工厂总降压变电所设计.docx
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工厂总降压变电所设计
工厂总降压变电所设计
内容摘要本设计完成一个机械厂的供配电系统的设计。
主要内容包括以下几个方面：
首先按照需要系数法进行全厂负荷计算，并经过技术比较对企业的供电方案进行论证和选择，确定最优供电方案；然后开始企业总降压变电所的设计，在比较了多个主接线方案后确定一个最适合本企业情况的主接线方案，并绘制电气主结线图和电气总平面布置图等,最后完成保护。
本次设计的变电所和旧式变电所有所不同，在设备选择上采用了一些新型设备，充分保证了工厂生产工艺所需的供电可靠性和电能质量。
另外，设计中在以供电可靠性为基础的前提下力求节约，使企业供配电系统的投资少、运行费用低，并且尽力降低了有色金属消耗量，使设计既能满足当前需要，又留有一定的发展空间。
关键词：
变电所、需要系数法、电气主接线、负荷、短路。
第一章前言
电能是现代工业生产的主要能源和动力。
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应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。
因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。
科学技术的发展，使得供配电技术涉及的方面越来越宽、内容越来越深，和实际联系也越来越密切，这些都为培养高质量的供用电人才提出了更高的要求。
为了更好的适应现代工业社会的要求，把自己培养成一个合格的电气工程人员，必须尽可能多的掌握供配电知识，另外还要了解用电知识和节电知识。
35KV企业供配电系统是电力系统的一个重要组成部分，它必然要反映电力系统各方面的理论和要求。
具体到本次设计中，首先根据企业各车间的设备容量按照需要系数法计算出全厂总负荷；然后在此基础上确定供电电压等级和主变压器的容量，进而选择电气主接线方案和设计总降压变电所,并进行保护。
1.1设计对象的基本情况
1.1.1工作电源情况
1、企业从处在其正北方的区域变电所接一回架空线路对企业供电。
2、供电电压等级：
由区域变电所用一回35KV架空线对企业供电。
1.1.2设计对象概况
本次设计对象是一个机械厂，其主要负荷为机加工车间、装配车间、配料车间、热处理车间、锻工车间、高压站、高压水泵房、冷工车间和模具车间。
并且车间设备台数较多，各台设备容量相差不大。
1、该地区气象条件：
（1）夏季主导风向为东南风；
（2）年雷暴日为20天；
（3）年最热月平均最高温度为30°C；
（4）土壤0.8-1.2米深处一年最热月平均温度为10°C；
（5）土壤冻结深度为0.7米。
2、地质及水文条件：
根据勘测部门提供的本厂工程地质资料得知本厂区地质构造：
（1）地表平坦，土壤主要成分为沙质粘土，层厚2.6-5米不等；
（2）地耐压力为25吨/平方米；
（3）地下水位普遍为1.9米。
1.1.3技术要求
（1）企业的功率因数值应在0.9以上；
（2）在总降压变电所35千伏侧进行计量；
（3）区域变电所35千伏侧配出线路定时限过电流保护装置的整定时间为1.5秒，工厂总降压变电所的整定时间不应大于1.0秒。
1.2本设计应完成的任务
1.2.1采用需要系数法进行全厂负荷计算
1.2.2总降压变电所的设计
（1）根据原始资料和相关数据确定主接线方案。
（2）根据电气设备选择和继电保护的需要确定短路计算点，计算三相短路电流。
（3）主要电气设备的选择，包括变压器、隔离开关、导线截面等的选择及校验。
（4）进行供电系统保护。
1.3工厂供电设计的一般原则
按照国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50053-94《10kv及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等的规定，进行工厂供电设计必须遵循以下原则：
（1）遵守规程、执行政策；
必须遵守国家的有关规定及标准，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。
（2）安全可靠、先进合理；
应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。
（3）近期为主、考虑发展；
