变电所的电气设计程设计说明

变电所的电气设计程设计说明

目录

1引言 (1)

2 设计要求 (1)

2.1 课程设计目的 (1)

2.2 课程设计内容和要求 (1)

2.3 设计工作任务及工作量的要求 (2)

3 方案设计 (4)

3.1负荷计算和无功功率补偿 (4)

3.2无功功率补偿 (7)

3.3变电所位置和形式的选择 (8)

3.4 变电所主要变压器的台数与容量、类型的选择 (10)

3.5 变电变电所主接线方案的选择 (12)

3.6 变短路电流的计算 (13)

3.7 变电所一次设备的选择与校验 (15)

3.8 变电所进出线的选择与校验 (18)

3.9 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定 (22)

3.10 降压变电所防雷与接地装置的设计 (24)

4 课程设计体会 (26)

参考文献 (27)

附录A:变电场设计图 (28)

附录B: 电厂总设计图 (29)

1引言

电能是现代工业生产的主要能源和动力。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。

因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

课程设计是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，它要求我们充分发掘自身的潜力，开拓思路设计出合理适用的自动控制系统。

2 设计要求

2.1 课程设计目的

使学生巩固所学的《电力工程基础》理论知识，受到实际工程设计的初步训练，掌握中小型企业供配电系统设计的一般方法、内容和步骤。课程设计是对所学理论知识的一次综合运用，通过课程设计，了解国家有关政策、法规，学会查阅各种规程、规定和手册的方法。做到理论联系实际，提高分析问题、解决问题的能力。

2.2课程设计内容和要求

要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求、确定变电所的位

置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、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，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地装置，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。

2.3设计工作任务及工作量的要求

1、工厂总平面布置图如图2.3-1

图 2.3-1 工厂总平面布置图

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4500h，日最大负荷持续时间为6h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属于二级负荷外，其余均属于三级负荷。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。本厂的负荷统计资料如表1-1所示：

3、供电电源情况

按照工厂与当地供电部门签定的供用电协议规定，本厂可由附近一条10KV 的干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LJ-120，导线为等边三角形排列，线距1.5m ,干线首端距离本厂约13km。干线首端所装设的高压短路器断流容量为500MV A，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。

4、气象资料：

本厂所在地年最高温度38℃，年平均气温为16℃，年最低温度为

-10℃，年最热月平均最高温度32℃，年最热月地下0.8M处平均温度25℃，常年主导风向为南风，覆冰厚度是3CM，年雷暴日数35天。

5、地质水文资料：

平均海拔1200M，地层以沙粘土为主，地下水位3-5M。

6、电费制度

供电贴费800元/KV A。每月电费按两部电费制：基本电费为按主变压器容量计为18元/KV A，动力电费为0.2元/KW.H，照明电费为0.5元/KW.H。工厂最大负荷时功率因数不得小于0.9 。

表 1-1 工厂负荷统计资料

3 方案设计

3.1负荷计算和无功功率补偿

3.1.1 负荷计算的目的、意义及原则

（1）供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因次，有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。

（2）计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定的是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和有色金属的浪费。如果计算负荷确定的过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾，同样会造成更大损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。

（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

（4）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。（5）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启

动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。 3.1.2 全厂负荷计算表及方法

负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。本设计采用需要系数法确定。

在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还有部分单相设备，单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配。使三相负荷尽可能均衡。如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则不论单相设备如何分配，单相可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备容量超过三相设备的15%时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。

综上所述，由于本厂各车间单相设备容量超过三相设备容量的15%，为17.9%所以将单相换算为三相功率后计算。

即： 30em 3033σσ=+=+三相三相三相单相em d e d P P P K P K P 3.1.3 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 ） 30P =d K e P ， d K 为系数 b)无功计算负荷（单位为kvar ） 30Q = 30P tan ? c)视在计算负荷（单位为kvA ） 30S =

?

cos 30

P d)计算电流（单位为A ） 30I =N

U S 330, N U 为用电设备的额定电压（单

位为KV ）

3.1.4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 ）

30P =i p P K ??∑∑30

式中i P ?∑30是所有设备组有功计算负荷之和，p K ?∑是有功负荷同时系数，可取0.8~0.95

b)无功计算负荷（单位为kvar ）

30Q =i q Q K ??∑∑30

式中i Q ?∑30是所有设备无功计算负荷之和；q K ?∑是无功负荷同时系数，可取0.85~0.97

c)视在计算负荷（单位为kvA ） 30S =2

30

230Q P d)计算电流（单位为A ） 30I =N

U S 330

3.1.5 负荷计算数据 根据上述公式，先计算各车间计算负荷如表3-1。

机械厂负荷计算表3-1

3.2无功功率补偿

3.2.1无功补偿的主要作用

无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率耗损、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。

