住宅小区供电系统设计

本科毕业设计 (论文)

前进小区供电系统设计

The Power Supply System Design of

Residence

学院：电子工程学院

专业班级：电气工程及其自动化电气081 学生：沙岩学号： XXXXXXXXX 指导教师： XXXXXXXX（副教授）

2012年6月

目录

1引言 (1)

2负荷计算 (2)

2.1供电负荷的分析 (2)

2.2供电负荷的计算 (3)

3供电方案的确定 (5)

3.1主接线方案原则 (5)

3.2主接线方案设计 (5)

3.3低压部分配电系统 (6)

4变压器及线路的选择 (8)

5短路计算 (11)

5.1短路故障的形式 (11)

5.2短路电流的计算 (11)

6高、低压设备的选择 (13)

6.1设备选择的基本原则 (13)

6.2 高压设备的选择 (14)

6.3低压设备的选择 (15)

7继电保护 (17)

7.1 继电保护的意义及设置原则 (17)

7.2变压器的继电保护 (17)

8变电所防雷与接地 (19)

9电测量仪表 (21)

10电梯双电源互备投电路 (23)

结论 (25)

致 (26)

参考文献 (27)

附录： (28)

1 引言

研究意义：近几年来我国社会发展迅速，人民的生活水平有了很大提高，对居住环境的方便、安全、环保、舒适等方面提出了更高的要求。这使得前进小区的供电系统要适应小区的用电负荷及小区的规划，从多方面考虑，设计出最合理的供电方案，以使供电系统的运行更加经济、灵活、安全、可靠。

发展现状：步入21世纪后，我国城市化正处于又一新的发展阶段，城市地区的住宅建筑林立，建筑标准越来越现代化，不同种类的小区对用电负荷的要求也不尽相同，但总体的趋势是用电负荷有较大增高，在夏冬季节或用电高峰时段时，用电负荷有较大的波动，造成供电的不稳定或是停电时有发生，为居民用电带来了诸多不便，因此要求小区供电系统要具备更高的可靠性与安全性。随着城市化进程的逐年加快，城市用地更加紧、用电负荷更加集中，城市的电力电网也逐步由架空向电缆过渡，老旧的配电方案以及变压器、配电室等电力设备在安全性、经济性、环保性等方面都难以满足时下的住宅用电负荷要求，由此对于小区的供电方案也有了新的要求。

发展趋势：将来的供配电系统主要发展方向为小型化、节能化及更加自动化。目前对于供电系统的供电可靠性尚感不足，对于某些重要设备如消防设施、生活水泵、生活电梯的供电可靠性还有待提高。另外，低压配电部分的安全性也需要更多的重视。

小区供电设计要考虑下列基本要求：

（1）安全性需要达到相关技术规与国家标准，且能够保证人身和设备的安全。（2）可靠性需要满足小区正常用电的电力负荷。

（3）灵活性需要适用于多种运行方式，以便于电气设备的维修及切换，并适当考虑未来的负荷发展情况。

（4）经济性在符合上述要求的前提下，尽可能简化设计方案，降低投资及设备运行、维修的费用，并减少线路有色金属的消耗和电能的节约。

2 负荷计算

2.1 供电负荷的分析

近年来我国的经济建设步入快车道，居民的生活水品不断提高，越来越多的高能耗电器走进我们的生活，普通家庭的用电需求不断上涨，例如：空调、电炊具、电热水器等，很多家庭装有多个空调、彩电、冰箱，而且呈现出强劲的增长态势，根据以上现状《省住宅设计标准》做出如下规定，一般而言高层的计算负荷可参考每户6~8kW标准，小高层及多层可参考每户4~6kW，除上述方法外还可参考502

W的建筑面积标准，本次设计是针对普通前进小区的设计，根据/m

以上标准，计算负荷取值6kW每户[]2。

本次设计共有两个院，每栋高6层，则每单元为12户，一号院为1~14栋，每两栋设置一个户外配电箱，共计7个配电箱；二号院为15~26栋，每两栋设置一个户外配电箱，共计6个配电箱。每两个配电箱设置一个配电屏，共计7个配电屏。由配电屏引出线路通向配电箱，再由配电箱引出线路通向楼栋单元，之后各单元在引出线路到各户。

表2-1 负荷的初步划分

2.2 供电负荷的计算

负荷计算公式： 有功计算负荷 e d P K P =30 无功计算负荷 ?tan 3030P Q = 视在计算负荷 ?

