10至038kV变电所设计.docx
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10至038kV变电所设计
任务书
一、设计原始资料
1．供电电源：
由上级变电所以两路10kV电缆供电，长度为200m，已知上级母线短路容量为80MVA，继电保护动作时间不大于1.5秒。
2．负荷资料见附表。
3．气象、土壤资料按**地区考虑。
二、设计天数及进度安排
天数
工作内容
1
负荷计算、变压器选择、一次主接线设计
1
短路电流计算
2
选择高低压设备；设计高低压开关柜排列图
1
进出线导线选择
1
平面布置图设计
2
制图、整理说明书
1
答辩、考核
附表：
**经济学院10/0.38kV变电所380V负荷资料
序号
负荷名称
容量（kW）
备注
照明负荷
1
A楼照明
60
2
B、C、D、E楼照明
60
3
F楼照明
60
4
1#、6#、7#楼照明
70
5
家属楼照明
160
两路
6
2#楼食堂、锅炉房照明
120
7
照明备用
80
两路
动力负荷
1
食堂、锅炉房动力
100
2
A楼动力
75
3
D、E楼动力
80
4
F楼动力
40
5
1#、7#木工房动力
180
6
C楼动力
160
要求：
动力、照明分开计量；功率因数为0.85，需补偿至0.9。
第1章负荷计算
1.1计算负荷的定义
计算负荷是根据已知的电力用户的用电设备安装容量确定的预期不变的最大假想负荷。
计算负荷是确定供配电系统、选择变压器容量、导线截面、开关电器和互感器等额定参数的重要依据。
1.2变电所的负荷计算
1.2.1变电所负荷统计
对**经济学院的负荷统计可从任务书附表中查得，见表11。
表11**经济学院10/0.38kV变电所380V负荷资料
序号
负荷名称
容量（kW）
备注
照明负荷
1
A楼照明
60
2
B、C、D、E楼照明
60
3
F楼照明
60
4
1#、6#、7#楼照明
70
5
家属楼照明
160
两路
6
2#楼食堂、锅炉房照明
120
7
照明备用
80
两路
动力负荷
1
食堂、锅炉房动力
100
2
A楼动力
75
3
D、E楼动力
80
4
F楼动力
40
5
1#、7#木工房动力
180
6
C楼动力
160
1.2.2变电所负荷计算
在本次变电所设计中采用需要系数法，需要系数考虑了以下因素，即
为了简化计算，在此例中，认为上表中所有数据都是已考虑过Kd，这样计算负荷只需考虑功率角就行了。
且在此例中，不管照明负荷还是动力负荷，都有cosϕ＝0.85，可求得ϕ=31.79°，因此sinϕ=0.53，tanϕ=0.62。
（1）A楼照明
Pca1=60kW
Qca1=Pca1*tanϕ=60*0.62=37.2kvar
Sca1=Pca1/cosϕ=60/0.85=70.6kVA
（2）B、C、D、E楼照明
Pca2=60kW
Qca2=Pca2*tanϕ=60*0.62=37.2kvar
Sca2=Pca2/cosϕ=60/0.85=70.6kVA
（3）F楼照明
Pca3=60kW
Qca3=Pca3*tanϕ=60*0.62=37.2kvar
Sca3=Pca3/cosϕ=60/0.85=70.6kVA
（4）1#、6#、7#楼照明
Pca4=70kW
Qca4=Pca4*tanϕ=70*0.62=43.4kvar
Sca4=Pca4/cosϕ=70/0.85=82.4kVA
（5）家属楼照明
Pca5=160kW
Qca5=Pca5*tanϕ=160*0.62=99.2kvar
Sca5=Pca5/cosϕ=160/0.85=188.2kVA
（6）2#楼食堂、锅炉房照明
Pca6=120kW
Qca6=Pca6*tanϕ=120*0.62=74.4kvar
Sca6=Pca6/cosϕ=120/0.85=141.2kVA
（7）照明备用
Pca7=80kW
Qca7=Pca7*tanϕ=80*0.62=49.6kvar
Sca7=Pca7/cosϕ=80/0.85=94.1kVA
（8）食堂、锅炉房动力
Pca8=100kW
Qca8=Pca8*tanϕ=100*0.62=62kvar
Sca8=Pca8/cosϕ=100/0.85=117.6VA
（9）A楼动力
Pca9=75kW
Qca9=Pca9*tanϕ=75*0.62=46.5kvar
