工厂变电站的设计.docx
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工厂变电站的设计
课 程 设 计 说 明 书
课程名称
题目 10KV/0.4KV 工厂变电站的设计
学院
班级
学生姓名
指导教师
日期
车辆与动力工程学院课程设计说明书
10KV/0.4KV 工厂变电站的设计
摘要
国家经济发展每时每刻都离不开统计信息，电力行业作为基础产业，国
家经济建设电力能源供应的保障，面对电力可以适度超前发展的机遇和国家
大力倡导节能减排的局面，政府相关部门及电力行业相关领导随时掌握电力
行业统计信息，依据数字分析和判断，制定行业战略规划、发展计划，对于
行业更好更快的发展起着至关重要的作用。
电能是现代工业生产的主要能源和动力，做好工厂供电设计对于发展工
业生产、实现工业现代化，具有十分重要的意义。
工厂供电系统首先要能满
足工厂生产和生活用电的需要，其次要确保安全，供电可靠，技术先进和经
济合理，并做好节能。
本设计根据厂所能取得的供电电源和该厂用电负荷的
实际情况，并适当考虑生产的发展，按工厂供电的基本要求，对各车间进行
负荷计算和无功补偿；确定出了各变电所的位置及各变电所变压器台数、数
量和型式；计算了短路电流；选择了各线路导线截面和变电所高低压设备；
配置了继电保护装置、防雷和接地装置；绘出设计图样，完成了厂的供配电
系统设计。
关键词:
变压器,变电所设计,负荷统计,短路电流计算,继电保护的配置
I
车辆与动力工程学院课程设计说明书
第一章 绪论 ............................................1
§1.1 论文背景及目的 ..........................................1
§1.2 论文研究方法 ............................................1
§1.3 供电设计的主要内容 ......................................1
§1.4 本设计的原始资料 ........................................1
第二章 负荷计算 ........................................3
§2.1 负荷计算的意义 ..........................................3
§2.2 按需要系数法确定计算负荷 ................................3
§2.3 负荷计算 ................................................4
§2.4 无功补偿 ................................................4
第三章 设计步骤 ........................................6
§3.1 各车间变电所的设计与选择 ................................6
§4.1 变电所变压器台数的确定 ..................................6
§4.1.1 确定原则 ............................................6
§4.1.2 选择变压器台数 ......................................7
§4.1.3 变压器选择 ..........................................7
§5.1 变电所主接线方案的设计 ..................................7
§5.2 基本接线型式 ............................................8
§5.2.1 单母线接线 ..........................................8
§5.2.2 单母线分段接线 ......................................9
§5.2.3 双母线接线 ..........................................9
§5.2.4 双母线分段接线 .....................................10
§5.2.5 桥形接线 ...........................................10
§6.1 变电所一次设备的选择 ...................................12
§6.1.1 断路器型式的选择 ...................................12
§6.1.2 隔离开关的选择......................................13
§6.1.3 低压断路器的选择、整定与校验 .......................13
II
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§6.1.4 电流互感器的选择与校验 .............................15
§7.1 变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定 ...............16
§7.1.1 可靠性 .............................................16
§7.1.2 灵活性 .............................................16
§7.1.3 经济性 .............................................17
§7.1.4 继电保护的任务 .....................................17
§7.1.5 继电保护装置........................................17
§7.1.6 主变压器保护 .......................................17