cos 30

30P S = 计算电流 n

U S I 33030=

查阅资料得知：住宅用电负荷需要系数12户时d K 取值0.6；d K 在25~100户时d K 取值0.45；100~200户时d K 取值0.35；大于260户时d K 取值0.3；生活用电功率因数取值85.0cos =?，则62.0tan =? （1）小区总的负荷计算

kW P e 66246)540564(=?+= kW P K P e d 2.198766273.030=?==

kVA P S 8.233785

.02

.1987cos 3030===

? （2）单元的负荷计算

kW P e 726112=??= kW P K P e d 2.43726.030=?==

kVA P S 8.5085

.02

.43cos 3030===

? A U S I n

3.734

.038.5033030=?=

=

（3）配电箱的负荷计算：

① 1#、2#、3#、5#、6#、8#配电箱单元数相同，负荷相同

kW P e 5046)43(12=?+?= kW P K P e d 8.22650445.030=?== var 3.14062.08.226tan 3030k P Q =?==?

kVA P S 8.26685

.08

.226cos 3030===

? A U S I n

1.3854

.038.26633030=?=

=

② 4#、11#配电箱单元数相同，负荷相同

kW P e 4326)33(12=?+?=

kW P K P e d 4.19443245.030=?== var 5.12062.04.194tan 3030k P Q =?==?

kVA P S 7.22885

.04

.194cos 3030===

? A U S I n

1.3304

.037.22833030=?=

=

③ 9#、10#、12#、13#配电箱单元数相同，负荷相同

kW P e 5766)44(12=?+?= kW P K P e d 2.25957645.030=?== var 7.16062.02.259tan 3030k P Q =?==?

kVA P S 9.30485

.02

.259cos 3030===

? A U S I n

1.4404

.039.30433030=?=

=

经以上计算结果列出下表： 表2-2 负荷计算的结果

3 供电方案的确定

3.1 主接线方案原则

在设计小区供电主接线方案时，要符合国家规，合理布局，经济节约等，为适应日益变化的新形势还要有一定的超前意识，从而避免造成重复建设，资金浪费，维护不便，还影响居民的正常用电。

设计主接线方案时要符合下列要求：

（1）安全性需要达到相关技术规与国家标准，且能够保证人身和设备的安全。（2）可靠性需要满足小区正常用电的电力负荷。

（3）灵活性需要适用于多种运行方式，以便于电气设备的维修及切换，并适当考虑未来的负荷发展情况。

（4）经济性在符合上述要求的前提下，尽可能简化主接线方案，降低投资及设备运行、维修的费用，并减少线路有色金属的消耗和电能的节约[]9。

3.2 主接线方案设计

图3-1 主接线方案

3.3 低压部分配电系统

（1）配电屏至配电箱部分

本次设计是每两栋楼设一个配电箱，小区的低压配电箱共有13个，分别标号为1#~13#配电箱，低压配电屏设七个，1号配电屏为1#、2#配电箱配电，2号配电屏为3#~4#配电箱配电，3号配电屏为5#~6#配电箱配电，4号配电屏为7#~8#配电箱配电，5号配电屏为9#~10#配电箱配电，6号配电屏为11#~12#配电箱配电，7号配电屏为13#配电箱配电。

图3-2 配电屏至配电箱部分

（2）配电箱至单元部分

每两栋楼设一个配电箱，共计13个，配电箱为其下属的单元配电。

图3-3 配电箱至单元部分

4 变压器及线路的选择

4.1 变压器台数的选择

在变电所中最关键的一次设备是电力变压器，它的主要任务是提升或降低电力系统的电压，以便于合理分配、使用和输送电能。

选择主变压器台数时应考虑以下原则：

（1）供电系统对正常的用电负荷要有足够的可靠性。

（2）当变电所的负荷因昼夜、季节而幅度较大时，且适宜以经济方式运行时，可考虑接入两台变压器。

（3）一般情况下，变电所适宜选用一台变压器，但对于负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可采用两台或更多的变压器。

