某工厂10kv车间变电所电气部分设计

1、摘 要本设计的题目为“某工厂10kV车间变电所电气部分设计”。设计的主要内容包括：变电所主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。其中还对变电所的主接线通过CAD制图直观的展现出来。本次设计的内容紧密结合实际，通过查找大量相关资料，设计出符合当前要求的变电所。本变电所对低压侧负荷的统计计算采用需要系数法；为减少无功损耗，提高电能的利用率，本设计进行了无功功率补偿设计，使功率因数从提高到；短路电流的计算包括短路点的选择及其具体数值

2、计算；而电气设备选择采用了按额定电流选择，按短路电流计算的结果进行校验的方法；继电保护设计主要是对变压器进行电流速断保护和过电流保护的设计计算；配电装置采用成套配电装置；本变电所采用避雷针防直击雷保护。关键词： 短路电流计算，继电保护，接地装置，变压器 目录前言1第1章任务说明31.1 设计要求31.2 负荷情况3第2章机加工车间的负荷计算52.1 负荷计算52.2 无功功率补偿7第3章工厂变电所的设备选择及主接线设计93.1变电所主结线的选择103.1.1 变电所主接线的选择原则103.1.2 变电所主接线方案的选择11第4章工厂供、配电系统短路电流计算134.1短路电流计算134.2绘制计

3、算电路图134.3确定基准值144.4计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值144.5 k-1故障点的短路电流计算154.6 k-2障点的短路电流计算16第5章变电所一次设备的选择校验175.1一次设备的选择与校验的条件和项目175.2变电所10kV侧一次设备的选择19第6章变电所进出线与邻近单位联络线的选择246.1 10kV高压进线的选择校验246.1.1 10kV高压进线与邻近单位联络线的选择256.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择256.2作为备用电源的高压联络线的选择校验28第7章变电所二次回路方案的选择307.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路307.2 变电所的电

4、能计量回路307.3 变电所的测量和绝缘监察回路317.3.1 变电所高压侧测量和绝缘监察回路317.3.2 变电所低压侧测量和绝缘监察回路327.4 变电所的保护设备327.4.1 对继电保护装置的基本要求327.4.2 主变压器的继电保护装置337.4.3 作为备用电源的高压联络线的极点保护装置347.4.3 变电所低压侧的保护装置35前言变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。无论国内国外，还是从管理方、运行方及设计单位对于变电站实现综合自动化均取得了共识。变电站综合自动化也采用了新的技术全分散式变电

5、站自动化系统和先进的网络技术。本课题设计了一个某工厂的供电系统，在满足工厂供电设计中安全、可靠、优质、经济的基本要求的前提下，首先根据全厂和车间的用电设备情况和生产工艺要求，进行了负荷计算，通过功率因数的计算，进行无功补偿设计(包括无功补偿容量计算和补偿设备选择、校验)，确定了工厂的供电方案，通过技术经济比较，确定了供电系统的主接线形式，选择了主变压器的台数和容量。其次，本文设计了厂区供电和配电网络，进行了车间变电所以及车间配电系统和车间电气照明设计，按照经济电流密度法，选择了合适的导线和电缆，通过合理设置短路点，进行正确的短路电流计算，进行了主要电气设备的选型和校验。最后，本文还进行了主变电

6、压器和主要电力线路的继电保护设计。通过上述设计，基本确定了某机加工厂内部的供配电系统，并且在本设计中，尽可能选择低损耗电气设备，以节约电能，体现了节能环保的设计思想。表0-1 工厂供电设计依据的主要设计规范序号规范代号规范名称1GB50052-95供配电系统设计2GB50053-9410kV及以下变电所设计3GB50054-95低压配电设计4GB50055-93通用用电设备配电设计5GB50057-94建筑物防雷设计6GB50058-92爆炸和火灾危险环境电力装置设计7GB50059-9235110kV变电所设计8GB50060-923110kV高压配电装置9GB50061-9766kV及以下

