企业降压变电所电气初步设计独家优秀】

第 I 页 摘 要 本设计以变电站为研究对象。变电站不仅仅是电力系统的一个重要的组成部分，而且也是电厂和用户之间的枢纽。主电路电气配线的设计以及开发，要对整个变电站电气设备做出正确的选择，其中包括配电设备装置，继电保护和自动装置等设备。 在初步了解变电站的概念后，根据任务书上的要求，查阅相关的参考文献，进一步了解所需要做的事情。由线路和负载的相关参数，计算出相应的负荷，进行无功功率补偿。然后根据变电站的位置及出线方向来考虑，并对负荷进行数据分析，考虑安全性，经济性以及可靠性，确定 10以及电气主布线，之后通过负 载计算和供给的范围，确定变压器的容量和台数以及型号，进行相关的短路电流计算。再根据设计要求选择断路器，隔离开关，变压器和保护装置的型号，最后还对相应的继电保护和防雷措施进行了简单的设计。 总而言之，一定要确保供电系统的安全和可靠性，在此基础上再考虑其经济性，从而完成变电所的设计。 关键词 ：主接线；数据分析；数据计算；变压器；可靠性 第 he of as is an is a s it is to of a of of to of to to to be is by of is to to 0kV of to to of of to a In we of on of so as to of 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 计背景 . 1 电所的总体分析 . 1 计思路 . 1 2 负荷计算 . 3 荷分级及计算过程 . 3 . 3 . 3 . 4 3 无功功率补偿 . 7 功电源的组成及补偿装置的选择 . 7 功补偿的确定 . 7 4 变电所位置和主变压器的选择 . 9 电所位置确定的一般原则 . 9 压器实际容量的计 算 . 9 变压器台数的确定以及型号的选择 . 9 变压器的运行方式 . 10 5 主接线方式的选择 . 11 气主接线设计的基本要求 . 11 接线的设计 . 11 6 短路电流的计算 . 12 定基准值 . 12 算各元件电抗标幺值 . 12 障点的短路电流计算 . 13 障点的短路电流计算 . 13 7 变电所一次设备的选择与校验 . 15 电所高压一次设备的介绍 . 15 次设备的选择与校验的条件和项目 . 15 电所 10一次设备的选择 . 17 目录 电所 380V 低压一次设备的选择 . 19 电所进出线的选择 . 20 8 继电保护及二次回路的选择 . 23 电所二次回路方案的选择 . 23 电保护装置 . 23 . 23 . 24 力线路的继电保护设计 . 25 9 防雷保护的设计 . 27 雷针的配置原则 . 27 雷设计 . 27 定最终的防雷方案 . 28 结论与展望 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 第 1 页 共 31 页 1 绪论 计背景 变电所的设计需要经过一系列的准备工作才能够顺利展开，需要设计者有着严谨的态度、精密的计算以及合理的规划。作为一个电气工程及其自动化专业的学生，在大学的课程中已经系统地学习过电力系统分析、发电厂电气部分以及继电保护等和该设计相关的课程，这对于掌握变电所设计流程和设计方法是极其有利的。 通过任务书上的内容，可以知道设计的内容是企业降压变电所的初步设计。变电所在如今社会占有举足轻重的地位，居民用电、工厂供电、企业供电等等都跟变电所息息相关。一个国家的经济状态如何，取决于人民的生活质量，而变电所的好坏就决定了用电的质量，所以说变电所的设计与建造就必须要严谨。因此变电所的设计必须要安全可靠，这样才能长久的使用下去。在兼顾安全、可靠地同时，我们还要力求优质、经济。 