某飞机制造厂变电所及配电系统设计.docx
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某飞机制造厂变电所及配电系统设计
摘要
变电站是电力系统的重要组成部分，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，它直接影响整个电力系统、厂矿企业生产的安全与经济运行。
变配电所是由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。
变电所涉及方面很多，需要考虑的问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。
同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。
选择变电所高低压电气设备，为变电所平面及剖面图提供依据。
本变电所的初步设计包括了：
（1）确定车间变电所变压器的台数和容量；
（2）电气主接线图的设计；（3）确定短路计算点，计算三相短路电流；（4）主要电气设备选择与校验；（5）继电保护配置。
关键词：
10kV变电站；变压器；电气主接线；电气设备；配电系统
1负荷计算及主变压器的选择
1.1负荷计算的目的和内容
1.1.1负荷计算的目的
计算负荷确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。
计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。
如计算负荷确定过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算负荷确定过小，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热，引起绝缘提早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成损失。
为此，正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
因此，供配电设计的第一步，需要计算全厂和各车间的实际负荷。
1.1.2负荷计算方法
负荷计算的方法有需用系数法、二项式系数法、利用系数方法等等。
需用系数法是将用电设备的设备功率乘以需用系数和同时系数直接求出负荷。
需用系数法比较简单，因而广泛使用。
并且适用于计算变、配电所的负荷。
所以本次设计采用需用系数法，其计算方法[1]如下：
1.有功计算负荷的计算公式：
P30=KdPe（1-1）
Pe——用电设备组总的设备容量（不含备用设备容量，单位为kW）。
Kd——用电设备组的需要系数。
2.无功计算负荷的计算公式：
Q30=P30
（1-2）
3．视在计算负荷的计算公式：
S30=P30/
（1-3）
4．计算电流的计算公式：
I30=S30/
UN（1-4）
1.1.3负荷计算的内容
1.铸造车间Pe=875Kd=0.5
=0.7
=1.02
P30=875×0.5=437.5kW
Q30=437.5×1.02=446.25kvar
S30=437.5/0.7=625kV·AI30=625/
*0.38=0.95kA
其他车间负荷计算同上
总的视在负荷计算：
P30
（1）=994+582+455.2=2031.2kW
Q30
（1）=1151.795+585.71+487.642=2866.505kvar
S30=
S30=3513.21kV∙A
表1.1各车间低压负荷统计表
序号
车间名称
设备容量
/kW
需要系数Kd
计算负荷
变压器台数
和容量
/kW
/kvar
/kV·A
/kA
1
铸造车间
875
0.5
0.7
1.02
437.5
446.25
625
0.95
2*2500（kV·A）
锻压车间
760
0.65
0.6
1.33
494
658.67
823.3
1.251
仓库
125
0.5
0.8
0.75
62.5
46.875
78.125
0.119
小计
994
1151.795
1526.425
2.32
2
机加车间
370
0.7
0.8
0.75
259
194.25
323.75
0.492
工具车间
400
0.5
0.6
1.33
200
266
333.33
0.506
模具车间
205
0.6
0.7
1.02
123
125.46
175.71
0.267
小计
582
585.71
832.79
1.265
3
表面处理间
275
0.6
0.65
1.17
165
193.05
253.84
0.386
动力车间
218
0.7
0.65
1.17
152.6
178.54
234.76
0.357
总装车间
150
0.6
0.8
0.75
90
67.5
112.5
0.171
试验站
68
0.7
0.7
1.02
47.6
48.552
68
0.1
小计
455.2
487.642
699.1
1.014
1.1.4无功负荷补偿[6]
无功负荷补偿的目的：
由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等，都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。
电力系统要求用户的功率因数不低于0.9，按照实际情况本次设计要求功率因数为0.92以上，因此，必须采取措施提高系统功率因数。
目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。
要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。
最大负荷时的无功补偿容量QN·C应为：
QN·C=Q30-Q30'=P30（
-
）（1-5）
