某机械厂降压变电所电气设计 (孙朋)

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

1.1 (2)

1.2 工厂总平面图 (2)

1.3 工厂内部和周边情况 (2)

第2章负荷计算和无功功率补偿 (4)

2.1 负荷计算 (4)

2.1.1 单组用电设备计算负荷的计算公式 (4)

2.1.2 多组用电设备计算负荷的计算公式 (4)

2.2 无功功率补偿 (5)

第3章变电所位置和接线方案的选择 (8)

3.1 变配电所的位置选择 (8)

3.2 变电所主接线方案 (9)

3.3变压器型号的选择 (10)

3.4变电所进出线和临近单位联络线的选择 (13)

第4章短路电流的计算 (14)

4.1 短路电流 (14)

4.2 绘制计算电路 (15)

4.3 确定短路计算基准值 (15)

4.4 计算短路电路中各个元件的电抗标幺值 (15)

第5章降压变电所防雷和接地装置的设计 (17)

5.1 变电所的防雷保护 (17)

5.1.1 直接防雷保护 (17)

5.1.2 雷电侵入波的防护 (17)

5.2 变电所公共接地装置的设计 (17)

5.2.1 接地电阻的要求 (17)

5.2.2 接地装置的设计 (18)

结论 (19)

参考文献 (21)

致谢 (20)

摘要

为保障工业生产安全进行，保证电能合理分配、输送，灵活改变运行方式。特进行本次设计。

本设计主要阐述了对机械厂总降压变电所的电气设计方案。在设计中进行了对工厂负荷的统计计算；变电所位置和型式的选择；变电所主变压器及主接线方案的选择；短路电流的计算；变电所进出线和邻近单位联络线的选择；降压变电所防雷和接地装置的设计等。

本机械厂降压变电所电气设计为毕业设计，其目的是通过设计实践，综合运用所学知识，理论联系实际，锻炼独立分析和解决建筑电气设计问题的能力，为未来的工作奠定坚实的基础。

关键词：工厂供电，变电所，无功功率补偿，变压器，短路电流计算，一次设备，避雷器。

第一章 前言

1.1 设计背景

本次设计要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷情况，并适当考虑工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置和型式，确定变电所主变压器的台数、容量和类型，选择变电所主接线方案、一次设备的选择、高低压设备和进出线，确定防雷和接地装置。最后按要求写出设计说明书，绘出设计图纸。

1.2 工厂总平面图

本次设计的机械厂总平面图如图1-1所示：

图1-1 工厂平面图

1.3 工厂所处环境概况

本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为4600h ，日最大负荷持续时间为6h 。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷。

按照工厂和当地供电部门签定的供用电协议规定，本厂可由附近一条10kV 的

(4) (5) (6)

(7)

(10)

(9)

(8)

(1)

(2)

(3)

公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为500MV A。此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。已知和本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线路总长度为25km。

本厂所在地区的年最高气温为38℃，年平均气温为23℃，年最低气温为-9℃，年最热月平均最高气温为33℃，年最热月平均气温为26℃，年最热月地下0.8米处平均气温为25℃。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。本厂所在地区平均海拔500m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。

第二章 负荷计算和无功功率补偿

2.1 负荷计算

在工厂里，除了广泛使用的三相设备外，还有部分单相设备，单相设备接在三相线路中，应尽可能均衡分配。使三相负荷尽可能均衡。如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%，则不论单相设备如何分配，单相可和三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备容量超过三相设备的15%时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再和三相设备容量相加。

综上所述，由于本厂各车间单相设备容量均不超过三相设备容量的15%，所以可以按三相负荷平衡计算。

即：单相单相三相三相单相三相e d e d P K P K P P P +=+=303030 （式2-1）

2.1.1 单组用电设备计算负荷的计算公式

a)有功计算负荷（KW ）30P =d K e P ，d K 为系数 (式2-2） b)无功计算负荷（kvar ）30Q =30P tan ? （式2-3） c)视在计算负荷（kvA ）30S =

?

