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电气课程设计塑料制品厂全厂总配变电所及配电系统设计说明书

27
2020年4月19日
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某塑料制品厂全厂总配变电所及配电系统设计说明书

学生姓名 木雕小象
指导教师 × × ×
所在院系 信息科学与工程学院
专业班级 电气工程及其自动化× × ×

目录
目录
一、概述 2
1、设计目的 2
2、设计内容 3
3、设计要求 3
二、设计基础资料 3
三、负荷计算及无功补偿 5
1、各变电所负荷计算及无功补偿 5
2、全厂总负荷计算及无功补偿 7
四、配电所位置和变压器选择 8
1、配电所位置 8
2、主变压器选择 8
五、配电所主接线设计 9
六、短路电流计算 10
七、一次元件的电气设备选择 13
1、一次设备选择的一般原则 13
2、变电所高压一次设备的选择 13
3、 变电所低压一次设备的选择 15
八、继电保护装置的设计 15
九、课程设计体会及建议 17
参考文献 18

一、概述
1、设计目的
（1）复习和巩固《电气工程基础》课程所学知识
（2）培养分析问题和解决问题的能力
（3）学习和掌握变电所电气部分设计的基本原理和设计方法
2、设计内容
（1）电气主接线设计：可靠性、经济性和灵活性
（2）短路电流计算：不同运行方式（大、小、主）、短路点与短路类型
（3）主变压器选择：根据负荷的大小、类型，选择主变压器的容量、台数、型式、电压等级、调压方式等
（4）主要电气设备的选择：断路器、隔离开关、母线及支撑绝缘子、限流电抗器、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、消弧线圈、…
3、设计要求
（1）负荷计算；
（2）配电所的位置和主变压器的台数及容量选择；
（3）配电所主结线设计；
（4）厂区高压配电系统设计；
（5）配电系统短路电流计算；
（6）改进功率因数装置设计；
（7）高低压供电系统一次元件的选择及校验；
（8） 继电保护装置的设计。
二、设计基础资料
1、生产任务及车间组成
年产量为万吨聚乙烯塑料制品，产品品种有薄模、单丝、管材和注射等制品。其原材料来源于某石油化纤总厂。
本厂设有薄模、单丝、管材、注射四个车间，设备选型全部采用中国最新定型设备，另外，还有辅助车间及其它设施，详见全厂总车间布置图1。
2、供用电协议
工厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下：
（1）从电业部门某110/10kV变电所用10kV架空线向本厂供电，该所在厂南侧1km
（2）供电系统短路技术数据：电业部门变电所10kV母线，为无限大电源系统，其短路容量为200MVA，供电系统如下图（图2）所示：
（3）电业部门对本厂提出的技术要求：
电业部门配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒，工厂“总降”不应大于1.3秒；
在总配变电所10kV侧进行计量；
本厂的功率因数值应在0.9以上
3、本厂负荷性质
生产车间为三班工作制，部分车间为单班或两班制，最大有功负荷年利用小时数为5000小时，属于三级负荷。
4、自然条件
（1）最热月平均最高气温为35 ；
（2）土壤中0.7～1米深处一年中最热月平均温度为20 ；
（3）年雷暴日为30天；
（4）土壤冻结深度为1.1米；
（5）夏季主导风向为南风。
（6）地表面比较平坦，土壤主要成分为积土及砂质粘土，层厚1.6～7m不等；
（7）地下水位一般为0.7m；
（8）地耐压力为20吨/平方米

3
3
4
5
2
1
6
7
8
10
10
9
10
11
15
13
12
14
图1 全场总平面布置图
N

1-薄模车间；2-原料库；3-成品库；4-包装材料库；5-单丝车间；6-注塑车间；7-管材车间；8-备料复制车间；9-锻工车间；10-仓库；11-机修模具车间；12-锅炉房；13-水泵房；14-油泵房；15-办公楼

三、负荷计算及无功补偿
1、各变电所负荷计算及无功补偿
（1）负荷计算
采用需要系数发进行负荷计算，主要涉及的计算公式如下：
有功功率计算：
无功功率计算:
视在功率计算:
各车间计算结果如下表所示：
序号
车间或用电单位名称
设备容量（kW）

