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毕业设计变配电系统

黑龙江交通职业技术学院

毕业设计（论文）

题目小区变配电系统分析与设计

专业班级电气化铁道0934班

姓名陈淇乐

年月日

毕业设计（论文）开题报告

题目：

小区变配电系统的分析与设计

1．本课题的来源、选题依据：

本设计是以小区变配电为来源、用《变配电所系统设计》为选题依据设计的一个课题。

2．本课题的设计（研究）意义（相关技术的现状和发展趋势）：

随着经济和电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，小区供电的选型、设计和配置，力求做到运行可靠、方便，经济合理，具有灵活性和安全。

3．本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）：

（可以另附页）内容包括：

主变压器的选择、电气主接线、短路计算、电气设备的选择、无功补偿、配电装置、安全用电、防雷设计等。

主要问题是防雷的分析与设计。

4．文献综述（列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与本课题相关的主要参考要点）：

1、赵大志《高电压技术》北京，中国电力出版社，2004

2、李建民《安全用电》北京，中国铁道出版社，2008

3、伊克宁《变压器设计原理》北京，中国电力出版社，2003

指导教师意见：

指导教师：

年月日

专业部意见：

签字

年月日

中期进展情况检查表

年月日

课题名称

小区变配电系统的分析与设计

学生姓名

陈淇乐

学号

200934049

专业

电气化铁道技术

指导教师

李平

职称

助教

主要研究内容及进展

尚须完成的任务

存在的主要问题及解决措施

指导教师审查意见

专业部审查意见

毕业设计（论文）结题验收

一、完成日期

二、完成质量

三、存在问题

四、结论

指导教师：

年月日

内容提要

随着电力行业的不断发展，人们对电力供应的要求越来越高，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。

然而电网的稳固性、可靠性和持续性往往取决于变电所的合理设计和配置。

一个典型的变电配电系统要求变电设设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。

出于这几方面的考虑，本文设计小区变配电。

该设计选择两台主变压器，其他设备如断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器和继电保护装置等等也按照具体要求进行选型，设计和配置，与合理的防雷设计、安全用电。

力求做到运行可靠，操作简单、方便，经济合理。

具有扩建的可能性和改变运行方式时的灵活性。

使其更加贴合实际，更具现实意义。

关键词：

小区变配电；电气设备的选择；防雷设计；安全用电

变配电系统设计国内外现状

在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远程抄表等系统于一体的配电网管理系统（DMS），其功能多达140余种。

国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉及配电自动化领域，如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国Cooper公司、摩托罗拉公司、英国ABB公司、日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。

日本从20世纪50年代开始在配电线上采用自动隔离故障区，并向健全区（无故障区）恢复送电的按时限自动顺序送电装置；60～70年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置；70年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统；其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用中得到了很大的发展。

到1986年，全日本9个电力公司的41610条配电线（占36.5%）实现了故障后的按时限自动顺序送出，其中2788条（占6.7%）实现了配电线开关（指柱上开关）的远方监控（包括一般的和计算机监控）。

新加坡公用电力局（PUB）在20世纪80年代中期投运并在90年代加以发展和完善的大型配电网的SCADA系统，其规模最初覆盖其220kV配电网的1330个配电所，目前已将网络管理功能扩展到6.6kV配电网，进而覆盖约4000个配电所。

芬兰"EspooSahko"电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的85000个用户，8座110/20kV的一次变电所，1100km的20kV馈电线和1400个20/0.4kV的配电变电所。

从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满足于配电系统自动化所有层次的需要。

在一个配电自动化系统中，往往由多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需求采用合适的通信方式。

目前，国外正致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究，并且在研究通过负荷分配的优化来减少损耗，对变压器负荷进行管理，以最大限度地利用变压器容量并降低系统有功损耗，以及按即时电价对用户负荷进行管理等。

20世纪90年代以来，国内电力系统35kV变电所逐步实现了四遥功能，但规模覆盖变电所自动化、馈线的故障定位与隔离和自动恢复供电、负荷控制、远程自动读表、最低网损、电压、无功优化、配电投资系统、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统，则是近年来才起步的。

