机械厂降压变电所的电气设计.docx

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机械厂降压变电所的电气设计

山东理工大学

供配电实用技术课程设计任务书

设计题目：

某机械厂降压变电所的电气设计

电气与电子工程学院

i、设计题目

某机械厂降压变电所的电气设计

二、设计要求

要求根据本厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量，选择变电所主接线方案及高低压设备与进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地装置。

最后按要求写出设计说明书，绘制设计图纸。

三、设计依据

1）工厂负荷情况：

本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用时数为4000h，日最大负荷持续时间为4h。

该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属于二级负荷外，其余为三级负荷。

低压动力设备均为三相，额定电压为380V。

照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。

本厂的负荷统计资料如图所示。

2）供电电源情况：

按照工厂与当地供电部门签订的供用协议规定，本厂可由附近一条10kV的公用电源干线取得工作电源。

该干线的走向参考工厂总平面图。

该干线的导线型号为LGJ-95,导线为等边三角形排列，线距为1m,干线首端距本厂8km，该干线首端所装高压断路器的断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，其定时限过电流保护整定的动作时间为。

为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压或低压联络线由邻近的单位取得备用电源。

已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度达150km，电

缆线路总长度25km。

3）气象资料：

本厂所在地区的年最高气温为38C,年平均气温为23C,年最低气温为15C,年最热月平均最高气温为32C,年最热月平均气温为28C,年最热月地下处平均气温为21C。

年主导风向为东北风，年雷暴日数为12。

4）地质水文资料：

本厂所在地区平均海拔120m地层为沙粘土为主，地下水位为3m

5）电费制度：

本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按照两部电费制度缴纳电费。

每月基本电费按主变压器容量为4元/kVA，动力电费为元/kWh,照明电费为元/kWh。

本厂最大负荷时的功率因数不得低于。

6）工厂总平面图见下图：

工厂负荷统计资料表:

序号

用电名称

负荷性质

设备容量kW

需要系数

功率因数

铸造车间

动力

230

照明

锻压车间

动力

300

照明

金工车间

动力

240

照明

工具车间

动力

200

照明

电镀车间

动力

320

照明

热处理车间

动力

180

照明

装配车间

动力

120

照明

机修车间

动力

130

照明

锅炉房

动力

照明

仓库

动力

照明

宿舍

200

总平面图

区厂

比例I；2000

四、设计任务

要求在规定的时间内完成下列工作量：

1设计说明书包含：

1）目录

2）前言

3）负荷计算和无功功率补偿

4）变电所位置和型式的选择

5）变电所主变压器台数和容量及主接线方案的确定

6）短路电流计算

7）变电所一次设备的选择与校验

8）变电所所址选择及平面布置图（不画剖面图）

9）专题：

变压器继电保护整定计算（或防雷选择与计算）

10）参考文献

2、设计图纸

变电所主接线图一张A3,

五、设计时间

2011年11月1日至2011年12月9日

六、考核方法

成绩按五级考核，分为优、良、中、及格和不及格。

成绩包括：

设计说明书50分

图纸20分

答辩30分

其他没有说明的事情可根据具体情况处理。

指导教师：

邓洪伟

2011年11月1日

前言

为使工厂供电工作很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，本设计在大量收集资料，并对原始资料进行分析后，做出35kV变电所及变电系统电气部分的选择和设计，使其达到以下基本要求：

1安全在电能的供应、分配和使用中，不发生人身事故和设备事故。

2、可靠满足电能用户对供电可靠性的要求。

3、优质满足电能用户对电压和频率等质量的要求

4、经济供电系统的投资少，运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

此外，在供电工作中，又合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，顾全大局，适应发展。

按照国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50059-92《35~110kV变电所设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等的规定，工厂供电设计遵循以下原则：

1、遵守规程、执行政策；

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；

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、能耗低和性能先进电气产品。

3、近期为主、考虑发展；

根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，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到工厂的生产及发展。

