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1、绵阳师范学院本科生毕业设计（论文）题 目 绵师院磨家供配电系统优化改造设计专 业 电气工程及其自动化 院 部 物理与电子工程学院 学 号 0909040148 姓 名 指 导 教 师 答 辩 时 间 二0一三年五月 工作时间： 2012年7月 至 2013年5月绵师院磨家供配电系统优化改造设计 摘 要: 本次设计的内容是磨家师院供配电系统优化改造设计，这次是为师院供配电主变压器的优化，给学校供给电能。且大学对供电要求较高。所以，必须采用可靠性较高的优化方案。原始材料的负荷计算、短路电流计算及变压器的选择及优化、主接线图的选择。其中，主接线代表了变配电所主体结构，它对电气设备的选择、配电装置的选
2、择、继电保护等都有关系，且将长期影响系统运行的可靠性、安全性、经济性。我参考了供配电系统设计、变配电所设计、工厂供电等许多的书籍，最后对该校供配电系统进行了初步优化改造设计。这次设计为毕业设计，我通过设计改造实践，综合运用所学的知识，培养了独立分析和解决问题的能力，为以后的工作奠定了基础。关键词: 变压器;电气主接线;电气设备;继电保护 Optimization of School Power SupplyUndergraduate: zhanghuanSupervisor: oujianAbstract: This design topic is the power supply and d
3、istribution system for a experimental high school of A city, this system is connected with the public line of 10kV through step-down transformers, and distribute electrical power to experimental high school of A city. The experimental high school of A city electrical charge is big ,and the school de
4、mand of reliability of power supply is high, using the high reliable wiring form.The charge computation, short-circuit current computation, electrical main wiring design, electrical equipment choice and verification (including main voltage transformer choice, circuit breaker and disconnecting switch
5、 with check-up, conductor choice with check-up, current transformer choice with check-up, voltage transformer choice with check-up and lightning protector choice and so on),the disposal and configuration of the transformer substation design. Between them, the electrical main wiring has represented t
6、he main bodies structure of the substation, it has the decisive relations about the electrical equipment choice, the power distribution equipment arrangement, the relay protection, the decision of automatic device and the control mode ,and it has long-term influence about the reliability，security，fl
7、exibility and efficiency of the electrical power system movement. In order to finish the design, I referring to the power supply and distribution design standard, the transformer substation design standard，the electrical design standard of architecture and so on, carry on the preliminary design to t
8、his power system. This design is a graduation design .The purpose of this design is to give us a chance of synthetical usage of the knowledge we have learned. Besides, it can train our ability to analyze and solve practical problems in Construct electricity in dependently so that the theory is conne
9、cted with practice and a solid base is made in favor of future work.Key words: transformer; electrical main wiring; electrical equipment; relay protection 目 录1 绪论11.1 供配电设计的意义和要求11.2 供配电设计步骤12 负荷及无功功率补偿的计算22.1 负荷计算的内容和目的22.2 负荷计算的结果22.3 无功补偿的目的42.4 无功功率补偿的计算43 磨家师院变配电所设计改造53.1 变配电所位置选择53.2 变配电所主接线设计