（4）在选择变电所主变压器台数时，还应考虑负荷未来的发展情况，预留出一定的容量。

就本次设计而言：适宜选用两台主变压器，分别为两个院供电，若某台变压器停止运行时，另一台则须承担其负荷[]2。

4.2 变压器容量的选择

（1）对于只装有一台主变压器的供电系统，主变压器的容量T N S .应满足全部用电设备总计算负荷30S 的需要，即30.S S T N ≥

（2）装有两台主变压器时每台变压器的容量T N S .应同时满足下列两个条件： ①当任意一台变压器单独承担负荷时，须满足约60%~70%的总计算负荷，即

30.)7.0~6.0(S S T N =

②当任意一台变压器单独承担负荷时，须满足所有的Ⅰ、Ⅱ级负荷，即

)(30.∏+I ≥S S T N

就本次设计而言，小区负荷等级为三级，只要考虑条件①：则两个院的30S 为2337.8kV A ，选用两个主变压器的容量30.)7.0~6.0(S S T N =，经计算得

kVA S T N 1637~1403.=，取kVA S T N 1600.=

4.3 变压器型号的选择

根据以上对变压器的分析，查询资料可知，变压器型号选择为SC9-1600/10，参数如下[]1：

表4-1 SC9-1600/10变压器参数

压 （%） （W ） （W ） 流（%） SC9-1600/10

10kV

6

1980

10850

0.7

Dyn11

4.4 线路的选择

电源进线由10kV 城市电网引出两路架空线路进入变电站，在两路电路进线的主开关柜之前各装设一台高压计量柜，计费电能表通过电压互感器及电流互感器接入电路中。

在选择三相系统中导线的相线截面时可依照导线发热条件来选，须使其允许载流量a I 不小于相线上的计算电流30I ，即30I I al ≥

在计算导线的允许载流量时，还要考虑温度条件的影响，计算时要乘以温度校正系数，其公式如下[]1：

'

0θθθθθ--=al al K

（1） 变电所进线电缆的选择

经算得温度校正系数为45.140

6018

600'0=--=--=

θθθθθal al K 3045.1I I al ≥，即A I I al 7.6345

.13.9245.130==≥

查表4-2得知：可选用标称截面为352mm 的油浸纸绝缘电缆。 校验发热条件

油浸纸绝缘电缆的A I I al 7.636830=≥=，发热条件满足。 校验机械强度

对于电缆，不必校验其机械强度。 （2）配电箱电缆的选择

1#、2#、3#、5#、6#、8#配电箱的计算电流A I 1.38530= 4#、11#配电箱的计算电流A I 1.33030=

9#、10#、12#、13#配电箱的计算电流A I 1.44030=

经算得温度校正系数为1.130

9018

900'0=--=--=

θθθθθal al K 301.1I I al ≥，即1

.130

I I al ≥

A I I al 3501.11.3851.1301==≥ A I I al 3001.11

.3301.1302==≥ A I I al 4001

.11

.4401.1303==≥

查表4-2得知：1#、2#、3#、5#、6#、8#配电箱可选用标称截面为1502

mm 的YJV 型电缆；4#、11#配电箱可选用标称截面为1202mm 的YJV 型电缆；9#、10#、12#、13#配电箱可选用标称截面为1852mm 的YJV 型电缆。 校验发热条件

YJV 型电缆的A I I al 350371301=≥=，发热条件满足。 YJV 型电缆的A I I al 300327302=≥=，发热条件满足。 YJV 型电缆的A I I al 400425303=≥=，发热条件满足。 校验机械强度

对于电缆，不必校验其机械强度。 （3）单元电缆的选择

经算得温度校正系数为1.130

9018

900'0=--=--=

θθθθθal al K 301.1I I al ≥，即A I I al 6.661

.13.731.130==≥

查表4-2得知：可选用标称截面为102mm 的YJV 型电缆。 校验发热条件

油浸纸绝缘电缆的A I I al 6.667130=≥=，发热条件满足。 校验机械强度

对于电缆，不必校验其机械强度。

5 短路计算 5.1 短路故障的形式

三相系统的短路主要分为单相、两相及三相短路三大类。单相短路只能发生在中性线引出的四线制系统及中性点接地的系统中。一般情况下，三相短路电流要大于单相与两相短路电流，尤其对于电源距离供电系统较远时，三相短路电流最大，此时因系统短路而产生的危害也最为严重。为了保证电力系统中电气设备在处于最严重的短路情况下能够可靠的工作，在选择和校验电气设备时，也都按照三相短路时的数值来校验[]4。

