某电机修造厂总降压变电所及高压配电系统设计1.docx

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某电机修造厂总降压变电所及高压配电系统设计1

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某电机修造厂总降压变电所及高压配电系统设计

摘要

本论文主要依照工厂供电设计必须遵循的一般原则、基本内容和设计流程，对某电机修造厂变电所进行了设计说明，本文按照设计要求，在查阅大量参考资料、手册后，对负荷计算及无功功率补偿计算，变配电所所址和型式的选择，变电所主变压器台数、容量及类型的选择，变配电所主结线方案的设计，短路电流的计算，变配电所一次设备的选择，变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定，变配电所防雷保护与接地装置的设计等进行了详细的设计说明。

并附有相应的图表、公式和计算结果。

这次设计的变配电所完全满足设计要求。

本设计通过对计算负荷，选出变压器；通过计算三相短路电流，选出其他保护器件；通过三相短路电流，选择过电流保护设备；然后选择二次回路的设备，对一次侧设备进行控制、检测；最后注意安全、接地和防雷的设置。

关键字：

有功功率，电力变压器，三相短路电流，过电流，接地

第一章绪论1

1.1课题背景、目的及意义1

1.1.1课题的背景1

1.1.2课题的目的及意义1

1.2设计的主要内容、设计图样1

1.2.1设计的主要包括1

1.2.2设计图样2

第二章设计依据3

2.1电机修造厂3

第三章设计说明5

3.1负荷计算及功率补偿5

3.1.1负荷计算的内容和目的5

3.1.2负荷计算的方法6

3.1.3各用电车间负荷情况及各车间变电所容量。

3.1.4全厂负荷计算。

3.1.5功率补偿7

3.2变电所、配电所位置和型式的选择8

3.2.1电机修造厂总变电所位置和型式的选择8

3.3电机修造厂总降压变电所主变压器和主结线方案的选择9

3.3.1变压器容量及台数的选择。

3.3.2变配电所主结线的选择原则10

3.3.3主结线方案选择10

3.3.4配电所的主接线选择14

3.5短路电流的计算15

3.5.1绘制计算电路15

3.5.2求k-1，k-2点的三相短路电流和短路容量16

3.5.3求点的三相短路电流和短路容量18

3.6变电所一次设备的选择校验18

3.6.135kV侧一次设备的选择校验18

3.6.210kV侧一次设备的选择校验19

3.6.3变电所高压母线的选择20

3.7变电所进出线选择。

3.7.135kV高压进线的选择校验21

3.7.210kV高压出线的选择21

3.7.3作为备用电源的高压线的选择校验。

3.8变电所二次方案的选择与继电保护25

3.8.1高压断路器的操动机构控制与信号回路25

3.8.2变电所的电能计量回路26

3.8.3变电所的测量和绝缘监察回路26

3.8.4变电所的保护装置26

3.9变电所的防雷保护与接地装置的设计34

3.9.1变电所的防雷保护34

3.9.2变电所公共接地装置的设计35

第四章结论37

第一章绪论

1.1课题背景、目的及意义

1.1.1课题的背景

本课题是根据刘介才主编的《工厂供电设计指导》上两个题目为原型，根据指导老师的要求设计。

变电所是电力系统中的一个重要环节,它的运行情况直接影响到电力系统的可靠、经济运行。

在35KV—10KV配电变电所设计研究方面，最近几十年发展更是迅猛。

尤其是对变电站综合自动化的研究，已经进行了多年,并取得了令人瞩目的进展。

变电站综合自动化目前在国外已得到了较普遍的应用。

例如美国、德国、法国、意大利等国家,在他们所属的某些电力公司里,大多数的变电站都实现了综合自动化及无人值班方式。

在我国，现在变电所的基本也是向着变电站综合自动化这个方向发展的，但是根据我国的国情，现在大多数变电站还是没有完全实现保护和控制综合自动化。

传统的变电站的设计发展到现在已经十分的成熟了。

根据供电的设计内容和流程，可以十分的方便的按照步骤设计。

1.1.2课题的目的及意义

本题目主要目的是设计某电机修造厂的变电所总降压配电设计。

与原来的课程设计比较，本题不仅设计量大了许多，而且在更个方面的要求也有所加强。

虽然变电所的设计在现在已经不是高新的技术，但是作为自动化专业的学生，本题目还是很全面的包含了一大部分专业课程学习的内容，而且各个方面都有所深入。

尤其是继电保护的问题，有了更加深入的学习。

虽然本题没有对变电站综合自动化有所研究，但是对日后向这个方面的学习和发展打下了坚实的基础。

通过这次设计不仅进一步加强专业知识的学习，拓宽知识面，提高理论知识水平。

而且扩宽了就业面，提高就业能力，提高了独立思考和分析问题的能力。

1.2设计的主要内容、设计图样

1.2.1设计的主要包括

（1）设计的基本依据和资料。

