工厂总配变电所及配电系统设计

工厂总配变电所及配电

系统设计

文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

重庆大学网络教育学院毕业设计（论文）

题目某工厂总配变电所及配电系统设计

学生所在校外学习中心四川遂宁校外学习中心

批次层次专业201601、专科起点本科、电气工程及其自动化

学号W1420345

学生杨敏

指导教师董光德

起止日期

在国民经济高速发展的今天，电能的应用越来越广泛，生产、科学、研究、日常生活都对电能的供应提出更高的要求，因此确保良好的供电质量十分必要。论文注重理论联系实际，理论知识力求全面、深入浅出和通俗易懂，实践技能注重实用性，可操作性和有针对性。

本设计选择进行了一个模拟的中小型工厂10/、容量为的降压变电所，区域变电站经10KV双回进线对该厂供电。该厂多数车间为三班制。本厂绝大部分用电设备属长期连续负荷，要求不间断供电。全年为306个工作日，年最大负荷利用小时为6000小时。属于二级负荷。

论文论述了供配系统的整体功能和相关的技术知识，重点介绍了工厂供配电系统的组成和部分。系统的设计和计算相关系统的运行，并根据工厂所能取得的电源及工厂用电负荷的实际情况，并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，确定了变电所的位置与形式及变电所至变压的台数与容量、类型及选择变电所主接线方案及高低设备与进出线。

本论文共分部分包括：负荷计算和无功功率补偿、变电所位置和形式选择、变电所主变压器的台数、类型容量及主接线方案的选择、短路电流的计算、变电所一次设备的选择与校验、变电所电气主结线图、工厂二次回路方案的选择继电保护的设计与整定以及防雷、接地设计：包括直击雷保护、行波保护和接地网设计。

关键词：负荷计算短路计算主接线无功补偿设备选择

中文摘要 (1)

1引言 (1)

2原始材料分析 (2)

工厂供电设计的一般原则 (2)

工程概况 (2)

供电条件 (2)

全厂负荷计算 (3)

3无功功率的补偿及变压器的选择 (4)

就地补偿 (4)

低压集中补偿 (4)

变压器的选择及高压集中补偿 (5)

4主接线设计 (6)

主接线设计的原则 (6)

变配电所主接线方案的经济指标 (7)

5短路电流计算 (8)

短路电流的计算 (8)

6变电所的一次设备选择和校验 (12)

高压设备器件的选择及校验 (12)

.....................................................................1 2 ..................................................................1 3 ....................................1 3 电压互感器的选择与校验 (14)

高压熔断器的选择与校验 (14)

..............................................................................1 4 10k V进线与各车间变电所进线的校验 (14)

低压设备器件的选择及校验 (16)

各车间的进线装设低压熔断器 (20)

母线的选择与校验 (21)

.....................................................................2 1 .....................................................................2 2 绝缘子和套管选择与校验 (23)

...........................................................................2 3 .................................................................................2 4 7变配电所得布置与机构设计 (24)

8防雷装置及接地装置设计 (25)

直击雷保护 (25)

配电所公共接地装置的设计 (25)

行波保护 (26)

9二次回路方案的选择及继电保护的整定计算 (26)

二次回路方案的选择 (26)

变电所继电保护装置配置 (27)

电力线路继电保护 (27)

(28)

10结束语 (30)

参考文献 (30)

1 引言

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。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：电能输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

按照《工厂供电技术》以及所满足的必须原则进行初步设计、技术设计和施工设计等三个阶段去实行。满足所给的负荷条件、供电条件、技术条件和设备的选择的可行性。必须遵守国家的有关规程和标准，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。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，应采用效率高、能耗低、性能较先进的电气产品。应根据工程特点、规模和发展规则，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和供电地区的条件等，合理确定设计方案。

在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是他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，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。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。由此可见，一个好的供配电设计是一个工厂能顺利投产、运行、盈利的基石。对于一个工厂来说，一套好的供配电设计是必须有的。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。

2 原始材料分析

工厂供电设计的一般原则

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。

工程概况

化纤毛纺厂10kV配变电所供电给织造车间、染整车间、锅炉房、食堂、水泵房、化验室及其他车间变电所。已知工厂三班制工作，年最大负荷利用小数6000h，其中织造车间、染整车间、锅炉房为二级负荷。二级负荷是指中断供电将

在政治上、经济上造成较大的损失的用电设备。在条件允许的情况下，二级负荷应有两条线路供电，例如煤气站的鼓风机、10吨以下的电弧炼钢炉的低压用电设备和刚玉冶炼电炉变压器等，中断供电可能造成主要设备损坏或大量产品报废

