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1、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A METALLURGICAL MACHINERY PLANT SOURCE TOTAL PRESSURE DROP SUBSTATION AND ELECTRICAL SYSTEM DESIGN学 院：电气与信息工程学院 专业班级： 电气班 学生姓名：指导教师： 老师 2013年7月6日某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计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。在论文里，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
2、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。在论文里，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A METALLURGICAL MACHINERY PLANT SOURCE TOTAL PRESSURE DROP SUBSTATION AND ELECTRICAL SYSTEM DESIGNABSTRACTThe design of the modern factor
3、y is a comprehensive technology, and factory is one of the important power supply system design, this paper discussed the content of the is a metallurgical machinery plant source total pressure drop substation and electrical system design problem.In the article, we provided to factory earnestly the
4、raw data is analyzed. First operation of electric power load, according to the requirements of the low voltage power factor in busbar side of the reactive power compensation, then the main transformer and the workshop transformer in choice. At the same time for aerial were chosen and calibration.In
5、the article, we to 35 KV and six KV short-circuited the bus place when short-circuit current calculation, got the biggest operation mode and minimum running under the way of short-circuit current. According to our factory to the requirements of the relay protection, relay protection device of settin
6、g calculation.KEYWORDS: electric power load, transformer,short-circuit current, relay protection目录摘要IABSTRACTII1.原始资料及电力负荷计算11.1 设计任务11.2 查找资料11.3 电力负荷计算22.变电所高压电气设备选型52.1 主变压器选择52.2 架空线路选择62.3母线的选择72.3.1 35kv母线的选择72.3.2 6kv母线的选择82.4 补偿电容器选择112.5 车间变压器选择113.电气主接线设计124.短路电流及冲击电流计算135.电气设备选择及校验165.1 3
7、5KV高压断路器、隔离开关及熔断器选择175.2 电流互感器和电压互感器选择185.3 开关柜选择196.主变压器继电保护选择216.1瓦斯保护226.2装设电流速断保护226.3变压器纵差动保护236.4反时限过电流保护256.5过负荷保护257.防雷、接地设计26总结27参考文献281.原始资料及电力负荷计算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 查找资料1. 本厂产品及生产规模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。2. 车间
8、组成：(1) 铸钢车间；（2）铸铁车间；（3）锻造车间；（4）铆焊车间；（5）木型间及木型库；（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3. 供用电协议工厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下：（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）供电系统及短路技术数据图1-1 供电系统图表1-1 区域变电所35KV母线短路数据如下：系 统 运 行 方 式短 路 容 量说 明最大运
