机械厂变电所一次系统设计_简洁范本

某机械厂一次设计

摘要

电能是现代工业生产的主要能源和动力。机械厂供电系统的核心部分是变电所。变电所主接线设计是否合理，关系到整个电力系统的安全、灵活和经济运行。

本设计在给定机械厂具体资料的基础上，依据变电所设计的一般原则和步骤，完成了变电所一次系统设计。本设计中采用并联电容器的方法来补偿无功功率，以减少供电系统的电能损耗和电压损失，同时提高了供电电压的质量。此机械厂变电所一次系统设计包括：负荷的计算及无功功率的补偿；变电所主变压器台数和容量、型式的确定；变电所主接线方案的选择；进出线的选择；短路计算和开关设备的选择；根据设计要求，绘制变电所一次系统图。

关键词：电能；变电所；一次系统。

目录

1 前言 0

1.1 引言错误!未定义书签。

1.2 设计原则 (1)

2 负荷计算及电容补偿 (4)

2.1 负荷计算的定义 (4)

2.2 负荷计算 (4)

2.2.1 负荷计算的方法 (4)

2.2.2 负荷统计计算 (5)

2.3 电容补偿 (7)

3 负荷计算及电容补偿 (9)

3.1 主变压器台数选择 (9)

3.2 主变压器容量选择 (9)

3.3 主接线方案确定 (10)

3.3.1 变电所主接线方案的设计原则与要求 (10)

3.3.2 变电所主接线方案的技术经济指标 (10)

3.3.3 工厂变电所常见的主接线方案 (11)

3.3.4 确定主接线方案 (11)

3.4 无功功率补偿修定 (13)

4 高低压开关设备选择 (15)

4.1 短路电流的计算 (15)

4.1.1 短路的定义 (15)

4.1.2 短路计算的目的 (15)

4.1.3 短路计算的方法 (15)

4.1.4 本设计采用标幺制法进行短路计算 (15)

4.2 变电站一次设备的选择与校验 (21)

4.2.1 一次设备选择与校验的条件 (21)

4.2.2 按正常工作条件选择 (22)

4.2.3 按短路条件校验 (22)

4.2.4 10kV侧一次设备的选择校验 (23)

4.2.5 380V侧一次设备的选择校验 (25)

4.3 高低压母线的选择 (26)

5 变电所进出线和低压电缆选择 (29)

5.1 变电所进出线的选择范围 (29)

5.2 变电所进出线方式的选择 (29)

5.3 变电所进出导线和电缆形式的选择 (29)

5.4 导线和电缆截面的选择计算 (30)

5.5 高压进线和低压出线的选择 (30)

5.5.1 10kV高压进线的选择校验 (30)

5.5.2 由高压母线至主变的引入电缆的选择校验 (31)

5.5.3 380V低压出线的选择 (31)

6 总结 (37)

7 参考文献 (38)

附录 (39)

致谢 (41)

1 前言

1.1引言

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。

在工程机械制造厂里，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。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。

电能从区域变电站进入机械厂后，首先要解决的就是如何对电能进行控制、变换、分配和传输等问题。在机械厂，担负这一任务的是供电系统，供电系统的核心部分是变电所。一旦变电所出了事故而造成停电，则整个机械厂的生产过程都将停止进行，甚至还会引起一些严重的安全事故。

机械厂变电所要很好地为生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：

(1)安全在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。

(2)可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。

(3)优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求

(4)经济供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

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。

1.2设计原则

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》、JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》等的规定，进行变电所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。

1.3本设计所做的主要工作

目前世界上机械生产能源和动力主要来源于电能。电网的正常运行是保证机械生产安全前提。根据设计任务书的要求，结合实际情况和市场上现有的电力产品及其技术，本文主要做了以下工作：

1、负荷计算

机械厂变电所的负荷计算，是根据所提供的负荷情况进行的，本文列出了负荷计算表，得出总负荷。

2、一次系统图

跟据负荷类别及对供电可靠性的要求进行负荷计算，绘制一次系统图，确定变电所高、低接线方式。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。

3、电容补偿

按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，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。

4、变压器选择

根据电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器型号。

5、短路电流计算

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。

6、高、低压设备选择及校验

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、低压配电设备，如隔离开关、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。

7、电缆的选择

为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行电缆截面选择时必须

满足发热条件：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。

2负荷计算及电容补偿

2.1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。

由于本机械厂用电部门较多，用电设备台数较多，设计采用需要系数法予以确定。

1．单台组用电设备计算负荷的计算公式

(1).有功计算负荷(单位为kW)：

30d e P K P = (2-1)