Sca9=Pca9/cosϕ=75/0.85=88.2kVA
（10）D、E楼动力
Pca10=80kW
Qca10=Pca10*tanϕ=80*0.62=49.6kvar
Sca10=Pca10/cosϕ=80/0.85=94.1kVA
（11）F楼动力
Pca11=40kW
Qca11=Pca11*tanϕ=40*0.62=24.8kvar
Sca11=Pca11/cosϕ=40/0.85=47.1kVA
（12）1#、7#、木工房动力
Pca12=180kW
Qca12=Pca12*tanϕ=180*0.62=111.6kvar
Sca12=Pca12/cosϕ=180/0.85=211.8kVA
（13）C楼动力
Pca13=160kW
Qca13=Pca13*tanϕ=160*0.62=99.2kvar
Sca13=Pca13/cosϕ=160/0.85=188.2kVA
接下来，计算变电所低压母线上的总计算负荷，将低压母线上各负荷相加后，乘以最大负荷同时系数（取K∑=0.9）。
Pca∑=K∑（∑Pca-Pca7）=0.9*（1245-80）=1048.5kW
Qca∑=Pca∑*tanϕ=1048.5*0.62=650.1kvar
无功补偿部分采用长江电气股份有限公司生产的自动电容补偿柜，补偿至功率因数达到0.9的。
QC=Qca∑-Pca∑*tan（arcos（0.9））=142.3kvar
Pca=Pca∑=1048.5kW
Qca=Qca∑-QC=650.1-142.3=507.8kvar
Sca=Pca/0.9=1165kVA
结合上面的计算，得出该变电所的计算负荷表，见表12。
表12计算负荷表
序号
负荷名称
Pca（kW）
Qca（kvar）
Sca（kVA）
1
A楼照明
60
37.2
70.6
2
B、C、D、E楼照明
60
37.2
70.6
3
F楼照明
60
37.2
70.6
4
1#、6#、7#楼照明
70
43.4
82.4
5
家属楼照明
160
99.2
188.2
6
2#楼食堂、锅炉房照明
120
74.4
141.2
7
照明备用
80
49.6
94.1
8
食堂、锅炉房动力
100
62
117.6
9
A楼动力
75
46.5
88.2
10
D、E楼动力
80
49.6
94.1
11
F楼动力
40
24.8
47.1
12
1#、7#木工房动力
180
111.6
211.8
13
C楼动力
160
99.2
188.2
总计（不含备用）
取K∑=0.9
1048.5
650.1
1233.7
自动补偿后
1048.5
507.8
1165
第2章电气主接线方案的设计
2.1变压器的选择
2.1.1变压器选择的原则
（1）变压器类型的选择
一般正常环境的变电所，可选用油浸式变压器。
在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器安全运行的场所，应选用防尘型或者防腐型变压器。
多层或高层主体建筑内变电所，宜选用干式变压器。
（2）变压器台数的选择
变压器台数选择依据以下原则：
a）为满足负荷对供电可靠性的要求，根据负荷等级确定变压器的台数，对具有大量一、二级负荷或只有大量二级负荷，宜采用两台及以上变压器，当一台故障或检修时，另一台仍能正常工作。
a）负荷容量大而集中时，虽然负荷只有三级负荷，也可以采用两台及以上的变压器。
b）对于季节负荷或昼夜负荷变化比较大时，从供电的经济性角度考虑；为了方便、灵活地投切变压器，也可以选择两台变压器。
（3）变压器容量的选择
变压器容量的选择要考虑负荷将来可能增加和改造的可能性，必要时最好留有一定的富余。
装有两台主变压器的变电所，每台主变压器的容量应不小于总的计算负荷的60%，一般选取70%，即
SNT≈0.7Sca
同时，每台主变压器的容量应不小于全部一、二级负荷之和，即
SNT≥Sca（I+II）
（4）变压器连接方式的选择
将变压器三相连接起来的方法称为变压器的连接方式，最基本的连接方式是星形连接（Y）和三角连接（△）。
三相负荷基本平衡，其低压中性线电流不致超过低压绕组额定电流25%。
且供电系统中谐波干扰不甚严重时，三相配电变压器的连接组可选Yyn0。
当由单相不平衡负荷引起的中性线电流超过变压器低压绕组额定电流的25%时，或供电系统中存在较大的“谐波源”、高次谐波电流比较突出时，三相配电变压器的连接组可选Dyn11。
