某工厂10kv车间变电所电气部分设计

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

学号：201409171720611002

姓名：陈 忠

I

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

某工厂10kV车间变电所电气部分设计

摘 要

本设计的题目为“某工厂10kV车间变电所电气部分设计”。设计的主要内容包括：10/0.4kV变电所主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。其中还对变电所的主接线通过CAD制图直观的展现出来。

本次设计的内容紧密结合实际，通过查找大量相关资料，设计出符合当前要求的变电所。

本变电所对低压侧负荷的统计计算采用需要系数法；为减少无功损耗，提高电能的利用率，本设计进行了无功功率补偿设计，使功率因数从0.74提高到0.96；短路电流的计算包括短路点的选择及其具体数值计算；而电气设备选择采用了按额定电流选择，按短路电流计算的结果进行校验的方法；继电保护设计主要是对变压器进行电流速断保护和过电流保护的设计计算；配电装置采用成套配电装置；

关键词： 短路电流计算，继电保护，接地装置，变压器

II

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

目录

前 言 ................................................................................................................................................. III 第1章 任务说明 ................................................................................................................................ IV

1.1 设计要求............................................................................................................................. IV 1.2 负荷情况............................................................................................................................. IV 1.3 供电电源情况 ...................................................................................................................... V 1.4 气象、地质水文资料 ........................................................................................................... V 第2章 机加工车间的负荷计算 .......................................................................................................... V

2.1 负荷计算.............................................................................................................................. V 2.2 无功功率补偿 ..................................................................................................................... VI 第3章 工厂变电所的设备选择及主接线设计 ................................................................................ VIII

3.1 总降压变电所位置的选择 ............................................................................................... VIII 3.2 变压器台数及容量的选择 ............................................................................................... VIII 3.3 变电所主结线的选择 .......................................................................................................... IX

3.3.1 变电所主接线的选择原则 ...................................................................................... IX 3.3.2 变电所主接线方案的选择 ....................................................................................... X

第4章 工厂供、配电系统短路电流计算 .......................................................................................... XI

4.1 短路电流计算的目的及方法............................................................................................... XI 4.2 短路电流计算 ..................................................................................................................... XI

4.2.1 绘制计算电路图 ..................................................................................................... XI 4.2.2 确定基准值 ........................................................................................................... XII 4.2.3 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 .......................................................... XII 43变电所的保护设备 ............................................................................................................... 15

前 言

变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

无论国内国外，还是从管理方、运行方及设计单位对于变电站实现综合自动化均取得了共识。

III

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

变电站综合自动化也采用了新的技术全分散式变电站自动化系统和先进的网络技术。

本课题设计了一个某工厂的供电系统，在满足工厂供电设计中安全、可靠、优质、经济的基本要求的前提下，首先根据全厂和车间的用电设备情况和生产工艺要求，进行了负荷计算，通过功率因数的计算，进行无功补偿设计(包括无功补偿容量计算和补偿设备选择、校验)，确定了工厂的供电方案，通过技术经济比较，确定了供电系统的主接线形式，选择了主变压器的台数和容量。

表0-1示出了工厂供电设计依据的主要设计规范。

第1章 任务说明

1.1 设计要求

本设计的要求是根据本地某工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与容量、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，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地设备。

1.2 负荷情况

本厂多数车间为三班制，最大负荷利用小时Tmax?5000h，除1#、2#、3#车间部分设备属

二级负荷外，其它均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明设备为单相，额定电压为220V。本厂的负荷统计参见下表1-1。供电部门对功率因数的要求值：10kV供电时，cos??0.9。

变电所位置已选定，每个车间距离变电所的距离为： 1#车间：110m； 2#车间：80m； 3#车间：100m； 4#车间：90m。

表1-1 车间负荷情况

各机械组车间 设备类别 代号 No.1 No.2 1# 动力 No.3 No.4 154.7 35.2 IV

0.43 0.2 0.92 0.5 Pe/kVA 180 75 0.7 0.65 设备容量需要系数Kd cos? 0.95 0.94 厂用变电所配电系统的组成和基本设计

No.5 No.6 2# 动力 No.7 156 0.68 0.88 48.6 182 0.2 0.4 0.5 0.9 续表1-1 车间负荷情况

照明 No.9 No.10 动力 3# 照明 No.11 No.12 No.13 4# 动力 No.14 No.15

1.3 供电电源情况

按照工厂与供电部门签订的供电协议规定，本厂可从4.5km远的地区变电所取得35kV的电源，该馈线首端所装设的高压断路器断流容量为300MV·A，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7s。该馈线由4km长的架空线和0.5km长的电缆线组成。

为满足工厂部分二级负载的要求，可采用高压联络线由临近单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为5km，电缆线总长为2km。

1.4 气象、地质水文资料

本厂所在地区的年最高气温为38℃，年平均气温为17℃，年最低气温为-8℃。年雷暴天数约为20天。

本厂所在地区，地层以砂质粘土为主。

第2章 机加工车间的负荷计算

2.1 负荷计算

需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算计算负荷。当用电设备台数较多、各台设备容量相差不甚悬殊时，通常都采用需要系数法计算；

V 135 8 180 147 10 0.3 0.36 0.3 0.3 0.36 0.45 0.88 0.5 0.56 0.88 12 159 0.36 0.3 0.88 0.45 No.8 187 0.49 0.78

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

二次项系数法：将符合分为基本负荷和附加负荷，后者考虑一定数量大容量设备影响。当用电设备台数少而容量相差悬殊，用二项式法计算[1-3]。

本设计结合实际情况，采用需要系数法确定。 主要计算公式有： 有功计算负载：

P30?KdPN

?P30tan? S30?P30cos?

