某工厂10kV变配电系统设计.docx
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某工厂10kV变配电系统设计
第1章绪论
工场供电，即指工场所需电能的供给和分派，亦称工场配电。
电能是现代产业生产的主要能源和核心动力。
电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供给用；电能的输送的分派既简单经济，又便于控制、调治和丈量，有利于实现生产历程自动化。
因此，电能在现代产业生产及整个百姓经济生活中应用极为遍及。
在企业工场里，电能虽然是产业生产的主要能源和动力，但是它在产物本钱中所占的比重一般很小（除电化产业外）。
电能在产业生产中的重要性，并不在于它在产物本钱中或投资总额中所占的比重多少，而在于产业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产物质量，提高劳动生产率，低落生产本钱，减轻工人的劳动强度，改进工人的劳动条件，有利于实现生产历程自动化。
从另一方面来说，如果工场的电能供给突然中断，则对产业生产可能造成严重的结果。
可见，做好工场供电事情对付生长产业自动化生产，实现产业现代化，具有十分重要的意义。
由于能源节约是工场供电事情的一个重要方面，而能源节约对付国度经济建立具有十分重要的战略意义，因此做好工场供电事情，对付节约能源、支援国度经济建立，也具有重大的作用。
变配电系统是变电系统和配电系统的总称。
其中变电系统的主要作用是通过变压器对一次侧电压进行升高大概低落，再从二次侧输出。
变电系统的核心元件是种种变比的变压器，总之有电压改变的系统就是变电系统。
至于配电系统可理解为一个用电系统中不存在电压的改变，就是配电系统，它的核心元件是种种电流级别的开关。
工场供配电事情要很好地为产业生产办事，切实包管工场生产和生活用电的需要，并确实做好节能环保事情，就必须到达以下根本要求：
1.宁静应切合有关国度标准和技能范例的要求，能充实保障人身和设备的宁静。
2．可靠应满足电力负荷，特别是其中一二级负荷对供电可靠性的要求。
3.灵活应能适应种种须要的运行方法，便于切换操纵和查验，且适应负荷的生长。
4.经济在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行用度低，并节约电能和有色金属消耗量。
别的，在供电工作中，应公道地处理惩罚局部和全局、当前和久远等干系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局看法，能顾全大局，适应社会的生长。
为了包管工场供电的正常运转，就必须要有一套完整的掩护，监督和丈量装置。
目前多以采取自动装置，将盘算机应用到工场配电控制系统中去。
工场供电设计的一般原则：
凭据国度标准GB50052-95《供配电系统设计范例》﹑GB50053-94《10kV及以下设计范例》﹑GB50054-95《低压配电设计范例》等的规定，进行工场供电设计必须遵循以下原则：
1.遵守规程﹑执行政策
必须遵守国度的有关规定及标准，执行国度的有关目标政策，包罗节约能源，节约有色金属等技能经济政策。
2.宁静可靠﹑先进公道
应做到保障人身和设备的宁静，供电可靠，电能质量合格，技能先进和经济公道，采取效率高、能耗低和性能先进的电气产物。
3.近期为主﹑考虑生长
应凭据事情特点﹑范围和生长筹划，正确处理惩罚近期建立与远期生长的干系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。
4.全局出发﹑统筹分身
按负荷性质﹑用电容量﹑工程特点和地区供电条件等，公道确定设计方案。
工场供电设计是整个工场设计中的重要组成部分。
工场供电设计的质量直接影响到工场的生产及生长。
作为从事工场供电事情的人员，有须要了解和掌握工场供电设计的有关知识，以便适应设计事情的需要。
第2章线路设计
2.1配电线路设计
供配电线路按电压品级的差别可分为高压线路（1kV以上）和低压线路（1kV以下）。
本设计为某工场变配电系统的设计,电压品级为10kV,则为高压线路。
而高压配电线路有放射式，树干式，环形三种接线方法。
2.1.1高压配电线路放射式接线
（一）单回路放射式接线
图2-1单回路放射式接线，这种接线方法的优点：
接线清晰，操纵维护方便，各供电线路互不影响，供电可靠性较高，便于装设自动装置，掩护装置也较简单，但高压开关设备数量多，投资大，并且当某一线路产生妨碍或查验时，该线路供电的全部负荷都要停电。
因此，单回路放射式接线只能用于二，三级负荷或容量较大以及较重要的专用设备。
图2-1单回路放射式接线
（二）大众备用干线的放射式接线
对二级负荷供电时，为提高供电的可靠性，可凭据增加大众备用线路，图2-2大众备用干线的放射式接线。
该接线方法的供电可靠性得到了提高，单开关设备的数量和导线质料的消耗量也有所增加。
如果备用干线采取独立电源供电且分支较少，则可采取一级负荷。
图2-2大众备用干线的放射式接线
（三）双回路放射式接线