计算负荷
变压器台数
备注

（kW）
（kVar）
（kVA）
（1）No.1变电所
全厂

KP＝0.9

KQ=
0.95
1
薄模车间
1680
0.6
0.6
1.33
1008
1340.64
1680
2
2
原料库
36
0.25
0.5
1.73
9
15.57
18

3
生活间
12
0.8
1
－
9.6
0
9.69

4
成品库一
30
0.3
0.5
1.73
9
15.57
18

5
成品库二
28.8
0.3
0.5
1.73
8.64
14.95
17.28

6
包装料库
24
0.3
0.5
1.73
7.2
12.46
14.4

（2）No.2变电所
1
单丝车间
1662
0.6
0.6
1.30
997.2
1296.36
1662
2
2
水泵房
24
0.65
0.8
0.75
15.6
11.7
19.5
（3）No.3变电所
1
注塑车间
226.8
0.4
0.6
1.33
90.72
120.66
151.2
1
2
管材车间
1056
0.3
0.6
1.33
316.8
421.34
528
（4）No.4变电所
1
复制车间
165.6
0.6
0.5
1.73
99.36
171.89
198.72
1
2
生活间
12
0.8
1
－
9.6
0
9.6
3
浴室
3.6
0.8
1
－
2.88
0
2.88
4
锻工车间
36
0.3
0.65
1.17
10.8
12.64
16.62
5
原料间
18
0.8
1
－
14.4
0
14.4
6
仓库
18
0.3
0.5
1.17
5.4
6.32
10.8
7
模具车间
120
0.25
0.65
1.73
30
51.9
46.15
8
热处理车间
180
0.3
0.7
1.02
54
55.08
77.14
9
铆焊车间
216
0.3
0.5
1.73
64.8
112.10
126.9
（5）No.5变电所
1
锅炉房
240
0.7
0.75
0.88
168
147.84
224
2
2
实验室
150
0.25
0.5
1.73
37.5
64.88
75
3
辅助材料库
132
0.2
0.5
1.73
26.4
45.67
52.8
4
油泵房
18
0.65
0.8
0.75
11.7
8.78
14.63
5
加油站
12
0.65
0.8
0.75
7.8
5.85
9.75
6
办公楼
18
0.6
0.6
1.33
10.8
14.36
18

（2）无功补偿
各变电所无功补偿如下表所示：（以车间1为例说明计算过程）
变电所号
补偿前用功功率（KW）
补偿前无功功率(KVar)
补偿前功率因数
无功补偿容量（KVar）
补偿后无功功率（KVar）
补偿后功率因数
NO.1
1042.44
1399.19
0.60
885.72
513.47
0.902
NO.2
1012.8
1308.06
0.60
861.05
447.01
0.904
NO.3
407.52
542
0.58
338.24
203.76
0.901
NO.4
291.24
409.93
0.59
254.56
155.37
0.903
NO.5
262.2
287.38
0.68
204.02
80.36
0.902

根据设计要求，功率因数一般在0.9以上，故取=0.9
功率因数：=0.60<0.9 （需要补偿）
需补偿容量计算：
=(tan - tan)=1042.44×[tan(arccos0.60) - tan(arccos0.9) ] =885.72Kvar
补偿后：==1042.44KW
=-=1042.44-885.72=513.47Kvar
==1155.7KVA
功率因数：cos=/=0.902 （满足要求）

2、全厂总负荷计算及无功补偿
（1）负荷计算
有功功率：==
（1008+9+9.6+9+8.64+7.2+997.2+15.6+90.72+316.8+99.36+9.6+2.88+10.8+14.4+5.4）×0.9=2344.68KW
无功功率：==
（1340.64+15.57+0+15.57+14.95+12.46+1296.36+11.7+120.66+421.34+171.89+0+0+12.64+0+6.32）×0.95=3440.10Kvar
视在功率：==4163.15KVA
（2）无功补偿
1） 功率因数cos=/=2344.68/4163.15=0.56＜0.9
根据设计要求，本厂功率因数COS要求在0.9以上
（工厂总配电所按国家电力部门的要求，按规定，配电所高压侧的COS≥0.9，本设计中要求工厂的功率因数COS在0.9以上，因此这里取COS=0.92）
3）故需要补偿的容量：
=(tan-tan)=2344.68×[tan(arccos0.56) - tan(arccos0.92) ] =2470.01Kvar
4）补偿后：
==2344.68KW
=-=3440.10-2470.01=970.09Kvar
==2537.44KVA
功率因数：cos=/=0.924>0.92 （满足要求）
高压补偿柜型号：TTB26-1200，单个柜子补偿容量大小为：1200Kvar 故需要选择2个TTB26-1200柜，电容器柜具体画法见主接线图。