应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设和远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。
（4）全局出发、统筹兼顾。
按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。
工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。
作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。
第二章负荷计算
2.1确定企业的计算负荷
图2-1厂区车间分布图
1-机加工车间、2-装配车间、3-配料车间、4-热处理车间、5-锻工车间
6-高压站、7-高压水泵房、8-冷工车间、9-模具车间
由于本企业设备台数较多，各台设备容量相差不太悬殊，所以采用数需要系法计算企业负荷。
2.1.1采用需要系数法计算的主要公式及车间有功功率情况
表2-1-计算的主要公式
计算负荷
计算公式
有功功率（KW）
P=KxPe
无功功率（KVAR）
Q=Ptgφ
视在功率（KVA）
变压器损耗系数
表2-2-各车间负荷情况
序号
车间或用电设备组名称
额定容量Pe（KW）
需要系数Kx
功率因数COSφ
1
机加工车间
2500
0.8
0.85
2
装配车间
2200
0.85
0.8
3
配料车间
1705
0.25
0.6
4
热处理车间
1450
0.15
0.5
5
锻工车间
1800
0.25
0.6
6
高压站
1700
0.5
0.7
7
高压水泵房
1600
0.45
0.75
8
冷加工车间
1200
0.2
0.5
9
模具车间
450
0.8
0.85
10
所用电
900
0.6
0.85
2.1.2各车间计算负荷的分别确定
（1）机加工车间：
P1=KxΣPe=0.8×2500=2000KW;
∵COSφ=0.85,∴tgφ=0.62;
Q1=P1tgφ=0.62×2000=1240kvar;
变压器损耗计算:
△Pb1=αS1=0.02×2353.21=47.06KW;
△Qb1=βS1=0.1×2353.21=235.32Kvar;
总负荷：
P1=KP1Σ（P1+△Pb1）=0.72×（2000+47.06）=1473.88KW;
Q1=KQ1Σ（Q1+△Qb1）=0.72×（1240+235.32）=1062.23Kvar;
（2）装配车间：
P2=KxΣPe=0.85×2200=1870KW;
∵COSφ=0.8,∴tgφ=0.75;
Q2=P2tgφ=0.75×1870=1402.5kvar;
变压器损耗计算:
△Pb2=αS2=0.02×2337.5=46.75KW;
△Qb2=βS2=0.1×2337.5=233.75Kvar;
总负荷：
P2=KP2Σ（P2+△Pb2）=0.8×（1870+46.75）=1533.4KW;
Q2=KQ2Σ（Q2+△Qb2）=0.8×（1402.5+233.75）=1309Kvar;
（3）配料车间：
P3=KxΣPe=0.25×1705=426.25KW;
∵COSφ=0.6,∴tgφ=1.33;
Q3=P3tgφ=1.33×426.25=566.91kvar;
变压器损耗计算:
△Pb3=αS3=0.02×709.28=14.19KW;
△Qb3=βS3=0.1×709.28=70.93Kvar;
总负荷：
P3=KP3Σ（P3+△Pb3）=0.65×（426.25+14.19）=286.29KW;
Q3=KQ3Σ（Q3+△Qb3）=0.65×（566.91+70.93）=414.6Kvar;
（4）热处理车间：
P4=KxΣPe=0.15×1450=217.5KW;
∵COSφ=0.5,∴tgφ=1.732
Q4=P4tgφ=1.732×217.5=376.72kvar;
变压器损耗计算:
△Pb4=αS4=0.02×435=8.7KW;
△Qb4=βS4=0.1×435=43.5Kvar;
总负荷：
P4=KP4Σ（P4+△Pb4）=0.7×（217.5+8.7）=158.34KW;
Q4=KQ4Σ（Q4+△Qb4）=0.7×（376.72+43.5）=294.15Kvar;
（5）锻工车间：
P5=KxΣPe=0.25×1800=450KW;
∵COSφ=0.6,∴tgφ=1.33
Q5=P5tgφ=1.33×450=598.5kvar;
变压器损耗计算:
△Pb5=αS5=0.02×748.8=14.98KW;
△Qb5=βS5=0.1×748.8=74.88Kvar;
总负荷：
P5=KP5Σ（P5+△Pb5）=0.8×（450+14.98）=371.98KW;
Q5=KQ5Σ（Q5+△Qb5）=0.8×（598.5+74.88）=538.7Kvar;
（6）高压站：
P6=KxΣPe=0.5×1700=850KW;
∵COSφ=0.7,∴tgφ=1.02
Q6=P6tgφ=1.02×850=867kvar;
变压器损耗计算:
△Pb6=αS6=0.02×1214.62=24.28KW;
△Qb6=βS6=0.1×1214.62=121.46Kvar;
总负荷：
P6=KP6Σ（P6+△Pb6）=0.75×（850+24.28）=655.71KW;
Q6=KQ6Σ（Q6+△Qb6）=0.75×（867+121.46）=741.35Kvar;
（7）高压水泵房：
P7=KxΣPe=0.45×1600=720KW;
∵COSφ=0.75,∴tgφ=0.88
Q7=P7tgφ=0.88×720=633.6kvar;
变压器损耗计算:
△Pb7=αS7=0.02×959.09=19.18KW;
△Qb7=βS7=0.1×959.09=95.91Kvar;
总负荷：
P7=KP7Σ（P7+△Pb7）=0.7×（720+19.18）=517.43KW;
Q7=KQ7Σ（Q7+△Qb7）=0.7×（633.6+95.91）=510.66Kvar;
（8）冷加工车间：
P8=KxΣPe=0.2×1200=240KW;
∵COSφ=0.5,∴tgφ=1.732
Q8=P8tgφ=1.732×240=415.69kvar;
变压器损耗计算:
△Pb8=αS8=0.02×480=9.6KW;
△Qb8=βS8=0.1×480=48Kvar;
总负荷：
P8=KP8Σ（P8+△Pb8）=0.8×（240+9.6）=199.68KW;
Q8=KQ8Σ（Q8+△Qb8）=0.8×（415.69+48）=370.95Kvar;
（9）模具车间：
P9=KxΣPe=0.8×450=360KW;
∵COSφ=0.85,∴tgφ=0.62
Q9=P9tgφ=0.62×360=223.2kvar;
变压器损耗计算:
△Pb9=αS9=0.02×423.58=8.47KW;
△Qb9=βS9=0.1×423.58=42.36Kvar;
总负荷：
P9=KP9Σ（P9+△Pb9）=0.75×（360+8.47）=276.35KW;
Q9=KQ9Σ（Q9+△Qb9）=0.75×（223.2+42.36）=199.17Kvar;
（9）所用电：
P10=KxΣPe=0.6×900=540KW;
∵COSφ=0.85,∴tgφ=0.62
Q10=P10tgφ=0.62×540=334.8kvar;
变压器损耗计算:
△Pb10=αS10=0.02×635.37=12.71KW;
△Qb10=βS10=0.1×635.37=63.54Kvar;
总负荷：
P10=KP10Σ（P10+△Pb10）=0.75×（540+12.71）=414.53KW;
Q10=KQ10Σ（Q10+△Qb10）=0.75×（334.8+63.54）=298.76Kvar;
2.2各车间计算负荷一览表
表2-3-各车间计算负荷一览表
序号
用电设备组
有功功率P（KW）
无功功率Q（KVAR）
视在功率S（KVA）
1
机加工车间
1474
1062
1817
2
装配车间
1533
1309
2016
3
配料车间
286
415
504
4
热处理车间
158
294
334
5
锻工车间
372
539
655
6
高压站
656
741
990
7
高压水泵房
517
511
727
8
冷加工车间
200
371
421
9
模具车间
276
199
341
10
所用电
415
299
511
总计
5887
5740
8316
第三章主接线方案及所址选择
企业总降压变电所是由变压器、配电装置、保护及控制设备、测量仪表以及其他附属设备（试验、维修、油处理设备等）及有关建筑物构成的。
同样,它更是工厂接受和分配电能的中枢。
总降压变电所的电气主接线是变电工程的关键部分。
它和电力系统、电气设备的选择和布置，以及供电系统运行的可靠性和经济性等各方面均有密切联系。
因此设计变电所的电气主接线时必须全面分析一些有关的因素，正确处理它们之间的关系。
3.1总降压变电所的电气主接线设计