（2）区域变电所和车间变电所负荷计算。

（3）无功功率补偿计算及补偿电容器选择。

（4）短路电流的计算和动稳定度，热稳定度的计算机。

（5）变压器容量及台数的选择。

（6）变电所进出线的选择。

（7）变电所的电缆，电线，高压开关柜，低压配电电屏，动力配电箱，电流互感器，避雷器，母线等主要设备的选择。

（8）区域变电所进线侧线路的继电保护，（采用定时限过电流保护）。

主变压器的差动保护，瓦斯继电器保护，工厂变电所进线侧单相接地保护。

（9）防雷装置与保护接地装置的设计。

（10）、域变电所的主接线图、工厂变电所主接线图、各种保护装置接线原理图。

（11）画出工厂变电所的平面图。

1.2.2设计图样

（1）变电所主结线电路图

电机修造厂总降压变电所主结线电路图

（3）各种保护装置接线原理图

变电所进线侧线路的继电保护原理电路图，（采用定时限过电流保护）。

主变压器的差动保护原理电路图，瓦斯继电器保护原理电路图，工厂变电所进线侧单相接地保护原理电路图

（4）变电所平、剖面图

电机修造厂总降压变电所平、剖面图

第二章设计依据

2.1电机修造厂

（1）电机修造厂总平面图（图2-1）

图2-1某电机修造厂总平面布置图

（2）工厂生产任务、规模及产品规格

本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任务。

年生产规模为修理电机7500台，总容量为45万KW；制造电机总容量为6万KW，制造单机最大容量为5520KW；修理变压器500台；生产电气备件为60万件。

是大型钢铁联合企业重要组成部分。

（3）工厂各车间负荷计算表

表2-1工厂各车间负荷计算表

序号

车间名称

设备容量（千瓦）

计算负荷

变压器台数及容量

车间变电所代号

P30

（千瓦）

Q30

（千乏）

S30

（千伏安）

电机修造车间

2505

609

500

788

1×1000

No1车变

加工车间

886

163

258

305

1×400

No2车变

新制车间

634

222

336

403

1×500

No3车变

原料车间

514

310

183

360

1×400

No4车变

备件车间

562

199

158

254

1×315

No5车变

锻造车间

105

1×100

No6车变

锅炉房

269

197

172

262

1×315

No7车变

空压站

322

181

159

241

1×315

No8车变

汽车库

543

1×80

No9车变

大线圈车间

335

187

118

221

1×250

No10车变

半成品试验站

365

287

464

1×500

No11车变

成品试验站

2290

640

480

800

1×1000

No12车变

加压站

256

163

139

214

1×250

设备处仓库（转供负荷）

338

288

444

1×500

成品试验站内大型集中负荷

3600

2880

2300

3686

主要为高压整流装置，要求专线供电。

（4）供用电协议

①当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选定：

ⅰ从某220/60kV区域变电所提供电源，此站距厂南侧4.5公里。

ⅱ为满足二级负荷的需求，从某60/10.5kV变电所，提供10kV备用电源，此所距厂南侧4公里。

②电力系统短路数据，如表2-2所示。

其供电系统图，如图2-2所示。

表2-2区域变电站60kV母线短路数据

系统运行方式

系统短路数据

系统运行方式

系统短路数据

系统最大运行方式

＝1338MVA

系统最小运行方式

＝310MVA

图2-2供电系统图

③供电部门对工厂提出的技术要求：

ⅰ区域变电所60kV馈电线的过电流保护整定时间＝1.8s，要求工厂总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3s。

ⅱ在企业总降压变电所60kV侧进行电能计量。

ⅲ该厂的总平均功率因数值应在0.9以上。

（5）工厂负荷性质

本厂大部分车间为一班制，少数车间为两班或三班制，年最大有功负荷利用小时数为2200h。

锅炉房供生产用高压蒸汽，停电会使锅炉发生危险。

又由于该厂距离市区较远，消防用水需厂方自备。

因此，要求供电具有一定的可靠性。

（6）本厂自然条件

①气象资料最热月平均最高温度35摄氏度，土壤中0.7-1米深处一年中最热月平均温度为20摄氏度，土壤冻结深度为1.10米，夏季主导风向为南风，最高气温+40度，最低-40度，导线复冰时气温-5度，最大风速时气温-5度，最大风速25米/秒，导线复冰时风速10米/秒，最高最低气温时风速0米/秒，复冰厚度10毫米，年雷暴日数31.5日。

