XX机械厂降压变电所的电气设计.doc

西安思源学院工厂供电课程设计设计课题： 机械厂降压变电所的电气设计 姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 日 期： 指导教师： 前言本课程设计检验我们本学期学习的情况的一项综合测试，它要求我们把所学的知识全部适用，融会贯通的一项训练，是对我们能力的一项综合评定。 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比例一般很小（除电化工业）。电能在工业生产中的重要性，并不在于在产品成本或投资总额所占比重多少，而在于工业生产实现电气化后可以大大增加产量，减轻工人劳动强度，降低生产成本，提高产品质量，提高劳动生产率，改善工作条件，有利于实现生产过程自动化。另一方面，如果工厂电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重后果。因此做好工厂供电工作对发展工业生、实现工业现代化都具有极其重要的意义，对于节约能源、支援国家经济建设同样也具有重大意义。本设计为工厂变电所设计，对在工厂变电所设计中的若干问题如负荷计算，三相短路分析，短路电流计算，高低压设备的选择与校验，防雷与接地，变电所的过电压保护，计量无功补偿等几方面的设计进行了阐述。工厂供电工作要很好为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，同时做好节能工作，要从以下基本要求做起:（1）安全 在电能的供应、分配和利用过程中，不应发生人生事故及设备事故。（2）可靠 应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3）优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。（4）经济 供电系统投资要尽量少，运行费要低，尽可能节约电能和减少有色金属消耗。 此外，在供电工作中，要合理处理局部和全局、当前和长远等关系，要做到局部与全局协调，顾全大局，适应可持续发展要求。按照国家标准GB50052-95,GB50053-94,GB50054-95等的规定,进行工厂供电设计必须遵循以下原则:(1) 遵守规程，执行政策：必须遵守国家有关规定及标准，执行国家有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。(2) 安全可靠，先进合理：应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高，能耗低和性能先进的电气产品。(3) 近期为主，考虑发展：应根据工作特点，规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。(4) 全局出发，统筹兼顾：按负荷性质，用电容量，工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应工作的需要。目录前言2目录4第一章 工厂供电设计任务71.1 设计题目71.2 设计要求71.3 设计依据71.3.1 工厂总平面图71.3.2 工厂负荷情况81.3.3 供电电源情况81.3.4 气象资料91.3.5 地质水文资料91.3.6 电费制度91.4 设计任务91.4.1 设计说明书91.4.2 设计图纸101.5设计时间10第二章 负荷计算和无功功率补偿102.1负荷计算102.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式102.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式112.2无功功率补偿12第三章 变电所位置和型式选择15第四章 变电所主变压器台数、容量与类型选择174.1变电所主变压器的选择174.2 变电所主接线方案的选择174.2.1装设一台主变压器的主接线方案184.2.2装设两台主变压器的主接线方案194.3 主接线方案的技术经济比较20第五章 短路电流的计算215.1 绘制计算电路215.2 确定短路计算基准值215.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值215.3.1电力系统215.3.2架空线路225.3.3电力变压器225.4.1总电抗标幺值225.4.2 三相短路电流周期分量有效值225.4.3 其他短路电流225.4.4 三相短路容量235.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算235.5.1总电抗标幺值235.5.2三相短路电流周期分量有效值235.5.3 其他短路电流235.5.4三相短路容量23第六章 变电所一次设备的选择校验246.1 10kV侧一次设备的选择校验246.1.1按工作电压选则246.1.2按工作电流选择246.1.3按断流能力选择246.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验256.2 380V侧一次设备的选择校验266.3 高低压母线的选择277.1 10kV高压进线和引入电缆的选择287.1.1 10kV高压进线的选择校验287.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验287.2 380低压出线的选择297.2.1铸造车间297.2.2 锻压车间297.2.6 热处理车间307.2.5 电镀车间307.2.10 仓库307.2.4 工具车间307.2.3金工车间307.2.9锅炉房317.2.7装配车间317.2.8机修车间317.2.11 生活区317.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验327.3.1按发热条件选择327.3.2校验电压损耗327.3.3短路热稳定校验32第八章 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定348.1变电所二次回路方案的选择348.2.1主变压器的继电保护装置348.2.2护动作电流整定348.2.3过电流保护动作时间的整定358.2.4过电流保护灵敏度系数的检验358.3装设电流速断保护358.3.1速断电流的整定358.3.2、电流速断保护灵敏度系数的检验358.4作为备用电源的高压联络线的继电保护装置368.4.1装设反时限过电流保护368.4.2装设电流速断保护368.4.3变电所低压侧的保护装置37第九章 变电所主接线图38设计总结39附录40第一章 工厂供电设计任务1.1 设计题目 机械厂降压变电所的电气设计1.2 设计要求要求根据本厂所取得的10kV电源进线及本厂用电负荷的实际情况，适当考虑工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的类型和型式，确定变电所主变压器的台数、容量与类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护，确定防雷和接地装置。