§7.1.7 10KV 线路保护.......................................18
§7.2 防雷保护和接地装置的设计 ...............................18
§7.2.1 架空线路的防雷措施 .................................18
§7.2.2 变配电所的防雷措施 .................................19
第四章 设计总结 .......................................20
参考文献 ..............................................21
III
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第一章 绪论
§1.1 论文背景及目的
电能是一种清洁的二次能源。
由于电能不仅便于输送和分配，易于转换
为其它的能源，而且便于控制、管理和调度,易于实现自动化。
在目前各种
形式的能源中，电能具有如下特点：
易于去其它形式的能源相互转化；输配
电简单经济；可以精确控制、调节和测量。
因此，电能在工业生产和人民日
常生活中得到广泛应用，生产和输配电能的电力工业相应得到极大发展。
本
论文主要对厂进行全面的降压变电、配电系统设计。
§1.2 论文研究方法
对 10KV/0.4KV 工厂变电站的设计这个题目，要结合基本理论的系统性
与实用性，围绕供电技术的基本知识来确认工程设计的方法。
对论文每一步
都一定要遵循国家的线性技术标准和设计规范来设计。
§1.3 供电设计的主要内容
供电系统的设计是根据电力用户所处地理环境、地区供电条件、工程设
计所提的用电负荷资料进行的。
供电设计一般分两个阶段，初步设计阶段和
施工图设计阶段。
初步设计主要落实供电电源及供电方式，确定供电系统的
方案；施工图设计阶段一句初步设计的方案具体绘制主接线图。
本篇设计论文的内容有：
按照设计所提供的用电设备资料来计算负荷；
根据负荷等级和计算负荷，选定供电电源、电压等级和供电方式；根据环境
和计算负荷来选择变电所位置、变压器数量和容量；确定变配电所的最佳主
接线的方案；选择并校验电气设备及配电网络载流导体截面；继电保护系统
设计和参数整定计算；对系统进行防雷设计和接地设计；归纳设计的计算部
分编成计算书；绘制供电系统主接线图。
§1.4 本设计的原始资料
1
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1．工厂布局与电网的关联
图 1-1 工厂布局与电网的关联图
2、图中 1 为办公楼五层 Pe=58KW
3、图中 2 为热处理车间 Pe=350KW
4、图中 3，4 为职工住宅五层各楼 Pe=150KW
5、图中 5-为金属加工车间 Pe=800KW，
6、图中为保安值班室 Pe=3KW
要求:
1、符合（GB50053-94）10kV 及以下变电所设计规范规定，
2、低压侧 COSφ>0.9
3、造价经济布线美观
2
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第二章 负荷计算
§2.1 负荷计算的意义
计算负荷是用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。
由于载流
导体一般通电半小时后即可达到稳定的温升值，因此通常取“半小时最大负
荷”作为发热条件选择电器元件的计算负荷。
有功负荷表示为 P30，无功计算
负荷表示为 Q30，计算电流表示为 I30。
用电设备组计算负荷的确定，在工程中常用的有需要系数法和二项式法。
需要系数法是世界各个普遍应用的确定计算负荷的基本方法，而二项式法应
用的局限性较大，主要应用于机械加工企业。
关于以概率轮为理论基础而提
出的用以取代二项式发达利用系数法，由于其计算比较繁复而未能得到普遍
应用，所以只介绍需要系数法与二项式法。
当用电设备台数多、各台设备容
量相差不甚悬殊时，宜采用需要系数法来计算。
当用电设备台数少而容量又相差悬殊时，则宜采用二项式法计算。
根据原始资料，用电设备台数较多且各台容量相差不远，所以选择需要
系数法来进行负荷计算。
§2.2 按需要系数法确定计算负荷
根据原始资料分析，本论文负荷是多组用电设备计算，所以，要根据多
组用电设备计算负荷的计算公式来计算。
有功计算负荷的计算公式[9]：
P30 = K∑ p ⨯ ∑ P30i
式中 ∑ P30i —所有设备组有功计算负荷 P30 之和；
无功计算符合（单位为 kVar）的计算公式：
Q30 =P30 ⨯ tgθ
3
（2.1）
（2.2）
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式中 tgθ —对应于用电设备组功率因数 cosθ 的正切值，本设计资料有提供。
视在计算负荷（单位为 kVA）的计算公式：
S30 = P302 + Q302
计算电流（单位为 A）的计算公式：
（2.3）
I30 =
S30
U N ⨯ 3
§2.3 负荷计算
机械负荷统计见表 2.1。
B
表 2.1 各车间负荷结果表
车间（单位） 设备
计算负荷
序
号
容量
Kd cosφ tgφ
P30
Q30
S30
I30
名称
（kW）
（kW）
（kVar）
（kVA）
（A）
1办公楼850.50.80.7538.2528.6847.869
2热处理车间3500.60.71.02189192.8269.9389.7
3职工住宅1500.50.80.7567.550.6384.4121.8
金属加工车
4
80 0.5 0.5 1.73 36 62.28 71.9 103.8
间
5保安室30.50.80.751.351.011.682.43
小计332.1335.4475.7686.73
因为在一定的情况下是不可能发生所有的用电设备同时工作的情况,，
如果按照全部用电设备的用电负荷之和来计算全厂计算负荷的话，势必会造
成,经济不运行和浪费等,情况,也就是我们常说的大马拉小车。
§2.4 无功补偿
根据本资料所给的条件：
工厂最大负荷时的功率因数值在 0.9 以上，所
以必需采用并联电容器来采取无功补偿。
4
