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1、冶金机修车间低压配电系统及车间变电所设计摘 要随着经济的发展和现代工业建设的迅速崛起，供电系统的设计越来越全面、系统，工厂用电量迅速增长，对电能质量、技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。设计是否合理，不仅直接影响基建投资、运行费用和有色金属的消耗量，也会反映在供电的可靠性和安全生产方面，它和企业的经济效益、设备人身安全密切相关。变电所的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，结合国情合理地确定设计方案；变电所的设计，必须坚持节约用地的原则。变电所应建在靠近负荷中心位置，这样可以节省线材，降低电能损耗，提高电压
2、质量，这是供配电系统设计的一条重要原则。随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，通过新技术的使用，都在不断的发生变化。变电所作为电力系统中一个关键的环节也同样在新技术领域得到了充分的发展。关键词：供电系统；变电所设计Metallurgy machine repair shop and low-voltage power distribution system substation design workshopAbstractWith the economic development and modern industrial building of the
3、rapid rise of the design of the power supply system more and more comprehensive, systematic, and rapid growth of electricity consumption in factories, on the power quality, technical and economic conditions, indicators of the reliability of electricity supply improves, so Design of power supply has
4、been higher and more comprehensive requirements. The design is reasonable, not only directly affects the investment in infrastructure, operation costs and the consumption of non-ferrous metals, will be reflected in the electricity supply reliability and security of production, it is the economic eff
5、iciency of enterprises, is closely related to personal safety equipment.The transformer substation design, must embark from the overall situation, has unified planning, according to the load nature, the using electricity capacity, the project characteristic and the local power supply condition, the
6、union national condition determines the design proposal reasonably; The transformer substation design, must insist that saves the land principle. The transformer substation should construct is approaching the load center position, like this may save the wire rod, reduces the electrical energy to los
7、e, improves the voltage quality, this is for an electrical power distribution system design cardinal principle. With high-power technology, and the complexity of the rapid development of the power system in the supply of electricity from power generation in all areas, through the use of new technolo
8、gies are constantly changing. Substation power system as a key link in the same field of new technologies has been fully developed.Key words : Power supply system ; Transformer substation design目录1 绪论.2 设计任务.2.1 设计要求2.2 设计依据2.2.1车间负荷情况2.2.2 供电电源情况.2.2.3 车间变电所的供电范围.2.2.4 气象资料.2.2.5 地质水文资料2.2.6 电费制度.3
9、 负荷计算和无功功率补偿 3.1 负荷计算 3.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式.3.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式.3.2 无功功率补偿4 变电所位置与型式的选择5 变电所主变压器及主接线方案的选择.5.1变电所主变压器的选择5.2变电所主接线方案的选择5.2.1装设一台主变压器的主接线方案5.2.2装设两台主变压器的主接线方案.5.3 主接线方案的技术经济比较6 短路电流的计算6.1 绘制计算电路6.2 确定短路计算基准值6.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值6.3.1电力系统.6.3.2电缆线路.6.3.3电力变压器6.4 k点（10.5kV侧）的相关计算6.4.1总电抗标幺
10、值6.4.2 三相短路电流周期分量有效值.6.4.3 其他短路电流.6.4.4 三相短路容量.7 变电所一次设备的选择校验7.1 10kV侧一次设备的选择校验7.1.1按工作电压选则.7.1.2按工作电流选择.7.1.3按断流能力选择.7.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验7.2 高低压母线的选择8 变压所进出线与邻近单位联络线的选择.8.1 10kV高压进线和引入电缆的选择8.1.1 10kV高压进线的选择校验.8.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验8.2 380低压出线的选择8.2.1铸造车间.8.2.2铆焊车间8.2.3电修理车间.8.2.4机加工二车间.
