食品厂降压变电所的电气设计

1、物理和电子工程学院课程设计报告课 程 工厂供电 题 目 某食品厂降压变电所的电气设计 专 业 电气工程及其自动化 学 号 0909040135 姓 名 叶涛（及第三组成员） 指 导 教 师 刘刚 讲师 学 期 2013-2013-2 某食品厂降压变电所的电气设计学生：叶涛 指导老师：刘刚摘 要：某食品厂降压变电所及配电系统设计是对工厂供电的设计。本设计对工厂供电方式、主要设备的选择、爱护装置的配置及防雷接地系统进行了相应的叙述，其中还包括全厂的负荷计算、高压侧和低压侧的短路计算、设备选择及校验、主要设备继电爱护设计、配电装置设计、防雷和接地设计等。本设计通过计算出的有功、无功和视在功率选择变压

2、器的大小和相应主要设备的主要参数，再依据用户对电压的要求，计算补偿功率，从而得出所需补偿电容的大小和个数。依据国家供电部门的相关规定，画出总配变电所及配电系统的主接线图。电气主接线对电气设备的选择，配电所的布置，运行的平安性、牢靠性和敏捷性，对电力工程建设和运行的经济节约等，都有很大的影响。关键字：变电所;负荷计算;设备选型;继电爱护Step-down Substation Electrical Design of a food factoryUndergraduate: Supervisor:Liu GangAbstract：The Step-down substation electric

3、al and power distribution system design of a plastic products factory is for power plant design. The design makes the narrative about the factory power supply, main equipment selection, protection device configuration and grounding system for lightning protection, which also includes the load calcul

4、ation of the factory, the short circuit current calculation of the high pressure side and low pressure side, equipment selection and validation, the main equipment relay protection design, power distribution equipment design, lightning protection and grounding design. This design is based on the cal

5、culation of the active power, reactive power and apparent power transformer and the size of the corresponding main equipment main parameter, then works out the compensation computing power according to user requirements to voltage .Thus it can obtain the desirable size and number of compensation cap

6、acitor.According to the relevant provisions of the national electricity sector, the design draws the main connection diagram about the total distribution substation and power distribution system. Main electrical connection have great influence on the electrical equipment selection, the layout of the

7、 distribution, operation safety, reliability and flexibility, also power engineering construction and economy of the operation and so on.Keywords: substations; load calculation; equipment selection; relay protection书目前言11 负荷计算和无功补偿计算21.1负荷计算的内容和目的21.2负荷计算的方法21.3全场负荷计算31.4无功补偿目的和方案41.5无功补偿的计算和电容的选择42

8、 变电所位置和型式的选择42.1变电所位置的选择42.2变电所的形式（类型）：62.3 变电所位置确定73 变电所主要变压器的台数和容量、类型的选择。74 变电所主接线方案的选择85 变电所一次设别的选择和校验125.1电气设备选择的一般原则125.2凹凸压电气设备的选择126 变电所高、低压线路的选择156.1 变电所主接线图156.2 总平面图156.3低压配电系统图167 电气设备的选择167.1 6KV架空线上设备167.2 6KV电缆线上开关柜178 变电所二次回路方案的选择和继电爱护的整定198.1 变电所二次回路的选择198.2变电所继电爱护装置198.3装设电流速断爱护209

9、收获和体会21参考文献2222 / 26前言众所周知，电能是现代工业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应用；电能的输送的安排既简洁经济，又便于限制、调整和测量，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

10、件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，假如工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严峻的后果。因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有非常重要的意义。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非常重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的须要，并做好节能工作，就必需达到以下基本要求：（1）平安 在电能的供应、安排和运用中，不应发生人身事故和设备事故。（2）牢靠 应满意电能用户对供电牢靠性的要求。（3）优质 应满意电能用户对电

11、压和频率等质量的要求（4） 经济 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减 少有色金属的消耗量。此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照看局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。 课程设计是检验我们本学期学习的状况的一项综合测试，它要求我们把所学的学问全部适用，融会贯穿的一项训练，是对我们实力的一项综合评定，它要求我们充分发掘自身的潜力，开拓思路设计出合理适用的自动限制系统。1 负荷计算和无功补偿计算1.1负荷计算的内容和目的（1）计算负荷又称须要负载或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应和同一时间内实际变动负荷所产生

