某冶金机械厂降压变电所的供电系统设计

1、工厂供电课程设计 某冶金机械厂降压变电所的电气设计 学 院： 信息科学与工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 2012 年 1月27 目录前言3第一章 设计任务4一、设计题目4二、设计要求4三、设计依据41.工厂总平面图42.工厂负荷情况53.供用电协议54.气象条件55.地质水文资料5第二章 负荷计算6第三章 变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择12（一）年耗电量的估算12（二）变电所主变压器台数的选择12（三）变电所主变压器容量的选择12（四）变电所主接线方案的选择13第四章变电所高、低压线路的选择10（一）高压线路导线的选择10（二）低压线路导线

2、的选择10第五章 改善功率因数装置设计第六章 短路电流的计算14第七章 变电所一次设备的选择与校验16（一）一次设备的选择与校验校验的原则16I.按工作电压选择16II.按工作电流选择16III.按断流能力选择16IV.隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验16（二）变电所高压侧一次设备的选择17（三）变电所高压侧一次设备的校验17（四）变电所低压一次设备的选择18（五）变电所低压一次设备的校验18第八章 变电所低压干线、支线上的熔丝及型号19（一）保护电力线路的熔断器熔体电流的选择19（二）保护电力变压器的熔断器熔体电流的选择20（三）保护电压互感器的熔断器熔体电流的选择20（四）熔断器

3、的选择与校验20（五）熔断器保护灵敏度的检验21第九章 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定22（一）二次回路方案选择22（二）继电保护的整定221) 变压器继电保护232）10KV侧继电保护233）0.38KV侧低压断路器保护24结束语26参考文献27附图27附图一某冶金机械厂变电所电气主接线图27附图二某冶金机械厂变平面接线图27前言众所周知，电能是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；电能的输送的分配既简单，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

4、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工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。当下供配电系统的发展趋势是：Ø 提高供电电压：以解决大型城市配电距离长，配电功率大的问题，这在我国城市已经有先例。 Ø

5、逐步淘汰等级: 因为过细的电压分级不利于电气设备制造的发展。Ø 降低功率损耗: 扩大异步电动机的制造容量，只是由于我国在设备上还不能全面配套而尚未推广。 Ø 供配电系统自动化：借助计算机技术和网络通信技术，对配电网进行离线和在线的智能化监控管理。做到保护、运行、管理的自动化，提高工作效率，增强供配电系统的可靠性。关键词：电力、供配电系统、电能、节能、自动化第一章 设计任务一、设计题目：某冶金机械厂降压变电所的电气设计二、设计要求：要根据本厂所能取得的电源及用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂发展，按照可靠性、技术先进性、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

6、压器的台数、容量与类型，选择变电所主接线方案及高低设备和进出线，确定二次回路方案，选择、整定继电保护装置，确定防雷和接地装置,最后要求写出设计说明书，绘出设计图样。三、设计依据： 1. 工厂总平面图如下： 2.工厂负荷情况：该厂多数车间为两班制，年最大负荷小时数为4800h，日最大负荷持续时间为8h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余为三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。该厂的负荷统计资料如下：厂房编号用电单位名称负荷性质设备容量/kW需要系数功率因数1仓库动力720.240.64照明3.40.781.02铸造车间动力

7、2820.340.67照明90.781.03锻压车间动力2820.240.62照明90.781.04金工车间动力2820.240.62照明90.781.05工具车间动力2820.240.62照明90.781.06电镀车间动力2120.480.74照明90.781.07热处理车间动力1420.480.74照明90.781.08装配车间动力1420.340.69照明90.781.09机修车间动力1420.240.64照明5.20.781.010锅炉房动力1420.480.64照明3.40.781.0宿舍区照明2820.681.0 3.供用电协议：按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可由

8、附近一条10Kv的公用电源线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ185,导线为等边三角形排列，线距为1.2米；电力系统馈电变电站距本厂6km,该干线首端所装高压断路器的断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，其定时限过电流保护整定的动作时间为1.5秒。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压或低压联络线由邻近的单位取得备用电源。4.气象条件：（1）最热月平均最高气温为31.5；（2）年最高气温为40；（3）土壤中0.8米深处一年中最热月平均温度为28.7；（4）年雷暴日为31.3天；（5）土壤冻结深度为1.1米；（6）夏季主导风向为东风