cos 30

P （式2-4） d)计算电流（A ）30I =

N

U S 330，N U 为用电设备的额定电压（KV ） （式2-5）

2.1.2 多组用电设备计算负荷的计算公式

a)有功计算负荷（KW ）：30P =i p P K ??∑∑30 （式2-6） 式中i P ?∑30是所有设备组有功计算负荷之和，p K ?∑是有功负荷同时系数，可取0.8~0.95。

b)无功计算负荷（kvar ）：30Q =i q Q K ??∑∑30 （式2-7） 式中i Q ?∑30是所有设备无功计算负荷之和；q K ?∑是无功负荷同时系数，可取0.85~0.97。

c)视在计算负荷（kvA ）30S =2

30

230Q P + （式2-8）

d)计算电流（单A ）30I =

N

U S 330 (式2-9)

2.2 无功功率补偿

无功功率的人工补偿装置主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电容器在供电系统中使用最为普遍。

由于本厂380V 侧最大负荷时的功率因数只有0.75。而供电部门要求该厂10KV 进线侧最大负荷时功率因数不低于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，这里取0.92来计算380V 侧所需无功功率补偿容量：

C Q =30P (tan 1? - tan 2?)=810.8[tan(arccos0.75) - tan(arccos0.92) ] = 369.66 kvar 选择PGJ1型低压自动补偿评屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其1台主屏和4台辅屏相结合。

总共容量为：84kvar ?5=420kvar 。

补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，但是无功计算负荷、视在功率、

计算电流都有变化，以下对补偿后的无功计算负荷、视在功率、计算电流进行计算。

1）无功计算负荷

由式2-3可得：'30Q =（727.6-420）kvar=307.6 kvar

2）视在功率

由式2-4可得：2

'30230'30Q P S +==867.2 kV A

3）计算电流 由式2-5可得：N

U S I

3'30

'30

=

=1317.6 A

功率因数提高为cos '?=

'30

30

S P =0.935。 在无功补偿前，该变电所主变压器T 的容量为应选为1250kV A,才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T 的容量选为1000kV A 的就足够了。

同时由于计算电流的减少，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无功补偿的经济效益十分可观。因此无功补偿后工厂380V 侧和10kV 侧的负荷计算如表2-1所示。

项目

cos 计算负荷

30P /KW 30Q /kvar 30S /kV A 30I /A 380V 侧补偿前负荷 0.75 810.8 727.6 1089 1655 380V 侧无功补偿容量 -420 380V 侧补偿后负荷 0.935 810.8 307.6 867.2 1317.6 主变压器功率损耗 0.01530S =13

0.0630S =52 10KV 侧负荷计算

0.935

823.8

359.6

898.9

52

表2.1 无功补偿后工厂的计算负荷

无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率耗损、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。

安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功补偿在电网中传输，相应减小了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。无功补偿应根据分级就地和便于调整电压的原则进行配置。

集中补偿和分散补偿相结合，以分撒补偿为主；高压补偿和低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压和降压相结合；并且和配电网建设改造工程同步规划、设计、施工、同步投运。无功补偿的主要作用具体体现在：① 提高电压质量；② 降低电能损耗；③ 提高发供电设备运行效率；④减少用户电费支出。

本次设计采用PGJI型低压无功功率自动补偿屏，其接线方案如图2-1所示：

图2-1 PGJI型低压无功功率自动补偿屏的接线方案

第三章变电所位置和接线方案的选择

3.1 变配电所的位置选择

变配电所的位置应根据下列要求和注意事项来选择：接近负荷中心；进出线方便；接近电源侧；设备运输方便。其具体要求如下：

（1）变配电所位置选择的注意事项有以下这些：便被电所的位置不应设在有剧烈振动或高温的场所；不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧；不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜和上述场所相贴邻；不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方，当和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《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定；不应设在地势低洼和可能积水的场所。

（2）露天或半露天的变电所，不应设置在下列场所：有腐蚀性气体的场所；挑檐为燃烧体或难燃体和耐火等级为四级的建筑物旁；附近有棉、粮及其他易燃、易爆物品集中的露天堆场；容易沉积可燃粉尘、可燃纤维、灰尘或导电尘埃且严重影响变压器安全运行的场所。