按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿容量也应相应减小，以免造成过补偿。
因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。
低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。
用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：
（1-6）
在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：
（1）高压集中补偿补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。
（2）低压集中补偿补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。
（3）低压分散补偿补偿效果最好，应优先采用。
但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。
具体计算
有功功率Pc=K∑p
ΣP30（1-7）
无功功率Qc=K∑q
ΣQ30（1-8）
视在功率S30=
（1-9）
式中：
对于干线，可取K∑p=0.85-0.95，K∑q=0.90-0.97。
对于低压母线，由用电设备计算负荷直接相加来计算时，可取K∑p=0.8-0.9，
K∑q=0.85-0.95。
由干线负荷直接相加来计算时，可取K∑p=0.9-0.95，K∑q=0.93-0.97。
Pc=K∑p
ΣP30=0.95
2031.2=1929.64kW
Qc=K∑q
ΣQ30=0.93
2866.505=2665.85kvar
Sc=
=3455.5kV∙A
本次设计采用低压集中补偿方式。
PCQCS30取自低压母线侧的计算负荷，
提高至0.92
=
=
=0.55
QN·C=PC（
-
）=1929.64*[tan（arccos0.55）-tan（arccos0.92）]=2103kvar
选择BSMJ0.4-25-3型并联电容器，qN·C=25kvar
=2103kvar/25kvar=84
补偿后的视在计算负荷
SC=
=2010kV·A
=
=0.96>0.9
1.2变电所位置的选择
1.2.1变电所位置的选择要求
变电所位置的选择，应根据下列要求经济技术、经济比较确定。
（1）接近电源；
（2）进出线方便；
（3）设备运输方便；
（4）尽量接近负荷中心；
（5）不应设在有剧烈振动或高温的场所；
（6）不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；
（7）不应设在厕所、浴室或其他经常有水场所的正下发，且不宜与上述场所相贴近；
（8）不应设在有爆炸危险的正方或正下方，且不宜设在有火危险环境的正上方或正下方。
1.2.2变电所的布置
变电所的总体布置，应满足以下要求。
（1）便于运行维护和检修；
（2）保证运行安全；
（3）便于进出线；
（4）节约土地和建筑费用；
（5）适应发展要求。
1.2.3本变电所位置的选择
依据上述原则和要求以及本厂的具体情况，有利于交通运输，并且靠近于电源侧，正在几个大型的负荷中心。
远离了剧烈震动、高温、多尘、腐蚀性气体及常积水的场所来确定本变电所的位置，如图1.1所示。
1.3变压器的选择
1.3.1变压器台数的选择
变电所主变压器台数选择原则
（1）为了保证供电可靠，在变电所中一般应装设备用电源时，可装设两台主变压器。
如果有一个电源进线或变电所可由低压侧电力网取得备用电源时，可装设一台主变压器。
（2）当工厂绝大部分负荷属于三级负荷，其少量一、二级负荷可由邻压电网（10kv）取得备用电源时，可装设一台主变压器。
（3）装有两台及以上主变电器的变电所，当断开一台时，其余主变压器容量不应小于60%-70%的全部负荷，并应保证用户一、二级负荷。
1.3.2变压器容量的确定
变压器容量装有两台变压器的变电站，采用暗备用方式，当其中一台主变因事故断开，另一台主变的容量应满足全部负荷的70%，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证80%负荷供电。
1.3.3本厂变压器容量的确定
变压器的容量计算：
SNT=（0.6～0.7）S30（1-10）
SNT=0.6×3513.21=2283.59kV·A
即可选定两台容量为2500kV·A的变压器。
本厂负荷较大，经过整定计算后可的S30=3513.21kV·A，要求选择两台变压器，根据公式SNT=（0.6～0.7）S30计算，可选用两台容量为2500KV·A的变压器。
变压器型号为S9－2500/10的变压器。
表1.2变压器S9－2500/10的技术参数
额定容量
（KVA）
额定电压
损耗
短路阻抗
连接
一次
二次
空载
负荷
6.5%
组标号
2500
10.5
0.4
3200
20700
Y,Yd11
降压变电所
两台主变压器
图1.1厂总平面图
2主接线方案的选择
2.1主接线的基本要求
主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。
它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。
概括地说，对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。
2.1.1安全性
安全包括设备安全及人身安全。
一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。
2.1.2可靠性
不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。
2.1.3灵活性