总而言之，设计一个“安全、可靠、优质、经济”的变电所，是我们的最终目的。而严谨的数据分析、精确的设备选择使是我们达到最终目的的保障。 电所的总体分析 （ 1）变电所的类型： 10业降压变电所。 （ 2）变电所的电压等级： 10 （ 3）变电所的负荷情况： 大 500 （ 4）变电所的出线回路： ， 9 回。 （ 5）变电所的地质、气象条件：变电所所处地区一年中最高的温度是 +35 ，而平均温度是 +26， 该地区的年雷暴数为 80。 在经过对任务书上内容的理解与概括，可提取出以上 5 点信息。总的来说，这次所设计的 10压变电所是 10区变电所，它的主要任务是向全工厂安全、可靠地供电。为了保证安全、可靠的供电以及电网发展的需求，在设计过程中选取设备时，应该尽量选择那些动作可靠性高，维护周期长的设备。从总结的信息来看，可以得到以下重要信息： 线 9 回；负荷状况为 大 500关系到主变压器以及主接线方式的选择，所以必须要严格按照电力工程设计手册和发电厂电气部分等参考资料来进行相关设计，更要与所选设备的型号及特点结合起来综合考虑，从而确定一个技术合理、经济可靠的最佳方案。 计思路 这次设计的是 10区变电所，主要的设计思路是通过数据分析及计算来确定主 第 2 页 共 31 页 变压器的型号以及接线方式，同时还要对变电所必需的电气设备进行有考虑、有依据地选择。最后，还要对所设计的整个变电所进行防雷保护的设计，以保证变电所的设备安全，从 而达到一个变电所应有的标准。 主变压器的选择不仅需要对厂区内各个车间以及生活区进行负荷计算，还要进行无功功率补偿的计算。同时还得考虑到厂区所在地理位置的地质情况和气象条件，综合考量后才能作出最佳的选择。 电气设备的选择通常需要进行一系列的计算和校验。比如短路计算、负载计算，以及相关参数的校验等，再通过计算以及校验的结果结合任务书上的设计要求和内容选择最佳的设备型号，从而确保变电所能够正常地运行。 防雷保护的设计需要确定接地电阻的数值，通过相关计算结合变电所的地理位置确定接地钢管的数量和大小。还要确保整个厂区 变电所都处在防雷保护区域，不能出一点差错，否则变电所有可能遭受雷击，造成设备损坏，甚至造成人员伤亡，后果不堪设想。 毫无疑问，在进行任何一个设计之前都要有着正确的思路。如果设计思路错了，那么就会一步错步步错，所以在设计之前一定要整理好设计思路。 第 3 页 共 31 页 2 负荷计算 为了计算出变电所各个车间和生活区需要负荷的总和，我们必须要对变电所内的负荷进行相关的计算，以计算的结果来选取电气设备的型号。由于负荷不是一个恒定值，也就是说它会随时间而变化。如果我们在选择设备的时候，只是单纯地把各个车间和生活区用电设备的总容量作为设 备选择依据的话，那么将会造成过载或欠载的情况。可想而知，在变电所的设计中，负荷计算是非常有必要的。 荷分级及计算过程 （ 1）一级负荷 a)如果突然停电，会造成极其严重的后果的负荷。 b)在 一些极其重要的地方，不允许出现供电中断的负荷。 c)当供电系统突然停止供电时，一定要有处理安全停产所需的各种装置和系统的负荷。 d)民用建筑之中大型金属中心的重要级计算机系统和防盗报警系统，比赛场上的记分系统以及监控系统等。 （ 2）二级负荷 a)如果供电停止，会因为不能正常运行而造成经济损失 的负荷。 b)对于一些较为重要的地方，如果供电中断，会造成不好的后果的负荷。 c)在某些人员比较密集的地方，如果发生供电的故障，会造成混乱和恐慌的负荷。 （ 3）三级负荷 除上述内容外的负荷。比如：对于一些非连续运行生产的中小企业，停电仅仅影响产量或者导致少量产品报废的，以及一些民用建筑的用电负荷等均属于三级负荷。 本次所设计的对象是一般的工业企业，中断供电不会发生爆炸等危险情况也不会造成较大的经济损失，所以属于三级负荷。 