7、架空电力线路设计10GB50062-92电力装置的继电保护和自动装置设计11GBJ63-90电力装置的电测量仪表装置设计12GB50064-XX电力装置过电压保护13GB50065-XX电力装置的接地设计14GB500217-94电力工程电缆设计15GB500227-95并联电容器装置设计16GB50034-92工业企业照明设计标准17JBJ6-96机械工厂电力设计18JGJ/T16-92民用建筑电气设计第1章 任务说明1.1 设计要求本设计的要求是根据本地某工厂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，确定变电所的位置和型式，

8、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，确定二次回路方案，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地设备。1.2 负荷情况本厂多数车间为三班制，最大负荷利用小时，除1#、2#、3#车间部分设备属二级负荷外，其它均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明设备为单相，额定电压为220V。本厂的负荷统计参见下表1-1。供电部门对功率因数的要求值：10kV供电时，。变电所位置已选定，每个车间距离变电所的距离为：1#车间：110m； 2#车间：80m；3#车间：100m； 4#车间：90m。表1-1 车间负荷情况车间设备类别各机械组代号设备容量Pe

9、/kVA需要系数1#动力180752#动力182156续表1-1 车间负荷情况187照明123#动力159135照明84#动力18014710第2章 机加工车间的负荷计算2.1 负荷计算我国目前普遍采用的确定设备计算负荷的方法有需要系数法和二项式法两种，而前者应用最为普遍。需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算计算负荷。当用电设备台数较多、各台设备容量相差不甚悬殊时，通常都采用需要系数法计算；二次项系数法：将符合分为基本负荷和附加负荷，后者考虑一定数量大容量设备影响。当用电设备台数少而容量相差悬殊，用二项式法计算1-3。本设计结合实际情况，采用需要系数法确定。主要计算公式有

10、：有功计算负载：无功计算负载：视在计算负载：计算电流：各用电车间负荷计算结果如表2-1所示表2-1 车间负荷计算表编号名称类别各机械组代号设 备容量Pe/kW需要系数KdcosTan计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1机加工动力18012675续表2-1 车间负荷计算表车间小计-2582铸造车间动力182156106187照明12小计-5373铆焊车间动力1591061358190照明8小计-302-1784电修车间动明10小计-337-290总计(380V侧)全部线路-取，6531339由前面统计结果，取，计算总有功计算负荷，总无功计算负荷

11、，总的视在计算负载，总的计算电流：最大负荷时的功率因数：计算的结果同样填入上表。2.2 无功功率补偿在供电营业规则中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：100kVA以及以上电压供电的用户功率因数为以上，其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为以上”，基于此，我们取cos应大于。而由上面计算可知，低于，因此必须进行无功补偿1-3。考虑到变压器本身的无功功率损耗QT远大于其有功功率耗损PT,一般，因此，在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高于，这里取。要使低压侧功率因数由提高到，低压侧需装设的并联电容容量为：=313.4

12、kvar，取QC = 450 kvar参考附图2可知，选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容可选用型。因此，其电容器的个数为：。由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，经计算，取9个正好。无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：变压器的功率损耗为是变电所高压侧的计算负荷为无功率补偿后，工厂的功率因数为即工厂的功率因数因此，符合本设计的要求。无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2-2所示。表2-2 无功补偿后工厂的计算负荷项目cos计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A380V侧补偿前负荷6531339380V侧无功补偿容量-450-380V侧补偿后负荷653主变压

13、器功率消耗-1040-10kV侧负荷总计663第3章 工厂变电所的设备选择及主接线设计3.1变电所主接线方案的选择母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式。常用的母线制主要有三种：单母线制，单母线分段制和双母线分段制。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 ，供电可靠性相当高，可供一、二级负荷。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：

