电力系统及负荷预测阳泉地区电网现状设计

刖百

在工厂中，变配电所把由电网输送进来的电能通过一系列装置进行接收、变换、分

配，以便满足驱动负载正常工作，将电能进行合理的分配使用，提高经济效益，是特别

重要的一方面。设计一个合理且满足要求的变电所，能够在合理地分配电力资源的同时

满足企业的生产要求。本次设计根据融创冶金公司提出的地理气象条件，结合用电负荷

和供电条件，综合本公司的规划，按照国家有关政策、设计要求，本着安全可靠，技术

先进、经济性的要求全方面挑选该变电站的位置和型式，对一次设备和高低压线路的选

择做出最安全，最经济合理的设计方案，达到供电的要求：安全、可靠、优质、经济。

通过对这几方面的考量，本文设计融创冶金公司降压变电站。通过对工厂各车间实行负

荷计算，以选择合适的变压器的规格，变电站的地理位置以及变电所的主接线形式。主

接线是整个设计的核心部分，从运行的可靠性、经济合理性两点来确定主接线的接线方

式，再由已经确定的主接线的接线方式进行变电站短路电流计算，通过负荷计算结果选

择高低压电气设备型号和进出线方案等，再考虑到用电的安全性和可信赖性一定要根据

国家相关专业规范对保护装置进行型号选择，设计和配置。保证做到运行安全可信赖,

操作简洁、方便，节省成本。具有扩建的可行性和切换工作方式时的灵巧性。使其满足

工厂现阶段和未来的生产要求，达到提高经济效益的目的。

电力系统及负荷预测阳泉地区电网现状

阳泉地区电网坐落于山西的中东部，与离石、太原、晋中地区电网共同构成了山西

中部电网，负责阳泉市地区51万人民的电力供应需求。如今，阳泉地区电网通过500kV

阳泉变电站为中心连接河北电网和山西电网、以六回220kV线路与太原电网连结，形成

以500kV变电站为中心，通过阳光电厂和10个220kV变电站组成两个双回路的配电网

络。220kV变电站基本实现了两个电源彼此为备用，以双电源手拉手、双辐射，三线两

变结构为主，东部变电站采用“T”接线方式接入电网。阳泉地区配电网架结构基本能

够满足山西综合发展的要求，但是随着阳泉市郊区的整体布局，阳煤集团、华鑫科创园

等电力用户的报装，阳泉电网又需要进一步进行结构改造，以最大程度地符合电力客户

的电力需求。

截止2017年终，公司固定资产50.36亿元，拥有1座500kV变电站，变电容量

2000MVA,500kV5条线路558公里；220kV变电站7座，变电容量2160MVA,线路

379.088KM；HOkV变电站20座，变电容量1501.5MVA,线路536.583KM；35kV变

电站19座，变电容量267.8MVA,线路396.253KM。主要担负阳泉市两县（平定县、

盂县）四区（城区、矿区、经济开发区、郊区）的电力资源配置和电网结构支撑任务,

服务电力用户55万。

2设计任务与要求

2.1设计要求

要求根据阳泉电网能给本公司供应的能源结合工厂负荷的真实情况，并恰当考虑

未来公司的发展，依据安全可靠、技术优越、节省成本的要求，确定变电所的型号利位

置，确定主变压器的规格、数量与容量，整体设计变电所的主接线方案和高低区设备以

及进出线，确定二次接线计划，整定继电保护设备，确定防雷和接地设备，最终按要求

写出设计说明书，绘出设计图样（车间变电所主结线电路图、车间平面布置图和车间低

压配电系统图和平面布线图）。

2.2设计依据

2.2.1工J—总平面布置图

图2.1融创冶金公司负荷分布图

2.2.2工厂负荷情况

车间为三班工作制，年最大有功负荷利用小时数为5500h,属于二级负荷。

供电电源情况：

vl＞由该厂东北约10公里的区域变电站10KV线路供电。

之QoS30

编号名称类别容量系数Cos。tan^j1301A

/kW/kvar/kVA

动力3600.30.61.33108143.6——

工具

6照明70.91.006.30——

车间

小计367—114.3143.6183.5278.8

动力2500.50.80.7512593.8——

电镀

4照明50.81.0040——

车间

小计255—12993.8159.5242.4

动力1500.60.80.759067.5——

热处

3理车照明50.81.0040——

问

小计155—9467.5115.7175.8

动力1800.30.71.025455.1——

装

配

9车间照明60.81.004.80——

小计186—58.855.180.6122

动力1600.20.651.173237.4——

机修

10照明40.81.003.20——

车间

小计164—35.237.451.478

动力500.70.80.753526.3——

锅炉

8照明10.81.000.80——

车间

小计51—35.826.344.467

动力200.40.80.7586——

5仓库照明10.81.000.80——

小计21—8.8610.716.2

11生活照明3500.70.90.48245117.6272413

F7

动力22201015.