本变电站负荷分析的计算过程如下： 计算所用到的公式： 21 c o st a nc o s （ 2 第 4 页 共 31 页 P（ 2 * ta （ 2 根据任务书可得知各个车间负载情况如表 2示。 表 2区各个车间负载情况 全厂电力负荷分布 负荷名称 负荷大小 x 间 1 500 间 2 400 间 3 500 间 4 300 间 5 400 间 6 300 间 7 200 间 8 200 活区 200 车间 1 负荷计算： 因为 500（ ,由上表可得 1-)2 1(c = 所以 e=00=300（ 0064（ 车间 2 负荷计算： 因为 400（ ,由上表可得 12(c = 所以 e=00=220（ 2065（ 车间 3 负荷计算： 因为 500（ ,由上表可得 第 5 页 共 31 页 1-)2 3(c = 所以 e=50040（ 4042（ 车间 4 负荷计算： 因为 300（ ,由上表可得 1-)2 4(c = 所以 e=30065（ 65 车间 5 负荷计算： 因为 400（ ,由上表可得 1-)2 5(c = 所以 e=40080（ 80 车间 6 负荷计算： 因为 300（ ,由上表可得 1-)2 6(c = 所以 e=30065（ 6532（ 车间 7 负荷计算： 因为 200（ ,由上表可得 1-)2 7(c = 所以 e=20030（ 30 车间 8 负荷计算： 因为 200（ ,由上表可得 1-)2 8(c = 所以 e=20020（ 206（ 生活区负荷计算 ： 第 6 页 共 31 页 因为 200（ ,由上表可得 1-)2 9(c = 所以 e=20032（ 32 各个车间和生活区负荷情况如表 2示。 表 2荷计算结果 序号 用电设备组 计算负荷 车间 1 300 264 车间 2 220 165 275 3 车间 3 440 242 车间 4 165 车间 5 280 73 6 车间 6 165 132 车间 7 130 车间 8 120 96 生活区 132 间 总计 1952 第 7 页 共 31 页 3 无功功率补偿 无功功率补偿在很多电气相关的地方都是用得到的，它可以改善供电配置的功率因数，从而减少电能在传输过程中的损失，也就意味着供电效率 较未进行无功补偿时要高，进而改善了供电环境，提高了供电质量。所以说补偿装置的选择也是本次设计课题中不可缺少的一环。 功电源的组成及补偿装置的选择 一般电气相关的供电装置中的无功电源可分为三个部分： （ 1）发电机产生的无功功率。 （ 2）补偿装置输出的无功功率。 （ 3） 110以上电压线路的充电功 率 。 无功补偿装置的类型： 无功补偿装置可以分成两大类：串联补偿装置以及并联补偿装置。 如今常用的补偿装置有：同步调相机、电力电容器等等。 常用的补偿装置的比较及选择： 这两种无功补偿装置全都是直接或通过 变压器并接于需要补偿无功的变配电所的母线上。 a)同步调相机： 它能够以电动机状态不带原动机空载情况下进行工作，还能不断地向系统供给无功功率，从而改善供电效率和质量。 b)电力电容器： 电力电容器可以按照三角形和星形接法连接在变电所母线上。相较于同步调相机，它的灵活性更高，而且损耗较小。 综合对比后，选择并联电容器作为无功补偿装置。 功补偿的确定 低压侧的功率因素： 7 41 9 5 2c o s 总总 P 按照规定要求，再结合任务书上的设计内容以及相关的参数要求，补偿后的功率因数相较于之前要 高。 无功补偿容量为： 21 ta n （ 3 式中 P 有功计算负荷（单位 第 8 页 共 31 页 1 对应原来功率因数 1的正切。 2 对应需补偿到的功率因数 2的正切。 先计算各个变电所的无功补偿。 