某铜业公司变配电所电气部分初步设计

某铜业公司变配电所电气部分初步设计供配电工程课程设计报告完成时间2012年5月30日湖北理工学院课程设计报告供配电工程课程设计任务书（1）一、设计题目通过本课程设计，熟悉现行国家标准和设计规范，树立起技术与工程经济相统一的辨证观点；培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；掌握电气工程设计计算的方法，为今后从事电力工程设计、建设、运行及管理工作，打下必要的基础。要求根据用户所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。三、设计依据该公司是一个集设计、开发、生产、销售为一体的专业水暖器材成套系列产品生产厂家，厂区占地50000平方米，产品主要包括地漏系列、管件系列、法兰系列、水表壳系列、低压阀系列、洁具系列等六大类产品，一千多个品种。公司下设模具车间、铸造车间、机加工车间、抛光车间、电镀车间及装配等六大车间，还有设计室、化验中心、检测中心、研发中心等科研机构。1、工厂负荷情况本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为4500小时，日最大负荷持续时间6小时。负荷统计资料如表1所示。按二级负荷设计。湖北理工学院课程设计报告2、供电电源情况按照工厂与当地电业部门签订的供用电协议规定，本厂可从某3510KV地区变电站取得3工作电源。该3510KV地区变距离本厂约为5KM，10KV母线短路数据SK、MAX200MVA3SKMVA，其出口断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保MIN110护整定的动作时间为15S。工厂最大负荷时的功率因数不得低于090。3气象资料本厂所在地区的年最高气温为40，年平均气温为25，年最低气温为2，年最热月平均最高气温为33，年最热月平均气温为26，年最热月地下08M处平均温度为25。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为522天。4地质水文资料本厂所在地区平均海拔200M，地层以砂粘土为主，地下水位为2M。5电费制度当地现行销售电价如表2所示。本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电价制交纳电费。四、设计任务设计内容包括变配电所的负荷计算及无功功率的补偿计算，变配电所所址的选择，变压器台数和容量、型式的确定，变配电所主接线方案的选择与绘制，高低压配电线路及导线截面选择，短路计算和开关设备的选择，继电保护的整定计算，防雷保护与接地装置设计等。表2现行销售电价表目录摘要1关键词11前言211工厂供电的意义和要求2湖北理工学院课程设计报告2负荷计算的意义及相关参数的计算221负荷计算的意义及参数计算222车间负荷计算结果33无功补偿的计算331无功补偿计算方法332各个车间的补偿结果44变压器的台数、容量和类型的选择541车间变压器的选择原则5411变电所主变压器台数的选择5412变电所主变压器容量的选择642选择车间变压器的台数、容量和类型6421根据表41选择变压器的台数、容量和类型6422该工厂得自然条件65电气主接线方案选择751电气主接线的意义及重要性752电气主接线的设计7521主接线方案的比较7522主接线方案的选择96短路电流的计算1061产生短路电流的原因、危害及计算方法1062短路电流点的计算117高、低压电气一次设备的选择1571电气设备的选择对工厂企业的意义1572电气设备的选择及其校验理论1673继电保护及一次侧主接线设备的选择校验17731继电保护17732一次设备的校验1874电线电缆选择与校验19741电线电缆选择的条件19742架空线的选取与校验20湖北理工学院课程设计报告8防雷接地2181防雷接地的理论基础2182防雷接地的保护措施22小结23参考文献24湖北理工学院课程设计报告摘要关键词负荷计算无功补偿短路电流计算电气主接线电气设备选择1湖北理工学院课程设计报告1前言11工厂供电的意义和要求随着经济建设的发展，中国当前城市建设发展迅速，其规模之大、范围之广，均是空前的。供配电技术这门课主要讲述电力系统概论，负荷计算，短路电流计算，交配电所及其一次系统，电力设备的选择，电力线路，供配电系统的继电保护，变电所二次回路及自动装置，电气安全，防雷和接地，电气照明，供配电系统的运行和管理。