856.1——

3

总计（380V侧）照明403

计入4工.『8，父

0.75812.2727.610901656

=0.85

3负荷计算和无功功率补偿

3.1负荷计算

对各厂房进行负荷计算时，应该使用需用系数法对各厂房（动力部分和照明部分）

进行计算，主要使用的常用计算公式如下:

1)有功计算负荷（单位为kW）

P30=KdPe

2)无功计算负荷（单位为kvar）

Q3O=P30tan0

3)视在计算负荷（单位为kVA）

S3。二悬

S30=」P3()2+QsO2

4)计算电流（单位为kA）

.S30

3Q

V3UN

UN为用电设备的额定电压（单位为kV）

3.2无功功率补偿

在电力生产当中，对无功功率进行补偿有各种方法，可以利用同步发电机、同步电

动机、串联电抗器、并联电容器和SVC等。在许多实际生产的供电系统中，由于阻感

性负荷占大多数，总的等效负荷成电感性，一般通过并联电容器组补偿无功功率，提高

cos。。当通过工厂自己的发电机组供电时，均附带有自动励磁调压装置对系统无功功率

和电压自行调整。根据安装环境的差别，并联电容器有三种工作方式：一是统一补偿,

将电容器组统一安装在线路出口，以提高整个变电所的cos6,减少供给线路的无功损耗;

二是将电容器组分别装在cos0较低的部分母线上分部补偿，补偿效果甚好，不足之处是

补偿范围相对于集中补偿范围更小；三是将电容器组安装在用电设备旁边，进行就地无

功补偿，特别是对感性设备如异步电动机和以白炽灯为主的照明电路等，这种方式的益

处是既能提高供电回路的功率因数，又能提高用电装置本身电压质量，不足之处是电容

器位置不集中，人工维护成本高，随着我国自主研发的电容器技术与生产能力的进步,

为就地补偿方式的广泛应用提供了便利。

由于本公司380kV侧最大负荷时的cos。仅为0.75,而根据国家相关标准规定10kV

进线侧最高负荷时cos。不得低于0.91。在日常生产中主变压器的无功功率损耗远高于有

功功率损耗，所以在380kV侧将最大功率时的功率因数应控制在稍大于0.91,以下取

0.93来计算380kV侧所需要的无功功率补偿容量：

-1-1

Qc=P3o(tan0i-tan02)=812.2[tan(cos0.75)-tan(cos0.93)]=438.6kvar

通过查阅有关书籍，决定采用PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3

型(474.1kvar/84kvar=5.6),采用其方案1(主屏)1台与方案3(辅屏)5台相结合。总

容量为84kvar*6=504kvaro

补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变(Pgo=P3o=812.2kW),而无功计

算负荷QL=(727.6-504)kvar=223.6kvar,视在功率刈。=JP?。？+Q402=842.4kVA,计算电流

%)=冉=1279.9,功率因数cos"二学二0.96。

V31//V530

补偿后变压器的功率损耗为(近似计算)

△Pr=0.015S^0=12.6kW

△Qr=O.O6S4o=5O.5kvar

变压器高压侧计算负荷为

。30（高）=Pgo+APr=824.8kW

。30（身尸Q4O+AQT=274.Ikvar

S30(高尸]。30(高尸+Q30(高下

=869.15kVA

$30（初

，30(高)=50.2A

P3o（局）=o94

cos3(高)二

S30（高）

在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应至少选择1250kVA的容量才能满

足车间生产的要求；对设备整体进行补偿后，主变压器T的规格选为1000kVA的就

可以满足要求了。另一方面因为计算电流的降低，使该补偿位置在供电系统中各部分上

的功率损耗也同时缩小，因此无功补偿的经济效益十分可观。因此无功补偿后工厂380V

侧和l()kV侧的负荷计算如表所示。

计算负荷

项目COS0

P30/kWQ3o，kvarS30/kVA1301A

380V侧补偿前负荷0.75812.2727.61090.41656

380V侧无功补偿容量-504

380V侧补偿后负荷0.96812.2223.6842.41279.9

主变压器功率损耗12.650.5

10kV侧负荷计算0.94824.8274.1869.150.2

图3.1

4变电所位置和型式的选择

选择工厂变、配电所得位置，应根据下列要求经技术、经济比较确定:

1.靠近负荷中央。

2.进出线便捷。

3.距离电源侧近。

4.交通运输便利。

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，当无法远富时，不应设在污染源经常出现风

向的下风侧。

7.不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻。

8.不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方

或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准《爆

炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定。

9.不应建在地势凹陷和可能聚集雨水的场所。

10.高压配电所应尽可能与周围车间变电所或有许多高压用电装置的车间合建在一起。

工厂是l()kv以下，变电所的地理位置应可能接近公司的负荷中心，公司的负荷中

心按负荷功率矩法来选择。在任务竹给出的平面图下方和左侧，建立直角坐标系，然

后按比例量出各车间和宿舍区负荷重心的坐标位置，A(164.8)、尸2(L6,3.2)、

P3(1.6,1.8)……Pi。(10.3,5.5)分别代表厂房1、2、3……10号的功率。设定

P]P2P3P4Psp6P7P8PqPlO,并设Rl为生活区的中心负荷。把工厂的负荷中心坐标假设

在P(x,y),其中P=P1+P2+P3+……+P11NA。因此通过物理知识中计算中心的力矩

方程，可得负荷中心的坐标：

PP

_lX1+2^2+-...+P11X11_E(PiXp

「1+。2+「3+・"・・・+。11£P1

Piyi+P2y2+...+Pii)，ii=E(PQ>

A+P2+P3+……+P11£Pj

把Pi(1.6,4.8)、P2(1.6,3.2)、P3(1.6,1.8)...P10(10.3,5.5)代入上式，得

到x=6.7,y=4.9。通过最终结果，工厂的负荷中心在P[6.7,4.9)。考虑到工厂周边及进出

线方便，决定在4号厂房东侧紧靠厂房建造工厂变电所。其型式为附设式。

5变电所主变压器的台数与容量、类型的选择

5.1变压器台数选择的原则

主变压器数量应根据负荷特征和经济运行的条件进行选择。当下列要求满足时，需

要在此处布置两台及以上变压器：

1.有许多一级负荷和二级负荷。

2.季节性负荷差别明显，需要采用经济运行方式。

3.集中性负载较大，例如大于1250kVA。其他情况下通常装设一台变压器。

5.2变电所主变台数和容量的选择

公司所有车间除铸造车间、电镀车间和锅炉车间可以视为二级负荷外，其余均属于

三级负荷。主变压器型号采用S9型。

1装设一台主变压器，主变容量SN.7应大于等于总的计算负荷S30,即SN.TNS30（为

主变的容量，为总的计算负荷）。可以采取一台S9-1000/10型配电变压器（额定容量

lOOOkVA,一次侧电压为10kV）。至于整个车间的二级负荷所准备的备用电源，应当选

择由就近相连上午高压联络线来传输电能。

2装设两台主变压器，每台主变压器容量s应大于等于总的计算负荷s的60%〜70%,

即SMT=（0.6-0.7）S30O

相应的各个主变压器容量SNT应大于等于全部一、二级负荷的计算负荷之和S30。

可以选两台S9-630/10型配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，可以选择由

就近相联的高压联络线来传输电能。

主变压器的联结组均为YynO（用于高压侧为6~1（）kV,低压侧为380/220V的低

压配电变压器，从低压侧接出中性线，构成三和四线制供电）。

6变电所主接线方案的设计

变配电所的主接线，应根据变配电所在电网中的功能、进出线回路数、装置特点及

负荷性质等条件确定，并应满足安全、可信赖、便于切换和满足预算等要求。

6.1变电所主接线方案的选择

按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：

1.方案一：装设一台主变压器，如图6.1所示

2.方案二：装设两台主变压器，如图6.2所示

小

较好

耗较

线）案

方损性

接图

的压活

)主求求些

-F(列电灵

人变

E0GA所要要一

G1柜主，，

)电压足足好

F台列变

-<7变满满更

GA高两并主

G1A-的

附设变台

>变（

-F(装主两

GA主

G1案台

台有

>方两

J

-<两

GAm

G1-设

)装

-F2.

