《某高速公路服务区内的配电和供电系统设计》9400字

第第页某高速公路服务区内的配电和供电系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u100631绪论 192271.1研究的意义 1209111.2国内外发展现状 2216761.3课题的设计要求及设计思路 34232配电系统方案设计 430302.1用电设备组的计算负荷 4248552.2东区配电房设备布置图、接地平面图 7205642.310KV一次系统图 1257073无功补偿 13100583.1功率因数 13127543.2变压器选择 13263974短路电流的计算 16246454.1短路电流的危害 1688664.2短路电流的计算 16100474.3短路计算结果 18303915电气主接线的设计 20284325.1东区变电所电气主接线设计 2055575.2西区变电所电气主接线设计 20263446变电所主要电气设备的选择 2118826.1设备选型原则 2132661下表为一次设备的选择与校验项目表 2123336.2高压设备的选择与校验 23227986.3低压设备的选择和校验 2466666.4母线的选择 2685376.5导线的选择 27221686.6柴油发电机的选择 2860257防雷与接地 29112897.1雷击的危害与防护措施 29153487.2接地系统与避雷装置的选择 29267988继电保护 3116079（1）过电流保护动作电流的整定 315101结论 331绪论1.1研究的意义如今我国高速公路的建设迈向了快速发展的时代。大多数设施都以智能化和自动化为主，其中服务区作为提供休息、吃放、娱乐等场所。它24小时不停运转为人们提供便利。现在中国的飞速发展，服务区也不只是简单地提供吃饭和休息的地方。而是要打造一个能够让人们感到便携、舒适且可以娱乐的地方。不过一切设备的运行都需要有个稳定的供配电系统，必须设计好配电房供配电系统，保证服务区电力系统的安全运行。1.2国内外发展现状目前我国的服务区配电房设备处于淘汰旧设备安装新设备的时期，配电房越来越趋向于系统自动化方向，由长期有人值守转向微机自动控制。在电力设备制造方面，国产技术日益提高，断路器、变压器、开关柜的性能有了明显的改善。现在的国产断路器设置有辅助触点，为实现自动控制断路器开通与关断提供了条件。在变压器的制造方面，SC系列干式变压器拥有良好性能，逼近世界先进水平。现在我国的配电房设备正处于换代时期，旧的电力设备逐渐被新的、先进的电力设备所取代。配电房的设计越来越趋向于接线简单化，尤其是先进电力设备的大量投入运用，为接线简单化提供了便利条件。配电房设计规范有了明显的改进，配电房的设计国标规范更加严谨，供电局审查也更为严格。国外的配电房设计也是重点趋向于自动化，正逐步的舍弃旧设备换成一些新型的先进设备，并且传统的配电房基本有人值班，如今慢慢的发展为远程监控的类型。电流传输由交流向直流转变，国外也由交流向直流输出变化。在如今的信息化大力发展的大环境下，供电技术也在日益进步，对于变配电技术也产生了较大影响，因此我国配电房电力系统设计发生了一些必要的变化。然后这些年配电房所需的电气设备进行了一次较大的改变，如今的设备越来越高质量，不仅在完善设备质量的同时，生产厂商也在完善设备的各项功能，确保性能、功能双发展，如今GIS配电装置处于大力发展的背景下，所以越来越多的施工单位的建设工程都考虑采用此装置。还有自动化系统如今也是电力系统发展的热点。与国内不同的是，国外的配电房自动化研究开始的比较早，早在上世纪七八十年代就开始了。通过对电子器件的研发与应用实现远程检测电力系统各个设备的工作状态，以及控制断路器分合闸，到目前为止，他们的配电房自动化设计已经趋于成熟，并且已经得到具体的实施。1.3课题的设计要求及设计思路（1）根据现场实际情况结合供配电设计规范进行设计，设计时应该考虑配电房自身对供电照明的要求。（2）尽可能用国内先进的电力设备，以及主流的、安全的、负荷规范的接线设计，满足集中用电设备的用电需求。（3）经济，科学，安全，优质是供配电设计的主要要求，在进行系统设计时，尽可能做到方便安装与管理。在后期的应用过程中，应尽可能的坚守维修工作量。（4）在进行供配电的设计时，一般要考虑安全裕量以及为后期增容留有一定的裕量。本设计的设计思路：（1）实地考察高速公路服务区，并收集各项资料；（2）负荷计算；（3）短路计算；（4）选用各项设备和电缆型号；（5）主接线方案设计；（6）设计配电房的各种保护措施。

