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1、 工厂供电课程平设计完整版 The following text is amended on 12 November 2020. 前言 电能是社会主义建设和人民生活不可缺少的重要资源，电力工业在国民经济中占有十分重要的地位，电能时有发电厂供给，因为考虑经济原因，发电厂大多建在动力资源比较丰富的地方，而这些地方又远离大中型城市和工厂企业，这样需要远距离输送，经过升降压变电所进行转接，在进一步的将电能分配给用户和生产企业。 由于电力电能的重要特点是不能储存，因此电力电能的生产、输送、分配和使用是同时进行的，于是电力电能从生产到使用构成一个整体，称为电力系统。 对电力系统运行的基本要求： 1.保证供
2、电的可靠性 电力系统的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危机人身和设备的安全运行，造成十分严重的后果，给国民经济带来严重的损失，因此，对电力系统的运行首先要保证供电的可靠性。 2.保证良好的电能质量 3.提高系统运行的经济性 4.保证电力系统安全运行 课程设计： 一、设计题目 某机械厂降压变电所的电气设计 二、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，确定变电所的位置与型式，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，确定防雷和接地装
3、置，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图纸。 三、设计依据 1. 工厂总平面图 图 1 工厂总平面图 2. 工厂负荷情况 工厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为6800 小时，日最大负荷持续时间为8 小时。该厂除特种电机分厂、实验站为一级负荷，铸造分厂、锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。本厂的负荷统计资料如表1 所示。 3. 供电电源情况 按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可由离厂5km 和 8km（欧姆/km）两处的 35kV 的公用电源干线取得工作电源。干线首端所装设的断路器断流
4、容量为800MVA，该电源的走向参看工厂总平面图。 表 1 工厂负荷统计资料 厂房编号 厂房名称 负荷类型 设备容量/kW 额定电压/kV 功率因数cos 需要系数dk 1 成品试验站 动力 1 5000 2 2000 1 10 2 照明 6-12 0 电机制造分厂 动力 720 照明 6-12 0 新品制动力 880 造分厂 照明 5-10 0 特种电机分厂 动力 580 照明 5-10 0 铸造分厂 动力 290 照明 6-12 0 锻造分厂 动力 500 照明 5-1 0 原材料分厂 动力 270 照明 4-8 0 机加工分厂 动力 380 照明 5-10 0 线圈制造厂 动力 420
5、照明 6-12 0 锅炉房 动力 60 照明 3-5 0 生活区 照明 600 气象条件 本厂所在地区，年最热月平均最高气温为 35C，最热月平均气温为 18C，最热月地下处平均气温为 30C。 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。 6. 电费制度 本厂与当地部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费制缴纳电费。每月基本电费按主变压器容量为 18 元/KVA，动力电费为元/kWh，照明电费为元/ kWh。工厂最大负荷时的功率因数不得低于，此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性向供电部门缴纳供电贴费 610kV 为
6、 800 元/KVA。 目录 1.负荷计算和无功功率补偿4 负荷计算 4 无功功率补偿6 2.变电所位置和型式选择8 3.变电所主变压器台数和容量、类型的选择 8 4.变电所主接线方案的设计9 装设一台主变压器的主接线方案9 装设两台主变压器的主接线方案10 5.短路电流的计算11 计算电路11 短路计算基准值11 确定元件电抗标幺值11 短路点相关计算12 6.变电所一次设备的选择和校验13 侧一次设备的选择校验13 380v 侧一次设备的选择和校验14 高低压母线的选择15 7.变电所进出线的选择和校验15 高压进线的选择15 380v 低压出线的选择16 作为备用电源的高压联络线的选择校
