某工厂变电所配电系统电气设计

某工厂变电所配电系统电气设计

电气工程及其自动化

[摘要]本课题的目标是设计降压变电所一次侧电气部分，通过负荷计算及无功功率补偿计算、及变配电所所址和型式的选择、变电所主变压器台数、容量及类型的选择、以及短路电流计算，变电所一次设备的选择等方面考虑设计，从而实现工厂供电系统安全、可靠、优质、经济地运行。通过本课题的设计，初步掌握工厂供电系统简单设计所必需的基本理论和基本知识，为今后从事工厂供电技术工作奠定初步的基础。本文根据GB50059—92《10kV及以下变电所设计规范》的要求，从变电所10kV侧和低压侧两个方面详细阐述了变电所的实现及其理论依据。

[关键词]功率因素; 降压变压器; 母线

A factory substation electrical design distribution system

Electrical engineering and automation WANG Yu-hui Abstract:This topic's goal is to design step-down substation electric parts, a side by load calculation and reactive power compensation calculation, and transfering &transforming by address and pattern of choice, the main transformer substation sets, capacity and types of choice, and once short-circuit current calculation, substation equipment choice, etc, thus realize factory consider design power supply system is safe, reliable and high quality, economic operation. Through the design of this topic, preliminary master factory power supply system of simple design necessary basic theory and basic knowledge for future work in factories supply engineering lay preliminary foundation. According to the GB50059 consumers 10kV and below -- 92 substation design requirements of the "standards, from the low voltage side side and consumers 10kV substation two expounded the realization of substation and its theoretical basis.

Key words:Power factor ; step-down transformer; bus line

目录

1设计任务书 (1)

2负荷计算的方法和无功功率补偿 (3)

2.1计算负荷意义和计算目的 (3)

2.2 负荷计算的方法 (5)

2.2.1需要系数法 (5)

2.2.2负荷计算 (5)

2.2.3功率因数和无功功率补偿 (7)

3变配电所及主变压器的选择 (7)

3.1变电所位置和型式的选择 (7)

3.2变电所主变压器和接线方案的选择 (7)

4短路电流的计算及一次设备的选择 (7)

5变电所一次设备的选择校验 (7)

5.1电气设备选择的一般条件 (7)

5.1.1按正常运行条件选择 (7)

5.1.2按短路条件校验 (7)

6变电所进出线与邻近单位联络线的选择 (7)

6.1 10KV高压进线和引入电缆的选择 (7)

6.2 380V低压出线的选择 (7)

6.3作为备用电源的高压联络线的选择校验 (7)

结束语 (7)

参考文献 (7)

附录 (7)

致谢 (7)

1设计任务书

1.1设计要求

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，适当考虑到工厂的发展，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，最后按要求写出设计说明书，绘制设计图样。

1.2设计依据

1.2.1工厂总平面图

图1工厂总平面图

1.2.2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4600h，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二级负荷外、其余均属三级负荷。本厂的负荷统计资料如表1-1所示。

表1-1工厂负荷统计资料

1.2.3供电电源情况

按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可有附近一条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。该干线的导线牌号为LG-150，导线为等边三角形排列，线距为2m，干线首端距离本厂约8km。干线首端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电流保护和电流速断按保护，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有电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线路总长度为25km。

1.2.4气象资料

本厂所在地区的年最高气温为38℃，年平均气温为23℃，年最低气温为-8℃，年最热月平均最高气温为33℃，年最热月平均气温为26℃，年最热月地下0.8m处平均温度为25℃。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。

1.2.5地质水文资料

本厂所在地区平均海拔500m，地层以粘砂土为主，地下水位为2m。

1.2.6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，按两部电费制交纳电费。每月基本电费按主变压器容量计为18元/KVA，动力电费为0.20元/KW·h，照明电费为0.50元/KW·h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性地向供电部门交纳供电贴费：6～10KV 为800元/KVA。