②地质水文资料该厂区地层以砂粘土为主，地质条件较好，地下水位2.8-5.3m，地耐压力为15吨/平方米。

第三章设计说明

3.1负荷计算及功率补偿

3.1.1负荷计算的内容和目的

（1）计算负荷是根据已知的工厂的用电设备安装容量求取确定的、预期不变的最大假想负荷。

也就是通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。

在配电设计中，通常采用半小时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）计算负荷是用户供电系统结构设计、供电线路截面选择、变压器数量和容量选择、电气设备额定参数选择等的依据，合理地确定用户各级用电系统的计算负荷非常重要。

3.1.2负荷计算的方法

有功计算负荷为

（3-1）

式中，为设备容量。

无功计算负荷为

（3-2）

式中，为对应于用电设备组的正切值。

视在计算负荷为

（3-3）

总的计算电流为

（3-4）

式中，为额定电压380V。

3.1.3各用电车间负荷情况及各车间变电所容量。

表3-1

序号

车间名称

设备容量（千瓦）

计算负荷

变压器台数及容量

车间变电所代号

P30

（千瓦）

Q30

（千乏）

S30

（千伏安）

电机修造车间

2505

609

500

788

1×1000

No1车变

加工车间

886

163

258

305

1×400

No2车变

新制车间

634

222

336

403

1×500

No3车变

原料车间

514

310

183

360

1×400

No4车变

备件车间

562

199

158

254

1×315

No5车变

锻造车间

105

1×100

No6车变

锅炉房

269

197

172

262

1×315

No7车变

空压站

322

181

159

241

1×315

No8车变

汽车库

543

1×80

No9车变

大线圈车间

335

187

118

221

1×250

No10车变

半成品试验站

365

287

464

1×500

No11车变

成品试验站

2290

640

480

800

1×1000

No12车变

加压站

256

163

139

214

1×250

设备处仓库（转供负荷）

338

288

444

1×500

成品试验站内大型集中负荷

3600

2880

2300

3686

主要为高压整流装置，要求专线供电。

3.1.4全厂负荷计算。

取K∑p=0.92;K∑q=0.95

根据上表可算出：

∑P30i=6520kW;∑Q30i=5463kvar

则P30=K∑P∑P30i=0.92×6520kW=5999kW

Q30=K∑q∑Q30i=0.95×5463kvar=5190kvar

≈7932KV·A

I30=S30/√3UN≈94.5A

COSф=P30/S30=5999/7932≈0.75

3.1.5功率补偿

由于本设计中上级要求COSφ≥0.9,而由上面计算可知COSф=0.75<0.9，因此需要进行无功补偿。

容器，其额定电容为2.89µF

Qc=5999×（tanarccos0.75－tanarccos0.92）Kvar=2735Kvar取Qc=2800Kvar

因此，其电容器的个数为：

n=Qc/qC=2800/100=28

而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个正好

无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

变压器的功率损耗为：

（P18估算PT（0.01-0.02）QT（0.05-0.08））

△PT=0.015S30′=0.015*6564=98.5Kw

△QT=0.06S30′=0.06*6564=393.8Kvar

变电所高压侧计算负荷为：

P30′=5999+98.5=6098Kw

S30′=（P302+Q302）1/2=6821KV.A

无功率补偿后，工厂的功率因数为：

cosφ′=P30′/S30′=6098/6821=0.9

cosφ′=P30′/S30′=0.9≥0.9

因此，符合本设计的要求

3.2变电所、配电所位置和型式的选择

（1）变电所和配电所的位置选择应根据下列要求综合考虑确定：

靠近工厂的负荷中心；接近电源侧；进出线方便；运输设备方便；不应设在有剧烈振动或高温的场所；不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，如无法远离，不应设在污染源的主导风向的下风侧；不应设在地势低洼和可能积水的场所；不应设在有爆炸危险的区域内；不宜设在有火灾危险区域的正上方或正下方；

（2）变电所和配电所型式选择

①60/10.5kV变电所分屋内式和屋外式，屋内式运行维护方便，占地面积少。

60kV变电所宜用屋内式。

②配电所一般为独立式建筑物，也可与所带10kV变电所一起附设于负荷较大的厂房或建筑物。

3.2.1电机修造厂总变电所位置和型式的选择

由前面的负荷计算可以看出，由于成品试验站内有大型集中负荷，所以电机修造厂的负荷中心在成品试验站和电机修造车间之间，又考虑到变电所的位置要南北向，北边开高窗，南边开低门。