11、8.2.5 机加工一车间.8.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验8.3.1按发热条件选择.8.3.2校验电压损耗.8.3.3短路热稳定校验.9 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定9.1变电所二次回路方案的选择9.2 变电所继电保护装置9.2.1主变压器的继电保护装置9.2.2护动作电流整定.9.2.3过电流保护动作时间的整定.9.2.4过电流保护灵敏度系数的检验.9.3装设电流速断保护9.3.1速断电流的整定.9.3.2 电流速断保护灵敏度系数的检验.9.4作为备用电源的高压联络线的继电保护装置9.4.1装设反时限过电流保护.9.4.2装设电流速断保护.9.4.3变电所低压侧的保护装
12、置.10 降压变电所防雷与接地装置的设计10.1变电所的防雷保护10.1.1 直接防雷保护.10.1.2 雷电侵入波的防护. 10.2 变电所公共接地装置的设计10.2.1接地电阻的要求.10.2.2接地装置的设计.参考文献总结谢辞附录1 绪论变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发
13、展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。按照安全、可靠、优质、经济的供配电基本原则,我们提出工厂车间供电的设计方案 。 本次设计主要是关于某机修厂机加工一车间及车间变电所低压配电系统设计。根据变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电站高低压电气设备，为变电所平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：（1）总体方案的确定（2）负荷分析（3）短路电流的计算（4）高
14、低压配电系统设计与系统接线方案选择（5）继电保护的选择与整定（6）防雷与接地保护等内容。2 设计任务2.1 设计要求 要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，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、容量与类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护，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。2.2 设计依据2.2.1 车间负荷情况 本车间为三班工作制，年最大有功负荷利用小时数为3500h，属三级负荷。2.2.2 供电电源情况 （1）本车间变电所从本厂
15、35/10KV 总降压变电所用电缆线路引进10KV 电源，如图示。电缆线路长400m。图1-1（2）工厂总降压变电所10KV母线上的短路容量按300MVA计。（3）工厂总降压变电所10KV配电出线时限过电流保护的整定时间top=1.7s.（4）要求车间变电所最大负荷时功率因数不得低于0.9.（5）要求在车间变电所10KV 侧进行电能计量。2.2.3 车间变电所的供电范围本车间变电所设在机加工一车间的东南角，除为机加工一车间供电外，尚需为机加工二车间及铸造、铆焊、电修等车间供电。2.2.4 气象资料 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-8，年最热月平均最高气温为33，
16、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20d。2.2.5 地质水文资料 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。2.2.6电费制度 本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所低压侧计量电能，供电贴费为800元/kVA。每月基本电费按两部电费制交纳电费:基本电费为18元/kVA，动力电费为0.9元/Kw.h，照明电费为0.5元/Kw.h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.9。3 负荷计算和无功功率补偿3.1 负荷计算3.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷（单位为KW） = ， 为系数b)无功计算负
17、荷（单位为kvar）= tanc)视在计算负荷（单位为kvA）=d)计算电流（单位为A） =, 为用电设备的额定电压（单位为KV）3.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷（单位为KW）=式中是所有设备组有功计算负荷之和，是有功负荷同时系数，可取0.850.95b)无功计算负荷（单位为kvar）=，是所有设备无功之和；是无功负荷同时系数，可取0.90.97c)视在计算负荷（单位为kvA）=d)计算电流（单位为A）=经过计算，得到各车间的负荷计算表，如表3-1、3-2所示（额定电压取380V）。表3-1 机械加工一车间设备明细表设备代号设备名称型号台数单台容量/kw总容量/kw1车
18、床C630M110.12510.1252万能工具磨床M5M12.0752.0753普通车床C620-117.6257.6254普通车床C629-117.6257.6255普通车床C620-117.6257.6256普通车床C620-315.6255.6257普通车床C62014.6254.6258普通车床C62014.6254.6259普通车床C62014.6254.62510普通车床C62014.6254.62511普通车床C61814.6254.62512普通车床C61614.6254.62513螺丝套丝机S-813913.1253.12514普通车床C630110.125810.1258
19、15管螺纹车床Q19917.6257.62516摇臂钻床Z3518.58.517圆柱立式钻床Z504013.1253.12518圆柱立式钻床Z504013.1253.125195t单梁吊车110.210.220立式沙轮11.751.7521牛头刨床B66513322牛头刨床B66513323万能铣床X63WT1131324立式铣床X52K19.1259.12525滚齿机 Y-3614.14.126插床B503214427弓锯机G7211.71.728立式钻床Z51210.60.629电极式盐浴电阻炉12020(单相380)30井式回火电阻炉1242431箱式加热电阻炉1454532车床CW6-
20、1131.931.933立式车床C512-1A135.735.734卧式镗床J681101035单臂刨床B101017070总计381.9表3-2 机加工二车间和铸造、铆焊、电修等车间的负荷计算表序号车间名称供电回路代号设备容量/kW计算负荷P30/kwQ30/kvarS30/kVAI30/A1机加工二车间No.1供电回路15546.554.471.57108.5No.2供电回路1203642.155.484No.3照明回路1080812.122铸造车间No.4供电回路1606465.31.42.12No.5供电回路1405657.180121.23No.6供电回路1807273.4102.8
