVITHULAS Optimal switching device placement in radial distribution systems J IEEE Trans on Power Systems 1996 9 3 646 651 15 OPC Foundation OPC Data Access Custom Interface Standard Version 2 05A http www opc foundation org 2002