某机械厂降压变电所的电气设计(1)
2011年度本科生供配电课程（设计）
供配电（设计）题目
院－系：
专业：电气工程及其自动化
年级：
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2012年2月
2011 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate
Title of the Graduation Thesis (Project)
Department：
Major:电气工程及其自动化
Grade:
Student’s Name:
Student No.:
Tutor:
June, 2012
前言
（一）工厂供电的意义
众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。
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。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必重多少，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。
（二）工厂供电的原则
按照国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50053-94《10kv及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》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
必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，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，以便适应设计工作的需要。
目录
一、绪论....................................... 错误！未定义书签。
（一）设计内容及步骤 (1)
二、负荷计算和无功功率补偿 (2)
（一）负荷计算的方法 (2)
（二）负荷计算结果 (5)
（三）无功补偿容量 (7)
三、变电所位置和型式的选择 (8)
（一）配电所所址选择的一般原则 (8)
（二）变电所位置和形式的选择 (8)
四、变电所主变压器台数和容量、类型的选择 (9)
（一）方案选择原则 (9)
（二）变电所主变压器台数的选择 (9)
（三）变电所主变压器容量选择 (9)
五、变电所主结线方案的设计 (10)
（一）变配电所主结线的选择原则 (10)
（二）主结线方案选择 (10)
六、短路电流的计算 (12)
（一）采用标幺制法进行短路计算 (12)
（二）下面采用标么制法进行短路电流计算。 (13)
七、变电所一次设备的选择与校验 (14)
（一）、10KV侧一次设备的选择校验如表7.1 (14)
（二）、380V侧一次设备的选择校验如表7.2 (15)
八、变电所进出线的选择与校验 (16)
（一）、高压线路导线的选择 (16)
（二）、低压线路导线的选择 (16)
九、变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定 (17)
（一）二次回路方案选择 (17)
(二)变配电站的保护装置 (18)
十、防雷保护和接地装置的设计 (19)
（一）防雷设备和措施 (19)
（二）接地与接地装置 (20)
十一、总结 (21)
一、绪论
（一）设计内容及步骤
全厂总配电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面。
1、负荷计算和电容补偿
全厂总配电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。求出全厂高压总配电所计算负荷及总功率因数。列出负荷计算表、显示计算结果。
按负荷计算求出总配电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或产品样本选用所需无功功率补偿柜的规格和数量。
2、确定配电所的所址和形式
根据电源进线方向，综合考虑设置高压总配电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定高压总配电所的所址和型式。
3、配电所的主接线方案
根据负荷类别及对供电可靠性的要求进行负荷计算，选择主接线方案，确定配电所主接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠又要灵活经济，安装容易维修方便。
4、短路电流的计算，并选择配电所的一次设备及其校验
工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限大容量系统供电进行短路计算。求出各短路点的三相短路电流及相应有关参数。
参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择高压配电设备，如断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验，并列表表示。
5、选择电源进线及工厂高压配电线路
为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行导线和电缆截面选
择时必须满足发热条件：
导线和电缆(包括母线)在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。
6、整定继电及并选择二次回路保护
为了监视、控制和保证安全可靠运行，各用电设备，皆需设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算。
7、总配电所防雷保护和接地装置的设计
参考本地区气象及地质资料，设计防雷接地装置和接地装置。
8、车间自然条件
⑴气象资料
①车间内最热月的平均温度30℃。
②地中最热月的平均温度为25℃。
③车间环境属于正常干燥环境。
⑵地质水文资料
车间原址为耕地，地势平坦，地层以黄土为主，地下水位为10m，本厂所在地区平均海拔700m。
二、负荷计算和无功功率补偿
（一）负荷计算的方法
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。
本设计将采用需要系数法予以确定。
所用公式有：
有功功率 P
30=K
d
P
e
无功功率 Q
30= P
30
tan?
视在功率 S
30=
?
cos
P
30 =
计算电流 I 30
=
N 30U 3
计算步骤：1.铸造车间：动力： P 30=K d P e =90
Q 30= P 30tan ?= 119.7
S 30=?
cos P 30
= 138.5 ==
N
U S I 33030 2.1
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?= 0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
2.锻压车间：动力： P 30=K d P e =40
Q 30= P 30tan ?=53.2
S 30=?
cos P 30
= 66.7 ==
N
U S I 33030101.4
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?=0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
3.金工车间：动力： P 30=K d P e =40
Q 30= P 30tan ?=53.2
S 30=?
cos P
30
= 66.7 ==
N
U S I 33030101.4
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?= 0
S 30=?
cos P 30
=3.5 ==
N
U S I 33030 5.3
4.工具车间：动力： P 30=K d P e =40
Q 30= P 30tan ?=53.2
S 30=?
cos P 30
= 66.7 ==
N
U I 33030101.4
照明：P 30=K d P e =3，5
Q 30= P 30tan ?=0
S 30=?
cos P 30
=3.5 ==
N
U S I 33030 5.3
5.电镀车间：动力： P 30=K d P e =60
Q 30= P 30tan ?=61.2
S 30=?
cos P 30
= 85.7 ==
N
U S I 33030103.4
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?=0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
6.热处理车间：动力： P 30=K d P e =40
Q 30= P 30tan ?=40.8
S 30=
?cos P 30 =57.1 ==N U S
I 3303086.9 照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?=0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
7.装配车间：动力： P 30=K d P e =30
Q 30= P 30tan ?=30.6
S 30=?
cos P 30
=42.9 ==
N
U S I 3303065.2
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?= 0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
8.机修车间：动力： P 30=K d P e =20
Q 30= P 30tan ?=26.6
S 30=?