2负荷计算和无功功率补偿

2.1计算负荷意义和计算目的

工厂进行电力设计的基本原始资料是工艺部门提供的用电设备安装容量，但是这种原始资料要变成电力设计所需要的假想负荷──称为计算负荷，从而根据计算负荷按照允许发热条件选择供电系统的导线截面，确定变压器容量，制定提高功率因数的措施，选择及整定保护设备以及校验供电电压的质量。电气计算负荷还必须认真的确定，因为它的准确程度，直接影响整个工厂供电设计的质量，计算过高，将增加供电设备的容量，浪费有色金属，增加初投资。计算过低则可能使供电元件过热，加速其绝缘损坏，增加电能损耗，影响供电系统的正常运行。所以深入研究负荷计算的方法；大力测定负荷计算系数；广泛进行企业负荷调查，是我国广大供电工作者的重要任务。

2.2负荷计算的方法

计算负荷是用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。

用电设备组计算负荷的确定，在工程中常用的有需要系数法和二项式发，而需要系数法应用最为普遍。

当用电设备台数较多、各台设备容量相差悬殊不大时，通常采用需要系数法计算。

当用电设备台数较少而容量相差悬殊时，则宜于采用二项式发计算。

本设计就采用需要系数法计算。

2.2.1需要系数法

将用电设备按其设备性质不同分成若干组，对每一组选用合适的需要系数，算出每

组用电设备的计算负荷，然后由各组计算负荷求总的计算负荷，这种方法称为需要系数 法。需要系数法一般用来求多台三相用电设备的计算负荷。

需要系数，是用电设备组（或用电单位）在最大负荷时需要的有功功率p 30与其总的设备容量（备用设备容量不计入）p e 的比值，即

p p k e

d 30

=

（2-1） 因此，按需要系数法确定三相单组用电设备组有功计算负荷的基本公式为（kW ）

p k p e d =30 （2-2）

式中 k d —为用电设备组的需要系数；p e —为用电设备组的设备容量（kW ）。无功计算负荷的基本公式为（kvar ）

?tan 3030p Q = （2-3）

式中 ?tan —用电设备组平均功率因素的正切值。 确定视在计算负荷的基本公式为（kV A ）

?

cos 30

30p S =

（2-4）

式中 ?cos —为用电设备组的平均功率因素。 确定计算电流的基本公式为（A ）

U S I N

33030=

（2-5）

式中 U N ─用电设备的额定电压（kV ）。 多组用电设备计算负荷的计算公式

总的有功计算负荷 ∑?∑=p K p i 3030 （2-6） 总的无功计算负荷 ∑?∑=Q K Q i 3030 （2-7） 总的视在计算负荷 Q p S 2

3023030+=

（2-8）

总的计算电流 )

3(30

30U S I N = （2-9）

以上式中的∑?p i 30和∑?Q i 30分别表示所有各组设备的有功和无功计算负荷之和。由于各组设备的?cos 不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和乘以K ∑来计算。 2.2.2 负荷计算

就本设计而言，由于设计任务书中已经给出工厂负荷统计的相关资料，故只需将相关数据带入相关公式即可计算出对应的各物理量。分别计算其有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷、计算电流及其该车间的总的有功计算负荷、总的无功计算负荷、总的视在计算负荷、总的计算电流。

（1）动力部分

有功计算负荷： p k p e d =30=0.3×300 =90 kW 无功计算负荷： ?tan 3030p Q ==90 ×1.02=91.8 kvar 视在计算负荷： ?

cos 30

30p S ==90 /0.7=128.6 kV A

计算电流： U S I N

33030==128.6/（1.73×0.38）=194.8 A

（2）照明部分

有功计算负荷： p k p e d =30=0.8×6 =4.8 kW 无功计算负荷： ?tan 3030p Q ==0 kvar 视在计算负荷： ?

cos 30

30p S ==4.8 /1=4.8 kV A

计算电流： U S I N

33030=

=4.8/（1.73×0.22）=12.6 A （3）该车间总的计算负荷：（=∑K 0.95）

总的有功计算负荷： ∑?∑=p K p i 3030=0.95×（90+4.8）=90.1 kW

总的无功计算负荷： ∑?∑=Q K Q i 3030=0.95×91.8 =87.2 kvar 总的视在计算负荷： Q p S 2

3023030+=

=125.4 kV A

总的计算电流： )

