10kV 变电所设计.docx
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10kV变电所设计
摘要
电能是现代工业生产的主要能源和动力。
随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高的要求。
学校供电系统的核心部分是变电所。
因此，设计和建造一个安全、经济的变电所，是极为重要的。
此学校供电设计包括：
负荷的计算及无功功率的补偿；变电所主变压器台数和容量、型式的确定；变电所主接线方案的选择；短路计算和开关设备的选择；防雷保护与接地装置的设计；还有电路图的绘制。
本变电所设计首先对负荷进行了统计计算，无功功率的补偿；根据负荷的性质和负荷统计计算的结果进行了变压器的选择；结合各种接线方式的特点和应用范围，本次电气主接线采用单母线分段的电气主接线形式；短路电流计算部分包括短路的危害、短路点的选择、短路计算的方法及其具体数值计算；电气设备选择部分包括电气设备选择的原则以及断路器、电流互感器等的选择与校验；配电装置采用的是成套配电装置；防雷保护采用避雷带防直击雷保护。
关键词：
变电所；变压器；电气主接线；短路计算；设备选择；接地装置
Abstract
Electricityisthemajorenergyandpowerofmodernindustrialproduction.Thesocialproductionandlifeputforwardhighrequirementsonthequalityandmanagementofthesupplyoftheelectricalpowerwiththeprogressofmoderncivilization.Thekeypartofthesupplysystemofpowerofschoolisthesubstation.Therefore,itisveryimportanttodesignandbuildasafeandeconomicalsubstation.Thedesignofpowersupplyoftheschoolincluding:
loadcalculationandreactivepowercompensation;thenumbers,volumeandtypeofmaintransformerofsubstation;thechoiceofthewiringschemesofthesubstation;thechoiceofshortcircuitcalculationandtheswitchequipment;thedesignoflightning-protectionandgroundingdeviceandthedrawingofcircuitdiagram.
Thedesignofthesubstationcalculatestheloadfirstlyandmakesupthereactivepower.Thesubstationchoosestherighttransformeraccordingtothenatureandstatisticalcalculationofload.Themainelectricalwiringadoptstheformofsegmentationofsinglebuscombiningwiththecharacteristicsofvariouskindsofconnectionlinesandthescopeofapplication.Thecurrentcalculationofshortcircuitincludestheharmofshortcircuit,thechoiceofpointsofshort,themethodofthecalculationofshortandthecalculationofspecificnumericalvalue.Theselectivepartofelectricalequipmentcontainstheselectiveprincipleofelectricalequipmentandthechoiceandcalibrationofcircuitbreakerandcurrenttransformer.Powerdistributionequipmentadoptscompleteequipment.Lightning-protectionadoptstheprotectionoflightning-protectionwithanti-lightningdirectly.
Keyword:
Substation;Transformer;Themainelectricalwiring;Shortcircuitcalculation;Equipmentselection;Thedesignwiththeearthdevice
1绪论
随着社会的不断发展，电能变得越来越重要，它是现代工业生产的主要能源和动力，也是人们日常生活中不可或缺的一部分。
人们对电力供应的要求也越来越高，特别是供电的稳固性、可靠性和持续性。
变电所是电力系统的重要组成部分，其供电设计的好坏不仅影响电能的质量，还会影响到整个电力系统的运行。
因此，要对变电所进行合理的设计。
1.1变电所的发展状况
近年来电气一次设备制造有了较大发展，大量高性能、新型设备不断出现，设备趋于无油化，采用SF6气体绝缘的设备价格不断下降，伴随着国产GIS向高电压、大容量、三相共箱体方面发展，性能不断完善，应用面不断扩大，许多城网建设工程、用户工程都考虑采用GIS配电装置。
变电所设计的电气设备档次不断提高，配电装置也从传统的形式走向无油化、真空开关、SF6开关和机、电组合一体化的小型设备发展。
随着经济和城市建设的发展，市区的用电负荷增长迅速，而城市土地十分宝贵，地价越来越昂贵。
新建的城市变电所必须符合城市的形象及环保等要求，追求综合经济、社会效益，所以建设形式多采用地面全户内型或地下等布置形式，占地面积有效减少。