图2-3采取双回路放射式接线，然后经分段母线用双回路对用户进行交错供电。
其供电可靠性高，可供电给一，二级的重要负荷，但投资相对较大。
图2-3采取双回路放射式接线
（四）采取低压联络线作备用干线的放射式接线
图2-4所示为采取低压联络线作备用干线的放射式接线。
该接线方法比力经济，灵活，除了可提高供电可靠性以外，还可实现变压器的经济运行。
低压侧采取单母线分段接线形式，可以在妨碍时实现不中断供电，包管负荷正常运行，供电可靠性较高。
低压侧也可采取双母线分段接线形式。
图2-4低压联络线作备用干线的放射式接线
2.1.2高压配电线路树干式接线
高压树干式接线是指变配电所高压母线上引出的每路高压配电干线上沿线均连接了数个负荷点的连接方法。
（一）单回路树干式接线
图2-5为单回路树干式接线。
该接线方法较之单回路放射式接线，变配电所的出线数量大大淘汰，高压开关柜的数量也相应淘汰，同时可节约有色金属的消耗量。
但因多个用户采取干线供电，各用户之间相互影响，故当某条干线产生妨碍或需要查验时，将引起干线上的全部用户停电，所以这种接线方法供电可靠性差，且不容易实现自动化控制。
单回路树干式接线一般用于对三级负荷配电，并且干线上连接的变压器不得凌驾5台，总容量不应大于2300kV·A。
图2-5单回路树干式接线
（二）单侧供电的双回路树干式接线
为了提高供电可靠性，可采取如图2-6所示的单侧供电的双回路树干式接线方法。
该接线方法可供电给二，三级负荷，但投资也相应地有所增加。
图2-6单侧供电的双回路树干式接线
（三）两端供电的单回路树干式接线
图2-7为两端供电的单回路树干式接线。
若一侧干线产生妨碍，则可采取另一侧干线供电，因此供电可靠性也较高，与单侧供电的双回路树干式接线相当。
当正常运行时，由一侧供电或在线路的负荷分界处断开，当产生妨碍时要手动切换，但寻查妨碍时也需中断供电。
所以，两端供电的单回路树干式接线只可用于对二，三级负荷供电。
图2-7两端供电的单回路树干式接线
（四）两端供电的双回路树干式接线
图2-8是两端供电的双回路树干式接线。
这种接线方法比单侧供电的双回路树干式接线的供电可靠性有所提高，主要用于对二级负荷供电，当供电电源足够可靠时，亦可用于一级负荷。
这种接线方法的投资不比单侧供电的双回路树干式接线增加许多，要害是要有双电源供电的条件。
图2-8两端供电的双回路树干式接线
2.1.3高压配电线路环形接线
高压环形接线实际上是两端供电的树干式接线，如图2-9所示，两路树干式接线连接起来就组成了环形接线。
图2-9高压环形接线
这种接线方法运行灵活，供电可靠性高。
线路查验时可切换电源，妨碍时可切除妨碍线段，从而缩短了停电时间。
高压环形接线可供电给二，三级负荷，且在现代化都市电网中应用较遍及。
经过以上的比力和阐发，高压变配电系统的接线往往是几种接线方法的组合，究竟采取什么接线方法，应凭据具体情况对应供电可靠性的要求，通过技能，经济综合比力后才华确定。
一般来说，高压配电系统应优先考虑采取放射式，对付供电可靠性要求不高的帮助生产区和生活住宅区，可考虑采取树干式或环形配电式。
通过阐发比力，某工场10kV的变配电系统，最终采取低压联络线作备用干线的放射式接线方法,如图2-4所示。
2.2短路电流盘算
短路电流盘算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电掩护装置的整定盘算。
进行短路电流盘算，首先要绘制盘算电路图。
在盘算电路图上，将短路盘算所考虑的各元件的额定参数都体现出来，并将各元件依次编号，然后确定短路盘算点。
短路盘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，按所选择的短路盘算点绘出等效电路图，并盘算电路中各主要元件的阻抗。
在等效电路图上，只需将被盘算的短路电流所流经的一些主要元件体现出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。
对付工场供电系统来说，由于将电力系统看成无限大容量电源，并且短路电路也比力简单，因此一般只需采取阻抗串、并联的要领即可将电路化简，求出其等效总阻抗。
最后盘算短路电流和短路容量。
为了选择高压电气设备，整定继电掩护，需盘算总降压变电所的35kV侧、10kV母线以及厂区高压配电线路末端（即车间变电所10kV母线）的短路电流，分别为k-1、k-2和k-3点。
但因工场厂区不大，总降压变电所到最远车间的距离不外数百米，因此总降压变电所10kV母线（k-2点）与厂区高压配电线路末端处（k-3点）的短路电流值差别极小，所以只盘算主变压器高、低压侧k-1和k-2两点短路电流。
短路电流按系统正常运行方法盘算，其盘算电路图如附图2-10所示
短路电流盘算的要领，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）。
图2-10等值电路
现在用标幺值法进行盘算。
由题意知：
由题意知：
SN=400kVAUN=400V
2.3配电系统电气设备的选型
2.3.1电气设备选择的一般条件
