阳光机械厂降压变电所电气设计供用电技术毕业设计说明书

毕业设计说明书(论文)

作者：xxx学号： xxx

院（系）：输变电技术学院

专业：供用电技术

题目：阳光机械厂降压变电所电气设计

指导者：xxx副教授

评阅者：

2016 年 6 月吉林

摘要

本设计的题目为“阳光机械厂10kV变电所电气部分设计”。设计的主要内容包括：主变压器选择；电气主接线设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。其中还对变电所的主接线通过CAD制图直观的展现出来。

本次设计的内容紧密结合实际，通过查找大量相关资料，设计出符合当前要求的变电所。本变电所对低压侧负荷的统计计算采用需要系数法；为减少无功损耗，提高电能的利用率，本设计进行了无功功率补偿设计，使功率因数从0.75提高到0.92；短路电流的计算包括短路点的选择及其具体数值计算；而电气设备选择采用了按额定电流选择，按短路电流计算的结果进行校验的方法；继电保护设计主要是对变压器进行电流速断保护和过电流保护的设计计算；配电装置采用成套配电装置；本变电所采用避雷针防直击雷保护。

关键词:负荷计算，短路电流计算，主变压器，防雷和接地

目录

第1章概述 (1)

1.1原始资料分析 (1)

1.1.1设计依据 (1)

1.1.2变电所在系统中的作用 (2)

1.1.3环境分析 (2)

1.2工厂供电设计的基本内容 (3)

第2章负荷计算和无功功率补偿 (4)

2.1负荷计算 (4)

2.2无功功率计算与补偿 (5)

2.2.1无功补偿方式 (6)

2.2.2无功补偿容量 (6)

第3章变电所的设计方案 (7)

3.1变电所位置选择 (7)

3.1.1选择工厂变电所的所址 (7)

3.1.2负荷中心的确定方法 (7)

3.2变电所型式和布置 (8)

3.3变电所主变压器选择 (9)

3.4变压器主接线方案的选择 (11)

3.5两种主接线方案的技术经济比较 (12)

第4章变电所短路电流的计算 (14)

4.1绘制计算电路 (14)

4.2确定短路计算基准值 (15)

4.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值 (15)

4.4短路计算 (16)

第5章变电所一次设备的选择校验 (18)

5.1 概述 (18)

5.2 电气设备选择的一般原则 (18)

5.3 10kV 侧一次设备的选择校验 (21)

5.4 380V 侧一次设备的选择校验 (21)

第6章变电所进出线与临近单位联络线的选择 (23)

6.1 导线和电缆截面选择原则 (23)

6.2 10kV 高压进线和引入电缆的选择 (23)

6.3 380V 低压出线的选择 (24)

6.4 作为备用电源的高压联络线的选择校验 (33)

第7章变电所二次回路方案的选择 (36)

7.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路 (36)

7.2 变电所的电能计量回路 (36)

7.3 变电所的测量和绝缘监察回路 (37)

7.3.1 变电所高压侧测量和绝缘监察回路 (37)

7.3.2 变电所低压侧测量和绝缘监察回路 (38)

7.4 变电所的保护设备 (38)

7.4.1 对继电保护装置的基本要求 (38)

7.4.2 主变压器的继电保护装置 (39)

7.4.3 作为备用电源的高压联络线的极点保护装置 (41)

7.4.4变电所低压侧的保护装置 (42)

第8章防雷保护和接地装置的设计 (43)

8.1 电所的防雷设计 (43)

8.1.1直击雷防护断路器 (43)

8.1.2雷电侵入波的防护 (44)

8.1.3 变电所的进线防护 (44)

8.1.4 变压器的防护 (44)

8.2 变电所公共接地装置的设计 (45)

8.2.1 接地与接地装置 (45)

8.2.2设计接地装置 (45)

附录 (48)

参考文献 (57)

致谢 (58)

第1章概述

1.1 原始资料分析

工厂供电系统是指工厂所需的电力能源从进厂起到所有用电设备终端止的整个电路。电力能源支撑起来了现代工业生产的主要能源和动力的供应。电能贯穿了现代工业生产及整个国家经济生活,其应用广泛、容易和其他形式的能量转换为其他形式容易转化为能量供应用;因为电能分配经济,