四、配电所位置和变压器选择
1、配电所位置
配电所所址的选择，应根据下列要求并经技术经济分析比较后确定：
(1) 尽可能接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量；
(2) 考虑电源的进线方向，偏向电源侧。
(3) 进出线方便，特别是要便于架空线进出线。
(4) 不应妨碍企业的发展，考虑扩建的可能性。
(5) 设备运输方便。
(6) 尽量避开有腐蚀气体和污秽的地段。
(7) 不应设在厕所、浴室和其它经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴临。
(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。
(9) 不应设在地势低洼和可能积水的场所。
根据总变配电所位置选择的原则：变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，但同时还要满足大负荷变配电的方便，另外，总变配电所应尽量不在生活区范围内，综上所述，能够大致确认本设计中，主变电所设置位置应在薄膜车间和单丝车间中间附近，以此才能满足要求，参照工厂平面布置图，能够选择总变配电所应挨着薄膜车间(即NO.1变电所)
2、主变压器选择
选择的原则为：
(1) 只装一台变压器的变电所
变压器的容量ST应满足用电设备全部的计算负荷的需要，即≥，但一般
应留有15％的容量，以备将来增容需要，本设计中的NO．3、NO．4、NO．5变电所采用此原则。
(2) 装有两台变压器的变电所
每台变压器的容量应满足以下两个条件:
①任一台变压器工作时，宜满足总计算负荷的大约70％的需要，即为
≈O．7
②任一台变压器工作时，应满足全部一、二级负荷的需要，即≥(I+Ⅱ)
(3)车间变电所变压器的容量上限
单台变压器不宜大于1000KVA，并行运行的变压器容量比不应超过3：l。同时，并联运行的两台变压器必须符合以下条件：
①并联变压器的变化相等，其允许差值不应超过±0．5％，否则会产生环流引起电能损耗，甚至绕组过热或烧坏。
②各台变压器短路电压百分比不应超过10％，否则，阻抗电压小的变压器可能过载。
③各台变压器的连接组别应相同，若不同，否则侧绕组会产生很大的电流，甚至烧毁变压器。
变压器按容量系列分，有R8容量系列和R10容量系列。中国老的变压器容量等级采用R8系列，容量等级如100、135、180、240、320、420、560、750、1000KV.A等。R10系列的容量等级较密，便于合理选用，中国新的变压器容量等级采用这种R10系列，等级如100、125、 160、 200、 250、 315、 400、 500、 630、 800、 1000KV.A等。在此次设计中，采用中国当前比较常见的S9系列变压器。
根据工厂的三级负荷的性质装设一台变压器型号为S9型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选= KVA≈0.7=1876.62 KVA，即选两台S9- /110型低损耗配电变压器。

五、配电所主接线设计
变电所主接线是实现电能输送和分配的一种电气接线，对其主要有以下几个基本要求：
（1）安全 主接线的设计应符合国家有关技术规范要求，能充分保证人身和设备安全；
（2）可靠 应满足用电单位可靠性的要求；
（3）灵活 能适应各种不同的运行方式，操作检修方便；
（4）经济 设计简单，投资少，运行管理费用低，考虑节约电能和有色金属消耗量。
由本设计原始资料知：电力系统某110/10KV变电站用一条10KV的架空线路向本厂供电，一次进线长1km，年最大负荷利用小时数为5000h，且工厂属于三级负荷，因此只进行总配电在进行车间10/0.4KV变电，母线联络线采用单母线不分段接线方式。
主接线方案图见附图

六、短路电流计算
对一般工厂来说，电源方向的大型电力系统可看作是无限大容量系统。无限大容量系统的基本特点是其母线电压总维持不变，这里只计算无限大容量系统中

200MVA
K-1
K-2
X0=0.4,1km
10.5kV
S9-1000
10.5kV
(2)
(3)
(1)
～
∞系统

图4-1 短路计算电路（两台S9- 的化简为一台S9-1000）

的短路计算，短路电流经过电气设备时，设备温度急剧上升，过热会使绝缘加速老化或损坏，同时产生很大的点动力，使设备的载流部分变形或损坏，因此选择设备时要考虑它们对短路电流的稳定性，因此我们以最严重的短路——三相短路为例，计算短路电流。

