某厂降压变电所的电气设计

1、课 程 设 计 (论 文)课程设计（论文）题目 某厂降压变电所的电气设计 学生姓名 班 级 电气工程及其自动化（2）班 学 号 指导教师 完成日期 2011 年 12 月 2 日 课程设计（论文）任务书一、课程设计(论文)题目：某厂降压变电所的电气设计二、课程设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：（一）设计要求要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷情况，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形式，确定变电所主变压器的台数与数量、类型，选择变电所主结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，确定防雷和接地装置

2、，最后按照要求写出设计说明书，绘出设计图样。（二）设计依据1、工厂总平面图2、工厂负荷情况该厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为4200小时，日最大负荷持续时间为6小时。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明及家用电器为单相，额定电压为220V。负荷统计资料如下表：厂房编号厂房名称负荷类别设备容量（kW）需要系数功率因数（1）铸造车间动力3004000.350.66照明5100.801.0（2）金工车间动力4005000.260.63照明5100.801.0（3）电镀车间动力3004000.520.78照明5100.801.0（4）装配车间动力2003000.360.71照明5

3、100.801.0（5）机修车间动力2003000.280.67照明5100.801.0生活区照明4005000.750.953、供电电源情况该厂工作电源由附近一条10kV的公用电源干线供给，该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首端（即电力系统的馈电变电站）距离本厂约6km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为500MVA，该断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过流保护整定的动作时间为1.5s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近（8km）的单位取得备用电源（10kV）。4、气象资料 本厂所在地区的年最高

4、气温为38，年平均气温为23，年最低气温为-4，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0.8m处平均温度为25。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。5、地质水文资料 本厂所在地区平均海拔500m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。6、电费制度该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，按两部电费制交纳电费。每月基本电费按主变压器容量计为18元/kVA，动力电费为0.30元/kW·h，照明电费为0.60元/ kW·h，工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。（三）设计任务要求在规定时间内独立完成：1.设计说明书，包括：

5、1）前言2）目录3）负荷计算和无功功率补偿4）变电所位置和型式的选择5）变电所主变压器台数和容量、类型的选择6）变电所主结线方案的设计7）短路电流的计算8）变电所一次设备的选择与校验9）变电所进出线的选择与校验10）变电所二次回路方案的选择11）防雷保护和接地装置的初步设计12）参考文献及附录2.设计图样，包括：1）变电所电气主接线图1张(A3图样)三、课程设计(论文)工作内容及完成时间：11.2211.23：负荷计算和无功功率补偿方案设计11.24：变电所位置和型式的选择11.2511.26：变电所主变压器台数和容量、类型的选择11.27：变电所主结线方案的设计11.28：短路电流的计算11

6、.29：变电所一次设备的选择与校验11.3012.1：变电所进出线的选择与校验12.2：变电所二次回路方案的选择、防雷保护和接地装置的初步设计12.312.5：撰写课程设计说明书、绘制设计图样四、主 要参考资料：1、1.刘介才主编，工厂供电，机械工业出版社，1998 2.刘介才主编，工厂供电设计指导第二版，机械工业出版社，2008 3.工业与民用配电设计手册，水利电力出版社 4.电力工程电气设计手册，电气一次、二次部分， 水利电力出版社 5.电力系统继电保护，水利电力出版社6.电力变压器保护，电力工业出版社机械与电气工程学院系电气工程及其自动化（1）班学生： 日期： 自 2010 年 11 月

7、 22 日至 2010 年 12 月 5 日指导教师： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：教研室： 电气工程 教研室主任： 某厂降压变电所的电气设计Certain Factory Step-down Substation The Electrical Design总计 课程设计（论文） 页 表 格 个插 图 幅摘 要设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。如本设计中用到了工厂供电的绝大多数的基础理论和设计方案，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养。设计可分为几部分：负荷计算和无功功率计算及补偿；变电所位置和形式的选择；变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择；短路

8、电流的计算；变电所一次设备的选择与校验；变电所高、低压线路的选择；变电所二次回路方案选择及继电保护的整定；防雷和接地装置的确定。  关键词：负荷计算 无功功率 主接线 Abstract The design process using a lot of knowledge, therefore how knowledge systematic became the key. If this design using the factory of the overwhelming majority of power supply of basic theory and des

9、ign scheme, so in the design process emphasis on knowledge systematic ability. Design can be divided into several parts: load calculation and reactive power calculation and compensation, Substation position and form the choice, Main transformer substation sets and capacity and main wiring schemes ch