21、3155.82No.7照明回路86.406.49.73铆焊车间No.8供电回路1504589.199.81151.25No.9供电回路17051101113.15171.46No.10照明回路75.605.68.494电修车间No.11供电回路150457890136.38No.12供电回路146446578.5119No.13照明回路1080812.12总计1406545.1625.4720.661092.193.2 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抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电抗器在供电系
22、统中应用最为普遍。由表3可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.83。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元大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.95来计算380V侧所需无功功率补偿容量：=(tan - tan)=927tan(arccos0.83) - tan(arccos0.95) = 318.3 kvar参照图3，选PGJ1型低压自动补偿评屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）4台相结合，总共容量为84kvar5=420kvar。补偿前后，变压器低压侧的有
23、功计算负荷基本不变，而无功计算负荷=（625.4 -420）kvar=205.4 kvar，视在功率=949.5 kVA，计算电流= 1442.62A,功率因数提高为cos=0.98。在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为1250kVA,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1000kVA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2-2所示。图3-1 PGJ1型低压无功功率自动补偿屏的接线方案表3-3无功补偿后工厂的计算负荷项目cos
24、计算负荷/KW/kvar/kVA/A380V侧补偿前负荷0.83927625.41118.21699380V侧无功补偿容量420380V侧补偿后负荷0.98927205.4949.51442.62主变压器功率损耗0.015=14.20.06=5710KV侧负荷计算0.96941.2262.4977.11484.54 变电所位置与型式的选择变电所的位置应尽量接近车间的负荷中心，车间的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在车间平面图的下边和左侧，分别作一直角坐标的轴和轴，然后测出各车间（建筑）负荷点的坐标位置，、分别代表厂房1、2、3.10号的功率，设定（2.5，5.6）、（3.6，3.6）、（5.7，
25、1.5）、（4，6.6）、（6.2，6.6）、（6.2，5.2）、（6.2，3.5）、（8.8，6.6）、（8.8，5.2）、（8.8，3.5），并设（1.2，1.2）为生活区的中心负荷，如图4所示。而工厂的负荷中心假设在P(,),其中P=+=。因此仿照力学中计算中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标： （4-1） （4-2）把各车间的坐标代入（3-1）、（3-2），得到=5.38，=5.38 。由计算结果可知，车间的负荷中心在机加工一车间的东南角。考虑到周围环境及进出线方便，决定在机加工一车间的东南角建变电所，器型式为附设式。图4-1 按负荷功率矩法确定负荷中心5 变电所主变压器及主接线方案的选
26、择5.1变电所主变压器的选择根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂车间变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1000 KVA=977.1 KVA，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。b)装设两台变压器 型号为S9型，而每台变压器容量根据式（5-1）、（5-2）选择，即977.1 KVA=（586.26683.97）KVA（5-1）=(134.29+165+44.4) KVA=343.7 KVA（5-2）因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。主变压器的联结组均为Yyn0 。5.2 变电所
27、主接线方案的选择 按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：5.2.1装设一台主变压器的主接线方案如图5-1所示Y0Y0S9-1000GG-1A(F)-0710/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GW口-1010kVFS4-10GG-1A(J)-03GG-1A(J)-03GG-1A(F)-07GG-1A(F)-54GG-1A(F)-07GG-1A(F)-07主变联络（备用）220/380V高压柜列图5-1 装设一台主变压器的主接线方案5.2.2装设两台主变压器的主接线方案 如图4-2所示Y0Y0220/380VS9-630GG-1A(F)GG-1A(F)-0710/
28、0.4kVS9-63010/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GG-1A(F)-113、11GW口-1010kVFS4-10GG-1A(J)-01GG-1A(F)-113GG-1A(F)-11GG-1A(J)-01GG-1A(F)-96GG-1A(F)-07GG-1A(F)-54主变主变联络（备用）高压柜列-96图5-2 装设两台主变压器的主接线方案5.3 主接线方案的技术经济比较 表5-1 主接线方案的技术经济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，电压损耗较大由于两台主变并列，电压
29、损耗较小灵活方便性只有一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些经济指标电力变压器的综合投资额查得S9-1000/10的单价为15.1万元，而变压器综合投资约为其单价的2倍，因此综合投资约为2*15.1=30.2万元查得S9-630/10的单价为10.5万元，因此两台变压器的综合投资约为4*10.5=42万元，比一台主变方案多投资11.8万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查得GG-1A(F)型柜可按每台4万元计，其综合投资可按设备的1.5倍计，因此高压开关柜的综合投资约为4*1.5*4=24万元本方案采用6台GG-1A(F)柜，其综合投资约为6*1.5*4=3
30、6万元，比一台主变方案多投资12万元电力变压器和高压开关柜的年运行费主变的折旧费=30.2万元*0.05=1.51万元；高压开关柜的折旧费=24万元*0.06=1.44万元；变配电的维修管理费=（30.2+24）万元*0.06=3.25万元。因此主变和高压开关柜的折旧和维修管理费=（1.51+1.44+3.25）=6.2万元主变的折旧费=42万元*0.05=2.1万元；高压开关柜的折旧费=36万元*0.06=2.16万元；变配电的维修管理费=（42+36）万元*0.06=4.68万元。因此主变和高压开关柜的折旧和维修管理费=（2.1+2.16+4.68）=8.94万元，比一台主变方案多投资2.