学好供配电技术这门课程对于发展工业生产，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，因此学好供配电技术这门课程，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。本课题应用供配电设计的基本原则和方法进行塑料五金厂供配电系统电气部分设计。通过本课程设计,培养学生综合运用所学的理论知识、基本技能和专业知识分析和解决实际问题的能力,培养学生独立获取新知识、新技术和新信息的能力,使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路,学生能够理解“安全、可靠、优质、经济”的设计要求,掌握工厂供电系统设计计算和运行维护所必须的基本理论和基本技能。2负荷计算的意义及相关参数的计算21负荷计算的意义及参数计算负荷计算是设计的基础,它决定设备容量的选用,管网系统的规模以及工程总造价等,这是技术人员熟知的事实。但是近几年来用估算的方法替代了负荷计算,给制定方案、工程审核造成一定的困难。通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷（CALCULATEDLOAD）。目前，对工矿企业的电力负荷计算主要采用三种方法单位容量法、需要系数法、用系数法。在本设计中采用的是需要系法来进行负荷计算。（一）一组用电设备的计算负荷主要计算公式有有功计算负荷PCKDPE21无功计算负荷QCPCTAN22视在计算负荷SCPC/COS23计算电流ICSC/UN242湖北理工学院课程设计报告式中KD为用电设备组的需要系数值；COS为用电设备组的平均功率因数；TAN为功率因数COS的正切值；UN为用电设备组的额定电压。22车间负荷计算结果3无功补偿的计算31无功补偿计算方法在交流电路中,由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率,一种是无功功率。根据电容器在工厂供电系统中的装设位置，有高压集中补偿，低压成组补偿和低压补偿三种方式。由于本设计中上级要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于092,而由上面计算可知COS0609，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低压集中补偿。以NO1STS1车间变电所为例,计算它的功率补偿QNC43667（TANARCCOS075993TANARCCOS093）KVAR28905KVAR根据补偿柜的规格要求,初选WZ04100J,每组容量QNC100KVAR,则需要安装的电容组数为NQNC/QNC3无功补偿后，变电所低压侧的视在计算负荷为SC3湖北理工学院课程设计报告PC3735KVARSC39771963KVACOSA09391又考虑到变压器的功率损耗为22SSCCPPTPFEPCUN0PKSSNT2NT2SCI0UKSCQTQ0QNSNT100100SNTSNT32简化公式有PT001SC，QT005SC33变电所高压侧计算负荷为PC1PCPT3775KWQC1QCQNCQT1566KVARSC140865KVA补偿后的功率因数为COSPC1/SC10923732各个车间的补偿结果由计算,可以算出在变压器的高压侧无功补偿后的结果,见下表324湖北理工学院课程设计报告表32功率补偿后结果（高压侧）电容补偿方案采用WZ系列无功补偿柜表33电容补偿柜选取方案4变压器的台数、容量和类型的选择41车间变压器的选择原则411变电所主变压器台数的选择选择主变压器台数时应考虑下列原则1）应满足用电负荷对供电可靠性的要求。2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所。3）除上述两种情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。4）在确定变电所主变压器台数时，应当考虑负荷的发展，留有一定的余量。5湖北理工学院课程设计报告412变电所主变压器容量的选择1）只装一台主变压器的变电所主变压器的容量SNT应满足全部用电设备总计算负荷S30的需要，即SNTS302）装有两台主变压器的变电所每台变压器的容量SNT应同时满足以下两个条件任一台单独运行时，SNT（0607）S30任一台单独运行时，SNTS30（）42选择车间变压器的台数、容量和类型421根据表41选择变压器的台数、容量和类型由于铸造车间要求较高，故设置两台变压器，负荷率为70。另考虑到综合楼设备的使用安全，特单独设置一变压器。422该工厂得自然条件本厂所在地区的年最高气温为40，年平均气温为25，年最低气温为2，年最热月平均最高气温为33，年最热月平均气温为26，年最热月地下08M处平均温度为25。