供电条件

（1）供电部门可提供双回路10kV电源，一用一备。

（2）电源1进线处三相短路容量120MVA，进线电缆长约150米。电源2进线处三相短路容量100MVA，进线电缆长约120米。

（3）采用高供高计，要求月平均功率因数不小于，。要求计量柜在主进开关柜之后，且第一柜为主进开关柜。

（4）为其他车间变电所提供2路10kV电源出线，容量每路800kVA。

（5）配变电所设于厂区负荷中心，为独立式结构，有人值班。低压供电半径小于250m。配变电所建筑构造及面积由电气设计定。

全厂负荷计算

采用需要系数法计算各车间变电所的计算负荷，具体数据如表2-1所示。

表2-1

30P =N S ?cos ∑30P =P K ∑30P ∑ 30Q =30P ?tg ∑30Q =Q K ∑30Q ∑

30S =230230Q P + ∑30S =2

30230∑∑+Q P

3 无功功率的补偿及变压器的选择

电力部门规定，无带负荷调整电压设备的工厂?cos 必须在以上。为此，一般工厂均需安装无功功率补偿设备，以改善功率因数。我们采取的无功补偿方式是：高压补偿和低压补偿相结合、集中补偿与就地补偿相结合。在需要补偿容量大的车间采用就地补偿的方式其余采用低压集中补偿和高压集中补偿方式。根据该工厂的负荷特点，根据这一思路，我们选择在变电所选择1、2、5车间，变电所8、9车间采用就地补偿。

根据供电协议的功率因数要求，取补偿后的功率因数91.0cos =?，各个补偿的容量计算如下： 就地补偿：

列 车间变电所：

制条车间： 2tan ?P Q Q c -= 91.0cos 2=? 联立得：kVar Q c 88.780456272204=?-=

根据《供电技术》233页表26知并列电容器的标称容量选择六个3，即补偿容量为84kVar 。

补偿后剩余容量：c Q Q Q -=`=204-84=120kVar

同理可得2、5、8、9车间的补偿容量及补偿后剩余容量。 低压集中补偿

对变电所母线，采用三个型号为3进行低压集中补偿，补偿容量为36kVar 。 对变电所母线，采用两个型号为2进行低压集中补偿，补偿容量为24kVar 。 对变电所母线，采用三个型号为6进行低压集中补偿，补偿容量为84kVar 。 变压器的选择及高压集中补偿

变压器本身无功的消耗对变压器容量的选择影响较大，故应该先进行无功补偿才能选出合适的容量。

取9.0=∑P

K 95.0=∑Q K

∑30P =P K ∑30P ∑ ∑30Q =Q K ∑30Q ∑

∑30S =2

30230∑∑+Q P

变电所：∑30S =

考虑15%裕量：()kVA S 36.834%1515327.725`=+?= 根据《供电技术》222页表4 选SL7-1000/10 接线方式Y,y 0n

该变压器的参数为：5

.4%%5.2%11600180000====k k U I W P W P

2

30?

??

? ???+?=?NT Cu Fe T S

S P P P =1800+11600kW 7.710007102

=??? ?? 2

100%

100

%

???

? ???+?=?NT c NT NT

T S S S U S I Q =2

100071010001005.410001005.2??? ???+?=48kVar 同理可得和的变压器选型及高压集中补偿前的参数，其中选SL7-400/10 接线方式Y,y 0n

高压集中补偿：以上在车间和车变补偿之后，在高压侧的有功和无功变为各个车间变电所高压侧的有功，无功之和。

于是高压侧的有功与无功为： =∑?+∑=T P P P +=

T Q Q Q ∑?+∑==+=

()??tan tan 30-=P Q c =

选用三个型号为3进行高压集中补偿，补偿容量为120kVar 。 补偿后的功率因数达到

主接线设计的原则

一次接线图也叫做主接线图，是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。电气一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等。

变电所主接线应满足以下几点要求：

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。

可靠：应满足电力负荷对供电可靠性的要求。

灵活：应能适应必要的各种运行方式，便于操作和检修，且适应负荷的发展。

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。

变配电所主接线方案的经济指标

设计变配电所主接线，应根据所选主变压器的容量以及负荷对供电可靠性的要求，初步确定2～3个比较合适的主接线方案来进行技术经济比较，择其忧者作为选定的变配电所主接线方案。主接线的基本方式有以下四种：