负荷计算和无功功率补偿

1•负荷计算

负荷计算在负荷计算时，采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部

分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。

单组用电设备计算负荷的计算式

有功计算负荷PPeKd

无功计算负荷Qptan

视在计算负荷S

计算电流I

cos

V3Un

Sj.Pj2Qj2

运用公式对各车间进行负荷计算如下表。

表1工厂负荷计算表

序

号

用电

名称

负荷

性质

设备

容量

需要

系数

功率因

数©

tan©

计算负荷

P3c/kw

Q30/kvar

S3c/kvar

130/A

铸造

车间

动力

230

照明

锻压

车间

动力

300

150

228

照明

金工

车间

动力

240

120

182

照明

工具

车间

动力

200

100

照明

电镀车间

动力

320

160

照明

热处理车间

动力

180

照明

装配

动力

120

车间

照明

机修

车间

动力

130

照明

锅炉

房

动力

照明

仓库

动力

照明

宿舍

200

140

合计

1227

1865

有功负荷同时系数

取kP°・95

无功负荷同时系数

取kq0.95

809

762

1111

1688

说明：

考虑到发展性原则以及安全性原则，本表中所有需要系数均取最大值，所有功率因数均取最小值。

变压器损耗估算

△Pb=1%S0=xi11仁

△Qb=5%l30=Xl688=

2无功功率补偿

由表1可知，该厂380V侧最大负荷是的功率因数只有.而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷是功率因数不应该低于。

考虑到变压器的无功功率损耗△Qb远远大于

有功功率损耗△Pb因此，在变压器的10kV侧进行无功功率补偿时，其补偿后的功率因素应稍大于，现设cos©=则

10kV侧在补偿前的功率因素为

COS1p30/S30

=809/1111=

因此，所需要的补偿容量为：

QcP30（tg1tg2）

809（tgarccos0.728tgarccos0.97）

559kvar

选取Qc410kvar选并联电容器为一14—3型，总共容量14kvar40=560kvar。

10kV侧在补偿后的负荷及功率因素计算：

Pjg

F30Pb809

11.11820.11kW

Qjg

Q30QbQc

76284.4560

286.4kvar

Sjg

.Pjg2Qjg2

•22

820.11286.4

8687Kva

cos

2Pjg/Sjg

因此无功功率补偿后工厂380V侧和10V侧的负荷计算如表2

表2无功功率补偿后工厂的计算负荷

项目

380V侧补偿前负

荷

计算负荷

80976211111688

cos©P30/kwQ30/kvarS30/kvaI30/A

容量

380V侧补偿后负

荷8092028341267

主变压器功率损

耗

10KV侧负荷总计

二、变电所位置和型式的选择

本处虽然老师给出了负荷中心的位置，但是由于负荷中心与工厂的所有车间都隔着一条大街，而且，变电所属于易燃易爆场所，应该远离宿舍区域。

最后，变电所在厂区外不便于管理，故我选择靠近负荷中心的位置车间1与车间4车间5之间的位置，大致符合变电所选址标准：

（1）尽量靠近负荷中心。

（2）进出线方便（靠近工厂外围）。

（3）接近电源侧。

（4）设备运输方便（靠近工厂大门）。

（5）工厂厂区常年东北风。

变电所选取在东北方位，处于上风头，不会有太多的杂质积聚。

（6）不靠近厕所浴室。

变电所位置如下图图一

公共电源干线^1_^9—

工厂宿舍区

邻厂

北

街

厂门

某机械厂总平面图

比例1:

2000

低压配r..