10、oice; The calculation of short-circuit current, Once substation equipment choice and calibration, Substation high and low voltage circuit choice; The secondary circuit substation plan selection and relay protection setting, Lightning protection and grounding device is identified. Key Words: Loa

11、d calculation Reactive power The Lord wiring目 录前言1一、负荷计算和无功功率计算及补偿2二、变电所位置和形式的选择5三、变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择6四、短路电流的计算8五、变电所一次设备的选择与校验10六、变电所高、低压线路的选择14七、变电所二次回路方案选择及继电保护的整定15八、防雷和接地装置的确定20九、心得和体会21十、附录参考文献22十一、附图22前 言课程设计是教学过程中的一个重要环节，通过课程设计可以巩固本课程理论知识，掌握供配电设计的基本方法，通过解决各种实际问题，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力

12、工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算、绘图、设计说明书等方面得到训练，为今后的工作奠定基础。本设计可分为九部分：负荷计算和无功功率计算及补偿；变电所位置和形式的选择；变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择；短路电流的计算；变电所一次设备的选择与校验；变电所高、低压线路的选择；变电所二次回路方案选择及继电保护的整定；防雷和接地装置的确定；心得和体会；附参考文献。另外有设计图纸1张（以附图的形式给出），附图变电所电气主接线图；由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不完善的地方，敬请老师批评指正！ 2010年12月 一 负荷计算和无功功率计算及补偿厂房编号厂房名称负荷类别设

13、备容量（kW）需要系数功率因数（1）铸造车间动力3820.350.66照明100.801.0（2）金工车间动力4820.260.63照明100.801.0（3）电镀车间动力3820.520.78照明100.801.0（4）装配车间动力2820.360.71照明100.801.0（5）机修车间动力2820.280.67照明50.801.0生活区照明4820.750.95(一) 负荷计算和无功功率计算在负荷计算时，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. 铸造车间：动力部分，取设备容量是370kW照明部分：取设备容量是10k

14、W；2. 金工车间：动力部分，取设备容量是482kW 照明部分：取设备容量是10kW：； 3. 电镀车间：动力部分，取设备容量是382kW照明部分：取设备容量是10kW； 4. 装配车间：动力部分，取设备容量是282kW照明部分：取设备容量是10kW； 5. 机修车间：动力部分，取设备容量是282kW 照明部分：取设备容量是5kW； 6.生活区照明，。另外，所有车间的照明负荷： 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

15、使低压侧的功率因数由0.85提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：取:=335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。(三) 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4200h，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 变电所位置和形式的选择由于本厂有二级重要负荷，考虑到对供电可靠性的要求，采用两路进线，一路经10kV公共市电架空进

16、线（中间有电缆接入变电所）；一路引自邻厂高压联络线。变电所的形式由用电负荷的状况和周围环境情况确定，根据变电所位置和形式的选择规定及GB500531994的规定，结合本厂的实际情况，这里变电所采用单独设立方式。三 变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择(一) 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，考虑到二级重要负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。(二) 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） 任一台变压器单独运行

17、时，宜满足：2） 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）×999.258=（599.6648699.4806）。又考虑到本厂的气象资料（年平均气温为），所选变压器的实际容量：取最大=699.4806也满足使用要求，同时又考虑到未来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SC3系列箱型干式变压器。型号：SC3-1000/10 ，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SC3-1000/10100010.50.4

18、Dyn112.457.451.36（附：参考尺寸（mm）：长：1760宽：1025高：1655 重量（kg）：3410） （三） 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。缺点：常用于大型电厂和

19、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，采用三方案时虽经济性最佳，但是其可靠性相比其他两方案差；采用方案二需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案。根据所选的接线方式，画出主接线图，参见附图变电所电气主接线图。三 短路电流的计算本厂的供电系统简图如图（一）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（系

20、统按电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻厂高压联络线。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，所以： (二) 计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：（忽略架空线至变电所的电缆电抗）1) 电力系统的电抗标么值： 2) 架空线路的电抗标么值：查手册得，因此： 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： 可绘得短路等效电路图如图（二）所示。图（二）(三) 计算k-1点的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

21、：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：(四) 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：四 变电所一次设备的选择与校验(一) 变电所高压一次设备的选择根据机械厂所在地区的外界环境，高压侧采用天津市长城电器有限公司生产的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

