10kV开闭所电气部分初步设计.doc
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供配电工程课程设计成绩评定表
姓名
学号
专业班级
课程设计题目：
10kV开闭所电气部分初步设计
课程设计答辩记录：
成绩评定及依据：
1.课程设计考勤情况（20%）：
2.课程设计答辩情况（30%）：
3.完成设计任务报告规范性（50%）：
最终评定成绩：
指导教师签字：
供配电工程课程设计任务书（6）
班级：
2012级电气工程及其自动化①班
学生：
46~53号（8人）
学时：
2周
时间：
第14～15周
指导教师：
陈学珍、杨毅
一、设计题目
10kV开闭所电气部分初步设计
二、设计目的及要求
通过本课程设计：
熟悉供配电系统初步设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范等，锻炼工程设计、技术经济分析比较、工程计算、工具书使用等能力，并了解供电配电系统前沿技术及先进设备。
要求根据用户所能取得的电源及负荷的实际情况，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，选择开闭所主接线方案、高压配电线路接线方式、高压设备和进出线。
最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。
三、设计依据
本设计是为某住宅区设计建设一座10kV开闭所。
1、供电电源情况
当地供电部门提供两个供电电源,两回10kV进线：
①由110/10kV甲站采用电缆引入，距离住宅区6km。
10kV母线短路数据：
、
②由35/10kV乙站采用电缆引入，距离住宅区4km，10kV母线短路数据：
、。
当地供电部门要求开闭所的过电流保护整定时间不大于1.0s；在用户10kV电源侧进行电能计量。
2、负荷情况
该住宅区属于二级负荷。
该住宅区10kV开闭所设计出线6回。
其中2回送电给200kVA变电所，2回送电给315kVA变电所，2回送电给250kVA变电所。
变电所采用箱式变电所（站）。
3、自然条件
该地区海拨22.2m，地层以砂质粘土为主。
年最高气温39℃，年平均气温23℃，年最低气温-5℃,年最热月平均最高气温33℃，年最热月平均气温26℃，年最热月地下0.8m处平均温度25℃．主导风向为南风，年雷暴日数52。
四、设计任务
1、选择箱变型号及规格。
2、设计和论证10kV开闭所主接线。
3、计算短路电流。
4、选择并校验电气设备。
5、作电气平面总布置图。
6、开闭所继电保护设计*。
7、开闭所防雷保护规划设计*。
目录
前言……………………………………………………………4
一、小区箱式变电站的选择…………………………………5
二、设计和论证10kV开闭所主接线……………………7
三、负荷计算及短路电流计算……………………………10
四、电气设备选择与校验…………………………………15
五、开闭所防雷保护规划设计…………………………………20
总结 …………………………………………………………22
参考文献 …………………………………………………23
前言
1.1企业供配电的意义和前景
随着工农业生产的机械化，自动化水平的快速发展，对电能的需求量也愈来愈大，对供电的可靠性、经济性、灵活性及电能的质量要求愈来愈高。
在传统的供电系统中，很多工矿企业，尤其中小型企业和作坊式工厂，出现设备落后甚至早已超过使用年限；线路布局不合理甚至线况极差；设备管理和维护不得当；无保护系统或相对落后；日常操作不合理等等现象，这些现象不仅使电能大量损耗，带来不合理利用，而且给工人和企业带来极大的安全隐患，一旦爆发将会带来极大的后果。
企业供电系统处于电力系统的末端，经过一至两级降压后直接向负荷供电，因此接线相对简单。
它作为电力系统的一个组成部分，必然要反映电力系统各方面的理论和要求，并恰当地运用在工矿企业供电的设计、维护运行中，因此它要受到电力系统工作情况的影响和制约。
但工矿企业供电系统和电力系统又有所不同，它主要反映工矿企业用户的特点和要求。
如，工矿企业的电力负荷的统计计算，电能的合理经济利用，减少用地面积的新型变电站结构，大型及特种设备的供电，厂内采用集中和调度技术的合理性问题等。
这些问题有的与电力系统的安全和经济运行关系密切，有的是为了保证用户的高质量用电。