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供电系统中装设无功功率补偿装置以后，对前面线路和变压器的无
功功率进行了补偿，从而使前面线路和变压器的无功计算负荷、视在计
算负荷和计算电流得以减小，功率因素得以提高。
补偿前功率因数：
cosϕ1 =
P
S
（2.5）
cosϕ1 =
P
S
=
332.1
475.7
= 0.7
tgϕ1= 1.02
补偿后功率因数：
根据系统要求，变压器高压侧的功率因数应大于 0.9。
因此变电所低压
侧补偿后的功率因数可取：
cosϕ2 = 0.95 tgϕ2 = 0.329
补偿容量：
Qc = P30 （tgϕ1 - tgϕ2 ）
取标准值 Qc=240kvar。
根据上面的计算可以初步选出主变压器：
可选变压器 S9-250/10 。
补偿后总降压变电所低压侧计算负荷：
（2.6）
有功功率补偿前后不变：
P'30 =P30 = 332.1KW
无功功率变化为：
Q'30 = Q30 - QC = 335.4 - 240 = 95.4k var
视在功率变化为：
S '30 = 332.12 + 95.42 = 345.5KVA
其中 Qc 为无功补偿。
S 30
cosθ2 =
P'30
'
=
332.1
345.5
= 0.96
5
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第三章 设计步骤
§3.1 各车间变电所的设计与选择
1.接近负荷中心。
2.进出线方便。
3.接近电源侧。
4.设备吊装，运输方便。
5.不应设在有剧烈震动的场所。
6.不宜设在多尘，水雾（如大型冷却塔）或有腐蚀性气体的场所，如无法远
离时，不应设在污源的下风侧。
7.不应设在厕所，浴室或其他经常积水场所的正下方或贴邻。
8.配变电所为独立建筑物时，不宜设在地势低洼和可能积水的场所。
9.高层建筑地下层配变电所的位置宜选择在通风，散热条件较好的场所。
10.殊防火要求的多层建筑中，装有可燃性油的电气设备的配变电所，可设
置在底层靠外墙部位，但不应设在人员密集场所的上方，下方，贴邻或
疏散出口的两旁。
§4.1 变电所变压器台数的确定
§4.1.1 确定原则
1.对于大城市郊区的一次变电所在中低压侧已构成环网的情况下，变电
所以装设两台变压器为宜。
2.对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所在设计时应考虑装
设三台变压器。
6
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3.对于规划只装设两台变压器的变电所，其变压器基础宜按大于变压器
容量的 1—2 级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。
§4.1.2 选择变压器台数
1.应满足用电负荷对供电的可靠性的要求，对供有大量一、二级负荷的
变电所，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台
能对一、二级负荷继续供电。
2.对于一级负荷的场所，邻近又无备用电源联络线可接,或季节性负荷
变化较大时,宜采用两台变压器。
3.是否装设变压器，应视其负荷的大小和邻近变电所的距离而定。
当负
荷超过 320KVA 时，任何距离都应装设变压器。
§4.1.3 变压器选择
采用 2 台变压器，能满足供电可靠性、灵活性的要求。
如果装设 1 台变
压器，投资会节省一些，但一旦出现 1 台主变故障，将会造成全厂失压从而
造成巨大的损失。
为避免前述情况的出现，充分利用双电源的作用，所以选
择安装 2 台主变。
§5.1变电所主接线方案的设计
1.分析原始资料
a.本工程情况变电站类型,设计规划容量（近期，远景），主变台数及容
量等。
b.电力系统情况电力系统近期及远景发展规划（5-10年），变电站在电
力系统中的位置和作用，本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压
中性点接地方式等。
c.负荷情况负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及
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输送容量等。
d.环境条件当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海
拔高度等因素。
e.设备制造情况为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器
的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先
进性、经济性和可行性。
2.拟定主接线方案
根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定出若干个主
接线方案。
3.短路电流计算
对拟定的主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。
4.主要电器选择
包括高压断路器、隔离开关、母线等电器的选择。
5.绘制电气主接线图
将最终确定的主接线，按工程要求，绘制工程图。
§5.2 基本接线型式
§5.2.1 单母线接线
1.优点：
接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电
装置。
2.缺点：
不够灵活可靠，任一元件故障或检修，均需使整个配电装置停
电。
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3.适用范围:
6-10KV配电装置出线回路数不超过5回；35-63KV配电装置
出线回路数不超过3回；110-220KV配电装置的出线回路数不超过两回。
§5.2.2 单母线分段接线
1.优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回
路，有两个电源供电；当一段母线发生故障，分段短路器自动将故障段切除，
保证正常段母线不间断供电和不使重要用户停电 。
2.缺点：
当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都