既简单和便利,分布控制、调节和测量,有利于实现生产过程自动化。

1.1.1 设计依据

1、阳光机械厂降压变电所的电气设计任务书

2、变电所设计的技术规程

3、工厂供电设计指导

4、电力工程电气设备手册上

5、电力工程电气设备手册下

6、变电所所址选择与总布置

为了十全十美的为工厂的工业生产和为社会服务，更好的保证工厂生产和生活用电的供应电能，并能有效的避免能量损耗和节约资源。以通过对收集了大量的信息并且对许多得原始数据周密的分析和计算，本着对工厂负责的态度以及严格的要求，对阳光机械厂降压变电所进行严谨的设计。做出10kV 变电所及变电系统电气部分的选择和设计，使其达到以下基本要求：

安全：在保证人身安全和设备安全的前提下，保证电能的供应、分配和使用;

可靠：应满足电能用户对供电可靠性的要求;

优质：供电的质量要符合用户对供电的的要求，即电压和频率等质量应符合;

经济：变电所的建设尽量减少金属的使用量以及注意节约电能，使得总体投资要少，运行费用降低很多。

此外，在供电工作中，既要对当前的利益有所照顾局部的，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系[1]。

工厂供电设计的好坏决定了工厂的现行的生产和成本以及未来的发展预期。学习和使用工厂供电设计的有关资料材料，是我们所有的厂供电工作的人员以便适应设计工作的需要必须具备专业的技能，也是为未来更好的学习打下坚实的基础。

1.1.2 变电所在系统中的作用

在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点。变电站的主要作用是进行高底压的变换，一些变电站是将发电站发出的电升压，这样一方面便于远距离输电，第二是为了降低输电时电线上的损耗；还有一些变电站是将高压电降压，经过降压后的电才可接入用户[2]。

本变电站是阳光机械厂的厂用变电所，属于电力系统中的终端变电站。由于终端变电站的位置位于配电线路末端，离负荷比较近，它的高压侧为10~110kV引入线，经降压变压器降压向直接向用户供电。

1.1.3环境分析

1、地理位置

位于某较大城市近郊，地质和地形条件较好，出线走廊不受限制。

2、自然条件

本厂所在地区地势（平坦），平均海拔（500)m，地层以砂粘土为主，交通方便，地下水位为2 m。年最高气温（38）℃，年最低气温（-8）℃，年平均气温为23℃。最热月平均最高气温（26）℃，年最热地下0.8m出平均温度25℃。最大风速小于20m/s，地震烈度小于6级。周围环境轻微污染，主导风向东北风。年雷暴日为20。

1.2 工厂供电设计的基本内容

本文结合设计的题目，依据相关设计手册及国家电力工程设计的技术规程、规定和准则，对10kV变电站进行电气一次部分的设计。

1、认真严格的进行分析原始资料，进行厂用主变压器和站用变压器的选择，同时要对无功补

偿容量确定；

2、考虑供电的要求，设计出两种符合机械厂的电气主接线方案，通过比较确定出最优秀的；

3、选择出正确的短路点，并对系统各短路点进行计算以求出短路电流；

4、根据计算而求出的各点的短路电流结果，选择出符合要求的一次设备，例如：隔离开关、高压断路器、母线、电缆、各类绝缘子串、避雷器、电压及电流互感器、高低压开关柜等；

5、设计出电气设备的平面布置方案和配电装置的布置方案；

6、充分参考本地区气象地质材料，研究设计防雷装置经验，设计出变电所用的防雷装置；

7、设计符合标准的继电保护装置并对继电保护装置进行整定；

8、绘制出我们设计的阳光机械厂降压变电所一次部分电气主接线图、平面布置图。

第2章负荷计算和无功功率补偿

2.1 负荷计算

对于阳光机械厂的用电的计算负荷，我们常用需要系数法用于负荷的确定。世界各个国家也普遍运用需要系数法用于确定计算负荷。

主要计算公式有：

有功计算负载：N P K P d 30= (2-1) 无功计算负载：αtan 3030P Q = (2-2) 视在计算负载：αcos 3030P S = (2-3) 计算电流：N

U S 3I 3030=

(2-4)