安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功补偿在电网中传输，相应减小了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。无功补偿应根据分级就地和便于调整电压的原则进行配置。

集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降压相结合；并且与配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。无功补偿的主要作用具体体现在：①提高电压质量；

②降低电能损耗；③提高发供电设备运行效率；④减少用户电费支出。

3.2.2无功补偿参数计算

由表可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数是0.80，而供电部门要求该厂10kv进线侧最大负荷时因数不应低于0.90.考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时因数应稍大于0.90，暂取0.92来计算380V 侧所需无功功率补偿容量：

30tan arccos1tan arccos2)892.9(tan arccos0.80tan arccos0.92)277.72

=-=?-=（

C

Q Pθθkva 选电容补偿（并联电容器为BWF6.3-40-1型，，总共容量40kvar*9=360kvar。

因此无功补偿后工厂380V侧和10KV侧的负荷计算如下表3-2所

3.3变电所位置和形式的选择

3.3.1变电所位置的选择，应根据下列要求经技术、经济比较确定：

一、接近负荷中心；

二、进出线方便；

三、接近电源侧；

四、设备运输方便；

五、不应设在有剧烈振动或高温的场所；

六、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染

源盛行风向的下风侧；

七、不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场

所相贴邻；

八、不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险

环境的正上方或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合

现行国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定；

九、不应设在地势低洼和可能积水的场所。

3.3.2 变电所的型式应根据用电负荷的状况和周围环境情况确定：

一、装有可燃性油浸电力变压器的车间内变电所，不应设在三、四级耐火等级的建筑物内；当设在二级耐火等级的建筑物内时，建筑物应采取局部防火措施。

二、多层建筑中，装有可燃性油的电气设备的配电所、变电所应设置在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方、正下方、贴邻和疏散出口的两旁。

三、高层主体建筑内不宜设置装有可燃性油的电气设备的配电所和变电所，当受条件限制必须设置时，应设在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方、正下方、贴邻和疏散出口的两旁，并应按现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》有关规定，采取相应的防火措施。 3.3.3 变电所位置确定

我们的工厂是10kv 以下，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。在工厂的平面图下侧和左侧，分别作一条直角坐标的x 轴和y 轴，然后测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，p1、p2、p3……p10分别代表厂房1、2、3……10号的功率，设定p1、p2……p10并设定p11为生活区的中心负荷，如图3-1所示。而工厂的负荷中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标：

112233i i 123i

P x P x P x (P x )

x P P P P ++∑=

=++∑??

112233i i 123i

P y P y P y (P y )

y P P P P ++∑=

=

++∑??

把各车间的坐标p1(2.5,5.51)；p2(3.6,3.54)；p3(5.56,1.3)；p4(4,6.7)；p5(6.2,6.7)p6(6.2,5)；p7(6.2,3.4)；p8(8.55,6.7)；p9(8.55,5)；p10(8.55,3.4)；p11(1.2,1.1)带入上式，得到x=5.38，y=5.38.由计算结果可知，工厂的负荷中心在6号厂房的西北角。考虑到周围环境和进出线方便，决定在8号厂房的西侧仅靠厂房建造工厂变电所，器型为附设式。

3.4 变电所主要变压器的台数与容量、类型的选择

3.4.1根据工厂的负荷情况和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：

（1）装设一台主变压器型式采用S9型，而容量根据式.30N T S S ≥，选,301250N T S kVA S =>=1107.5kVA ，

即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由与邻近单位相联的高压联络线来承担。 （2）装设两台主变压器型号亦采用S9，而每台变压器容量按式i i

i

p y

y p

=∑∑和

式().3012N T S S +≥选择，即 N T

S ?=（0.6~0.7）×900=（540~630）kV A ?