7、验18 8.变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定20 变电所二次回路方案的选择20 变电所继电保护装置20 装设电流速断保护21 作为备用电源的高压联络线的继电保护装置21 9.防雷保护与接地装置的设计22 变电所的防雷保护22 接地装置的设计23 10.附录一 参考文献24 11. 变压器主接线图25 1负荷计算和无功功率补偿 负荷计算 a)有功计算负荷（单位为KW） 30P=dKeP ， dK为系数 b)无功计算负荷（单位为kvar） 30Q= 30Ptan c)视在计算负荷（单位为kvA） 30S=cos30P d)计算电流（单位为 A） 30I=NUS330, NU为用电设备的额定
8、电压（单位为 KV） a)有功计算负荷（单位为 KW） 30P=ipPK30 式中iP30是所有设备组有功计算负荷30P之和，pK是有功负荷同时系数，可取 b)无功计算负荷（单位为kvar） 30Q=iqQK30，iQ30是所有设备无功30Q之和；qK是无功负荷同时系数，可取 c)视在计算负荷（单位为 kvA） 30S=230230QP d)计算电流（单位为 A） 30I=NUS330 经过计算，得到各厂房和生活区的负荷计算表，如表所示 表 厂方 编号 厂方 名称 负荷 类别 计算负荷 功率 因素cos tan 需要系数 Kd 30P(KW) (kva) S30 (kva) (A) 1 成品试
9、验站 动力 3000 1200 4110 1644 5088 2035 293 3091 照明 0 28 0 2 电机制造分厂 动力 180 277 728 照明 0 28 0 3 新品制造分厂 动力 264 306 441 1160 照明 9 0 9 23 0 4 特种电机分厂 动力 406 499 643 1692 照明 9 0 9 23 0 07 5 铸造 分厂 动力 174 177 248 143 照明 0 28 0 6 锻造 分厂 动力 175 204 268 154 照明 9 0 9 23 0 7 原材 料分厂 动力 97 113 148 389 照明 0 18 0 8 机加工 分
10、厂 动力 136 182 105 照明 9 0 9 23 0 9 线圈制 造分厂 动力 126 147 193 111 照明 0 28 0 10 锅炉房 动力 48 69 40 照明 0 11 0 11 生活区 照明 480 0 480 1263 表 30P(KW) 30Q(kva) S30(kvA) 30I(A) 一次侧 3000 4110 5088 二次侧 3487 4836 表 30P(KW) 30Q(kva) S30(kvA) 30I(A) 功率因数 一次侧 8584 二次侧 2681 2963 3995 6069 ( 无功功率补偿 无功功率的人工补偿装置主要有同步补偿器和并联电抗器两
11、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，因并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。 由负荷计算表知，该厂 380V 侧最大负荷时功率因数只有。而供电部门要求该厂10KV 进侧最大负荷时功率因数不小于，二次侧大于明显不符合要求。考虑主变压器无功损耗远大于有功损耗，因此侧最大负荷时功率因数因稍大于。可以取来计算补偿容量： Bq=Pc(2)tan-tan =1372 (kva) S30=22)(PcQbQc =3117 cos=31172681= 考虑到各种损耗，取Qb=1500(kva) Bq为无功功率补偿系数，单位为 kvar/kW 参照图，选 PGJ1
12、 型低压自动补偿评屏，并联电容器为型，采用其方案 1（主屏）1 台和方案 3（辅屏）4 台相结合，总共容量为 84kvar5=420kvar。补偿前后，变压器的低压侧的有功计算负荷基本不变，而无功计算负荷减小。视在功率变22303030SPQ3117kVA，计算电流30303NSIU=4736A，功率因数提高。 在无功补偿前，该变电所主变压器容量应选为 4000kVA 才能满足负荷用电的要求，而采取无功补偿后，选用 3200kVA 的就可以满足要求了。同时计算电流也减小了，则供电系统中各元件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，工厂侧和 10KV 侧的计算负荷如
13、表所示。 图 PGJ 型无功功率自然补偿屏接线方案 一次侧计算 在二次侧补偿后一次侧的功率因数： cos=75345166=30S=2781 kVA，及选一台 SL-3000/10 型配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，考虑由邻近单位相邻的高压联络线来承担。 2.两台变压器 容量根据以下两式来确定： 因此选两台 SL-1500/10 型配电变压器。工厂二级负荷的备用电源考虑由邻近单位相邻的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为 Yyn0。 4 变压器主接线方案的设计 装设一台主变压器的主接线方案 如图 4-1 所示 图 4-1 装设一台主变压器的主接线方案 装设两台主变压器的主接线方案 如
