某厂 总压降变电所及配电系统设计

课程设计

某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计

学院（部）：电气与信息工程学院

专业班级：电气07级

学生姓名：第五组

指导教师：杨老师

2010年7 月7 日

摘要

现代化工厂的设计是一门综合性技术，而工厂供电系统是其中重要设计内容之一，本文所探讨的就是某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计问题。

在文章里，我们认真对工厂所提供的原始资料进行了分析。首先进行电力负荷的运算，根据功率因数的要求在低压母线侧进行无功补偿，进而对主变和各车间变压器进行选择。同时对架空线进行了选择和校验。

在文章里，我们对35KV 和6KV母线处发生短路时的短路电流进行了计算，得到了最大运行方式和最小运行方式下的短路电流。根据本厂对继电保护的要求，进行了继电保护装置的整定计算。

关键词：电力负荷，变压器，短路电流，继电保护

目录1.设计任务及原始资料

1.1设计任务

1.2原始资料

1.3电力负荷计算

2.变电所高压电气设备选型

2.1主变压器的选择

2.2架空线路的选择

2.3补偿电容器的选择

2.4各车间变电所的选择

3.短路电流的计算.

3.1三相短路电流的计算目的

3.2短路电流的计算公式

3.3各母线短路电流的计算

4.主变压器继电保护

4.1保护要求

4.2整定计算

5.变电所设计说明

设计体会及以后的改进意见

参考文献

1．设计任务及原始资料

1.1 设计任务

完成某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计

1.2 原始资料

1. 生产任务及车间组成

本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻造、铆焊、毛坯件为主体，生产规模为：铸钢件1万吨、铸铁件3千吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨。 本厂车间组成：

(1) 铸钢车间；（2）铸铁车间；（3）锻造车间；（4）铆焊车间；（5）木型间 木型库；（6）机修车间；（7）砂库；（8）制材场；（9）空压站；（10）锅炉房；（11）综合楼；（12）水塔；（13）水泵房；（14）污水提升站等

2. 供用电协议

（1）工厂电源从电业部门某220/35千伏变压所，用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做为工作电源，一个做为备用电源，两个电源不并列运行，该变电所距厂东侧8公里。

（2）供电系统短路技术数据

区域变电所35KV 母线短路数据如下：

工厂与电业部门所签订的共用电协议主要内容如下：

系 统 运 行 方 式 短 路 容 量

说 明 最大运行方式 200)(max =s d S 兆伏安

35KV 最小运行方式 175)(min =s d S 兆伏安

35KV

（3）电业部门对本厂提出的技术要求

① 区域变电所35千伏配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒，工厂“总降不应大于1.5秒”

② 在总降变电所35千伏侧进行计量； ③ 本厂的功率因数值应在0.9以上。

供电系统

3. 本厂负荷的性质

本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时，属于二级负荷。

4. 厂的自然条件

(1) 气象条件

①最热月平均最高温度为30℃；

②土壤中0.7~1米深处一年中最热月平均温度为20℃；

③年雷暴日为31天；

④土壤冻结深度为1.10米；

⑤夏季主导风向为南风。

(2) 地质及水文条件

根据工程地质勘探资料获悉，厂区地址原为耕地，地势平坦，底层以砂质粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.8~5.3米。地耐压力为20吨/平方米。

1.3电力负荷计算

表1-1全厂各车间负荷计算表

各车间380伏负荷

序号车间或电

单位名称

设备

容量

(千瓦)

x

Kφ

cosφ

tg计算负荷变压器台

数及容量

备注

∑

K

P

(千瓦)

Q

(千乏)

S

(千伏安)

(1) No1变电所2X1250

1 铸钢车间2000 0.4 0.65 1.17 720 842.4 1107.7 0.9

(2) No2变电所2X500

1 铸铁车间1000 0.4 0.7 1.0

2 400 408 571.4

2 砂库110 0.7 0.6 1.3

3 77 102.

4 128.3

3 小计429.3 459.36 629.73 0.9 (3) No3变电所2X800

1 铆焊车间1200 0.3 0.45 1.98 360 712.8 800

2 1水泵房28 0.75 0.8 0.75 21 15.75 26.25

3 小计342.9 655.7 739.9 0.9

(4) No4变电所1X1000

1 空压站390 0.85 0.75 0.88 331.5 291.7 442

2 机修车间150 0.25 0.65 1.17 37.5 43.9 57.7

3 锻造车间220 0.3 0.55 1.52 66 100.3 120

4 术型车间185.8

5 0.35 0.