9、。5.地质及水文资料：本厂所在地区平均海拔130m，地层以沙粘土为主，地下水位为3m。第二章 负荷计算负荷计算: 采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。具体步骤如下:1. 仓库动力部分:； ； 照明部分：； 2. 铸造车间动力部分: ； 照明部分:； 3. 锻压车间动力部分:； 照明部分:； 4. 金工车间动力部分:； 照明部分:； 5. 工具车间动力部分:； 照明部分:； 6. 电镀车间动力部分: ； 照明部分:； 7. 热处理车间动力部分:； 照明部分:； 8. 装配车间：动力部分； 照明部分:； 9. 机修车间：动力部分:； 照明

10、部分:； 10.锅炉房动力部分 ：； 照明部分：；11. 宿舍区照明： 取全厂的同时系数为：，则全厂的计算负荷为：；(二)无功功率补偿由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为：这时低压侧的功率因数为：，为使高压侧的功率因数0.90，则低压侧补偿后的功率因数应高于0.90，取 。要使低压侧的功率因数由0.77提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：取:=350则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：计算电流变压器的功率损耗为： 变电所高压侧的计算负荷为： 补偿后的功率因数为：满足（大于0.90）的要求。第三章 变电所高、低压线路的选择为了保证供电的安全、可靠、优质、经济，选择导线和电缆

11、时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件；经济电流密度；机械强度。根据设计经验：一般10KV及以下的高压线路和低压动力线路，通常先按发热条件选择导线和电缆截面，再校验其电压损耗和机械强度。对于低压照明线路，因对电压水平要求较高，通常先按允许电压损耗进行选择，再校验其发热条件和机械强度。（一）高压线路导线的选择架空进线后接铜芯交联聚氯乙烯绝缘钢铠护套电力电缆BLV-95,因高压侧计算电流，所选电缆的允许载流量：满足发热条件。（二）低压线路导线的选择由于没有设单独的车间变电所，进入各个车间的导线接线采用TN-C-S系统；从变电所到各个车间及宿舍区用埋地电缆供电，电缆采用LGJ-185型钢芯铝线电缆

12、，根据不同的车间负荷采用不同的截面。其中导线和电缆的截面选择满足条件：1) 相线截面的选择以满足发热条件即，；2) 中性线（N线）截面选择，这里采用的为一般三相四线，满足；3) 保护线（PE线）的截面选择一、 时，；二、 时，三、 时，4) 保护中性线（PEN）的选择，取（N线）与（PE）的最大截面。结合计算负荷，可得到由变电所到各个车间的低压电缆的型号为： 仓库： LGJ-50 铸造车间：LGJ-50 两根并联 锻压车间：LGJ-50 金工车间：LGJ-50 工具车间：LGJ-50 电镀车间：LGJ-70 热处理车间：LGJ-50 装配车间：LGJ-50 机修车间：LGJ-16 锅炉房： L

13、GJ-50 宿舍区： LGJ-95 另外，送至各车间的照明线路采用：铜芯聚氯乙烯绝缘导线BV型号。 第四章 变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择（一）年耗电量的估算年有功电能消耗量及年无功电能耗电量可由下式计算得到：年有功电能消耗量： 年无功电能耗电量： 结合本厂的情况，年负荷利用小时数为4800h，取年平均有功负荷系数，年平均无功负荷系数。由此可得本厂：年有功耗电量： 年无功耗电量：（二）变电所主变压器台数的选择变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷；季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级重要

14、负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。（三）变电所主变压器容量选择。每台变压器的容量应同时满足以下两个条件：1、暗备用条件：任一台变压器单独运行时，宜满足：2、明备用条件：任一台变压器单独运行时，应满足：，即满足全部一、二级负荷需求。代入数据可得：=（0.60.7）×=（568.20662.90）。考虑到未来510年的负荷发展，初步取=1000 。考虑到安全性和可靠性的问题，确定变压器为SC9系列箱型干式变压器。型号：SC9-1000/10 ，其主要技术指标如下表所示：变压器型号额定容量/额定电压/kV联 结 组型 号损耗/kW空载电流%短路阻抗%高压低压空载负载SC9-1000/

