某工厂变电所配电系统电气设计

某工厂变电所配电系统电气设计电气工程及其自动化[摘要]本课题的目标是设计降压变电所一次侧电气局部，通过负荷计算及无功功率补偿计算、及变配电所所址和型式的选择、变电所主变压器台数、容量及类型的选择、以及短路电流计算，变电所一次设备的选择等方面考虑设计，从而实现工厂供电系统平安、可靠、优质、经济地运行。通过本课题的设计，初步掌握工厂供电系统简单设计所必需的根本理论和根本知识，为今后从事工厂供电技术工作奠定初步的根底。本文根据GB50059—92《10kV及以下变电所设计标准》的要求，从变电所10kV侧和低压侧两个方面详细阐述了变电所的实现及其理论依据。[关键词]功率因素;降压变压器;母线AfactorysubstationelectricaldesigndistributionsystemElectricalengineeringandautomationWANGYu-huiAbstract:Thistopic'sgoalistodesignstep-downsubstationelectricparts,asidebyloadcalculationandreactivepowercompensationcalculation,andtransfering&transformingbyaddressandpatternofchoice,themaintransformersubstationsets,capacityandtypesofchoice,andonceshort-circuitcurrentcalculation,substationequipmentchoice,etc,thusrealizefactoryconsiderdesignpowersupplysystemissafe,reliableandhighquality,economicoperation.Throughthedesignofthistopic,preliminarymasterfactorypowersupplysystemofsimpledesignnecessarybasictheoryandbasicknowledgeforfutureworkinfactoriessupplyengineeringlaypreliminaryfoundation.AccordingtotheGB50059consumers10kVandbelow--92substationdesignrequirementsofthe"standards,fromthelowvoltagesidesideandconsumers10kVsubstationtwoexpoundedtherealizationofsubstationanditstheoreticalbasis.Keywords:Powerfactor;step-downtransformer;busline目录1设计任务书12负荷计算的方法和无功功率补偿12.1计算负荷意义和计算目的12.2负荷计算的方法22.2.1需要系数法32.2.2负荷计算32.2.3功率因数和无功功率补偿53变配电所及主变压器的选择53.1变电所位置和型式的选择53.2变电所主变压器和接线方案的选择54短路电流的计算及一次设备的选择55变电所一次设备的选择校验55.1电气设备选择的一般条件55.1.1按正常运行条件选择55.1.2按短路条件校验.56变电所进出线与邻近单位联络线的选择56.110KV高压进线和引入电缆的选择56.2380V低压出线的选择56.3作为备用电源的高压联络线的选择校验5结束语5参考文献5附录5致谢51设计任务书1.1设计要求要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，适当考虑到工厂的开展，按照平安可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及上下压设备和进出线，最后按要求写出设计说明书，绘制设计图样。1.2设计依据工厂总平面图图1工厂总平面图工厂负荷情况本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为4600h，日最大负荷持续时间为6h.该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外、其余均属三级负荷。本厂的负荷统计资料如表1-1所示。表1-1工厂负荷统计资料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3000.30.7照明60.81.02锻压车间动力3500.30.65照明80.71.07金工车间动力4000.20.65照明100.81.06工具车间动力3600.30.6照明70.91.04电镀车间动力2500.50.8照明50.91.03热处理车间动力1500.60.8照明50.81.09装配车间动力1800.30.7照明60.81.010机修车间动力1600.20.65照明40.81.08锅炉房动力500.70.8照明10.81.05仓库动力200.40.8照明10.81.0生活区照明3500.70.9供电电源情况按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可有附近一条10KV的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LG-150，导线为等边三角形排列，线距为2m，干线首端距离本厂约8km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为500MVA此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断按保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备有电源。