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
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指导教师
日期
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
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．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
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]：
（2.1）
式中
—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：
（2.2）
式中
—对应于用电设备组功率因数
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：
（2.3）
计算电流（单位为A）的计算公式：
§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
序号
车间（单位）
名称
设备容量
（kW）
Kd
cosφ
tgφ
计算负荷
P30
（kW）
Q30
（kVar）
S30
（kVA）
I30
（A）
1
办公楼
85
0.5
0.8
0.75
38.25
28.68
47.8
69
2
热处理车间
350
0.6
0.7
1.02
189
192.8
269.9
389.7
3
职工住宅
150
0.5
0.8
0.75
67.5
50.63
84.4
121.8
4
金属加工车间
80
0.5
0.5
1.73
36
62.28
71.9
103.8
5
保安室
3
0.5
0.8
0.75
1.35
1.01
1.68
2.43
小计
332.1
335.4
475.7
686.73
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。
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：
（2.5）
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：
补偿容量：
（2.6）
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：
有功功率补偿前后不变：
无功功率变化为：
视在功率变化为：
其中Qc为无功补偿。
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。
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。
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。
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。
§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.
；
2.
；
3.热稳定校验
；
4.动稳定校验
。
§6.1.2隔离开关的选择
1.隔离开关的主要用途：
a.隔离电压，在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离，以确保检修的安全。
b.倒闸操作，投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时，常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成。
c.分、合小电流。
2.隔离开关选择和校验原则是：
a.
；
b.
；
C.
；
d.
。
§6.1.3低压断路器的选择、整定与校验
1.低压断路器过电流脱扣器的选择过电流脱扣器的额定电流
应大于等于线路的计算电流，即
2.低压断路器过电流脱扣器的整定
a.瞬间过电流脱扣器支作电流的整定，瞬时过电流脱扣器的动作电流应躲过线路的尖峰电流
，即
式中
可靠系数。
对动作时间在0.02s以上的DW系列断路器可取1.35；对动作时间在0.02s及以下的DZ系列断路顺宜取2～2.5。
b.短延时过电流脱扣器动作电流和时间的整定，短延时过电流脱扣器的动作电流
应躲过线路的尖峰电流
即
式中
——可靠系数，取1.2。
短延时过电流脱扣器的动作时间分0.2s、0.4s及0.6s三级，通常要求前
一级保护的动作时间比后一级保护的动作时间长一个时间级差（0.2s）。
c.长延时过电流脱扣器动作电流和时间的整定，长延时过电流脱扣器一般用于作过负荷保护，动作电流仅需躲过线路的计算电流，即
式中
——可靠系数，取1.1。
动作时间应躲过线路允许过负荷的持续时间，其动特性通常为反时限，即过负荷电流越大，动作时间越短。
d.过电流脱扣器与被保护线路的配合，当线路过负荷或短路时，为保证绝缘导线或电缆不致因过热烧毁而低压断路器的过电流脱扣器拒动的事故发生，要求
式中
为绝缘导线或电缆的允许载流量；
为绝缘导线或电缆的允许短时过负荷系数。
对瞬时和短延时过电流脱扣器取4.5；对长延时过电流脱扣器取1；对保护有爆炸性气体区域内的线路，取0.8。
如果按式所选择的过电流脱扣器不满足上式的配合要求，可依据具体情况改选过电流脱扣器的动作电流，或适当加大绝缘导线或电缆的截面。
3.低压断路器热保护脱扣器的选择热脱扣器的额定电流
应大于等于线路的计算电流，即：
4.低压断路器热保护脱扣器的整定期热保护脱扣器用于作过负荷保护，其动作电流
需躲过线路的计算电流，即
式中
可靠系数，通常取1.1，但一般应通过实际测度进行调整。
5.低压断路器型号规格的选择与校验
a.断路器的额定电压应大于或等于安装的额定电压。
b.数路器的额定电流应大于或等于它所安装过电流脱扣器与热脱扣器的额定电流。
c.断路器应满足安装处对断流能力的要求。
对动作时间在0.02s以上的DW系列断路器，要求
式中
——断路器的最大分断电流；
——断路器安装处三相短路电流稳态值。
对动作时间在0.02s及以下的DZ系列断路器，要求
或
6.低压断路器还应满足保护对灵敏度的要求以保证在保护区内发生短路故障时能可靠动作，切除故障。
保护灵敏度可按此式进行校验：
式中
——低压断路器瞬时或短延时电流脱扣器的动作电流；
K——保护最小灵敏度，一般取1.3；
被保护线路末端在单相接地电流；对IT系统取下两相短路电流
§6.1.4电流互感器的选择与校验
1.电流互感器应按以下条件选择。
a.电流互感器的额定电压应大于或等于所接电网的额定电压。
b.电流互感器的额定电流应大于或等于所接线路的额定电流。
c.电流互感器的类型和结构应与实际安装地点的安装条件、环境条件相适应。
d.电流互感器应满足准确度等级的要求。
为满足电流互感器准确度等级的要求，其二次侧所接负荷容量S2不得大于规定准确度等级所对应的额定二次容量S2N，即：
S2N
S2
式中
——电流互感器二次侧额定电流，一般为5A
——电流互感器二次侧总阴抗；
——二次回路中所有串联的仪表、继电器电流线圈阻抗之和，可由相关的产品样本查得；
——电流互感器二次侧连接导线的电阻；
——电流互感器二次回路中的接触电阻，一般取0.1
.