最后写出设计说明书，绘出电器主接线图。注：整个设计要求格式准确，章节分明，图表清晰。正文用小四号字，图、表的标识用五号字，要求必须有前言、目录、正文、参考资料、附录等。1.3 设计依据1.3.1 工厂总平面图工厂总平面图如图1.1所示图1.1 工厂总平面图1.3.2 工厂负荷情况 本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为5000小时，日最大负荷持续时间为2小时，该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。本厂的符合统计资料如表1.1所示。表1.1 工厂负荷统计资料1.3.3 供电电源情况 按照工厂与当地供电部门前定的供用电协议规定，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-150，导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首段距离本厂约为10kM。干线首段所装设的高压断路器断流容量为500MVA。此断路器配备有定时限过流保护盒电流速断保护，定时限过流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷要求，可采用高压联络线由邻近单位取得备用电源。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。1.3.4 气象资料 本厂地区的年最高气温为36，年平均气温为21，年最低气温为-10，年最热月平均最高气温为33，年最热月平均气温为25，年最热月地下0.8m处平均气温为25。当地主导风向为西北风，年暴雷日数为10。1.3.5 地质水文资料 本厂所在地区平均海拔为400m，地层以红土为主，地下水位为3m。1.3.6 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，按两部电费制缴纳电费。每月基本电费按主变压器容量为18元/kVA，动力电费0.9元/kWh，照明电费为0.5元/kWh。工厂最大负荷的功率因数不得低于0.92，此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性向供电部门缴纳电贴费：610kV为800元/kVA1.4 设计任务1.4.1 设计说明书1）前言2）目录3）负荷计算和无功功率补偿4）变电所位置和型式选择5）变电所主变压器台数、容量与类型选择6）变电所主接线方案的选择7）短路电流计算8）变电所一次设备的选择与校验9）变电所进出线的选择与校验10）变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定11）防雷保护和接地装置设计12）附录参考文献13）设计总结1.4.2 设计图纸变电所主接线图1张 在完成以上设计后，将设计说明书和设计图纸用A4纸打印上交。1.5设计时间 2012年12月12日至2012年12月25日（2周）第二章 负荷计算和无功功率补偿2.1负荷计算2.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷（单位为KW） = ， 为系数b)无功计算负荷（单位为kvar）= tanc)视在计算负荷（单位为kvA）=d)计算电流（单位为A） =, 为用电设备的额定电压（单位为KV）2.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷（单位为KW）=式中是所有设备组有功计算负荷之和，是有功负荷同时系数，可取0.800.90。b)无功计算负荷（单位为kvar）=，是所有设备无功之和；是无功负荷同时系数，可取0.850.95。c)视在计算负荷（单位为kvA） =d)计算电流（单位为A） =经过计算，得到各厂房和生活区的负荷计算表，如表2.1所示（额定电压取380V）表2.1各厂房和生活区的负荷计算表2.2无功功率补偿无功功率的人工补偿装置：主要有同步补偿机和并联电抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.74。而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不低于0.92。考虑到主变压器的无功损耗元大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.92，暂取0.94来计算380V侧所需无功功率补偿容量：参照图2，选PGJ1型低压自动补偿评屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）6台相结合，总共容量为84kvar6=504kvar。补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，而无功计算负荷=（806.39-504）kvar=302.39 kvar，视在功率=939.97 kVA，计算电流=1428.14 A,功率因数提高为cos=0.946839.图2.1 PGJ1型低压无功功率自动补偿屏的接线方案在无功补偿前，该变电所主变压器T（S9）的容量为应选为1250kVA(S9-1250/10(6),才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T(S9)的容量选为1000kVA(S9-1000/10(6)的就足够了。变比为10/0.4，可以知道10KV侧的计算电流随着380V侧的计算电流的减小也相应的减少，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无功补偿的经济效益十分可观。根据上面的分析可以求取无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的计算计算如表2.2所示。表2.2无功补偿后工厂的计算负荷第三章 变电所位置和型式选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。工厂的负荷中心假设在P(,),其中P=+=。因此仿照大学物理中计算中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标： （3-1） （3-2）表3.1负荷中心的计算图形尺寸51*36车间编号号横坐标纵坐标有功横轴权重纵轴权重1.0010.0011.00125.601256.001381.602.0010.0018.00140.601406.002530.803.0021.0027.0088.001848.002376.004.0028.008.00114.303200.40914.405.0029.0015.00154.004466.002310.006.0031.0022.00106.403298.402340.807.0032.0028.0058.801881.601646.408.0041.0013.0035.201443.20457.609.0041.0020.0035.801467.80716.0010.0047.0033.008.80413.60290.4011.005.0033.00245.001225.008085.00求和-1112.5021906.0023049.00重心坐标-19.6920.72按照上表的计算可以大致求出我们想要得到的负荷中心，坐标为=19.69，=20.72.