2.1.2本方案中主变压器的选择
在本次的设计任务中，该变电所安排在室内，可以干式变压器，例如环氧树脂浇注干式变压器。
同时，尽管没有一、二级负荷，但三级负荷容量较大且较为集中，选用两台变压器。
容量方面，可算得SNT≈0.7Sca=0.7*1165=815.5kVA，考虑到要留一定的富余，所以可以选用容量为1000kVA的变压器。
在本次设计任务中，三相负荷基本平衡，没有特殊的谐波源，变压器的连接方式可以选择为Yyn0。
综合以上考虑，通过查阅资料，确定选用SCB10-1000/10型号的变压器，主要技术指标见表21。
表21主变压器的技术指标
型号
P0（W）
Pk75℃（W）
UK%
I0
SCB10-1000/10
1770
7100
6
0.4
2.2电气主接线方案的设计
2.2.1主接线的基本要求
电气主接线设计的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策技术规定、标准为准绳，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能地节省投资，就近取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
常用的10kV部分的接线方式有以下几种：
a）单母线分段：
接线灵活、可靠性高，经济性差
b）内桥接线：
多用于线路经常切换的场合，开关柜闭锁繁琐，很少采用
c）外桥接线：
多用于变压器经常切换的场合，开关柜闭锁繁琐，很少采用
d）线变组：
可靠性低，经济性能高
0.4kV部分，通常采用单母线分段的接线方式。
该接线方式具有接线灵活、可靠性高的优点，同时经济性相对较差。
2.2.2本次设计接线方式的选取
本次的设计方案中，低压侧选取单母线分段的方式，这样当一台变压器故障或检修时，通过母联柜连接，另一台变压器可以带起所有低压负荷，有效提高了供电的可靠性。
低压侧单母线分段的连接方式有效提高了供电的可靠性，高压侧可以选择成本相对较低、连接方便的线变组连接方式。
具体的主接线连接图见附图1。
第3章短路电流的计算
3.1短路电流的原因、危害、计算的目的
3.1.1短路的原因
所谓“短路”，是指电力系统中一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。
引起短路故障的原因主要有以下三个方面：
a）电气绝缘损坏
b）运行人员误操作
c）其他因素
3.1.2短路的危害
发生短路时，短路回路的总阻抗很小，因此短路电流很大，其数值通常都是正常电流的十几倍，甚至几十倍，如此大的短路电流对电力系统将产生极大的危害，例如：
b）短路电流的热效应使设备急剧发热，持续时间过长就可能导致设备过热损坏；
c）短路电流产生很大的电动力，可能使设备永久变形或严重损坏；
d）短路时系统电压大幅度下降，严重影响用户的正常工作；
e）短路情况严重时，可能使电力系统的运行失去稳定，造成电力系统解列，甚至崩溃，引起大面积停电；
f）不对称短路产生的不平衡磁场，会对附近的通信系统及弱电设备产生电磁干扰，影响其正常工作。
3.1.3短路电流计算的目的
短路电流计算是供配电系统设计与运行的基础，主要用于解决以下问题：
a）选择和校验各种电气设备，例如断路器、互感器、电抗器、母线等；
b）合理配置继电保护和自动装置；
c）作为选择和评价电气主接线方案的依据。
3.2高压侧电网三相短路电流计算
3.2.1无限大系统的计算方法
实际的电力系统的容量总是有限的，所谓无穷大容量只是一个相对概念，指电源系统的容量相对于用户容量大得多，在发生三相短路时电源系统的阻抗远远小于短路回路的总阻抗，以致无论用户负荷如何变化甚至发生短路，系统的母线电压都能基本维持不变。
在工程计算中，当电源系统的阻抗不大于短路回路总阻抗的5%~10%，或者电源系统的容量超过用户容量的50倍时，可将其视为无穷大容量电源系统。
在实际短路电流计算中，取元件所在电压等级的平均额定电压为基准电压，并可以近似认为电气设备（除电抗器外）的额定电压与所在电压等级的平均额定电压相等。
这样对于多电压级电路，各元件阻抗标幺值无需进行电压换算。
这也是在多电压等级短路电流计算中，采用标幺值比有名值的优越之处。