上海市供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，第一期工程采用法国施耐德集团生产的PR环网开关柜9台，基本达到了遥控、遥信和遥测的目的，但规模较小，且设备依赖进口，造价高，不便于推广普及。

另外，北京供电局、沈阳电业局等采用进口设备进行了一定规模的尝试。

银川城区配电自动化系统全部采用自行研制的国产设备实现了配电网中30余条进线、几十条馈线和7个开闭所及小区变的全面监控，取得了大量经验，该系统于1998年8月20日通过国家电力公司组织的技术鉴定，达到国内领先水平。

这是我国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统。

二、主变压器的选择

（一）负荷分析

电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度进行分级，并应符合下列规定：

1.一级负荷

（1）中断供电将造成人身伤亡时。

（2）中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。

例如：

重大设备损坏、重大才产品报废、用重要原料盛产的产品大量报废、国民经济重点企业的连续盛产过程被打乱需要长时间才能恢复等。

（3）中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。

例如：

重要交通枢纽、重要宾馆、大型体育场官、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。

在一级负荷中，应视为特别重要的负荷。

2.二级负荷

（1）中断供电将在政治、竞技上造成较大损失时。

例如：

主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。

（2）中断供电将影响重要用电单位的正常工作。

例如：

交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。

3．不属于一级和二级负荷者为三级负荷。

住宅负荷计算

以前，住宅小区用电负荷的计算主要有单位面积法和需要系数法。

Pe=∑K*Pe*N

式中Pe—单位用电指标

各地的计算标准千差万别新的《住宅设计规范》出台后，对各类住宅的用电负荷标准、电表规格、进户线截面都规定了下限值。

很多省、市、自治区也根据此规范并结合本地区情况，出台了地方住宅设计标准，对上述用电指标均作了等同或高于《住宅设计规范》的规定。

根据山东省住宅建筑设计标准（DBJ14-S1-97）第十章的规定每户用电负荷宜按6-8KW设计，按照济南市建委济建设字[2001]14号文件规定对配置标准更为详细的规定，多层及以下一般按6KW/户，中高层及以上按8KW/户，别墅根据实际用电需求设计。

Kx—需要系数，《住宅设计规范》对其取值未作规定，有些地方标准有规定，但是差别较大。

参照《民用建筑电气设计规范》附录c.6的规定取0.3一0.5具体按接在同一相电源上的户数选定:

25户以下取0.45一0.5;25一100户取0.4一0.45:

超过100户取0.3-0.35。

也可以参照《工业与民用配电设计手册》的推荐值。

如表2-1所示：

表2-1

户数141618212425-100125-200260-300

系数0.550.550.50.50.450.450.350.3

注：

1、上表中是指单相配电时接于同一相上的户数，按三相配电时连接的户数应乘以3。

2、住宅的公用照明和公用电力负荷需要系数可按0.8选取。

根据济南市供电公司的相关规定对同时率的取值如下：

400户及以下取0.65，401-800取0.55,801-1600户取0.5，1601-3200户取0.45，3201户以上

4.其他负荷

一般的大型住宅小区都有商业、换热站、地下车库配套公建等其他用电负荷。

对于商业负荷、换热站等要根据实际情况计算。

地下车库要根据其规模大小及实际配置的电气设备来定，根据《工业与民用配电设计手册》民用建筑负荷密度指标，车库的负荷密度为8-15W/平米。

但是许多大型车库实际配置的电气设备大大超过了8-15W/平米。

所以还要根据工程实际情况在此基础上乘以不同的系数。

济南市物价局《关于制定新建住宅小区供电配套工程费标准的通知》，公共建筑按50W配置。

在工程实践中根据实际情况按15-50W/平米进行了配置。

（二）变电所变压器容量、台数、型号选择

1.变压器容量

变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给，变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。

若容量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。

变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，势必增加投资，且影响供电。

总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据，按照5-10年的发展计划来确定。

2.主变压器台数

变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。

按负荷的等级大小来说，对于带一、二级负荷的变电所，当一、耳机负荷较多时，应选两台或者两台以上变压器，如只有少量的一、耳机负荷并且能从相邻的变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。