12、的最大热效应相等。（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续一秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期重量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和爱护元件的依据。（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能和该段时间之比。常选用最大负荷班的平均负荷。1.2负荷计算的方法负荷计算的方法有须要系数法、利用系数法及二项式法等几种。本设计中采纳须要系数法。主要计算公式如下所示：所以本食品厂的负荷计算统计如下：第一车间：动力负荷计算功率因数取 cos=0.7，则 arccos(0.7)= 45.6有功功率： P30=Pe*Kd=500*0.4=200kW无功功率： =*tan =200*ta

13、n（arccos0.7）=204kvar视在功率： =285.7KVA计算电流： I30 = =434A 照明负荷计算如下：功率因数取 cos=1.0，则 arccos(1.0)= 0有功功率： P30=Pe*Kd=6*0.7=4.2kW无功功率： = P30*tan =200*tan（arccos1.0）=0kvar视在功率： =4.2KVA计算电流： I30 = =11A则第一车间总的计算负荷为：P30=200+4.2=204.2Kw; =204kvar =285.7+4.2=289.9 KVA; I30 =434+11=445A同理可得该食品厂的计算负荷如下表所示：厂房编号用电单位负荷性

14、质/kw/kvar/KVA/A总/kw总/kvar总/KVA总/Acos1第一车间动力200204285.7434204.2204289.94450.40.7照明4.204.2110.71.02其次车间动力120140.3184.6280125.6140.3190.2294.70.30.65照明5.605.614.70.71.03第三车间动力150175.4230.8350.6156.3175.4237.1367.10.30.65照明6.306.316.50.71.04第四车间动力608010015264.980104.9164.90.30.6照明4.904.912.90.71.0表1-1 食

15、品产的计算负荷1.3全场负荷计算取Kp = 0.90; Kq = 0.95；依据上表可计算出：P30i =551kW; Q30i =599.7kvar则= KPP30i = 0.9551kw = 495.9kW = KqQ30i = 0.95599.7kvar = 569.7kvar=755.3KVA = 1147.6Acos= P30/S300.661.4无功补偿目的和方案由上面计算功率因数0.66,功率因数偏低,因此须要采纳无功补偿措施来提高功率因数。电力系统要求用户的功率因数不低于0.9，本次设计要求功率因数为0.92以上，因此必需实行措施提高系统功率因数。目前提高功率因数的常用的方法是

16、装设无功自动补偿并联电容器装置。依据现场的实际状况，拟定采纳低压集中补偿方式进行无功补偿。1.5无功补偿的计算和电容的选择Qc =551（tan（arccos0.66）tan（arccos0.92）kvar=392.3kvar取Qc=400 kvar. 此次选用HLBCDR0.4-20-3型的电容器因此电容器的个数为：n = Qc /qc=400/20= 20(只) 无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：S30（= (495.9)2+(569.7-400) 2 1/2 =524.1KVAcos= /=495.9 /524.1=0.946 0.92因此，符合本设计的要求。2 变电所位置和型式的选

17、择2.1变电所位置的选择 一、接近负荷中心； 二、进出线便利； 三、接近电源侧； 四、设备运输便利； 五、不应设在有猛烈振动或高温的场所； 六、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧； 七、不应设在厕所、浴室或其他常常积水场所的正下方，且不宜和上述场所相贴邻； 八、不应设在有爆炸危急环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危急环境的正上方或正下方，当和有爆炸或火灾危急环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准爆炸和火灾危急环境电力装置设计规范的规定； 九、不应设在地势低洼和可能积水的场所。变电所的型式应依据用电负荷的状况和四周环境状况确定：1、装有可燃性油浸电

18、力变压器的车间内变电所，不应设在三、四级耐火等级的建筑物内；当设在二级耐火等级的建筑物内时，建筑物应实行局部防火措施。2、多层建筑中，装有可燃性油的电气设备的配电所、变电所应设置在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方、正下方、贴邻和疏散出口的两旁。3、高层主体建筑内不宜设置装有可燃性油的电气设备的配电所和变电所，当受条件限制必需设置时，应设在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方、正下方、贴邻和疏散出口的两旁，并应按现行国家标准高层民用建筑设计防火规范有关规定，实行相应的防火措施。4、露天或半露天的变电所，不应设置在下列场所： 一、有腐蚀性气体的场所； 二、挑檐为燃烧体或难燃