14、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。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，整个变电所仍需停电。以上三种方案均能满足主接线要求，但第三种最经济，因此优先考虑。但可靠性较低，但如果高低压侧有与其他的变电所相连的联络线时，则供电可高性将得到大大的提高。因此最终方案是高压侧采用单母线，低压侧单母线分段，同时旁路加上与其他的变电所相连的联络线。主接线电路图如图3-2所示。图3-2 某车间变

15、电所主接线电路图 第4章 工厂供、配电系统短路电流计算4.1 短路电流计算短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺值法两种。该设计采用标幺值法计算短路电流。在标幺值法中，参与运算的物体量均用其相对值。因此标幺值的概念是：所谓的基准值是衡量某个物理量的标准或尺度。 绘制计算电路图短路点k-1，k-2取变压器两侧。因此短路计算电路图如图4-1所示。图4-1 短路计算电路 确定基准值设，低压侧，则基准电流： 4.4 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值1. 电源的电抗标幺值由任务资料断路器容量为，因此2. 架空线路的电抗标幺值架空线路初选LJ-120，验证在第6章进行。假设架空线路线间几何均距为15

16、00mm，则由附录表14可查得，而线路长5km，故架空线路的的电抗标幺值为3. 电力变压器的电抗标幺值根据第3章3.1节中对变压器台数和容量的选择结果，本设计中选择2台型号为S9-500/10 的变压器，查附表1可得，其短路电压百分数，因此绘短路等效电路图如图4-2所示，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标明了短路计算点。图4-2 短路等效电路图4.5 k-1故障点的短路电流计算1. 总电抗标幺值2. 三相短路电流周期分量有效值3. 其他短路电流4. 三相短路容量4.6 k-2故障点的短路电流计算1. 总电抗标幺值2. 三相短路电流周期分量有效值3. 其他短路电流4. 三相短路容量计算结果综

17、合如表4-2所示1-7。表4-2 短路计算结果短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk1k2第5章 变电所一次设备的选择校验 一次设备的选择与校验的条件和项目1. 按正常工作条件，包括电压、电流、频率、开断电流等选择。(1) 工作电压选择 设备的额定电压UNe不应小于所在线路的额定电压UN，即。(2) 工作电流选择 设备的额定电压INe不应小于所在线路的额定电压IN，即。(3) 按断流能力选择设备的额定开断电流I0c或断流容量Soc不应小于设备分段瞬间的短路电流有效值Ik或短路容量Sk，即，。2. 按短路条件进行动稳定和热稳定的校验。隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验：(1)

18、 动稳定校验条件或式中 、开关的极限通过电流（动稳定电流）峰值和有效值（单位为kA）；、开关所在处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值（单位为kA）。(2) 热稳定校验条件式中 开关的热稳定电流有效值（单位为kA）；t开关的热稳定试验时间（单位为s）；开关所在处的三相短路稳态电流（单位为kA）；短路发热假想时间（单位为s）。短路发热假想时间tima一般按下式计算在无限大容量系统中，由于，因此式中 tk短路持续时间，采用该电路主保护动作时间加对应的断路器全分闸时间。当时，。 电流互感器的短路稳定度校验：(1) 动稳定校验条件或(2) 热稳定校验条件或3. 考虑电气设备运行的环境以及有无防尘、防腐、防

19、火、防爆等要求。4. 按各类设备的不同特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确级等进行选择3,9。选择一次设备时应校验的项目如表5-1所示。表5-1 选择一次设备的校验项目一次设备名称额定电压额定电流开断电流短路电流校验环境条件其他动稳定热稳定高低压熔断器×高压隔离开关操作性能高压断路器操作性能低压刀开关××操作性能低压断路器××操作性能电流互感器操作性能电压互感器操作性能母线电缆备注表中“”表示必须校验项目。“”表示不必校验项目，“×”表示一般可不校验5.2 变电所10kV侧一次设备的选择根据机械厂所在地区的外界环境，高