14、图 4-2 所示 35kw 图 4-2 装设两台主变压器的主接线方案 5 短路电流的计算 计算电路 短路计算基准值 设基准容量为dS=100MVA，基准电压1.05dNUU。即高压侧为1dU=，低压侧为2dU=。则： 确定元件电抗标么值 电力系统： 断路器短路容量为 800 MVA，则： 220/380V S9-630 GG-1A(F) GG-1A(F)-07 10/ S9-630 10/ 联络线 （备用电源） GG-1A(F)-54 GG-1A(F)-113、11 GW 口-10 10kV FS4-10 GG-1A(J)-01 GG- 1A(F) -113 GG- 1A(F) -11 GG-
15、 1A(J) -01 GG- 1A(F) -96 GG- 1A(F) -07 GG- 1A(F) -54 主 变 主 变 联络 （备用） 高压柜列 -96 *1X=100MVA/800MVA= 架空线路： 查表，LGJ-185 的线路阻抗为/ km，则 电力变压器： 变压器短路电压百分值%4kU，则： 则等效电路如下： 短路点相关计算 总电抗标么值： 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： (3)1(3)(3)(3)2.84KIIIKA 三相短路容量： 侧(3)2K点相关计算 总电抗标么值： 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： 三相短路容量： 综合以上计算结果得到表 短路点 三
16、相短路电流/KA 三相短路容量/KVA 6.变电所一次设备的选择和校验 10kV 侧一次设备的选择校验 设备的额定电压eNU一般不应小于所在系统的额定电压NU，即eNUNU，高压设备的额定电压eNU应不小于其所在系统的最高电压maxU，即eNUmaxU。NU=10kV ， maxU=，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压eNU=12kV ，穿墙套管额定电压eNU=，熔断器额定电压eNU=12kV 。 设备的额定电流eNI不应小于所在电路的计算电流30I，即eNI30I 设备的额定开断电流ocI或断流容量ocS，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)3(kI或短路容量)
17、3(kS，即 ocI)3(kI或)3(ocS)3(kS 对于分断负荷设备电流的设备来说，则为ocImaxOLI，maxOLI为最大负荷电流。 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 maxi)3(shi或)3(maxshII maxi、maxI分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，)3(shi、)3(shI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 imattItI2)3(2 对于上面的分析，如表 6-1 所示，由它可知所选一次设备均满足要求。 表 6-1 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
18、其它 装置地点条件 参数 数据 10kV ()1 (TNI) 一次设备型号规格 额定参数 高压少油断路器SN10-10I/630 10kV 630kA 16kA 40 kA 高压隔离开关68GN-10/200 10kV 200A - kA 二次负荷 高压熔断器RN2-10 10kV 50 kA - - 电压互感器JDJ-10 10/ - - - - 电压互感器JDZJ-10 - - - - 电流互感器LQJ-10 10kV 100/5A - = kA =81 避雷针 FS4-10 10kV - - - - 户外隔离开关GW4-12/400 12kV 400A - 25kA 380V 侧一次设备
19、的选择校验 同样，做出 380V 侧一次设备的选择校验，如表 6-2 所示，所选数据均满足要求。 表 6-2 380V 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 380V 总 - 一次设备型号规格 额定参数 - 低压断路器DW15-1500/3D 380V 1500A 40kA - - - 低压断路器DW20-630 380V 630A （大于30I） 30Ka (一般) - - - 低压断路器DW20-200 380V 200A （大于30I） 25 kA - - - 低压断路HD13-380V 1500A - -
20、- - 1500/30 电流互感器 500V 1500/5A - - - - 电流互感器 500V 100/5A 160/5A - - - - 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。 7.变压所进出线的选择和校验 10kV 高压进线的选择 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30I=TNI1=及室外环境温度33，查表得，初选LGJ