9、行方式兆伏安35KV最小运行方式兆伏安35KV（3）电业部门对本厂提出的技术要求 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； 在总降变电所35千伏侧进行计量； 本厂的功率因数值应在0.9以上。4. 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。5. 厂的自然条件 (1) 气象条件 最热月平均最高温度为30； 土壤中0.71米深处一年中最热月平均温度为20； 年雷暴日为31天； 土壤冻结深度为1.10米； 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
10、层以砂质粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.85.3米。地耐压力为20吨/平方米。1.3 电力负荷计算（1）荷也称计算容量或最大需要负荷，它是个假定的等效的持续性负荷，其热效应与同一时间内实际的不一定恒稳的负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用能让中小截面导体达到稳定温升的时间段（30min）的最大平均负荷作为按发热条件选择配电变压器、导体及相关电器的依据，并用来计算电压损失和功率消耗。在工程上为方便计，也可作为电能消耗量及无功功率补偿的计算依据。（2）相关电力负荷的理论依据：在所计算的范围内（如一条干线、一段母线或一台变压器），用电设备组的计算负荷并不等于其设备容量，两者之间存
11、在一个比值关系，因此引进需要系数的概念，即用电设备组的有功计算负荷应为 （23）式中 设备组同时使用系数设备组的平均加权负荷系数设备的平均加权效率配电线路的平均效率令，则就称为需要系数。由式（23）可知的定义式为：形成该系数的原因有：用电设备的设备容量是指输出容量，它与输入容量之间有一个额定效率；用电设备不一定满负荷运行，因此引入负荷系数；用电设备本身及配电线路有功率损耗，所以引入一个线路平均效率；用电设备组的所有设备不一定同时运行，故引入一个同时系数。实际上，需要系数还与操作人员的技能及生产等多种因素有关。由此可得较需要系数发的确定三相用电设备组的计算负荷的计算方法。a) 单用电设备组的计算
12、负荷式中，为需要系数；为设备容量； 为设备功率因数角的正切角。b) 多组用电设备组的计算负荷根据以上相关理论全厂各车间计算负荷如下表所示：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) 计 算 负 荷变压器台数及容量备注P(千瓦)Q(千乏)S(千伏安)(1)No1变电所2X8001铸钢车间20000.40.651.17720842.41107.70.9(2)No2变电所2X5001铸铁车间10000.40.71.02400408571.42砂库1100.70.61.3377102.4128.33小计429.3459.36629.730.9(3)No3变电所2
13、X8001铆焊车间12000.30.451.98360712.880021水泵房280.750.80.752115.7526.253小计342.9655.7743.6250.9(4)No4变电所1X8001空压站3900.850.750.88331.5291.74422机修车间1500.250.651.1737.543.957.73锻造车间2200.30.551.5266100.31204术型车间185.850.350.61.3365.0586.5108.45制材场200.280.61.335.67.459.336综合楼200.910180187小计523.65529.85744.95(5)N
14、o5变电所1X4001锅炉房3000.750.80.75225168.75281.2522水泵房280.750.80.752115.7526.253仓库(1，2)88.120.30.651.1726.43630.9340.674污水提升站140.650.80.759.16.82511.3755小计281.536222.255358.692各车间6000V负荷计算序号车间或电单位名称设备容量(千瓦)计 算 负 荷说 明P(千瓦)Q(千乏)S(千伏安)1电弧炉2 X 12500.90.870.5722501282.52586.22工频炉2 X 3000.80.90.48480230.4533.33
15、3变压机2 X 2500.850.850.62425263.55004小计31551776.43620.7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。且No1、No2为暗备用，No3为明备用。由以上电力负荷统计表可得：总有功功率 P = 5452.386kw总无功功率 Q = 4485.965kvar总视在功率 S =7201.152KVA2.变电所高压电气设备选型2.1 主变压器选择大中型企业，由于负荷较大，往往采用35110kV电源进线，降压至10kV或6kV，再向各车间变电所和高压用电设备配电，这种压降变电所称为总压降变电所。用户是否要设置总压降变电所，是
16、由地区供电电源的电压等级和用户负荷的大小及分布情况而定的。一般来讲，企业规模不太大，车间或生产厂房比较集中，应尽量设一个总压降变电所，这样既节省投资，又便于运行维护。但如果企业规模较大，且有两个或两个以上的集中大负荷用电车间群，而彼此之间相距又较远时，可以考虑设立两个或两个以上的总压降变电所。本设计中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。(1)无功补偿计算
17、总有功功率 P = 5452.386kw总无功功率 Q = 4485.965kvar总视在功率 S =7060.623KVA全厂功率因数所以要进行无功补偿取低压侧补偿后无功功率：低压侧补偿后视在功率：变压器损耗： 高压侧有功功率： 高压侧无功功率： 高压侧视在功率： 补偿后的功率因数：(2) 主变压器选择主变压器选择要求，故选择型号为35KV级SL7系列低损耗电力变压器两台。一台工作，一台备用。表2-1 35kv级主变型号及参数型号损耗（w）额定容量阻抗电压空载电流总质量（kg）额定电压（kv）联结组标号轨距（mm）空载负载KVA%器身油总高压低压SL7-630082004100063007.