22、变电所电气主接线图。初选设备：高压断路器： ZN24-10/1250/20 高压熔断器：RN2-10/0.5 -50 电流互感器：LZZQB6-10-0.5-200/5 电压互感器：JDZJ-10 接地开关：JN-3-10/25母线型号：TMY-3（504）；TMY-3（8010）+1（606）绝缘子型号：ZA-10Y抗弯强度：3.75kN（户内支柱绝缘子）从高压配电柜引出的10kV三芯电缆采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，型号：YJV-350，无钢铠护套，缆芯最高工作温度。(二) 变电所高压一次设备的校验根据高压一次设备的选择校验项目和条件，在据电压、电流、断流能力选择设备的基础上，对所选的高压侧

23、设备进行必需的动稳定校验和热稳定度校验。设备的动稳定校验1) 高压电器动稳定度校验校验条件： 由以上短路电流计算得= ；= 。并查找所选设备的数据资料比较得：高压断路器ZN24-10/1250/20 =50kA ，满足条件；电流互感器LZZQB6-10-0.5-200/5 =79kA，满足条件；JN-3-10/25接地开关=63 kA ，满足条件。2) 绝缘子动稳定度校验校验条件： 母线采用平放在绝缘子上的方式，则：（其中=200mm；=900mm）。所以：= 满足要求。 3) 母线的动稳定校验校验条件： TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。10kV母线的短路电流=；= 三相短路时所受

24、的最大电动力： =母线的弯曲力矩： 母线的截面系数： 母线在三相短路时的计算应力： 可得，=140MPa=，满足动稳定性要求。.高压设备的热稳定性校验1) 高压电器热稳定性校验校验条件： 查阅产品资料：高压断路器：=31.5kA,t=4s；电流互感器：=44.5kA ,t=1s；接地开关：=25kA,t=4s。取，=，将数据代入上式，经计算以上电器均满足热稳定性要求。2) 高压母线热稳定性校验校验条件： A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。母线的截面： A=504=200允许的最小截面： 从而，该母线满足热稳定性要求 。 3) 高压电缆的热稳定性校验校验条件： A=允许的最小截面： 所选

25、电缆YJV-350的截面 A=50从而，该电缆满足热稳定性要求 。 (三) 变电所低压一次设备的选择低压侧采用的也是天津长城电器有限公司生产的GGD2型低压开关柜：低压断路器：NA1 型智能万能断路器 低压熔断器：DW15-2000 电流互感器：LMZJ1-0.5-2000/5A 母线型号： TMY-3（8010）+1（606）另外，无功补偿柜选用2个GCJ1-01型柜子，采用自动补偿，满足补偿要求。(四) 变电所低压一次设备的校验由于根据低压一次设备的选择校验项目和条件进行的低压一次侧设备选择，不需再对熔断器、刀开关、断路器进行校验。关于低压电流互感器、电压互感器、电容器及母线、电缆、绝缘子

26、等校验项目与高压侧相应电器相同，这里仅列出低压母线的校验：380kV侧母线上母线动稳定性校验：校验条件： TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。380kV母线的短路电流=;=三相短路时所受的最大电动力为：母线的弯曲力矩： 母线的截面系数： 母线在三相短路时的计算应力： 可得，=140MPa=，满足动稳定性要求。380V侧母线热稳定性校验：校验条件： A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。母线的截面： A=8010=800允许的最小截面： 从而，满足热稳定性要求 。 五 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，选择导线和电缆时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件

27、；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了一段交联聚乙烯绝缘电力电缆YJV-350做引入线（直埋）。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VV22型铜芯交联聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆，根

28、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：电镀车间：VV22-1KV-3×120+1×70 三根并联； 铸造车间：VV22-1KV-3×240+1×12 两根并联；金工车间：VV22-1KV-3×185+1×95 两根并联；

29、装配车间：VV22-1KV-3×70+1×50 两根并联； 机修车间：VV22-1KV-3×50+1×35 两根并联； 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。六 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

30、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置这里根据GBJ63-1990的规范要求选用合适的电测量仪表并配用相应绝缘监视装置。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（AR

31、D）（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

32、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9A。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：

33、 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为2.614kA；变比为200/5A保护用电流互感器动作电流为9A。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7A 。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：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：=

34、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级差0.2s(0.4s,0.6s)。(c)长延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：满足： 取1.1。(d)过流脱扣器与被保护线路配合要求：满足： ：绝缘导线和电缆允许短时过负荷倍数(对瞬时和短延时过流脱扣器，一般取4.5；对长延时过流脱扣器，取1.11.2)。(e)热脱扣器动作电流整定：