某飞机制造厂变电所及配电系统设计

1、摘 要变电站是电力系统的重要组成部分，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，它直接影响整个电力系统、厂矿企业生产的安全与经济运行。变配电所是由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。变电所涉及方面很多，需要考虑的问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电所高低压电气设备，为变

2、电所平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：（1）确定车间变电所变压器的台数和容量；（2）电气主接线图的设计；（3）确定短路计算点，计算三相短路电流；（4）主要电气设备选择与校验；（5）继电保护配置。关键词：10kV变电站；变压器；电气主接线；电气设备；配电系统1 负荷计算及主变压器的选择1.1负荷计算的目的和内容1.1.1 负荷计算的目的计算负荷确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算

3、负荷确定过小，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热，引起绝缘提早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成损失。为此，正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。因此，供配电设计的第一步，需要计算全厂和各车间的实际负荷。1.1.2 负荷计算方法负荷计算的方法有需用系数法、二项式系数法、利用系数方法等等。需用系数法是将用电设备的设备功率乘以需用系数和同时系数直接求出负荷。需用系数法比较简单，因而广泛使用。并且适用于计算变、配电所的负荷。所以本次设计采用需用系数法，其计算方法1如下：1. 有功计算负荷的计算公式： P30=KdPe （1-1）Pe用电设备

4、组总的设备容量（不含备用设备容量，单位为kW）。Kd用电设备组的需要系数。2. 无功计算负荷的计算公式： Q30=P30 （1-2）3视在计算负荷的计算公式： S30=P30/ （1-3）4计算电流的计算公式： I30=S30/UN （1-4）1.1.3 负荷计算的内容1.铸造车间 Pe=875 Kd=0.5 =0.7 =1.02 P30=8750.5=437.5kW Q30=437.51.02=446.25kvar S30=437.5/0.7=625kVA I30=625/*0.38=0.95kA其他车间负荷计算同上总的视在负荷计算：P30（1）=994+582+455.2=2031.2kW

5、Q30（1）=1151.795+585.71+487.642=2866.505kvarS30= S30=3513.21kVA表1.1 各车间低压负荷统计表序号车间名称设备容量/kW需要系数Kd计算负荷变压器台数和容量/kW/kvar/ kVA/kA1铸造车间8750.50.71.02437.5446.256250.952*2500（kVA）锻压车间7600.650.61.33494658.67823.31.251仓库1250.50.80.7562.546.87578.1250.119小计 9941151.7951526.4252.322 机加车间3700.70.80.75259194.2532

6、3.750.492工具车间4000.50.61.33200266333.330.506模具车间2050.60.71.02123125.46175.710.267小计 582585.71832.791.2653 表面处理间2750.60.651.17165193.05253.840.386动力车间2180.70.651.17152.6178.54234.760.357总装车间1500.60.80.759067.5112.50.171试验站680.70.71.0247.648.552680.1小计 455.2487.642699.11.0141.1.4 无功负荷补偿6 无功负荷补偿的目的：由于用户

7、的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等，都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用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，按照实际情况本次设计要求功率因数为0.92以上，因此，必须采取措施提高系统功率因数。目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。最大负荷时的无功补偿容量QNC应为： QNC=Q30-Q30=P30(-） （1-5）按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿容量也应相应减小，以免造成过补偿。因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的

8、功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。 低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qNC来确定电容器组数： （1-6）在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：(1)高压集中补偿 补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。(2)低压集中补偿 补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在

9、功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。(3)低压分散补偿 补偿效果最好，应优先采用。但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。 具体计算有功功率 Pc=K pP30 （1-7）无功功率 Qc= KqQ30 （1-8）视在功率 S30= （1-9）式中：对于干线，可取K p ，Kq。对于低压母线，由用电设备计算负荷直接相加来计算时，可取K p ，Kq。由干线负荷直接相加来计算时，可取K p ，Kq。Pc=K pP30=0.952031.2=1929.64kWQc= KqQ30=0.932866.505=266

10、5.85kvarSc=3455.5kVA本次设计采用低压集中补偿方式。PC QC S30取自低压母线侧的计算负荷，提高至0.92=0.55QNC=PC（-）=1929.64*tan(arccos0.55)-tan(arccos0.92)=2103 kvar选择BSMJ0.4-25-3型并联电容器，qNC=25kvar=2103kvar/25kvar=84 补偿后的视在计算负荷SC=2010kVA= =0.960.91.2 变电所位置的选择1.2.1 变电所位置的选择要求变电所位置的选择，应根据下列要求经济技术、经济比较确定。 (1) 接近电源； (2) 进出线方便； (3) 设备运输方便； (