21、-35,其35C 时的alI=149A30I,满足发热条件。 b).校验机械强度 查表得，最小允许截面积minA=252mm，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。 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30I=TNI1=及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为252mm的交联电缆，其alI=149A30I,满足发热条件。 b)校验热路稳定 按式CtIAAima)3(min，A 为母线截面积，单位为2mm；minA为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为2mm；
22、C 为材料热稳定系数；)3(I为母线通过的三相短路稳态电流，单位为 A；imat短路发热假想时间，单位为 s。本电缆线中)3(I=1960，imat=+=，终端变电所保护动作时间为，断路器断路时间为，C=77，把这些数据代入公式中得2)3(min227775. 01960mmCtIAima30I，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1 号厂房距离约为288m，而查表得到1202mm的铝芯电缆的0R=km/ （按缆芯工作温度75计），0X=km/，又1 号厂房的30P=94kW, 30Q= kvar，故线路电压损耗为 VkVkkWUqXpRUN78.2338. 0)
23、 1 . 007. 0(var8 .91)288. 031. 0(94)( %3 . 6%10038078.23%U%alU=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2402mm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。 电机制造分厂 馈电给 2 号厂房（锻压车间）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）。 芯片制造分厂 馈电给 3 号厂房（热处理车间）的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120 的四芯聚氯乙
24、烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。 特种电机分厂 馈电给 4 号厂房（电镀车间）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）。 铸造分厂 馈电给 5 号厂房（仓库）的线路，由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用聚氯乙烯绝缘铝芯导线 BLV-1000 型 5 根（包括 3 根相线、1 根 N 线、1 根 PE 线）穿硬塑料管埋地敷设。 a）按发热条件需选择 由30I=及环境温度26C，初选截面积42mm，其alI=19A30I，满足发热条件。 b）校验机械强度 查表得，minA=2mm，因此上面所选的42mm的
25、导线满足机械强度要求。 c) 所选穿管线估计长50m，而查表得0R=km/，0X=km/，又仓库的30P=, 30Q=6 kvar，因此 %63. 2%10038010%UI30,满足发热条件。 2）效验机械强度 查表可得，最小允许截面积 Amin=10mm2，因此 BLX-1000-1240 满足机械强度要求。 3）校验电压损耗 查工厂平面图可得变电所至生活区的负荷中心距离600m 左右，而查表得其阻抗值与 BLX-1000-1240 近似等值的 LJ-240 的阻抗0R=km/，0X=km/（按线间几何均距），又生活区的30P=245KW，30Q=，因此 %5 . 2%1003804 .
26、9%U1.5 满足灵敏度系数的的要求。 装设电流速断保护 利用 GL15 的速断装置。 ： 利用式maxkTiwrelqbIKKKKI，其中kAIIkk7 .19)3(2max，=1.4relK，=1wK，=100/5=20iK，=10/0.4=25TK，因此速断保护电流为AAIqb5519700252014 . 1 速断电流倍数整定为/=55A/10A=5.5qbqbopKII(注意qbK不为整数,但必须在 28 之间) 利用式1minqbkpIIS，其中kAIIIKKk7 . 196. 1866. 0866. 0)3(2)2(2min，AAKKIIwiopop11001/2055/1，因此
27、其保护灵敏度系数为S=1700A/1100A=1.55 从工厂供电课程设计指导表 6-1 可知，按 GB50062 92 规定，电流保护的最小灵敏度系数为，因此这里装设的电流速断保护的灵敏度系数是达到要求的。但按JBJ696 和 JGJ/T16 92 的规定，其最小灵敏度为 2，则这里装设的电流速断保护灵敏度系数偏底。 作为备用电源的高压联络线的继电保护装置 亦采用 GL15 型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分跳闸的操作方式。 a)过电流保护动作电流的整定,利用式maxLirewrelopIKKKKI，其中 .maxLI=230I，取30I=AkVkVAUSSSIN4 .19)10