计算过程： rc c o st a nt a n 1 rc c a nt a n 2 94 2 7 1t a nt a n 21 经过考虑后，在变电所的低压侧进行补偿，通过查询相关的参考资料，最终选择补偿装置，内装 并联电容器，采用方案 1（主屏） 1 台与方案 3（辅屏） 6 台相组合，总共容量为 84=588 补偿后的无功功率为： 偿后的视在功率为： 30230230 本次的 设计中，通过上述计算结果及相关设计的要求，决定采用集中补偿。如采用 电容器， 8 4 以可以装 51 个该型电容器，每相 17 个 。以上所选择的电容器型号相关参数可由参考文献或相关资料自行查得，此处便不再赘述。 第 9 页 共 31 页 4 变电所位置和主变压器的选择 电所位置确定的一般原则 （ 1）确定变电所位置时要首先考虑负荷较为密集的区域。 （ 2）不仅要考虑到进出线方便（特别的是要考虑到方便架空进出线）。而且还要偏向电源侧。 （ 3）要考虑到工厂的运营和发展，甚至 还有扩建的可能，所以确定的位置不能阻碍工厂的扩建和发展。 （ 4）电气设备的搬迁和运输要力求方便。 （ 5）所选位置的环境要好，应该避免高温、低洼、积水、有腐蚀性、有爆炸危险等的地方。 （ 6）在保证变电所自身方便性，安全性的同时还要考虑到与其他建筑物之间的防火距离，以免发生火灾等情况。 变电所位置的确认，在该设计中极其重要，我们要综合任务书上的设计要求以及周边环境来选择。在基本确认负荷中心的位置之后，可以采用偏向电源一侧的地方作为变电所的最终建造地点。 压器实际容量的计算 从变压器的选择相关规定可知：假 如该地区的年均温度 T +20 ，那么根据参考文献的内容，年均温度每高 1 ，容量应减小 1%。所以要计入一个温度修正系数 室外变压器的实际容量为： 0 0201 （ 4 室内变压器的实际容量为： （ 4 结合任务书上的设计要求，我们所采用的全是室外变压器，所以其实际容量为： T 2 7 410020 变压器台数的确定以及型号的选择 主变压器台数的确定： （ 1）变电所最主要的任务是供电，可靠性是选择主变压器时的基本要求和标准。 （ 2）对于那些因时间或者季节不同会发生改变的负荷，并且运行方式比较经济的变电所，一般可以采用两台变压器。 第 10 页 共 31 页 （ 3）除了上面两点的情况，厂区和居民住房应该采用一台变压器，如果负荷较大的话，也可以像上面所说的那样采用两台变压器。 （ 4）理应考虑到厂区有扩大的几率，相应的负荷也会随之增加，所以在确定台数时要适当留点扩张的空间。 通过上述确定主变压器台数的基本原则，再结合任务书上的设计 内容和要求综合考量后，选择双绕组变压器。同时选择两台主变压器。 主变压器型号的选择： （ 1） 电力变压器按照电压调节的方式可以分为：无载调压和有载调压两种。这里选择采用前者。 （ 2） 按绕组导体的材料可分为：分别以铜和铝为材料的两种变压器。为了减少电能的损失，改善供电的效率和质量，这里选择采用铜绕组变压器。 （ 3） 电力变压器按照绕组的型式可以分为：双绕组、三绕组和自耦变压器。 （ 4） 按绕组绝缘可分为：干式、油浸式和 种。工厂中一般都会选用油浸式。 （ 5） 电力变压器按照用途可分为：普通和特种两种变压器。工厂 变电所一般选择普通的就行。 通过以上的分析以及任务书的设计内容和要求，最终选择双绕组变压器。变压器型号为： 2000/10。其联结方式为 这里所选择的变压器器型号相关参数可由参考文献或相关资料自行查得，此处便不再赘述。 变压器的运行方式 由于此次设计的变电所是厂区变电所，对供电要求比较高，需长期连续供电，因此在能力范围内应该尽量提高供电的可靠性，在确保可靠这一要求的同时还需要提高其灵活性和经济性。所以，在此次设计中选择采用并列运行的方式。这种运行方式的优点就在于：当某台机器因故障等问题 不能正常工作时，其他机器却不受其影响仍能正常工作，继续输送电能。