（3）变电所的型式应根据用电负荷的状况和周围环境情况确定，并应符合下列规定：负荷较大的车间和站房，宜设附设变电所或半露天变电所；负荷较大的多跨厂房，负荷中心在厂房的中部且环境许可时，宜设车间内变电所或组台式成套变电站；高层或大型民用建筑内，宜设室内变电所或组合式成套变电站；负荷小而分散的工业企业和大中城市的居民区，宜设独立变电所，有条件时也可设附设变电所或户外箱式变电站；环境允许的中小城镇居民区和工厂的生活区，当变压器容量在315KV A及以下时，宜设杆上式或高台式变电所。

（4）在同一配电室内单列布置高、低压配电装置时，当高压开关柜或低压配电屏顶面有裸露带电导体时，两者之间的净距不应小于2m；当高压开关柜和低压配电屏的顶面封闭外壳防护等级符合IP2X级时，两者可靠近布置。

本次设计变电所采用双层布置，变压器应设在底层。设于二层的配电室应设搬运设备的通道、平台或孔洞。高（低）压配电室内，宜留有适当数量配电装置

的备用位置。高压配电装置的柜顶为裸母线分段时，两段母线分段处宜装设绝缘隔板，其高度不应小于0.3m。

一般变电所的形式（类型）有：

①车间附设变电所、

②车间内变电所

③露天（或半露天）变电所

④独立变电所

⑤杆上变电台

⑥地下变电所

⑦楼上变电所

⑧成套变电所

⑨移动式变电所

根据以上的要求和注意事项，本次设计我们选择采用的变电所类型是露天（或半露天）变电所。变电所的位置尽量接近工厂的负荷中心，根据本厂的负荷统计数据，并考虑到周边环境及进出线方便，本次设计决定在6号厂房的西侧紧靠厂房建造工厂变电所，变压器器型式为附设式。

3.2 变电所主接线方案

由于该厂的部分负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高。现有四种方案可供选择。

第一种方案是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图如下这种主结线，其一次侧的高压断路器跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。

第二种方案是高压侧采用隔离开关-断路器；由于采用了高压断路器因此变电所的停，送电操作十分方便，，同时高压断路器配有继电保护，在变电所发生短路喝过负荷时均能自动跳闸，但是电路可靠性差，不能胜任本设计要求第三种方案是一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路，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总降压变电所，同时价格昂贵。

第四种方案是一次侧的有两路高压进线，在隔离闸刀出线进行并接，通过高

压断路器控制变压器，并有一个断路器进行低压联络。同时安装继电保护。此方式投资少。性价比高，。本设计采用这种方法。

本次设计采用第四种接线方案，采用两路高压进线，两个高压断路器进行高压联络，采用一台变压器。优点是价格便宜可靠性高，线路简单 ，操作容易。故选择这种进线方法进线形式；高压进线为架空线连接至配电房旁边，经电缆连接到进线柜，出线为电缆经过电缆沟通到各个车间，经过道路时改为穿钢管。本次设计电缆进出线如图3-2所示：

10

高压进线

高压备用电源

变

配电

图3-1 变电站电缆进出线图

3.3变压器型号的选择

本次设计需要根据负荷计算及视在功率来确定选择变压器的型号，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。本设计采用需要系数法确定。

主要计算公式有：视在功率：S30=Pe·Kd 无功功率:Q30=P30·tgφ 有功功率:P30=S30×CoSφ

额定电流:I30=S30/√3UN

使用以上公式计算出各个车间的用电负荷，如表1所示：

（单位；KW）车间负荷统计表（V）（A）

视在功率K 额定功率KW 额定电压额定电流

1 铸造车间94.8 67.8 400 143

2 锻压车间111.4 73.85 400 169

3 热处理车间9

4 76 400 143

4 电镀车间129 104 400 197

5 仓库8.8 7.2 400 13.4

6 工具车间115 71.1 400 176

7 金工车间88 60 400 134

8 锅炉房36 28.7 400 55

9 装配车间60 42.6 400 91

10 机修车间36 24 400 55

11 生活区245 220 400 375

表3-1各个车间用电负荷

由上表可算出总的视在功率是764KW ，因此考虑发展需要取用SL7-1000的变压器一台。

根据本厂的负荷情况有两种接线方案可选。即一台变压器，两台变压器。按技术指标，装设两台主变压器的主接线方案略优于装设一台主变压器的主接线方案，但按经济指标，由于装设两台变压器的前期投资及其后期维修费用很大，所以装设一台主变压器的主接线方案远优于装设两台主变压器的主接线方案，因此决定采用装设一台主变压器的主接线方案。装设一台主变压器的主接线方案如图3-2所示：