5.2 短路电流的计算

本次设计小区采用两路电源供电，由0.5KM 处城市电网供电，断流容量

MVA S oc 300=，一般基准容量d S 数值为100MV A ，下面是采用标幺制法进行短

路电流的计算过程： （1）确定基本值

取基准容量MVA S d 100= ，基准电压kV U c 5.101=，kV U c 4.02= 则：

kA U S I c d d 5.55.103100311=?== kA U S I c d d 1444

.0310032

2=?=

=

（2）相关元件在短路电路中的电抗标幺值 电力系统的电抗标幺值*

s X 查资料得知MVA S oc 300=，因此

33.0300

100

*

====

oc d d S s S S X X X 架空线路的电抗标幺值*

WL X

查表得知电缆的km X /092.00Ω=，因此

042.05

.10100

5.0092.02

20*

=??===

c d d WL WL U S l X X X X 变压器的电抗标幺值*

t X

查表可知6%=k U ，因此

75.31600

100101006100%3

*=???===N d k d T t

S S U X X X

由此可绘制出短路等效电路图：

图5-1 短路等效电路图

（3）1-k 点的短路电路总电抗标幺值以及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值

372.0042.033.0***)1(=+=+=-∑WL s k X X X

三相短路电流周期分量有效值

kA X I I k d k 8.14372

.05

.5*

)

1(1

)3(1==

=

-∑- 其他三相短路电流

kA I I I k 8.14)

3(1)3()3(''===-∞ kA i sh 7.378.1455.2)3(=?= kA I sh 3.228.1451.1)3(=?=

三相短路容量 MVA X S S k d

k 8.268372

.0100

*

)

1()3(1==

=

-∑- （4）2-k 点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值

12.475.3042.033.0****)2(=++=++=-∑t WL s k X X X X

三相短路电流周期分量有效值

kA X I I k d k 3512

.4144

*

)

2(2

)3(2==

=

-∑- 其他三相短路电流

kA I I I k 35)

3(2)3()3(''===-∞

kA i sh 4.643584.1)3(=?= kA I sh 2.383509.1)3(=?=

三相短路容量 MVA X S S k d

k 3.2412

.4100

*

)

2()3(2==

=

-∑- 表5-1 短路计算结果

)3(''I kA

)3(sh i kA

)

3(sh I kA )3(k S MVA

1-k 点

14.8 37.7 22.3 268.8 2-k 点 35

64.4

38.2

24.3

6 高、低压设备的选择 6.1 设备选择的基本原则

（1）根据额定参数的选择

在选用设备电器时，要求设备的额定电压N U 不低于安装位置的额定电压

N W U .，即

N W N U U .≥

同时要求其额定电流N I 不低于实际通过设备的最大电流max I ，即

max I I N ≥

（2）根据稳定条件的选择

系统发生短路故障后保护系统动作需要一定的时间，系统的供电设备要能够承受一定时间的短路电流。

供电设备的热稳定是指电气设备的载流导体通过最大电流时，其发热温度扔不超过允许短时发热温度，即

ima t t I t I 22∞≥

供电设备的动稳定是指电气设备通过最大短路冲击电流)3(sh i ，并承受相应的

电动力时，设备仍保持机械结构完好能力，即

)

3(max sh

i i ≥ （3）根据断流能力的选择

供电设备熔断器、断路器等开关设备，承担着通断电路的任务。设备的开断

电流oc I 一般应大于所处位置可能发生的最大短路电流)

3(max

.k I ，或断流容量oc S 一般应大于所处位置可能发生的最大三相短路容量)3(max

.k S ，即 )3(max .k I I oc ≥或)

3(max

.k S S oc ≥ 进行设备选择时通常把额定参数与工作环境作为前期初选原则，而后将断流能力与动热稳定性作为后续校验原则。以下为设备初选及校验项目[]1：

表6-1 设备初选及校验项目

项目 额定电压 kV 额定电流

A 断流能力 kA 或MV A

短路电流校验 动稳定 热稳定 断路器 ○ ○ ○ ○ ○ 熔断器 ○ ○ ○ － － 负荷开关 ○ ○ ○ ○ ○ 隔离开关 ○ ○ － ○ ○ 限流电抗器 ○ ○ － ○ ○ 电流互感器 ○ ○ － ○ ○ 电压互感器 ○ － － － － 支柱绝缘子 ○ － － ○ － 套管绝缘子 ○ ○ － ○ ○ 母线 － ○ － ○ ○ 电缆

○

○

－

－

○

设备校验项目（○表示需要校验项目 －表示无需要校验项目）

6.2 高压设备的选择

为了充分提高高压设备运行的可靠性，高压电器应根据其正常运行时的额定电压及额定电流来进行初选，一些设备完成初选后还要验证其动稳定、热稳定性条件，对于熔断器和断路器还要验证其断流容量。此外，还要考虑电气设备的环境条件（如湿度、温度、海拔、介质状态等）选用不同类型的高压电器（如户、户外、热带型、加强绝缘型等）。对于有些电器的选用还要作更多的考虑（如断路器、开关的操作频度、互感器的负载和准确等级、熔断器的上下级选择性配合等）[]2。