3(30

30U S I N ==125.1 /（1.73×0.38 kV ）=190 A

同理，按需要系数法得出某工厂的计算负荷表如表1所示：

表2-1 某工厂负荷计算表

2.2.3 功率因数和无功功率补偿

功率因素?cos 是反映在有功功率一定的条件下，取用无功功率的多少；如果取用的无功功率越多，则功率因素越低。而功率因素是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。

由表1可知该厂380V 侧最大负荷时的功率因数只有0.75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0.9考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V 侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V 侧所需无功功率补偿容量：

()tan tan 2130??-=P Q c =812.2×[()()92.0arccos tan 75.0arccos tan -]=370Kvar

参照图选PJG1型低压自动补偿屏，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）4台相结合，总共容量84kvar ×5=420kvar.因此无功补偿后工厂380V 侧和10KV 侧的负荷计算如表2所示

表2-2无功补偿后工厂的计算负荷

3 变配电所及主变压器的选择

3.1变电所位置和型式的选择

变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定，由公式

∑∑=++++++=

i i i P x P P P P x P x P x P x )(...

...321332211 （3-1） ∑∑=++++++=i i i P y p P P P y P y P y P y )( (3)

21332211 （3-2） 在工厂平面图的下边和左侧，任作一直角坐标的测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，由计算结果可知，工厂的负荷中心在5号厂房的东南角。考虑到方便进出线及周围环境情况，在5号厂房的东侧紧靠厂房修建工厂变电所，型式为附设式。

3.2 变电所主变压器和主接线方案的选择

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可有两种方案：

（1）装设一台主变压器 型号采用S9，而容量根据式S N ≥S 30选S N =1000KV A >900KV A ，即选一台S9—1000∕10型低损耗配电变压器。

（2）装 设 两 台 主 变 压 器 型号亦采用S9，而每台容量选择 S N ≈（0.6～0.7）S 30=（0.6～0.7）×900KVA=（540～630）kVA 任一台变压器单独运行时，应能满足全部一、二级负荷S )(30I I +I 的需要，即 S S N )(30I I +I ≥= （132+160+44.4）KV A=336.4KV A

变压器的选择应选低损耗变压器，其容量为630 kVA ，由于三相负荷基本平衡，所以其联结组别采用YynO 。

2.变电所主接线方案的选择

4 短路电流的计算及一次设备的选择

该工厂的短路电流的计算（采用欧姆法）如下：

（1）绘短路计算电路图，并根据短路计算的目的确定短路计算点（短路点的选择要使通过设备的电流为最大值），如图1所示。

（2）针对短路计算点绘出短路电路的等效电路图，此图只需表示出计及阻抗的元件，并且分子标明元件序号，分母用来标明其阻抗，如图2所示。

（3）计算过程如下： k-1点短路计算

（1）计算短路回路中各元件的电抗和总电抗（U c 1=10.5 kV ）

① 电力系统的电抗：S oc =500MV A ，因此

()Ω===22.05005.102

2

11

MVA

kV S

U X oc

c

② 架空线路的电抗：（)/(36.00Km X Ω= ），因此

Ω=?Ω==

8.28)/(35.02

Km Km L X

X

o

③ 针对k-1点的短路回路总电抗为：

Ω=Ω+Ω=+=

-∑1.388.222.02

1

)

1(X

X X

K

（2）计算k-1点的三相短路电流和短路容量：

① 三相短路电流：

()

()

kA kV X

U I k c k 96.11.335.1031131=Ω

?=

=

-∑-

()

()

()

kA I I I k 96.13133===-∞''

()

()

kA I i

sh

.555.233=='' ()

()

kA I I

sh

96.251.133==''

② 三相短路容量

k-2点短路计算

（1）计算短路回路中各元件的电抗和总电抗（U c 2=0.4 kV ）

124

1-23

3-()

()

MVA

I U S k c k 64.35331131==--

① 电力系统的电抗：Ω?==-'104

2

212.3S

U X oc

c

② 架空线路的电抗：

③ 变压器的电抗：（5.4%=U k ）因此

Ω?==

-102

2

2

32.7100%S U U X N

c k

④ 针对k-2点的短路回路总电抗为：

()Ω?=++=

--∑''102

3

21

217.1X

X X X K （2）计算k-2点的三相短路电流和短路容量：

① 三相短路电流：

()

()

kA X

U

I k c K 2032232==

-∑-

()

()

()

kA I I I k 203233===-∞''

()

()

kA I i

sh

8.3684.133=='' ()

()

kA I I

sh

8.2109.133==''

② 三相短路容量：

()

()MVA I U S k c k 68.13332232==--

5 变电所一次设备的选择校验

Ω

?==-???

