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学校10kv变电所及配电系统设计

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2020年4月19日
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目录
1课程设计原始数据 1
1.1设计题目 1
1.2设计要求 1
1.3设计依据 1
1.4设计任务 2
2负荷计算及功率补偿 3
2.1负荷计算的方法 3
2.2无功功率补偿 5
3变电所位置和型式的选择 6
3.1根据变配电所位置选择一般原则： 6
3.2 变电所的型式与方案： 6
4变电所变压器和主接线方案的选择 7
4.1主变压器的选择 7
4.2装设一台主变压器的主接线方案 7
5 短路电流的计算 8
5.1 绘制计算电路 8
5.2 确定短路计算基准值 8
5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值 8
5.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算 9
5.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算 9
6变电所一次设备的选择校验 11
6.1 选择校验条件 11
6.2 10KV侧一次设备的选择校验 12
6.3 0.4KV侧一次设备的选择校验 13
7变压所进出线与邻近单位联络线的选择 14
7.1 10kv高压出线的选择： 14
7.2 变电所及邻近单位焦点路线的选择 14
7.3 0.4KV低压出线选择 14
7.4按发热条件选择 15
7.5校验电压损耗 15
7.6短路热稳定校验 16
设计总结 17
致 谢 18
参考文献 19
附图 20
1课程设计原始数据
1.1设计题目
某学校10KV变电所及配电系统设计
1.2设计要求
要求根据学校所能取得的电源及学校用电负荷的实际情况，并适当考虑到学校的发展，按照安全、可靠、优质、经济的供配电基本要求，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，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，进行导线截面的选择计算，并选择继电保护装置，确定防雷和接地装置，最后按要求写出设计说明，绘出设计图样。
1.3设计依据
(1)学校总平面图
见附图。
(2)车间组成及工厂负荷情况
(3)学校组成及布置
①教学楼；②宿舍楼；③实验楼；④锅炉房；⑤食堂；
(4)工厂负荷情况
学校年最大负荷利用小时为4600H，日最大负荷持续时间为12H。该学校除食堂、教学楼和锅炉房属二级负荷外，其余均为三级负荷。低压动力设备均为三相， 额定电压为380V。电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。本学校的负荷统计资料如表所示(表中设备容量是范围值。)
编号
名称
设备容量/kw
需要
系数
功率
因数
有功功率/kw
无功功率/kvar
视在功率/kvA
计算电流/A
1
宿舍楼
200
0.8
0.8
160
120
200
303.9
2
教学楼
380
0.75
0.8
285
213
356.25
541.3
3
实验楼
320
0.35
0.65
112
131
172.31
261.80
4
食 堂
30
0.6
0.6
18
23.9
30
45.6
5
锅炉房
30
0.6
0.6
18
23.9
30
45.6
总 计
K∑p=0.9
K∑q=0.9
0.76
533.7
460.62
705.8
537
表 1.1
(5)供电电源情况
按照学校与当地供电部门签订的供用电协议规定，本学校可由附近一条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LGJ-35；干线首端(即电力系统的馈电变电站)距离本厂约5.0km。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保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.5s。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用电源。与临近单位高压联络架空线线长度为3km。
(6)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。
(7)电费制度
学校与当地供电部门达成协议，在学校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。每月基本电费按主变压器容量计为18元／kVA，动力电费为0.2元／kW．H，照明(含家电)电费为0.5元／kW．H。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.9。另外，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。
1.4设计任务
要求在规定时间内独立完成下列设计说明书，包括：
①学校负荷计算及功率补偿，列出负荷计算表、表示计算成果；
②学校总降压变电所主变压器的台数及容量选择；
③学校总降压变电所主接线设计；
④导线型号及截面的选择；
⑤学校电力系统短路电路的计算；
⑥变电所一侧设备的选择与校验；
⑦防雷保护和接地装置的设计；
2负荷计算及功率补偿
2.1负荷计算的方法
2.1.1负荷计算的内容和目的
（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，一般采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
（2) 尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。
（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
本设计采用需要系数法确定。
主要计算公式有：
有功功率：= ， （为系数）
无功功率：= tan
视在功率：=
计算电流：=, 为用电设备的额定电压（单位为KV）
2.1.2由上述方法算出个车间的符合列表如下：
编号
名称
设备容量/kw
需要
系数
功率
因数
有功功率/kw
无功功率/kvar
视在功率/kvA
计算电流/A
1
宿舍楼
200
0.8
0.8
160
120
200
303.9
2
教学楼
380
0.75
0.8
285
213
356.25
541.3
3
实验楼
320
0.35
0.65
112
131
172.31
261.80
4
食 堂
30
0.6
0.6
18
23.9
30
45.6
5
锅炉房
30
0.6
0.6
18
23.9
30
45.6
总 计
K∑p=0.9
K∑q=0.9
0.76
533.7
460.62
705.8
537
表 2 .1
2.1.3全厂负荷计算
取=0.9；=0.9
根据上表可算出：
=593Kw；=511.8kvar；=788.56 kv·A
其中是所有设备组有功计算负荷之和；是所有设备无功之和。
则：
==0.9×593Kw =533.7Kw
==0.9×511.8kvar=460.62kvar
= kv·A=705.8 kv·A
==537A
==533.7/705.8=0.75
2.2无功功率补偿
2.2.1功率因数
由上表可知，该学校380V侧最大负荷时的功率因素只有0.76，而供配电部门要求该学校10kV进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.9，需要功率补偿。
Qc=533.7〔tan（arccos0.75）－tan（arccos0.92）〕kvar
=243 kvar
由《工厂供电设计指导》P319表选：
BW0.4-13-1,额定容量13 kvar
n= Qc/△q=243/13=19，要为3的倍数，即21台。
2.2.2补偿后，重新选择变压器容量：
Sˊ30（2）=
补偿后的功率因数：
PT≈0.015Sˊ30（2）=0.015×565KVA=8.475Kw
QT≈0.06 Sˊ30（2）=0.06 ×565KVA=33.9Kw
变电所高压侧的计算负荷：
P′30（1）=533.7kw＋8.475kw=542.26 kw
Q′30（1）=(460.62kw＋21×13)＋33.9= 220.9kvar
S′30（1）=
2.2.3补偿后的功率因数：