单母线接线

母线是连接电源和引出线的中间环节，起汇集和分配电能的作用，只有一组母线的接线称为单母线.单母线接线简单明了，操作方便，便于扩建，投资少。

双母线连线

在单母线连线的基础上，设备备用母线，就成为双母线。它在供电可靠性和运行灵活性方面是最好的一种主接线。可投资大，开关电器多，配电装置复杂，占地面积大，不适合一般配电所。

桥式接线

当配电所只有两回路电源进线和两台主变压器时，采用桥式接线用的断路器台数最少，投资低。

线路一变压器组单元接线

当单回路单台变压器供电时，宜采用此进线，所有的电气设备少，配电装置简单，节约建设投资。

因为该厂是二级负荷，考虑到经济因素故本方案采用10kV 双回进线，单母线分段供电方式，在车变中接明备用变压器。采用这种接线方式的优点有可靠性和灵活性较好，当双回路同时供电时，正常时，分段断路器可合也可开断运行，两路电源进线一用一备，分段断路器接通，此时，任一段母线故障，分段与故障断路器都会在继电保护作用下自动断开。故障母线切除后，非故障段可以继续工作。当两路电源同时工作互为备用试，分段断路器则断开，若任一电源故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器自动投入，保证继续供电。

5 短路电流计算

短路电流计算方法： 基准电流 av

j j U S I 3=

三相短路电流周期分量有效值 )

3(Z I =

*

∑

X I j

三相短路容量的计算公式 )3(k S =

*∑

X

S j

在10/变压器二次侧低压母线发生三相短路时，一般∑∑

1

。 短路电流的计算

取B S =100MVA ，kV U av 5.10=

所以 *1

T X =1100%TN B k S S U =5.410

1000101001005.43

6

=??? *2T X =*

1T X =

*

3

T X

=3100%TN B k S S U =

7.12315

1010010046

=?? 总配进线：L X =Ω=?18.06.0

=*

L

X L X 2

av B U S =?2

5.10100

= 总配到变电所进线： L X =?=Ω

=*

L

X L X 2

av B U S =?2

5.10100

= 总配到变电所进线： L X =?=Ω

=*

L

X L X 2

av B U S =?2

5.10100

= 最大运行方式下： 绘制等效电路图

1K : 615.016.02

1

535.0*=?+=∑X

)3(Z

I

=

*∑

X I j

=

kA 94.8615

.05

.5= )

3(sh i =)3(z I =

)

3(sh

I

=

kA i sh

52.13686

.1)3(= )3(k

S

=

*∑

X S j

=

MVA 6.162165

.0100

= 2K : *

∑X =+405.55.429.016.02

1=++?

)

3(Z I =

*

∑

X I j

=

kA 7.26405

.534

.144= )

3(sh i =)3(z I =kA 13.497.26=?

)

3(sh

I

=

kA i sh 04.29692

.113

.49692.1)3(== )3(k

S

=

*∑

X S j

=

MVA 5.18405

.5100

= 3K : *

∑X =+115.55.416.02

1=+?

)

3(Z I =

*

∑

X I j

=

kA 22.28115

.534

.144= )

3(sh i =)3(z I =kA 92.5122.28=?

)

3(sh

I

=

kA i sh 69.30692

.192

.51692.1)3(==

)3(k S =

*∑

X j

=

MVA 55.19115

.5= 4K : *

∑X =+90.137.1258.016.02

1=++?

)3(Z

I

=

*∑

X I j

=

kA 38.1090

.1334

.144= )

3(sh i =)3(z I =kA 11.1938.10=?

)

3(sh

I

=

kA i sh 29.11692

.111

.19692.1)3(== )3(k

S

=

*∑

X S j

=

MVA 19.790

.13100

= 最小运行方式下：

绘制等效电路图

1K : *

∑X =+=

)

3(Z

I

=

*∑

X I j

=

kA 05.509

.15

.5= )3(sh i =)

3(Z I =kA 88.1205.5=?

)

3(sh

I

=

kA i sh

64.7686

.1)3(= )3(k

S

=

*∑

X S j

=

MVA 74.9109

.1100

= 2K : *

∑X =+++=

)

3(Z

I

=

*∑

X I j

=

kA 55.2488

.534

.144= )3(sh i =)

3(Z I =kA 17.4555.24=?

)

3(sh

I

=

kA i sh

69.26692

.1)3(= )3(k S =

*∑

X S j

=

MVA 06.1788

.5100

= 3K : *

∑X =++=

)

3(Z I =

*

∑

X j

=

kA 82.2559

.5= )3(sh i =)

3(Z I =kA 51.4782.25=?