G做1

G11-6

>图差

-F

<大

GA稍

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G案性

耗

方活

求损

较的灵

Z.OIU)5IDD变求要压些

要足，一

丽比主电

—

旱今》WDD足满变差

I信台，

济满本主稍

一变

>基台

F经设主

V-<7一

0uA0线术装台

80L-有

3接）一

巴/只

>主图技

F

-<7所

即uA列的

u10-电

八\柜

I(变案

V>压

O-F的方

K<4高性性性性

O4.UA5变量

O0bL-附线全靠便应

L-/主质

90（目安可方适

S1>J台接电

-<3案项电电活建

uA一供

u10-方主较供供灵扩

设比

装

1

寸nlIGSIDD.

62.技术指标

图6

比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案

查得S9-630/10的单价为10.5万

查得S9-1000/10的单价为15.1万元，

电力变压器的元，因此两台变压器的综合投资为

而变压器综合投资约为其单价的2倍，

综合投资额4x10.5=42万元，比一台主变方案多

因此综合投资约为2x15.1=30.2万元

投资11.8万元

查得GG-IA(F)型柜可按每台4万元

高压开关柜(含本方案采用6台GG-IA(F)柜，其综

计，其综合投资可按设备的1.5倍计，

计量柜)的综合合投资约为6x1.5x4=36万元，比一

因此高压开关柜的综合投资，约为

投资额台主支方案多投资12万元

4x1.5x4=24万元

经

济

主变的折旧费=30.2万元主变的折旧费=42万元x0.05=2.17J

指

x0.05=1.51万元;高压开关柜的折旧7E;高压开关柜的折旧费=36万元

标

费=24万元xO.O6=L44万元；变配电x0.06=2.16万元；变配电的维修管理

电力变压器和

的维修管理费=(30.2+24)万元费=(42+36)万元x0.06=4.58万元。

高压开关柜的

x0.06=3.25万元。因此主变和高压开因此主变和高压开关柜的折旧和维

年运行费

关柜的折旧和维修管理费二修管理费=(2.1+2.16+4.68)万元=8.94

(1.51+1.44+3.25)万元=6.2万元，比一台主变方案多投资2.74

万元万元

供电贴费=2x630kVAx0.08万元

主变容量每kVA为800元，供电贴

供电贴费=100.8万元，比一台主变多交20.8

费=IO)0kVAx().08万元7kVA=8O万元

万元

表6.1主接线方案的技术经济比较

通过以上结果可以得出，根据相关标准，装设方案二略优于方案一，但按经费要求，则

装设一台主变的主接线方案比装设两台主变的主接线方案更贴合实际，因此选定方案一。

7短路电流的计算

本厂可由附近两处电源取得电能。

一处为10KV的干线取得工作电源。该干线的导线牌号为LJ-3X95,导线为等边三

角形排列，线距1.25m,干线首端距离本厂约10km。干线首端所装设的高压短路器断流

容量为I50MVA。

第二处线路为LJ-3X120导线为等边三角形排列，线距1.25m,干线首端距离本厂约

8km。干线首端所装设的高压短路器断流容量为75MVA。

首先对第一处电源进行计算

7.1绘制计算电路

7.2确定短路计算基准值

设基准容量Sd=l()()MVA,基准电压Udi=10.5kV,Ud2=0.4kV,则

〃.「同Sd『反1QQM标VA"5t..5ri0A

，3Ud2V3xO.4kV

7.3计算短路电路中各元件的电抗标么值

I.电力系统已知高压断路器断流容量Sm=I5OMVA,所以

X；=150MVA/100MVA=1.5

2.架空线路查表得LJ-3X95的%°=0.3490/km,线路长10km,所以

(

/22=0.349X10)ex(10.5fcV)2=3.16

3.电力变压器查表得S9/100()-l()型配电变压器的短路电压百分值4％=4.5,所以

4.5100MVA

=100X1000/cVA=45

因此绘制短路计算等效电路：

7.4计算K1点(10.5kVffilJ)的短路总电抗及三相短路电流和短路

容量

1.总电抗标么值

xhk-i）=xi+x2=4.66

2.三相短路电流周期分量有效值

42=-=L18kA

xS（fc-D

3.其它短路电流

户3）=丐）=//二1.18kA

.=2.55/"（3）=3.00kA

尊=1.5"⑶=1.78kA

4.三相短路容量

=^-=^^=21.46MVA

“TX&J）4.66

7.5计算K2点（O.4kV侧）的短路总电抗及三相短路电流和短路容

1.总电抗标么值

X》”2)=X；+X[+不=9.16

2.三相短路电流周期分量有效值

妈=*-卫”=15.72kA

k-2Xi(k-2)&66

3.其它短路电流

“3)=/£)=您=15.72kA

琮）=1.84/"（3）=28.92kA

器）=1.09/"（3）=17.13kA

4.三相短路容量

S£3）打二理吆no.%MVA

Xi（k-2）9.16

以上短路计算结果综合如下表所示

三相短路容量

三相短路电流

/MVA

短路计算点

户3)/⑶;(3)