10、要求53.3 主接线概述63.4 变电所主变压器选择的优化64 短路电流计算74.1 标么值法计算短路电流74.2 短路电流的计算结果85 主要电气设备的选择与校验95.1 电气设备选择的一般原则95.2 电气设备选择的技术条件95.3 10kV侧进线断路器、隔离开关的选择105.4 380V侧断路器的选择125.5 互感器的选择125.6 熔断器的选择135.7 开关柜的选择146 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定146.1 二次回路方案选择146.2 继电保护的整定15参考文献18致 谢19附录20附录1 磨家师院平面图20附录2 配电室平面布置示意图21附录3 主接线图22附录4
11、变压器继电保护原理图23附录5 10kV侧继电保护图241 绪论1.1 供配电设计的意义和要求 供配电技术，就是研究电力的供应和分配问题。电力，是现代工业生产的主要能源和动力，是现代文明的物质技术基础。没有电力，就没有工业现代化，就没有整个国民经济的现代化。现代社会的信息化和网络化，都是建立在电气化的基础之上的。工业生产只有电气化以后，才能大大增加产量，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的自动化。但是工矿企业的电力供应如果突然中断，则将对企业生产造成严重的后果，甚至可能发生重大的设备损坏事故或人身伤亡事故。因此做好供配电工作，
12、对于保证企业生产的正常进行和实现工业现代化具有十分重要的意义。供配电工作要很好地为工业生产和国民经济服务，切实保证工业生产和国民经济的需要，切实搞好安全用电、节约用电、计划用电（合称“三电”）工作，必须达到下列基本要求：安全在电力的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。可靠应满足电力用户对供电可靠性即连续供电的要求。优质应满足电力用户对电压质量和频率质量等方面的要求。经济应使供配电系统的投资少，运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属消耗量。此外，在供配电工作中，应合理地处理局部与全局、当前与长远的关系，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。例如计划用电
13、问题，就不能只考虑本单位的局部利益，更要有全局观点，要服从公共电网的统一调度。1.2 供配电设计步骤供配电设计内容主要包括变配电设计、高压配电线路设计、低压配电线路设计和电气照明设计等。其设计步骤一般如下：1收集原始资料在动手设计之前，应根据设计任务书的要求，收集用电设备的性质、特征、功率、布局、环境及气象条件；各用电单位的平面图及断面图；用电设备平面布置图；电源的电压、容量及可能提供的供电方式。2电力负荷的分析计算根据提供的各用电单位的电力负荷清单，分析那些电力设备属一级负荷，那些属二级负荷，那些属三级负荷，然后按需要系数法分别计算出各用电单位及全部的计算负荷，在大学平面图上画出各用电单位的
14、负荷图。根据各用电单位的负荷性质及平面布局，确定在那些地方设变电所及各变电所中的变压器台数。然后根据确定的变电所布局，拟出各用电单位变电所供电范围，并计算各变电所的计算负荷。3大学配电系统设计优化改造应根据工艺设计所提供大学配电系统设计的设备平面布置图、拟出另外一种可行的大学配电系统优化方案进行比较。4变配电所平面布置设计及变电所优化改造后的供配电主接线图的设计5继电保护及二次回路的选择和测量保护2 负荷及无功功率补偿的计算2.1 负荷计算的内容和目的（1）负荷计算的内容包涵:设备功率计算，计算负荷，尖峰电流，一、二级负荷和平均负荷等内容。计算负荷就是一个假想持续性的负荷，热效应和相同时间内实
15、际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，经常采用30分钟的最大平均负荷作为发热条件选择电器或导体的依据。 （2）负荷计算的目的:为了合理的选择供电系统中的导线、开关电器、变压器等元件、整定继电保护，使电气设备和材料得到充分利用和安全运行。2.2 负荷计算的结果根据磨家绵阳师范学院资料，按照需要系数法，负荷计算结果下表2-1 负荷计算表建筑名称负荷性质数量总容量需要系数costg计 算 负 荷教学楼荧光灯576223.0420.80.551.5236.86455.29667.026白炽灯8823.5220.951.006.68806.688投影机4829.620.60.80.7511.5
16、28.6414.4空调4829620.70.80.75134.410.8168消防电7281.440.50.80.7540.7230.5450.9合 计345.76230.192195.276301.86综合楼荧光灯1947.760.80.551.526.2089.43611.287白炽灯441.760.951.001.67201.672空调30600.70.80.754233.652.5电脑320960.30.80.7528.821.636实验器材200.81.0016016消防电1620.300.50.80.7510.167.6212.7合 计205.84104.8472.256127.3
17、3办公楼荧光灯64025.60.850.551.5221.7633.07439.56白炽灯1602.40.951.002.2802.28电 脑320960.30.80.7528.821.636空 调1603200.70.80.75224168280消防电4080.80.50.80.7540.430.350.5合 计524.8317.24252.98405.751#-9#宿舍楼荧光灯1009490.60.551.5221.632.83239.263白炽灯9891.4790.951.0012.57012.569电风扇10091090.50.750.884539.660.008消防电18920.36
18、90.50.80.7591.6268.715114.53合 计322.47170.79141.15221.561、2食堂荧光灯803.20.60.551.521.922.91483.49电视163.20.50.750.881.61.4082.134电风扇4040.50.750.8821.762.346电磁炉801600.851.001360136电冰箱80320.60.71.0219.219.58427.428消防栓2040.40.50.80.7520.215.1525.25合 计242.8180.9240.820185.47图书馆荧光灯1204.80.60.551.522.884.3765.
