红光机械厂降压变电所的电气设计课程设计--学位论文.doc

红光机械厂降压变电所的电气设计

摘 要
本设计根据红星机械厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，适当考虑工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求。通过负荷计算，短路计算，校验等等，来确定变电所型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，确定变电所防雷接地装置，绘制变电所系统图，功率因数需要补偿到0.9。
关键词: 负荷计算 变压器 继电保护 二次回路

I

目 录
摘 要 I
第1章 负荷计算和无功功率补偿 1
1.1 负荷计算和无功功率计算 1
1.2 无功功率补偿 5
第2章 变电所主变压器和主接线方案的选择 6
2.1 变电所形式和位置的选择 6
2.2 变电所主变压器的选择 6
2.2.1 只装一台主变压器 7
2.2.2 装设两台主变压器 7
2.2.3 两种方案的技术经济比较 7
2.3 变电所主接线方案的选择 7
第3章 变电所短路电流的计算 9
3.1 确定基准值 10
3.2 计算短路电路中各主要元件的电抗标么值 10
3.3 k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量 10
3.4 k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量 11
第4章 变电所一次设备的选择和校验 11
4.1 变电所高压一次设备的选择 11
4.2 变电所高压一次设备的校验 12
4.3 变电所低压母线的选择和校验 13
第5章 变电所高、低压配电线路的选择 14
5.1 高、低压线路导线的选择 14
第6章 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定 15
6.1 二次回路方案选择 15
6.1.1 二次回路电源选择 15
6.1.2 高压断路器的控制和信号回路 15
6.1.3 电测量仪表与绝缘监视装置 16
6.1.4 电力系统中的自动重合闸装置 16
6.2 继电保护的整定 16
第7章 防雷装置的确定 17
7.1 防雷装置确定 17
7.2 雷电侵入波保护 17
总 结 18
参考文献 19
附 录 20

红光机械厂降压变电所的电气设计

第1章 负荷计算和无功功率补偿
1.1 负荷计算和无功功率计算
表1-1 工厂负荷统计资料
工厂编号
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
300
0.3
0.7
照明
6
0.8
1
2
锻压车间
动力
350
0.3
0.65
照明
8
0.7
1
7
金工车间
动力
400
0.2
0.65
照明
10
0.8
1
6
工具车间
动力
360
0.3
0.6
照明
7
0.9
1
4
电镀车间
动力
250
0.5
0.8
照明
5
0.8
1
3
热处理车间
动力
150
0.6
0.8
照明
5
0.8
1
9
装配车间
动力
180
0.3
0.7
照明
6
0.8
1
10
机修车间
动力
160
0.2
0.65
照明
4
0.8
1
8
锅炉房
动力
50
0.7
0.8
照明
1
0.8
1
5
仓库
动力
20
0.4
0.8
照明
1
0.8
1
11 生活区
照明
350
0.7
0.9
由表1-1中的工厂负荷统计资料分别计算出各自的计算负荷和工厂总的计算负荷： （1）铸造车间
动力部分：

照明部分：

（2）锻压车间
动力部分：

照明部分：

（3）金工车间
动力部分：

照明部分：

（4）工具车间
动力部分：

照明部分：

（5）电镀车间
动力部分：

照明部分：

（6）热处理车间
动力部分：

照明部分：

（7）装配车间
动力部分：

照明部分：

（8）机修车间
动力部分：

照明部分：

（9）锅炉房
动力部分：

照明部分：

（10）仓库
动力部分：

照明部分：

（11）生活区
照明部分：

取全厂的同时系数为： ，则全厂的计算负荷为：

工厂总的计算负荷表见附录表A。
1.2 无功功率补偿
由以上所求可得变压器低压侧的功率因数：
因为供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.90。考虑到主变压器的无功损耗大于有功损耗，因此380V侧最大负荷功率因数应稍大于0.90，这里取。
则低压侧需装设的并联电容器容量为：

取
则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：

计算电流：

变压器的功率损耗为：

变电所高压侧的计算负荷为：

补偿后的功率因数为：
这一功率因数满足（大于0.90）要求。
无功功率补偿后工厂380V侧和10V侧的计算负荷如表1-2。

表1-2 无功功率补偿后工厂的计算负荷
项目

计算负荷

380V侧补偿前负荷
0.75
812.20
727.60
1090.00
1656.00
380V侧无功补偿容量

400.00

380V侧补偿后负荷
0.93
812.20
327.60
875.78
1330.6
主变压器功率损耗

8.76
43.79

10KV侧负荷总计
0.91
820.96
371.39
901.05
47.42
第2章 变电所主变压器和主接线方案的选择
2.1 变电所形式和位置的选择
考虑到本厂负荷较为分散，故变电所采用单独设立的方式。变电所设立位置尽可能靠近负荷中心，工厂的总平面图如图2-1所示