11、4) 尽量接近负荷中心； (5) 不应设在有剧烈振动或高温的场所； (6) 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所； (7) 不应设在厕所、浴室或其他经常有水场所的正下发，且不宜与上述场所相贴近； (8) 不应设在有爆炸危险的正方或正下方，且不宜设在有火危险环境的正上方或正下方。1.2.2 变电所的布置变电所的总体布置，应满足以下要求。 (1) 便于运行维护和检修； (2) 保证运行安全； (3) 便于进出线； (4) 节约土地和建筑费用； (5) 适应发展要求。1.2.3 本变电所位置的选择依据上述原则和要求以及本厂的具体情况，有利于交通运输，并且靠近于电源侧，正在几个大型的负荷中心。远离了剧烈震

12、动、高温、多尘、腐蚀性气体及常积水的场所来确定本变电所的位置，如图1.1所示。1.3 变压器的选择1.3.1 变压器台数的选择变电所主变压器台数选择原则（1）为了保证供电可靠，在变电所中一般应装设备用电源时，可装设两台主变压器。如果有一个电源进线或变电所可由低压侧电力网取得备用电源时，可装设一台主变压器。（2）当工厂绝大部分负荷属于三级负荷，其少量一、二级负荷可由邻压电网(10kv)取得备用电源时，可装设一台主变压器。（3）装有两台及以上主变电器的变电所，当断开一台时，其余主变压器容量不应小于60%-70%的全部负荷，并应保证用户一、二级负荷。 变压器容量的确定变压器容量装有两台变压器的变电站

13、，采用暗备用方式，当其中一台主变因事故断开，另一台主变的容量应满足全部负荷的70%，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证80%负荷供电。1.3.3 本厂变压器容量的确定变压器的容量计算：SNT=（0.60.7）S30 （1-10）SNT=0.63513.21=2283.59kVA即可选定两台容量为2500kVA的变压器。本厂负荷较大，经过整定计算后可的S30=3513.21kVA，要求选择两台变压器，根据公式SNT=(0.60.7)S30计算，可选用两台容量为2500KVA的变压器。变压器型号为S92500/10的变压器。表1.2 变压器S92500/10的技术参数额定容量（KVA）额

14、定电压损 耗短路阻抗连接一次二次空载负荷6.5%组标号250010.50.4320020700Y,Yd11降压变电所两台主变压器图1.1 厂总平面图2 主接线方案的选择2.1 主接线的基本要求主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。概括地说，对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。2.1.1 安全性安全包括设备安全及人身安全。一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考

15、虑各种安全技术措施。2.1.2 可靠性不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。2.1.3 灵活性用最少的切换来适应各种不同的运行方式，适应负荷发展。2.1.4 经济性在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。2.2 主接线的案例与分析主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。在此主要介绍单母线接线。2.2.1 单母线接线这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。缺点：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故

16、障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。适用范围：适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所，一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。图2.1 单母线不分段主接线2.2.2 单母线分段主接线当出线回路数增多且有两路电源进线时，可用断路器将母线分段，成为单母线分段接线。母线分段后，可提高供电的可靠性和灵活性。在正常工作时，分段断路器可接通也可断开运行。两路电源进线一用一备时，分段断路器接同运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段进线断路

17、器都会在继电保护装置作用下自动断开，将故障段母线切除后，非故障段母线便可继续工作，而当两路电源同时工作互为备用时，分段断路器则断开运行，此时若任一电源出现故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器可自动投入，保证给全部出线或重要负荷继续供电。图2.2 单母线分段主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它的缺点，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线可保证对一级负荷的供电等。本次主接线的设计我们采用的10kV侧采用单母接线，0.4kV侧采用单母分段（具体图见附录一）。3 短路电流计算3.1 短路电流及其计算方法供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产

18、和生活的正常进行。但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。计算方法采用标幺值法计算。进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。标幺值的概念是：某量的标幺值= 所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量

19、是没有单位的。供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。3.2 三相短路计算电源取自距本变电所8km外的35kV变电站，用10kV双回架空线路向本变电所供电，出口处的短路容量为500MVA。图3.1 短路计算示意图求10kV母线上K-1点短路和380V低压母线上K-2点短路电流和短路容量。电源侧短路容量定为Sk=500MVA确定基准值：取 Sd=100MVA Uc1=10.5kV Uc2=0.4kV Id1= =100MVA/（*10.5kV）=5.50kA （3-1）Id2= =100MVA/（*0.