19、24白炽灯160.640.951.000.60800.608空调12240.70.80.7516.812.621电脑123.60.30.80.751.080.811.350消防栓840.160.50.80.7520.0815.0625.1合计73.241.44832.84852.886体育中心白炽灯803.20.951.003.0403.04音响2020.50.750.881.00.881.334消防栓840.160.50.80.7520.0815.0625.1合计45.7624.1215.9428.912保卫室荧光灯40.160.50.551.520.080.12160.146空调240.7
20、0.80.752.82.13.5电脑20.60.30.80.750.180.13500.2250消防栓440.080.50.80.7520.0415.03025.050合计44.8423.117.38728.312校园内路灯白炽灯15060.951.005.705.7合计65.705.7体育场白炽灯120.720.951.000.68400.684音响1010.50.750.880.50.440.667合计1.721.1840.441.26总合计1982.81226.14976.71410.74取Kt = 0.90;根据上表可算出：P30i =1226kW; Q30i =976.7kvar则
21、P30 = KtP30i = 0.91226kW = 1103.4kWQ30 = KtQ30i = 0.9976.7kvar = 879.03kvarS30=1410.74KV.ACOS = P30/S30 0.782.3 无功补偿的目的 按照供电局的规定，低压功率因数补偿到0.95，高压功率因数要求0.9。采用无功补偿，提高系统的功率因数，可以节能、减少线路压降，还能提高供电质量，也可以提高系统供电的裕量。所以，供配电系统中的无功功率补偿是必不可少的。并联电容器个数式中 qc单个电容器的容量（单位为kvar）2.4 无功功率补偿的计算由负荷计算表知，墨家师院学校380v侧最大负荷时的功率因数
22、为0.9以上。而民用建筑各地供电局规定低压功率因数补偿到0.95,高压功率因数补偿到0.9以上。暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：=(tan - tan)=1103.4tan(arccos0.78) - tan(arccos0.92) （2-1）=1103.4(0.8023-0.4260)= 415.19 kvar装设了无功补偿后，总的有功计算负荷不变，而总的无功计算负荷应扣除无功补偿容量，即总的无功计算负荷： （2-2）补偿后总的视在计算负荷为： （2-3） 补偿后的计算电流为： （2-4） 补偿后的功率因素为： （2-5） 这一功率因数满足要求。 计算可知，装设了无功补偿装
23、置后，总有功计算负荷变，而总视在计算负荷减少，因而主变压器的容量可选得小一些，从而降低了变电所的初投资和电费开支。3 磨家师院变配电所设计改造3.1 变配电所位置选择（1）尽量选择靠近负荷中心，减少配电系统的电能损耗、电压损耗及有色金属消耗量。（2）进出线方便，采用架空线进出时应考虑这一点。（3）接近电源侧，对总变、配电所特别要考虑这一点。（4）设备运输方便。（5）尽量避开剧烈震动和高温场所。（6）不宜设在有多尘和有腐蚀性气体的场所，当无法远离时。则应设在污源的上风侧。（7）不宜设在厕所、浴池或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻。（8）不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方。且不
24、宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方。（9）高压配电所应尽量与车间变电所或有大量高压用电设备建筑物合建。（10）不应妨碍其他建筑物的发展，并适当考虑今后的扩建。3.2 变配电所主接线设计要求电气主接线设计可满足可靠性、灵活性和经济性三项要求。（1） 可靠性供电可靠性是指能长期、连续、正常地向用户供电,是电力生产和分配的首要要求，主接线的设计首先应满足这个要求。电气主接线要保证在正常运行时,还要考虑到检修和事故时,不能导致一类负荷停电,一般负荷也要尽量减少停电时间。显然,这些都会导致费用的增加,与经济性的要求发生矛盾。所以,应根据具体情况进行技术经济比较,保证必要的可靠性,不可片面地追求高的可靠
25、性。（2） 灵活性 满足调度时的灵活性要求。根据安全、优质、经济的目标，灵活地投入和切换电源、变压器和线路，满足系统在事故运行方式、检修运行方式以及特殊运行方式下的系统调度要求。 满足检修时的灵活性要求。在某一设备需要检修时，应能方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不致影响电力网的运行和对用户的供电，并使该设备与带电运行部分有可靠的安全隔离，保证检修人员检修时的方便和安全。 满足扩建时的灵活性要求。大的电力工程往往要分期建设。从初期的主接线到最终方案的确定，每次过渡都应比较方便，对已运行部分影响小，不影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入新装变压器或线路而不互相干扰，并且对