19、体和耐火等级为四级的建筑物旁； 三、旁边有棉、粮及其他易燃、易爆物品集中的露天堆场； 四、简洁沉积可燃粉尘、可燃纤维、灰尘或导电尘埃且严峻影响变压器平安运行的场所。变电所的型式应依据用电负荷的状况和四周环境状况确定，并应符合下列规定： 一、负荷较大的车间和站房，宜设附设变电所或半露天变电所； 二、负荷较大的多跨厂房，负荷中心在厂房的中部且环境许可时，宜设车间内变电所或组台式成套变电站； 三、高层或大型民用建筑内，宜设室内变电所或组合式成套变电站； 四、负荷小而分散的工业企业和大中城市的居民区，宜设独立变电所，有条件时也可设附设变电所或户外箱式变电站； 五、环境允许的中小城镇居民区和工厂的生活区

20、，当变压器容量在315KVA及以下时，宜设杆上式或高台式变电所。带可燃性油的高压配电装置,宜装设在单独的高压配电室内。当高压开关柜的数量为6台及以下时，可和低压配电屏设置在同一房间内。不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸的电力变压器，可设置在同一房间内。具有符合IP3X防护等级外壳的不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸的电力变压器，当环境允许时，可相互靠近布置在车间内。 。室内变电所的每台油量为100kg及以上的三相变压器，应设在单独的变压器室内。在同一配电室内单列布置高、低压配电装置时，当高压开关柜或低压配电屏顶面有袒露带电导体时，两者之间的净距不应小于2m；当高压开关柜和低压配电屏的顶

21、面封闭外壳防护等级符合IP2X级时，两者牢靠近布置。 有人值班的配电所，应设单独的值班室。当低压配电室兼作值班室时，低压配电室面积应适当增大。高压配电室和值班室应直通或经过通道相通，值班室应有干脆通向户外或通向走道的门。变电所宜单层布置。当采纳双层布置时，变压器应设在底层。设于二层的配电室应设搬运设备的通道、平台或孔洞。高（低）压配电室内，宜留有适当数量配电装置的备用位置。高压配电装置的柜顶为裸母线分段时，两段母线分段处宜装设绝缘隔板，其高度不应小于0.3m。由同一配电所供应一级负荷用电时,母线分段处应设防火隔板或有门洞的隔墙。供应一级负荷用电的两路电缆不应通过同一电缆沟，当无法分开时，该电缆

22、沟内的两路电缆应采纳阻燃性电缆，且应分别敷设在电缆沟两侧的支架上。户外箱式变电站和组合式成套变电站的进出线宜采纳电缆。配电所宜设协助生产用房。2.2变电所的形式（类型）：（1） 车间附设变电所（2） 车间内变电所（3） 露天（或半露天）变电所（4） 独立变电所（5） 杆上变电台（6） 地下变电所（7） 楼上变电所（8） 成套变电所（9） 移动式变电所2.3 变电所位置确定我们的工厂是10kv以下，变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在工厂的平面图下侧和左侧，分别作一条直角坐标的x轴和y轴，然后测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，p1、p2、p3p10分别代

23、表厂房1、2、310号的功率，设定p1、p2p10并设定p11为生活区的中心负荷，如图3-1所示。而工厂的负荷中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标： 把各车间的坐标p1(2.5,5.51)；p2(3.6,3.54)；p3(5.56,1.3)；p4(4,6.7)；p5(6.2,6.7)p6(6.2,5)；p7(6.2,3.4)；p8(8.55,6.7)；p9(8.55,5)；p10(8.55,3.4)；p11(1.2,1.1)带入上式，得到x=5.38，y=5.38.由计算结果可知，工厂的负荷中心在5号厂房的西北角。考虑到四周环境和进出线便利，确定在5号厂房的西侧仅靠厂房建立工厂变电所，器型为附设

24、式。3变电所主要变压器的台数和容量、类型的选择。依据工厂的负荷状况和电源状况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：（1）装设一台主变压器型式采纳S11型，而容量依据式，选755kva，即选一台S11-800/10型低损耗配电变压器。（2）装设两台主变压器型号亦采纳S11，而每台变压器容量按式和式选择，即 =（0.60.7）755=（453529）且 因此选两台S11-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由和邻近单位相联的高压联络线来担当。主变压器的联结组均采纳Yyn0。我们这里选S11-630/10或S11-1000/10 主变压器的联结组为Yyn0。4变