电所

、—r"

厂区

厂门

负荷中心

□

图一

变电所主变压器和主结线方案的选择

1.变电所主变压器选择

根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器可有下列两种方案：

（1）装设一台主变压器型式采用S9系列的，选=100KVA>S30=，即选一台S9-100/10（6）型低损耗配电变压器。

至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的低压联

络线来承担。

（2）装设两台主变压器型号采用S9系列的变压器，而每台容量为：

Sn.t（060.7）868.7kva（520:

608）

Sn.tS30（）（13216044.4）kar336.4kar

因此选每台台变压器的容量为630kar

因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。

工厂二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的低压联络线承担。

主变压器的联结组别均采用Y,yn0o

2.变压器主结线方案的选择

按上面考虑的两种主变压器的方案可设计下列两种主结线方案：

（1）装设一台主变压器的主结线方案如图1

（2）装设两台主变压器的主结线方案如图2

S9-800

10/0.4KV

装设一台主变的主结线方案

装设两台主变的主结线方案

变压所主接线图如下图:

变配电所总体布置如下:

10KV

电源进线

高低压侧均为单母线分段的变电所主接线图

4800

3000

oa9

NO."

NO.

201

202

203

204

205

206

207

低压配电室

室内型，两台变压器

（3）两种主结线方案的技术经济比较

表3两种主结线方案的技术经济比较

厂比较项目

装设一台主变的方案

装设两台主变的方案

技术

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

由于一台主变电压损耗大

两台并联，电压损耗略小

灵活方便性

只一台主变，灵活性稍差

灵活性较好

扩建适应性

稍差一些几乎不能再扩建

更好一些

经济

投资金额

投资低

投资咼

从上表可以看出，装设两台主变的主结线方案略优于装设一台主变的主结线方案,装设一台主变的方案不能满足发展的需要，因此决定采用装设两台主变的方案。

四•变电所短路电流的计算

绘制短路计算电路

1.确定短路计算基准值

设Sd100MVA，UdU

1.05Un，即高压侧Udi10.5kV，低压侧Ud20.4kV，

则

Id2

Sd100MVA

-3Udi310.5kV

5.5kA

1di

100MVA

.30.4kV

144kA

2.计算短路电路中各元件的电抗标幺值

（1）电力系统已知Soc=500MVA故

X1100MVA：

'500MVA0.2

（2）架空线路LGJ-95的X0=,而线路长6km故

X；0.3662.16

（3）电力变压器查表2-8，得Uz%=4.5，故

4.5100MVA

100630kVA

7.1

因此绘短路计算等效电路如图所示

1/0.2

侧三相短路电流和短路容量

（1）

总电抗标幺值

X（k1）X1X2

0.22.162.36

（2）

三相短路电流周期分量有效值

丨d1

X（k1）

型2.33kA

2.36

（3）

其他短路电流

"⑶

⑶⑶

I（k

1）

2.33kA

⑶

ish

2.55I

”⑶

2.552.33kA5.94kA

I⑶

1.51I

"（3）

1.512.33kA3.52kA

（4）三相短路容量

sk3））

100MVA

X（ki）

2.36

42.37MVA

（1）

4.380KV侧三相短路电流和短路容量总电抗标幺值

X（k2）X1X2

0.22.163.555.91

（2）

三相短路电流周期分量有效值

Id2

X（k2）

叱24.37kA

5.91

（3）

其他短路电流

l"（3）I

⑶I；：

、24.37kA

⑶

1.841"⑶

1.8424.37kA

44.84kA

⑶sh

1.09I''（3）

1.0924.37kA

26.56kA

（4）

三相短路容量

&3）Sk2

X（k2）

空MVA16.9MVA

5.91

以上计算结果综合如表

表短路的计算结果

短路计算点

三相短路电流/kA

三相短路

容量/MVA

Ik3）

I"（3）

I⑶

■（3）

ish

Is?