26、一次和二次部分的改建工作量最少。（3） 经济性在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可靠、灵活，必然要选用高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下作到经济合理。一般应当从以下几方面考虑。 节省一次投资。主接线应简单清晰，并要适当采取限制短路电流的措施，以节省开关电器的数量、选用价廉的电器或轻型电器，以便降低投资。 电能损耗少，经济合理地选择主变压器的形式、容量和台数，避免两次压降而增加电能损失。 占地面小。主接线设计要为配电装置布置创造节约土地的条件，尽可能使占地面积少；同时，要注意节约搬迁费用、安装费用
27、和外汇费用。对大容量电厂或变电站，在可能和允许的条件下，应采取一次设计，分期投资建设，尽快发挥经济效益。3.3 主接线概述主接线图或者叫主电路图，表示在供电系统中电能的输送和分配路线的电路，也叫一次电路图。对于接线方案的选择必须同时考虑电气主接线的可靠性、灵活性、经济性。（1）可靠性是变电站的首要问题。主接线的设计，应保证供电的连续性，并尽可能减少传输中的能量损失。为此，变电站的主接线的可靠性，应从以下几方面考虑：1）当对断路器进行检修时，不宜影响到对系统的供电。2）当断路器或母线发生故障以及当对母线检修时，应尽可能减少停运的回路数以及停运时间，并且要能够保证对一级负荷和全部或大部分二级负荷的
28、供电。3）要尽量避免变电站全部停运的可能性。（2）主接线还应满足在检修、调度和扩建时的灵活性。在检修时，可比较方便地停止运行断路器、母线和继电保护设备，进行安全检修而不致影响电网的运行和对用户的供电。在调度时，应可较灵活地投入和切除掉变压器和线路，调配系统电源及负荷。在扩建时，可较方便地从初期的接线逐渐过渡到最终的接线。当出现不直接影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入变压器或线路而不互相干扰，并且对一次和二次部分的扩建工作量最少。（3）在满足可靠性、灵活性的前提下，也要满足经济性，尽可能使投资省、占地面积小、电能损失少。3.4 变电所主变压器选择的优化根据学校的负荷性质和电源情况，得知该学
29、校变电所的原有的供配电设计是靠装有一台主变压器（S9-1600/10）的变电所。 由于此种方案造成能量大量损耗运营成本较高，所以在此基础上设计采用两台变压器的主接线图，这样可以大大减少能量的损耗，长期投入运营更节省投资，提高变压器的运行效率。分散投资一个以上的主变压器比直接用一个大型变压器更经济可靠。由于装有两台主变压器的变电所其中每台主变压器容量应小于总的计算负荷的60%，最好是总的计算负荷的70%左右，即（0.60.7）同时每台主变压器容量不应小于全部一二级负荷之和（+），即（+）主变容量的确定应根据电力系统510年发展规划进行。当变电所装设两台及以上主变时，每台容量的选择应按照其中任一台
30、停运时，其余容量至少能保证所供一级负荷或为变电所全部负荷的6075%。由系统分析计算得知380V侧的负荷总量为1.2MVA。考虑5%的年负荷增长率，5年规划年限内计算负荷可表示为： （3-1） 式中第一年的负荷；年负荷增长率； n规划年数； i年利率。 带入i=0.1，n=5，=5%，=1.2MVA得=1.81MVA。再考虑同时系数时，可按下式算： （3-2）式中负荷同时系数带入=0.85得=1.54MVA。对于两台变压器的变电所，其变压器的额定容量可按下式确定： （3-3）总安装容量为2（0.7）=1.4所以采用两台S9-1250/10型变压器。对于变压器的联结组别，610kV配电变压器有Y
31、yn0和Dyn11两种联结组。在我国目前阶段，大多选用Dyn11（即/-11）联结组。所以本次优化设计改造也采用Dyn11联结组。（图见附录）4 短路电流计算4.1 标么值法计算短路电流相对值就是实际有名值与选定的基准值间的比值，即标么值我们一般先选定基准容量Sd和基准电压Ud。根据三相交流电路中的基本关系，推得基准电流Id和基准电抗值分别为 （4-1） （4-2）据此，可以直接写出以下标么值表示式容量标么值 (4-3）电压标么值 (4-4）电流标么值 (4-5）电抗标么值 (4-6）在进行短路计算时，为方便起见通常选择基准值Sd100MVA，基准电压（Ud）为线路平均额定电压（Uc）。4.2
32、 短路电流的计算结果为了选择高压电气设备，整定断电保护，需计算配电系统380v侧、10kv侧配电线路末端的短路电流，因此选取二个短路点，分别为a、b点。变电所为两台S9-1250/10双绕组变压器，其短路阻抗电压是5%.采用的是分段单母线接线。10kV侧： （4-7） （4-8）380V侧： （4-9） （4-10）表4-1 电压，电流，电抗基准值（SJ100MVA） 基准电压（kV）基准电流(kA)基准电抗()10.55.501.100.41440.0016表4-2 三相短路电流计算结果表短路点编号短路点额定电压平均工作电压短路电流周期分量有效值短路点冲击电流短路容量有效值最大值U/kVU/