式中 30P —设备有功计算负荷(单位为k W )；

e P —用电设备组总的设备容量(不含备用设备容量，单位为k W )； d K —用电设备组的需要系数。

(2).无功计算负荷(单位为kvar)

3030tan Q P φ= (2-2)

式中 30Q —设备无功计算负荷(单位为k var )；

tan φ—对应于用电设备组功率因数cos φ的正切值。

(3).视在计算负荷(单位为kVA)

30

30cos P S φ

=

(2-3) 式中 30S —视在计算负荷(单位为k V A )；

cos φ—用电设备组的功率因数。

(4).计算电流(单位为A)

30

303N

I U =

式中 30I —计算电流(单位为A)；

30S —用电设备组的视在功率(单位为kVA)； N U —用电设备组的额定电压(单位为kV)。 2．多组用电设备计算负荷的计算公式

(1).有功计算负荷(单位为kW)

3 30z p i P K P =∑?·∑ (2-5)

式中 3z P —多组用电设备有功计算负荷(单位为k W )；

30i P ·∑—所有设备组有功计算负荷30P 之和； p K ∑?—有功负荷同时系数，可取0.7～0.95。

(2).无功计算负荷(单位为kvar)

330z q i Q K Q g g Σ=∑ (2-6)

式中 3z Q —多组用电设备无功计算负荷(单位为k var )；

30i Q g ∑—所有设备组无功计算负荷30Q 之和；

q K g Σ—无功负荷同时系数，可取0.8～0.95。

(3).视在计算负荷(单位为kVA)

22333z z z S p Q =

+(4).计算电流(单位为A)

333z

z N

I U =

(5).功率因数

33cos z

z

P S φ=

(2-9) 2.2负荷统计计算

根据提供的资料，列出负荷计算表。因设计的需要，计算了各负荷的有功功率、无功功率、视在功率、计算电流等。表中生活区的照明负荷中已经包括生活区各用户的家庭动力负荷。具体负荷的统计计算见表2-1。

表2-1 某机械厂负荷计算表

序 号 名称

类别

设备容量 e p (kW) 需要系数

d K cos ? tan ? 计算负荷

30(kW)p 30(k var)Q 30(kVA)S 30(A)I

1 铸造车间 动力

300 0.4 0.7 1.02 120 122.4 — — 照明 10 0.8 0.9 0.48 8 3.8 — — 小计 310 — —

—

128 126.2 179.8 273

动力

280

0.3

0.6 1.33

84

111.7

—

—

2锻压车间照明100.70.90.487 3.4——小计290———91115.1146.7223

3仓库动力300.40.850.62127.4——照明50.80.90.484 1.9——小计12———169.318.528

4电镀车间动力2000.50.850.6210062——照明80.80.90.48 6.4 3.1——小计208———106.465.1124.7189

5工具车间动力2500.30.65 1.177587.8——照明100.90.90.489 4.3——小计260———8492.1124.7189

6组装车间动力2000.40.7 1.028081.6——照明260.80.90.4820.810——小计226———100.891.6136.2207

7维修车间动力3000.20.6 1.336079.8——照明130.80.9 0.4810.45——小计313———70.484.8110.2167

8金工车间动力3500.20.65 1.177081.9——照明80.80.90.48 6.4 3.1——小计358———76.485.0114.3174

9焊接车间动力8500.30.45 1.98255504.9——照明260.80.90.4820.810——小计876———275.8514.9584.1887

10锅炉房动力2000.70.80.75140105——照明40.80.90.48 3.2 1.5——小计204———143.2106.5178.5271

11热处理车间动力5000.60.7 1.02300306——照明100.80.90.488 3.8——小计510———308309.8436.8664

12生活区照明2000.70.90.4814067.2155.3236

总计（380v侧）动力3460

———15401667.6——照明330

取

——

12321334.118162759

0.80.8p q K K ∑∑==，

2.3电容补偿

由表2-1知：31232kW z P =，31816kVA z S =，因此该厂380V 侧最大负荷时的功率因数为3z

3z

cos 0.678P S φ=

=。供电部门要求该厂10kV 进线侧最大负荷时的功率因数不应低于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，本文取0.93来计算380V 侧所需无功功率补偿容量：

3Z 12(tan tan )c Q P φφ=-g (2-10)

1232[tan(arccos0.678)tan(arccos0.93)]var

849var

k k =-=

选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案4（辅屏）7台相组合，总共容量112kvar ×8=896kvar 。