尽管电力系统中种种电气设备的作用和事情条件并不一样，具体选择要领也不完全相同，但对它们的根本要求却是一致的。
电气设备要能可靠的事情，必须按正常事情条件进行选择，并按短路状态来校验动稳定和热稳定。
（一）按正常事情条件选择电气设备
1.额定电压
电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变革，有时会高于电网的额定电压，故所需电气设备允许的最高事情电压不得低于所接电网的最高运行电压，通常，规定一般电气设备允许的最高事情电压为设备额定电压的1.1～1.15倍，而电网运行电压的颠簸范畴，一般不凌驾电网额定电压的1.15倍。
因此，在选择电气设备时，一般可凭据电气设备的额定电压UN不低于装置所在电网额定电压USN的条件选择，即
UN≥USN（2-1）
2.额定电流
电气设备的额定电流IN是指在额定情况温度θ0下，电气设备的长期允许电流。
IN不小于该回路在种种公道运行方法下的最大连续事情电流Imax，即
IN≥Imax（2-2）
3.情况条件对设备选择的影响
当电气设备安装所在的情况（尤其注意小情况）条件如温度、风速、污秽品级、海拔高度、地动烈度和覆冰厚度等条件凌驾一般电气设备使用条件时，应采取步伐。
一般当海拔在1000～3500m范畴内，若海拔比厂家规定值每升高100m，则电气设备允许最高事情电压要下降1%。
当最高事情电压不能满足要求时，应采取高原型电气设备，或采取外绝缘高一电压品级的产物。
对付110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。
我国生产的电气设备一般使用的额定情况温度θ0=40oC，若周围情况温度高于40oC但不大于60oC时，其允许电流一般可按每增高1oC，额定电流淘汰1.8%进行修正；当情况温度低于+40oC时，情况温度每低落1oC，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得凌驾额定电流的20%。
（二）按短路状态校验
1.短路热稳定校验
短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不凌驾允许值。
满足热稳定的条件为
（2-3）
式中：
Qk短路电流产生的热效应；It、t分别为电气设备允许通过的热稳定电流和时间。
2.动稳定校验
动稳定是电气设备蒙受短路电流和机器效应的能力，亦称动稳定。
满足动稳定的条件为
ies≥ish或Ies≥Ish（2-4）
式中：
ish、Ish分别为短路打击电流幅值及其有效值；ies、Ies分别为电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。
同时，应按电气设备在特定的工程安装使用条件，对电气设备的机器负荷能力进行校验，即电气设备的端子允许荷载应大于设备引线在短路时的最大电动力。
2.3.2配电线路的元器件选型
2.3.2.1变压器的选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。
主变压器的选型原则：
（1）一般应优先选用S9、S11等系列的低损耗变压器。
（2）在多尘或有腐化性气体以致严重影响变压器宁静运行的场合，应选用密闭式电力变压器。
如BSL1型。
（3）对付高层修建、地下修建、化工单位等对消防要求较高的场合，主采取干式变压器，如SC、SCZ、SG3、SG10、SC6等系列。
（4）对电网电压颠簸较大的场合，以改进电能质量应采取有载调压电力变压器，如SZ7、SFSZ、SGZ3等系列。
在电力变压器的选择中，变电所主变压器台数的选择。
选择主变压器的台数，应考虑下列原则：
（1）应满足用电负荷对供电的可靠性的要求，有大量二级负荷的变电所，应采取两台变压器，当一台产生妨碍或查验时，另一台变压器能对一二级负荷和连续供电。
只有二级而无一级负荷的变电所，也可只采取一台变压器，但必须在低压侧铺设与其它变电所相连的联络线作为备用电源。
（2）对导线性负荷或昼夜负荷变动较大且要求采取经济运行方法的变电所可考虑采取两台主变压器。
（3）除上述情况外，一般车间变电所宜采取一台变压器。
但是负荷会合而容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可采取两台或三台及以上变压器。
（4）在确定变电所主变压器台数时应适当考虑负荷的生长并留取一定的余地。
因此，本次设计为了确保电力线路的宁静性和可靠性，选用两台主变压器。
由设计要求知:
额定容量为400KVA。
凭据查表（S9系列6～10kV级钢绕组低损耗电力变压器的技能指标）如表一:
表一S9-400/10根本参数规格
型号
额定电压
额定容量
连接组别号
一次
二次
400kVA
Dyn11
S9-400/10
10.5kV
0.4kV
损耗
空载电流
阻抗电压
空载（W）
负载（W）
3%
4%
870
4200
2.3.2.2高压断路器
高压断路器QF是高压输配电线路中最为重要的电气设备。
它的性能直接干系到线路运行的可靠性和宁静性。