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为522天。S11系列变压器符合自然条件要求。初步选定变压器的容量型号如下表6湖北理工学院课程设计报告5电气主接线方案选择51电气主接线的意义及重要性电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中,为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。对一个电厂而言,电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等,从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面,经综合比较后确定。它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。电气主接线又称电气一次接线图。电气主接线应满足以下几点要求1）运行的可靠性主接线系统应保证对用户供电的可靠性,特别是保证对重要负荷的供电。2）运行的灵活性主接线系统应能灵活地适应各种工作情况,特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时,能够通过倒换开关的运行方式,做到调度灵活,不中断向用户的供电。在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。3）主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下,做到经济合理,尽量减少占地面积,节省投资。52电气主接线的设计变配电所的电气主接线是一电源进线和引出线为基本环节，以母线为中间环节的电能输配电路。521主接线方案的比较其基本形式按有母线接线和无母线接线。母线又称汇流排，起着汇集电能的作用。在拥护的变配电所中，有母线的主接线按母线的设置不同，又有单母线接线，单母线分段接线，双母线接线。（1）单母线接线典型的单母线接线形式如图1，图A为一路电源进线的情况，图B为两路电源进线一用一备的情况。单母线接线优点是简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建。7湖北理工学院课程设计报告图1单母线接线（2）单母线分段接线单母线分段接线保留了单母线接线的优点，又在一定程度上克服了他的缺点，如缩小了母线故障的影响范围、分别从两段母线上引出两路出现可保证对一级负荷的供电等。接线方式如图2图2单母线分段接线（3）双母线接线双母线接线是针对单母线分段接线母线故障会造成部分出线停电的缺点而提出的。一般仅用于有大量一、二级负荷的大型变配电所。接线方案如图38湖北理工学院课程设计报告图3双母线接线522主接线方案的选择综合考虑主接线方案的技术指标和经济指标及以上接线方案后，最终确定接线方案如下（1）变压器一次侧主接线方案采用10KV的高压成套设备为KYN28A12（Z）（GZS1）型铠装移开式交流金属封闭开关设备，一路供电电源，左侧电缆引入、右侧电缆引出。如图4图4变压器一次侧主接线方案（2）变压器二次侧双电源单母线接线9湖北理工学院课程设计报告图5变压器二次侧双电源单母线接线（3）变压器二次侧双电源单母线分段接线针对本课题，设计铸造车间为双电源单母线分段接线，以提高铸造车间供电可靠性与灵活性，保证重要负荷连续供电。具体接线方案如图4所示。图6变压器二次侧双电源单母线分段接线6短路电流的计算61产生短路电流的原因、危害及计算方法短路电流产生的原因（1）设备绝缘损坏。老化、污闪、雾闪、盐碱击穿。（2）外力破坏。雷击、鸟害、动物接触、人员或植物距离太近。（3）设备机械损伤。疲劳严重、断线、倒塔、倒杆、电动力太大拉断导线。（4）运行人员误操作、带地线合隔离开关、带负荷拉隔离开关。（5）其他原因。短路电流产生的主要危害（1）短路电流的弧光高温直接烧坏电气设备。（2）短路电流造成的大电动力破坏其它设备，造成连续的短路发生。（3）电压太低影响用户的正常供电。短路10湖北理工学院课程设计报告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）。62短路电流点的计算本设计采用标幺制法进行短路计算1在最大运行方式下以STS2变电所为例SKMAX2001确定基准值取SD100105KV04KV而（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值电力系统100/20005架空线路电力变压器L/1587345绘制等效电路如图62，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。