?

??'103

2

2

17.412U U X X c c L o

电器选择是变电所电气设计的主要内容之一。正确地选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。

5.1 电器设备选择的一般条件 5.1.1 按正常运行条件选择

电器设备按正常运行条件选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电器装置所处的位置特征；电气要求是指电器装置对设备的电压、电流、频率等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑其断流能力。

(1) 考虑所选设备的工作环境。

(2) 设备的额定电压U e N ,不应小于所在线路的额定电压U N ，即 U e N ,≥U N (3)设备的额定电流I e N ,不应小于所在电路的计算电流

I

30,即

I

e

N ,≥

I

30

5.1.2 按短路条件选择 ⑴ 动稳定校验

动稳定是指导体和电器承受短路电流机械效应的能力。。满足稳定的条件是

I I sh et ≥

式中

I sh —设备安装地点短路冲击电流的有效值（kV ）

； I et —设备允许通过的电流的有效值（kV ）。 对于下列情况可不校验动稳定或热稳定。

1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定。

2）电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动、热稳定，因为短路电流很小。 3）电缆可不校验动稳定。 ⑵ 热稳定校验

短路电流通过时，电器各部件温度不应该超过短时发热最高允许值，即

t I I

ima t

t 2

2∞≥

式中

I ∞—设备安装地点稳态三相短路电流（kV ）；

t ima —短路电流假象时间（s ）

； I t —t 秒内允许通过的短路电流值（kV ）； t —厂家给出的热稳定计算时间（s ）。 1. 10KV 侧一次设备的选择校验（表2）

表2所选设备均满足要求

2.380V侧一次设备的选择校验（表3）

3. 高低压母线的选择 查表可得，10KV 母线选LMY-3(40×4),即母线尺寸为

40m m ×4mm ；380V 母线选LMY-3（120×10）＋80×6，相母线尺寸120m m ×10mm,为中性母线尺寸为80m m ×6mm 。

6 变电所进出线与邻近单位联络线的选择

6.1 10KV 高压进线和引入电缆的选择

（1）高压进线的选择校验 采用LJ 型铝绞线架空敷设，接往10KV 公用干线。 1）按发热条件选择。由I 30=I 1N.T =57.7A 及室外环境温度33℃，查表得，初选LJ-16，其35℃时的I a l ≈95A ＞I 30，满足发热条件。

2）校验机械强度。查表得，最小允许截面A min =35mm 2，因此LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。

由于线路很短，不需校验电压损耗。

（2）由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。

1)按发热条件选择。由I 30=I 1N.T =57.7A 及土壤温度25℃查表，初选缆芯为25mm 2

的交联电缆，其I a l ≈90A ＞I 30，，满足发热条件。

2）校验短路热稳定。按式计算满足短路热稳定的最小截面 A min =()

I 3∞

C

t ima =2

2252277

75

.01960mm A mm =?=?

因此YJL22-10000-3×25电缆满足要求。

6.2 380V 低压出线的选择

（1）馈电给1号厂房（铸造车间）的线路采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。

1）按发热条件选择。由I 30=201A 及地下0.8m 土壤温度为25℃，查表得，初选120 mm 2，其I a l ≈212A ＞I 30，满足发热条件。

2）校验电压损耗。由平面图量得变电所至1号厂房距离约100m ，而查表得120 mm 2的铝芯电缆的R 0=Km /3.0Ω，X 0=Km /07.0Ω，又1号厂房的P 30=94.8KW ，Q 30=91.8Kvr

因此按式得：V

U 4.938

.0)

1.007.0(8.91)1.031.0(8.94=??+??=

?

%5%%5.2%100)380/4.9(%=??=?=?al U U 满足允许电压5%的要求。

3）短路热稳定度校验。按式求满足短路热稳定的最小截面 A min =()

I 3∞

C

t ima =2

22476

75

.019700mm =?