20、压侧采用GG-1A(F)型户内移开式交流金属封闭开关设备。其内部高压一次设备根据本厂需求选取，假设继电保护都做时间为1.1s，断路器短路时间为0.2s，初选设备：高压断路器： SN10-10I；高压熔断器：RN1-10/50高压隔离开关：-10T/200；避雷器：FS4-10电流互感器：LQJ-10/0.5；电压互感器：JDZ-10因为继电保护都做时间为1.1s，断路器短路时间为0.2s，所以tima=tk=1.3。因此由上述一次设备验证条件可知：高压断路器SN10-10I：查附录表2可知额定电压为10kV，额定电流630A，额定开断电流16kA，极限通过电流40kA，热稳定电流16kA。本设

21、计中，；。因此符合条件。高压隔离开关：查附录表3可知额定电压为10kV，额定电流200A,动稳定电流峰值为25.5kA，热稳定电流为10kA。本设计中，。根据5.2节中高压隔离开关的验证条件则：；。因此符合条件。电流互感器LQJ-10：查附录表8可知额定电压为10kV，额定电流一次100A,二次5A，1s热稳定倍数90，动稳定倍数225。本设计中，。根据5.2节中电流互感器的验证条件则：；动稳定校验条件：热稳定校验条件： 。因此均满足条件。高压熔断器：查附录表6可知RN1-10/50：额定电压10kV，额定电流50A，熔体电流40A。本设计中，根据5.2节中电流互感器的验证条件则：； 因此满足

22、条件表 5-2 变电所10kV侧一次设备的选择校验表选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数UNI30Ikish数据10kV7.4 kA额定参数UNINIocimax高压少油断路器SN10-10I10KV63016kA40kA电流互感器LQJ-1010KV100/5A_9避雷器FS4-1010KV_高压隔离开关10KV200A_130电压互感器JDZ2-10_表5-2所选设备均满足要求。第6章 变电所进出线与邻近单位联络线的选择 10kV高压进线的选择校验.1 10kV高压进线与邻近单位联络线的选择采用LJ型铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。初选LJ-120型号的架空线

23、。下面从两个方面进行验证。1. 校验发热条件查附表14，LJ-120型铝绞线的允许载流量(假设环境温度为35)，满足发热条件。2. 校验机械强度查附表13得10kV架空钢芯铝线的最小截面，因此所选的LJ120型铝绞线也满足机械强度要求。由于此线路很短，不需校验电压损耗和检验经济电流密度。6.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。1. 按发热条件选择由，及土壤温度25，查附表17可知，初选缆芯为35 mm2的交联电缆，其，满足发热条件。2. 校验短路热稳定按下式校验式中的C值是短路热稳定系数由附录表12查得。因此YJL22

24、-10000-3×35电缆满足要求。 作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设，与相距约2Km的相邻单位变配电所的10kV母线相联。1. 按发热条件选择工厂总负载容量为496.6kVA， （最热月土壤平均温度可视为25）。查附表17，初选缆芯截面为25 mm2的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，其满足发热条件。2. 校验电压损耗查附表15可查的缆芯为25 mm2的铝芯电缆的（按缆芯工作温度75计），又的，线路长度按2km计，因此按下式计算得：满足允许电压损耗5的要求。表6-1 变电所进出线和联络线的型号规格线路名称导线或电缆的型号规格10k

25、V电源进线LJ型铝绞线(三相三线架空敷设)主变引入电缆YJL22-10000-3×35交联电缆(直埋)380V低压出线至1号厂房VLV22-1000-3×240+1×120型铜芯四芯电缆(架空)至2号厂房VLV22-1000-3×300+1×150型铜芯四芯电缆(架空)至3号厂房VLV22-1000-3×240+1×120型铜芯四芯电缆(架空)至4号厂房VLV22-1000-3×240+1×120型铜芯四芯电缆(架空)与相邻单位10kV联络线YJL22-10000-3×25交联电缆型(直埋)第7