所以我选择的电机修造厂的变电所的位置如图3-1所示，其型式为屋内式。

图3-1电机修造厂总降压变电所位置

3.3电机修造厂总降压变电所主变压器和主结线方案的选择

3.3.1变压器容量及台数的选择。

由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

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，SNT≥（0.6-0.7）S′30

②任一台单独运行时，SNT≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）//一二级负荷容量

由于S′30

（1）=7932KV·A，因为该厂都是一二级负荷所以按条件2选变压器。

③SNT≥（0.6-0.7）×7932=（4759.2～5552.4）KV·A≥SNT≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

因此选5700KV·A的变压器二台

主变压器的联结组别均采用Yd11。

3.3.2变配电所主结线的选择原则

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结线。

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。

3.3.3主结线方案选择

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。

总降压变电所主结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、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。

主结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。

一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图如下这种主结线，其一次侧的QF10跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。

这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。

如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电，这种内桥式结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。

一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图（下图），这种主结线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。

这种主结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。

但与内桥式结线适用的场合有所不同。

如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并列运行。

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结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器QF11、QF12，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。

由于需要装设两台主变压器，所以可设计下列两种主结线方案：

（1）一条电源进线的主结线方案如图3-2示（10kV侧主结线从略）

（2）两条电源进线的主结线方案如图3-3示（10kV侧主结线）

图3-2机修造厂总降压变电所一条电源进线的主结线方案

图3-3电机修造厂总降压变电所两条电源进线的主结线方案

（3）两种主结线方案的技术经济比较（表3-2）

表3-2两种主结线方案的比较

比较项目

一条电源进线的主结线方案（图3-2）

两条电源进线的主结线方案（图3-3）

技术指标

供电安全性

满足要求

供电可靠性

基本满足要求

满足要求

供电质量

两台主变并列，电压损耗小

灵活方便性

由于只有一条电源进线，灵活性稍差

由于只有两条电源进线，灵活性较好

扩建适应性

稍差一些

更好一些

经济指标

电力变压器的综合投资额

由资料查得SL7-6300/35单价为30.35万元，而又查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为2×30.35万元＝60.7万元

高压开关柜（含计量柜）的综合投资额

查资料得JYN1-35型柜按每台10万元计，其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为10×1.5×10万元＝150万元

本方案采用14台JYN1-35型柜，其综合投资额约为14×1.5×10万元＝210万元，比一条电源进线的方案多投资60万元

续表3-2

比较项目

一条电源进线的主结线方案（图3-3）

两条电源进线的主结线方案（图3-4）

经济指标

电力变压器和高压开关柜的年运行费

参照资料计算，主变和高压开关柜的折旧和维修管理费每年为12.035万元（其余略）

主变和高压开关柜的折旧和维修管理费每年为15.635万元，比一条电源进线的方案多耗3.6万元

交供电部门的一次性供电贴费

按700元/kVA计，贴费为2×6300×0.07万元＝882万元

贴费为2×6300×0.07万元＝882万元

从表3-2可以看出，虽然按经济指标，一条电源进线的主结线方案远优于两条电源进线的主结线方案，但是按技术指标，两条电源进线的主结线方案优于一条电源进线的主结线方案。

为了给工厂的正常生产提供更加稳定、可靠的电源，所以决定采用两条电源进线的主结线方案。

正常工作时60kV侧母线中间分段，两电源分别同时给两变压器供电。

当一条电源进线出现故障时，利用60kV母线的联络线，把60kV侧母线连通，用另外一条电源进线给两个变压器供电。

这样不仅提高了供电的可靠性，而且灵活性也增强了，给电力系统的维护和维修带来了安全和方便。

虽然这样投资高了不少，但是是十分值得的。

3.3.4配电所的主接线选择

配电所的主结线方案也分一条进线和两条进线两种。

（1）一条电源进线的主结线方案如图3-4示

图3-4电机修造厂10KV进线的主结线方案

（2）两条电源进线的主结线方案如图3-5示

图3-5机修造厂总配电所两条电源进线的主结线方案

（3）两种主结线方案的技术经济比较（表3-3）

表3-3两种主结线方案的比较

比较项目

一条电源进线的主结线方案（图3-5）

两条电源进线的主结线方案（图3-6）

技术指标

供电安全性

满足要求

供电可靠性

基本满足要求

满足要求

灵活方便

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