负荷计算各厂房和生活区的负荷计算结果如表2-1所示

表2-1 阳光机械厂负荷计算表

2.2 无功补偿与计算

我们国家的《供电营业规则》中规定：“电力用户所在当地供电企业有相关规定的电网用电高峰时，其负荷的功率因数应满足下列的规定：电力用户为100kVA以及以上电压供电的用户，其功率因数应满足不应低于0.90以上的，对于其他的电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业等用户的功率因数不应低于0.85以下[3]”。由于阳光机械厂的负载性质，工厂的功率因数cos?应大于我们取应大于0.9。而由上面计算可知cos?=0.74＜0.9，低于0.9，因此必须进行无功补偿。

2.2.1 无功补偿方式

对于人工补偿装置主要分有同步补偿机和并联电容器两种用来补偿无功功率的。其中具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点的是并联电容器，因此在电力系统中并联电容器补偿无功功率应用最为广泛[4]。

2.2.2 无功补偿容量

由表2-1可知，我们的阳光机械厂低压侧最大负荷时的功率因数只有0.75。而供电部门的最低要求为阳光机械厂10kV进线侧最大负荷时功率因数应满足高于0.90。考虑到主变压器的无功损耗

远大于有功损耗，因此低压侧的最大负荷时功率因数应满足稍大于0.90，我们暂取0.92用于来计算低压侧所需无功功率补偿容量：

我们需要将低压侧功率因数由0.75提高到0.92，这需要在低压侧需并联装设的总的电容为：

c 3012(tan tan kvar

Q P ??=-）

= ()kvar 92.0arccos tan 75.0arccos tan 6.686-? =313.1kvar ，

经过计算我们选用PGJ1型低压自动补偿屏，采用的电容器为BW0.4-14-3型，采用的方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）4台相组合，总共容量84kvar ?5=420kvar

最后经过无功补偿后的阳光机械厂的低压侧侧和高压侧的负荷计算如表2.2所示。

表2-2 无功补偿后工厂的计算的负荷

第3章 变电所的设计方案

3.1 变电所位置选择

3.1.1 选择工厂变电所的所址

1、应在负荷中心附近；

2、方便进出线铺设；

3、运输条件方便于变压器等大型电气设备搬运；

4、选择各种污染源上风侧；

5、.选择地下水位较低的场所，防止电缆沟积水；

6、屋外配电装置与其他建筑之间保持足够的防火间距；

7、留有扩建和发展的余地；

3.1.2 负荷中心的确定方法

利用负荷功率矩法确定负荷中心：

在阳光机械工厂平面图的下边和左侧，作出直角坐标系的 x 轴和 y 轴，分别测出机械厂的给个车间（建筑）和宿舍区负荷点的坐标位置，并将测得的结果绘制成表如下所示：

设工厂变电所在 P (x,y)。

将所测结果按比例K 换算各个车间及生活区负荷点的坐标位置表3.1所示。

表3-1 各车间和宿舍区负荷点的坐标位置

坐标轴 1 2 3 4 5 6 7 8

9

10

生活区 X(㎝) 2.3 2.3 2.3

4.7

4.7

4.7

4.7

9.2 8.42 7.2

10.45 Y(㎝)

5.5

3.8

2.1 7.23 5.5

3.8 2.15 5.1

4.1

2.5

7.8

i

i i 321332211P )

x P (P P P x P x P x P x ∑∑=++++=

?? (3-1)

i

i i 321332211P )

y P (P P P y P y P y P y ∑∑=++++=

?? (3-2)

通过上述的公式并计算，我们得出x=6.82，y=5.47。

由计算结果可知，我们可以确定工厂的负荷中心应该在在6号厂房的东北角。充分考虑到周围环境和进出线方便等条件。

决定在5号厂房的西侧仅靠厂房建造工厂变电所，器型为附设式。

3.2 变电所型式和布置

1、变电所的形式

根据工厂规模的大小及用电负荷情况和分布等，整个工厂可设一个或几个变电所，大多数工厂一般只设一个变电所。工厂变电所常常采用独立式变电所，单独设在工厂某个地区。工厂降压变电所35kV及以上高压配电装置应采用屋外式配电装置。

