小型变电所设计.docx

1、小型变电所设计中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 小型变电所设计 学习中心： 中原油田 年级专业： 06春网 电气工程及其自动化 学生姓名： 郭全军 学 号： 0681404008 指导教师： 张荣梅 职 称： 高级讲师 导师单位： 中原油田培训中心 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2007 年 11 月 17 日摘 要本设计共有七章，较全面地介绍了变配电所的设计方法，包括电力负荷及其计算，短路电流及其计算，变配电所的一次系统，工厂的电力线路，工厂的过电流保护以及电气装置的接地和防雷等知识。在设计中，第二章以负荷情况为例，介绍了负荷的计算包括有功功率

2、、无功功率和视在功率的计算方法以及无功功率的补偿。第三章根据计算负荷选择变压器的数量和容量。第五章是短路电流的计算，选取几个主要短路计算点， 利用欧姆法个对其进行短路电流计算。第六章和第七章都是在计算短路电流的前提下选取电力线路和高、低压一次设备。变配电所高、低压设备的选择上，先简单介绍了几种常见的设备，再根据设计实例进行设备的选择与校验。在第八章对电力线路及主变压器进行过电流继电保护。在设计中有主次、先后地介绍工厂供电的设计步骤，通过实例可以对类似的变电所的设计举一反三。关键字：计算负荷，三相短路电流，电力变压器，过电流保护目 录第一章 概论5一、工厂供电的意义和要求 5二、工厂供电设计的一

3、般原则 .6三、设计内容及步骤6第二章 负荷计算及功率补偿9一、负荷计算的内容和目的 9二、负荷计算的方法9三、各用电车间负荷计算结果9四、全厂负荷计算.10五、功率补偿.11第三章 变压器的选择12第四章 主结线方案的选择13一、变配电所主结线的选择原则 13二、主结线方案选择 .13第五章 短路计算 16一、短路电流计算的目的及方法.16二、本设计采用标幺制法进行短路计算.16第六章 导线、电缆的选择.21第七章 高、低压设备的选择23一、压设备选择的一般要求23二、配电所高压开关柜的选择23第八章 变压器的继电保护.24一、概述24二、差动保护25三、变压器的过电流保护25四、变压器的过

4、负荷保护26五、变压器的瓦斯保护26第九章 二次回路操作电源和中央信号装置.28第十章 电测量仪表与绝缘监视装置30第十一章 防雷与接地.32一、防雷.32二、接地34结论36致谢.37参考文献38第一章 概论一、工厂供电的意义和要求众所周知，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。在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在工业生

5、产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的

6、需要，并做好节能工作，就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，不应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。此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。二、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

7、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影响到工厂的生产及发展

8、。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。三、设计内容及步骤全厂总降压变电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面。1、负荷计算全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。列出负荷计算表、表达计算成果。2、工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计

9、算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。3、工厂总降压变电所主结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主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。4、厂区高压配电系统设计根据厂内负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。参考负荷布局及总降压变电所位置，比较几种可行的高压配电网布置放案，计算出导线截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用，有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆

10、位明细表以及工程预算书表达设计成果。5、工厂供、配电系统短路电流计算工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短 路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。6、改善功率因数装置设计按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或厂品样本选用所需 移相 电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。7、变电所高、低压侧设备选择参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额

11、定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验。用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。8、继电保护及二次结线设计为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。35kv及以上

12、系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。9、变电所防雷装置设计参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地 电阻计算。10、专题设计11、总降压变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。第二章 负荷计算及功率补偿一、负荷计算的内容和目的（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时

13、间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。二、负荷计算的方法负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。本设计采

14、用需要系数法确定。主要计算公式有： 有功功率： P30 = PeKd无功功率: Q30 = P30 tg视在功率: S3O = P30/Cos计算电流: I30 = S30/3UN 三、各用电车间负荷计算结果如下表：四、全厂负荷计算取Kp = 0.92; Kq = 0.95根据上表可算出：P30i = 6520kW; Q30i = 5463kvar则 P30 = KPP30i = 0.96520kW = 5999kWQ30 = KqQ30i = 0.955463kvar = 5190kvarS30 = (P302+Q302)1/2 7932KVAI30 = S30/3UN 94.5ACOS =

15、 P30/Q30 = 5999/7932 0.75五、功率补偿由于本设计中上级要求COS0.9,而由上面计算可知COS=0.750.9，因此需要进行无功补偿。综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。可选用BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89FQc = 5999（tanarc cos0.75tanarc cos0.92）Kvar=2724Kvar 取Qc=2800 Kvar因此，其电容器的个数为： n = Qc/qC = 2800/100 =28而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个 正好 无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为： S30（2）= 59992+