20、4kV）=144.34kA （3-2）计算： 电力系统 X1*= Sd/Sk=100MVA/500MVA=0.2 （3-3） 架空线路（架空线路电抗查表的0.35）6 X2*=X0LSd/Uc2=0.35/km*8km*=2.54 （3-4） 电力变压器（UK%取6.5） X3*=Uk%Sd/100SNT=2.6 （3-5）求K-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量： 总电抗标幺值X*(k-1) =X1*+X2*=0.2+2.54=2.74 （3-6） 三相短路电流周期分量有效值Ik-1(3) = Id1/X*(k-1) =5.50kA/2.74=2kA （3-7） 其他三相短路

21、电流 在10/0.4KV变压器一次侧低压母线发生三相短路时，可取ksh=1.9，因此： Ik-1(3) =Ik-1 (3) = Ik-1(3) =2kA （3-8） ish (3) =2.55*2kA=5.1kA （3-9） Ish(3) =1.51*2kA=3.02kA （3-10） 三相短路容量 Sk-1(3) = Sd/X*(k-1) =100MVA/2.74=36.5 MVA （3-11）求K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量：两台变压器并列运行： 总电抗标幺值 X*(k-2) =0.2+2.54+2.6/2=4.04 三相短路电流周期分量有效值Ik-2(3) = I

22、d2/X*(k-2) =144.34kA/4.04=35.72kA （3-13） 其他三相短路电流在10/0.4KV变压器二次侧低压母线发生三相短路时，R1.5；对电缆线SP1.25。采用此种保护，灵敏度较高。 变压器的过负荷保护变压器的过负荷保护一般只对并列运行的变压器或工作中有可能过负荷（如作为其他负荷的备用电源）的变压器才装设。由于过负荷电流在大多数情况下是三相对称的，因此过负荷保护只需采用一个电流继电器装于一相电流中，保护装置作用于信号。为了防止变压器外部短路时，变压器过负荷保护发出错误信号，以及在出现持续几秒钟的尖峰负荷时不致发出信号，通常过负荷动作时限为10-15s。变压器过负荷保

23、护的动作电流可按下式计算： 瓦斯保护 瓦斯保护又称气体继电保护，是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本保护装置。按规定，800kVA及以上的一般油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。 瓦斯保护的主要元件是气体继电器。它装设在变压器油箱与油枕之间的连通管上，利用油浸式电力变压器内部故障时产生的气体进行工作。瓦斯动作的主要优点是动作快，灵敏度高，结构简单，能反映变压器油箱内的各种故障，可靠性比较高，安装简单，其缺点是不能反映油箱以外故障（如变压器套管以及引出线上的故障），因此瓦斯保护不能取代变压器的其他保护。表5.1 继电保护装置选择的一般要求序号一次系统情况继

24、电保护装置选择要求16-10kV高压线路高压断路器采用手动或弹簧操作机构相间短路保护采用去分流跳闸的反时限过电流保护，两相两继电器式接地，继电器本身兼具有电流速断保护2高压断路器采用电磁操动机构或弹簧操作机构采用定时限或反时限过电流保护，两相两继电器式接地，当动作时限大于0.5-0.7s时，加电流速断保护3在电缆线路较多时单相接地保护46-10/0.4kV电力变压器高压断路器采用手动或弹簧操动机构相间短路保护同序号15高压断路器采用电磁操动机构或弹簧操动机构同序号26低压侧为含中性线的三相系统高压侧开关为断路器低压侧单相短路保护变压器低压侧中性线上装零序电流保护7高压侧过电流保护改用两相三继电

25、器式接线8高压侧开关不限低压侧装三相带过电流脱扣器的低压断路器9低压侧三相装熔断器保护10高压侧开关为断路器过负荷保护11高压侧开关为断路器气体继电器保护（瓦斯保护）6 差动保护6.1 差动保护简介差动保护是保护两端电流互感器之间的故障（即保护范围在输入的两端CT之间的设备上），正常情况流进的电流和流出的电流在保护内大小相等，方向相反，相位相同，两者刚好抵消，差动电流等于零；故障时两端电流向故障点流，在保护内电流叠加，差动电流大于零。驱动保护出口继电器动作，跳开两侧的断路器，使故障设备断开电源。 6.2 纵联差动保护原理6.2.1 纵联差动保护的构成纵联差动保护是按比较被保护元件（1号主变）始

26、端和末端电流的大小和相位的原理而工作的。为了实现这种比较，在被保护元件的两侧各设置一组电流互感器TA1、TA2，其二次侧按环流法接线，即若两端的电流互感器的正极性端子均置于靠近母线一侧，则将他们二次的同极性端子相连，再将差动继电器的线圈并入，构成差动保护。其中差动继电器线圈回路称为差动回路，而两侧的回路称为差动保护的两个臂。6.2.2 纵联差动保护的工作原理根据基尔霍夫第一定律，；式中表示变压器各侧电流的向量和，其物理意义是：变压器正常运行或外部故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。因此，纵差保护不应动作。当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流