6 1.33 65.05 86.5 108.4

5 制材场20 0.28 0.

6 1.33 5.6 7.45 9.33

6 综合楼20 0.9 1 0 18 0 18

7 小计523.65 529.85 744.95

(5) No5变电所1X400

1 锅炉房300 0.75 0.8 0.75 225 168.75 281.25

2 2水泵房28 0.75 0.8 0.75 21 15.75 26.25

3 仓库(1，2) 88.12 0.3 0.65 1.17 26.436 30.93 40.67

4 污水提升站14 0.6

5 0.8 0.75 9.1 6.825 11.375

5 小计281.53

6 222.255 358.692

各车间6000V负荷计算

序号车间或电

单位名称

设备

容量

(千瓦)

x

Kφ

cosφ

tg

计算负荷

说明

P

(千瓦)

Q

(千乏)

S

(千伏安)

1 电弧炉

2 X 1250 0.9 0.87 0.57 2250 1282.5 2586.2

2 工频炉 2 X 300 0.8 0.9 0.48 480 230.4 533.33

3 变压机 2 X 250 0.85 0.85 0.62 425 263.5 500

4 小计315

5 1776.4 3620.7

说明：No1,No2,No3车间变电所设置两台变压器外，其余设置一台变压器。

2.变电所高压电气设备选型

2.1 主变压器的选择：

主变压器的选择主要根据负荷计算表。因为要求全厂的功率因数在0.9以上，所以要进行无功补偿，从而计算出补偿后变电所的视在功率。本厂的负荷性质属于二级负荷，可靠性要求较高，所以主变压器应选择两台，其中一台备用。当一台故障时，另一台可以马上投入运行以保证此冶金机械修造厂全厂的供电需求。

2.1.1无功补偿计算

总有功功率∑P = 5452.386kw

总无功功率∑Q = 4485.965kvar

总视在功率∑S = 7060.623 KV·A

全厂功率因数S

P

COS∑

∑

=/

?=5452.386/7060.623=0.772<0.9

所以要进行无功补偿

233.2166)92.0cos arctan 772.0cos (arctan =-∑=P Q C kvar 取=C Q 2400kvar 低压侧补偿后无功功率：

965.2085240096.44851=-=-∑=C Q Q Q kvar 低压侧补偿后视在功率：

788.5837)()(2222=+∑=Q P S KV·A

变压器损耗：

kw S P 567.87015.02==? 267.35006.02==?S Q kvar 高压侧有功功率：

53.55392=?+∑=P P P kw

高压侧无功功率：

232.243612=?+=Q Q Q kvar 高压侧视在功率：

967.60512

22

22=+=Q P S KV·A

补偿后的功率因数：

9154.0/22==S P COS ?> 0.9

2.1.2 主变压器的选择

主变压器选择要求2S S ≥ ，故选择型号为SC8-6300/35的变压器两台。一台工作，一台备用。

表2-1主变型号及参数

2.2 架空线路的选择

2.2.1根据经济电流密度选择导线截面积

因为工业电源从电业部门某220/35千伏变电所用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做工作电源，一个做备用电源，两个电源不并列运行。

型号

0P （W ）

k

P

K U

0I

总质量

电压组合

(kV) 联结组标号

标准 节能

W

%

%

kg

高压

低压

SC8-6300/35 11500 9660 37000 8 0.7 16900 35 6.3 Y,d11

架空线最大工作电流： 827.9932

==N g U S I A

因为本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时。属于二级负荷，所以选取经济电流密度：9.0=ec J 导线的经济截面积：2919.110mm J I S ec

d j ==

选LGT-120型铝导线。

2.2.2长时允许电流校验导线截面积

LGT-120型铝导线，长期允许工作电流A I y 380=，最高允许温度为900C 。

其中C C C O O O 30,25,90'

001===θθθ

长时允许电流：A I I y

y

1.3650

1'

01'

=--=θθθθ

线路承受的最大负荷电流就为'