且

.30133.416044.4337.8N T II S S KVA

≥=++=（）

因此选两台S9-800/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由与邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均采用Yyn0。 我们这里选S9-630/10或S9-1250/10，主变压器的联结组为Yyn0。 根据上面考虑的两种主变压器方案可设计出下列两种主接线方案： 装设一台主变压器的主接线方案如图3-4-1所示，装设两台主变压器的主接线方案如图3-4-2所示：

图

3-4-1一台主变压器的主接线方案

3.5 变电变电所主接线方案的选择

3.5.1主接线方案的技术经济比较如表

表3-5主接线方案的技术经济

根据上面考虑的两种主变压器方案及经济比较,选择装设一台主变压器的主接线方案。

3.6 变短路电流的计算

短路电流是供配电系统中的相间或相地之间因绝缘破坏而发生电气连通的故障状态。它的数值可达额定电流的十余倍至数十倍，而电路由常态变为短路的暂态工程中，还出现高达稳态短路电流1．8～2．5倍的冲击电流。会对供配电系统造成严重的破坏。

在此需要计算下列短路电流值：

I d-----三相短路电流周期分量有效值，KA；

S d----三相短路容量，MV A

I〃----次暂态短路电流，既三相短路电流周期分量第一周的有效值，KA；

I∞----三相短路电流稳态有效值，KA；

I c-----三相短路电流第一周全电流有效值，KA；

i c----三相短路冲击电流，既三相短路电流第一周全电流峰值，KA；

I0．2----短路开始到0．2s时的三相短路电流有效值，KA；

S0．2----短路开始到0．2s时的三相短路容量，MV A；

3.6.1.绘制计算电路及计算

图3-6 短路计算电路图

3.6.2.确定短路计算基准值

设基准容量Sd=100MVA，基准电压Ud=Uc=1.05UN。UC为短路计算电压，即高压侧Ud1=10.5kv，Ud2=0.4kv，则

113d d

d

U S I =

=5

.103100?=5.5KA 222330.4

d d d I U =

=?=144KA 3.6.3.计算短路电路中各元件的电抗标幺值

(1)电力系统 已知oc S =500MV A,故*1X =100MV A/500MV A=0.2

(2)架空电路 LJ-120的0X =0.36Ω/km ，而线长8km 故*

2X =(0.36?8)?

2

100

10.5=2.6 (3)电力变压器 z U %=4.5,故*

3X =

4.5

100?

1000

100=4.5 因此绘制短路计算等效电路如图5-2所示

图3-7 短路计算等效电路图

3.6.

4. 计算K-1点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量 (1)总电抗标幺值

*

-∑)1(K X =**+21X X =0.2+2.6=2.8

(2)三相短路电流周期分量有效值

*

-∑-=

1

1

31K d K X I I =5.5/2.8=1.96KA (4)短路稳态电流

)3(1)3(-∞=K I I =1.96KA

(5)短路冲击电流

)3()

3(55.2I i sh ''==2.55?1.96KA=5.0KA

(6)短路后第一个周期的短路电流有效值

)3()3(51.1I I sh ''==1.51?1.96KA=2.96KA

(7)三项短路容量

*

-∑-=

)

1()3(1K d K X

S S =100/2.8=35.7MV A

3.6.5. 计算K-2点的短路电流总电抗及三相短路电流和短路容量 1) 总电抗的标幺值

*

-∑)2(K X =**+21X X =0.2+2.6+4.5=7.3

2) 三相短路电流周期分量有效值

*

-∑-=

2

132K d K X

I I =144/7.3=19.7KA

3) 短路次暂态短路电流

3I ''=3

2-K I =19.7KA

4) 短路稳态电流

)3(2)3(-∞=K I I =19.7KA

5) 短路冲击电流

)3()3(84.1I i sh ''==36.2KA

6) 短路后第一个周期的短路电流有效值

)3()3(09.1I I sh ''==21.5KA

7）三项短路容量

*

-∑-=

)

2()3(2K d

K X S S =100/7.3=13.7MV A

3.7 变电所一次设备的选择与校验 3.7.1电气设备选择的一般原则

电气设备选择的一般原则主要有以下几条： （1）按工作环境及正常工作条件选择电气设备。

根据设备所在位置(户内或户外)、使用环境和工作条件，选择电气设备型号。 （2）按工作电压选择电气设备的额定电压。 （3）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流。

电气设备的额定电流IN 应不小于实际通过它的最大负荷电流Imax(或计算电流Ij)，即

IN ≥Imax 或IN ≥Ij(7—1)

(4)按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定。

为保证电气设备在短路故障时不至损坏，按最大可能的短路电流校验电气设备的动稳定和热稳定。动稳定：电气设备在冲击短路屯流所产生的电动力作用下，电气设备不至损坏。热稳定：电气设备载流导体在最大隐态短路屯流作用下，其发热温度不超过载流导体短时的允许发热温度。

(5)开关电器断流能力校验。

断路器和熔断器等电气设备担负着可靠切断短路电流的任务，所以开关电器还必须校验断流能力，开关设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量.

3.7.2高低压电气设备的选择

3.7.2.1、高压侧一次设备的选择与校验

表3-7 10kV侧一次设备的选择校验

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