cos P 30
= 33.3 ==
N
U S I 3303050.7
照明：P 30=K d P e =3.5
Q 30= P 30tan ?= 0
S 30=?
cos P
30 =3.5
==
N
U S I 33030 5.3
9.锅炉房：动力： P 30=K d P e =40
Q 30= P 30tan ?= 53.2
S 30=?
cos P 30
=66.7 ==
N
U S I 33030101.4
照明：P 30=K d P e =1.4
Q 30= P 30tan ?= 0
S 30=?
cos P
30 =1.4
==
N
U S I 33030 2.1
10.仓库：动力： P 30=K d P e =2
Q 30= P 30tan ?= 2.7
S 30=?
cos P 30
=3.3 ==
N
U S I 33030 5.1
照明：P 30=K d P e =0.7
Q 30= P 30tan ?=0
S 30=?
cos P
30 =0.7
==N
U S I 33030 1.1
（二）负荷计算结果 见表2.1
表2.1 某机械厂负荷计算表
（三）无功补偿容量
在工厂总配电所的10KV 进线侧计量，工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9，,因此在配电所二次侧进行高压无功集中补偿，进线侧补偿后的功率因数由0.74提高到0.96，要想达到0.95需取cos φ=0.96。
二次侧需装设的并联电容器容量为：
C Q =441.7×(arccos tan 0.74－arccos tan 0.96 )KVar≈280Kvar
三、变电所位置和型式的选择
（一）配电所所址选择的一般原则
1、尽量接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。
2、进出线方便，特别是要便于架空进出线。
3、接近电源侧，特别是工厂的总降压变电所和高压配电所。
4、设备运输方便，特别是要考虑电力变压器和高低压成套配电装置的运输。
5、不因设在有剧烈震动或高温的场所，无法避开时，应有防震和隔热的措施。
6、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，无法远离时，不应设在污染源的下风侧。
7、不应设在厕所、浴室和其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻。
8、不应设在有爆炸危险环境的正下方或正上方，且不应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GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定。
9、不应设在地势低洼和可能积水的场所。
（二）变电所位置和形式的选择
变电所的位置i应尽量接近负荷中心。工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定，计算公式为：
X=P1X1+P2X2+P3X3+…/P1+P2+P3+…=5.2
Y=P1Y1+P2Y2+P3Y3+…/P1+P2+P3+…=3.1
通过计算工厂的负荷中心在锅炉房地西方。考虑到周围环境和进出线方便，
决定在电镀车间的西侧紧靠锅炉房建造变电所。
四、变电所主变压器台数和容量、类型的选择
（一）方案选择原则
1、当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。
2、接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。
3、6～10KV 固定式配电装置的进线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。
4、采用6～10 KV 熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。
5、由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器。
（二）变电所主变压器台数的选择
变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷；季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级重要负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。
（三）变电所主变压器容量选择 装设一台变压器N T S ?≥470
又考虑到本厂的气象资料（年平均气温为20C ），所选变压器的实际容量：也满足使用要求，同时又考虑到未来5~10年的负荷发展，初步取N T S ?=600kV A ? 。考虑到安全性和可靠性的问题，确定变压器为SC3系列箱型干式变压器。型号：
SC3-600/10
五、变电所主结线方案的设计
（一）变配电所主结线的选择原则
(1).当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。
(2).当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。
(3).当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。
(4).为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。
(5).接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。
(6).6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。
(7).采用6～10 KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。
(8).由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。
(9).变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。
(10).当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。
（二）主结线方案选择
降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。
(1)一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路。
(2) 一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的降压变电所主电路。
(3)一、二次侧均采用单母线分段的降压变电所主电路图这种主结线图兼有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的降压变电所
(4)一、二次侧均采用双母线的降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结线（即全桥式结线）。
方案Ⅰ：高、低压侧均采用单母线分段。优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。
方案Ⅱ：单母线分段带旁路。优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。
方案Ⅲ：高压采用单母线、低压单母线分段。优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。
以上三种方案均能满足主接线要求，采用三方案时虽经济性最佳，但是其可靠性相比其他两方案差；采用方案二需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案Ⅰ。
六、短路电流的计算
工厂供电系统要求正常的不间断的对负荷供电，以保证工厂生产和生活的正常进行。然而由于各种原因也难免出现故障，而使系统正常运行遭到破坏。系统中最常见的故障就是短路。短路就是不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的电阻性短路。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。
（一）采用标幺制法进行短路计算
本厂的供电系统简图如图（一）所示。采用两路电源供线，一路为距本厂7km 的馈电变电站经LGJ-120架空线（系统按∞电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为350MVA ；一路为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压6kV 母线上k-1点短路和低压380V 母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。
SC3-1000/10
380V
SC3-1000/10
K-1
K-26KV
（图一）
（二）下面采用标么制法进行短路电流计算。
1、确定基准值：
取100d S MV A =?，Uc1=6.2kV,20.4c U kV = 所以：I dl =9.3kA, I d2=144kA
2、计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：（忽略架空线至变电所的电缆电抗）
1) 电力系统的电抗标么值： X *1=
350MVA
100MVA
=0.29
2) 架空线路的电抗标么值：查手册得X0=0.37Ω/km ，因此： X *2=0.37(Ω/km)*7km*
(6.2kV)2
100MVA
=6.7
3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得%6k U =，因
此：34
6100** 6.0001001000MV A X X kV A
??===?? 可绘得短路等效电路图如图6.2所示。
K-1
K-2
图6.2
3、计算k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量 1) 总电抗标么值：
X *1∑
-）（K = X *
1+X *2=6.99 2) 三相短路电流周期分量有效值： I )3(1-k =
*
1)-(k d1X I ∑=Ω
99.615.5kA
=2.22kA