不仅如此，当其要进行检查或修理时，能够先用备用的机器代替其运行，再对其进行相关的操作。这样的话，既能够对所要检修的变压器进行全面的检修，又能保持对用户的持续供电，不影响到用户，可靠性和灵活性也就充分体现出来了。而且在负荷较少的时候，还能断开一些变压器，减少不必要的损耗，从而提高供电的效率，兼顾了变电所设计所要求的经济性。 第 11 页 共 31 页 5 主接线方式的选择 气主接线设计的基本要求 （ 1）可靠性：变电所的作用就是供给电能，中断电能的输送会造成各种损 失，因此其可靠性尤为重要。所以选择主接线方式时，必须要确保供电可靠，而且可靠程度越高越好。 （ 2） 灵活性：变电所的运行状态有很多种，所选择的主接线方式需要能够在各种运行状态下工作，并且能够灵活地转换。同时还要保证工作人员操作时的简便，检修时的方便。当然，考虑到工厂有几率会扩张，所选择的接线方式还得留有一定的余地。 （ 3） 经济性：除了要保证上述两点之外，我们在设计时还要考虑到经费问题，要尽量满足设计所要求的经济性。 接线的设计 主接线的设计 由任务书上的内容以及设计要求可以得知， 的出线为 9 回。 所以 的接线方式有单、双母两种。这里采用图 5示的接线方式。 图 5母分段接线方式 第 12 页 共 31 页 6 短路电流的计算 在供电设备中，如果线路发生各类短路的话，其引起的短路电流将会导致一系列非常严重的后果。巨大的短路电流有可能造 成供电设备损坏，影响整个电力系统的正常运行，甚至还会导致电气设备的损坏，工业产品的报废等等。所以，需要进行精确的短路计算，然后通过短路计算的结果来进行后续的工作。这里选择采用标幺制法。 定基准值 图 6算短路点 设 100， 0 51 ，低压侧 ，则基准电流： 03100311d 算各元件电抗标幺值 1. 电源的电抗标幺值 由任务书上的资料可知断路器容量为 500，因此： 2. 架空线路的电抗标幺值 架空线路的导线选择 号 。由于线路间的距离为 1m， 那 么通过查阅相关的参考资料可以知道0 0 / k ，而任务书上所给出的路程长度为 8以其电抗标幺值为： *2 第 13 页 共 31 页 3. 变压器的电抗标幺值 根据 任务书上的设计要求以及前文变压器的相关选择 ， 决定 选 用 2 台 0型 变压器， 通过查阅相关参考资料可以得知k %=4U， 所以： 850 010 010 04*4*3 通过以上的数据情况，可以绘制出其 等效电路图 ，具体数值 如 图 6示 。 图 6路等效电路图 6.3 障点的短路电流计算 1. 总电抗标幺值 *1* 1k 有效值 1 3. 其他短路电流 k 33 3 3 4. 三相短路容量 1 6.4 障点的短路电流计算 1. 总电抗标幺值 *3*2*1* 2k 有效值 2 3. 其他短路电流 第 14 页 共 31 页 k 33 3 3 4. 三相 短路容量 2 计算结果汇总后如表 6示。 表 6短路计算结果 短路计算点 三相短路电流 （ 三相短路容量 （ )3(）（ 3I )3(I )3()3()3(k 1 k 2 第 15 页 共 31 页 7 变电所一次设备的选择与校验 电所高压一次设备的介绍 开关柜在变电所的供电装置中起着通断和防护作用，是主要一次设备。在变电所的设计中，我们要综合考虑各种可能发生的情况，防范于未然。为了保证变电所运行的安全可靠性、灵活性以及工作人员的人身安全，需要在开关柜中装设相关的各种设备。从而便于操作和掌控，以免发生危险。 1. 高压断路器线路：主要用于线路短路时，用来切断短路电流。 2. 隔离开关：也叫做“刀闸”，其本身没有灭弧能力，无电流时能够通 断电路。 3. 熔断器：线路或设备有问题时，用来断开强大的电流，是一种防护元件。 4. 避雷器：用来在雷雨天气中避免雷击造成的电谐波和操作过电压导致设备损坏的一种保护电器。 