10KV变电所及低压配电线路设计.docx
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10KV变电所及低压配电线路设计
高等教育自学考试
毕业论文
论文题目：
10KV配电所及自闭线路的设计
作者姓名：
杨世凯
专业：
轨道交通供电技术
主考学校：
兰州交通大学
准考证号：
460510122022
指导教师姓名职称：
甘肃省高等教育自学考试办公室印制
年月日
电气化铁道供电技术专业
本科论文
论文标题：
10KV配电所及自闭线路的设计
摘要：
电能是现代工业生产的主要能源和动力.随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高的要求。
工厂供电系统的核心部分是变电所。
因此，设计和建造一个安全、经济的变电所，是极为重要的。
此工厂供电设计包括：
负荷的计算及无功功率的补偿；变电所主变压器台数和容量、型式的确定；变电所主接线方案的选择；进出线的选择；短路计算和开关设备的选择；二次回路方案的确定及继电器保护的选择和整定；防雷保护与接地装置的设计；车间配电线路布线方案的确定；线路导线及其
配电设备和保护设备的选择；以及电气照明的设计，还有电路图的绘制。
关键词：
电能变电所变压器继电器接地装置
1,绪论
1.1变电所的发展概况及前景展望
1.2课题内容与设计要求及任务
1.2.1设计目的
1.2.2 设计要求
1.2.3设计依据
1.2.4供电设计必须遵循的一般原则
2,变电所设计
2.1变电所的负荷计算
2.1.1变电所的负荷分级及负荷计算的目的
2.1.2负荷计算的方法
2.1.3各车间变电所的负荷计算
2.2无功功率补偿及其计算
2.2.1无功功率补偿的目的
2.2.2无功补偿的方法
2.2.3各车间变电所的无功补偿计算
2.3变电所主变压器台数和容量、型式的确定
2.3.1主变压器台数的选择2.3.2主变压器容量的选择
2.3.3各车间变电所主变压器的选择
2.3.4变电所型示的选择
2.3.5变电所的位置选择
2.3.6厂负荷中心的估算方法
2.4变电所主接线方案的选择
2.4.1安全性
2.4.2可靠性
2.4.3灵活性
2.4.4经济性
2.5进出线的选择
2.5.1选择计算、校验方法2.5.2变电所进出线的选择
2.6短路电流的计算
2.6.1短路电流计算
2.7变电所一次设备的选择
2.7.1一次设备选择的要求
2.7.2一次设备校验应满足的条件
2.7.3各车间变电所的一次设备的选择与校验
2.8二次回路方案的选择及继电保护的整定
2.8.1二次回路的定义与分类
2.8.2二次回路的意义
2.8.3二次回路方案的选择与继电保护的整定
2.9变电所防雷保护和接地装置
2.9.1变电所的防雷措施
2.9.2变电所的防雷保护设计
2.9.3变电所公共接地装置的设计
2.10变电所电气照明
2.10.1照明的要素
2.10.2照明供电系统保护装置的选择
3,低压配电线路设计
3.1车间配电线路布线方案的确定
3.1.1车间配电线路设计的一般要求
3.1.2车间配电系统布线方案的选择
3.2线路导线及其配电设备和保护设备的选择
3.2.1线路导线的选择
3.2.2配电设备的选择
3.2.3保护设备的选择
3.3车间电气照明
3.3.1电气照明的重要性
3.3.2合理照明的要素
4，参考文献
5，结束语
6，致谢
1,绪论
众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力，是实现生产自动化的重要物质基础。
电能从区域变电站进入工厂后，首先要解决的就是如何对电能进行控制、变换、分配和传输等问题。
在工厂，担负这一任务的是供电系统，供电系统的核心部分是变电所。
一旦变电所出了事故而造成停电，则整个工厂的生产过程都将停止进行，甚至还会引起一些严重的安全事故。
因此，设计和建造一个以“安全、可靠、经济、优质”为标准的变电所，对保障工厂生产安全、连续的进行是极为重要的。
1.1变电所的发展概况及前景展望
国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。
尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造成全国近20个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸[1]。
与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性。
我国常规城网变电所的主要问题是设备陈旧、占地面积大，与现代化的城市建设不相适应。
为了改变这种面貌，城网变电所已向小型化发展，开始采用全封闭组合电器，即GIS成套设备。
全封闭组合电器（GIS）就是由于SF6气体的出现而发展的一种新型高压成套设备。
它包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、出线套管或电缆终端。