近些年来,由于能源紧缺,计划用电、节约用电、安全用电受到了普遍重视，工矿企业供电的讨论内容较过去更为广泛。
如供电方案的可行性研究、低能耗高性能、便于安装维护快速施工的新型电气设备及配电电器的选用，我国现行接地运行方式与国际标准协调的研讨，以及计算机用于工矿企业供电系统的辅助设计及监控等。
这些都已在国内引起热烈的讨论。
随着电力工业的快速发展及规模的不断扩大，传统的供电技术已不适应现代供电系统的更高要求。
为此必须利用不断涌现的新理论、新方法、新技术、新设备，把计算机技术、通信技术与传统的供电技术相结合，形成现代供电技术，以适应现代供电系统的快速发展要求。
1.2本设计的课题及内容
本供配电系统设计的对象为某10kV开闭所，其设计所用的相关资料及数据见本设计的任务书。
根据本设计的要求，可将整个供配电系统的分为以下几个方面进行分步计算与设计：
（1）小区箱式变电站的选择
它具有成套性强、体积小、结构紧凑、运行安全可靠、维护方便、以及可移动等特点，与常规土建式变电站相比，同容量的箱式变电站占地面积通常仅为常规变电站的1/10～1/5，大大减少了设计工作量及施工量，减少了建设费用。
（2）设计和论证10kV开闭所主接线
配电所的电气主接线是以电源进线和引出线为基本环节，以母线为中间环节构成的电能输配电路。
其基本形式按有无母线通常分为有母线按线和无母线按线两大类。
主接线是由电力变压器、各种开关电器、电流互感器、电压互感器、母线、电力电缆或导线、移相电容器、避雷器等电气设备以一定次序相连接的接受和分配电能的电路。
（3）负荷计算及短路电流计算
在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。
实际运行表明，破坏供电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。
为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要在供电系统中加装保护，以便在故障发生时，自动而快速地切断故障部分，以保障系统安全正常运行。
这就需要我们准确的计算短路电流的大小。
（4）选择并校验电气设备
电气设备气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置所处的位置，环境温度，海拔高度以及有无防尘防火防剥等的要求。
电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率的要求。
电气设备按在短路故障条件下工作进行选择，就是要按最大可能的短路故障时的动稳定度和热稳定度进行校验。
对熔断器及装有熔断器的电压互感器，不必进行动稳定度和热稳定度的校验；对电力电缆，由于机械强度足够，所以也不必要进行短路动稳定度和热稳定度校验。
（5）开闭所防雷保护规划设计
电力系统的电气设备遭受到雷击放电会引起过电压，雷电过电压产生的雷电冲击波，具有很大的破坏性。
直击雷高电压引起的强大电流会产生极大的热效应和力效应，相伴还有电磁脉冲和闪络放电。
所以，必须要采取有效措施加以防护。
下面就结合设计任务书，根据以上五个部分依次进行计算和设计。
一、小区箱式变电站的选择
箱式变电站有称预装式变电站是集高压受电部分、配电变压器、低压配电部分于一体的组合装置，该技术是从欧洲引进的，俗称欧式箱变也是日常生活中常用的箱变之一。
以ZBW（XBW）系列箱式变电站为例：
它具有成套性强、体积小、结构紧凑、运行安全可靠、维护方便、以及可移动等特点，与常规土建式变电站相比，同容量的箱式变电站占地面积通常仅为常规变电站的1/10～1/5，大大减少了设计工作量及施工量，减少了建设费用
1、型号及其含义:
见下图
2、ZBW（XBW）系列箱式变电站的主要技术参数简介，见下表
3、箱式变电站平面布置形式及外形尺寸
ZBW系列箱式变电站，根据排列方式分：
1.“目”字型排列
2.“品”字型排列
该住宅区10kV开闭所设计出线6回。
其中2回送电给200kVA变电所，2回送电给315kVA变电所，2回送电给250kVA变电所。
变电所采用箱式变电所（站）。
故选择6个ZBW系列的箱式变电站,其高压侧额定电压均为10kv,变压器的容量分别为2个200kVA,2个315kVA,2个250kVA。
因为是为生活小区供电，而且容量均在50-400kvA内，故选择三相品字型排列。
二、设计和论证10kV开闭所主接线
配电所的电气主接线是以电源进线和引出线为基本环节，以母线为中间环节构成的电能输配电路。