图2-1 工厂总平面图
2.2 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下列两种方案：
2.2.1 只装一台主变压器
主变压器容量应满足全部用电设备总计算负荷的需要，即，所以此变电所选，即选一台S9—1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承担。
2.2.2 装设两台主变压器
应满足：
= (132+160+44.4) =336.4
因此选两台S9—630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的高压联络线承担。主变压器的联结组别均采用Dyn11型。
2.2.3 两种方案的技术经济比较
表2-1 两种主结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

供电安全性
满足要求
满足要求
供电可靠性
基本满足要求
满足要求
供电质量
由于一台主变电压损耗大
两台并联，电压损耗略小
灵活方便性
只一台主变，灵活性稍差
灵活性较好
扩建适应性
稍差一些
更好一些
经济
投资金额
投资低
投资高
从上表2-2可以看出，按技术指标，装设两台主变的主结线方案略优于装设一台主变的主结线方案，但按经济指标，则装设一台主变的方案远优于装设两台主变的方案，因此决定采用装设一台主变的方案。（说明：如果工厂负荷近期可有较大增长的话，则宜采用装设两台主变的方案）
2.3 变电所主接线方案的选择
电气主接线的基本要求：可靠性，灵活性，经济性和先进性。本设计母线选择方案有两种。
方案Ⅰ：高、低压侧均采用单母线接线。优点：接线简单清晰，设备少、投资低，操作方便，便于扩展，也便于采用成套配电装置。另外，隔离开关仅仅用于检修，不作为操作电器，不易发生误操作。缺点：可靠性不高，不够灵活。主接线图如图2-2。
方案Ⅱ：高压侧采用单母线分段接线。优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。主接线图如图2-3。
以上两种方案均能满足主接线要求，采用方案二相对来说需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案Ⅰ。

图2-2 单母线主接线图

图2-3 单母线分段主接线图
第3章 变电所短路电流的计算
本厂的供电系统简图如图3-1所示。采用两路电源供线，一路为距本厂8km的馈电变电站经LGJ-150架空线（系统按∞电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。

图 3-1 短路计算电路
3.1 确定基准值
取，，
所以：
3.2 计算短路电路中各主要元件的电抗标么值
（1）电力系统的电抗标么值：
（2）架空线路的电抗标么值：查手册得，因此：

（3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得，因此：

可绘得短路等效电路图如图3-2所示：

图3-2 短路等效电路图
3.3 k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量
（1）总电抗标么值：
（2）三相短路电流周期分量有效值：
（3）其他三相短路电流：

（4）三相短路容量：
3.4 k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量
（1）总电抗标么值：
（2）三相短路电流周期分量有效值：
（3）其他三相短路电流：

（4）三相短路容量：
第4章 变电所一次设备的选择和校验
4.1 变电所高压一次设备的选择
高压断路器不仅能够通断正常负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸切除短路故障。真空断路器具有体积小、动作快、寿命长、安全可靠和便于维修等优点，所以初步选择真空断路器。由于工厂的电源进线为10kv，所以额定电压为10kv。因为变电所采用单独设立方案，故采用户内式 。由第1章负荷计算可知，所以综合考虑，选择型号为ZN4-10/1250的高压断路器。
高压隔离开关可以隔离高压电源，以保证其他设备和线路的安全检修，由第1章计算结果可知，故采用型号为GN-10/50的高压隔离开关。
由所以高压侧母线载流量要大于47.42A,查资料可知，高压侧母线型号：LMY-3（404mm）的允许载流量为480A，满足要求。
4.2 变电所高压一次设备的校验
根据《高压一次设备的选择校验项目和条件》，在据电压、电流、断流能力选择设备的基础上，对所选的高压侧设备进行必需的动稳定校验和热稳定度校验。
（1）高压断路器的动稳定度校验
校验条件：或
由以上短路电流计算得：；
查找所选设备的数据资料比较得：
高压断路器ZN4-10/1250的，满足要求。
（2）母线的动稳定校验
校验条件：, LMY母线材料的最大允许应力。
母线的短路电流； 三相短路时所受的最大电动力

母线的弯曲力矩：
母线的截面系数：
母线在三相短路时的计算应力：
可得：,满足动稳定性要求。
（1）高压断路器热稳定性校验
校验条件：,查阅资料可知高压断路器：，将数据代入上式，经计算高压电路器满足热稳定性要求。
（2）高压母线的热稳定性校验
校验条件：A=，查资料可知铝母线的C=87，取。
母线的截面：A=404=160
允许的最小截面：
从而，，该母线满足热稳定性要求。
4.3 变电所低压母线的选择和校验
（1）低压母线的选择
由第1章计算结果可知，查资料可知LMY-3(8010)+1806的允许载流量为1427A，满足要求。
（2）低压母线的动稳定性校验
校验条件：, LMY母线材料的最大允许应力。
母线的短路电流 ，三相短路时所受的最大电动力