k-1

k-2

五变电所一次设备的选择校验

1.10kV侧一次设备的选择校验如表所示。

表510kV侧一次设备的选择校验

压电

流电

流力断能

稳度动定

稳度热定

他其

装

数

参

⑶K

数参定额

一次设备型号规格

高压少油断路器

SN10-10I/630

10kV

630A

16kA

40Ka

512

咼压隔离开关

GN-10/200

10kV

200A

500

高压熔断器

RN2-10/

10kV

50kA

电压互感器

JDJ-10

10/

电流互感器

LQJ-10

10Kv

100/5A

二次负

荷Q

避雷器FS4-10

10kV

户外式高压隔离开关

GW4-15G/200

12kV

400A

25Kv

500

表5所选一次设备均满足要求

2.380V侧一次设备的选择校验如表6所示。

表6380V侧一次设备的选择校验

压电

流电

流力断能

稳度动定

稳度热定

他其

装

数

参

⑶K

⑶ss

2⑶

一次设备型号规格

数参定额

kAO

器感流电

表6所选一次设备均满足要求。

六变电所进出线的选择

1.10kV高压进线的选择

（1）10kV高压进线的选择校验

采用LJ-50型铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。

1）按发热条件选择由I30Iint50.2A及室外环境温度30C，初选LJ-16，其30摄氏度时的lai99I30满足发热条件。

2）校验机械强度查表得最小允许截面Amin35mm2，因此按发热条件选择的

LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-50o

由于此线路很短，不需校验电压损耗。

3）校验短路热稳定按式cM计算满足短路热稳定的最小截面

（3）-tima2

Aminl——2330mm34.4mmA50mm

C87

式中C值由附表7查得；tma按终端变电所保护动作时间，加断路器断路时间，再加计，

故ot^a1占5

因此LJ50-350电缆满足短路热稳定条件。

2.380V低压出线的选择

由于本设计中含有十个车间外加一个工厂，众多线路校验比较麻烦，而且各个工厂功率

相近，再考虑到发展性原则，为方便各个车间以后扩建，所以，本处只校验5号车间电

镀车间进行选线。

（1）馈电给5号车间（铸造车间）的线路采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

1）按发热条件选择由I30354.6A及地下土壤温度25C，查表，初选芯线截面

185mm2，其1引540A130，满足发热条件。

2）校验电压损耗由图所示工厂平面图量得变电所至5号厂房距离约为30m，

而查得185mm2的铜芯绝缘导线Ro0.12/km（按缆芯工作温度65度），X=.km，又

5号厂房的P30164.8kW，Q30163.2kvar，因此按式UPR—q—得：

,164.8kW（0.12*0.03）163.2kW（0.180.03）小“，

U3.88V

0.38kV

3.88V

U%100%1%Ual%5%

380V

故满足允许电压损耗的要求。

3）短路热稳定度校验按式cM计算满足短路热稳定的最小截面

AminI⑶—24370^^mm2279.5mm2

112

由于前面按发热条件所选185mm2的缆心截面小于Amin，所以满不足短路热稳定要求,故选芯截面为300mm2的线，即选BLX-300型橡皮绝缘铜线.

所以所有车间和宿舍区选用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

表变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格

线路名称

导线或电缆的型号规格

10kV电源进线

LJ-50铝绞线（三相三线架空）

380

低压出线

至1号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至2号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至3号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至4号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至5号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至6号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至7号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至8号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至9号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至10号厂房

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

至生活区

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

与邻近单位380V联络线

采用BLX-300型橡皮绝缘铜线直接埋地敷设。

七变压所的防雷保护

1.防雷装置意义

雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。

下面分情况对防雷装置进行选择。

2.直击雷的防治

根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击雷保护装置。

在

进线段的1km长度内进行直击雷保护。

防直击雷的常用设备为避雷针。

所选用的避雷器:

接闪器采用直径10mm的圆钢；引下线采用直径6mm的圆钢；接地体采用三根长的

50mm50mm5mm的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。

3.雷电侵入波保护

由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。

对变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置内安放阀式避雷器。

4.变电所公共接地装置的设计

（1）接地电阻的要求本变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件：

Re4

且

r120V120V

Re4.4

Ie27

式中

10（803525）

lEA27A

350

因此公共接地装置接地电阻应满足Re4

（2）接地装置的设计

米用长、50mm的镀锌钢管数，按式（）计

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