15、10100010.50.4Dyn111.457.5 1.36（附：参考尺寸（mm）：长：1570宽：1065高：11667 重量（kg）：3000） （四） 变电所主接线方案的选择方案：高、低压侧均采用单母线分段优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。方案：单母线分段带旁路优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电

16、。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。方案：高压采用单母线、低压单母线分段优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所需停电。以上三种方案均能满足主接线要求，采用方案时虽经济性最佳，但是其可靠性相比其他两方案差；采用方案需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选方案。主接线图，参见附图一高压电气主接线图第五章 改善功率因数装置设计由计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为：这时低压侧的功率因数为：，为使高压侧的功率因数0.90，则低压侧补偿后的

17、功率因数应高于0.90，取 。要使低压侧的功率因数由0.77提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：取:=350则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：计算电流变压器的功率损耗为： 变电所高压侧的计算负荷为： 补偿后的功率因数为：满足（大于0.90）的要求。第六章 短路电流的计算本厂的供电系统简图如下图所示。采用两路电源供线，一路为距本厂6km的馈电变电站经LGJ-185架空线，导线为等边三角形排列，线距为1.2米；（系统按电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，其定时限过电流保护整定的动作时间为1.5秒；另外一路为邻厂高压联络线，

18、满足二级负荷的需要。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。图（一）下面采用标么制法进行短路电流计算。（一）确定基准值：取，则： （二）计算短路电路中各主要元件的电抗标么值： 1) 电力系统的电抗标么值： 2) 架空线路的电抗标么值：3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得，因此： 短路等效电路图如图（二）所示: 图（二）Ø 计算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：2) 三相短路电流周期分量有效值：3) 其他三相短路电流：取冲击系数。 4) 三相短路容量：Ø

19、 计算k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量1) 总电抗标么值：2) 三相短路电流周期分量有效值：3) 其他三相短路电流： 4) 三相短路容量：第七章 变电所一次设备的选择与校验 （一）一次设备的选择与校验校验的原则I.按工作电压选择：设备的额定电压 一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于所在系统的最高电压，即，高压开关设备、熔断器、互感器及支柱绝缘额定电压。II.按工作电流选择：设备的额定电流 不应小于所在电路的计算电流，即III.按断流能力选择：设备的额定开断电流 或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能的最大短路有效值或短路容量，即 或对

20、于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。IV.隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验:a) 动稳定校验条件: 或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值。b) 热稳定校验条件: （二）变电所高压侧一次设备的选择根据冶金机械厂所在地区的外界环境，高压侧采用JYN2-10（Z）型户内移开式交流金属封闭开关设备。此高压开关柜的型号：JYN2-10/4ZTTA（说明：4：一次方案号；Z：真空断路器；T：弹簧操动；TA ：干热带）。其内部高压一次设备根据本厂需求选取，具体设备见附图二变电所高压电气主接线图。初选设备：高压断路器： ZN2-1

21、0/600 高压熔断器：RN1-10/150电流互感器：LQJ-10/5 电压互感器：JDZJ-10 高压隔离开关：GN6-10/200（三）变电所高压侧一次设备的校验校验项目电压kV电流A动稳定电流热稳定电流断流能力kA4skA装设点条件参数数据1054.6812.4557.38295.648 一次设备型号规格额定参数高压断路器ZN2-10/600106003011.6高压熔断器RN1-10/150 1015012电流互感器LQJ-10-200/510200/5电压互感器JDZJ-10 高压隔离开关GN6-10/2001020025.5由上表知高压侧所选一次设备的额定电压、额定电流、动稳定、

22、热稳定均满足要求。（四）变电所低压一次设备的选择低压侧采用GGD2型低压开关柜，所选择的主要低压一次设备参见附图三变电所低压电气主接线图部分初选设备： 低压断路器：DW15系列 低压熔断器：RM10系列 电压互感器：JDG3-0.5 电流互感器：LQJ 、LMZ1 系列 刀开关： HD系列 （五）变电所低压一次设备的校验：校验项目电压kV电流A动稳定电流热稳定电流断流能力kA4skA装设点条件参数数据3801655.088.8652.7134.91 一次设备型号规格额定参数低压断路器DW15-4000/4000380400080低压熔断器RM10系列380电压互感器JDG3-0.5380/10