这些设备按变电所主接线的要求，依次连接组合成一个整体，各元件的高压带电部位均封闭于接地的金属壳内，并充以SF6气体，作为绝缘和灭弧介质，称之为SF6气体绝缘变电站，简称GIS。
目前GIS的发展趋向，是将变压器一、二次开关全部合为一体，成为气体绝缘组合的供电系统，今后其将向小型化、智能化、免维护、易施工的方向发展。
建国以来，我国农电事业得到了迅速的发展。
根据1991年农电年报统计，全国已建成35（63）～110kV农村变电所13150座，农网总用电量上升到2286亿Kw/h，乡、村的通电率分别达到96.4%和90%。
农村电力的建设，对促进农业、乡镇工业的经济建设和提高农民的生活水平，起到了十分重要的作用。
但是，随着改革开放的形势发展，现有农村电网已经适应不了农电负荷迅速增长的要求，二十年来全国各地对农网，特别是对农村变电所重点进行了技术改造，取得了可喜的成绩。
总的看来，农网结构落后、设备陈旧的问题，并没有得到根本性的改善，仍是一个低效高耗的电网。
随着电力系统自动化水平的提高，变电所综合自动化系统得到了发展。
厂站综合自动化是集网络技术、通信技术、电力技术多学科多领域为一体，而形成的完整、安全可靠的综合自动化系统。
其把继电保护、远动技术、参数监测等各种功能分布在各个单片机上，而这些单片机通过计算机网络连接起来，形成一个有机的自动化装置。
低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。
变电所电气设备在线监测技术的发展，从90年代开始，出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统。
利用先进的传感器、计算机、数字波形采集和处理等高新技术，实现更多的绝缘参数（如介质损失角正切值tgδ、电容量、泄露电流、局部放电、色谱等）在线监测。
这种监测系统可以实时连续地巡回监测各被测量，因此，监测内容丰富、信息量大、处理速度快，对监测结果可显示、存储、打印、远传及越限报警，实现绝缘监测的全部自动化，代表了当今在线监测的发展方向。
输电新技术主要是FACTS技术、紧凑型技术、导线性能改善等技术的结合，主要有：
（1）串并联补偿；
（2）紧凑型线路；（3）动态无功补偿技术；（4）大截面耐热导线。
灵活交流输电系统（FACTS）是美国EPRI在20世纪80年代末提出的利用电力电子装置对现有电网进行灵活控制以提高电网输送能力的方式。
其包含的范畴很广，凡是采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对影响电力系统潮流分布的主要参数，如电压、相角、电抗等进行调节和控制，从而达到改善系统运行特性，提高系统输送能力的措施，都属于灵活交流输电。
近年来，FACTS的研究已在世界范围内形成热潮，部分装置投入实用。
自20世纪80年代末至今，我国的仿真技术获得了极大的发展。
在电力系统中，应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电所仿真。
变电所培训仿真系统集仿真技术、图形图象技术、数据库等技术于一体，依据变电所电力设备实物、一次设备和二次设备接线图进行设计，如主控室、控制屏、保护屏及设备连接状况，可在模拟设备和二次接线图上进行相应操作，采用鼠标点击的操作方式，简单、直观、易学。
这种方式使变电运行人员的培训手段大大更新，提高了培训效率，缩短了培训周期。
也进一步提高了运行人员的正确判断和处理事故的能力，防止事故扩大化和缩短事故处理时间，从而确保电网安全、可靠、经济运行。
1.2课题内容与设计要求及任务
1.2.1设计目的
通过设计，掌握10KV变电所及低压配电系统设计的一般方法。
1.2.2 设计要求
根据该厂所能取得的电源及厂内负荷的实际情况,并适当考虑工厂生产的发展.按着安全可靠技术先进,经济合理的要求,确定变电所的位置,主变压器的台数的容量;确定变电所的主接线方案;选择一次设备及高低压进出线;确定二次回路方案,选择和整定继电保护装置;按规定写出设计说明书,绘出设计图纸。
1.2.3设计依据
1、平面布置图。
2、工厂生产任务、规模及产品规格：
本厂生产化纤产品，年生产能力为2.3×106m，其中厚织物占50％，中厚织物占30％，薄织物占20％。
全部产品中以腈纶为主体的混织物占60％，以涤纶为主体的混织物占40％。
3.车间负荷情况及车间变电所的容量（如表1所示）。
4.供电协议
（1）从电力系统的某35/10KV变电站，用双回10KV架空线路向工厂馈电。
变电站在厂南0.5km。
（2）系统变电站馈电线的定时限过流保护装置的整定时间top=1.5s，要求工厂总配电所的保护整定时间不大于1.0s。
（3）在工厂总配电所的10kV进线侧计量。
工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9。
5.工厂负荷性质：