28、3/()4 .44160132()3/()(18 .304 .301 .30)(30 52A=，=1.3relK，wK =1，reK=，iK =50/5=10，因此动作电流为： AAIop3 . 64 .192108 . 013 . 1 因此过电流保护动作电流opI整定为 7A。 b)过电流保护动作电流的整定 按终端保护考虑，动作时间整定为。 c)过电流保护灵敏度系数 因无临近单位变电所 10kV 母线经联络线到本厂变电所低压母线的短路数据，无法检验灵敏度系数，只有从略。 亦利用 GL15 的速断装置。但因无临近单位变电所联络线到本厂变电所低压母线的短路数据，无法检验灵敏度系数，也只有从略。
29、a）低压总开关采用 DW151500/3 型低压短路器，三相均装设过流脱钩器，既可保护低压侧的相间短路和过负荷，而且可保护低压侧单相接地短路。脱钩器动作电流的整定可参看参考文献和其它有关手册。 b）低压侧所有出线上均采用 DZ20 型低压短路器控制，其瞬间脱钩器可实现对线路的短路故障的保护，限于篇幅，整定亦从略。 9 防雷保护与接地装置的设计 变电所的防雷保护 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与变电所公共接装置相连。如变电所的主变压器装在室外和有露天配电装置时，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。如果变电所所在其
30、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R10（表 9-6）。通常采用 3-6 根长 m 的刚管，在装避雷针的杆塔附近做一排和多边形排列，管间距离5 m，打入地下，管顶距地面 m。接地管间用 40mm4mm 的镀锌扁刚焊接相接。引下线用 25 mm 4 mm 的镀锌扁刚，下与接地体焊接相连，并与装避雷针的杆塔及其基础内的钢筋相焊接，上与避雷针焊接相连。避雷针采用直径 20mm 的镀锌扁刚，长 1。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有 3m 以上的距离。 雷电侵入波的防护 a)在 10KV 电源进线的终端杆上装设 FS410 型阀式避雷
31、器。引下线采用 25 mm 4 mm 的镀锌扁刚，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端栓连接。 b）在 10KV 高压配电室内装设有 GG1A（F）54 型开关柜，其中配有 FS410 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。 接地装置的设计 按工厂供电设计指导表 9-6。此边点所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件： 且 4 . 427/120/120AVIVREE 其中,27350)253580(10AIE 因此公共接地装置接地电阻 4ER
32、 。 采用长、50mm 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 m。管间用 40mm4mm 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与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 9-1 所示。接地电阻的验算： 满足 4ER欧的接地电阻要求，式中,65. 0查工厂供电设计指导表9-1”环行敖设”栏近似的选取。 图 91 变电所接地装置平面布置 10.附录一 参考文献 工厂供电第二版 主编 苏文成 机械工业出版社 电力工程综合设计指导书 主编 卢帆兴 肖清 周
33、宇恒 实用供配电技术手册 中国水利水电出版社 现代电工技术手册 中国水利水电出版社 电气工程专业毕业设计指南供配电分册 中国水利水电出版社 电气工程专业毕业设计指南继电保护分册中国水利水电出版社 电气工程专业毕业设计指南电力系统分册中国水利水电出版社 实用电工电子技术手册实用电工电子技术手册编委会编 机械工业出版社 工厂供电设计指导 主编 刘介才 机械工业出版社 变压器主接线图 220/380V S9-630 GG-1A(F) GG-1A(F)-07 10/ S9-630 10/ 联络线 （备用电源） GG-1A(F)-54 GG-1A(F)-113、11 GW 口-10 10kV FS4-10 GG-1A(J)-01 GG- 1A(F) -113 GG- 1A(F) -11 GG- 1A(J) -01 GG- 1A(F) -96 GG- 1A(F) -07 GG- 1A(F) -54 主 变 主 变 联络 （备用） 高压柜列 -96