10kv

（备用电源）

联络线

220/380V

Y 0

Y 0

G G -1A (J )-03

GN-10/200

FS4-10LQJ-10JDJ-10GN-10/200RN2-10

G G -1A (F )-54

GN-10/200

FS4-10

G G -1A (F )-07

SN10-10I/630

LQJ-10

GN-10/200

S9-100010/0.4KV

SN10-10I/630

SN10-10I/630

LQJ-10

GN-10/200

G G -1A (F )-07

G G -1A (F )-08

G G -1A (F )-09

DW20-630

DW20-630

LMZ1-0.5

DW15-1500/3D LMZJ1-0.5

G G -1A (F )-09

DW15-1500/3D

LMZJ1-0.5

图3-2 装设一台主变压器的主接线方案

3.4变电所进出线和临近单位联络线的选择

本次设计10kv高压进线选择采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kv公用干线。

a）按发热条件选择由I30=Int=57.7A及室外环境温度33℃，查表得，初选LGJ-35，其35℃时的I L-149A＞I30，满足发热条件。

b）校验机械强度查表得，最小允许截面积A MIN=25mm2而LGJ-35满足要求，故选它。（由于此线路很短，故不需要检验电压损耗）

由高压配电室至主变压器的一段引入电缆选择采用JL22-10000型交联聚乙烯的铝芯电缆之间埋地敷设。

本次设计380V低压出线的选择，此出线经过各个车间，车间分别为：铸造车间（1号厂房）、锻压车间(2号厂房)、热处理车间(3号厂房)、电镀车间(4号厂房)、仓库(5号厂房)、工具车间(6号厂房)、金工车间(7号厂房)、锅炉房(8号厂房)、装备车间(9号厂房)、10机修车间(10号厂房),这些车间的线路的线路都采用VLV22-10000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。和邻近单位联络线选择采用YJL22-10000型交联聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，和相距约2km 的临近单位变配电所的10KV母线相连。

第四章短路电流的计算

4.1 短路电流

短路电流是供配电系统中的相间或相地之间因绝缘破坏而发生电气连通的故障状态。它的数值可达额定电流的十余倍至数十倍，而电路由常态变为短路的暂态工程中，还出现高达稳态短路电流1.8~2.5倍的冲击电流。会对供配电系统造成严重的破坏。

短路电流计算的目的及几点说明：在供配电系统中除应采取有效技术措施防止发生短路外，还应设置灵敏、可靠的继电保护装置和有足够断流能力的断路器，快速切除短路回路，把短路危害抑制到最低限度。为此必须进行短路电流计算，以便正确选择和整定保护装置、选择限制短路电流的元件和开关设备。

4.1.1短路电流的计算

（1）由于民用建筑内所装置的元件，其容量远比系统容量要小，而阻抗则较系统阻抗大得多，当这些元件遇到短路时，系统母线上的电压变动很小，可认为电压维持不变。因此，在本次计算中，都是以上述的由无限大容量电力系统供电作为前提来进行计算的。

（2）在计算高压电路中的短路电流时，只需考虑短路电流值有重大影响的电流元件如发电机、变压器、电抗器、架空线及电缆等。由于发电机、变压器、电抗器的电阻远小于本身电抗，因此可不考虑。但当架空线和电缆较长，使短路电流的总电阻大于总电抗1/3时，需要计如电阻。

（3）短路电流计算按金属性短路进行。

（4）短路电流计算的符号含义：短路电流计算应求出最大短路电流值，以确定电气设备容量或额定参数；求出最小短路电流值，作为选择熔断器、整定继电保护装置和校验电动机启动的依据。

（5）短路电流的计算方法有欧姆法和标幺制法。

在此需要计算下列短路电流值：

I d-----三相短路电流周期分量有效值，KA；

S d ----三相短路容量，MV A

I 〃----次暂态短路电流，既三相短路电流周期分量第一周的有效值，KA ； I ∞----三相短路电流稳态有效值，KA ；

I c -----三相短路电流第一周全电流有效值，KA ；

i c ----三相短路冲击电流，既三相短路电流第一周全电流峰值，KA ； I 0．2----短路开始到0．2s 时的三相短路电流有效值，KA ； S 0．2----短路开始到0．2s 时的三相短路容量，MV A ；

