某钢管加工厂变电所供配电设计.docx
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某钢管加工厂变电所供配电设计
某钢管加工厂变电所供配电设计
一、设计目的
熟悉电力设计的相关规程、规定，树立可靠供电的观点，了解电力系统，电网设计的基本方法和基本内容，熟悉相关电力计算的内容，巩固已学习的课程内容，学习撰写工程设计说明书，对变电所区域设计有初步的认识。
二、设计要求
（1）通过对相应文献的收集、分析以及总结，给出相应项目分析，需求预测说明。
（2）通过课题设计，掌握电力系统设计的方法和设计步骤。
（3）学习按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计方法和计算结果。
（4）学生应抱着严谨认真的态度积极投入到课程设计过程中，认真查阅相应文献以及实现，给出个人分析、设计以及实现。
三、设计任务
（一）设计内容
1．总降压变电站设计
（1）负荷计算
（2）主结线设计：
选主变压器及高压开关等设备，确定最优方案。
（3）短路电流计算：
计算三相短路电流，计算结果列出汇总表。
（4）主要电气设备选择：
主要电气设备选择及校验。
选用型号、数量、汇成设备一览表。
（5）主要设备继电保护设计：
元件的保护方式选择和整定计算。
（6）配电装置设计：
包括配电装置布置型式的选择、设备布置图。
（7）防雷、接地设计：
包括直击雷保护、进行波保护和接地网设计。
2．车间变电所设计
根据车间负荷情况，选择车间变压器的台数、容量，以及变电所位置的原则考虑。
3．厂区配电系统设计
根据所给资料，列出配电系统结线方案，经过详细计算和分析比较，确定最优方案。
（二）设计任务
1．设计说明书，包括全部设计内容，负荷计算，短路计算及设备选择（要求列表）；
2．电气主接线图。
四、设计时间安排
查找相关资料（1天）、总降压变电站设计（3天）、车间变电所设计（2天）、
厂区配电系统设计（1天）、撰写设计报告（2天）和答辩（1天）。
五、主要参考文献
[1]电力工程基础
[2]工厂供电
[3]继电保护.
[4]电力系统分析
[5]电气工程设计手册等资料
一．工厂负荷统计及电源情况
1.负荷情况：
本厂主要承担钢管加工生产。
全厂各车间负荷计算表如下：
序号
用电单位名称
设备容量（kW）
Kd
计算负荷
P30（kW）
Q30（kvar）
S30（kV·A）
1
UOE车间
8500
0.28
0.8
0.75
2380
1785
2975
2
JCOE车间
6603
0.28
0.8
0.75
1848.84
1386.63
2311.05
3
ERW车间
4464
0.5
0.8
0.75
2232
1674
2790
4
新防腐车间
3650
0.55
0.8
0.75
2007.5
1505.625
2509.375
5
弯管车间
1692
0.6
0.8
0.75
1015.2
761.4
1269
6
华龙防腐
2500
0.55
0.8
0.75
1375
1031.25
1718.75
7
RBE车间
1750
0.35
0.8
0.75
612.5
459.375
765.625
2.电源情况
2.电源情况
如图所示，工厂电源从电业部门某110/35kV变压所A，用35kV双回架空线引入本
在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小。
电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，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自动化。
从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。
因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。
由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。
工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：
（1）安全在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。
（2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。
（3）优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求
（4）经济供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。
第二章负荷计算及功率补偿
§2．1负荷计算的内容和目的
（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。
一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。
在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。
（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
常选用最大负荷班的平均负荷，有时也计算年平均负荷。
平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
§2.2负荷计算的方法
本设计采用需要系数法确定。
主要计算公式有：
有功计算负荷（kW）
无功计算负荷（kvar）
视在负荷计算（kV·A）
得各项数据列表如下（下表数据均为35kV侧）：
表2-1全场各车间负荷计算统计资料
序号
用电单位名称
设备容量（kW）
Kd
计算负荷
P30（kW）
Q30（kvar）
S30（kV·A）
1
UOE车间
8500
0.28
0.8
0.75
2380
1785
2975
2