由于前面所选120 mm 2的缆芯截面小于A min ，不满足短路热稳定度要求，因此

改选缆芯150 mm 2的聚氯乙烯电缆，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。

（2）馈电给2号厂房（锻压车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设。缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （3）馈电给3号厂房（热处理车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （4）馈电给4号厂房（电镀车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （5）馈电给5号厂房（仓库）的线路 由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用聚氯乙烯绝缘铝芯导线BLV-1000型5根（3根相线、1根中性线、1根保护线）穿硬塑料管理埋地敷设。

1）按发热条件选择。由I 30=16.2A 及环境温度26℃，查表得，相线截面初选4mm 2，其I a l ≈19A ＞I 30，满足发热条件。

按规定，中性线和保护线也选为4mm 2，与相线截面相同，即选用BLV-1000-1×4 mm 2塑料导线5根穿内径的硬塑管。

2）校验机械强度。查表得，最小允许截面A min =2.5 mm 2，因此上面所选4 mm 2的相线满足机械强度要求。

3）校验电压损耗。所选穿管线，估计长度50m ，查表得R 0=Km /55.8Ω，X 0=Km /07.0Ω，又仓库的P 30=8.8KW ，Q 30=6Kvr ，因此

V

U 1038

.0)

05.0119.0(6)05.055.8(8.8=??+??=

?

%5%%63.2%100)380/10(%=??=?=?al U U

满足允许电压损耗5%的要求。

（6）馈电给6号厂房（工具车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （7）馈电给7号厂房（金工车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （8）馈电给8号厂房（锅炉房）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （9）馈电给9号厂房（装配车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （10）馈电给10号厂房（机修车间）的线路 亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240 mm 2，即VLV22-1000-3×240+1×120的四芯电缆。 （11）馈电给生活区的线路 采用型铝绞线架空敷设。

1）按发热条件选择。由I 30=413A 及室外温度为33℃，查表得，初选LJ-185，其33℃时的I a l ≈455A ＞I 30，满足发热条件。

2）机械强度校验。查表得，最小允许截面A min =16mm 2，因此LJ-185满足机械强度要求。

3）校验电压损耗。由图所示平面图量得变电所至生活区负荷中心距离约200，而查表得LJ-185的R 0=Km /18.0Ω，X 0=Km /3.0Ω（按线间几何均距0.8m 计），又生活区的P 30=245KW ，Q 30=117.6Kvr ，因此

V

U 4238

.0)

2.03.0(6.117)2.018.0(245=??+??=

?

%5%%1.11%100)380/42(%=??=?=?al U U

由此看来，对生活区采用一回LJ-185架空线路供电是不行的。为了

确保生活用电的电压质量，采用四回LJ-120架空线路对生活区供电。查表得LJ-120的R 0=Km /28.0Ω，X 0=Km /3.0Ω（按线间几何均距0.6计），因此

V

U 7.1338

.0)

2.03.0()4/6.117()2.028.0()4/245(=??+??=

?

%5%%6.3%100)380/7.13(%=??=?=?al U U 满足要求。

中性线采用LJ-70铝绞线。

6.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验

采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距约2km 的邻近单位变配电所的10KV 母线相联。

（1） 按发热条件选择 工厂二级负荷容量共335.1KV A ，I 30=335.1A

3.19)1003/(=?最热月土壤平均温度为25℃，因此查表得初选缆芯截面为25 mm 2的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，其I a l ≈90A ＞I 30，满足发热条件。

（2） 校验电压损耗 由表可查得缆芯为25 mm 2的铝芯电缆的R 0=Km /54.1Ω，

X 0=Km /12.0Ω二级负荷的P 30=（94.8+129+35.8）KW ，Q 30=（91.8+93.8+26.3）=117.6Kvr ，线路长度按1km 计，因此

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U 8510

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2.03.0(9.211)254.1(6.259=??+??=

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由此可见满足允许电压损耗5%的要求。

（3） 短路热稳定校验 按变电所高压侧短路电流校验，由前引入电缆的短路热稳定校

验可知缆芯25 mm 2的交联电缆是满足热稳定要求的。

表4变电所进出线和联络线的型号规格