无功补偿后工厂380V 侧的负荷计算：

'31232kW z P =；

'31334.1-896=438.1kvar z Q =；

''2'2223331232438.11307.6KVA z z z S Q Q =+=+=；

补偿后低压侧的功率因素：

'3'31232

cos 0.9421307.6z z

P S φ===

3变压器选择及主接线方案确定

3.1主变压器台数选择

选择主变压器台数时应考虑下列原则：

1．应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，

但必须有备用电源。

2．对季节性负荷或昼夜负荷变动较大，适于采用经济运行方式的变电所，可采用两台变压器。

3．当负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台或多台变压器。

4．在确定变电所台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。

3.2主变压器容量选择

1．只装一台主变压器的变电所

主变压器容量S 应满足全部用电设备总计算负荷S 3的需要，即

3S S ≥ (3-1) 2．装有两台主变压器的变电所

每台变压器的容量Sz 应同时满足以下两个条件：

(1)任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷S 3的大约60%:80%的需要，即

3(0.60.8)S S =: (3-2)

(2)任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的需要，即

3()S S I+II ≥ (3-3)

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下列两种方案： 方案1 装设一台主变压器

根据式(3-1)，主变选用一台接线方式为D.yn11的S11-1600/10型变压器，根据民用建筑规范要求变压器的负载率不宜大于85%，而

160085%1360kVA>1307.6KVA z S =?= (3-4) 显然满足要求。至于机械厂的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。因此装设一台主变压器时选一台接线方式为D.yn11的S11-1600/10型低损耗配电变压器。

方案2 装设两台主变压器 根据式(3-2)和(3-3)，可知

(0.60.75)1307kVA (784.2980.25)kVA S =?=::

3()179.8124.7178.5kVA kVA S S I+II ≥=+(＋)＝483

因此选两台接线方式为D.yn11的S11-1000/10型低损耗配电变压器。两台变压器并列运行，互为备用。

3.3主接线方案确定

3.3.1变电所主接线方案的设计原则与要求

变电所的主接线，应根据变电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。

(1)安全应符合有关国家标准和技术规范的要求，能充分保证人身和设备的安全。

(2)可靠应满足电力负荷特别是其中一、二级负荷对供电可靠性的要求。

(3)灵活应能必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。

(4)经济在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。

3.3.2变电所主接线方案的技术经济指标

1.主接线方案的技术指标

(1)供电的安全性。主接线方案在确保运行维护和检修的安全方面的情况。

(2)供电的可靠性。主接线方案在与用电负荷对可靠性要求的适应性方面的情

况。

(3)供电的电能质量主要是指电压质量，包括电压偏差、电压波动及高次谐波

等方面的情况。

(4)运行的灵活性和运行维护的方便性。

(5)对变电所今后增容扩建的适应性。

2.主接线方案的经济指标

(1)线路和设备的综合投资额包括线路和设备本身的价格、运输费、管理费、

基建安装费等，可按当地电气安装部门的规定计算。

(2)变配电系统的年运行费包括线路和设备的折旧费。维修管理费和电能损

耗费等。

(3)供电贴费（系统增容费）有关部门还规定申请用电，用户必须向供电部门

一次性地交纳供电贴费。

(4)线路的有色金属消耗费指导线和有色金属（铜、铝）耗用的重量。

3.3.3工厂变电所常见的主接线方案

1.只装有一台主变压器的变电所主接线方案

只装有一台主变压器的变电所，其高压侧一般采用无母线的接线，根据高压侧采用的开关电器不同，有三种比较典型的主接线方案：

(1)高压侧采用隔离开关-熔断器或户外跌开式熔断器的主接线方案；

(2)高压侧采用负荷开关-熔断器或负荷型跌开式熔断器的主接线方案；

(3)高压侧采用隔离开关-断路器的主接线方案。

2.装有两台主变压器的变电所主接线方案

装有两台主变压器的变电所的典型主接线方案有：

(1)高压无母线、低压单母线分段的主接线方案；

(2)高压采用单母线、低压单母线分段的主接线方案；

(3)高低压侧均为单母线分段的主接线方案。

3.3.4确定主接线方案

1.10kV侧主接线方案的拟定

由原始资料可知，高压侧进线有一条10kV的公用电源干线，为满足工厂二级负荷的要求，又采用与附近单位连接高压联络线的方式取得备用电源，因此，变电所高压侧有两条电源进线，一条工作，一条备用，同时为保证供电的可靠性和对扩建的适应性所以10kV侧可采用单母线或单母线分段的方案。