与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线路总长度为气象资料本厂所在地区的年最高气温为38℃，年平均气温为23℃，年最低气温为-8℃，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。地质水文资料本厂所在地区平均海拔500m，地层以粘砂土为主，地下水位为2m。电费制度本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。每月根本电费按主变压器容量计为18元/KVA，动力电费为0.20元/KW·h，照明电费为0.50元/KW·h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性地向供电部门交纳供电贴费：6～10KV为800元/KVA。2负荷计算和无功功率补偿2.1计算负荷意义和计算目的工厂进行电力设计的根本原始资料是工艺部门提供的用电设备安装容量，但是这种原始资料要变成电力设计所需要的假想负荷──称为计算负荷，从而根据计算负荷按照允许发热条件选择供电系统的导线截面，确定变压器容量，制定提高功率因数的措施，选择及整定保护设备以及校验供电电压的质量。电气计算负荷还必须认真确实定，因为它的准确程度，直接影响整个工厂供电设计的质量，计算过高，将增加供电设备的容量，浪费有色金属，增加初投资。计算过低那么可能使供电元件过热，加速其绝缘损坏，增加电能损耗，影响供电系统的正常运行。所以深入研究负荷计算的方法；大力测定负荷计算系数；广泛进行企业负荷调查，是我国广阔供电工作者的重要任务。2.2负荷计算的方法计算负荷是用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。用电设备组计算负荷确实定，在工程中常用的有需要系数法和二项式发，而需要系数法应用最为普遍。当用电设备台数较多、各台设备容量相差悬殊不大时，通常采用需要系数法计算。当用电设备台数较少而容量相差悬殊时，那么宜于采用二项式发计算。本设计就采用需要系数法计算。2.2.1需要系数法将用电设备按其设备性质不同分成假设干组，对每一组选用适宜的需要系数，算出每组用电设备的计算负荷，然后由各组计算负荷求总的计算负荷，这种方法称为需要系数法。需要系数法一般用来求多台三相用电设备的计算负荷。需要系数，是用电设备组〔或用电单位〕在最大负荷时需要的有功功率与其总的设备容量〔备用设备容量不计入〕的比值，即〔2-1〕因此，按需要系数法确定三相单组用电设备组有功计算负荷的根本公式为〔kW〕〔2-2〕式中—为用电设备组的需要系数；—为用电设备组的设备容量〔kW〕。无功计算负荷的根本公式为〔kvar〕〔2-3〕式中—用电设备组平均功率因素的正切值。确定视在计算负荷的根本公式为〔kVA〕〔2-4〕式中—为用电设备组的平均功率因素。确定计算电流的根本公式为〔A〕〔2-5〕式中─用电设备的额定电压〔kV〕。多组用电设备计算负荷的计算公式总的有功计算负荷〔2-6〕总的无功计算负荷〔2-7〕总的视在计算负荷〔2-8〕总的计算电流〔2-9〕以上式中的和分别表示所有各组设备的有功和无功计算负荷之和。由于各组设备的不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和乘以来计算。2.2.2负荷计算就本设计而言，由于设计任务书中已经给出工厂负荷统计的相关资料，故只需将相关数据带入相关公式即可计算出对应的各物理量。分别计算其有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷、计算电流及其该车间的总的有功计算负荷、总的无功计算负荷、总的视在计算负荷、总的计算电流。〔1〕动力局部有功计算负荷：=0.3×300=90kW无功计算负荷：=90×1.02=91.8kvar视在计算负荷：=90/0.7=128.6kVA计算电流：=128.6/〔1.73×0.38〕=194.8A〔2〕照明局部有功计算负荷：=0.8×6=4.8kW无功计算负荷：=0kvar视在计算负荷：=4.8/1=4.8kVA计算电流：=4.8/〔1.73×0.22〕=12.6A〔3〕该车间总的计算负荷：〔0.95〕总的有功计算负荷：=0.95×〔90+4.8〕=90.1kW总的无功计算负荷：=0.95×91.8=87.2kvar总的视在计算负荷：=125.4kVA总的计算电流：=125.1/〔1.73×0.38kV〕=190A同理，按需要系数法得出某工厂的计算负荷表如表1所示：表2-1某工厂负荷计算表编号名称类别设备容量Pe(KW)Kdcostan计算负荷P30(KW)Q30(KVAR)S30(KVA)I30(A)1铸造车间动力3000.30.71.029091.8128.6194.8照明60.81.004.804.812.6小计306—94