无功计算负载：Q30视在计算负载：

计算电流：

I30?S303UNK

由前面统计结果，取

?p=0.90，K?q=0.95，计算总有功计算负荷P30，总无功计算负

荷Q30，总的视在计算负载S30，总的计算电流I30：

P30?K?p?P30.i?0.9?725.5?653kW

Q30?K?p?Q30.i?0.95?622.9?591.8kvar

22S30?P30?Q30?6532?591.82?881.3kVA

I30?最大负荷时的功率因数：

S303UN?881.33?0.38?1339A

cos??P30Q30?653881.3?0.74

计算的结果同样填入上表。

2.2 无功功率补偿

在《供电营业规则》中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：100kVA以及以上电压供电的用户功率因数为0.90以上，其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上”，基于此，我们取cos?应大于0.9。而由上面计算可知cos??0.74＜0.9，低于0.9，因此必须进行无功补偿[1-3]。

考虑到变压器本身的无功功率损耗ΔQT远大于其有功功率耗损ΔPT,一般

?QT?(4~5)?PT，因此，在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高

VI

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

于0.90，这里取cos??0.92。

要使低压侧功率因数由0.74提高到0.92，低压侧需装设的并联电容容量为：

Qc?P30(tan?1?tan?2）kvar

=

653??tanarccos0.74?tanarccos0.92?kvar

=313.4 kvar，取QC = 450 kvar

参考附图2可知，选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容可选用BWF6.3-50-1型。 因此，其电容器的个数为：

n?Qcqc?45050?9。

由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，经计算，取9个正好。 无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

'S306532?(591.8?450)2kVA?668.2kVA (2)?变压器的功率损耗为是

?pT?0.015s30(2)?0.015?668.2?10kW

?QT?0.06s30(2)?0.06?668.2?40kW

变电所高压侧的计算负荷为

PkW 30(1)??653?10?663Q30(1)??(591.8?450)?40?181.8kW

'S306632?181.82kVA?687.5kVA (1)?I30?无功率补偿后，工厂的功率因数为

S'303UN?687.53?10?39.7A

cos???p30(1)?s30(1)??663687.5?0.96

即工厂的功率因数cos???因此，符合本设计的要求。

无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2-2所示。

表2-2 无功补偿后工厂的计算负荷 cos? P30/kW 计 算 负 荷 Q30/kvar VII

S30/kVA I30/A 0.9

项 目 厂用变电所配电系统的组成和基本设计

380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率消耗 10kV侧负荷总计 0.74 - 0.98 - 0.96 653 - 653 10 663 591.8 450 141.8 40 181.8 881.3 - 668.2 - 687.5 1339 - 1015.2 - 39.7 第3章 工厂变电所的设备选择及主接线设计

3.1 总降压变电所位置的选择

变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定。结合本厂的实际情况，这里变电所采用独立变电所。其设立位置参见图3-1。图中亦标出了各车间距离变电所的距离。

图3-1 厂区供电线缆规划图

3.2 变压器台数及容量的选择

1. 变压器台数和容量的选择依据

主变压器台数应根据符合特点和经济运行要求进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器。

(1) 大量一级或二级负荷。

(2) 合变化较大，适于采用经济运行方式。 (3) 中负荷较大，例如大于1250kVA。 其他情况下宜装设一台变压器

VIII

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

2. 工厂的负荷特性和电源情况，工厂变电所的主变压器可有下列两种方案：

(1) 设一台主变压器 采用型号为S9型，容量根据式

SN?T?S30=687.5?kVA，即采用一台S9-800/10型低损耗

配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

(2) 设两台变压器

采用S9型变压器，每台的容量按下列公式选择：

SN?T?(0.6~0.7)S30?(0.6~0.7)?687.5kV?A?(412.5~481.3)kV?A

而且

SN?T?S30(???)