工厂降压变电所6~10kV配电装置一般采用屋内配电装置，无出线电抗器可采用单层布置，有出线电抗器可采用二层布置或三层布置[5]。

2、变电所的布置

10kV变电所一般由高压配电室、变压器室和低压配电室三部分组成。

（1）高压配电室

高压配电室内设置高压开关柜，柜内设置断路器、隔离开关、电压互感器、母线等。高压配电室的面积取决于高压开关的数量和柜的尺寸。高压配电一般设有高压进线柜、计量柜、电容补偿柜、馈线柜等。高压柜前留有巡检操作通道，应大于1.8 m。柜后及两端应留有检修通道，应大于1 m。高压配电室的高度应大于2.5m。高压配电室的门应大于设备的宽度，应向外开。

（2）变压器室

当采用油浸变压器时，为使变压器与高、低压开关柜等设备隔离应单独设置变压器室。变压器室要求通风良好，进出风口面积应达到0.5～0.6 m2。对于设在地下室内的变电所，可采用机械通风。变压器室的面积取决于变压器台数、体积，还要考虑周围的维护通道。10 kV以下的高压裸导线距地高度大于2.5 m。而低压裸导线要求距地高度大于2.2 m。

（3）低压配电室

低压配电室应靠近变压器室，低压裸导线（铜母排）架空穿墙引入。低压配电室有进线柜、仪表柜、配出柜、低压补偿柜（采用高压电容补偿的可不设）等。低压配出回路多，低压开关数量也多。低压配电室的面积取决于低压开关柜数量，柜前应留有巡检通道（大于1.8m），柜后维修通道（大于0.8m）。低压开关柜有单列布置和双列布置（柜数量较多时采用）等[5-5]。

变电所的建设还应满足以下条件：

①变电所应保持室内干燥、严防雨水进入。

②变电所应考虑通风良好，使电气设备正常工作。

③变电所的高度应大于4m，应设置便于大型设备进出的大门和人员出入的门，且门应向外开。

④变电所的容量较大时，应单设值班室、设备维修室、设备库房等。

3.3 变电所主变压器选择

1、变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：

（1）有大量一级或二级负荷在变压器出现故障或检修时，多台变压器可保证一、二级负荷的供电可靠性。当仅有少量二级负荷时，也可装设一台变压器，但变电所低压侧必须有足够容量的联络电源作为备用。

（2）季节性负荷容量较大，为做到经济运行可根据实际负荷情况，相应投入变压器的台数。

（3）集中负荷容量较大虽为三级负荷，但一台变压器的供电容量不够，这时也应装设两台及以上变压器。当备用电源容量限制时，宜将重要负荷集中并且与非重要负荷分别由不同的变压器供电，以方便备用电源的切换。

在一般情况下，动力与照明宜共用变压器，以降低投资。以下情况可设专用变压器：

①当照明负荷容量较大，或动力和照明采用共用变压器供电会影响照明质量及灯泡寿命时，可设专用变压器。

②单台单相负荷容量较大时，宜设单相变压器。

③冲击性负荷（如短路试验设备、大型电焊设备等）较大，严重影响供电系统的电压质量，可设冲击负荷专用变压器。

2、工厂的负荷特性和电源情况，工厂变电所的主变压器可有下列两种方案： (1) 设一台主变压器

采用型号为S9型，容量根据式kV A 751kV A 100030==?S S T N ＞，即采用一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

(2) 设两台变压器

采用S9型变压器，每台的容量按下列公式选择：

kV A )7.525~6.450(kV A 751)7.0~6.0()7.0~6.0(30=?=≥?S S T N

而且kV A 8.327kV A )4.441604.123()(30=++=≥∏?S S T N

因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

由于该厂的负荷含二级负荷，且二级负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求高，在经济条件允许的条件下应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

主变压器的联结组别均采用Yyn0。高压开关柜选用GG-1A(F)型。

3.4 变压器主接线方案的选择

1、变电所中汇集、分配电能的电路称为变电所电气主接线。变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接构成我们的电气一次主接线。是电力系统总体设计的重要组成部份。是整个变电所电气部分的主干。应根据变电所在电力系统中的地位、作用、回路数、设备特点及负荷性质来确定变电所主接线形式，并且应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节约投资等要求[6]

。

2、在选择电气主接线时的设计依据

（1）变电所所在电力系统中的地位和作用; （2）变电所的分期和最终建设规模; （3）负荷大小和重要性;