母线的弯曲力矩：
母线的截面系数：
母线在三相短路时的计算应力：
可得：，满足动稳定性要求。
（3）低压母线热稳定性校验
校验条件：A=查资料可得铝母线的C=87，取。
母线的截面：A=8010=800
允许的最小截面：
从而，，该母线满足热稳定性要求。
第5章 变电所高、低压配电线路的选择
为了保证供电的安全、可靠、优质、经济，选择导线和电缆时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件；经济电流密度；机械强度。
根据设计经验：一般10KV及以下的高压线路和低压动力线路，通常先按发热条件选择导线和电缆截面，再校验其电压损耗和机械强度。对于低压照明线路，因对电压水平要求较高，通常先按允许电压损耗进行选择，再校验其发热条件和机械强度。
5.1 高、低压线路导线的选择
由设计要求可知高压侧的导线型号为LGJ-150，高压侧计算电流，查资料可知所选电缆的允许载流量满足发热条件。
进入各个车间的导线接线采用TN-C系统；从变电所到各个车间及宿舍区用埋地电缆供电，电缆采用BLV铝芯塑料线和BV铜芯塑料线，根据不同的车间负荷采用不同的截面。其中导线和电缆的截面选择满足条件：
（1）线截面的选择以满足发热条件即，；
（2）中性线（N线）截面选择，这里采用的为一般三相四线，满足；
（3）保护线（PE线）的截面选择
时，；
时，
时，
（4）结合计算负荷，可得到由变电所到各个车间的低压电缆的型号为：
电镀车间：BV-3150+195
铸造车间：BLV-3185+195
锅炉房：BLV-335+125
锻压车间：BV-3150+195
金工车间：BLV-3150+195
工具车间：BV-3185+195
热处理车间：BLV-3150+195
装配车间：BLV-370+135
机修车间：BLV-335+125
仓库：BLV-34+116
生活区：BLV-3185+195 两根并联：
第6章 变电所二次回路方案选择及继电保护的整定
6.1 二次回路方案选择
6.1.1 二次回路电源选择
二次回路操作电源有直流电源，交流电源之分。
蓄电池组供电的直流操作电源带有腐蚀性，并且有爆炸危险；由整流装置供电的直流操作电源安全性高，但是经济性差。
考虑到交流操作电源可使二次回路大大简化，投资大大减少，且工作可靠，维护方便。这里采用交流操作电源。
6.1.2 高压断路器的控制和信号回路
高压断路器的控制回路，就是指控制（操作）高压断路器分，合闸回路。它取决于操作机构的形式和操作电源的类别。电磁操作只能采用直流操作电源。弹簧操作机构和手动操作机构可交直流两用。结合上面设备的选择和电源选择，采用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路。
6.1.3 电测量仪表与绝缘监视装置
这里根据GB/T 50063-2008（电力装置的电测量仪表设计规范）的规范要求选用合适的电测量仪表并配用相应绝缘监视装置。
（1）在工厂的电源进线上，或在经供电部门同意的电能计量点，必须装设计费的有功电能表和无功电能表，而且应采用经供电部门认可的标准的电能计量表。为了了解负荷电流，进线上还应装设一只电流表。
（2）10KV的电力变压器，应装设电流表，有功电能表、无功电能表，有功电能表、无功电能表各一只，装在那一侧视具体情况而定。
（3）10KV的配电系统中，应装设电流表、有功和无功电能表各一只
（4）变电所每段母线上：装设电压表测量电压并装设绝缘检测装置。
（5）380V的电源进线和变压器低压侧：各装一只电流表。
（6）低压动力线路：装设电流表一只。
6.1.4 电力系统中的自动重合闸装置
电力线路中采用自动重合闸装置，可以大大的提高供电的可靠性，避免因停电而给国民经济带来巨大的损失。
在二次回路中安装自动重合闸装置（ARD）（机械一次重合式）、备用电源自动投入装置（APD）。因为一次重合式ARD比较简单经济，而且基本上能满足供电可靠性的要求。
6.2 继电保护的整定
继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。
由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在变电所高压母线上，动作于信号。
继电保护装置的接线方式采用两相星型接线方式。继电保护装置的操作方式采用交流操作电源供电中的“去分流跳闸”操作方式（接线简单，灵敏可靠）；带时限过电流保护采用反时限过电流保护装置。型号都采用GL-25/10 。其优点是：继电器数量大为减少，而且可同时实现电流速断保护，可采用交流操作，运行简单经济，投资大大降低。
此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用相关断路器实现三段保护。
第7章 防雷装置的确定
7.1 防雷装置确定
雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重的危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。下面分情况对防雷装置进行选择。
根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击雷保护装置。在进线段的1km长度内进行直击雷保护，防直击雷的常用设备为避雷针。
7.2 雷电侵入波保护
由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。对变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置内安放阀式避雷器。