2配电系统方案设计2.1用电设备组的计算负荷选择需要系数法来进行我们的负荷计算。其中计算的计算公式有；有功功率： Pjs=PjsPeKd无功功率： Qjs=Qjs视在功率： Sjs=Sjscosφ计算电流： Ijs=Ijs除此之外我们需要查阅手册对各个不同的用电设备的需要系数进行确定。再通过以上公式进行计算列出表格。如表2.1、表2.2：表2.1东区设备的负荷计算表设备用途设备容量（KW）需要系数计算容量(KW)计算电流（A）功率因数低压总柜4961496.1810.70.8管理中心厨房设备750.8060.091.20.8管理中心空调设备2060.80165.0250.70.8综合楼厨房设备880.8070.0106.40.8综合楼空调设备2600.7181.6276.01管理中心热水器700.8560.091.20.85景观照明190.8516.048.80.85管理中心照明1700.85144.0180.20.80高速公路道路照明180.8515.045.60.85高杆照明240.8520.060.80.85加油站照明170.8515.025.80.85综合楼照明1400.85118.3147.90.80外场监控电源9.019.027.40.80消防水泵73.2173.2141.60.70变电所用电10.0110.017.90.8生活水泵8.518.516.90.70维修间电力17.0117.025.30.70加油站电力10.0110.014.20.70电力计量54.4154.4115.00.70表2.2西区设备的负荷计算表设备用途设备容量（KW）需要系数计算容量(KW)计算电流（A）功率因数低压总柜4961496.1810.70.8管理中心厨房设备2150.80172.0261.40.8管理中心空调设备1480.80118.0179.30.8综合楼厨房设备880.8070.0106.40.8综合楼空调设备2740.7192.2292.11管理中心热水器700.8560.091.20.85景观照明190.8516.048.80.85管理中心照明2360.85201.0251.50.80高速公路道路照明180.8515.045.60.85高杆照明240.8520.060.80.85加油站照明170.8515.025.80.85综合楼照明1220.85103.3128.50.80外场监控电源919.027.40.80监控分中心20120.050.7收费分中心10110.025.4通信分中心73173.2141.60.70变电所用电10110.017.90.8排水、污水处理设备18118.437.30.70维修间电力17117.025.30.70加油站电力10110.014.20.70电力计量1041104.4237.90.702.2东区配电房设备布置图、接地平面图高速公路服务区平面布局;该服务区包括东区、西区;东区设有综合楼、管理中心，配电房、加油站、维修间、水泵房;西区设有综合楼、管理中心、配电房、加油站、维修间。图2-1东区配电房设备布置图、接地平面图表2.3变电所设备材料表序号设备名称设备材料名称数量单位1干式电力变压器SC10-800/10KV/0.4KVD,yn111台2干式电力变压器SC10-630/10KV/0.4KVD.yn111台3高压开关柜KYN28-125台4进线柜SM6-IA2台5低压开关柜BloKset2台6低压开关柜BloKset2台7低压开关柜BloKset6台8低压电容补偿柜BloKset2台9低压开关柜（预留）BloKset2台10柴油发电机组250KV1组11柴油发电机组200KV1组12电力电缆ZRJYV-6/10KV-3x95mm²