26、章 变电所二次回路方案的选择7.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路断路器采用手力操动机构，其控制与信号回路，如图7-1所示。图7-1 电磁操刀的断路器控制与信号回路7.2 变电所的电能计量回路变电所的电能计量用的是电测量仪表。这里的“电测量仪表”按GBJ63-90电力装置的电测量仪表装置设计规范的定义，“是对电力装置回路的电力运行参数所经常测量、选择测量、记录用的仪表和作计费、技术经济分析考核管理用的计量仪表的总称。”为了监视供电系统一次设备(电力装置)的运行状态和计量一次系统消耗的电能，保证供电系统安全、可靠、优质和经济合理地运行，工厂供电系统的电力装置中必须装设一定数量的电测量仪表。电

27、测量仪表按其用途分为常用测量仪表和电能计量仪表两类，前者是对一次电路的电力运行参数作经常测量、选择测量和记录用的仪表，后者是对一次电路进行供用电的技术经济考核分析和对电力用户用电量进行测量、计量的仪表，即各种电度表。变电所高压侧装设专用计量柜，装设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能和无功电能，并据以计算每月工厂的平均功率因数，计量柜由上级供电部门加封和管理12。7.3 变电所的测量和绝缘监察回路7.3.1 变电所高压侧测量和绝缘监察回路变电所高压侧装有电压互感器-避雷器柜，其中电压互感器为3个JDZJ-10型，组成Y0/Y0/（开口三角）的结线，用以实现电压测量和绝缘监察，

28、其结构图如图7-2所示。图7-2 610kV线路测量和计量仪表的原理电路作为备用电源的高压联络线上，装有三相有功电度表、三相无功电度表和电流表，高压进线上，亦装有电流表。7.3.2 变电所低压侧测量和绝缘监察回路低压侧的动力出线上，均装有有功电度表和无功电度表，低压照明线路上装有三相四线有功电度表。低压并联电容器组线上，装有无功电度表。每一回路均装有电流表。低压母线装有电压表。仪表的准确度等级按规范要求。220/380V线路测量和计量仪表的原理电路如图7-3所示。图7-3 220/380V线路测量和计量仪表的原理电路7.4 变电所的保护设备 主变压器的继电保护装置电力变压器的常见故障及异常的运

29、行状态，一般应装设下列继电保护：1. 装设瓦斯保护当变压器油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作与信号；当产生大量瓦斯时，应动作于高压侧断路器。2. 装设反时限过电流保护变压器内外部故障或异常运行都可能导致其过电流现象，应设置相应的电流保护。采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式结线，去分流跳闸的操作方式，因为他具有反时限动作特性和速断特性。(1) 过电流保护动作电流的整定取，。因此，动作电流故动作电流整定为5A。(2) 过电流保护动作时间的整定因本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动作时间（10倍动作电流动作时间）可整定为最短的0.5s。(3) 过电流保护灵敏系数

30、的检验已知：,因此其保护灵敏系数为满足灵敏系数1.5的要求。3. 装设电流速断保护变压器的过电流保护虽然能保护整个变压器，但动作时限较长，切除故障不迅速，故需要装设反应迅速的电流速断保护。利用GL15的速断装置。(1) 速断电流的整定已知，因此速断电流为：速断电流倍数整定为Kqb可不为整数，但必须在28之间。(2) 电流速断保护灵敏系数的检验已知：，因此其保护灵敏系数为：按GB50062-92规定，电流保护（含电流速断保护）的最小灵敏系数为1.5，因此这里装设的电流速断保护的灵敏系数是达到要求的。作为备用电源的高压联络线的极点保护装置1. 装设反时限过电流保护亦采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式结线，去分流跳闸的操作方式。2. 装设电流速断保护亦利用GL15的速断装置。其电力变压器继电保护原理图如图7-4所示。图7-4 10kV 电力变压器继电保护原理图结论此论文设计了10kV变电所，这是一次综合设计的考验。在设计中电气主接线根据原始资料及实际工程应用，分析并选定两种接线方式，通过实地考察和供电情况分析，最终选定的接线方式为：高压侧采用单母线接线，低压侧采用单母线分段