在电网中，高压断路器既有控制作用，又有掩护作用。
高压断路器按灭弧介质的差别可分为油断路器、真空断路器、六氟化硫（SF6）断路器。
（1）油断路器
油断路器分为少油断路器和多油断路器两种。
少油断路器具有油量少、体积小、重量轻、运输安装方便的特点，油只作为灭弧介质使用。
多油断路器具有油量多的特点，油兼有灭弧和绝缘的双重成果。
在不需要频繁操纵且要求不高的高压电网中，少油断路器得到了遍及的应用。
在6～10KV户内配电装置中常用的少油断路器为SN10-10型。
按断流容量可将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，Ⅰ型断流容量Soc为300MV·A，Ⅱ型断流容量Soc为500MV·A，Ⅲ型断流容量Soc为750MV·A。
（2）真空断路器
真空断路器有噪音低、体积小、寿命长、体积简单、可靠性高的优点。
主要用于平凡操纵的场合，尤其是宁静要求较高的工矿企业、住宅区、商业区等。
常用的真空断路器有ZN3-10、ZN12-12、ZN28A-12、ZN5-10型。
（3）六氟化硫（SF6）断路器
六氟化硫断路器有灭弧能力强、绝缘强度高、开断电流大、燃弧时间短、查验时间长、断开电流电容或电感电流时，无重燃，过电压低等优点。
但SF6断路器要求加工精度高，密封性要求严，代价相对昂贵。
主要用于需频繁操纵且有易燃易爆的场合，特别适用于全封闭组合电器，常用的有LN2-10型。
因为本设计为某工场10kV变配电系统，则通过比力选用真空断路器。
其根本参数如表二。
表二真空断路器根本参数规格
型号
额定电压
额定电流
开断电流
断流容量
ZN5-10
10kV
1250A
25kA
动稳定电流峰值
热稳定电流
固有分闸时间1S
合闸时间1S
配用操动机构型号
63kA
25（2S）kA
0.05
0.1
CD10
2.3.2.3高压断绝开关
高压断绝开关（QS）是高压电气装置中包管事情宁静的开关电器。
其作用主要有：
（1）断绝电源，包管宁静。
（2）倒闸操纵。
（3）接通或切断小电流电路。
高压断绝开关一般分为户外断绝开关（GW）和户内断绝开关（GN）两种。
户内断绝开关其额定电压一般在35kV以下，10kV高压断绝开关型号较多，常用的有GN13、GN19、GN22、GN24、GN28、GN30等户内式系列。
户外断绝开关由于触头袒露在大气中，事情条件比力恶劣，因此一般要求有较高的绝缘品级和机器强度。
户外断绝开关其额定电压一般在35kV以上，常用的有GW2-35、GW4-35（D）和GW4-110D。
通过比力，凭据设计要求选用高压断绝开关。
其根本参数如表三。
表三高压断绝开关根本参数规格
型号
额定电压
额定电流
热稳定电流
极限通过电流
GN6-10/1000-80
10kV
1000A
31.5（4S）kA
峰值
80kA
2.3.2.4防雷设备的选择
（一）避雷器的分类及特点
防雷的设备主要有接闪器和避雷器。
其中，接闪器就是专门用来担当直接雷击（雷闪）的金属物体。
接闪的金属称为避雷针。
接闪的金属线称为避雷线，或称排挤地线。
接闪的金属带称为避雷带。
接闪的金属网称为避雷网。
避雷器是用来防备雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它修建物内，以免危及被掩护设备的绝缘。
避雷器应与被掩护设备并联，装在被掩护设备的电源侧。
当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而掩护了设备的绝缘。
避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。
避雷器是变电所掩护雷电入侵的主要装置，用于过电压掩护。
避雷器应与被掩护设备并联，装在被掩护设备的电源侧。
在供配电系统正常事情的时候，并不导电。
避雷器的种类有阀型避雷器、掩护间隙、管型避雷器和金属避雷器四种。
（1）阀型避雷器
阀型避雷器又称阀式避雷器，阀型避雷器分为普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器两大类。
普通阀型避雷器有FS型和FZ型两大系列。
磁吹阀型避雷器有FCD型和FCZ型两个系列。
普通阀型避雷器为了提高灭弧能力制成了磁吹避雷器，其内部附有磁吹装置来加快放电火花间隙中电弧的熄灭，专用于掩护重要的或绝缘能力较弱的设备。
（2）掩护间隙
掩护间隙又称角形避雷器，它简单经济，维护方便，但掩护性能差，灭弧能力小。
一般用于10kV及以下的电网中，并尽量与自动重合闸装置配合使用，以便淘汰线路的停电事故产生。
为了改进供电系统的可靠性，凡采取掩护间隙作为过电压掩护装置时，一般在断路器上也要配备自动重合闸装置。
（3）管型避雷器
管型避雷器也称排气管式避雷器，具有与掩护间隙相同的缺点，目前仅用于安装在输电线路上绝缘比力单薄的地方和用于变电所的进线端掩护中。
一般用于中小型变配电所的避雷器为FS型阀式避雷器。
（4）金属氧化物避雷器
金属氧化物避雷器具有掩护性能好，通流能力强，体积小，安装方便等优点。