3.2.2短路回路各元件的阻抗计算
短路计算时，首先要根据原始数据计算短路回路中各元件的阻抗及短路回路中的总阻抗。
设基准功率为SB，取元件所在电压级的平均额定电压Uav为基准电压UB。
（1）外部大容量电力系统
对于无穷大容量电源系统，无论用户负荷如何变化甚至发生短路，系统的母线电压都能基本维持不变。
已知系统容量很大和系统中某一点的短路次暂态功率S’’，此时可将系统视为无穷大容量电源系统，即SS＝∞，系统的电抗基准标幺值为
（2）变压器
产品样本中给出变压器额定容量SNT（MVA）、短路电压百分值Uk%（即阻抗额定相对值的百分数），在高压侧电网的短路电流实用计算中，可以近似忽略电阻，则XT≈ZT。
由此可得，变压器的电抗基准标幺值为
（3）线路
线路阻抗有名值可以根据线路总长度及单位长度的阻抗求得，相应可求出线路电抗的标幺值为
（4）本设计方案中的阻抗计算
本设计方案中，为了计算方便，设SB＝10MVA，UB＝Uav，计算各元件的电抗标幺值如下：
电源
线路L1及L2
变压器T1及T2
3.2.3短路电流的计算
（1）单母线分段，高压侧短路
正常运行时，可算得k点基准电流为
则k点短路时，等效电路图如下
此时，短路回路总阻抗为
三相短路电流周期分量有效值（次暂态值）为
短路电流冲击值为
次暂态短路功率为
（2）单母线分段，低压侧短路
正常运行时，可算得k点基准电流为
则k点短路时，等效电路图如下
此时，短路回路总阻抗为
三相短路电流周期分量有效值（次暂态值）为
短路电流冲击值为
次暂态短路功率为
（3）单母线连接
母联断路器闭合时，为一个变压器带全部负荷的情况。
此时如果高压侧短路，情况与之前单母线分段时高压侧短路一致，而如果低压侧短路，情况与单母线分段时低压侧短路一致，因此不必再单独进行短路计算。
综上所述，我们可以得到在这几种情况下，高压侧三相短路的计算电流的值，并得到下面这张表31。
表31高压短路计算电流
运行方式
短路点
短路电流次暂态值
I’’（kA）
短路电流冲击值
ish（kA）
次暂态功率
S’’（MVA）
单母线连接
高压侧
4.35
11.09
79.11
低压侧
19.87
36.56
13.77
单母线分段
高压侧
4.35
11.09
79.11
低压侧
19.87
36.56
13.77
第4章主要电气设备的选择
4.1高压侧设备选取
4.1.1高压侧负荷计算
变压器的有功功率损耗与无功损耗按经验公式可取得
高压侧的有功功率
高压侧的无功功率
高压侧的视在功率
高压侧的最大长期工作电流为
4.1.2高压开关柜的选取
根据之前的计算以及**地区的外界环境，在高压侧选用江苏长江电器股份有限公司生产的8BK86（KYN18E-12）型开关柜配中置式手车，中置式手车选用的开关装置是ZN68A/3AH系列，具有机械式手车位置指示。
开关柜各元件型号见表41。
表41开关柜元件表
元件名称
型号
真空断路器VCB
ZN68A,3AH
电流互感器CT
LZZBJ9
电压互感器PT
JDZ10
高压熔断器HVfuse
XRNP-10
接地开关Earthingswitch
JN15-12
避雷器Surgearrester
YH5W
零序电流互感器ResidualCT
LXK
带电显示器Voltageindicator
DXN8B
4.1.3高压断路器的选取
由厂家提供的资料可以查得，该型号开关柜采用的是ZN68A系列真空断路器或3AH系列真空短路器，由厂方资料可知，3AH系列真空断路器是由西门子公司生产的，可满足10kV配电所任何需要，额定电流至4000A，短路开断电流至63kA，在此不作详细检验。
下面对ZN68A系列断路器的技术参数进行校验。
（1）额定电压
满足条件
（2）额定电流
满足条件
（3）热稳定校验
满足条件
（4）动稳定校验额定开合电流
满足条件
极限过电流峰值
满足条件
4.1.4高压熔断器的选取
熔断器广泛应用于过负荷和短路保护中，此处应用的是XRNP-10型高压熔断器，其中各个字母含义如下：
“X”表示限流式，“R”表示熔断器，“N”表示户内装，“P”表示电压互感器保护用，10表示额定电压为10kV，0.5A表示额定电流为0.5A。
因为这里的熔断器是电压互感器用的，因此无法方便地对其中的熔体额定电流进行具体的计算选取。
4.1.5高压侧电流互感器的选取
由于选定了开关柜，因此其中采用的也就是LZZBJ9型电流互感器，其中各字母的含义如下：