本厂多数车间为三班制，少数车间为一班或两班制，年最大负荷利用小时数为6000h。
本厂属二级负荷。
6.工厂自然条件
（1）气象资料年最高气温为38℃，年平均气温为25℃，年最低气温为-1℃，年最热月平均最高气温为30℃，年最热月地下0.8m处平均温度为25℃。
长年主导风向为南风，覆冰厚度为3mm，年雷暴日数38天。
（2）地质水文资料平均海拔200m，地层以砂粘土为主，地下水位3～5m。
1.2.4供电设计必须遵循的一般原则
必须遵守国家的有关规程和标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。
安全可靠、先进合理应作到保障人生和设备的安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理，应采用效率高、能耗低、性能较先进的电气产品。
近期为主、考虑发展应根据工程特点、规模和发展计划，正确处理近期建设和远期发展的关系，作到远、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。
全局出发、统筹兼顾必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
2,变电所设计
2.1变电所的负荷计算
2.1.1变电所的负荷分级及负荷计算的目的
工厂的负荷一般分为三级：
一级负荷：
一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者，或者中断供电将在政治、经济上造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废等等。
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应看着特别重要的负荷。
二级负荷：
二级负荷为中断供电将在政治、经济上造成较大损失者，如大量产品报废等。
三级负荷：
三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述的一、二级负荷者。
变电所负荷计算的目的，是要为确定移相电容器、主变压器、各种开关电器的容量、电力线路的导线和电缆截面、变电所所址、整定继电保护装置提供电。
计算负荷是供电设计的基本依据。
计算负荷确定的是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理，如计算负荷确定过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和有色金属的浪费。
如果选的过小，又使电器和导线电缆处在过负荷下运行，增加了电能的损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，同样造成损失。
可见，正确地确定计算负荷意义重大，但由于负荷情况复杂，影响因素多，虽然负荷的变化有点规律，但仍难准确的计算出来，实际上，它的不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源的供应的状况等多种因素有关。
因此负荷的计算只能接近实际。
2.1.2负荷计算的方法
确定负荷的方法，主要有需要系数法、二项式法，需要系数法是世界上普遍采用的计算负荷的基本方法，二项式法应用局限很大，但确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，则宜于采用二项式法计算。
由于本设计的车间较多且设备容量较大，所以采用需要系数法。
负荷计算公式如下：
有功计算负荷（单位为kw）
P30=KdPe（2.1）
无功计算负荷为（单位为kvar）
Q30=P30tan
（2.2）
视在计算负荷（单位为KVA）
S30=P30/cos
（2.3）
计算电流（单位为A）
I30=S30／﹙
ｕ
﹚（2.4）
2.1.3各车间变电所的负荷计算
表１－１ 各车间和车间变电所负荷计算表（380V）
序
号
车间（单位）名称
设备
容量
KW
k
cos
tan
计算负荷
车间变电所代号
P30
Q30
S30
I30
1
制条车间
340
0.8
0.80
0.75
272
204
340
516.59
NO.1车变
纺纱车间
340
0.8
0.80
0.75
272
204
340
516.59
饮水站
86
0.65
0.80
0.75
55.90
41.93
69.88
106.17
锻工车间
37
0.2
0.65
1.17
7.40
8.66
11.38
17.30
机修车间
296
0.3
0.50
1.73
88.80
153.62
177.60
269.84
幼儿园
12.8
0.6
0.60
1.33
7.68
10.21
12.80
19.45
仓库
38
0.3
0.3
1.73
11.40
19.72
22.80
34.64
小计（K=0.9）
1149.8
——
0.74
0.91