其基本形式按有无母线通常分为有母线按线和无母线按线两大类。
主接线是由电力变压器、各种开关电器、电流互感器、电压互感器、母线、电力电缆或导线、移相电容器、避雷器等电气设备以一定次序相连接的接受和分配电能的电路。
由于本设计工作电源由附近地区110／10kV甲变电站和35/10kV乙变电站取得，该厂又属于二级负荷，故需有两路进线，高压配电所采用采用单母线接线。
各住宅小区变电所均需选用两台变压器，故可采用单母线分段接线方式。
2.1 高压配电所的主接线方案论证
（1）方案一：
两路电源的单母线接线
两路电源进线的单母线接线的典型方案如图2-1，两个进线断路器必须实行操作联锁，只有在工作电源进线断路器断开后，备用电源进线断路器才能接通，以保证两路电源不并列运行。
图2-1 单母线接线
单母线接线优点是简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建，但可靠性与灵活性不高。
若母线故障或检修，会造成全部出线停电
2）方案二：
单母线分段接线
当出线回路数增多且有两路电源进线时，可用断路器将母线分段，成为单母线分段接线，如图2-2所示，QF3为分段断路器。
母线分段后，可提高供电的可靠性和灵活性。
在正常工作时，分段断路器可接通也可断开运行。
两路电源进线一用一备时，分段断路器接通运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段断路器都会在断电保护装置下自动断开，将故障段线母线切除后，非故障段母线便可继续工作。
而当两路电源同时工作互为备用（又称暗备用）时，分段断路器则断开运行，此时若任一电源（如电源１）出现故障，电源进线断路器（QF1）自动断开，分段断路器QF3可自动投入，保证给全部出线或重要负荷继续供电。
单母线分段接线保留了单母线的优点，又在一定程度上克服了它的缺点，如缩小了母线故障的影响范围、分别从两段母线上引出两路出线可保证对一级负荷的供电。
图2-2 单母线分段接线
（3）主接线的论证
1） 单母线接线与单母线分段接线的比较,见表2-1。
2）主接线的确定
根据原始资料提供，和电力系统的发展，用户的需求等几方面综合考虑，所以确定10kV开闭所的主接线方式为：
单母线分段接线。
表2-1接线方式的比较
三、负荷计算及短路电流计算
3.1供电系统的总计算负荷
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。
其中由设计要求所给出的数据可知,该开闭所出线所供给的6个变电站的变压器功率因素都按已达到0.9处理,参照设计任务书所给条件可知,开闭所6回出线中2回送电给200kVA变电所，2回送电给315kVA变电所，2回送电给250kVA变电所。
所以,可以确定总的计算负荷，确定这一级的计算负荷的目的是为了选择高压母线及其开关电器和高压进线电力电缆。
Kd取0.8，计算总的负荷：
Pc.1=KdPe.1=0.8（200+315+250）2=1224kw
Qc.1=Pc.1tanφ=1224*0.484=592.42kvar
同时系数：
KΣp=0.95KΣq=0.97
总的有功计算负荷：
Pc=KΣpΣPc.i=1224kw*0.95=1162.8kw
总的无功计算负荷：
Qc=KΣqΣQc.i=592.42kvar*0.97=574.65kvar
总的视在计算负荷：
Sc==1297.02KVA
计算电流:
Ic==74.88A
根据以上公式可以依次算出各变电所的计算负荷。
具体计算如下表3-1所示:
由以上计算可知，分别由两个地区变电所引入的10kv电源干线的总的计算电流Ic=74.88A。
3.2短路电流的计算
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）和标幺制法（又称相对单位制法）。
3.2.1在最小运行方式下短路电流的计算（以甲站中200kVA为例）
（1）确定基准值
设Sd=100MVA，Ud=Uc，即高压侧Ud1=10.5kV，低压侧Ud2=0.4kV，则
Id1=Sd/Ud1=100MVA/（×10.5kV）=5.50kA
Id2=Sd/Ud2=100MVA/（×0.4kV）=144.34kA
（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（S0C=200MV·A）