用最少的切换来适应各种不同的运行方式，适应负荷发展。
2.1.4经济性
在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。
采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。
2.2主接线的案例与分析
主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。
在此主要介绍单母线接线。
2.2.1单母线接线
这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。
缺点：
不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：
适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所，一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。
图2.1单母线不分段主接线
2.2.2单母线分段主接线
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。
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，分段断路器接同运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段进线断路器都会在继电保护装置作用下自动断开，将故障段母线切除后，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时，分段断路器则断开运行，此时若任一电源出现故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器可自动投入，保证给全部出线或重要负荷继续供电。
图2.2单母线分段主接线
单母线分段接线保留了单母线接线的优点，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等。
本次主接线的设计我们采用的10kV侧采用单母接线，0.4kV侧采用单母分段（具体图见附录一）。
3短路电流计算
3.1短路电流及其计算方法
供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。
但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。
造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。
短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。
当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。
短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。
计算方法采用标幺值法计算。
进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。
标幺值的概念是：
某量的标幺值=
所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量是没有单位的。
供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。
3.2三相短路计算
电源取自距本变电所8km外的35kV变电站，用10kV双回架空线路向本变电所供电，出口处的短路容量为500MV·A。
图3.1短路计算示意图
求10kV母线上K-1点短路和380V低压母线上K-2点短路电流和短路容量。
电源侧短路容量定为Sk=500MV·A
⑴．确定基准值：
取Sd=100MV·AUc1=10.5kVUc2=0.4kV
Id1=
=100MV·A/（
*10.5kV）=5.50kA（3-1）
Id2=
=100MV·A/（
*0.4kV）=144.34kA（3-2）
⑵．计算：
1电力系统
X1*=Sd/Sk=100MV·A/500MV·A=0.2（3-3）
2架空线路（架空线路电抗查表的0.35）[6]
X2*=X0LSd/Uc2=0.35Ω/km*8km*
=2.54（3-4）
3电力变压器（UK%取6.5）
X3*=Uk%Sd/100SNT=
=2.6（3-5）
⑶．求K-1点的短路电路总阻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）=X1*+X2*=0.2+2.54=2.74（3-6）
2三相短路电流周期分量有效值
Ik-1（3）=Id1/X*∑（k-1）=5.50kA/2.74=2kA（3-7）
3其他三相短路电流
在10/0.4KV变压器一次侧低压母线发生三相短路时，可取ksh=1.9，因此：
Ik-1"（3）=I∞k-1（3）=Ik-1（3）=2kA（3-8）
ish（3）=2.55*2kA=5.1kA（3-9）
Ish（3）=1.51*2kA=3.02kA（3-10）
4三相短路容量
Sk-1（3）=Sd/X*∑（k-1）=100MV·A/2.74=36.5MV·A（3-11）
⑷．求K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量：
两台变压器并列运行：
1总电抗标幺值
X*∑（k-2）=0.2+2.54+2.6/2=4.04
2三相短路电流周期分量有效值
Ik-2（3）=Id2/X*∑（k-2）=144.34kA/4.04=35.72kA（3-13）
3其他三相短路电流
在10/0.4KV变压器二次侧低压母线发生三相短路时，R∑<