643.46
577.93
865.04
1314.34
2
织造车间
525
0.8
0.80
0.75
420
315
525
797.68
NO.2车变
染整车间
490
0.8
0.80
0.75
392
294
490
744.50
浴室、理发室
5
0.8
1.0
0
4
0
4
6.08
食堂
40
0.75
0.80
0.75
30
22.50
37.5
56.98
单身宿舍
50
0.8
1.0
0
40
0
40
60.78
小计（K=0.9）
1110
——
0.81
0.72
797.40
568.35
979.22
1487.81
3
锅炉房
151
0.75
0.80
0.75
113.25
84.94
141.56
215.09
NO.3车变
水泵房
118
0.75
0.80
0.75
88.50
66.38
110.63
168.08
化验室
50
0.75
0.80
0.75
37.50
21.83
46.88
71.22
油泵房
28
0.75
0.80
0.75
21
15.75
26.25
39.88
小计（K=0.9）
347
——
0.79
0.78
234.23
170.01
296.76
450.89
2.2无功功率补偿及其计算
按水利水电部1983年制定的《全国供用电规则》规定：
高压供电的用户，功率因数不得低于0.9；其他情况，功率因数不得低于0.85。
如达不到上述要求，则须加无功功率的人工补偿装置。
2.2.1无功功率补偿的目的
变电所的无功功率补偿的目的是为了减小通过变压器、线路和开关的无功功率，从而减小这些元件的规格，降低变压器、线路的功率损耗和电压损耗。
工厂中功率因数降低是由于有大量的感应电机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负荷，如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达不到工厂规定的功率因数要求时，则考虑人工补偿。
在变压器低压侧装设了无功补偿装置后，由于低压侧总的视在计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选择得小一些。
这不仅降低了变电所的初投资，而且可减少工厂的电费开支。
2.2.2无功补偿的方法
工厂中普遍采用并联电容器来补偿供电系统中的无功功率。
它一般分为三种：
高压集中补偿、低压集中补偿、低压分散补偿。
由前面的车间负荷计算知车间的计算很大，但功率因数普遍很小。
从表中可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数分别为只有0.74、0.81、和0.79。
而提供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.90。
考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此在变压器低压侧补偿后的功率因数应稍微高些，暂取0.92。
补偿公式如下：
无功补偿装置容量
QC=P30（tan
-tan
`）（2.5）
补偿后总的视在负荷
S`30=〔P302+（Q30-QC）2〕0.5（2.6）
变压器有功损耗
△PT=0.015S`30（2.7）
变压器无功损耗
△QT=0.06S’30（2.8）
变压器低压侧有功功率
P=P30+△PT（2.9）
变压器低压侧无功功率
Q’=Q30+△QT（2.10）
补偿后的有功功率
P30=S`30×cos
P30（2.11）
因此380V侧最大负荷时功率因数暂取0.92来计算。
2.3变电所主变压器台数和容量、型式的确定
2.3.1主变压器台数的选择：
主变压器的台数应根据负荷特点和经济运行要求进行选择。
当符合下列条件的一种时，要装设两台及以上的变压器：
有大量的一级和二级负荷。
季节性负荷变化较大，适于采用经济运行方式。
集中负荷较大。
其他的情况只要装一台变压器。
1.主变压器台数应满足负荷对供电可靠性的要求。
对于供电给一、二负荷的变电所，应采用两台主变压器。
2.如果附近只有一条电源进线，则只能采用一台主变压器。
此时，如果厂内有一、二级负荷，则应所内装设一台发电机，作为一、二级负荷的备用电源。
3.对于只向三级负荷供电的变电所，当负荷变动很大，填充系数а<0.5时，为减小主变压器的功率损耗，宜采用两台主变压器；反之，当а>0.5时，宜采用一台主变压器。
4.当厂内有大型高压用电设备（如大型高压电动机、大型电炉）时，宜采用两台主变压器。
2.3.2主变压器容量的选择
1.变电所装有一台主变压器时，其容量应满足下列要求
SNT≥S30（2.12）
式中S30为该变电所承担的全部计算负荷（无功补偿后的计算负荷）。
2.装有两台主变压器的变电所，每台主变压器容量不应小于总的计算负荷的60%，最好为总计算负荷的70%左右，同时每台主变压器的容量不应小于全部一、二级负荷之和。