27、进变压器的电流而没有流出变压器的电流，其纵差保护动作，切除变压器。见变压器纵差保护原理接线。图6.1 差动保护原理接线图（1）正常运行和区外故障时，被保护元件两端的电流和 （a）所示，则流入继电器的电流为继电器不动作。（2）区内故障时，被保护元件两端的电流和的方向如图1.5.5（b）所示，则流入继电器的电流为此时为两侧电源提供的短路电流之和，电流很大，故继电器动作，跳开两侧的断路器。由上分析可知，纵联差动保护的范围就是两侧电流互感器所包围的全部区域，即被保护元件的全部，而在保护范围外故障时，保护不动作。因此，纵联差动保护不需要与相邻元件的保护在动作时间和动作值上进行配合，是全线快速保护，且具有

28、不反应过负荷与系统震荡及灵敏度高等优点。6.2.3 微机变压器纵差保护的主要元件介绍主要元件有：1）比率差动保护元件，2）励磁涌流闭锁元件，3）TA饱和闭锁元件，4）TA断线闭锁（告警）元件，5）差动速断元件，6）过励磁闭锁元件6.2.4 下面对各个元件的功能和原理作个简要的介绍：(1)比率差动保护元件：变压器在正常负荷状态下，差动回路中的不平衡电流很小，但当发生区外短路故障时，由于电流互感器可能饱和等等因素，会使不平衡电流增大，当不平衡电流超过了保护动作电流时，差动保护就会误动。比率差动保护就是用来区分差流是由内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障）引起的，它引入了外部短路电流作为制动电流，

29、当外部短路电流增大时，制动电流随之增大，使得继电器的动作电流也相应增大，这样就可以有效的躲过不平衡电流，避免误动的出现。比率差动元件采用初始带制动的变斜率比率制动特性，由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。三折线比率差动保护的动作特性及比率差动动作方程如图5.1所示。 图6.2比率差动保护动作特性图式中：为变压器额定电流；分别为变压器各侧电流；为稳态比率差动起动电流；为差动电流；为制动电流；为比率制动系数整定值（）。比率差动保护按相判别，满足以上条件时动作

30、。但是保护出口必须还要经过TA的饱和判别，TA断线判别（可选），励磁涌流判别。由图可以看出，具有比率制动特性差动元件的动作特性主要由起动电流，拐点电流，比率制动系数（即特性曲线的斜率）决定，而动作特性又决定了差动元件的动作灵敏度和躲区外故障的能力，当这三个量中的两个固定以后，比率制动系数越小，或拐点电流越大，或初始动作电流越小，差动元件的动作灵敏度越高，而此时躲区外故障的能力越差。（2） TA饱和闭锁元件：区外短路故障时，若一侧电流互感器出现饱和，则差动回路中的不平衡电流将会增大，容易导致纵差保护误动作，为了解决TA饱和对差动保护的影响，首先设置一个高定值比率差动动作区，它是不需要经过TA的饱

31、和判别的，即图中的阴影部分，其保护判据如下：，的定义与上文相同。当，确定的工作点落入该区域时，纵差动保护可以经TA断线判别（可选），励磁涌流判别后快速动作。如果工作点没有在高定值比率差动动作区时，通常利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，其判据如下：式中：分别为电流中的基波、二次和三次谐波；为比例常数。当与某相差动电流有关的电流满足上式时即认为此相差流是由TA饱和引起的，此时闭锁稳态比率差动保护。（3）TA断线闭锁（告警）元件：变压器带有一定的负荷时，若电流互感器二次回路断线，则会造成纵差动保护的起动元件、差动元件动作，从而导致纵差动保护误动作，即使变压器负荷电流很小甚至空载情况下，当电流互感器二次回路断线时，纵差保护虽然不动作，但当区外故障时，必然会造成纵差保护的误动作。所以应设置TA二次断线闭锁。TA二次断线判据分未引起差动保护起动和引起差动保护起动两种情况。起动元件未动作时，满足就判为TA二次断线：任一相差流大于设定值且 （=15%20%）,判断线后延时10秒发报警信号，但不闭锁纵差保护。起动元件动作后，以下条件没有一条满足的也判为TA二次断线：1）任一侧负序相电压大于6V；2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加；3）起动后最大相电流大于1.1倍额定电流；4）任一侧任一相间工频