1.求K—1点的三相短路电流和短路容量（U=10.5KV）
(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗
1）电力系统的电抗：X===0.55
2）架空线路的电抗：X=XL=0.4()×1km=0.4
3）经K—1点短路的等效电路如图所示，图上标出各元件的序号（分子）和电抗
值（分母），然后计算电路总电抗：
X=X+ X=0.55+0.4=0.95

图4-2 K-1点短路等效电路

(2)计算三相短路电流和短路容量
1）三相短路电流周期分量有效值
I===6.38KA
2）三相短路次暂态电流和稳态电流
I=I= I=6.38KA
3）三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值
i=2.55I=2.556.38=16.269KA
I=1.51I=1.556.38=9.634KA
4）三相短路容量
S===116MVA
2.求K—2点的三相短路电流和短路容量（U=10.5KV）
(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗
1）电力系统的电抗：X===0.55
2）架空线路的电抗：X=XL=0.4()×1km=0.4
3）电力变压器的电抗
电力电压器型号：S9—1000\10(6) 查附表得知：U%=5
则： X==5.5
计算电路总阻抗：
= X+ X+ X=6.45
（2）计算三相短路电流和短路容量
1）三相短路电流周期分量有效值
I==939.8A
2）三相短路次暂态电流和稳态电流
I=I=I=938.9A
3）三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值
i=1.84I=1.73KA
I=1.09I=1.05KA
4）三相短路容量
S==17.09MVA
3.求低压侧的三相短路电流和短路容量（U=0.4KV）
(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗
1）电力系统的电抗：X===810
2）架空线路的电抗
X=XL()=0.4/km1km()=1.4510
3）电力变压器的电抗
此工厂车间设计要求中，总共是有五个变电所，使用到了四种不同型号规格的电力变压器，故而计算此处的电力变压器的电抗时，需要分开单独计算。
依然以配电所1为例计算说明：
电力电压器型号：S9—1250\10(6) 查附表得知：U%=5
则： X==6
计算电路总阻抗：
= X+ X+ X=810+1.4510+6=8.2510
（2）计算三相短路电流和短路容量
此处以NO.1变电所计算为例：
1）三相短路电流周期分量有效值
I==28.00KA
2）三相短路次暂态电流和稳态电流
I=I=I=28.00KA
3）三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值
i=1.84I=51.52KA
I=1.09I=30.52KA
4）三相短路容量
S==19.40MVA

七、一次元件的电气设备选择
1、一次设备选择的一般原则
供配电系统中的一次设备是在一定的电压、电流、频率和工作环境条件下工作的，一次设备的选择，除了应满足在正常工作时能安全可靠运行之外，还应满足在短路故障时不至损坏的条件，开关电器还必须具有足够的断流能力，并能适应所处的位置、环境温度、海拔高度。以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。
一次设备的选择应遵循以下3个原则：
(1) 按工作环境及正常工作条件选择电气设备；
(2) 按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定；
(3) 开关电器断流能力校验。
2、变电所高压一次设备的选择
（1） 按工作电压选则
设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。
（2）按工作电流选择
设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即
（3）按断流能力选择
设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即
或
对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。
（4）隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验
a)动稳定校验条件
或
、分别为开关的极限经过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值
b)热稳定校验条件

因此，对于上面的分析，10KV侧一次设备选择如下表所示：
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
装置地点条件
参数

量程
10KV
146.5A
6.38KA
16.27KA

设备型号规格
参数

隔离开关
GN19-10/
400
10KV
400A

—
31.5KA
12.5
电流互感器LQJ-10- 200/5
10KV
200/5A

—
160××0.2=45.25

高压断路器ZN2-10/630
10KV
630A
11.6KA
30KA

高压熔断器RN2-10/0.5
10KV
500A
200MVA

—

—
电压互感器JDZ-10-
10000/100
10/0.1KV

—

—

—

—
电压互感器JDZJ-10-
10000/100

/

—

—

—

—
避雷器FS4-10
10KV

—

—

—

—

3、 变电所低压一次设备的选择
同样根据上面的原则，做出380V低压侧一次设备的选择校验，变电所1为例说明如下表所示，所选数据均满足要求

NO.1
变电所装置地点 条件

参数

量程
10KV
1468A
28.00KA
51.52KA
1724.8KA

设备型号规格
参数

低压断路器DW15-1500/3
380V
1500A
40KA
—
—
低压刀开关HD13-1500/30
380V
1500A
—
—
—
电流互感器LMZJ1-0.5-
1500/5
500V
1500/5A
—
—
—