（4）系统备用容量大小。

3、主接线设计的基本要求：

（1）安全性：安全包括设备安全和人身安全。

（2）根据系统和用户的要求，保证供电的可靠性供电可靠性是电力生产和分配的首要要求。

因事故或因检修，导致的停电机会越少、停电影响范围越小、停电时间越短、停电后恢复供电越快，供电可靠性就越高。

主接线的可靠性也必须与变电所在系统中的地位和作用；接入电力系统的方式以及所供负荷性质相适应。即主接线的可靠性是相对的。

（3）保证运行的灵活性、方便性。

运行方式多，能适应各种工作情况（故障或检修）的转换。可以方便的投入、切除或停运机组、变压器或开关设备，而能满足供电要求。不应有多余设备，布置对称，操作时步骤少，避免误操作。

(4)在满足上述前提下，保证经济性。

降低投资：节约设备；选用合理的设备；简化控制和保护。节约占地面积：合理选择主变。降低运行费用：避免两级变压；减少电能损失[6-5]。

按上面考虑的两种主变压器的方案可设计下列两种主结线方案：

1）装设一台主变压器的方案如图（3-1）所示（低压侧主接线从略）。

2）装设两台主变压器的方案如图（3-2）所示（低压侧主接线从略）。

3.5 两种主接线方案的技术经济比较

表3-1两种主接线方案的比较

比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案

技术指标供电安全性满足要求满足要求

供电可靠性基本满足要求满足要求

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

小

灵活方便性只一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些

经

电力变压器的综

合投资

由手册查得S9—1000/10单价

为15.1万元，而由手册查得变

压器综合投资约为其单价的2

倍，因此其综合投资为2×15.1

万元=30.2万元

由手册查得S9—630/10单价为

10.5万元，因此两台综合投资

为4×10.5万元=42万元，比一

台变压器多投资11.8万元

从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案（见图3-2）略优于装设一台主变的主接线方案（见图3-1），但按经济指标，则装设一台主变的方案优于装设两台主变的方案，因此决定采用装设一台主变的方案。（说明：如果工厂负荷近期可有较大增长的话，则宜采用装设两台主变的方案。

第4章变电所短路电流的计算

工厂供电系统的设计和运行中不仅考虑正常运行状态，还要考虑可能发生故障及非正常工作状态。其中短路故障危害最大，短路的电流引起的电气设备的热效应和力效应使设备损坏，电压降落严重影响非故障原件的正常运行。但是，只要正确选择电气设备，满足短路电流的动稳定、热稳定要求，采取限制短路电流的措施就可以消除或减轻短路电流的危害。

进行短路电流计算时，要考虑供电系统的最大运行方式和最小运行方式。在最大运行方式下，通过故障原件的短路电流最大，作为选择和校验电气设备的依据及继电保护整定计算的依据；在最小运行方式下，通过保护安装处的短路电流最小，可作为继电保护校验灵敏度的依据。

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺值法两种[7]。 该设计采用标幺值法计算短路电流。

在标幺值法中，参与运算的物体量均用其相对值。因此标幺值的概念是：

=

该量的实际值（任意单位）某量的标幺值该量的基准值（与实际值同单位）

所谓的基准值是衡量某个物理量的标准或尺度。

4.1 绘制计算电路

图4-1短路计算电路图

4.2 确定短路计算基准值

确定基准值 取 100MV A =d

S 10.5kV 1=c U 0.4kV 2=c U

而

kA

5.50kV

5.103MV A

100311=?=?=

c d d U S I

kA

34.441kV

4.03MV A

100322=?=?=

c d d U S I

4.3计算短路电路中各元件的电抗标幺值计算

1、电力系统500MV A oc =S 已知，故

X1*

=

k

d

S S =100/500=0.2 2、架空线路查得 LGJ-150的 x =0.358km /Ω而线路长8km,故 2.60)

kV 5.10(MV A 100km 8km /358.0*2

22

02=??Ω==U S l x X d

3、电力变压器

4.5kV A

1000100kV A

101005.4100/%*33=???==NT

d k S S U X

图4-2短路计算等效电流图

4.4短路计算

一、k-1点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量

1、电源至短路点的总电抗标幺值 2.80*

2*1*

)

1(=+=∑

-X X X

k

2、三相短路电流周期分量有效值

()

kA 1.975.50/2.80*

)

1(131==∑

=

--k d k X I I

3、其他三相短路电流