户OO常对

k-11.181.181.183.001.7821.46

k-215.7215.7215.7228.9217.1310.91

表7.1短路电流计算表

对第二处电源进行计算

7.6绘制计算电路

7.7确定短路计算基准值

设基准容量Sd=100MVA,基准电压Udi=I0.5kV,（/d2=0.4kV,则

.Sd100MVArriA

Iadil=^-2—=-----=5.5/M

y/3UdlV3X10.5/CV

r_Sd_100MVA一"iA

12—：------=144kA

同r石V3X0.4/CV

7.8计算短路电路中各元件的电抗标么值

1.电力系统已知高压断路器断流容量S℃=75MVA,所以

X；=75MVA/100MVA=0.75

2.架空线路查表得LJ-3X95的与=0.349。次机，线路长8km,所以

小（0.349X8）CX震嬴=2.53

3.电力变压器查表得59/1000-10型配电变压器的短路电压百分值4%=4.5,所以

4.5100MIM

^=Tooxiooom=4-5

因此绘制短路计算等效电路：

7.9计算K1点（10.5kV侧）的短路总电抗及三相短路电流和短路

容量

1.总电抗标么值

.=3.28

2.三相短路电流周期分量有效值

但==1.67kA

3.其它短路电流

户3）=火）=但=1.67kA

琮）=2.55/"（3）=4.25kA

6）=1.51/"⑶=2.52kA

4.三相短路容量

咽二整叩8MVA

7.10计算K2点（0.4kV侧）的短路总电抗及三相短路电流和短路容

1.总电抗标么值

x作-2）=七+整+X：=7.78

2.三相短路电流周期分量有效值

把空二18.5()kA

Xi(k-2)7.78

3.其它短路电流

户3)=7(3)=7^=18.50kA

琮)=1.84/"<3)=34.04kA

僚)=1.09/"(3)=20.16kA

4.三相短路容量

以上短路计算结果综合如下表所示

三相W.路容量

三相短路电流

/MVA

短路计算点

/⑶;(3)

户3)L

OOsh常对

k-11.671.671.674.252.5230.48

k-218.5018.5018.5034.0420.1612.85

表7.2短路电流计算表

8变电所一次设备的选择与校验

8.1一次设备选择与校验的条件和项目

保证电气设备在平时的工作条件下能正常的长时间的工作，并且当短路时不会发生

损坏，应当根据以下要求进行选定和校验:

1.当设备正常运行时的条件，包括电压、电流、频率、开断电流等选择。

2.当设备发生短路时的条件，包括动稳定和热稳定校验。

3.考虑电气设备运行的外部条件如气温、湿度、气压以及是否有防尘、防腐、防

火、防爆等的硬性需求。

4.按一次电气装置的不同特点和要求进行选择c

8.2按正常工作条件选择

1.按工作电压选择

设备的额定电压U-e一般应大于等于所在系统的额定电压4，即瓦啰之力。

UN=10kVo

2.按工作电流选择

设备的额定电流，N.e应大于等于所在电路的计算电流/30,即>，30。

3.按开断流能力选择

设备的额定开断电流上或断流容量S”，对可以对.短路电流进行分断处理的设备来

说，应大于等于可以分断的最大短路有效值户或短路容量兔3）,即/℃>炉或Sg>S”

对于分断负荷设备电流的设备来说，则为上之机团㈠，/。乙加以为最大负荷电流。

8.3按短路条件校验

1.隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验

（1）动稳定校验条件

^max—4）

3

^KesIN1x10->琮）

Is为电流互感器的动稳定倍数，旦（s二黑。

（2）热稳定校验条件

//二之《

（KJNI）2t>/82Gme

《为电流互感器的热稳定倍数，且r二4

根据以上结果，总结出以下结论，根据结论可以发现所选择的一次设备符合我们的

要求。

电压电流断流能力动稳定度热稳定度其他

/2f

装置地点参数UN俨以18Lima

条件数据10kV

高压少油断路器

一10kV

次SN10-101/630

设-

备

--

----

型----

号

格-

规----

-

表8.110kV侧一次设备的选择与校验

9变电所进出线的选择与校验

9.11