33、kVI/kAI/kA/kA/kAS/MVAa0.380.428.228.242.671.719.6b1010.51.771.772.674.5132.35 主要电气设备的选择与校验5.1 电气设备选择的一般原则 （1） 安全、经济、合理是选择电气设备的基本要求。 （2） 应满足正常运行、短路和过电压等情况下的要求，并考虑长远发展。 （3） 应保证技术先进和经济合理并重； （4） 应按照变电站所在地环境条件进行校核； （5） 如果是同类设备，应尽可能减少品种；5.2 电气设备选择的技术条件当选择高压电器时，应保证其在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下正常运行。1长期工作条件（1）电压 选
34、用的电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug，即UmaxUg （2）电流选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即IeIg由于变压器短时过载能力想当大，双回路出线的工作电流变化幅度也很大，所以应根据实际的需要确定其计算工作电流。因为高压电器没有明确的过载能力，故当选择其额定电流时，应保证各种可能运行方式下回路持续工作电流满足要求。 （3）机械荷载所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。 2短路稳定条件（1）校验的一般原则 电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验。校验的短路电流一般取三相短路
35、时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，应按严重情况校验。 用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。 （2）短路的热稳定条件 （5-1） 式中 在计算时间t秒内，短路电流的热效应（kA*S）； I电器的热稳定电流的有效值（kA）； t电器的热稳定试验时间（s）。 （3）短路的动稳定条件 （5-2） （5-3） 式中三相短路冲击电流峰值（kA）； I第一个周期短路全电流有效值（kA）； 电器的动稳定电流峰值（kA）； 电器的动稳定电流有效值（kA）。5.3 10kV侧进线断路器、隔
36、离开关的选择流过断路器和隔离开关的最大持续工作电流 （5-4） 额定电压选择 10kV 额定电流选择 开断电流选择 本设计中10kV侧采用SF6断路器，因为与传统的断路器相比，SF6断路器采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，这种断路器具有断口耐压高，允许的开断次数多，检修时间长，开断电流大，灭弧时间短，操作时噪声小，寿命长等优点。因此可选用LN210型户外高压SF6断路器。选用的断路器额定电压为10kV，最高工作电压为12kV，系统电压10kV,满足要求。选用的断路器额定电流1250A，去除1.8%的温度影响为1228A，大于最大持续工作电流72.17A，满足要求。选用的断路器额定短路开断电流2
37、5kA，大于短路电流周期分量有效值1.77kA，满足要求。动稳定校验 ish =4.51kA=63kA 满足要求。热稳定校验。由电力工程电气设计手册电气一次部分表65知，选用高速断路器，取继电保护装置保护动作时间0.6S，断路器分匝时间0.03S，则校验热效应计算时间为0.63S（后面热稳定校验时间一样）。因此Qk=28.220.63=501（kA）2S。电气设备=2524=2500（kA）2S。满足要求。表5-1 LN210具体参数比较表计算数据LW835A10kV10kV72.17A1250A1.77kA25kA4.51kA63kA501（kA）2S2500（kA）2S 隔离开关选择GN1
38、9-10/630-20型号隔离开关选用的隔离开关额定电压为10kV，最高工作电压11.5kV,系统电压10kV,满足要求。选用的断路器额定电流630A，去除1.8%的温度影响为618.7A，大于最大持续工作电流72.17A，满足要求。动稳定校验ish =4.51kA=50kA 满足要求。热稳定校验Qk=28.220.63=501（kA）2S设备=202=800（kA）2S，满足要求。 表5-2 GN19-10/630-20具体参数比较表计算数据GW1435/63010kV10kV72.17A630A4.51kA50kA501（kA）2S800（kA）2S5.4 380V侧断路器的选择 380V
39、侧选用万能式低压断路器中的DW系列。对于不同的负荷采用不同的低压断路器。采用DW15-600型断路器。选用的低压断路器额定电压为380V，系统电压380V，符合要求。选用的低压断路器额定电流600A，大于最大持续工作电流292.6A，满足要求。选用的低压断路器额定短路开断电流30kA，大于三相短路电流周期分量有效值28.2kA，满足要求。与上述分析相同，经检验各车间断路器的选择满足要求。表5-3 断路器-隔离开关选择一览表位置断路器隔离开关10kV进线侧LN210GN19-10/630-2010kV主变侧LN210GN19-10/630-20380V侧DW15-600-5.5 互感器的选择1. 电流互感器的选择1.电流互感器选择的原则电流互感器的选择应满足变电所中电气设备的继电保护、自动装置、测量仪表及电能计量的要求。选择的电流互感器一次回路允许最高工作电压Umax应大于或等于该回路的最高运行电压，即 （5-5）式中电流互感器最高电压，单位为kV； 回路工作电压，即系统标称电压，单位kV。电流互感器的一次额定电流有：