图7等效电路3求K1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流11湖北理工学院课程设计报告1）总电抗标幺值2092）三相短路电流周期分量有效值263KA3其他三相短路电流263KA672KA39KA4三相短路容量/4794）求K2点的短路总电抗标幺值及短路电流1）总电抗标幺值6592）三相短路电流周期分量有效值2191KA3其他三相短路电流2191KA4031KA2388KA12（湖北理工学院课程设计报告4三相短路容量100/85321518短路计算结果表见表61表61STS2最大运行模式短路计算2最小方式运行情况下以STS2为例计算SKMIN110MV计算过程同最大运行模式。其短路计算表如下表62STS2最小运行模式短路计算其它车间K1点即变压器高压侧短路时的短路电流和短路容量是相同的,只需计算K2点变压器低压侧短路时的短路电流和短路容量根据相同的方法可计算其它车间K2点短路电流和短路容量。计算结果如下表所示。13湖北理工学院课程设计报告表63STS1最大运行模式短路计算表64STS1最小运行模式短路计算表65STS3最大运行模式短路计算14湖北理工学院课程设计报告表66STS3最小运行模式短路计算表67STS4最大运行模式短路计算表68STS4最小运行模式短路计算7高、低压电气一次设备的选择71电气设备的选择对工厂企业的意义电器是指能够根据外界施加的信号和要求，自动或手动地接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保15湖北理工学院课程设计报告护、调节和传递信息用的电气器具。工厂供电系统的安全运行对工业企业来说至关重要，特别是对于大型企业，企业供电的可靠性、连续性和安全性要求很高。72电气设备的选择及其校验理论供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。电气设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。对于高压设备器件的校验项目见表71的位置（室内或室外）、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率（一般为50HZ）等的要求；对一些断流电器如开关、熔断器等，应考虑其断流能力。16湖北理工学院课程设计报告73继电保护及一次侧主接线设备的选择校验731继电保护对于该工厂采用带时限过电流保护。进出线示意图如图61图8工厂进出线示意图QF1处的动作时间为15S，QF2处的动作时间为10S，QF3处的动作时间为05S。以1号变电所即模具车间为例，进行继电保护的计算整定K1处的定时限过电流保护动作电流取查附表，选用DL31/6型电磁式电流继电器，动作电流整定为7A。1）整定K2的定时限过电流保护动作电流取故查附表，选用DL31/15型电流型继电器，动作电流整定为15A。2）整定K3处定时限过电流保护动作电流根据具体的用电设备计算整定电流。3）定时限过电流灵敏度校验17湖北理工学院课程设计报告对K1处所以K1处的定时限过电流保护灵敏度为可见其整定动作电流满足保护灵敏度要求。对K2处所以K2处的定时限过电流保护灵敏度为可见其整定动作电流满足保护灵敏度要求。732一次设备的校验在本设计中所用到的10KV的高压成套设备为KYN28A12（Z）（GZS1）型铠装移开式交流金属封闭开关设备（以下简称“开关设备”）它适用于三相交流50HZ电力系统，用于接受和分配电能并对电路实行控制，保护及监测。此设计一次侧校验结果见下表18湖北理工学院课程设计报告74电线电缆选择与校验741电线电缆选择的条件（1）发热条件（2）电压损失条件（3）经济电流密度条件（4）机械强度条件5短路热稳定条件对电力电缆不必校验机械强度。其具体校验条件如下A按发热条件选择导线和电缆截面按发热条件选择三相系统中的相线截面时，应使其允许载流量IAL大于通过相线的计算电流IC，即IALIC所谓导线和电缆的允许载流量，就是在规定的环境温度条件下，导线能够连续承受而不致使其稳定温度超过允许值的最大电流。影响导线和电缆的允许载流量的主要因素导线和电缆的导体材料与绝缘材料、导线和电缆的环境温度、导线和电缆的敷设方式、导线和电缆的并列根数。按发热条件选择导体截面后，再校验电压损失、机械强度、短路热稳定等条件。B按电压损失条件选择导线和电缆截面。