2.380V侧主接线方案的拟定

由原始资料可知，工厂用电部门较多，为保证供电的可靠性和灵活性可采用单母线或单母线分段接线的方案，对电能进行汇集，使每一个用电部门都可以方便地获得电能。

3.方案确定

根据前面章节的计算，若主变采用一台S11型变压器时，总进线为两路。为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，低压侧采用单母线形式，其系统图见：图3-1 采用一台主变时的系统图。

若主变采用两台S11型变压器时，总进线为两路，为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，两台变压器在正常情况下分裂运行，当其中任意一台出现故障时另一台作为备用，当总进线中的任一回路出现故障时两台变压器并列运行。低压侧采用也单母线分段形式，其系统图见：图3-2 采用两台主变时的系统图。

图3-1 采用一台主变时的系统图

图3-2 采用两台主变时的系统图

表3-3 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，电压损耗略大 由于两台主变并列，电压损耗略小

灵活方便性 只有一台主变，灵活性不好 由于有两台主变，灵活性较好 扩建适应性 差一些

更好

经济指

标

电力变压器的 综合投资额

按单台22.598万元计，综合投资 为2×22.598=45.196万元

按单台15.217万元计，综合投资 为4×15.217=60.868万元

高压开关柜（含计量柜）的综合投资额

按每台4.2万元计,综合投资约为 5×1.5×4.2=31.5万元

6台GG-1A （F ）型柜综合投资约 为6×1.5×4.2=37.8万元

电力变压器和高压开关柜的年运行费 主变和高压开关柜的折旧和维修 管理费约7万元 主变和高压开关柜的折旧和维修 管理费约10万元 交供电部门的一次性供电贴费

按800元/kV A 计，贴费为1600 ×0.08万元=128万元

贴费为2×1000×0.08=160万元

从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案优于装设一台主变的方案。从经济指标来看，装设一台主变的方案优于装设两台主变的方案。由于集中负荷较大，已经大于1250kVA,低压侧出线回路数较多，且有一定量的二级负荷，考虑今后增容扩建的适应性，从技术指标考虑，采用于装设两台主变的方案。

3.4无功功率补偿修定

低压采取单母线分段接线方式，考虑铸造车间、电镀车间和锅炉房为二级负荷，采用双回路供电，但在正常状态下只由一回路供电，另回路作为备用。计算负荷时则，只考虑其中一回路。为使两段母线的负荷基本平衡，Ⅰ段母线负荷设计为：铸造车间、仓库、电镀车间、工具车间、金工车间、焊接车间；Ⅱ段母线负荷设计为：锻压车间、组装车间、维修车间、锅炉房、热处理车间、生活区。

Ⅰ段母线的负荷情况：686.6kW P I =∑，892.6k var Q I =∑，cos 0.61φ=，同时系数取为0.9X K =，617.94kW P I =，803.34k var Q I =；

Ⅱ段母线的负荷情况：853.4kW P II =∑，775kvar Q II =∑，cos 0.74φ=，同时系数取为0.9X K =，768.06kW P II =，697.5k var Q II =；

对无功功率补偿进行修定：

计算Ⅰ段母线所需无功功率补偿容量，取cos 0.93φ=：

z 12(tan tan )617.94[tan(arccos 0.61)tan(arccos 0.93)]var 558.5var

Q P k k ??I I =-=-=选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW 0.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案4（辅屏）4台相组合，总共容量112kvar ×5=560kvar 。补偿后的功率因素cos '0.93φI =。

计算Ⅱ段母线所需无功功率补偿容量，取cos 0.93φ=：

z 12(tan tan )768.06[tan(arccos 0.74)tan(arccos 0.93)]var 394.6var

Q P k k ??II II =-=-=选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW 0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案4（辅屏）3台相组合，总共容量112kvar ×3+80=416kvar 。补偿后的功率因素cos '0.94φI =。

4高低压开关设备选择

4.1短路电流的计算

4.1.1 短路计算的方法

进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算出电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（又称有名单位制法，因其短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名）和标幺制法（又称相对单位制法，因其短路计算中的有关物理量采用标幺值即相对单位而得名）。 4.1.2本设计采用标幺制法进行短路计算

1．标幺制法计算步骤和方法

(1)绘计算电路图，选择短路计算点。计算电路图上应将短路计算中需计入的所以电路元件的额定参数都表示出来，并将各个元件依次编号。

(2)设定基准容量d S 和基准电压d U ，计算短路点基准电流d I 。一般设

d S =100MVA ，设d U =c U （短路计算电压）。短路基准电流按下式计算：