电气主接线是总降压变电所的主要电路，它明确表示了变电所电能接受和分配的主要关系，是变电所运行、操作的主要依据。
在设计中，主接线的拟定对电气设备选择、配电装置布置、保护和控制测量的设计、建设投资以及变电所运行的可靠性、灵活性及经济性等都有密切关系，所以主接线的选择是供电系统设计中一项综合性的重要环节。
（在三相对称情况下，电气主接线图通常以单线图表示，图上所有电器元件均用同一规定的图形符号表示）
3.2总降压变电所电气主接线方案的确定
综合考虑经济技术指标，决定采用下图所示作为这次设计的电气主接线方案。
总降压变电所的电气主接线方案如图3-1所示:
图3-1总降压变电所的电气主接线图
3.3总降压变电所所址的确定
根据有关规定,站址最好选择在负荷中心,并靠近公路、交通方便。
总降压变电所即高压变配电所的地理布置图如图3-2所示：
总降压变电所车间变电所配电线路
1-机加工车间、2-装配车间、3-配料车间、4-热处理车间、5-锻工车间
6-高压站、7-高压水泵房、8-冷工车间、9-模具车间
图3-2总降压变电所所址
第四章电气设备的选择和校验
4.1短路计算
在企业供电系统中短路电流的计算一般采用近似的方法，首先假定：
（1）供电电源是无限大功率系统。
（2）认为短路回路的元件的电抗为常数。
（3）元件的电阻，一般略去不计，只有在短路电阻中总电阻RΣ大于总电抗的三分之一时才考虑电阻，否则认为zΣ=xΣ。
短路电流按正常运行方式计算的计算电路图如图4-1所示：
图4-1计算电路图
为了选择高压电器设备，整定电气保护，需计算总降压变电所的35KV侧、10KV母线侧以及厂区高压配电线路末端的短路电流.
4.1.1各元件的电抗值计算
设基准容量Sj=100MVA
基准电压Uj1=37KVUj2=10.5KV系统电抗X*xt
地区变电所110KV母线的短路容量Sd为600MVA因此系统电抗标幺值
X*xt=Sj/Sd=100/600=0.17
地区变电所三绕组变压器的高压-中压绕组之间的电抗标幺值
35KV供电线路的电抗：
总降压变电所的主变压器电抗：
4.1.2d1点三相短路电流计算
图4-2等值电路
（1）系统最大运行方式
短路回路总电抗：
按无限大系统计算由公式计算d1点三相短路电流标幺值为：
基准电流为：
d1点三相短路电流的有名值为：
冲击电流：
d1点短路容量：
（2）系统最小运行方式
短路回路总电抗标幺值：
三相短路电流标幺值:
其它计算结果见表4-1：
表4-1-d1点三相短路电流计算结果
项目
（KA）
（KA）
（KA）
（MVA）
计算公式
最大运行方式
2.5
2.5
6.4
160
最小运行方式
1.92
1.92
4.9
122
4.1.3d2点三相短路电流计算
（1）系统最大运行方式
短路回路总电抗:
（2）系统最小运行方式
短路回路总电抗:
基准电流：
表4-2-d2点三相短路电流计算结果
项目
（KA）
（KA）
（KA）
（MVA）
计算公式
最大运行方式
3.18
3.18
8.11
57.8
最小运行方式
2.86
2.86
7.29
52.08
4.2主变压器的选择
4.2.1无功补偿器的容量及型号
功率因数的计算：
COSφ=P/S=5887/8316=0.708;tgφ=0.997。
计算无功补偿容量
根据功率因数考核基准值0.9的要求，应将本站功率因数补偿至0.9。
所以补偿后的功率因数换算为正切值tgφc=0.484。
所以补偿电容值为：
QC=α（tgφ-tgφC）P=0.7×（0.997-0.484）×5887=2114kvar
选用的补偿电容型号及台数：
TBB10.5-1500/25两套
4.2.2主变压器的定型
（1）主变压器容量计算：
（2）主变容量、数量的选择
按照负荷的供电可靠性要求和工厂供电的特点，应选用2台主变。
又根据变压器可带急救负载的特点，最大容量的变压器因故退出运行时，另一台变压器应能承担起全部负荷的70%。
所以：
每台主变的容量S=70%x6914=4839.8KVA。
故选用两台S9-5000/10（6）型变压器作为总降压变电所的主变压器。
4.3电气设备的校验和定型
4.3.1母线选择校验
1、10KV母线选择校验
（1）母线形式确定
由于正常工作时流经母线的电流：
因此应选择矩形铝导体。
（2）母线截面积选择
按经济电流密度选择，Tmax=5000h，铝导体经济电流密度1.15A/mm2，
截面则应选择Sj=Ig/1.15=558.87/1.15=502.04mm2;