3.主变压器型号

主变压器的型号选择主要考虑以下因素：

①变电所的所址选择；②建筑物的防火等级；③建筑物的使用功能；④主要用电设备对供电的要求；⑤当地供电部门对变电所的管理体制等。

设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或者非可燃性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火措施。

主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，应采用环氧树脂浇注型或六氟化硫型变压器。

本次论文设计是小区配电设计，假设该小区规划用地是4公顷为别墅型的高档智能化建筑系列，户型分别是A、B1、B2、B3、C型，平均层数为3层，总共是住164户，容积率为0.83。

小区用电分为生活用电（包括居民住宅用电，给排水用电，集中供暖用电）、公共用电和道路照明用电及景观照明用电（包括小区内为主、次干道、广场花园草坪、音乐喷泉、建筑及雕塑等）。

别墅规格150平方米左右250平方米左右300平方米左右

每户容量20KW25KW30KW

因为小区总面积约4万，住户数164户，得到每户所占有面积：

40000/164=243.9m2/户得到的是243.9m/户约=250m2（未除小区的绿化及其它设施所占面积）则初步估算，所以每户容量选用25KW得到总装机容量及Pe=25KW*164户=4100KW。

根据《现代建筑电气设计实用指南》陈元丽主编一书，查表得别墅小区负荷需要系数为Kc=0.6—0.65，COSθ=0.8，Kd=1。

由需要系数法则得：

Kc=0.63COSθ=0.8则tgθ=0.75

所以就有功功率为Pc=Kc*Pe=0.63*4100KW=2583KW

无功功率为Qc=Pc*tgθ=2583KW*0.75=1937.25Kvar

视在功率为Sc=Pc/cosθ=3228.75KVA

当Ur=380v时，工作电流Ic=Sc/1.732Ur=2588.64A

当Ur=220v时，工作电流Ic=Sc/1.732Ur=4496.05A

而对于多组设备的同时负荷计算为：

有功功率同时系数KeP一般为0.85—1，我们求平均得取值0.925。

无功功率同时系数KeQ一般为0.95—1，我们求平均得取值0.975。

所以可根据计算公式得

同时有功功率为：

Pn=Pc*KeP=2583*0.925=2389.28KW

同时无功功率为：

Qn=Qc*KeQ=1937.25*0.975=1888.82Kvar

同时视在功率为：

Sn=Pc/cosθ=3045.7KVA。

而我们在该小区的供配电所采用的是2台1000kva的铜式箱型变压器，可得总装机容量可得总装机容量为2*1000kva=2000KVA，不能达到供电要求，所以可知选择每户装机容量为25KW过大。

按国家建筑的修建标准，得该小区必须有一定的绿化面积，并应达到一定的程度及别墅建筑小区的绿化面积范围是30%-45%才能够符合人们的居住环境，才符合国家的相关规定。

由此按要求我们取小区的绿化率为35%及可以达到规划、居住的要求：

总平面面积约40000m2，绿化率为35%，绿化面积为40000*35%=14000m2。

建筑面积为40000-14000=26000m2，总建筑面积为26000*3=78000m2（三层住宅）

容积率为78000/40000=1.95按标准别墅型住宅每户用电来估算：

则小区建筑面积约2.6万，住户数164户，得到每户所占有面积：

26000平方米/164户=158.54平方米/户，而158.54平方米约等于150平方米，则可以选用20KW每户的用电容量。

得到总装机容量为：

Pe=164户*20KW=3280.00KW,综合楼及总平面装机容量为Pe1=50KW+180KW=230KW

则得到小区总装机容量为Pe2=Pe+Pe1=3280.00KW+230KW=3510.00KW

根据《现代建筑电气设计实用指南》陈元丽主编一书，查表得别墅住宅小区的

负荷需要系数为Kc=0.4—0.46之间，COSθ=0.8，Kd=1。

由小区类型及系统规定

得:

Kc=0.426COSθ=0.8则tgθ=0.75

由需要系数法则得：

Pn=Kc*Pe2=0.426*3510.00KW=1496KW

Qn=Pn*tgθ=1496KW*0.75=1122Kvar

Sn=PN/cosθ=1496KW/0.8=1870KVA

当Ur=380v时，工作电流Ic=Sc/1.732Ur=2588.64

当Ur=220v时，工作电流Ic=Sc/1.732Ur=4496.05

对于多组设备的同时负荷计算为

有功功率同时系数KeP一般为0.85—1，我们求平均得取值0.925。

无功功率同时系数KeQ一般为0.95—1，我们求平均得取值0.975。

所以可根据计算公式得

同时有功功率为：

Pn=Pc*KeP=1496*0.925=1383.8KW

同时无功功率为：

Qn=Qc*KeQ=1122*0.975=1093.95Kvar

同时视在功率为：

Sn=Pc/cosθ=1763.99KVA。

总容量为1763.99KVA，我们选用2相同型号相同规格的变压器得每台需承载的负荷为S1=S2=Sn/2=1763.99KVA/2=881.2<1000KVA则我们选用2台变压器就可以据《现代建筑电气设计实用指南》，查看变压器选型规定，参考箱式变电站变压器的系统参数我们初步选择SCB10-1000KVA的铜芯箱型干式变压器。

验证选择SC10-1000KVA铜芯箱型干式变压器的可行性。

则箱式变压器的功率损耗（有功功率损耗、无功功率损耗），查表得：

容量（kva）有功功率损耗（kw）无功功率损耗（kvar）负载率

1000空载有载空载有载β

△P0△Pk△Q0△Qk

1.85.2711.3425.300.85

所以变压器的有功功率损耗为：

P=△P0+△Pkβ2=1.8+5.27*0.85=5.59kw

变压器的无功功率损耗为：

Q=△Q0+△Qkβ2=11.34+25.30*0.85=29.56Kvar

所以电力系统供电的容量为Pe=3510KW+5.59KW+25.56KW=3541.15KW

则有供功率：

Pc=kc*Pe=0.426*3541.15KW=1508.53KW

无供功率：

Qc=Pc*tgθ=1508.53KW*0.75=1131.40Kvar

视在功率：

Sc==1885.67KVA.

Ur=380v，Ir=SC/1.732Ur=2865A。

则计算电流约为2.87KA，可得2台平均下来

的计算电流为I0=2865A/2=1.422A

因为Sc1=Sc2=Sc/2=1885.67/2=942.5KVA

Sc1=Sc2=942.5KVA<1000KVA

则我们可以选择2台同型号同功率的箱型干式变压器来给该小区供电满足要求。

三、电气主接线

电气主接线（mainelectricalconnectionscheme）按牵引变电所和铁路变、配电所（或发电所）接受（输送）电能和分溜配电能的要求，表征其主要电气设备相互之间连接关系的总电路。

通常以单线图表示。

电气主接线中表示的主要电气设备有电力变压器、发电机、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、接地装置以及各种无功补偿装置等。

常用的主接线形式有:

单母线接线、单母线分段接线、单母线分段带旁路母线接线、桥形接线和双T形（或T形）分支接线等。

电气主接线包括从电源进线侧到各级负荷电压侧的全部一次接线，有时还包括各类变、配电所（或发电所）的自用电部分，后者常称作自用电接线。

主要功能电气主接线反映了牵引变电所和铁路变、配电所（发电所）的基本结构和功能。

在运行中，它表明本变电所（发电所）与高压电网、馈电线的连接方式以及相关一次设备的运行方式，成为调度控制和设备实际操作的依据；同时，电气主接线对牵引供电和铁路电力供电系统运行的可能性、电能质量、经济性和操作灵活性起着决定性作用；在设计中，电气主接线对变电所（发电所）电气设备选择、配电装置布置、继电保护方式及其配置与整定计算、自动装置和控制方式选择都有重大影响，因此，电气主接线及其组成的电气设备，是牵引变电所和铁路变、配电所（发电所）的主体部分。