这个位置大致处于两个门的正向反向延长线的交线附近处于安全和利于后来的发展（在空地多建立厂房），而且基于计算时用到的负荷在实际的工作工程中不是稳定不变的，我们可以选择厂房3和6的中心或者厂房3、6和7的几何中心作为变电所的位置。考虑到周围环境及进出线方便，决定在3号和6号厂房的连线的几何中点（如图3.1所示的空心圈所示）建造工厂变电所，考虑到方便安全可以选择独立型或者成套式，或者移动式。图3.1 负荷中心的选取第四章 变电所主变压器台数、容量与类型选择4.1变电所主变压器的选择根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：a)装设一台变压器型号为S9型，而容量根据式=939.37，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1000 KVA=939.37，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。b)装设两台变压器型号为S9型，即：939.37 KVA=（563.62657.56 ）KVA因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为Yyn0 。4.2 变电所主接线方案的选择 按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：4.2.1装设一台主变压器的主接线方案Y0Y0S9-1000GG-1A(F)-0710/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GW口-1010kVFS4-10GG-1A(J)-03GG-1A(J)-03GG-1A(F)-07GG-1A(F)-54GG-1A(F)-07GG-1A(F)-07主变联络（备用）220/380V高压柜列图4.1 装设一台主变压器的主接线方案4.2.2装设两台主变压器的主接线方案 Y0Y0220/380VS9-630GG-1A(F)GG-1A(F)-0710/0.4kVS9-63010/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GG-1A(F)-113、11GW口-1010kVFS4-10GG-1A(J)-01GG-1A(F)-113GG-1A(F)-11GG-1A(J)-01GG-1A(F)-96GG-1A(F)-07GG-1A(F)-54主变主变联络（备用）高压柜列-96图4.2 装设两台主变压器的主接线方案4.3 主接线方案的技术经济比较供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗较小第五章 短路电流的计算5.1 绘制计算电路 500MVAK-1K-2LGJ-150,8km10.5kVS9-10000.4kV(2)(3)(1)系统图5.1 短路计算电路5.2 确定短路计算基准值设基准容量=100MVA，基准电压=1.05，为短路计算电压，即高压侧=10.5kV，低压侧=0.4kV，则 （5-1） （5-2）5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值5.3.1电力系统已知电力系统出口断路器的断流容量=500MVA，故=100MVA/500MVA=0.2 （5-3）5.3.2架空线路查表得LGJ-150的线路电抗，而线路长8km，故 （5-4）5.3.3电力变压器查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故=4.5 （5-5）式中，为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图5-2所示。k-1k-2图5.2 短路计算等效电路5.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算5.4.1总电抗标幺值=0.2+3.265=3.465 （5-6）5.4.2 三相短路电流周期分量有效值 （5-7）5.4.3 其他短路电流 （5-8） （5-9） （5-10）5.4.4 三相短路容量 （5-11）5.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算5.5.1总电抗标幺值=0.2+3.265+4.5=7.965 （5-12）5.5.2三相短路电流周期分量有效值 （5-13）5.5.3 其他短路电流 （5-14） （5-15） （5-16）5.5.4三相短路容量 （5-17）以上短路计算结果综合图表5.1所示。表5.1短路计算结果短路计算点三相短路电流KA三相短路容量/MVAk-11.591.591.594.052.4028.86k-218.118.118.133.319.7312.6第六章 变电所一次设备的选择校验6.1 10kV侧一次设备的选择校验6.1.1按工作电压选则 设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。6.1.2按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即6.1.3按断流能力选择设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即或对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。6.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验a)动稳定校验条件或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件 对于上面的分析，如表6-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。表6.1 10 kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动态定度热稳定度其它装置地点条件参数数据10kV57.7A()1.59kA4.05kA一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630kA16kA40 kA高压隔离开关-10/20010kV200A-25.5 kA二次负荷0.6高压熔断器RN2-1010kV0.5A50 kA-电压互感器JDJ-1010/0.1kV-电压互感器JDZJ-10-电流互感器LQJ-1010kV100/5A-=31.8 kA=81避雷针FS4-1010kV-户外隔离开关GW4-12/40012kV400A-25kA6.2 380V侧一次设备的选择校验同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表6.2所示，所选数据均满足要求。 