因此选两台S9-500/10型低损耗配电变压器。二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

由于该厂的负荷含二级负荷，且二级负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求高，在经济条件允许的条件下应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

主变压器的联结组别均采用Yyn0。高压开关柜选用GG-1A(F)型[3,4]。 3.3 变电所主接线的选择 3.3.1 变电所主接线的选择原则

1. 变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。所以电气主接线是变电所电气部分的主体，对变电所以及电力系统的安全、可靠、经济运行起着重要作用，并对电气设备选择、配电装置配置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。

2. 在选择电气主接线时的设计依据

(1) 变电所所在电力系统中的地位和作用。 (2) 变电所的分期和最终建设规模。 (3) 负荷大小和重要性。 (4) 系统备用容量大小。 3. 主接线设计的基本要求：

(1) 安全性：安全包括设备安全和人身安全。

(2) 可靠性：可靠就是变电所的主接线应能满足各级负荷对供电可靠性的要求。 (3) 灵活性：灵活就是在保障安全可靠的前提下主接线能够适应不同的运行方式。

IX

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

(4) 经济性：满足以上要求的前提下，尽量降低建设投资和年运行费用[2,3,5]。

3.3.2 变电所主接线方案的选择

母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式。常用的母线制主要有三种：单母线制，单母线分段制和双母线分段制。

方案Ⅰ：高、低压侧均采用单母线分段。优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 ，供电可靠性相当高，可供一、二级负荷。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。

方案Ⅱ：单母线分段带旁路。优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。

方案Ⅲ： 高压采用单母线、低压单母线分段。优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。

以上三种方案均能满足主接线要求，但第三种最经济，因此优先考虑。但可靠性较低，但如果高低压侧有与其他的变电所相连的联络线时，则供电可高性将得到大大的提高。

因此最终方案是高压侧采用单母线，低压侧单母线分段，同时旁路加上与其他的变电所相连的联络线。

主接线电路图如图3-2所示。

X

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

图3-2 某车间变电所主接线电路图

第4章 工厂供、配电系统短路电流计算 4.1 短路电流计算的目的及方法

所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。

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。 进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。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。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。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。 4.2 短路电流计算

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺值法两种。该设计采用标幺值法计算短路电流。 在标幺值法中，参与运算的物体量均用其相对值。因此标幺值的概念是：

某量的标幺值=该量的实际值（任意单位）

该量的基准值（与实际值同单位）所谓的基准值是衡量某个物理量的标准或尺度。 4.2.1 绘制计算电路图

短路点k-1，k-2取变压器两侧。因此短路计算电路图如图4-1所示。

K-1k-2QF架空线l=5km10kVXI

380V

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

图4-1 短路计算电路

4.2.2 确定基准值

设Sd电流：

?100MV?A，Ud1=Uc=105%?10kV?10.5kV，低压侧Ud2=0.4kV，则基准

Id1?Id2?

Sd100MVA??5.5kA3Ud13?10.5kV Sd3Ud2?100MVA3?0.4kV?144kA

4.2.3 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

1. 电源的电抗标幺值 由任务资料断路器容量为

SOC=300MVA，因此

X1*?100MV·A?0.33300MV·A

2. 架空线路的电抗标幺值

架空线路初选LJ-120，验证在第6章进行。假设架空线路线间几何均距为1500mm，则由附录表14可查得

，而线路长5km，故架空线路的的电抗标幺值为 X0?0.35?/km*X2?(0.35?5)??100MVA?10.5kV?2?1.59

3. 电力变压器的电抗标幺值

根据第3章3.1节中对变压器台数和容量的选择结果，本设计中选择2台型号为S9-500/10 的变压器，查附表1可得，其短路电压百分数

*X3??Uk%=4，因此

4100MV·A??8100500kV·A

绘短路等效电路图如图4-2所示，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标明了短路计算点。

XII

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

k-11/0.332/1.593/8k-24/8图4-2 短路等效电路图

4.2.4 k-1故障点的短路电流计算

1. 总电抗标幺值

***X?(k?1)?X1?X2?0.33?1.59?1.92k-1k-2

2. 三相短路电流周期分量有效值

(3)*Ik?1?Id1/X?(k?1)?5.5kA/1.92?2.9kA

3. 其他短路电流

（3）?(3))I?I??Ik(3?1?2.9kA

i(3)sh（3）??2.55I?2.55?2.9?7.4kA

I4. 三相短路容量

(3)sh（3）??1.51I?1.51?2.9?4.4kA

(3)*SkMVA/1.92?52.1MVA?1?Sd/X?(k?1)?100

4.2.5 k-2故障点的短路电流计算

1. 总电抗标幺值

*****X?(k?2)?X1?X2?X3X4 ?0.33?1.59?4?5.92

2. 三相短路电流周期分量有效值

(3)*IkkA/5.92?24.3kA?2?Id2/X?(k?2)?144

3. 其他短路电流

（3）?(3))I?I??Ik(3?2?24.3kA

XIII

厂用变电所配电系统的组成和基本设计

（3）??1.84I?1.84?24.3?44.8kAi(3)sh

I4. 三相短路容量

(3)sh（3）??1.09I?1.09?24.3?26.5kA

(3)*SkMVA/5.92?16.9MVA?2?Sd/X?(k?2)?100

计算结果综合如表4-2所示[1-7]。

表4-2 短路计算结果 三相短路电流/kA 短路计算点 三相短路容量/MVA (3)Ish Ik(3) 2.9 24.3 （3）?I (3)I? (3)ish Sk(3) 52.1 16.9 k－1 k－2 2.9 24.3 2.9 24.3 7.4 44.8 4.4 26.5 第5章 变电所一次设备的选择校验

XIV

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uav7.html