23、0电流互感器LMZ13802000/53000/5第八章 变电所低压干线、支线上的熔丝及型号（一）保护电力线路的熔断器熔体电流的选择保护线路的熔体电流，应满足下列条件：1. 熔体额定电流应不小于线路的计算电流，以使熔体在线路正常运行时不致熔断，即 2. 熔体额定电流还应躲过线路的尖峰电流，以使熔体在线路上出现正常尖峰电流时也不致熔断。由于尖峰电流是短时最大电流，而熔体加热熔断需一定时间，所以满足条件为：式中，K为小于1的计算系数。对供单台电动机的线路熔断器来说，此系数应根据熔断器的特性和电动机的起动情况决定：起动时间在3s以下（轻载起动），宜取K=0.250.35；起动时间在38s（重载起动）

24、，宜取K=0.350.5；启动时间超过8s或频繁起动、反接制动，宜取K=0.50.8。对多台电动机的线路熔断器来说，此系数应视为线路上容量最大的一台电动机的起动情况、线路尖峰电流与计算电流的比值接近于1，则可取K=1.但必须说明，由于熔断器品种繁多，特性各异，因此上述有关计算系数K的统一取值方法都不一定很恰当，故GB500551993通用用电设备配电设计规范规定：保护交流电动机的熔断器熔体额定电流“应大于电动机的额定电流，且其安秒特性曲线计及偏差后略高于电动机恰当电流和起动时间交点。当电动机频繁起动和制动，熔体的额定电流应再加大12级。”3. 熔断器保护还应与被保护的线路相配合，使之不致发生因

25、过负荷和短路引起绝缘导线或电缆过热起燃而熔体不熔断的事故，因此还应满足条件： 式中，为绝缘导线和电缆的允许载流量；为绝缘导线和电缆的允许短路是过负荷倍数。如果熔断器只作短路保护时，对电缆和绝缘导线，取2.5；对明敷绝缘导线，取1.5。如果熔断器不只作短路保护，而且要求作过负荷保护时应取为1（当则取为0.85）。对有爆炸性气体和粉尘的区域内的线路应取为0.8。(二) 保护电力变压器的熔断器熔体电流的选择 保护变压器的熔断器熔体电流，根据经验，应满足下式要求： 式中，为变压器的额定一次电流。上式考虑了以下三个因素： 1. 熔体电流要躲过变压器允许的正常过负荷电流。油浸式变压器的正常过负荷，在室内可

26、达20%，室外可达30%。正常过负荷下熔断器不应熔断。 2. 熔体电流要躲过来自变压器低压侧的电动机自启动引起的尖峰电流。 3. 熔体电流还要躲过变压器自身的励磁涌流。励磁涌流又称空载合闸电流，是变压器在空载投入时或者在外部故障切除后突然恢复电压时所产生的一个电流。 （三）保护电压互感器的熔断器熔体电流的选择 由于电压互感器二次侧的负荷很小，因此保护高压电压互感器的RN2型熔断器的熔体额定电流一般为0.5A。 （四）熔断器的选择与校验 选择熔断器是应满足下列条件：1. 熔断器的额定电压应不低于线路的额定电压。2. 熔断器的额定电流应不小于它所装熔体的额定电流。3. 熔断器的类型应符合安装条件（

27、户内或户外）及被保护设备对保护的技术要求。熔断器还必须进行断流能力的校验：1. 对限流式熔断器（如RN1、RT0等），由于限流式熔断器能在短路电流达到冲击值之前完全熔断并熄灭电弧，切除短路，因此需满足条件： 式中，为熔断器的最大分断电流；为熔断器安装地点的三相次暂态短路电流有效值，在无限大容量系统中，。2. 对非限流式熔断器（如RW4、RM10等），由于非限流式熔断器不能在短路电流达到冲击值之前熄灭电弧，切除短路，因此需满足条件：式中，为熔断器安装地点的三相短路冲击电流有效值。3. 对具有断流能力上下限的熔断器（如RW4等跌开式熔断器），其断流能力的上限应满足下列条件：式中，为熔断器的最小分断