约8米13电力电缆ZRYJV-1KV-3(1x300)+1x150mm约20米14电力电缆ZRW-1KV-5X4.0mm²约25米15电力电缆ZRW-1KV-5X4.0mm²约25米16镀锌扁钢（接地母线）-40×4190米17镀锌角钢（接地极）L50×50×5L=250023根181.0T油箱1只19基础钢槽10#(100×48×5.3)90米20镀锌钢管S100（壁厚4MM）150米21轮轴风机Q=300mm/min2台22镀锌钢管SC10035米23所用电配电柜1台24电力监控柜由电力监控系统设计单位选定1台25负荷控制装置由当地供电公司确定1台2.310KV一次系统图电源引自当地10KV网络，进户线路采用电缆线路，10KV配电装置采用交流电动操作，低压配电系统采用单母线分段接线。为了能够持续稳定的供电，我们会选用一个柴油发电机组来作为备用电源。主，备电源之间装设具有单刀双掷(V型)结构的主触头系统的自动转换开关，确保两电源之间安全转换。图2-210KV一次系统图

3无功补偿3.1功率因数在服务区中存在有各种类型的感应电机，气体放电灯，电力变压器，从而使服务区的功率因数降低，若在充分改善设备运行性能，充分的发挥服务区中设备的潜力，提高自然功率因数情况下，不能达到理想的功率因数要求，此时就要进行添加一些无功补偿装置。无功补偿的方式有多种，主要有同步补偿机和并联电容器。最普遍最有效的当属并联电容器进行无功补偿。我们从技术和经济的角度综合去考虑，为了综合的提高电能效率，我们尽量在接近负荷设备的地方补偿其需要的无功功率。配电系统一般都在低压系统进行无功补偿因为在此处补偿时无功功率针对性强，经济性好，节约各项投资，电能质量偏好，电压稳定性好，电能效率变高。经过计算得到的功率因数cosφ=0.82，根据要求功率因数是不能低于0.9的，所以为了达到功率因数大于0.9的需求我们要进行无功功率补偿。取cosφ2=0.92QC根据以上数据，选择额定容量为40Kvar型号为BKMJ0.45-20-3的无功补偿电容器两个，参数为电容器的额定容量为20Kvar，额定电容为400μF，频率50HZ,系统额定电压0.4Kv，额定电流38.5A。补偿后低压侧的计算负荷是：S'30=210.352+（121.92−40）23.2变压器选择服务区配电房应从10KV高压母线进，经过服务区配电房的变压器的变电，再到服务区配电箱的配电给服务区整个系统供电，服务区的低压侧计算负荷为225.73kV，负荷相对较小用一台变压器即可，当有大量一级或者二级负荷，或者集中负荷较大时适合装设两台及以上变压器。在选择变压器的时候应选择其额定容量大于225.73kVA，并且要留有一定的裕量，因此可选择容量为315kVA的变压器。变压器的种类比较多，大体可分为油浸式变压器，气体绝缘式变压器，干式变压器，各有其特点，此处应按照环境条件选择变压器型号，相对于油浸式变压器而言，干式变压器主要用于防火需求高，尘土较多环境的变电所，占地面积相对较少，对环境具有良好的适应性，并且过电压时有很强的绝缘能力，噪声低。而油浸式变压器占地多，污染严重，噪声大，不适合安装在服务区等场所。经常采用的是体积小，重量轻的SC10系列的变压器，其性能优越，适合在室内使用，安装使用方便，敞开式的，风扇辅助散热和自然散热，不需要冷却油，没有瓦斯保护，缺点是怕水怕湿。SC10变压器的功耗低，对配电系统的影响比较小，电气强度与机械强度等性能也良好。因此可以选择SC10-800型变压器，规格容量为800KVA，空载损耗1.710KW，负载损耗7.360KW，重量1511KG,轨距660*1000，外形尺寸1230*818*1382，外壳尺寸1800*1258*1768。变压器的功率损耗为：∆PT=0.01∆QT=0.05∗服务区高压侧计算负荷为：P'30高=210.35+2.26=212.61kw（Q'30高=121.92−40+11.29=93.21kvar（S'30高补偿后服务区的功率因数为cosφ'=212.61