∴满足相关规定。
项目

计算负荷
P30/kw
Q30/kvar
S30/kVA
I30/A
380V侧补偿前负荷
0.75
533.7
460.62
705.8
1072
380V侧无功补偿容量

-273

380V侧补偿后负荷
0.943
533.7
187.62
565.7
859
主变压器功损耗

0.015Sˊ30（2）=8.475
0.06 Sˊ30（2）=33.9

10kV侧负荷总计
0.927
542.26
220.9
585
889
3变电所位置和型式的选择
3.1根据变配电所位置选择一般原则：
1尽量靠近负荷中心；
2进出线方便；
3靠近电源侧；
4设备运输方便；
5不应设在有剧烈震动或高温的场所；
6不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；
7不宜设在厕所、浴室或其它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；
9不应设在地势较洼和可能积水的场所。
综合考虑，变电所应设在变电所为小区内附式，建在小区内一侧，有高、低压配电室、值班室及变压器室。值班室有分别通往高、低压配电室的门，且朝值班室开；变压器室的门朝外开，室内设通风窗，进风窗设在变压器室前门的下方，出风窗设在变压器室的上方;高压配电室设不能开启的自然采光窗，窗台距室外地坪1.8，低压配电室设能开启地自然采光窗。
3.2 变电所的型式与方案：
1采用独立变电所。
2有原始材料知，该学校除实验楼、教学楼，锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷，综合考虑变配电所位置的选择原则，该学校采用一个高压配电所，变电所方案如下：
学校只用一个变电所，见附图。
4变电所变压器和主接线方案的选择
4.1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考虑有下列两种可供选择的方案：
装设一台变压器,型号为S9-630-10型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=630 kv·A>=585 kv·A，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。
4.2装设一台主变压器的主接线方案
见附图。