28、电流；为熔断器所保护线路末端两相短路电流（对中性点不接地的电力系统）。（五）熔断器保护灵敏度的检验 为了保证熔断器在其保护区内发生短路故障时可靠的熔断，按规定，熔断器保护的灵敏度应满足下列条件：式中，为熔断器的额定电流；为熔断器保护线路末端在系统最小运行方式下的最小短路电流；对TN系统和TT系统，为线路末端的单相短路电流或单相接地故障电流；对IT系统和中性点不接地系统，为线路末端的单相短路电流或单相接地故障高压熔断器来说，为低压侧母线的两相短路电流折算到高压侧之值；K为灵敏系数的最小比值，如下表所示。熔体额定电流410A1632A4063A80200A250500A熔断时间5s4.555670

29、.4s891011根据以上原则选择的低压干线、支路的熔丝及型号见附图二第九章 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定(一) 二次回路方案选择1) 二次回路电源选择 二次回路操作电源有直流电源，交流电源之分。蓄电池组供电的直流操作电源带有腐蚀性，并且有爆炸危险；由整流装置供电的直流操作电源安全性高，但是经济性差。 考虑到交流操作电源可使二次回路大大简化，投资大大减少，且工作可靠，维护方便。这里采用交流操作电源。2) 高压断路器的控制和信号回路高压断路器的控制回路取决于操作机构的形式和操作电源的类别。结合上面设备的选择和电源选择，采用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路。3) 电测量仪表与绝缘监视装

30、置a) 10KV电源进线上：电能计量柜装设有功电能表和无功电能表；为了解负荷电流，装设电流表一只。b) 变电所每段母线上：装设电压表测量电压并装设绝缘检测装置。c) 电力变压器高压侧：装设电流表和有功电能表各一只。d) 380V的电源进线和变压器低压侧：各装一只电流表。e) 低压动力线路：装设电流表一只。4) 电测量仪表与绝缘监视装置在二次回路中安装自动重合闸装置（ARD）（机械一次重合式）、备用电源自动投入装置（APD）。（二）继电保护的整定 继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的

31、过电流保护和瞬时动作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在变电所高压母线上，动作于信号。继电保护装置的接线方式采用两相两继电器式接线；继电保护装置的操作方式采用交流操作电源供电中的“去分流跳闸”操作方式（接线简单，灵敏可靠）；带时限过电流保护采用反时限过电流保护装置。型号都采用GL-25/10 。其优点是：继电器数量大为减少，而且可同时实现电流速断保护，可采用交流操作，运行简单经济，投资大大降低。此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用相关断路器实现三段保护。1)变压器继电保护变电所内装有两台10/0.41000的变压器。低压母线侧三相短路电流为，高压侧

32、继电保护用电流互感器的变比为200/5A，继电器采用GL-25/10型，接成两相两继电器方式。下面整定该继电器的动作电流，动作时限和速断电流倍数。a)过电流保护动作电流的整定： ，故其动作电流：动作电流整定为4.5A。b)过电流保护动作时限的整定由于此变电所为终端变电所，因此其过电流保护的10倍动作电流的动作时限整定为。c)电流速断保护速断电流倍数整定取 ，故其速断电流为： 因此速断电流倍数整定为： 2）10KV侧继电保护在此选用GL-25/10型继电器。由以上条件得计算数据：变压器一次侧过电流保护的10倍动作时限整定为0.5s；过电流保护采用两相两继电器式接线；高压侧线路首端的三相短路电流4

33、.889kA；变比为200/5A保护用电流互感器动作电流为4.5A。下面对高压母线处的过电流保护装置进行整定。（高压母线处继电保护用电流互感器变比为200/5A）整定的动作电流取，故， 根据GL-25/10型继电器的规格，动作电流整定为6A 。整定的动作时限：母线三相短路电流反映到中的电流:对的动作电流的倍数，即：.16由反时限过电流保护的动作时限的整定曲线确定的实际动作时间：=0.6s。的实际动作时间：母线三相短路电流反映到中的电流： 对的动作电流的倍数，即：所以由10倍动作电流的动作时限曲线查得的动作时限：。3）0.38KV侧低压断路器保护整定项目：(a)瞬时过流脱扣器动作电流整定：满足 ：对万能断路器取1.35；对塑壳断路器取22.5。(b)短延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：满足: 取1.2。另外还应满足前后保护装置的选择性要求，前一级保护动作时间比后一级至少长一个时间