JCOE车间
6603
0.28
0.8
0.75
1848.84
1386.63
2311.05
3
ERW车间
4464
0.5
0.8
0.75
2232
1674
2790
4
新防腐车间
3650
0.55
0.8
0.75
2007.5
1505.625
2509.375
5
弯管车间
1692
0.6
0.8
0.75
1015.2
761.4
1269
6
华龙防腐
2500
0.55
0.8
0.75
1375
1031.25
1718.75
7
RBE车间
1750
0.35
0.8
0.75
612.5
459.375
765.625
§2.3全厂负荷计算
由于工厂厂区范围不大，高压配电线路上的功率损耗可忽略不计，因此表2-1所示的车间变压器高压侧的计算负荷可认为就是总降压变电所出现上的计算负荷。
取K∑p=0.92;K∑q=0.95，则总降压变电所低压母线上的计算负荷为
P30=K∑p*∑P30=0.92×11471.04=10553.35kW
Q30=K∑q*∑Q30=0.95×8603.28=8173.12kvar
≈13348KV·A
cosφ=P30/S30=10553.35/13348≈0.79
从设计任务书的要求可知，工厂35kV高压侧进线在最大负荷时，其功率因素不应小于0.9，而由上面计算可知cosφ=0.79<0.9。
考虑到变压器的无功功率损耗，远远大于有功功率损耗，为使工厂的功率因数提高到0.9，需在总降压变电所低压侧10KV母线上装设并联电容器进行补偿，取低压侧补偿后的功率因数为0.92，则需装设的电容器补偿容量为：
=10553.35×（tanarccos0.79－tanarccos0.92）=3693kvar
取BWF10.5-100-1W型的电容器，所需电容器个数为：
n=Qc/qc=3693/1000=36.93
取3的倍数，n=39，则实际补偿容量为Qc=100×39=3900kvar
无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：
=11358.64KV·A
变压器的功率损耗为：
（估算PT（0.01-0.02）,QT（0.05-0.08））
△PT=0.01S30′=0.01*11358.64=113.59kw
△QT=0.05S30′=0.05*11358.64=567.93kvar
变电所高压侧计算负荷为：
P30′=10553.35+113.59=10666.94kw
Q30′=（8173.12-3900）+567.93=4841.05Kvar
KV·A
无功率补偿后，工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=10666.94/11714.07=0.91≥0.9
因此，符合本设计的要求。
第三章主变压器及主接线方案的选择
§3.1主变压器台数选择
主变压器的选择主要根据负荷计算表。
主变压器台数选择的要求：
1、选择一台：
供电计算负荷不大于1250KVA的三级负荷变电所；变电所另有低压联络线，或有其它备用电源，而总计算负荷不大于1250KVA的含有部分一、二级负荷的变电所。
2、选择两台：
供含有大量一、二级负荷的变电所；总计算负荷大于1250KVA的三级负荷变电所；季节性负荷变化较大，从技术经济上考虑运行有利的三级负荷变电所。
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加工厂全厂的供电需求。
§3.2变电所主变压器容量的选择
装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：
1、任一台单独运行时，ST≥（0.6～0.7）S′30
2、任一台单独运行时，ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）
由于S′30=11714.07KV·A，因为该厂是二级负荷所以按条件2选变压器。
ST≥0.7×11714.07=8199.98KV·A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）
因此选10000KV·A的变压器二台。
§3.3变电所主变压器型式
变电所主变压器型式的选择
1、油浸式：
一般正常环境的变电所；
2、干式：
用于防火要求较高或环境潮湿，多尘的场所；
3、密闭式：
用于具有化学腐蚀性气体、蒸汽或具有导电、可燃粉尘、纤维会严重影响变压器安全运行场所；
4、防雷式：
用于多雷区及土壤电阻率较高的山区；
5、有载调压式：
用于电力系统供电电压偏低或电压波动严重且用电设备对电压质量又要求较高的场所。
由于本设计的变电所为独立式、封闭建筑，故采用油浸式变压器。
故选择SFZ7-10000-35±3*2.5%/10.5kVYN,d11的变压器。
表3-1主变压器技术数据
型号
SFZ7-10000/35
联接组标号
YN，d11
空载电流%
1.1
额定电压（KV）
高压
低压
35±3×2.5%
10.5
阻抗电压％
高－中
7.5
§3.4变配电所主接线的选择原则
1、当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资；
2、当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线；
3、当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组接线；
4、为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行；
5、接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关；
6、6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关；
7、采用6～10KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关；