变压器高压侧的选择标准：

（1）额定参数：额定电压N W N U U .≥，kV U N W 10.=，即

kV U N 10≥

额定电流T N N I I .1≥，A U S I N

T N T N 3.9210

316003..1=?=

=

，即

A I N 93≥

（2）稳定条件：冲击电流)

3(max sh i i ≥，kA i sh

7.378.1455.2)3(=?=，即 kA i 7.37max ≥

热稳定ima t t I t I 2

2∞≥，s kA t I ima 2223.153)2.05.0(8.14=+?=∞

，即 s kA t I t 22153≥

（3）断流能力：断流容量)3(max

.k S S oc ≥，MVA X S S k d

k 8.268372

.0100

*

)

1()

3(1==

=-∑-，即

MVA S oc 269≥

根据以上标准选择如下高压设备：高压开关柜GG1A-10Q （F ）、少油断路器SN10—10I/630、隔离开关GN8-10T/200、电流互感器LQJ-10-200/5A 、电压互感器JDZ-10Q 、熔断器RN1-10

表6-2 高压电器校验的结果

项目 额定电压 kV 额定电流

A 开断电流 kA 短路电流校验 动稳定 热稳定 kA kA 2s 校验结果

少油断路器 SN10-10Ⅰ/630 10

630≥93

16≥14.8

40≥37.7

1024≥153

满足 条件 隔离开关 GN8-10T/400 10

400≥93

－

40≥ 37.7

980≥ 153

满足 条件 电流互感器 LQJ-10-200/5A 10

200≥93

－

45≥37.7

5625≥ 153

满足 条件 电压互感器 JDZ-10Q 10

－

－

－

－

满足 条件 熔断器 RN1-10

10

150≥138.5

15.5≥14.8

－

－

满足 条件 （－表示无需要校验项目）

6.3 低压设备的选择

变压器至母线间的选择标准：

（1）额定参数：额定电压N W N U U .≥，kV U N W 4.0.=，即

kV U N 4.0≥

额定电流T N N I I .2≥，A U S I N

T N 23094

.031600330.2=?=

=

，即

A I N 2309≥

（2）稳定条件：冲击电流)

3(max sh i i ≥，kA i sh

4.643584.1)3(=?=，即 kA i 4.64max ≥

热稳定ima t t I t I 2

2∞≥，s kA t I ima 2225.857)2.05.0(35=+?=∞

，即 s kA t I t 22858≥

（3）断流能力：断流容量)3(max

.k S S oc ≥，MVA X S S k d

k 3.2412

.4100

*

)

2()

3(2==

=-∑-，即 MVA S oc 25≥

根据以上标准选择如下低压设备：断路器DW15-2500、刀开关HD18-2500

表6-3 低压电器校验的结果

项目 额定电压 kV 额定电流

A 开断电流 kA 短路电流校验 动稳定 热稳定 kA kA 2s 校验结果

断路器 DW15-2500 0.4

2500≥2309

60≥35

65≥64.4

3600≥858

满足 条件 刀开关 HD18-2500

0.4

2500≥2309

－

105≥64.4

2500≥858

满足 条件 （－表示无需要校验项目）

配电屏至配电箱至楼栋单元设备的选择：

1#至7#配电屏的计算电流30I 分别为770.2A 、715.2A 、770.2A 、770.2A 、880.2A 、770.2A 、440.1A

1#、2#、3#、5#、6#、8#配电箱的计算电流30I 为385.1A ；4#、11#配电箱的计算电流30I 为330.1A ；9#、10#、12#、13#配电箱的计算电流30I 为440.1A

楼栋各单元的计算电流30I 为73.3A

根据以上标准选择如下低压设备：刀开关HD17-1000与HD17-630，断路器DZX10-630与DZX10-100

表6-4 配电屏至配电箱至楼栋单元设备的选择

项目

设备 1#、2#、3#、4#、5#、6#配电屏

HD17-1000 7#配电屏

HD17-630

1#、2#、3#、5#、6#、8#配电箱 DZX10-630/400 9#、10#、12#、13#配电箱

DZX10-630/500 4#、11#配电箱 DZX10-630/350 各楼栋单元

DZX10-100/80