.891.81322012锻压车间动力3500.30.6515244.7照明80.7105.605.614.7小计358—110.61231652513热处理车间动力1500.60.80.759067.5112.5170.5照明50.81040410.5小计155—9467.51161764电镀车间动力2500.50.80.7512593.8156.3236.7照明50.81040410.5小计255—12993.81602445仓库动力200.40.80.75861015.2照明10.8100.800.82.1小计21—8.8610.716.26工具车间动力3600.30.61.33108144180272.73照明70.91.006.306.39.55小计367—114.31441842807金工车间动力4000.20.651.178093.6123.1186.5照明100.81.0080812.12小计410—8893.61281948锅炉房动力500.70.80.753526.343.866.4照明10.81.000.800.82.1小计51—35.826.344.4679装配车间动力1800.30.71.025455.177.1116.8照明60.81004.804.812.6小计186—58.855.180.612210机修车间动力1600.20.651.173237.449.274.5照明40.81.003.203.28.4小计164—35.237.451.47811生活区照明3500.70.90.48245117.6272413总计〔380V侧〕动力22201015.3856.1——照明403计入K∑p=0.8K∑q=0.850.75812.2727.6109016562.2.3功率因数和无功功率补偿功率因素是反映在有功功率一定的条件下，取用无功功率的多少；如果取用的无功功率越多，那么功率因素越低。而功率因素是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。由表1可知该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.75而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不低于0.9考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：=812.2×[]=370Kvar参照图选PJG1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案1〔主屏〕1台与方案3〔辅屏〕4台相结合，总共容量84kvar×5=420kvar.因此无功补偿后工厂380V侧和10KV侧的负荷计算如表2所示表2-2无功补偿后工厂的计算负荷工程cos计算负荷P30/KwQ30/KvarS30/KVAI30/A380V侧补偿前负荷0.75812.2727.610901656380V侧无功补偿容量-420380V侧补偿后负荷0.935812.2307.6868.51320主变压器功率损耗0.015S30=130.06S30=5210KV侧负荷总计0.92825.2359.6900523变配电所及主变压器的选择3.1变电所位置和型式的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定，由公式〔3-1〕〔3-2〕在工厂平面图的下边和左侧，任作一直角坐标的测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，由计算结果可知，工厂的负荷中心在5号厂房的东南角。考虑到方便进出线及周围环境情况，在5号厂房的东侧紧靠厂房修建工厂变电所，型式为附设式。3.2变电所主变压器和主接线方案的选择1．变电所主变压器的选择根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器可有两种方案：〔1〕装设一台主变压器型号采用S9，而容量根据式SN≥S30选SN=1000KVA>900KVA，即选一台S9—1000∕10型低损耗配电变压器。〔2〕装设两台主变压器型号亦采用S9，而每台容量选择≈〔0.6～0.7〕=〔0.6～0.7〕×900KVA=〔540～630〕kVA任一台变压器单独运行时，应能满足全部一、二级负荷的需要，即=〔132+160+44.4〕KVA=336.4KVA变压器的选择应选低损耗变压器，其容量为630kVA，由于三相负荷根本平衡，所以其联结组别采用YynO。2.变电所主接线方案的选择比拟工程装设一台主变方案〔图2〕装设两台主变方案〔图3〕技术指标供电平安性满足要求满足要求供电可靠性根本满足要求满足要求供电质量一台主变，电压损耗略大两台主变并列运行，电压损耗略小灵活方便性一台主变，灵活性稍差两台主变，灵活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综合投资额查得S9-1000单价为10.76万元变压器综合投资为单价2倍，总投资为21.52万元差得单价为S9-630单价7.47万元，两台综合投资为29.88万元，比一台主变方案多投资10.5万元高压开关柜综合投资额查得GG-1A(F)型柜每台33.5万元综合投资按设备价1.5倍总价为21万元方案采用6台GG-1A(F)柜，综合投资额约为31.5万元，比一台主变多投资10.5万元变压器和开关柜的年运行费计算得主变和高压开关柜折旧和维修管理费每年4.893万元主变和高压开关柜折旧和维修管理费每年7.067万元比一台的方案多耗2.174万元交供电部门供电贴费按800元／KVA计，贴费为80万元贴费为100.8万元，比一台主变多交20.8万元4短路电流的计算及一次设备的选择该工厂的短路电流的计算〔采用欧姆法〕如下：〔1〕绘短路计算电路图，并根据短路计算的目确实定短路计算点〔短路点的选择要使通过设备的电流为最大值〕，如图1所示。