有数据统计表明全户内型一般用地仅为同类型、同规模户外型的25%左右。
1.2变电所设计的原则
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，进行学校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、工程特点和供电条件等，合理确定设计方案。
1.3变电所设计的要求
为了切实保证学校生活和教学用电的需要，并做好节能工作，该变电所设计必须达到以下基本要求：
（1）安全在电能的供应、分配和使用中，避免发生人身事故和设备事故；
（2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求；
（3）优质应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要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。
1.4变电所设计的步骤
（1）负荷计算及变压器的选择
为一个企业或用户供电，首先要解决的是企业要用多少度电，或选用多大容量的变压器等问题。
因此，首先要进行负荷的计算，选择无功功率补偿装置。
然后，参考电源进线方向，综合考虑有关因素，结合计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。
（2）变电所主接线设计
根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数，综合变压器台数，从各种接线形式中选择出合理的高、低压接线方式，即要安全可靠，灵活经济，又要安装容易，维修方便。
（3）短路电流的计算
为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，合理选择电气设备和载流导体，确定限流措施，确定合理的主接线方案和主要运行方式等，在供电系统的设计和运行中必须进行短路电流计算。
（4）电气设备的选择及校验
参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电气设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、、互感器等设备，并根据需要对相关设备进行热稳定和动稳定检验。
（5）变电所所址的选择与总体布置
根据气象，环境等条件选择变电所的所址，所址确定后，进行总体布置，总体布置要满足便于运行维护和检修、保证运行安全、便于进出线、节约土地和建筑费用、考虑高低压电容器的装设要求、适应发展要求等。
（6）防雷和接地设计
自然界的雷击，会使电器设备遭受过电压以及绝缘损坏等故障，因此，必须对设备采取防雷措施。
通常将雷击过电压分为直击雷过电压及感应雷过电压两种，直击雷过电压是由于流经被击物的很大雷击电流所造成的。
感应雷过电压是由于电磁场的剧烈改变而产生的。
对于所设计的变电所，其电压等级是10kV，因此必须对雷击过电压采取相应措施来保护设备的安全。
1.5原始资料
在本次变电所设计中，变电所是从相距大约1km的建58电源专线和相距大约1km的迎宾路电源专线两个电源受电的，电压等级为10kV，该地区年最高气温为40℃，年平均气温为15.1--16℃，年最低气温为-10.2℃,年最热月平均最高气温为35℃，年最热月平均气温为26℃，年平均雷暴日数为26.4。
在本次设计中，主要考虑对学校配电房附近建筑供电，主要负荷有学生宿舍、餐厅、锅炉房、学苑超市、校医院、大学生活动中心、浴室等等。
2负荷统计及变压器的选择
2.1负荷计算
负荷计算是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。
负荷计算是否合理，直接影响到电器和导线的选择是否合理。
如负荷计算过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如果负荷计算过小，又将使电器和导线运行时增加电能消耗，并产生过热危险，引起绝缘过早老化，甚至烧毁，一致发生事故，同样给国家造成损失。
为此，正确进行负荷计算是供配电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
负荷计算常用的方法有需用系数法和二项式法：
（1）需用系数法：
需用系数法与用电设备的类别和工作状态有极大的关系，因此在计算时首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。
需用系数法就是利用需用系数来确定用电户或用电设备组计算负荷的方法。
其实质是用一个小于1的需用系数Kd对用电设备组的总额定容量Pe打一定的折扣，使确定出来的计算负荷Pca比较接近该组设备从电网中取用的最大半小时平均负荷Pmax。
在配电干线上或车间变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，而各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或车间变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数Ksi。
这种计算方法比较简单，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。
（2）二项式法：
将负荷分为基本部分和附加部分，后者考虑一定数量大容量设备影响，与需用系数法相比较，由于二项系数法不仅考虑了用电设备组的平均最大负荷，而且还考虑了容量最大的少数用电设备运行时对总计算负荷的额外影响，所以，这种计算方法比较适合于确定用电设备台数较少，而其容量差别又较大的用电设备组的负荷计算。
但是，二项式计算系数的值缺乏足够的理论依据，历史上积累的数据也较少，因而应用受到一定的局限。