25、电所主接线方案的选择 依据上面考虑的两种主变压器方案可设计出下列两种主接线方案：4.1装设一台主变压器的主接线方案 如图4-1所示：4.2装设两台主变压器的主接线方案 4.3主接线方案的技术经济比较比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案技术指标供电平安性满意要求满意要求供电牢靠性基本满意要求满意要求供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗小敏捷便利性只一台主变，敏捷性稍差由于有两台主变，敏捷性较好扩建适应性稍差一些更好一些经济指标电力变压器的综合投资由手册查得S111000单价为10.76万元，而由手册查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为210.76万

26、元=21.52万元由手册查得S9630单价为7.47万元，因此两台综合投资为47.47万元=29.88万元，比一台变压器多投资8.36万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查手册得 GGA（F）型柜按每台3.5万元计，查手册得其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为41.53.5=21万元本方案采纳6台GGA（F）柜，其综合投资额约为61.53.5=31.5万元，比一台主变的方案多投资10.5万元电力变压器和高压开关柜的年运行费参照手册计算，主变和高压开关柜的折算和修理管理费每年为4.893万元（其余略）主变和高压开关柜的折旧费和修理管理费每年为7.067万元，比一台主变的方案多耗2.

27、174万元供电贴费按800元/KVA计，贴费为10000.08=80万元贴费为26300.08万元=100.8万元，比一台主变的方案多交20.8万元从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案优于装设两台主变的主接线方案。 X3* = X4*=UK%Sd/100SN = 7.5100103/(100800) = 5.625绘制等效电路如图，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4-1 等效电路图（标幺制法）3. 求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（3）总电抗标幺值X*(K-1)

28、= X1*X2*=0.2+2.9=3.1（2）三相短路电流周期重量有效值 IK-1(3) = Id1/X*(K-1)=5.5/3.1 =1.78（3）其他三相短路电流 I(3) = I(3) = Ik-1 (3) = 1.78KA ish(3) = 2.551.78KA = 4.54KA Ish(3) = 1.511.78 KA= 2.69KA（4）三相短路容量 Sk-1(3) = Sd/X*(k-1) =100 MVA /3.1=32.34. 求k-2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 X*(K-2) = X1*X2*X3*/ X4* =0.2+3.1+5.6

29、5/2=6.13（2）三相短路电流周期重量有效值 IK-2(3) = Id2/X*(K-2) = 144KA/6.13 =23.5KA（3）其他三相短路电流 I(3) = I(3) = Ik-2（3） = 23.5KA ish(3) = 1.8423.5KA =42.3KAIsh(3) =1.0923.5KA = 25.6KA（4）三相短路容量 Sk-2(3) = Sd/X*(k-2) = 100MVA/6.13 = 16.3MVA在工程设计说明书中，往往只列出短路计算表，如表3-2所示。表3-2 短路计算表短路计算点三相短路电流/KA三相短路容量/MVAIk（3）I(3)I(3)ish(3)

30、Ish(3)Sk（3）K-1点1.781.781.784.542.6932.3K-2点23.523.523.542.325.616.35 变电所一次设别的选择和校验5.1电气设备选择的一般原则电气设备选择的一般原则主要有以下几条：（1）按工作环境及正常工作条件选择电气设备。 依据设备所在位置(户内或户外)、运用环境和工作条件，选择电气设备型号。 （2）按工作电压选择电气设备的额定电压。 （3）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流。电气设备的额定电流IN应不小于实际通过它的最大负荷电流Imax(或计算电流Ij)，即 INImax 或INIj(71)(4)按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定。

31、为保证电气设备在短路故障时不至损坏，按最大可能的短路电流校验电气设备的动稳定和热稳定。动稳定：电气设备在冲击短路屯流所产生的电动力作用下，电气设备不至损坏。热稳定：电气设备载流导体在最大隐态短路屯流作用下，其发热温度不超过载流导体短时的允许发热温度。(5)开关电器断流实力校验。断路器和熔断器等电气设备担负着牢靠切断短路电流的任务，所以开关电器还必需校验断流实力，开关设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量.5.2凹凸压电气设备的选择一、高压侧一次设备的选择和校验 10kV侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据10KV57.