4.2 绘制计算电路

短路计算电路如图4-1所示：

图4-1 短路计算电路

短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。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。在等效电路高压设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件。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。

4.3 确定短路计算基准值

设基准容量d S =100MV A ，基准电压d U =c U =1.05N U ，c U 为短路计算电压，即高压侧1d U =10.5kV ，低压侧2d U =0.4kV ，则

kA kV MVA U S I d d d 5.55.103100311=?=

=

kA kV

MVA U S I d d d 1444.0310032

2=?==

由上式可得短路电流基准值：Id1=55KA ，Id2=144KA 。

4.4 计算短路电路中各个元件的电抗标幺值

500MVA K-1 K-2

LGJ-150,8km

10.5kV S9-1000 0.4kV

(2) (3)

(1) ～

∞系统

电力系统的标幺值的计算，已知电力系统出口断路器的断流容量oc S =500MV A ，故

X1=100MV A/500MV A=0.2

架空线路的标幺值，查表得LGJ-150的线路电抗km x /36.00Ω=，而线路长8km ，

故6.2)5.10(100)836.0(2

202

=?Ω?==*

kV MVA

U S l x X c d 电力变压器的标幺值，查表得变压器的短路电压百分值%k U =4.5，故

kVA

MVA

S S U X N d k 10001001005.4100%3?==

*

=4.5

式中N S 为变压器的额定容量，

因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。

图4-2 短路计算等效电路

2.01 k-1 k-2

6

.21 5

.41

第五章 降压变电所防雷和接地装置的设计

5.1 变电所的防雷保护

5.1.1 直接防雷保护

在变电所屋顶装设避雷针和避雷带，并引进出两根接地线和变电所公共接装置相连。如变电所的主变压器装在室外或有露天配电装置时，则应在变电所外面的适当位置装设独立避雷针，其装设高度应使其防雷保护范围包围整个变电所。如果变电所在其它建筑物的直击雷防护范围内时，则可不另设独立的避雷针。按规定，独立的避雷针的接地装置接地电阻R<10W 。通常采用3-6根长2.5 m 的刚管，在装避雷针的杆塔附近做一排或多边形排列，管间距离5 m ，打入地下，管顶距地面0.6 m 。接地管间用40mm×4mm 的镀锌扁刚焊接相接。引下线用25 mm ×4 mm 的镀锌扁刚，下和接地体焊接相连，并和装避雷针的杆塔及其基础内的钢筋相焊接，上和避雷针焊接相连。避雷针采用直径20mm 的镀锌扁刚，长1～1.5。独立避雷针的接地装置和变电所公共接地装置应有3m 以上的距离。

5.1.2 雷电侵入波的防护

a)在10KV 电源进线的终端杆上装设FS4—10型阀式避雷器。引下线采用25 mm ×4 mm 的镀锌扁刚，下和公共接地网焊接相连，上和避雷器接地端栓连接。

b ）在10KV 高压配电室内装设有GG —1A （F ）—54型开关柜，其中配有FS4—10型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来保护，防雷电侵入波的危害。

c ）在380V 低压架空线出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入的雷电波。

5.2 变电所公共接地装置的设计

5.2.1 接地电阻的要求

此变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件：

Ω≤4E R

且Ω==≤4.427/120/120A V I V R E E

其中27350

)

253580(10=++=

A I E ，因此公共接地装置接地电阻Ω≤4E R 。

5.2.2 接地装置的设计

采用长2.5m 、Φ50mm 的钢管16根，沿变电所三面均匀布置，管距5 m ，垂直打入地下，管顶离地面0.6 m 。管间用40mm×4mm 的镀锌扁刚焊接相接。变电所的变压器室有两条接地干线、高低压配电室各有一条接地干线和室外公共接地装置焊接相连，接地干线均采用25 mm ×4 mm 的镀锌扁刚。变电所接地装置平面布置图如图5-1所示。接地电阻的验算：

Ω=??Ω=≈

=

85.365

.0165.2/100/)1(m

m n l n R R E E ηρη

满足Ω≤4E R 欧的接地电阻要求，式中,65.0=η。

图5－1变电所接地装置平面布置