2.3.3各车间变电所主变压器的选择
本厂属二级负荷，根据上面的要求，又考虑到今后的发展，查参考资料1附录表4，三个车间变电所应分别选用一台S9—800/10型低损耗配电变压器、一台S9—1000/10型低损耗配电变压器和一台S9—250/10型低损耗配电变压器。
见表1-2所示。
变压器的联结组别均采用Yyn0。
2.3.4变电所型示的选择
高压配电所设独立式，车间变电所设附设式。
2.3.5变电所的位置选择
工厂变电所是工厂接受、变换和分配电能的场所。
它装有变压器用于改变电网电压等级；设有配电装置，对其上连接的电力线路进行电能分配，配电装置上还设有饱和及控制设备、测量仪表等，有的还设有自动装置。
工厂变电所分为降压变电所和车间变电所，一般中小工厂不设总降压变电所
选择变配点所的所址，应该根据下列要求综合考虑后确定。
（1）接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。
（2）进、出线方便。
（3）设备运输方便。
（4）不应设在有剧烈振动或高温的场所；地势低洼和可能积水的场所；厕所、浴室或经常积水场所的正下方或相贴。
（5）不应设在有爆炸危险、火灾危险场所的正下方或正上方，塑像毗邻时应符合<<爆炸和火灾危险场所电力装置设计规范〉〉的规定。
（6）不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，如无法远离时则不应设在污染源主导风向的下风侧。
（7）多层建筑内装有可燃性油的电气设备的变配电所，应布置在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方、正下方或贴邻疏散出口两旁；
（8）根据需要，适当考虑发展余地
2.3.6厂负荷中心的估算方法
（1）选择合适的负荷圆比例m
根据负荷统计结果，确定负荷最大的车间。
在厂平面布置图上，在表示该车间的框图的负荷中心位置画一个大小合适的确圆，并以此圆的面积πr2表示该车间视在计算负荷S'30.2的大小，然后按下式计算出该负荷圆的比例：
m=S'30.2/πr2（2.13）
（2）以作为全厂各车间负荷圆的公共比例，按下式求出其他各车间负荷圆的半径:
ri=（S'30.2.i/πm）1/2,（2.14）
式中，ri为第i个车间负荷圆的半径（i=1，2，3...）；
S'30.2.i为i第个车间的视在计算负荷。
（3）根据各车间负荷圆的半径ri，在厂平面布置图分别以各车间负荷中心为圆心，画出各车间的负荷圆。
（4）通过观察分析全厂各车间负荷圆的分布情况，估算出厂负荷中心的大概位置，总变配电所就应该设在这个位置附近靠电源一侧处。
2.4变电所主接线方案的选择
变配电所的主接线，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件决定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。
2.4.1安全性
1、在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关。
2、在低压短路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装低压刀开关。
3、在装设高压熔断器和负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开关。
2.4.2可靠性
1.变电所的主结线方案，必须与其负荷级别相适应。
对一级负荷，应由两个电源供电，对二级负荷，应由两回路或者一回6kv及以上专用架空线或电缆供电。
其中采用电缆供电时,应采用两根电缆组成的线路,且每根电缆应承受100%的二级负荷.
2.变电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器，当有继电器保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压侧母线分段开关，均应采用低压断路器。
3.变电所的非专用电源进线侧,应装设带短路保护的断路器或负荷开关.当双电源供多个变电所时,宜采用环网供电方式.
2.4.3灵活性
1.变配电所的高低压母线，一般采用母线或单母线分段结构
2.需带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路电器高压负荷开关
3.主接线方案应与变压器经济运行的要求适应
2.4.4经济性
1.主结线方案应力求简单，采用的一次设备特别是高压断路器应较少或不用断路器的接线
2.变配电所的电器设备应选用技术先进、经济适用的节能产品，不得选用国家明令淘汰的产品
3.中小工厂变电所一般采用高压少油断路器；在需要频繁操做的场合，则采用真空断路器或SF6断路器
4.工厂的电源
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