要在检修期间停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建
时需两个方向均衡扩建。
3.适用范围：
6-10KV配电装置出线回路数为6回及以上时；35-63KV配
电装置出线回路数为4-8回时；110-220KV配电装置的出线回路数为3-4回时。
§5.2.3 双母线接线
双母线的两组母线同时工作，并通过母线联络断路器并联运行，电源与
负荷平均分配在两组母线上。
由于母线继电保护的要求一般某一回路固定与
某一组母线连接，以固定的方式运行。
1.优点：
1）供电可靠。
通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组
母线而不致使供电中断；一组母线故障后，能迅速恢复供电，检修任一回路
的母线隔离开关，只停该回路。
2）调度灵活。
各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，
能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要。
3）扩建方便。
向左右任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源和
负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。
9
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4）便于试验。
当个别回路需要单独进行实验时，可将该回路分开，单
独接至一组母线上。
2.缺点：
增加一组母线和使每回路就需要增加一组母线隔离开关。
当母线故障或
检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误操作。
为了避免隔离开关误操
作，须在隔离开关和断路器之间装设连锁装置。
适用范围。
当出线回路数或
母线上电源较多，输送和穿越功率较大，母线故障后要求迅速恢复供电，母
线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活
性有一定要求时采用。
6-10KV配电装置，当短路电流较大，出线需要带电
带电抗器时；35-63KV 配电装置，当出线回路数超过8回时，或连接的电源
较多，负荷较大时；110-220KV配电装置，出线回路数为5回及级以上时。
§5.2.4 双母线分段接线
当220KV 进出线回路数甚多时，双母线需要分段。
1.分段原则：
①当进出线回路数为10-14回时，在一组母线上用断路器分段；
②当进出线回路数为15回及以上时，两组母线均用断路器分段；
③在双母线分段接线中，均装设两台母联兼旁路断路器；
④为了限制220KV母线短路电流或系统解裂运行的要求，可根据需要将
母线分段；变压器-线路单元接线：
2.优点：
接线最简单，设备最少，不需要高压配电装置。
3.缺点：
线路故障或检修时，变压器停运；变压器故障或检修时线路停
运;
4.适用范围：
只有一台变压器和一回线路时；当发电厂内不设高压配电
装置，直接将电能输送至枢纽变电所时。
10
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§5.2.5 桥形接线
两回变压器-线路单元接线相连，接成桥形接线。
分为内桥和外桥两种
接线，是长期开环运行的四角形接线
1.内桥形接线
①优点：
高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器；
②缺点：
变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线
路的暂时停运；桥联断路器检修时，两个回路须解裂运行；出线断路器检修
时，线路需长时期停运，为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条，为了
轮流停电检修任何一组隔离开关，在跨条上需加装两组隔离开关，桥联断路
器检修时，也可利用此跨条；
③适用范围：
适用于较小容量的发电厂、变电所，并且变压器不经常切
换或线路较长，故障率较高的情况。
2.外桥形接线
①优点：
同内桥形接线；
②缺点:
线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压
器暂时停运；桥联断路器检修时，两个回路须解裂运行；变压器侧断路器检
修时，变压器需较长时间停运。
为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条。
桥联断路器检修时，也可利用此跨条；
③适用范围：
适用于较小容量的发电厂或变电所，并且变压器的切换较
为繁或线路较短，故障率较少的情况。
此外，线路有穿越功率时，也宜采用
外桥形接线；
3.3-5角形接线
多角形接线的各断路器互相连接而成闭合的环形，是单环形接线。
为减
少因断路器检修而开环运行的时间，保证角形接线运行的可靠性，以采用
3-5 角形为宜。
并且变压器与出线回路一对角对称布置。
此外，当进出回路
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数较多时，我国个别水电厂采用了双连四角形接线，形成多环形，从而保证
了供电的可靠性。
但断路器数量增多，有的回路连着三个断路器，布置和继
电保护复杂，没有推广使用。
经综合比较，工厂采用单母线用断路器分段接线，外侨的接线方式。
总接线图如 3-1。
图 3-1 总接线图
§6.1 变电所一次设备的选择
§6.1.1 断路器型式的选择
除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装调试和运行维
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护，并经技术经济比较后才能确定。
断路器的选择及校验条件如下：
1.Uzd ≥ U ς ；
2. Ie ≥ I ς ；
3.热稳定校验
4.动稳定校验
I
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