4短路电流的计算4.1短路电流的危害产生短路的原因:（1）电网元件损坏，如绝缘材料老化，设备安装维护不良等。（2）人为事故导致。如设备操作员带负荷拉隔离开关等错误行为。（3）气象条件恶化所致。如雷击，冰雹，大风等引起的倒杆断线等。短路的后果：（1）热效应。在短路发生时会出现非常大的短路电流，使电气设备过热，绝缘保护设施损坏等。（2）产生强大的电动力效应。使设备扭曲，变形，破坏。（3）有明显的电压下降产生。影响设备的正常工作，还会影响电力系统的稳定性。因此短路的后果十分严重，我们应尽量去减小甚至消除引起短路的因素。此时必须进行短路电流的计算，目的是准确的选择电气设备，使动稳定和热稳定都达到良好的状态，保证在发生极大短路电流时不至于损坏各项设备。4.2短路电流的计算经过现场调查距离服务区最近的变电站大约有8km,因此可大约估计其线路的长度为8km，采用标幺制法计算。取Sd=100MV∙A，取元件所在处的短路计算电压进行短路计算需有相对应的三相短路图如图4.1所示：图4.1三相短路计算图（1）确定基准值取，，而(4.1)(4.2)（2）短路电路中各元件的电抗标幺值1）电力系统电抗标幺值：(4.3)2)架空线路电抗标幺值：(4.4)3)SCB11-315变压器电抗标幺值：(4.5)k-1点短路等效电路图如图4.2所示，图4.2短路等效电路图（3）当k-1点短路时1）总电抗标幺值(4.6)2)三相短路电流周期分量有效值(4.7)3)(4.8)(4.9)(4.10)4)三相短路容量(4.11)（4）当k-2点短路时等效电路如图4.3所示，图4.3短路等效电路图总电抗标幺值（4.12）2)三相短路电流周期分量有效值(4.13)3)(4.14)(4.15)(4.16)4)三相短路容量(4.17)4.3短路计算结果将以上的数据进行分析与综合整理，绘制下表将短路计算填入表内如表4.1所示。表4.1短路计算表短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk-11.921.921.924.902.9034.84k-29.259.259.2517.0210.086.42

5电气主接线的设计东、西区配电房内均设有:10/0.4KV干式电力变压器、低压配电装置及自备发电机组等，分别向同侧的用电设备配电，5.1东区变电所电气主接线设计5-1东区区变电所电气主接线设计5.2西区变电所电气主接线设计图5-2西区变电所电气主接线设计

6变电所主要电气设备的选择6.1设备选型原则（1）一般情况下考虑正常环境中的电气设备选择；（2）动稳定校验或—此值为通过设备的电流值峰值；—是第一个短路循环中电流峰值；—电气设备能够通过的电流峰值的有效值；—在发生短路之后第一个循环的电流有效值。（3）热稳定校验，为热稳定电流，t表示热稳定时间。下表为一次设备的选择与校验项目表表6.1一次设备的选择和校验项目一次设备名称额定电压/V额定电流/A开断电流/kA短路电流校验动稳定热稳定高压熔断器√√√√－高压隔离开关√√－√√高压负荷开关√√√√√高压断路器√√√√√电流互感器√√－√√电压互感器√－－－－母线－√－√√电缆√√－－√表6.2一次设备校验所需公式设备名称校验项目校验公式高压断路器、高压隔离开关、高压负荷开关动稳定热稳定电流互感器动稳定热稳定母线动稳定热稳定电缆热稳定

6.2高压设备的选择与校验6.2.1高压断路器六氟化硫断路器和真空断路器使用较为广泛。六氟化硫断路器具有可靠性好，开断性能高，燃弧时间相对较短，不重燃，主要使用在35KV系统中。真空断路器特点相对明显，主要用于35KV及以下变电所中。由短路计算可得：(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)经过比较用真空型断路器更适合服务区配电房的设备，选用ZN63-10/630型真空户内断路器作为新密北服务区配电房的高压断路器，对比结果如表5.3所示。表5.3高压断路器的选择校验表序号安装地点电气条件ZN63-10/630型断路器项目数据项目数据结论110kV10kV符合213.03A630A符合31.92kA8KA符合44.90kA20kA符合54.42256符合·6.2.2高压隔离开关高压隔离开关的工作原理比较简单，其主要特点是无灭弧能力，只有在没有负荷电流的情况下分，合电路。