)

3(sh

I

=

kA i sh 08.28692

.151

.47692.1)3(== )3(k S =

*∑

X S j

=

MVA 89.1759

.5100

= 4K : *

∑X =+++=

)3(Z I =

*

∑

X I j

=

kA 04.1037

.1434

.144= )

3(sh i =kA 48.1804.10=?

)

3(sh

I

=

kA i sh 92.10692

.148

.18692.1)3(== )3(k S =

*∑

X S j

=

MVA 96.637

.14100

= 将以上数据列成短路计算表，如表5-1和表5-2所示：

表5-1

供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套电设备等。电气设备选择的一般要求必须满足一次

电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。

电气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电气装置所处的位置（室内或室外）、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求；对一些断流电器如开关、熔断器等，应考虑断流能力。 高压设备器件的选择及校验

23022717379（1）按工作环境选型：户外式

（2）断路器额定电压QF N U .及额定电流QF N I .

QF N U .=10kV=.N U

QF N I .=630A>30I =

(3)动稳定校验

断路器最大动稳试验电流峰值QF i .m ax 不小于断路器安装处的短路冲击电流值

sh i 即QF i .m ax =40kA>sh i =

(4)热稳定校验

要求断路器的最高温升不超过最高允许温度即j QF t t I t I ?≥?∞2

2.

即2162?>15.094.82? (5)断流容量的校验：

断路器的额定断流容量应大于断路器安装处的最大三相短路电流容量即

MVA S QF k N 300..)3(=>MVA S k 6.162max .)3(=

综上，断路器的选择满足校验条件。 （1） 按工作环境选型：户外型

（2）

隔离开关的额定电压及额定电流QS N U .=10kV=.N U

QS N I .=200>30I =

（3） 动稳定校验QS i .m ax =>sh i =

（4）

热稳定校验9805142=?>0.1215.094.82=?即j QS t t I t I ?≥?∞2

2.

10kV 电流互感器 （1）

该电流互感器额定电压≥TA N U .安装地点的电网额定电压.N U 即

≥TA N U ..N U

（2） 电流互感器一次侧额定电流 （3）

动稳定校验

动稳定倍数Kd=160 sh i =

一次侧额定电流A I I N N N

CT N 2310

1

'

.=--=θθθθ

则

1608.69231

2108.2223

'.<=??=

CT

N sh I

i 即'.2CT

N sh d I

i K ?>

动稳定性满足

（4）热稳定性校验

热稳定倍数Kt=90热稳定时间sh i =∞I = 即2.)(TA N T I K =2)23190(?=3103.4?

)(102.115.08940'.722CY N t j I K t I ?

电压互感器的选择与校验

经查表该型号电压互感器额定容量： 所以满足要求 高压熔断器的选择与校验

（1）高压熔断器额定电压大于安装处电网的额定电压

即N u N U kV F U ==10 (2)断流能力

避雷器的额定电压大于等于安装处电网的额定电压 10kV 进线与各车间变电所进线的校验

1、根据短路电流进行热稳定校验 （1）10kV 进线：

按经济电流密度选择进线截面积：

已知6000max =T 小时，经查表可得，经济电流密度jec=2mm 进线端计算电流 A U

S I 6.10510

3878.1828330=?==

可得经济截面 Aec=

23033.1179

.06

.105mm jec I == 经查表，选择LJ 型裸绞线LJ-120,取导线间几何间距D= 该导线技术参数为：R=km /Ω X=km /29.0Ω

校验：短路时发热的最高允许温度下所需导线最小截面积 所以满足要求。 （2）变电所进线：

按上述方法选择LJ 型裸绞线LJ-50,取导线间几何间距D= 该导线技术参数为：R=km /Ω X=km /323.0Ω 校验：22)

3(min

504015.087

94

.8mm mm t C

I A j ?==

=∞ 所以满足要求。 （3）变电所进线：

按上述方法选择LJ 型裸绞线LJ-25,取导线间几何间距D= 2、根据电压损耗进行校验 （1）10kV 进线： （2）车间变电所进线： （3）车间变电所进线：

3、根据符合长期发热条件进行校验

（1）10kV 进线：

选L J －120型裸铝绞线 取导线间几何间距D=

经查表可得，最大允许载流量A I Z 375=>（总负荷电流） （2）车间变电所进线

选L J －50型裸铝绞线 取导线间几何间距D= 经查表可得，最大允许载流量A I Z 215=> （3）车间变电所进线：

选L J －50型裸铝绞线 取导线间几何间距D= 经查表可得，最大允许载流量A I Z 215=> 低压设备器件的选择及校验