〔2〕针对短路计算点绘出短路电路的等效电路图，此图只需表示出计及阻抗的元件，并且分子标明元件序号，分母用来标明其阻抗，如图2所示。〔3〕计算过程如下：k-1点短路计算〔1〕计算短路回路中各元件的电抗和总电抗〔=10.5kV〕=1\*GB3①电力系统的电抗：=500MVA，因此=2\*GB3②架空线路的电抗：〔〕，因此=3\*GB3③针对k-1点的短路回路总电抗为：〔2〕计算k-1点的三相短路电流和短路容量：=1\*GB3①三相短路电流：=2\*GB3②三相短路容量k-2点短路计算〔1〕计算短路回路中各元件的电抗和总电抗〔=0.4kV〕=1\*GB3①电力系统的电抗：=2\*GB3②架空线路的电抗：=3\*GB3③变压器的电抗：〔〕因此=4\*GB3④针对k-2点的短路回路总电抗为：〔2〕计算k-2点的三相短路电流和短路容量：=1\*GB3①三相短路电流：=2\*GB3②三相短路容量：短路计算点短路电流/kA短路容量/MVAk-11.961.961.9652.9635.64k-220202036.821.813.865变电所一次设备的选择校验电器选择是变电所电气设计的主要内容之一。正确地选择电器是使电气主接线和配电装置到达平安、经济运行的重要条件。5.1电器设备选择的一般条件按正常运行条件选择电器设备按正常运行条件选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电器装置所处的位置特征；电气要求是指电器装置对设备的电压、电流、频率等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑其断流能力。(1)考虑所选设备的工作环境。(2)设备的额定电压不应小于所在线路的额定电压，即(3)设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流,即按短路条件选择⑴动稳定校验动稳定是指导体和电器承受短路电流机械效应的能力。。满足稳定的条件是式中—设备安装地点短路冲击电流的有效值〔kV〕；—设备允许通过的电流的有效值〔kV〕。对于以下情况可不校验动稳定或热稳定。1〕用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定。2〕电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动、热稳定，因为短路电流很小。3〕电缆可不校验动稳定。⑵热稳定校验短路电流通过时，电器各部件温度不应该超过短时发热最高允许值，即式中—设备安装地点稳态三相短路电流〔kV〕；—短路电流假象时间〔s〕；—t秒内允许通过的短路电流值〔kV〕；t—厂家给出的热稳定计算时间〔s〕。1.10KV侧一次设备的选择校验〔表2〕选择校验工程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UNI30数据10KV57.7A1.96KA5.0KA1额定参数UNINIocimax高压少油断路器SN10-10I/63010KV630A16KA40KA162×2=512高压隔离开关GN-10/20010KV200A_25.5KA102×5=500高压熔断器RN2-1010KV0.5A50KA__电压互感器JDJ-1010/0.1_电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010KV100/5A255××0.1=31.8(90×0.1)2×0.1=81二0.6避雷器FS4-1010KV户外式高压隔离开关GW4-15G/20015KV200A表2所选设备均满足要求380V侧一次设备的选择校验〔表3〕选择校验工程电压电流断流能力动稳定度热稳定度其它它装设地点条件参数UNI30数据380V1320A19.7KA36.2KA19.72×0.7=272额定参数UNINIocimax低压断路器DW15-1500/3380V1500A40KA低压断路器DZ20-630380V630A30KA低压断路器DZ20-200380V200A25KA低压刀开关HD13-1500/30380V1500A—电流互感器LJZJI-0.5500V1500/5A—电流互感器LMZ1-0.5500V1600/5A100/5A—上下压母线的选择查表可得，10KV母线选LMY-3(40×4),即母线尺寸为40mm×4mm；380V母线选LMY-3〔120×10〕＋80×6，相母线尺寸120mm×10mm,为中性母线尺寸为80mm6变电所进出线与邻近单位联络线的选择6.110KV高压进线和引入电缆的选择〔1〕高压进线的选择校验采用LJ型铝绞线架空敷设，接往10KV公用干线。1〕按发热条件选择。由I30=I1N.T=57.7A及室外环境温度33℃，查表得，初选LJ-16，其35℃时的Ial≈95A＞2〕校验机械强度。