这两种方法在国内各设计单位的使用最为普遍，此外还有一些尚未推广的方法，如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法、ABC法等。
根据分析，本次负荷计算采用需用系数法。
其负荷具体如下表所示：
建筑名称
用电负荷（kW）
需要系数
计算负荷（kW）
无功功率（kvar）
视在功率（KVA）
计算电流（A）
学生宿舍一
135
0.6
81
0.75
0.88
71.28
108
155.88
学生宿舍二
135
0.6
81
0.75
0.88
71.28
108
155.88
学生宿舍三
135
0.6
81
0.75
0.88
71.28
108
155.88
学生宿舍四
135
0.6
81
0.75
0.88
71.28
108
155.88
学生宿舍五
180
0.6
108
0.75
0.88
95.04
144
207.85
学生宿舍六
180
0.6
108
0.75
0.88
95.04
144
207.85
学生宿舍七
180
0.6
108
0.75
0.88
95.04
144
207.85
学生宿舍八
225
0.6
135
0.75
0.88
118.8
180
259.81
学生宿舍九
225
0.6
135
0.75
0.88
118.8
180
259.81
学生宿舍十
225
0.6
135
0.75
0.88
118.8
180
259.81
一号餐厅
120
0.9
108
0.7
1.02
110.16
154.29
222.70
二号餐厅
120
0.9
108
0.7
1.02
110.16
154.29
222.70
锅炉房
50
0.8
40
0.8
0.75
30
50
72.17
学苑超市
120
0.8
96
0.7
1.02
97.92
137.14
197.74
校医院
180
0.6
108
0.75
0.88
95.04
144
207.85
大学生活动中心
100
0.6
60
0.6
1.33
79.8
100
144.34
浴室
50
0.8
40
0.6
1.33
53.2
66.67
96.23
总计
－
－
1613
－
－
1502.92
－
－
表2-1负荷总表
上表中，计算负荷：
无功功率：
视在功率：
计算电流:
取同时系数
=0.8
总有功计算负荷：
=0.8×1613=1290.4kW
总无功计算负荷：
=0.8×1502.92=1202.34kvar
总视在功率计算负荷：
=
=1763.73kVA
2.2无功功率补偿
功率因数是用电户的一项重要电气指标。
提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分的发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损失和电压损失，因而具有重要的意义。
国家与电力部门对用户的功率因数有明确的规定，要求高压供电（6kV及以上）的工业及装有带负荷调整电压设备的用户功率因数应为0.9以上，要求其他电力用户的功率因数应为0.85以上，农业用户要求为0.8以上。
供电部门将根据用户执行的情况，在收取电费时分别作出奖、惩处理。
提高功率因数的关键是尽量减少电力系统中各个设备所需用的无功功率，特别是减少负荷从电网中取用的无功功率，使电网在输送用功功率时，少输送或不输送无功功率。
提高功率因数，首先要正确选择电气设备，比如电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免轻载运行等；其次要使电气设备合理运行，比如合理安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行等；还可以用人工补偿的方式提高功率因数。
人工补偿提高功率因数的做法是采用供应无功功率的设备来就地补偿用电设备所需要的无功功率，以减少线路中的无功输送。
当用户在采用了各种“自身提高”措施后仍达不到规定的要求时，就要考虑增设人工补偿装置。
人工补偿提高功率因数一般有4种方法。
1.并联电力电容器组
利用电容器产生的无功功率与电感负载产生无功功率进行交换，从而减少了负载向电网吸取无功功率。
并联电容器补偿法具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无振动与噪声、安装地点较为灵活。
电容补偿的缺点是只有有级调节而不能随负载无功功率需要量的变化进行连续平滑的自动调节。
2.采用同步调相机
同步调相机实际上就是一个大容量的空载运行的同步电动机，其功率大都在5000kW以上，再过励磁时，它相当于一个无功发电机。
其显著的优点是可以无级调节无功功率，但也有造价高，有功损耗大，需要专人进行维护等缺点。
因而主要用于电力系统的大型枢纽变电所，来调整区域电网的功率因数。
3.采用可控硅静止无功补偿器
这是一种性能比较优越的动态无功补偿装置，由移相电容器、饱和电抗器、可控硅励磁调节器及滤波器等组成。
其特点是将可控的饱和电抗器与移相电容器并联作用，电容器可补偿设备产生的冲击无功功率的全部或大部分。
当无冲击无功功率时，则利用由饱和电抗器所构成的可调感性负荷将电容器的过剩无功吸收，从而使功率因数保持在要求的水平上。
滤波器可以吸收冲击负荷产生的高次谐波，保证电压质量。
这种补偿方式优点为动态补偿反应速度、损耗小、特别适合对功率因数变化剧烈的大型负荷进行单独补偿，如用于矿山提升机的大功率可控硅整流装置供电的直流电动机拖动机组等。
其缺点是投资较大、设备体积大、因而占地面积也较大。
4.采用进相机改善功率因数
进相机也叫转子自励相位补偿机，是一种新型的感性无功功率补偿设备，只适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿，电动机容量一般为95～1000kW。
其应用范围受到一定的限制。
本设计中，低压侧的计算负荷：
P30=1290.4kW
Q30=1202.34kvar