目前已遍及应用到电气设备的防雷掩护中，随其制造本钱的低落，金属氧化物避雷器的应用会越来越遍及。
通过比力阐发，凭据本设计根本要求选用阀型避雷器，其根本参数见表四。
表四阀型避雷器根本参数
型号
系统标称电压（kV）
额定电压（kV）
工频放电电压（kV）
1.2/50μs打击放电电压不大于
波前打击放电电压不大于
标称电流下残压不大于
不小于
不大于
FS系列
FZ系列
FS系列
FZ系列
FS系列
FZ系列
3kA
5kA
5kA
FS-10（FZ-10）
10
12.7
26
31
50
45
62.5
56.3
50
45
20.5
41
49
73
91
67
25
51
61
85
106
81.5
25
56
67
110
138
81.5
（二）排挤线路的防雷步伐
（1）架设避雷线防雷的有效步伐，但造价高，因此只在66kV及以上的排挤线路上才沿全线装设。
35kV的排挤线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。
而10kV及以下的线路上一般不装设避雷线。
（2）提高线路自己的绝缘水平在排挤线路上，可采取木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10kV及以下排挤线路防雷的根本步伐。
（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷掩护线由于3～10kV的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以掩护间隙。
在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的掩护间隙被击穿，通过其接地引线对地泄放雷电流，从而掩护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。
（4）装设自动重合闸装置线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的，在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。
如果采取一次ARD，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能规复供电，这对一般用户不会有什么影响。
（5）个别绝缘单薄所在加装避雷器对排挤线路上个别绝缘单薄所在，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或掩护间隙。
（三）变配电所的防雷步伐
（1）装设避雷针室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。
如果变配电所处在四周高建（构）筑物上防雷设施掩护范畴之内或变配电所自己为室内型时，不必再考虑直击雷的掩护。
（2）高压侧装设避雷器这主要用来掩护主变压器，以免雷电打击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最要害的设备。
为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。
阀式避雷器至3～10kV主变压器的最大电气距离如表五：
表五阀式避雷器至3～10kV主变压器的最大电气距离
雷雨季候经常运行的进线路数
1
2
3
>=4
避雷器至主变压器的最大电气距离/m
15
23
27
30
避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。
在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。
如果进线是具有一段引入电缆的排挤线路，则在排挤线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。
（3）低压侧装设避雷器这主要用在多雷区用来防备雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。
当变压器低压侧中性点不接地时（如IT系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或掩护间隙。
2.3.2.5互感器选择
电流互感器（TA）又称仪用变流器，电压互感器（TV）又称仪用变压器。
它们合称为仪用互感器，简称互感器。
其作用主要是将高电压和大电流变为二次回路的标准低电压和小电流。
还可用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘。
（一）电流互感器
电流互感器凭据其安装所在的差别可分为户内式和户外式两种。
20kV及其以下制成户内式，35kV及其以上多制成户外式。
电流互感器使用时的注意事项：
（1）电流互感器在事情时二次侧不
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