18、50.97230291013340356.3Y,yn01475资料来源：电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程2.2 架空线路选择本厂电源从电业部门某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。架空线最大工作电流： 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： 导线的经济截面积： 选LGJ-120型铝导线。（1）长时间允许电流校验LGJ-120型铝导线，长期允许工作电流，最高允许温度为900C 。其中长时允许电流：线路承受的最大负荷电流就为满足要求。（2）电压损失校验双回路供
19、电，每条导线上的最大负荷电流： 线路电压损耗百分比：符合要求 （3）机械强度的校验： 满足要求 式中相关参数：W抗弯矩，又称母线的截面系数，f 作用在母线1m长度上的电动力，与短路冲击电流平方成正比，N/mL跨距，支撑母线的两个相邻绝缘子之间的距离，ma-母线的相间距离，m2.3母线的选择2.3.1 35kv母线的选择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。母线最大工作电流： 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
20、度：导线的经济截面积： 选LGJ-120型铝导线。长时允许电流校验导线截面积LGJ-120型铝导线，长期允许工作电流，最高允许温度为700C 。其中长时允许电流：线路承受的最大负荷电流就为符合要求。电压损失校验双回路供电，每条导线上的最大负荷电流： 线路电压损耗百分比：=1.573%冲击电流符合要求。（2） 高压隔离开关选择高压隔离开关的主要功能是保证高压电器设备及装置在检修工作时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开端短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。根据电气设备选择的一般条件选择其高压侧选GN2-35T/400-52型高压隔离开关。主要参数如表5-2：表5-2 GN2-3
21、5T/400-52型高压隔离开关参数型号额定电压KV额定电流A极限通过电流峰值KA热稳定电流KA操动机构型号4s5sGN2-35T/400-52354005214CS6-2T（3）熔断器选择熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的危害，具有很强的限流特性。本系统高压侧选用RN235型熔断器，其主要技术参数如表5-3：表5-3 RN235型熔断器参数型号额定电压KV额定电流A额定开关容量MVA最大开断电流有效值KA最小开断电流（额定电流倍数）过电压倍数（额定电压倍数）备注RN2350.550085保护屋内TV5.2 电流互感器和电压互感器选择（1）电流互感器选择电流互感器
22、是将电力系统的一次电流按一定的变比变换成二次较小电流，供给测量表计和继电器，同时还可以使二次设备与一次高压隔离，保证人生与设备安全。电流互感器正常工作时二次侧阻抗很小，可认为工作在短路状态。因此，电流互感器二次侧不允许开路。本厂高压侧选用LCW-35型电流互感器，其主要参数如表5-4：表5-4 LCW-35型电流互感器参数型号额定电压KV额定电流比A准确级次额定二次负荷VA10%倍数热稳定倍数动稳定倍数外形尺寸mm质量kg0.5级长宽高LCW-3535150/50.5505651007006001080250电流互感器的校验：额定一次电流150A99ALCW-35型断路器的动稳定倍数为满足动稳
23、定条件热稳定校验：热稳定倍数为满足热稳定条件（2） 电压互感器选择电压互感器是将电力系统的一次电压按一定的变比变换成二次较小电压，供给测量表计和继电器，同时还可以使二次设备与一次高压隔离，保证人生与设备安全。电压互感器正常工作时二次侧阻抗很大，可认为工作在断路状态。因此，电压互感器二次侧不允许短路。本厂选用JDJ-35型电压互感器，主要参数如表5-5：表5-5 JDJ-35型电压互感器参数型号额定电压二次绕组额定容量VA辅助绕组额定容量VA最大容量VA一次绕组（KV）二次绕组(KV)辅助绕组0.20.5133P6PJDJ-35350.115025060012005.3 开关柜选择高压开关是指用
24、于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，电压等级在3.6kV550kV的电器产品，主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器，高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。高压开关制造业是输变电设备制造业的重要组成部分，在整个电力工业中占有非常重要的地位。流进主变低压侧开关柜、各车间变压器高压侧及6KV负荷开关柜的电流计算如下，计算结果如下：主变低压侧 同理可得NO.1、NO.2、NO.3、NO.4、NO.5的额定电流为：101.56A、57.62A、67.81、68.27A、32.87A选用KYN-10交流金属铠装移开式