2.电流互感器应按以下条件校验动、热稳定度
多数电流器给出了相对于额定一次电流的动稳定倍数（
）和1秒钟热稳定倍数（
）,因此其动稳定度可按此式校验：
其热稳定度可按此式校验：
如电流互感器不满足式上面式子的要求，则应改选较大变流比或具有较大的S2N或|Z2.al|的互感器，或者加大二次侧导线的截面。
§7.1变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定
§7.1.1可靠性
一段母线发生故障，自动装置可以保证正常母线不间断供电。
重要用户可以从不同分段上引接。
出线回路数较多，断路器故障或检修较多，母联断路器长期被占用，对变电站不利。
§7.1.2灵活性
母线由分段断路器进行分段。
当一段母线发生故障时，由自动装置将分段断路器跳开，不会发生误操作。
1.各个电源和各个回路负荷可以任意分配到某一组母线上，
2.能灵活的适应系统中各种运行方式的调度和潮流变化的需要。
3.当母线故障或检修时，
4.隔离开关作为倒换操作电器，
5.容易误操作。
§7.1.3经济性
当进出线回路数相同的情况下，单母线分段接线所用的断路器和隔离开关少于双母线接线。
总结：
对比两种接线方式，从可靠性、灵活性、经济性以及可扩建性等几方面考虑，我认为单母线分段接线方式较适合本设计要求，故高、中、低压三侧均采用单母线分段接线方式。
§7.1.4继电保护的任务
1.供电系统需迅速地切断故障，并保护系统无故障部分继续运行。
2.当系统出现非正常工作状态时，要给值班人员发出信号，使值班人员及时进行处理，以免引起设备故障。
§7.1.5继电保护装置
1.基本要求
1）选择性：
当供电系统某部分发生故障时，继电保护装置应使距离故障点的断路器动作，将故障部分切除，缩小停电范围，保障无故障部分运行。
2）快速性:
快速切断短路故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，可以迅速恢复供电正常的过程，减小对用户的影响。
3）灵敏性：
灵敏性是指对被保护电气设备可能发射的故障和不正常运行发生的反应能力。
4）靠性：
当发生故障时，要求保护装置动作可靠，即在应动作时不能拒动，而在不动作时不会误动作。
§7.1.6主变压器保护
根据规程规定400kVA变压器应设下列保护；
1.瓦斯保护
防御变压器内部短路和油面降低，轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳闸。
2.电流速断保护
防御变压器线圈和引出线的多相短路，动作于跳闸。
3.过电流保护
防御外部相同短路并作为瓦斯保护及电流速断保护的后备保护，动作于跳闸。
4.过负荷保护
防御变压器本身的对称过负荷及外部短路引起的过载。
§7.1.710KV线路保护
1.过电流保护
防止电路中短路电流过大，保护动作于跳闸。
2.过负载保护
防止配电变压器的对称过载及各用电设备的超负荷运行。
§7.2防雷保护和接地装置的设计
§7.2.1架空线路的防雷措施
1.架设避雷线这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV及以上的架空线路上才沿全线装设。
35KV的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。
而10KV及以下的线路上一般不装设避雷线。
2.提高线路本身的绝缘水平在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10KV及以下架空线路防雷的基本措施。
3.利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线由于3～10KV的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。
在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。
4.装设自动重合闸装置线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。
在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。
如果采用一次ARD，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。
5.个别绝缘薄弱
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