L-电流互感器，Z-支柱式，Z-浇注式，B-带保护级，J-加强型，9-设计序号。
由先前的计算可知，高压侧的最大长期工作电流为70A，因此可取变比为100/5的电流互感器，下面表42是从网上收集的LZZBJ9-10A2、B2、C2的技术参数。
表42LZZBJ9-10A2\B2\C2技术参数
型号规格
额定二次输出（VA）
额定热稳定电流（kA）
动稳定电流（kA）
0.2
0.5
10P10
10P15
100/5
10
20
20
20
21
52.5
（1）热稳定校验
满足条件
（2）动稳定校验
满足条件
还有一种LZZBJ9－10A1、B1、C1的电流互感器，各项性能比上述设备更优异，在此不再进行校验。
至于具体精度设置，可结合各电流互感器的具体放置位置及其功能来设定。
4.1.6高压侧电压互感器的选取
高压侧的电压互感器为JDZ10型号，JDZ10-10型电压互感器为环氧树脂全封闭式浇注绝缘户内型产品，适用于各种高压开关柜中，额定频率50Hz、额定电压10kV及以下的电力系统中作电压、电能测量及继电保护用。
JDZ10-1中，各字母分别代表电压传感器、单相、浇注绝缘、设计序号、电压等级额定电压比（kV）。
4.1.7高压侧母线的选取
母线材料通常为铜、铝。
铜的电阻率低、机械强度大、抗腐蚀性强，是很好的母线材料，但价格较贵。
铝的电导率为铜的30%，机械强度较差，但它轻、价格便宜，所以广泛用于工厂企业的变电所中。
实际应用中，应根据负荷电流的大小、使用场所及经济等因素综合考虑，确定母线的材料。
（1）按长期允许发热条件选择截面积，要求Ia1≥I，且In1＝70A。
预选TMY-15×3，间距a=0.25m，跨距lmax=1m，IaN＝210A（25℃）
满足发热条件
（2）热稳定校验查表，铜母线的热稳定系数C＝171，假想时间tima=1.5+0.15=1.65s
满足热稳定性要求
（3）动稳定校验单位长度母线上的电动力为
母线抗弯矩为
铜的允许抗弯应力
，因此最大容许跨距为
满足动稳定性要求
经选择和校验，母线选用TMY-15×3满足要求。
4.1.8高压侧避雷器的选取
结合已选的开关柜，可知，在此次设计中，采用的是氧化锌避雷器YH5W型号。
但是，由于缺少相关资料和避雷器的校验要求，在此不对避雷器进行校验。
4.2低压侧设备选取
4.2.1低压开关柜的选取
低压侧为了操作方便选用的是低压抽屉式开关柜，具体型号为江苏长江电器股份有限公司生产的MZS低压抽出式开关柜。
4.2.2低压侧断路器的选取
此处据说的断路器不包括馈线柜中的断路器，仅考虑可能要承担母线上全部负荷的两个进线柜及一个母联柜中的断路器，由于采用了长江电器股份有限公司的MZS低压抽出式开关柜，在选择时要注意型号与之对应。
首先，计算低压侧的最大长期工作电流为
进线柜选取方案编号为02的电缆进出柜方案，母联柜选取方案编号为04的母联柜方案，选用的断路器均为KFW2-3200，该断路器额定电流3200A>1750A，CT值可确定为2000。
低压断路器不需再进行校验。
4.2.3馈线断路器及电流互感器的选取
选取馈线断路器型号的关键是计算各负荷正常工作时的计算电流，选取的断路器的额定电流需要大于计算电流。
以A楼照明为例，Uav=0.4kV，
，可以选用脱扣器额定电流为100A的KFM2-100断路器，电流互感器型号为BH-0.66，变比可选为100/5。
其余馈线的计算方法与之相同，在此不一一赘述，下面表43以表格形式展示各路馈线的断路器型号及电流互感器变比的选择。
表43馈线电流计算与断路器、电流互感器的选择表
序号
负荷名称
Pca（kW）
Ica（A）
脱扣器额定电流（A）
断路器型号
电流互感器变比
1
A楼照明
60
96.23
100
KFM2-100
100/5
2
B、C、D、E楼照明
60
96.23
100
KFM2-100
100/5
3
F楼照明
60
96.23
100
KFM2-100
200/5
4
1#、6#、7#楼照明
70
112.26
125
KFM2-250
200/5
5
家属楼照明1
80
128.3
160
KFM2-250
200/5
6
家属楼照明2
80
128.3
160
KFM2-250
200/5
7
2#楼食堂、锅炉房照明
120
192.45
200
升级会员 