（一）对电气主接线的基本要求和原则

1.电气主接线应满足的要求要求

（1）牵引变电所、铁路变电所电气主接应综合考虑电源进线情况（有无穿越通过）、负荷重要程度、主变压器容量和台数，以及进线和馈出线回路数量、断路器备用方式和电气设备特点等条件确定，并具有相应的安全可靠性、运行灵活和经济性。

（2）具有一级电力负荷的牵引变电所，向运输生产、安全环卫等一级电力负荷供电的铁路变电所，城市轨道交通降压变电所（见电力负荷、电力牵引负荷）应有两回路相互独立的电源进线，每路电源进线应能保证对全部负荷的供电。

没有一级电力负荷的铁路变、配电所，应有一回路可靠的进线电源，有条件时宜设置两回路进线电源。

（3）主变压器的台数和容量能满足规划期间供电负荷的需要，并能满足当变压器故障或检修时供电负荷的需要。

在三相交流牵引变电所和铁路变电所中，当出现三级电压且中压或低压侧负荷超过变压器额定容量的15%时，通常应彩三绕组变压器为主变压器。

（4）按电力系统无功功率就地平衡的要求，交流牵引变电所和铁路变、配电所需分层次装设并联电容补偿设备与相应主接线配电单元。

为改善注入电力统的谐波含量，交流牵引变电所牵引电压侧母线，还需要考虑接入无功、谐波综合并联补偿装置回路（见并联综合补偿装置）。

对于直流制干线电气化铁路，为减轻直流12相脉动电压牵引网负荷对沿线平行通信线路的干扰影响，需在牵引变电所直流正、负母线间设置550Hz、650Hz等谐波的并联滤波回路。

（5）电源进（出）线电压等级及其回路数、断路器备用方式和检修周期，对电气主接线形式的选择有重大影响。

当交、直流牵引变电所35kV～220kV电压的电源进线为两回路时，宜采用双T形分支接线或桥型接线的主接线，当进（出）线不超过四回路及以上时，可采用单母线或分段单母线的主接线；进（出）线为四回路及以上时，宜采用带旁路母线的分段单线线主接线。

对于有两路电源并联运行的6kV～10kV铁路地区变、配电所，宜采用带断路器分段的单母线接线；电源进线为一主一备时，分段开关可采用隔离开关。

无地方电源的铁路（站、段）发电所，装机容量一般在2000kV•A以下，额定电压定为400V或6.3kV，其电气主接线宜采用单母线或隔离开关分段的单母线接线。

　　⑥交、直流牵引变电所牵引负荷侧电气接线形式，应根据主变压器类型（单相、三相或其他）及数量、断路器或直流快速开关类型和备用方式、馈线数目和线路的年运输量或者客流量因素确定。

一般宜采用单母线分段的接线，当馈线数在四回路以上时，应采用单母线分段带旁路母线的接线。

2.电气主接线的原则

（1）考虑变电所在电力系统中的地位和作用：

变电所在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。

变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于他们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。

（2）考虑近期和元气的发展规模：

变电所主接线设计应根据5-10年电力系统发展规划金星。

应根据负荷的大小和分布、负荷增长速度遗迹地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

（3）考虑负荷的中邀请分级和出线回数多少对主接线的影响对遗迹负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电：

对耳机负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电。

三级负荷一般只需要一个电源供电。

（4）考虑主变台数对主接线的影响变电所主变的容量与台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。

通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性的要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。

而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性要求低。

（5）考虑备用容量的无有和大小对主接线的影响：

发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电、适应负荷突增、设备检修、鼓掌停运的情况下应急要求。

电器主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同。

例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路，变压器厅停运；当线路故障时允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。

（二）电气主接线设计

主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种形式，分为两大类：

有汇流母线的接线形式、无汇流母线的接线形式。

变电所电气主接线的基本环节是电源、母线和出现。

各个变电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。

在进出线数较多时（一般超过4回），为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，增多。

无汇流母线的接线使