总 结
这次工厂供电的小学期做的红光机械厂降压变电所设计，不仅让我们重新学习了课本知识，还让我们了解了更多关于工厂供电课外的知识，增加了我们的实践能力，拓展了我们的视野。由于这次小学期实践时间有点紧张，不过在老师和同学的帮忙下，最后还是完成了这次小学期。所以我真的非常感谢我们的知道老师，和帮助我的朋友。通过我们一步步的讨论和研究，让我们的方案更加的成熟。
在这次设计实践中，我们不仅仅用了工厂供电知识，还用到了电力工程上有关母线的知识，继电保护的二次回路设计和保护设备整定值等等。在以前的学习中我只知道看书本，只是很肤浅地了解供电的一些知识。通过这次设计实践，我对一些之前不太了解的知识，现在有了更加深入的了解。对于一些不太熟悉的公式，现在都运用自如了。
总之，此次设计实践的完成带给我了很大的收获，为以后的学习和工作打下了扎实的基础。

参考文献
[1] 刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2] 刘介才.工厂供电实用手册[M].北京:中国电力出版社,2001.
[3] 陈怡.电力系统分析[M].北京:中国电力出版社,2003.
[4] 刘从爱，徐中立.电力工程[M].北京:机械工业出版社,1992.
[5] 顾选能.变压器基础知识[M].北京:机械工业出版社,1993.
[6] 刘介才.工厂供电设计指导[M].北京:中国电力出版社,1998.
[7] 白玉敏.电缆的安装敷设及运行维护[M].北京:机械工业出版社,1998.
[8] 刘介才.工厂供电设计指导[M].北京:中国电力出版社,1998.
[9] 周励志.常用电器选择与计算手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1999.
[10] 刘介才.电力工程设计手册[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

附 录
附录表A
编
号
名称
类型
设备容量
Pe/kw
需要系数
Kd
tanφ
功率
因数
计算负荷
P30/kw
Q30/kvar
S30/kva
I30/A
1
铸造
车间
动力
300
0.3
1.02
0.7
90
91.8
——
——
照明
6
0.8
0
1
4.8
0
——
——
小计
306
——

94.8
91.8
132
201
2
锻压
车间
动力
350
0.3
1.17
0.65
105
122.9
——
——
照明
8
0.7
0
1
5.6
0
——
——
小计
358
——

110.6
122.9
165
251
7
金工
车间
动力
400
0.2
1.17
0.65
80
93.6
——
——
照明
10
0.8
0
1
8
0
——
——
小计
410
——

88
93.6
128
194
6
工具
车间
动力
360
0.3
1.33
0.6
108
143.6
——
——
照明
7
0.9
0
1
6.3
0
——
——
小计
367
——

114.3
143.6
184
280
4
电镀
车间
动力
250
0.5
0.75
0.8
125
93.8
——
——
照明
5
0.8
0
1
4
0
——
——
小计
255
——

129
93.8
160
244
3
热处理
车间
动力
150
0.6
0.75
0.8
90
67.5
——
——
照明
5
0.8
0
1
4
0
——
——
小计
155
——

94
67.5
116
176
9
装配
车间
动力
180
0.3
1.02
0.7
54
55.1
——
——
照明
6
0.8
0
1
4.8
0
——
——
小计
186
——

58.8
55.1
80.6
112
10
机修
车间
动力
160
0.2
1.17
0.65
32
37.4
——
——
照明
4
0.8
0
1
3.2
0
——
——
小计
164
——

35.2
37.4
51.4
78
8
锅炉房
动力
50
0.7
0.75
0.8
35
26.3
——
——
照明
1
0.8
0
1
0.8
0
——
——
小计
51
——

35.8
26.3
44.4
67
5

仓库
动力
20
0.4
0.75
0.8
8
6
——
——
照明
1
0.8
0
1
0.8
0
——
——
小计
21
——

8.8
6
10.7
16.2
11
生活区
照明
350
0.7
0.48
0.9
245
117.6
272
413

(续)
编
号
名称
类型
设备容量
Pe/kw
需要系数
Kd
tanφ
功率
因数
计算负荷
P30/kw
Q30/kvar
S30/kva
I30/A
总计（380V）
动力
2220

1015.3
856.1
——
——
照明
403
计入KΣP=0.8 KΣq=0.85

0.75
812.2
727.6
1090
1656

21