查表得，最小允许截面Amin=35mm2，因此LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。由于线路很短，不需校验电压损耗。〔2〕由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验采用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I30=I1N.T=57.7A及土壤温度25℃查表，初选缆芯为25mm2的交联电缆，其Ial≈90A＞I30，2〕校验短路热稳定。按式计算满足短路热稳定的最小截面Amin=因此YJL22-10000-3×25电缆满足要求。6.2380V低压出线的选择〔1〕馈电给1号厂房〔铸造车间〕的线路采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。1〕按发热条件选择。由I30=201A及地下0.8m土壤温度为25℃，查表得，初选120mm2，其Ial≈212A2〕校验电压损耗。由平面图量得变电所至1号厂房距离约100m，而查表得120mm2的铝芯电缆的R0=，X0=，又1号厂房的P30=94.8KW，Q30=91.8Kvr因此按式得：满足允许电压5%的要求。3〕短路热稳定度校验。按式求满足短路热稳定的最小截面Amin=由于前面所选120mm2的缆芯截面小于Amin，不满足短路热稳定度要求，因此改选缆芯150mm2的聚氯乙烯电缆，即VLV22-1000-3×240+1〔2〕馈电给2号厂房〔锻压车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设。缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔3〕馈电给3号厂房〔热处理车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔4〕馈电给4号厂房〔电镀车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔5〕馈电给5号厂房〔仓库〕的线路由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用聚氯乙烯绝缘铝芯导线BLV-1000型5根〔3根相线、1根中性线、1根保护线〕穿硬塑料管理埋地敷设。1〕按发热条件选择。由I30=16.2A及环境温度26℃，查表得，相线截面初选4mm2，其Ial≈19A＞I按规定，中性线和保护线也选为4mm2，与相线截面相同，即选用BLV-1000-1×4mm2〕校验机械强度。查表得，最小允许截面Amin=2.5mm2，因此上面所选43〕校验电压损耗。所选穿管线，估计长度50m，查表得R0=，X0=，又仓库的P30=8.8KW，Q30=6Kvr，因此满足允许电压损耗5%的要求。〔6〕馈电给6号厂房〔工具车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔7〕馈电给7号厂房〔金工车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔8〕馈电给8号厂房〔锅炉房〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔9〕馈电给9号厂房〔装配车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔10〕馈电给10号厂房〔机修车间〕的线路亦采用VLV22-1000聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直埋敷设缆芯截面选240mm2，即VLV22-1000-3×240+1×〔11〕馈电给生活区的线路采用型铝绞线架空敷设。1〕按发热条件选择。由I30=413A及室外温度为33℃，查表得，初选LJ-185，其33℃时的Ial≈455A＞I2〕机械强度校验。查表得，最小允许截面Amin=16mm2，因此LJ-185满足机械强度要求。3〕校验电压损耗。由图所示平面图量得变电所至生活区负荷中心距离约200，而查表得LJ-185的R0=，X0=〔按线间几何均距0.8m计〕，又生活区的P30=245KW，Q30=117.6Kvr，因此由此看来，对生活区采用一回LJ-185架空线路供电是不行的。为了确保生活用电的电压质量，采用四回LJ-120架空线路对生活区供电。查表得LJ-120的R0=，X0=〔按线间几何均距0.6计〕，因此满足要求。中性线采用LJ-70铝绞线。6.3作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距约2km的邻近单位变配电所的10KV母线相联。按发热条件选择工厂二级负荷容量共335.1KVA，I30=335.1最热月土壤平均温度为25℃，因此查表得初选缆芯截面为25mm2的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆，其Ial≈90A＞I校验电压损耗由表可查得缆芯为25mm2的铝芯电缆的R0=，X0=二级负荷的P30=〔94.8+129+35.8〕KW，Q30=〔91.8+93.8+26.3〕=117.6Kvr，线路长度按1km由此可见满足允许电压损