25、开关柜用于380V负荷。KYN-10型开关柜用于三相交流50HZ.额定电压310KVd额定电流3000A以下的单母线分段系统中，接受和分配电能。本开关柜有完善的“五防”装置，符合各类发电厂，变电站及工矿企业的要求。其具体参数如表5-6：表5-6 KYN-10型开关柜主要电气设备技术数据名称及型号数据及内容、名称额定电压（KV）6额定电流（A）630额定开断电流（KA）20CD10型电磁操作机构合闸线圈额定电压（V）脱扣线圈额定电压（V）直流 110 、220直流 24、48、110、220CT8型弹簧操作机构储能电动机额定电压（V）合闸线圈额定电压（V）分励脱扣器额定电压（V）失压脱扣器额定电
26、压（V）过电流脱扣器额定电流（A）交、直流交流交流交流5 110 220 110 220 380 110 220 380110 220 380交流直流直流3804811922048119220配用少油断路器型号额定电压（KV）额定电流（A）额定开断电流（KA）极限通过电流峰值（KA）2S热稳定电流配用操作机构型号SN10-10 I10630164016CD10 ICT8动稳定校验 热稳定校验 符合要求电弧炉、工频炉、空压机237A、48.88A、45.82A。因此本厂选择型交流金属封闭型移开式开关柜用于6KV负荷。其技术参数如下表5-7： 表5-7 型开关柜柜内主要电气设备技术参数序号名称单位
27、开关柜和配用断路器参数1额定电压KV62最高工作电压KV6.93开关柜额定电流A8004断路器额定电流KA（有效值）10005额定开断电流KA（有效值）31.56最大关合电流KA（峰值）807动稳定电流KA（峰值）8082S热稳定电流KA（有效值）31.59开断电容器组Kvar1000010一次母线动稳定电流KA（峰值）8011外形尺寸宽*深*高（mm）840*1500*220012重量Kg800下面进行开关柜的校验： 动稳定校验 热稳定校验 符合要求6.主变压器继电保护选择变压器的内部故障可分为油箱内和邮箱外故障两种。邮箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路，匝间短路以及铁心的烧损等，对变压
28、器来讲，这些故障都是十分危险的，因为邮箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加尔切除。油箱为的故障，主要是套管和引用出现上发生相间短路和接地短路。变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及有余漏油等原因引起的油面降低6.1瓦斯保护瓦斯保护是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本的相当良效的保护装置，其工作原理概括为：变压器内部发生故障时，故障点局部产生高温，使油温升高体积膨胀，而且故障点产生电弧，使绝缘物和变压器油分解而产生大量气体。这些气体必然
29、从油箱内部流向上部的油枕，故障越严重，流向油枕的油气流速度就越大，利用这些内部故障产生的油气流而使瓦斯保护继电器动作，接线图如图6-1：图6-1 变压器瓦斯保护原理图当变压器内部发生轻微故障（轻瓦斯）时， 瓦斯继电器KG的上触点KG1-2闭合，动作于报警信号。当变压器内部发生严重故障（重 瓦斯）时，KG的下触点KG3-4闭合，通常是经中间继电器KM动作于断路器QF的跳闸机构YR，同时通过信号继电器KS发出跳闸信号。但KG3-4闭合，也可以利用切换片XB切换，使KS线圈串接限流电阻R，动作于报警信号。6.2装设电流速断保护工厂供电系统变压器的电流速断保护，一般采用两相式接线。和线路电流速断保护一
30、样，变压器的电流速断保护也不能保护变压器的全部，而只能保护整个元件的一部分，一般在只能保护到变压器的一次侧。利用GL15型继电器的电流速断装置来实现。电流速断保护一次的动作值应按下式计算式中；可靠系数，取1.31.4最大运行方式下，变压器低压侧母线发生短路故障时，流过保护的最大短路电流。对工厂供电系统的降压变压器，该电流为低压侧母线上三相短路时，流过高压侧的短路电流。电流速断的灵敏度可按下式校验式中最小运行方式下，保护安装处发生两相短路时的最小短路电流。速断保护采用两相不完全星形接地，动作电流应躲过系统最大运行方式时，变压器二次侧三相短路值，按公式我们进行以下整定：灵敏度按系统最小运行方式时保
31、护装置处的两相短路电流来校验满足要求。6.3变压器纵差动保护所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。 纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。因此，流经继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用。以下是双绕组变压器纵差动保护的单相原理接线图：图6-2 双