S30=1763.73kVA
=P30/S30=1290.4/1763.73=0.73
由于低压侧要求的功率因数不得低于0.85，但目前功率因数只有0.73，因此需进行无功功率的人工补偿，若在低压侧装设并联电容器，考虑加上变压器与线路的功率损耗后，仍能保证在高压侧测得的功率因数在0.9以上，在这里使低压侧补偿后的功率因数
=0.92,而补偿前低压侧的功率因数只有0.73。
由此可得低压侧并联电容器的容量为：
Qc=P30（
-
）=1290.4×（tgcos-10.73-tgcos-10.92）
=1290.4×（0.94-0.43）
=1290.4×0.51
=658.10kvar
补偿电容器组的接线方式：
在无功补偿中，10kV及以下线路的补偿电容器组常按三角形接线，主要原因如下：
（1）三角形接线可以防止电容器容量不对称（如个别电容器的熔断器熔断）而出现的过电压，电容器对过电压是比较敏感的，若为星形接线，则由于中性点位移，使部分相欠电压而部分相过电压。
更严重的是当发生单相接地时其余两相将升为线电压（中性点不接地系统），电容器很容易损坏。
（2）三角形接线若发生一相断线，只是使各相的补偿容量有所减少，不致于严重不平衡。
而星形接线若发生一相断线，就使该相失补偿，严重影响电能质量。
（3）采用三角形接线可以充分发挥电容器的补偿能力，电容器的补偿容量与加在其两端的电压有关，即
电容器采用三角形接法时，每相电容承受线电压，而采用星形接法时，每相电容承受相电压，所以有
具有相同电容量的三个单相电容器组，采用三角形接法时的补偿容量是采用星形接法的三倍。
因此，在电压相符的情况下，应尽量采用三角形接法。
在此选取电容器型号为：
BWF0.4-25-1,额定容量Qr为25kvar。
按三角形接线，需装设的电容器总数为：
N=Qc/Qr=658.10/25≈27（个）
每相电容器数为：
n=N/3=27/3=9（个）
若采用单母线分段接线方式，每段线路上每相需装设的电容器数目为5个。
2.3变压器的选择
在变电所设计过程中，最主要的设备就是变压器，变压器选择的是否合理，将会影响整个变电所的运行状况，因此要合理的选择变压器。
2.3.1变压器的类型
变压器主要有以下类型：
（1）按冷却方式分类：
有自然冷式、风冷式、水冷式、强迫油循环风（水）冷方式、及水内冷式等。
（2）按防潮方式分类：
开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。
（3）按铁芯或线圈结构分类：
芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器、辐射式变压器等。
（4）按电源相数分类：
单相变压器、三相变压器、多相变压器。
（5）按用途分类：
有电力变压器、特种变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。
（6）按冷却介质分类：
有干式变压器、液（油）浸变压器及充气变压器等。
（7）按线圈数量分类：
有自耦变压器、双绕组、三绕组、多绕组变压器等。
（8）按导电材质分类：
有铜线变压器、铝线变压器及半铜半铝、超导等变压器。
（9）按调压方式分类：
可分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。
（10）按中性点绝缘水平分类：
有全绝缘变压器、半绝缘（分级绝缘）变压器。
2.3.2变压器台数、容量及型式的选择
（1）变压器的台数应根据负荷特点和经济运行条件进行选择。
当符合下列条件之一时，宜装设两台以上变压器。
①有大量一级或二级负荷。
②季节性负荷变化较大。
③集中负荷较大。
（2）装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。
（3）变电所中单台变压器的容量不宜大于1250KVA。
当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。
（4）低压为0.4kV的变电所中单台变压器的容量不宜大于1000KVA，当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。
设置在楼层二层以上的三相变压器，应考虑垂直与水平运输对通道及楼板荷载的影响，如采用干式变压器时，其容量不宜大于630KVA。
（5）居住小区变电所内单台变压器的容量不宜大于630KVA。
（6）一般情况下，动力和照明宜共用变压器。
当属下列情况之一时，可设专用变压器：
①当照明负荷较大或动力和照明采用公用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时，可设照明专用变压器。
②当季节性的负荷容量较大时（如大型居民用建筑中的空调冷冻机等负荷），可设专用变压器。
③出于功能需要的某些特殊设备宜设专用变压器。
④冲击性负荷较大，严重影响电能质量时，可设冲击负荷专用变压器。
⑤在电源系统不接地或经阻抗接地，电气设备外漏导体就地接地系统的低压电网中，照明负荷应设专用变压器。
（7）单台单相负荷较大时，宜设单相变压器。
电力变压器空载运行时，需用较大的无功功率，这些无功功率要由供电系统供给。
变压器的容量若选得过大，不但增加初投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”的现象，使空载损耗的比重增大，功率因数降低，网络损耗增加；变压器的容量若选得过小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。
因此，必须合理地选用变压器的额定容量，应考虑以下几点：
1）变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑远期10～20年的负荷发
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