当先按电压损失条件选择导线或电缆，下同截面时，由于截面未知，故有两个未知数，即导线的电阻和电抗。可先假定一个单位长度的电抗值X0,然后再进行选择计算。19湖北理工学院课程设计报告N1NRPLXQL0IIUAL20II10UNI1I1N2R010UUALXQLN0II72I1PL1I1IIA式中R073是导线材料电阻率的计算值，铜取188，单位M109。C经济电流密度35KV以上高压线路考虑经济截面，用户的10KV及以下线路通常不按此条件选择。D校验机械强度导线截面应不小于其最小允许截面E短路热稳定对绝缘导线电缆和母线应校验其短路热稳定性校验公式如下I103AC742架空线的选取与校验1、架空线的选取（1）按发热条件选择截面面积选用LJ型铝绞线（AL70），距离2KM。（1）按发热条件选择架空线截面由表32得相线总计算电流IC2359387753097987123437A允许电流IALIC，故初步选取环境温度35，导线截面积352,IAL155A,因与环境温度33不符，故需计算修正系数K20湖北理工学院课程设计报告K1028故导线实际允许载流量为IAL155K155102815937A123437A，因此可选LJ型，截面积352导线。（2）按电压损失条件进行校验查表得R00950，取X00366，由公式得U377477095021565603662616531095022659903662（841962095023967203662）（127346095021540403662）/（101010）4445所选架空线满足要求。（3）校验机械强度查表得，10KV架空线路铝绞线的最小截面积为352，因此，所选导线是满足机械强度要求的。8防雷接地81防雷接地的理论基础1、雷击电磁脉冲（代号LEMP）是一种电磁干扰源，它是在建筑物防雷装置和附近遭受直击雷击的情况下，由雷电的强大闪电流引起的静电场、电磁场和电磁辐射等所产生的效应。为了保障信息系统的防雷安全，必须对雷击电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在建筑物内实现良好的电磁兼容性（代号EMC）。对于建筑物内的信息系统来说，屏蔽、接地和等电位连接可以控制不同防雷区雷击电磁环境，达到人为控制雷击电磁脉冲干扰程度的作用。2、过电压的概念雷电过电压。由大气中的雷云对地面放电而引起的。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷21湖北理工学院课程设计报告线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。3、接地与接地装置1接地电流与对地电压接地是指电气设备为达到安全和功能需要为目的，将其某一部分与大地之间作良好的电气连接。埋入地中并与土壤作良好接触的金属导体称为接地体或称接地极。电气设备在发生接地故障时，电流将通过接地体以半球形向大地中散开。在距离接地体越远的地方，半球的球面积越大，其散流电阻越小，相对于接地点处的电位就越低。2接地类型1功能性接地为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的接地，又称工作接地。2保护性接地为了保证电网故障时人身和设备的安全而进行的接地。3功能性与保护性合一的接地如屏蔽接地82防雷接地的保护措施防雷设备由接闪器、引下线、接地装置等组成。接闪器是专门用来接受直接雷击的金属物体。接闪器包括金属杆状的避雷针，金属线状的避雷线，金属带状或网状的避雷带、避雷网等。防雷引下线应优先利用自然引下线，还宜利用建筑物的钢柱、消防梯、金属烟囱等作为自然引下线，但其各部分之间均应连成电气通路。引下线的数量及间距应按规范要求设置。采用多根引下线时，宜在各引下线距地面03M至18M之间设置断接卡。当利用混凝土柱或剪力墙中的主钢筋作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，但应在适当地点设置若干连接板，以便于接地电阻的测量，以及补打人工接地体和作等电位体联结用。避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。避雷器应尽可能靠近变压器安装。避雷器接地线应与变压器低压侧接地中性线及金属外壳连在一起接地。接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。当采用共用接地装置时，其接地电阻应按各系统中最小值要求设置。若接地电阻达不到要求，应加接人工接地体该工厂得自然条件为年最高气温39，年平均气温23，年最低气温5,年最热月平均最高气温3