827.99y g I A I <=符合要求。

2.2.3电压损失校验

双回路供电，每条导线上的最大负荷电流：

A I I g g 827.99max .==

km r /27.00Ω= km x /391.00Ω= 线路电压损耗百分比：

N g U x r L I U /)sin cos (3%00max .φφ-=?=1.574%<5% 符合要求

2.2.4功率因数校验

35KV 最小允许截面积为102m m ,满足负荷要求。 35KV 架空线的损耗：

var 52.9310]/)[(58.6010]/)[(3

2222

2322222k X U Q P Q kw

R U Q P P N

l N l =??+=?=??+=?--

35kv 架空线电路电源入口处的功率因数

9

.09121.0cos 033.6140var

75.252952.93232.2436533.560058.60953.55392222>===+==+=?+==+=?+=∑∑∑∑∑∑∑∑Q P

kVA

Q P S k Q Q Q kw P P P l l ?

满足要求

2.3 补偿电容的选择

为了提高功率因数，安装并联电容器，用于无功补偿。补偿无功后可以提高电压、降低线损、减少电费支出、节约能源、增加电网有功容量传输、提高设备的使用效率。本设计中本厂的功率因数值应在0.9以上，必须6KV母线上并联电力电容器，使变电所35KV处的功率因数得到提高到0.9，需要补偿的总电力电容器容量为

C

Q2400kvar, 所以选24台BWF-6.3-100-1w的电容器。

表2-2电容器参数

型号额定电压额定容量标算电容C

BWF-6.3-100-1w 6.3KV 100Kvar 2.89uF 注：B——并联电容器，W－浸渍剂为烷基苯，F－聚丙烯薄膜和电容器纸复合介质2.4 各车间变电所的选择

表2-3 各变电所变压器选择型号

车间型号

电压组合

(kV)

损耗

(kW)

阻抗

电压

(%)

联接

租

标号

总质

量

(kg)

轨距

(mm) 高压高压空载负载

NO.1 S9-1250 6 0.4 1.950 12.000 4.5 Y,yn0 3477 820 NO.2 S9-500 6 0.4 0.960 5.100 4.5 Y,yn0 1625 660 NO.3 S9-800 6 0.4 1.400 7.500 4.5 Y,yn0 2920 820 NO.4 S9-1000 6 0.4 1.700 10.300 4.5 Y,yn0 3260 820 NO.5 S9-400 6 0.4 0.800 4.300 4.0 Y,yn0 1387 660 3．短路电流计算

3.1 三相短路电流计算的目的

短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而

可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。

短路计算的目的主要有以下几点： 1．用于变压器继电保护装置的整定。 2．选择电气设备和载流导体。 3．选择限制短路电流的方法。 4．确定主接线方案和主要运行方式。 3.2 短路电流计算公式

表3-1：电力系统各元件电抗标幺值计算公式：

设备 计算电抗公式

无穷大电源 d /S S X D =

变压器 )/S %/100)(S (U X T(N )d k T =*

输电线

)/(X 2

av d L L U S X =*

注：d S 为系统无限大电源处不同运行方式时的短路容量

3.3 各母线短路电流的计算 3.3.1各母线短路电流计算过程 如图1，图2所示： 取MVA 100S D =

10

X 4.5X 5.625X 4.5X 3.6/1250)10(100(4.5/100))/S S )(100/%(U X 1.333/6000)10(100(8/100))/S S )(100/%(U X 0.225

100/3580.391)/U (S X X 0.571(

100/175/S S X 0.5(100/200/S S X 54323T(N)D K 13T(N)D K 822av D L 7dmin D 6dmax D 6=====??===??===??====='===同理可得：最小运行方式）最大运行方式） 1. 当系统处于最大运行方式时：MVA 200S dmax = 无穷大系统电源电压保持不变，电源相电压标幺值为1.0