8、由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）；
9、变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。
当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器；
10、当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。
§3.5主接线方案的选择
对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为6—10KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。
总降压变电所主接线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
主接线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。
1、一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。
2、一次侧采用外桥式接线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种主接线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。
但与内桥式接线适用的场合有所不同。
这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。
当一次电源电网采用环行接线时，也宜于采用这种接线。
3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所，这种主接线方式兼有上述两种桥式接线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。
4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所，采用双母线接线较之采用单母线接线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线接线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用于电力系统的枢纽变电所。
本次设计的钢管加工厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较长（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。
采用主接线一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压主接线，如下图所示：
单母线分段接线图内桥式接线图
则电气主接线图见附录2
第四章短路电流计算
§4.1短路电流计算的目的及方法
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。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺值法（又称相对单位制法）。
§4.2短路电流计算
本设计采用标幺值法进行短路计算
所需计算电路
图4-1所需计算电路
归算前的等值电路图
图4-2归算前等值电路图
归算后的等值电路图
图4-3归算后等值电路图
1、确定基准值
取Sd=100MV·A,Ud1=110KV,Ud2=37KV,Ud3=10.5KV,
而Id1=Sd/
Ud1=100MV·A/（
×110KV）=0.5KA
Id2=Sd/
Ud2=100MV·A/（
×37KV）=1.6KA
Id3=Sd/
Ud3=100MV·A/（
×10.5KV）=5.5KA
2、计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）线路L1,L2（XO=0.4Ω/km）
X1*=0.4×50×100/1102=0.165
X2*=0.4×50×100/1102=0.165
2）变压器T1,T2（Ud%=14）
X3*=X4*=Ud%Sd/100SN=14×100/（100×8）=1.75
3）线路L3,L4（XO=0.4Ω/km）
X5*=X6*=0.4×5×100/372=0.146
4）变压器T3,T4（Ud%=7.5）
X7*=X8*=Ud%Sd/100SN=7.5×100/（100×10）=0.75
3、求k1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ（K-1）=X′1*＋X′2*＋X′3*=0.0825+0.875+0.073=1.03
2）三相短路电流周期分量有效值
IK1（3）=Id2/X*Σ（K-1）=1.6/1.03=1.55
3）其他三相短路电流
I"（3）=I∞（3）=Ik1（3）=1.55KA
ish（3）=2.55×1.55KA=3.95KA
Ish（3）=1.51×1.55KA=2.34KA
4）三相短路容量
Sk1（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/1.03=97.1MV·A
4、求k2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ（K-2）=X′1*＋X′2*＋X′3*+X7*//X8*=0.0825+0.875+0.073+0.75/2=1.405
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-2（3）=Id3/X*Σ（K-2）=5.5KA/1.405=3.91KA
3）其他三相短路电流
I"（3）=I∞（3）=Ik-2（3）=3.91KA