X1*=100kVA/200=0.50
2）电缆线路
由110/10kV甲站采用电缆引入，故对10kV电力电缆可取X0=0.10Ω/km,而线路长5km，故
X2*=（0.10×5）Ω×100MVA/（10.5kV）2=0.45
绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。
（3）求k-1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*∑（k-1）=X*1+X*2=0.50+0.45=0.95
2）三相短路电流周期分量有效值
I（3）k-1=Id1/X*∑（k-1）=5.50kA/0.95=5.79kA
3）其他三相短路电流
I"（3）=I（3）∞=I（3）k-1=5.79kA
i（3）sh=2.55I"（3）=2.55×5.79kA=14.76kA
I（3）sh=1.51I"（3）=1.51×5.79kA=8.74kA
4）三相短路容量
S（3）k-1=Sd/X*∑（k-1）=100MVA/0.95=105.26MVA
3.2.2在最大运行方式下短路电流的计算
同理:
（1）确定基准值
设Sd=100MVA，Ud=Uc，即高压侧Ud1=10.5kV，低压侧Ud2=0.4kV，则
Id1=Sd/Ud1=100MVA/（×10.5kV）=5.50kA
Id2=Sd/Ud2=100MVA/（×0.4kV）=144.34kA
（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（Soc=300MV·A）
X1*=100/300=0.33
2）电缆线路
10kV开闭所电气部分初步设计
X2*=（0.10×5）Ω×100MVA/（10.5kV）2=0.45
（3）求k-1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）=X1*＋X2*=0.33+0.45=0.78
2）三相短路电流周期分量有效值
I（3）k-2=Id2/X*∑（k-2）=5.50kA/0.78=7.05kA
3）其他三相短路电流
I"（3）=I（3）∞=I（3）k-1=7.05kA
i（3）sh=2.55I"（3）=2.55×7.05kA=17.98kA
I（3）sh=1.51I"（3）=1.51×7.05kA=10.64kA
4）三相短路容量
S（3）k-1=Sd/X*∑（k-1）=100MVA/0.78=128.21MVA
甲站最小运行方式下短路计算结果
甲站最大运行方式下短路计算结果
乙站最小运行方式下短路计算结果
乙站最大运行方式下短路计算结果
四、电气设备选择与校验
供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。
电气设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。
电气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置所处的位置，环境温度，海拔高度以及有无防尘防火防剥等的要求。
电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率的要求。
电气设备按在短路故障条件下工作进行选择，就是要按最大可能的短路故障时的动稳定度和热稳定度进行校验。
对熔断器及装有熔断器的电压互感器，不必进行动稳定度和热稳定度的校验；对电力电缆，由于机械强度足够，所以也不必要进行短路动稳定度和热稳定度校验。
1、动稳定校验条件：
imax≥i（3）sh
或Imax≥I（3）sh
式中imax，Imax--开关的极限通过电流（动稳定电流）峰值和有效值（单位为kA）；i（3）sh，I（3）sh--开关所在处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值（单位为kA）。
2、热稳定校验条件：
It2t≥I（3）∞2tima
式中It--开关的热稳定电流有效值（单位为kA）；t--开关的热稳定试验时间（单位为s）；I（3）∞--开关所在处的三相短路稳态电流（单位为kA）；tima--短路发热假想时间（单位为s）。
短路发热假想时间tima一般按下式计算：
tima=tk+0.05 s
式中tk--短路持续时间，用电路主保护动作时间加对应的断路器全分闸时间。