16、(5463-2800) 2 1/2 =6564KVA变压器的功率损耗为：QT = 0.06 S30= 0.06 * 6564 = 393.8 Kvar PT = 0.015 S30 = 0.015 * 6564= 98.5 Kw变电所高压侧计算负荷为：P30= 5999+ 98.5 = 6098 KwQ30= (5463-2800 )+ 393.8= 3057 KvarS30 = (P302 + Q302) = 6821 KV .A无功率补偿后，工厂的功率因数为：cos= P30/ S30= 6098 / 6821= 0.9则工厂的功率因数为：cos= P30/S30= 0.90.9 因此，符

17、合本设计的要求第三章 变压器的选择一、主变压器台数的选择由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。二、变电所主变压器容量的选择装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：1、任一台单独运行时，ST（0.6-0.7）S30（1）2、任一台单独运行时，STS30（+）由于S30（1）= 7932 KVA，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2 选变压器。3、ST（0.6-0.7）7932=（4759.25552.4）KVASTS30（+）因此选5700 KV

18、A的变压器二台 第四章 主结线方案的选择一、变配电所主结线的选择原则1、当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。2、当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。3、当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。4、为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。5、接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。6、610KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。7、采用610 KV熔断器负荷开关固定式配电装置

19、时，应在电源侧装设隔离开关。8、由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。9、变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。10、当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。二、主结线方案选择对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为610KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。总降压变电所主结线图表示工

20、厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。1、一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图如下这种主结线，其一次侧的QF10跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），

21、即可由WL2恢复对变压器T1的供电，这种内桥式结线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。2、一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图(下图)，这种主结线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。这种主结线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。但与内桥式结线适用的场合有所不同。如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并列运行

22、。这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。当一次电源电网采用环行结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器QF11、QF12，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路图这种主结线图兼有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以

23、双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结线（即全桥式结线）。第五章 短路计算一、短路电流计算的目的及方法短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

24、接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。二、本设计采用标幺制法进行短路计算1、在最小运行方式下：（1）确定基准值取 Sd = 100MVA,UC1 = 60KV,UC2 = 10.5KV而 Id1

25、 = Sd /3UC1 = 100MVA/(360KV) = 0.96KAId2 = Sd /3UC2 = 100MVA/(310.5KV) = 505KA （2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1）电力系统（SOC = 310MVA）X1* = 100KVA/310= 0.322）架空线路（XO = 0.4/km）X2* = 0.44100/ 10.52= 1.523）电力变压器（UK% = 7.5）X3* = UK%Sd/100SN = 7.5100103/(1005700) = 1.32绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。(3)求k-1点的短路电路总

26、电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值X*(K-1)= X1*X2*= 0.32+1.52= 1.84三相短路电流周期分量有效值IK-1(3) = Id1/X*(K-1)= 0.96/1.84 =0.523)其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-1 (3) = 0.52KAish(3) = 2.550.52KA = 1.33KAIsh(3) = 1.510.52 KA= 0.79KA4)三相短路容量Sk-1(3) = Sd/X*(k-1) =100MVA/1.84=54.3(4)求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值X*(K-2) = X1

27、*X2*X3*/ X4* =0.32+1.52+1.32/2=2.52)三相短路电流周期分量有效值IK-2(3) = Id2/X*(K-2) = 505KA/2.5 = 202KA3)其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-23) = 202KAish(3) = 1.84202KA =372KAIsh(3) =1.09202KA = 220KA4)三相短路容量Sk-2(3) = Sd/X*(k-1) = 100MVA/2.5 = 40MVA2、在最大运行方式下：（1）确定基准值取 Sd = 1000MVA,UC1 =60KV,UC2 = 10.5KV而 Id1 = Sd /3UC1

28、= 1000MVA/(360KV) =9.6Id2 = Sd /3UC2 = 1000MVA/(310.5KV) = 55KA（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1）电力系统（SOC = 1338MVA）X1*= 1000/1338= 0.752）架空线路（XO = 0.4/km）X2* = 0.441000/602 =0.453）电力变压器（UK% = 4.5）X3* = X4* = UK%Sd/100SN = 7.51000103/(1005700) = 13.2绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。(3)求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值X*(K-1) = X1*X2* = 0.75+0.45= 1.22)三相短路电流周期分量有效值IK-1(3) = Id1/ X*(K-1)= 9.6KA/1.2 = 8KA3)其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-1(3) = 8KAish(3) = 2.558K