(1)当35KV 母线1K 点发生三相短路时： KA

U S d D s d 650.1)353/(1003/I 1.325

1/0.7551/X I 0.755X X X )(76=?=====''=+=*∑**∑ 所以KA I I I s d 185.2)(=*''=''*

（2）当6.3KV 母线2K 点发生三相短路时：

同理可得：

389.4164.9)3.63/(1003/4789.0088

.2X )()(=*''=''=?===''=*

*

*∑s d d D s d I I I KA U S I I

2.当系统处于最小运行方式时：MVA S d 175min = (1)当35KV 母线1K 点发生三相短路时：

KA I I I KA U s d d 998.1650.1)353/(10003/S I 1.211

1/0.8261/X I 0.826

X X X )(D d(s)76=*''=''=?=====''=+'=*

*∑**∑所以

（2）当6.3KV 母线2K 点发生三相短路时：

同理可得：

KA I I I KA I I X s d s d 243.4164.9)3.631000/(U 3/S 463.0159

.2)(d D )(=*''=''=?===''=*

*

*∑

3.3.2 各母线短路电流列表

表3-2各短路点短路电流计算：

短路点 短路类型 1K

2K

三相短路（KA ）

最大运行方式 2.185 4.389 最小运行方式

1.998

4.243

4．主变压器继电保护

4.1保护要求

4.1.1继电保护的定义

继电保护技术是一种电力系统安全保障技术，是指安装在电力系统各电气元件上，能在指定的保护区域内迅速地，准确地反应电力系统中各元件的故障或不正常工作状态，并作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置保护。

4.1.2继电保护的作用

继电保护的主要作用是：在电力系统范围内，按指定保护区实时地检测各种故障和不正常运行状态，及时地采取故障隔离或警告措施，力求最大限度地保证用户安全连续用电。在现代的电力系统中，如果没有专门的继电保护装置，要想维持系统的正常运行根本不可能。

4.1.3继电保护装置性能：

继电保护装置是保障电网可靠运行的重要组成部分，一般由感受元件、比较元件和执行元件组成。

继电保护装置必须具备以下4项基本性能：

①灵敏性。

灵敏性表示保护范围内发生故障或不正常运行状态时，继电保护装置的反应能力，通常以灵敏系数表示。在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数。

②可靠性。

在规定的保护范围内发生了属于其应该动作的故障时，保护装置不应拒动作；而在任何不属于其应该动作的情况下，保护装置不应该误动作。③快速性。

为防止故障扩大，减轻其危害程度，加快系统电压的恢复，提高电力系统运行的稳定性，在系统发生故障时，保护装置应尽快动作，切除故障。

④选择性。

在可能的最小区间切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电。即首先由距故障点最近的断路器动作切除故障线路，尽量减小停电范围，保证系统中无故障部分仍能正常运行。

4.1.4对继电保护装置的要求

(1)变压器的电流速断保护：瓦斯保护不能反映变压器外部故障。因而对于较小容量的变压器需要在电源侧装设电流速断保护，作为电源侧绕组、管套及引出线故障的主要保护，并用过电流保护作为变压器内部故障的后备保护。

(2)变压器的过电流保护：为了反映变压器外部短路引起的过电流并作为变压器主保护的后备保护，变压器还要装设过电流保护。

(3)过负荷保护：为了防止长期过负荷而引起的过电流，变压器要装设过负荷保护。

4.1.4本厂对继电保护的要求

根据实际情况，本厂的继电保护要求有以下三点： (1)电流速断保护 (2)过电流保护 (3)过负荷保护 4.2整定计算

4.2.1 有关参数计算下表所示：

表4-1各参数值计算表：

参数名称 计算参数值

35KV 侧

6.3KV 侧

变压器额定电流

923.10335

363001=?=

N I A

35.5773

.6363002=?=

N I

电流互感器的接线方式 ? Y 电流互感器一次电流 180923.1033=? A 577.35A 电流互感器型号 LRD-35，200/5 LRD-6.3,600/5 电流互感器变比 200/5=40 600/5=120 二次回路额定电流

180/40=4.5A

577.35/120=9.344A

表4-2 电流互感器的参数

型号 额定电压 额定频率 额定二次电流 电流比 负荷 准确级次 LRD-35,200/5 35KV 50HZ 5A 200/5 0.8Ω 0.2 LRD-6.3,600/5

35KV

50HZ

5A

600/5

0.8Ω

0.2

4.2.2电流速断保护的动作电流整定：

A I K K I A

K I I rel jx oper 6757.257505.193.117505.1935

3.64010389.4353.6max I 3)3(max =??===?== 其中rel K 为可靠系数：取rel K =1.3；

js K 为接线系数z js K =1

max I 为变压器低压侧母线三相短路时最大短路电流;