tk=top+toc;top为继电保护动作时间；toc为断路器全分段时间（含固有分闸时间与灭弧时间）。
4.1高压配电所电气设备的选择
KYN44-12（MDS）型户内金属铠装移开式开关设备（以下简称开关设备），系3.6-12千伏三相交流50Hz单母线及单母线分段系统的成套配电装置。
主要用于发电厂、中小型发电机送电、工矿企事业配电以及电业系统的二次变电所的受电、送电及大型高压电动机起动等。
实行控制保护、监测之用。
本开关柜满足IEC298、GB3906等标准要求，具有防止带负荷推拉断路器手车、防止误分合断路器、防止接地开关处在闭合位置时关合断路器、防止误入带电隔室、防止在带电时误合接地开关的联锁功能，既可配用ABB公司的VD4真空断路器，又可配用V2000真空断路器。
实为一种性能优越的配电装置。
表4-1一次主要设备选择
4.2高压配电所电气设备的校验
表4-2高压电器的选择校验项目和条件
（1）高压断路器的选择与校验
高压断路器的选择与校验，主要是按环境条件选择结构类型，按正常工作条件选择额定电压，额定电流并校验开断能力，按短路故障条件校验动稳定性和热稳定性，并同时选择其操动机构和操作电源。
高压断路器的选择首先按正常使用条件初选一个型号，即：
①断路器的额定电压不得小于其工作电压；
②断路器的额定电流不得小于其计算电流；
③动稳定校验Imax≥I（3）sh；
④热稳定校验It2t≥I（3）∞2tima。
在本设计中，根据总的计算电流Ic＝74.88A，可初选VS1-12/630型进行校验
表4-3高压断路器的选择校验表
（2）高压隔离开关的选择与校验
（3）高压熔断器的选择与校验
高压熔断器的选择与校验，主要是按环境条件选择结构类型，按正常工作条件选择额定电压、额定电流并校验开断能力。
在本设计中，高压侧熔断器是用于保护电压互感器的。
一般的,选择高压熔断器熔体电流应取线路计算电流的1.1～1.3倍。
因此，可初选RN2-10型进行校验，满足条件，校验合格。
（4）电流互感器的选择与校验
电流互感器在电路中主要用于测量、计算和各种继电保护等，其选择的要求首先按正常工作条件和使用地点、环境来选。
按要求初选LZZJB6-10电流互感器，如表4-5。
校验条件为：
①电流互感器的额定电压不低于装设地点电路的额定电压;
②流互感器的额定一次电流不小于电路的计算电流，而其额定二次电流一般为5A；
③稳定度校验：
Imax≥I（3）sh；
④稳定校验It2t≥I（3）∞2tima。
（5）电压互感器的选择与校验
①电压互感器的额定一次电压，应与安装地点电网的额定电压相适应，其额定二次电压一般为100v。
其二次负荷S2不得大于规定准确级所要求的额定二次容量S2N。
②电压互感器的二次负荷S2，只计二次回路中所有仪表、继电器电压线圈所消耗的视在功率。
③电压互感器一、二次侧装有熔断器保护，因此不需进行短路动稳定度和热稳定度的校验。
RZL10/0.1kv的额定电压为12Kv,所以满足条件校验合格。
4.3 导线和电缆截面的选择与校验
对10kV及以下的高压线路和低压动力线路，通常先按发热条件来选择导线和电缆截面，再校验其电压损失、机械强度、短路热稳定等条件。
4.3.1按发热条件选择电缆截面（由110/10kV甲站引入且最大方式运行时）
线路计算电流为I=/UN
查《供电工程》附录表32 得70mm2截面的YJV型电缆在23℃的载流量为255A，大于74.88A，因此选择YJV22-8.7/10-4×70型电力电缆。
4.3.3母线的选择与校验
1.按发热条件选择导线和电缆截面
线路计算电流I=74.88A,查文献一第241面的表30得63×6.3的载流量为1125A,可选TMY-3（63×6.3）型母线。
2.按短路热稳定条件检验。
导体截面积A=23.4mm2,由文献一第58面短路热稳定条件得tima=1.1s,Amin=63×6.3mm2=396.9mm2,A>Amin,符合短路热稳定条件。
综上所述，可选择TMY-3（63×6.3）型电缆。
五、开闭所防雷和接地
在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，迅雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时
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