31、74万元供电贴费主变容量每KVA为800元，供电贴费=1000KVA*0.08万元/KVA=80万元供电贴费=2*630KVA*0.08万元=100.8万元，比一台主变多交20.8万元从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案远由于装设两台主变的主接线方案，因此决定采用装设一台主变的主接线方案。6 短路电流的计算6.1 绘制计算电路如图6-1所示图6-1 引入车间变电所电路6.2 确定短路计算基准值设基准容量=100MVA，基准电压=1.05，为短路计算电压，即低压侧=10.5kV，则（6-1） 6.3 计算短路
32、电路中个元件的电抗标幺值6.3.1电力系统已知电力系统出口断路器的断流容量=300MVA，故=100MVA/300MVA=0.33 （6-2）6.3.2电缆线路已知线路电抗，而线路长0.4km，故 （6-3）6.3.3电力变压器查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故=4.5 （6-4）式中，为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图6-2所示。图6-2 短路计算等效电路6.4 k点（10.5kV侧）的相关计算6.4.1总电抗标幺值=0.33（6-5）6.4.2 三相短路电流周期分量有效值 （6-6）6.4.3 其他短路电流 （6-7）（6-8）（6-9）6.4.4 三相短路容量（6-10
33、）以上短路计算结果综合图表6-1所示。表6-1短路计算结果短路计算点三相短路电流三相短路容量/MVAk16.6716.6716.6742.5125.173037 变电所一次设备的选择校验7.1 10kV侧一次设备的选择校验7.1.1按工作电压选则 设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。7.1.2按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即7.1.3按断流能力选择设备的额定开断电流或
34、断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即或对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。7.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验a)动稳定校验条件或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件对于上面的分析，如表7-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。表7-1 10 kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动态定度热稳定度其它装置地点条件参数数据10kV57.7A()16.67kA25.17kA一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/6
35、3010kV630kA16kA40 kA高压隔离开关-10/20010kV200A-25.5 kA二次负荷0.6高压熔断器RN2-1010kV0.5A50 kA-电压互感器JDJ-1010/0.1kV-电压互感器JDZJ-10-电流互感器LQJ-1010kV100/5A-=31.8 kA=81避雷针FS4-1010kV-户外隔离开关GW4-12/40012kV400A-25kA7.2 高低压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。8
36、 变压所进出线与邻近单位联络线的选择8.1 10kV高压进线和引入电缆的选择8.1.1 10kV高压进线的选择校验采用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=57.7A及室外环境温度33，查表得，初选LGJ-35,其35C时的=149A,满足发热条件。b).校验机械强度查表得，最小允许截面积=25，而LGJ-35满足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。8.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。a)按发热条件选择由=57.7A及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为2
37、5的交联电缆，其=149A,满足发热条件。b)校验热路稳定按式，A为母线截面积，单位为；为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=1960，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s，C=77，把这些数据代入公式中得，满足发热条件。 b）校验电压损耗由图所示的工厂平面图量得变电所至厂房距离约为288m，而查表得到120的铝芯电缆的=0.31 （按缆芯工作温度75计），=0.07，又铸造车间的=198.4kW, =195.8 kvar，故线路电压损耗为=5%c）断路热稳定度校验不满足短热稳定要求，故改选缆芯截面为240的电缆，即选VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择，下同。8.2.2 铆焊车间馈电给铆焊车间的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。8.2.3 电修理车间馈电给电修车间的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。8.2.4 机加工二车间馈电给机