32、7A1.96A5.0KA7.3一次设备型号规格额定参数真空断路器VS1-12/630A10kV630A16kA40kA512高压隔离开关GN19-12/63010kV600A25.5KA500二次负荷0.6高压熔断器XRNP-1010kV0.5A50kA电压互感器JDZ9-1010/0.1kV电压互感器JDZ-10电流互感器LZZBJ9-1010Kv100/5A31.8KA81避雷器HY5WS-17/4510kV户 外 式 高 压隔离开关GW4-15G/20012kV400A25KA500表中所选一次设备均满意要求。二、低压侧一次设备的选择和校验同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如图所示

33、，所选数据均满意要求。表6.2 380V侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据3801350.521.439.93321一次设备型号规格额定参数低压断路器NA1-2000-1600M/3380V1600A40kV低压断路器NM1-400S380V400A35kA低压断路器NM1-225S380V225A35kA低压断路器NM1-63S380V63A35kA低压隔离开关HD13BX-2000/3380V2000A电流互感器BH-0.66500V1500/5A电流互感器BH-0.66500V100/5160/5表中所选一次设备均满

34、意要求。三、凹凸压母线的选择 查表得到10kv母线选TMY-3（50*5mm），即母线尺寸为50mm*5mm,380V母线选TMY-3（100*10）+80*8，即母线尺寸为100mm*10mm，而中性母线尺寸为80mm*8mm。6 变电所高、低压线路的选择6.1 变电所主接线图图6-1 变电所主接线图6.2 总平面图图6-2 工厂总平面图6.3低压配电系统图图6-3 低压配电系统图7 电气设备的选择电气设备的选择时供配电系统设计的重要内容之一。平安、经济、合理是选择电气设备的基本要求，应依据实际工程状况保证平安、牢靠的前提下，选择合适的电气设备，尽量采纳新技术，节约投资。电气设备选择的一般原

35、则为：按正常工作条件下选择额定电流、额定电压及型号，按短路状况下校验开关的开断实力、短路热稳定和动稳定。7.1 6KV架空线上设备1. 断路器由于6KV处的最高正常工作电流为，且户外布置。选择断路器为户外高压SF6断路器，型号是：LW-35/1600-25。短路热稳定校验：短路电流的稳定值，短路电流的假想时间tima=1.5+0.2=1.7s，则： 所以，满意热稳定要求。短路动稳定校验：由于短路电流的冲击值ish=6.207KA63KA,所以满意动稳定要求.开关设备断流实力校验： 由于该处三相短路电流的最大值是：所以满意开关设备断流实力要求。2. 隔离开关由于35KV处的最高正常工作电流为，且

36、户外布置。选择的隔离开关型号为：GW2-35G。短路热稳定校验：短路电流的稳定值，短路电流的假想时间tima=1.5+0.2=1.7s，则：所以，满意热稳定要求。短路动稳定校验：由于短路电流的冲击值ish=6.207KA42KA,所以满意动稳定要求。 3. 避雷器依据电压等级和工作环境选择磁吹阀式避雷器，型号为：FCZ3-35。4. 电压互感器由于该互感器用于运行监视，选择精确度为1级，依据电压等级和工作环境，选择单相双线圈油浸式户外电压互感器，型号为：JD6-35。5. 熔断器该熔断器用于爱护电压互感器，由于6KV处的最高正常工作电流为，且户外布置。因此选择的高压限流熔断器的型号是：RXW0

37、-35/0.5。熔断容量校验：由于该熔断器安装处的三相短路容量：，所以满意要求。7.2 6KV电缆线上开关柜1. 进线柜 由于工作电压为6KV，且进线处的计算电流为：依据电压等级和额定工作电流，选择进线柜的型号为：JYNC-10-23，其内部接线图如图所示，图7-1 进线柜内部接线图短路热稳定校验：各车间短路电流的最大稳定值，短路电流的假想时间tima=1.0+0.2=1.2s，则：所以，满意热稳定要求。短路动稳定校验： 由于各车间短路电流的最大冲击值：ish=21.7KA63KA,所以满意动稳定要求.开关设备断流实力校验：由于该处三相短路电流的最大值是：所以满意开关设备断流实力要求。2. 母联柜由于6KV母线上的最高工作电流为1031.66A，所以依据电压等级和工作电流选择的母联开关柜的型号为：JYN2-10(Z)/37和JYN2-10(Z)/40.，其内部接线图如图所示。图7-2 母联开关柜的内部接线图短路热稳定校验：母线短路电流的稳定值，短路电流的假想时间tima=1.0+0.2=1.2s，则：所以，满意热稳定要求。短路动稳定校验：由于短路电流的冲击值ish=23.004KA1.5按GB5006292规定，电流爱护（含电流速断爱护）的最小灵敏系数为1.5，因此这里装设的电流速断爱护的灵敏系数是达到要求的。8.4作为备用电源的高压联络线的继电爱护装