本方案按按经济电流密度选择母线型号：
LMY-63×8
（3）热稳定校验：
t取1，70℃时C=87
∴Smin=3180/87=36.55mm2
所选导体截面504mm2>36.7mm2,故满足热稳定条件。
2、35KV母线选择校验
35KV母线采用户外布置，选择软导体较为经济，便于施工。
（1）型式选择
选择钢芯铝绞线。
（2）截面选择
按经济电流密度选择，Tmax=5000h，铝导体经济电流密度1.15A/mm2，
截面则应选择Sj=Ig/1.15=158.60/1.07=137.91mm2;
经查表即选取LGJ-150/8。
（3）截面热稳定校验
∴
S>Smin即满足热稳定要求。
4.3.3隔离开关的选择
（1）35KV隔离开关的选择
要求：
工作电压Ug=35KV；工作电流Ig=156.05A；
根据隔开发展和应用情况，选取隔离开关型式为GW4-35W/630A户外双柱隔离开关。
其铭牌参数如下：
额定工作电压35KV=Ug;额定工作电流630A>Ig;
（2）10KV隔离开关选择
GN19-10C/1000型
其额定工作电压为10KV，满足要求Ig=558.87A额定工作电流1000A>Ig
第五章供电系统的保护
5.1概述
电力设备在运行中可能发生故障和不正常状态。
最常见也是最危险的故障是各种形式的短路。
各种短路会产生大于额定电流几倍到几十倍的短路电流，同时使系统的电压降低。
其后果可能导致烧毁或损坏电气设备，破坏用户工作的连续性、稳定性或影响产品质量，严重者可能破坏电力系统并列运行的稳定性并引起系统振荡，甚至使系统瓦解。
电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏，但并未发生短路故障，这种情况属于不正常运行状态。
例如，设备过负荷、温度过高、小电流接地系统中的单相接地等。
故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故,在电力系统中应采取各种措施消除或减少故障。
当一旦发生故障，必须迅速将故障设备切除，恢复正常运行；而当出现不正常运行状态时，要及时处理，以免引起设备故障。
继电保护装置就是指能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器或发出信号的一种自动装置。
它的基本任务是：
（1）自动、迅速有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证其他部分迅速恢复正常生产，使故障设备免于继续遭到破坏；
（2）反应电气设备的不正常运行状态．可动作于发出信号、减负荷或跳闸，此时一般不要求保护迅速动作，而是带有一定的时限，以保证选择性。
5、2继电保护的要求
考虑继电保护在设计中的作用非常重大，在技术上一定要满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
这四个基本要求有统一的一面，又有互相矛盾的一面。
在考虑保护方案时要统筹兼顾，尽力做到简单经济。
本设计中采用无时限电流速断保护，限时电流速断保护和过电流保护，为保证迅速，可靠而又选择性地切除故障，可将这三种电流保护，根据需要组合在一起构成一整套保护，称为阶段式电流保护。
5、3变压器保护
5.3.1概述
变压器是工厂供电系统中最重要的电气设备。
它的故障将对供电可靠性和正常运行带来严重影响。
变压器故障对发生在油箱内相油箱外。
油箱内的故障包括绕组的相间短路、匝间短路以及铁心烧损等，油箱外的故障主要是套管和引出线上发生短路。
此外还有变压器外部短路引起的过电流等。
变压器的不正常运行状态主要为过负荷和油面降低。
根据以上的故障类型和不正常运行状态，并考虑变压器的容量，在变压器上要装设下列几种保护。
（1）瓦斯保护，
（2）纵（联）差动保护或电流速断保护，
（3）过电流保护，
（4）零序电流保护，
（5）过负荷保护。
5.3.2车间变电所的各分厂变压器保护
（1）瓦斯保护：
防御变压器铁壳内部短路和油面降低。
轻瓦斯动作于信号；重
瓦斯作用于跳闸。
（2）电流速断保护：
防御变压器线圈和引出线的多相短路，动作于跳闸。
（3）过电流保护：
防御外部相间短路并作为瓦斯保护及电流速断保护的后备保
护。
保护动作于跳闸。
（4）过负荷保护：
防御变压器本身的对称过负荷及外部短路引起的过载。
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