八、继电保护装置的设计
变压器的继电保护装置以NO.1车间变电所选用的S9—1250/10型变压器为例
（1）装设瓦斯保护，当变压器油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号；当产生大量的瓦斯时，应动作于高压侧断路器。
（2）装设定时限过电流保护，采用DL-15型电磁式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分流跳闸的操作方式。
①过电流保护动作电流的整定

可靠系数，接线系数，继电器返回系数，电流互感器的电流比=150/5=30 ，动作电流为：因此过电流保护动作电流整定为6A。
②过电流保护动作时间的整定:,
式中为变压器低压母线发生三相短路时高压侧继电保护动作时间；为变压器低压侧保护在低压母线上发生三相短路时最长的一个动作时间，为前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护，取0.5s，故过电流保护动作时间整定为0.6s。
③过电流保护灵敏系数的检验

式中，=0.86622.53kA/(10kV/0.4kV)=0.78KA；，因此其灵敏度系数为：
＞1.5，满足灵敏度系数的要求。
（3）装设电流速断保护，利用DL15的速断装置。
①电流速断保护动作电流（速断电流）的整定
利用式
式中，，，，，
因此速断保护电流为
速断电流倍数整定为，（在2～8之间）。
②电流速断保护灵敏系数的检验
利用式
式中,
，，因此其保护灵敏度系数为：＞2，
因此,装设的电流速断保护的灵敏度系数是达到要求的。
(4)装设过负荷保护
①过负荷保护动作电流的整定
利用式 (1.2～1.25)
式中为变压器的额定一次电流，即=1000A，为电流互感器的变流比，即=150/5=30，因此其动作电流为：1.25。
②过负荷保护动作时间的整定：10～15s
（其它车间变电所的变压器的继电保护装置方案与本车间变电所的变压器保护的选择方法和整定计算方法相同，只是整定值不同。）

九、课程设计体会及建议
此次课程设计贴近电力系统——是从事电力有关工作（如：发电公司，供电公司，电网公司，电力工程建设公司，电力设计咨询公司，电力试验研究院，电力研究所，电力设备研发、生产、销售公司，大型企业供电部门，有关机关，学校等）所必须具备的知识，对大家的择业是非常有帮助的；同时在日常生活中的应用也非常广泛。
在设计过程中，我有很多不明白和不了解的地方，经过指导老师指点和说明后，于图书馆查询了相关设计书籍，我对供配电设计的相关要求和技巧有了一定的了解，继而我开始进行一系列的设计步骤：负荷计算、电力变压器选型、方案确认、设备型号选择、线型选择、继电保护等。在这一步步过程中，不断有疑问，在不断看书和请教老师之后，对这些大致有了很好的理解。同时，独立思考和解决问题的能力也很重要，很多时候需要和同组人员的讨论，然更多的时候需要自己不听思考。知识更多的是要应用到实践中去，这样才能更好、更生动的理解知识，毕业设计让我感触到的即是如此。同时，在设计中依旧还有许多不明白、不清楚的地方，在今后的工作当中，我会结合实际来更好的理解和学习这些设计知识。

参考文献

1. 熊信银. 发电厂电气部分(第三版). 北京：中国电力出版社，
2. 熊信银，张步涵. 电气工程基础. 武汉：华中科技大学出版社，
3. 曹绳敏. 电力系统课程设计及毕业设计参考资料. 北京：水利电力出版社，1995
4. 陈跃之. 电气工程专业毕业设计指南·电力系统分册. 北京：中国水利水电出版社，
5. 西北电力设计院，东北电力设计院. 电力工程设计手册(第一册). 上海人民出版社，1972
6. 其它相关资料

附图：某塑料制品厂全长总配变电所电气主接线图（＃2图纸）