K 为电流互感器变比。

取A I oper I 27=， I 段灵敏度校验：

原则：按保护安装处的最小运行下两相短路电流校验；

5.1664.1)26402/()10998.13(3>=????=I sen K

符合要求。

4.2.3过电流保护的动作电流整定：

按照躲过最大负荷电流整定计算来得到电流继电器的整定值

A I K

K K K K I

NB f jx

zq rel oper

725.5127.10340

85.01

5.13.1=????=

****≥

Ⅱ

其中： zq K 为电机的自动启动系数。 整定值为6A ，动作时限t=2.0S

根据小运行方式下，被保护线路末端发生短路的情况进行校验 Ⅱ段灵敏度校验：

2756.264035/3.610243.42/33)2(min >=????=*=Ⅱ

Ⅱoper

sen

I K I K

其中：)

2(min I 为折算到高压侧的低压侧两相短路电流最小短路电流值。

故符合要求。 4.2.4 过负荷保护

动作于发出信号，时限一般取4~15s 。动作电流按下式整定：

A K K I K K I LH

f B

n jx k j dz 515.340

85.0923

.103115.1.=???=

***≥

?

式中k K ——可靠系数，视变压器过负荷能力而定，可取1.05~1.15；

f K ——继电器返回系数，取0.8~0.85；

B n I ?——变压器额定电流。

5.变电所设计说明

5.1设计概述

本设计为35KV 压降变电所及配电系统的一次设计，该设计是针对生产规模为：铸钢件1万吨、铸铁件3千吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨的冶金机械修造厂而设计的。变电所内一次设备主要：有两台主变压器(型号为SC8-6300/35)、各车间变压器、断路器、隔离开关、所用变压器、避雷器、高压开关进线柜等。设计主要遵循中华人民共和国建设部发布的《35kv~110kv 变电所设计规范》以及其他相关法律法规。 5.2 室内布置

整个主控制室和高压配电室坐北朝南，这样便于主控制室采光。主控制室内装设有低压配电屏，主变保护屏，中央信号，中央信号继电器及电镀表屏，主变控制屏，中央信号布置在北侧，正对着值班人员。两段母线的配电装置分别设在两个单独的房间内，两个配电室之间通过双开钢门相连接，另外两个配电室还有一个外形式双开钢门。电容器应单独布置在一个房间内。 5.3 室外布置

35KV 电源进线由变电所东侧的区域降压变电所通过架空线引进，配电装置采用低压布置，避雷器、电源变压器以及保护用的熔断器，低压布置在母线两端，避雷器、电源变压器布置在主控制器的东侧，6KV 高压电缆从主变电所引来，低电压电缆经过穿墙套管进人主控制室，配电装置间隔为5米，进线相间距离为1.3米，最大允许尺度为0.7米。

图3-3 电气主接线图

设计体会及今后的改进意见

这次课程设计历时两个星期左右，通过这两个星期的学习，我们收获很大。

1、通过这次课程设计，我们加深了对工厂供电相关知识的理解，基本上掌握了进行一次设计所需的步骤，如总降压变电所的设计，我们由课题分析、查资料着手，然后进行设计、整理说明书直至最后完成整个设计。作为大学阶段一次重要的学习经历，我们受益匪浅，深深感觉到我们自主学习、独立思考、分析问题解决问题的能力得到了提高。

2、在设计之前，我们所学的知识是比较离散的，只是有些模糊的概念而已，通过这次设计，我们对工厂供电系统的设计以及所涉及的相关知识有了一个较为全面和深入的理解，也加深了对电气设备选择的了解。这次设计有很多需要计算的地方，如容量、负荷的计算等，我们查阅相关书籍，仔细分析，相互讨论，认真思考，最终完成了计算。

3、这次的课程设计离不开团队的力量，设计工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人离不开团队，必须发扬团队协作的精神。大家分配任务，积极查找相关资料，并且每天聚在一起讨论各种方案的可行性。在课程设计中，只有一两个人知道原理是远远不够的，必须每个人都知道。小组的协调工作，使我们的团队意识和分工合作能力得到了锻炼。这些都将对我们今后的学习和工作带来很大的帮助。

参考文献：

1．黄纯华，《工厂供电》，天津大学出版社

2．马松玲，《建筑电气工程》，机械工业出版社

3．熊信银，《发电厂电气部分》，中国电力出版社

4．谷水清，《电力系统继电保护》，中国电力出版社

5．华智明，《电力系统》，重庆大学出版社

6．熊信银、张步涵，《电力工程基础》，华中科技大学出版社

7．《35kv~110kv变电所设计规范》，中华人民共和国建设部