ish（3）=1.84×3.91KA=7.19KA
Ish（3）=1.09×3.91KA=4.26KA
4）三相短路容量
Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-2）=100MVA/1.405=71.2MV·A
表4-1短路电流计算结果汇总
短路点
三相短路电流/KA
短路容量/MV·A
IK
ish
Ish
Sk
k1
1.55
3.95
2.34
97.1
k2
3.91
7.19
4.26
71.2
第五章主要电气设备选择
§5.1电气设备选择的条件
为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线和电缆截面计算时必须满足下列条件。
1发热条件
导线和电缆（包括母线）在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。
2电压损耗条件
导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。
对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。
3经济电流密度
35KV及以上的高压线路及电压在35KV以下但距离长电流大的线路，其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。
所选截面，称为“经济截面”。
此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。
工厂内的10KV及以下线路，通常不按此原则选择。
4机械强度
导线截面不应小于其最小允许截面。
对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。
母线也应校验短路时的稳定度。
对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。
一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。
对长距离大电流及35KV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。
§5.235kV架空线的选择
考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以35kV架空线相应的Igmax=1.05Ie
即：
Igmax=1.05×
=1.05×
=0.173kA
根据设计条件Tmax=5500h取J=1.3
则导体经济截面面积S=Igmax/J=173/1.3=133.08mm2。
§5.2.1．选择导线（按照经济电流密度）：
选择LGJ-150/20钢芯铝绞线，其室外载流量为Ij1=306A，面积为S=145.68mm2,导线最高允许温度为70℃，根据工作环境温度为30℃，查综合修正系数K=0.94，
Ij1xz=KIj1=0.94×306=287.64A＞Igmax，满足电流的要求。
§5.2.2．热稳定校验（按最大运行方式d2点短路）：
根据设计任务书的条件，变电所的继保动作时限不能大于1.5秒，即top=1.5s，断路器开短时间tos=0.2s，非周期分量等效时间ts=0.05s，则：
短路假想时间tima=top+tos+ts=1.5+0.2+0.05=1.75s。
架空线最小截面积
Smin=
=
=73.69<133.08mm2
S＞Smin，满足热定的要求。
§5.310kV母线的选择
考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以35kV架空线相应的Igmax=1.05Ie
即：
Igmax=1.05×
=1.05×
=0.527kA
§5.3.1选择母线（按照最大工作电流）：
选择80×8单条矩形铝导体平放作母线，面积为S=6400mm2，平放时，长期允许载流量为Ia1=1249A，导体最高允许温度为70℃，根据工作环境温度为30℃的条件，查综合修正系数K=0.94：
Ie=k×Ia1=0.94×1249=1174.06A＞Igmax满足载流量的要求。
§5.3.2．热稳定的校验（按最大运行方式d2点短路）：
根据设计任务书的条件，配电所的继保动作时限不能大于1.5秒，即top=1.5s，断路器开短时间toc=0.2s，非周期分量等效时间ts=0.05s,则:
短路假想时间tima=top+toc+ts=1.5+0.2+0.05=1.75s。
母线最小截面积
Smin=
=
=73.69<640mm2
S＞Smin，满足热定的要求。
§5.3.3．动稳定校验：
取跨距
，相间距离
，
硬铝最大允许应力
，
抗弯矩
相间电动力
最大相应力
＞
，满足动稳定的要求。
§5.4安装在变压器35kV高压侧的断路器
§5.4.1．35kV断路器参数选择
额定电压选择：
Un≥Uns=35kV
最高工作电压选择：
Ualm≥Usm=Un×1.15=35×1.15=38.5kV
额定电流选择：
Ie≥Igmax
考虑到变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的Igmax=1.05Ie即：
Igmax=1.05×
=1.05×
=0.173kA
额定开断电流选择：
Ik=I″
额定短路关合电流选择：
iNcl≥ish
根据以上数据可以初步选择SW2－35型少油式断路器其参数如下：
额定电压：
UN=35kV
最高工作电压Ualm=38.5kV
额定电流Ie=600A
§5.4.2．35kV断路器校验
校验热稳定：
I2tt≥Qk
计算时间tima=1.75s
Qk=Ik2×dz=1.552×1.75=4.2kA2·S
I2rt=6.62×4=174.24kA2·S
即I2tt>Qk，满足要求。
检验动稳定：
ish≤ies
即：
ish=
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