因为其不带灭弧装置，不能带负荷操作，在选择时只需要考虑额定电压与电流，然后进行动稳定和热稳定校验。查阅资料，可以得出GN19-10/630高压隔离开关参数与装设点参数的对比表查阅部分的关于高压隔离开关的相关的参数，如表6.3：表5.4高压隔离开关选择校验表GN19-10/630选择要求安装地电气条件结论项目数据项目数据10kV10kV符合200A13.03A符合i25.5kA4.90kA符合5004.42符合根据表中比对结果可以知道，所选隔离开关符合条件。6.2.3高压开关柜10kV高压进入配电房，需要经过高压开关柜与计量柜。高压柜控制着10kV高压的进出线，在选用高压开关柜与计量柜时，需要考虑多方面因素比如现场条件，容量，配电房温度，空间等因素。服务区的配电房开关柜选用XGN2-12作为进线柜与出线柜和计量柜。XGN2-12内置真空断路器，采用真空灭弧室,此箱型固定式金属封闭开关设备用于三相交流50HZ,10kv单母线系统中。进线柜、计量柜、出线柜采用母排连接。6.3低压设备的选择和校验6.3.1低压断路器低压短路器的功能与高压断路器相似，既能带负荷通断电路，又能在短路，过负荷和欠电压下自动跳闸。根据短路电流计算(6.5)(6.6)(6.7)通过以上数据分析与对比，查表低压进线选择空气断路器EX9A16-400型抽屉式低压断路器。低压配电线路出线断路器根据现场工作电压和电流，选择每条线路的出线断路器，选用诺雅克公司的塑壳断路器EX9M1系列断路器。6.3.2低压电流互感器由之前计算可知,所以可选择LMZJ1-0.5-400/5为低压进线电流互感器。在配电线路上可以选择LMZ1-0.5型号，此电流互感器主要用于户内，供额定电压0.5kv及以下的交流电路中作为电流或断电保护作用。根据电流互感器二次侧电流额定电流为5A，且二次侧电流要小于额定电流，选择配电出线线路电流互感器的变比，一般情况下，根据负荷电流选择互感器一次侧电流大于线路计算电流，且取最接近的负荷电流的一次侧电流等级。6.3.3低压开关柜在低压侧可以对各个用电设备进行配电，其也可直接对小容量家用设备配电，经过比对可选择MNS-01，它是低压抽出式开柜为近期开发的新产品。该产品符合国标GB7251等规定，适应面较广，在市政建设配电系统中也较多应用。6.3.4电容器柜此装置可以对功率因数进行改变，而且对于线路的损耗可以有效改善，充分发挥设备效率，对供电质量也有很大提高。这里可以选择MNS-40Kvar电容器柜。6.4母线的选择在选择母线时应结合实际情况，综合考虑多方面因素，并且结合经济条件选择，采用矩形硬铝母线，既能满足设计要求又能经济节省，选择LMY型矩形硬铝母线。（1）经济截面积：mm2.可采用母线的允许载流量：,满足载流量条件。（2）热稳定校验：mm2(6.8)故满足校验条件。通过上式中(mm2)（热稳定系数），（设定假想时间）。（3）动稳定校验：(6.9)(6.10)其中—发生三相短路时的电动力，此力为中间相所产生最大的力，—意义为绝缘子的档距，—此值为母线与轴线之间的距离大小，b—母线水平距离，h—。其中矩形硬铝母线的=70MPa，所产生的最大允许应力，通过以上对数据的分析与整理可知其动稳定性可以达到要求。高压电缆并不是直接接入变压器，而是通过高压柜后，才进入变压器。高压柜之间采用的是高压母线连接，LMY母线规格可选取为，经过以上校验，动稳定和热稳定都满足，所以高压柜母线也选用。6.5导线的选择6.5.1高压电缆的选择在配电房的设计过程中，不仅要考虑各种设备选型，电缆的选型也是设计过程中的重要一环。主要考虑电缆是否适合现场的电压等级，能否满足负荷需要，并且也要考虑其年最大有功负荷，此时查表分析知,电缆的选型主要经过以下几个步骤:(1)选择经济截面(6.11)查导线和电缆的经济电流密度知A/mm2，所以经济截面：mm2(6.12)由以上结果可知YJV22-8.7/10kv-370此交联铠装电缆满足经济截面要求。(2)校验发热条件查阅资料知道当温度为30摄氏度时，此铜绞线的载流量为245A>13.03A。