Ik-2"（3）=I∞k-2（3）=Ik-2（3）=35.72kA（3-14）
ish（3）=2.26*35.72kA=80.73kA（3-15）
Ish（3）=1.31*35.72kA=46.8kA（3-16）
4三相短路容量
Sk-2（3）=Sd/X*∑（k-2）=100MV·A/4.04=24.75MV·A（3-17）
两台变压器分列运行：
①总电抗标幺值
X*∑（k-2）=0.2+2.54+2.6=5.34
②三相短路电流周期分量有效值
Ik-2（3）=Id2/X*∑（k-2）=144.34kA/5.34=27kA
③其他三相短路电流
Ik-2"（3）=I∞k-2（3）=Ik-2（3）=27kA
ish（3）=2.26*27kA=61.02kA
Ish（3）=1.31*27kA=35.37kA
④三相短路容量
Sk-2（3）=Sd/X*∑（k-2）=100MV·A/5.34=18.73MV·A
表3.1高压短路计算结果
短路计算点
总电抗
标幺值
三相短路电流/kA
三相短路
容量/MV·A
X*∑
Ik（3）
I”（3）
I∞（3）
ish（3）
Ish（3）
Sk（3）
k-1
2.74
2
2
2
5.1
3.02
36.5
k-2
变压器并列运行
4.04
35.72
35.72
35.72
80.73
46.8
24.75
变压器分列运行
5.34
27
27
27
61.02
35.37
18.73
4变电所一次设备的选择与校验
4.1设备型号选择的一般条件
变电所一次设备包括高压开关柜、高压断路器、隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器、避雷器、电压互感器、电流互感器，低压成套配电装置等。
在选择这些设备时，应保证这些设备在正常工作条件下能可靠工作，在短路故障时不被损坏，即按长期正常工作条件选择参数，按环境条件选择结构类型，按短路情况进行校验，并在保证供配电安全、可靠的前提下积极而稳妥地采用新技术，且节省投资，力争做到技术先进、经济合理。
4.1.1按正常工作条件选择设备
所选电气设备的最高允许的工作电压，必须高于或等于所在电网的最高运行电压。
设备允许长期承受的最高工作电压，一般为相应电网额定电压的1.1~1.5倍，即UN≥UNS
4.1.2按工作电流选择设备的额定电流
1.短路动稳定校验：
直接给出定型设备允许的稳定峰值电流imax，动稳定条件为：
imax≥ish或Imax≥Ish
imax,Imax―设备允许通过的动稳定电流（极限电流）峰值和有效值（kA）
ish,Ish―设备三相短路冲击电流的幅值和有效值
2.短路热稳定校验：
用直接给出设备的热稳定电流（有效值）It及允许持续时间t，热稳定条件为：
It2t≥I∞2teq
It,t－设备厂家给定的通过的热稳定电流（kA）和持续时间（s）。
3.校验断路器的开断能力。
4.短路电流计算条件：
（1）短路类型：
通常为三相短路计算。
（2）系统容量和接线。
（3）短路计算点。
是被选设备通过最大短路电流的短路点称为设备的短路计算点。
4.2高压断路器的选择
高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它及可以在正常情况下接通或
断开电路，又可以在系统发生短路故障是迅速地自动断开电路。
灭弧能力是断路器的核心性能。
主要参数：
（1）额定电压UN。
断路器的最高工作电压。
其值为额定电压的1.15倍。
（2）额定电流IN。
（3）额定开断电流Ibr。
断路器在额定电压下能可靠断开的最大电
流，表明了断路器的灭弧能力，是断路器最重要的性能参数。
（4）动稳定电流imax。
是断路器允许通过的短路电流的最大瞬时值。
是反映断路器机械强度的一项指标。
（5）热稳定电流It。
在规定时间内，断路器通过此短路电流时，引起的温度升高不会超过短时发热允许值。
是反映断路器承受短路电流热效应能力的参数。
（6）全分闸时间。
包括固有分闸时间和灭弧时间两段。
断路器的选择内容包括：
①选择型式。
②选择额定电压。
③选择额定电流。
④校验开断能力。
⑤校验动稳定。
⑥校验热稳定。
10KV高压断路器选择
型真空断路器。
表4.1高压断路器的选择校验表
序
号
安装地点的电气条件
型真空断路器
项目
数据
项目
数据
结论
1.
UN
10kV
UN.QF
10kV
合格
2.
IC
20.07A
IN.QF
630A
合格
3.
Ik（3）
2kA
Ioc
16kA
合格
4.
ish（3）
5.1kA
imax
40kA
合格
5.
I∞2tima
（2kA）2*（3.2）S=12.8kA2·s
It2t
（16kA）2*4S=1024kA2·s
合格
4.3高压隔离开关的选择
4.3.1隔离开关的用途
（1）隔离电压。
在检修电气设备是，将隔离开关打开，形成明显可见的开点，使带电部分与被检修部分隔开，以确保检修安全。
（2）可接通和断开很小的电流。
（3）可与断路器配合或单独完成倒闸操作。
4.3.2形式结构
高压隔离开关一般有底座、支柱绝缘子、导电刀闸、动触头、静触头、传动机构等组成。
一般配有独立的电动或手动操动机构，单相或三相操动。
高压隔离开关主刀闸与接地刀闸间一般都设有机械连锁装置，确保两者之间操作顺序正确。
各类高压隔离开关、接地开关根据不同的安装场所有各种不同的安装方式。
4.3.3选择条件
海拔高度不大于1000米为普通型，海拔高度大于1000米为高原型；地震烈度不超过8度；环境温度不高于+400°C，户内产品环境温度不低于-100°C，户外产品环境温度不低于-300°C；户内产品空气相对湿度在+250°C时其日平均值不大于95%，月平均值不大于90%（有些产品要求空气相对湿度不大于85%）；户外产品的覆
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