5. 静电电容器：主要用于无功功率补偿。 6. 电流互感器：将大的电流信号转换成小的电流信号的一个装置。 7. 电压互感器：将高电压转换成低电压的一个装置。 次设备的选择与校验的条件和项目 1. 按照正常运行时相关条件选择。 （ 1）按工作电压选择 U e（ 7 （ 2）按工作电流 选择 I e（ 7 （ 3）按断流能力选择 I 或S （ 7 2. 按照动、热稳定的校验。 （ 1）动稳定校验条件 （ 7 式中 动稳定 峰值（单位为 动稳定 有 效值（单位为 3 三相 瞬时值（单位为 3 三相 有效值（单位为 （ 2）热稳定校验条件 第 16 页 共 31 页 32 （ 7 式中 热稳定有效值（单位为 t 热稳定试验时间（单位为 s）。 3I 三相短路稳态电流（单位为 。 短路发热的设想时间（单位为 s）。 短路发热的设想时间7算。 20 . 0 5 ( )im a （ 7 在无限大容量系统中，由于 ，因此 0 im a kt t s。 式中 短路持续时间，当 1， 电流互感器校验： （ 1）动稳定校验条件 331 102 （ 7 （ 2）热稳定校验条件 ( 3 ) t 或( 3 )1 im I t （ 7 3. 要考虑到所选择的设备所处的周围情况是否有特殊要求。 4. 根据设计内容，每一类的设备有着不同的要求，要结合设计内容以及实际情况进行综合选择。 选择一次设备所要校验的一些项目如表 7示。 表 7选择一次设备的校验项目 一次设备名称 额定电压 额定电流 开断电流 短路电流校验 环境条件 其他 动稳定 热稳定 高低压熔断器 高压隔离开关 操作性：能 高压断路器 操作性：能 低压刀开关 操作性：能 第 17 页 共 31 页 低压断路器 操作性：能 电流互感器 操作性：能 电压互感器 操作性：能 母线 电缆 备注 表中“”为必须校验项目。“ ”为不必校验项目，“”为一般可不校验项目 电所 10一次设备的选择 根据任务书上变电所所在地理位置的地质及气象环境，在高压侧选择采用 )型开关设备。变电所的高压一次设备的选择需要根据设计内容及实际情况来进行。假设继电保护的动作时间是 路器的断路时间是 选设备： 高压断路器： 高压熔断器： 0。 高压隔离开关： 6800。 避雷器： 电流互感器： 电压互感器： 通过上述内容可知，继电保护的动作时间为 路器的断路时间为 以此由上述一次设备验证条件可知： 高压断路器 本次设计中， 10NU 根据相关规定的验证条件，即： e 1 0 1 0k V U k V e 6 3 0 3 9 . 7I A I A 1 6 2 . 9o c kI k A I k A ( 3 )m a x 4 0 7 . 4k A i k A 322 im at 经验证，符合条件。 高压隔离开关 200/1086 ：在本次设计中， 10NU 根据相关规定的验证条件，即： e 1 0 1 0k V U k V e 2 0 0 3 9 . 7I A I A ( 3 )m a x 2 2 . 5 7 . 4k A i k A 322 im at 经验证，符合条件。 电流互感器 本次设计中， 10NU 根据相关规定的验 第 18 页 共 31 页 证条件，即： e 1 0 1 0k V U k V e 1 0 0 3 9 . 7I A I A 动稳定校验条件： 3 ( 3 )1 s 1 0 ie s 3 ( 3 ) 2 5 1 0 0 1 0 3 1 . 8 i 7 . 4 热稳定校验条件： ( 3 )1 i m ( 3 ) 1 . 39 0 0 . 1 9 2 . 9 3 . 31i m t 经验证，均符合条件。 高压熔断器 0：在本次设计中， 10NU 根据相关规定的验证条件，即： e 1 0 1 0k V U k V 4 0 3 9 . 7N F E I A 经