发热满足要求。(3)校验热稳定根据《民用与工业供配电设计手册》，检验热稳定Amin=I∞(3)电缆不用考虑动稳定，因此高压电缆选用YJV22-8.7/10kv-370满足。架空线路不用考虑热稳定，在检验动稳定时，只需要电缆截面大于最小经济截面，由于25mm2>Smin=16mm2所以根据以上校验结果选用LJ-25型铝绞线电缆用于新密北服务区6.5.2低压电缆的选择（1）按发热时条件选择低压侧某一设备的负荷电流为I30=ILNT=85.46A，电缆在土壤敷设时，温度一般维持在25摄氏度时，根据YJV22选型手册可知，截面为50mm2（2）校验短路时的热稳定根据设计手册知道，在电缆进行热稳定校验时，只需满足电缆截面大于最小截面。本设计中最小截面为：Amin=I∞(3)电力电缆因为敷设在地下，不需要进行动稳定校验，所以YJV22-1.0-4*50mm²符合本设计要求。配电房电缆选择按照接地系统要求，配电房出线应选用五芯电缆。其他配电出线选用四芯电缆，选型过程与以上过程类似，选用YJV22电缆。6.6柴油发电机的选择当出现紧急情况断电时，服务区供配电系统要求不能长时间停电，以免造成重大交通事故，所以要引入备用电源。本设计采用柴油发电机作为备用电源，服务区的一级负荷有消防用电和应急照明，他们用电设备容量都不高，经过计算，我们选用型号为XM55-14的自启式发电机，自启式发电机在市电断电情况下能够迅速的启动，并且在其出线断路器与变压器出线断路器之间设置机械联锁与电气联锁，保证市电断电时，变压器出线断路器断开，而发电机能迅速发挥作用，且发电机的出线断路器迅速闭合，这样就能降低断电对服务区影响，不至于因停电造成各种交通事故和各种突发情况。

7防雷与接地7.1雷击的危害与防护措施在恶劣的雷雨天气中，雷电对电气系统的危害巨大。雷击造成的过电压对系统中的设备影响很大，户外架空线，甚至室内的电气设备也会受到雷击的侵害，造成设备的直接损失，线路跳闸，部分设施无法正常使用。如果不设置防雷或者防雷不佳，轻者就会造成保护设备动作，重者造成电力设备损坏，造成严重事故。由于雷电造成的危害很大，所以要对重要的配电和供电系统进行一些保护，特别是配电房和变电所这种场所。防雷保护的主要措施是在重要场所加装避雷器和接闪器，可以起到保护配电房的作用。对于高压架空线路，主要是在塔杆上装设避雷装置以及装设避雷线。7.2接地系统与避雷装置的选择本设计接地采用TN-C-S系统。TN-C-S系统是TN-C和TN-S系统的结合，在低压配电设计时，往往在配电系统前半段采用四线制，即中性线N和保护线PE结合形成PEN线，在系统的后半段采用三相五线制，这样可以在设备保护壳漏电时，及时切断断路器，保护现场设备，这就是TN-C-S原理，其接线图如图6.1所示。图6.1TN-C-S系统的接线原理图接闪器可以防止直击雷的危害，避雷器防止过电压的危害。被保护的电气设备需要和避雷装置并联在一起安装。并且该避雷装置需要安装在被保护设备的供电电源侧一端。本设计采用YH5WS-17/50型号的避雷器作为防雷装置，该避雷器为金属氧化锌避雷器。一般的避雷器采用碳化硅为主要元件，其性能远远不如金属氧化锌避雷器。金属氧化锌避雷器其性能优越在电阻片的伏安特性有了大大的改善，因此同流能力与之前相比也有了很大的改观。这种避雷器在结构上与传统避雷器相比有了根本变化。本设计选用的用YH5WS-17/50型号的避雷器，在正常工作条件下，流过的电流很小，以微安级别计量，基本可以忽略不计。但是当出现雷电过电压时，它的优异性能便发挥了作用，在这时主要起作用的是他的非线性作用，流过它的电流会很大，达到几千安培。因此在遭受雷电过电压时，避雷器想当于导通状态，电力系统通过避雷器释放过电压，从而保护了电力设备免受雷电过电压的损害。

8继电保护故障和不正常运行在电力系统运行过程中可能发生，一般短路为较常见的故障类型。而不正常运行是电力系统未发生故障，但电气设备运行受到影响，例如过负荷、过电流、振荡等。两种情况对系统会造成送电减少、电能质量降低，甚至会损坏设备或威胁人身安全。除了要尽量将可能性降到最低，但故障依然发生那就