表6.2 380V一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动态定度热稳定度其它装置地点条件参数-数据380V总1317.6A18.1kA33.3kA-一次设备型号规格额定参数-低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kA-低压断路器DW20-630380V630A（大于）30Ka(一般)-低压断路器DW20-200380V200A（大于）25 kA-低压断路HD13-1500/30380V1500A-电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A-电流互感器LMZ1-0.5500V100/5A160/5A-6.3 高低压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。第七章 变电所进出线的选择与校验7.1 10kV高压进线和引入电缆的选择7.1.1 10kV高压进线的选择校验采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。a).按发热条件选择由=57.7A及室外环境温度33，查表得，初选LGJ-35,其35C时的=149A,满足发热条件。b).校验机械强度查表得，最小允许截面积=25，而LGJ-35满足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。7.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJLV22-10000型交联聚乙烯绝缘的四芯(加铜芯)电缆之间埋地敷设。a)按发热条件选择由=57.7A及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为25的交联电缆，其=149A,满足发热条件。b)校验热路稳定按式，A为母线截面积，单位为；为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=1960，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s，C=77，把这些数据代入公式中得，满足发热条件。 b）校验电压损耗由图所示的工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为56m，而查表得到185的铝芯电缆的=0.31 （按缆芯工作温度75计），=0.07，又1号厂房的=125.6kW, =122.42 kvar，故线路电压损耗为U =(pR+qX)=125.6kWx(0.31x0.056)+122.42kvarx(0.07x0.056)/0.38kV=7VU%=7/380x100%=1.84%I30,满足发热条件。2）效验机械强度 查表可得，最小允许截面积Amin=10mm2，因此BLX-1000-1240满足机械强度要求。3）校验电压损耗 查工厂平面图可得变电所至生活区的负荷中心距离150m左右，而查表得其阻抗值与BLX-1000-1240近似等值的LJ-240的阻抗=0.14，=0.30（按线间几何均距0.8m），又生活区的=245KW，=118.7 kvar，因此 =5%满足允许电压损耗要求。因此决定采用四回BLX-1000-1120的三相架空线路对生活区供电。PEN线均采用BLX-1000-175橡皮绝缘线。重新校验电压损耗，完全合格。7.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL2210000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆，直接埋地敖设，与相距约2Km的临近单位变配电所的10KY母线相连。7.3.1按发热条件选择 最热月土壤平均温度为25。查表工厂供电设计指导，初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满足要求。7.3.2校验电压损耗 由表工厂供电设计指导8-41可查得缆芯为25的铝（缆芯温度按80计），而二级负荷的, =(125.6+154+35.8)KW=315.4KW, =(122.4+112.5+26.25)kvar=261.15kvar,线路长度按2km计，因此U =315.4x(1.54x2)+261.15x(0.12x2)/10kv=103.4vU%=(103.4V/10000V)x100%=1%1.5从工厂供电课程设计指导表6-1可知，按GB5006292规定，电流保护的最小灵敏度系数为1.5，因此这里装设的电流速断保护的灵敏度系数是达到要求的。但按JBJ696和JGJ/T1692的规定，其最小灵敏度为2，则这里装设的电流速断保护灵敏度系数偏底。8.4作为备用电源的高压联络线的继电保护装置8.4.1装设反时限过电流保护亦采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分跳闸的操作方式。a)过电流保护动作电流的整定,利用式，其中=2，取0.652A=43.38A， =1，=0.8， =50/5=10，因此动作电流为： 因此过电流保护动作电流整定为8A。b)过电流保护动作电流的整定按终端保护考虑，动作时间整定为0.5s。c)过电流保护灵敏度系数因无临近单位变电所10kV母线经联络线到本厂变电所低压母线的短路数据，无法检验灵敏度系数，只有从略。8.4.2装设电流速断保护亦利用GL15的速断装置。但因无临近单位变电所联络线到本厂变电所低压母线的短路数据，无法检验灵敏度系数，也只有从略。8.4.3变电所低压侧的保护装置a）低压总开关采用DW151500/3型低压短路器，三相均装设过流脱钩器，既可保护低压侧的相间短路和过负荷，而且可保护低压侧单相接地短路。脱钩器动作电流的整定可参看参考文献和其它有关手册。第九章 变电所主接线图设计总结经过了一个星期的努力,艰难的结束了此次课程设计,在完成课程设计的过程中,遇到重重问题，但通过查阅资料和请教同学，问题也就一个个解决了。 通过这次课程设计让我们在学习课本知识的同时，能够将所学的只是加以运用,加深对所学理论知识的理解,掌握工程设计的方法。通过这次课程设计,我深深懂得要不断的把所学知识学以致用,还需通过自身不断的努力,不断提高自己分析问题,解决问题和编程技术终结报告的能力! 这次课程设计让我收获的不仅仅是让我加深了对知识的理解，更重要的是培养了我们一种态度，认真分析解决问题的态度，也让我认识到知识的匮乏，今后我会加强理论学习，争取做得更好！附录参考文献：【1】 刘介才 工厂供电（第二版） 北京：机械工业出版社 2012.01【2】 张学恭 大学物理 西安：西安交通大学出版社 2010.03【3】 刘介才 工厂供电简明设计手册 北京：机械工业出版社 1993 指导教师 年 月 日