5 短路电流的计算
5.1 绘制计算电路

图5.1
5.2 确定短路计算基准值
设，,即高压侧,低压侧。
则：

5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值
5.3.1电力系统的电抗标幺值

5.3.2架空线路的电抗标幺值

5.3.3电力变压器的电抗标幺值

5.3.4绘制等效电路：

图5.2
5.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算
5.4.1总电抗标幺值：

5.4.2三相短路电流周期分量有效值：

5.4.3其它短路电流：

5.4.4三相短路容量：

5.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算
5.5.1总电抗标幺值

5.5.2三相短路电流周期分量有效值：

5.5.3各三相短路电流：

5.5.4三相短路容量：

短路计算结果
短路计算点
三相短路电流/KA
三相短路容量

k-1点
3.07
3.07
3.07
4.64
7.83
55.87
k-2点
16.13
16.13
16.13
17.58
29.68
11.20
表5.1
6变电所一次设备的选择校验
6.1 选择校验条件
6.1.1按工作电压选择
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。
6.1.2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
6.1.3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。
6.1.4 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：
6.1.5短路动稳定度的校验条件
（1） 断路器、负荷开关、隔离开关、电抗器的动稳定电流的峰值应不小于可能的最大的短路冲击电流，或其动稳定电流有效值应不小于可能的最大的短路冲击电流即 ；。
（2）电流互感器大多数给出动稳定倍数，其动稳定度校验条件为；式中，为电流互感器的额定一次电流。
6.1.6断路器、负荷开关、隔离开关、电抗器的热稳定度校验
断路器、负荷开关、隔离开关、电抗器的热稳定度校验条件为 式中，为电器的热稳定电流，t为其热稳定时间，为经过电器的三相短路稳态电流，为短路发热假想时间。电流互感器大多给出热稳定倍数和热稳定时间t，其热稳定度校验条件为 式中，为电流互感器额定一次电流母线、电缆的短路热稳定度,可按其满足热稳定度的最小截面来校验，即 式中，A 为母线、电缆的导体截面积；C 为导体的短路热稳。
对于上面的分析，得：
6.2 10KV侧一次设备的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
其它
装置地点
条件
参数

数据
10KV
36.37A
3.07KA
4.64KA

一一次设备型号规格
额定参数

高压少油断路器SN10-10I/630
10KV
630A
16KA
40KA

高压隔离开关
0KV
600A

52KA

高压熔断器RN1-10
10KV
50A
11.6KA

电压互感器LDJ-10
10KV

电流互感器IQJ-10
10/0.1KV
100/5A

避雷器FS4-10
10KV

户外式高压隔离开关GW4-15G/200
15KV
200A

表 6.1
6.3 0.4KV侧一次设备的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
其它
装置地点
条件
参数

数据
380V
总859A
16.13KA
29.68KA

一次设备型号规格
额定参数

低压断路器DW15-1000
380V
1500A
30KA

低压断路器DZ-630
380V
630A
30KA

低压刀开关HD13-1000/30
380V
1000A

电流互感器LMZJ1-0.5
500V
1000/5A

电流互感器LMZ1-0.5
500V
160/5A 100/5A

表6.2
7变压所进出线与邻近单位联络线的选择
7.1 10kv高压出线的选择：
采用LGJ型钢芯铝铰线架空敷设，接住10KV公用干线。
1).按发热条件选由及室外环境温度35查表得.初选标准为35即的线
2）校正发热条件查表得,因此满足。
3）校正机械强度查附表得10KV架空最小截面
7.2 变电所及邻近单位焦点路线的选择
由于学校采用的是地埋电缆不必考虑机械强度和短路，动稳定，只需考虑热稳定度。
由上表计算出发热条件，及土壤环境35
由表得初选电缆线芯截面为
因此初选LJ-25，查表LJ-25.Ial=因此满足。
校验热路稳定按式

终端变电所保护动作时间为0.5s 断路器短路时间为0.25s，C=87代入得：
，因此满足要求。
因此选LJL22-10000-3x25
7.3 0.4KV低压出线选择
馈电给一号宿舍楼的线路采用聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设
1 按发热条件选择，由及地下0.8m土壤温度35查表8-43.初选芯截面95。其Ial= 满足发热条件
2 校验电压损耗 测距宿舍离变电所距离为800m,由表差得95的
3 芯电缆的
得：
故满足允许电压损耗起的要求。
4 短路热稳定校验
所选线性满足要求。
5 教学楼的线路亦采用VLV22-1000-3×240+1×120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。
6 食堂亦采用VLV22-1000-3×240+1×120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。
7 锅炉房亦采用VLV22-1000-3×240+1×120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。
8 实验室亦采用VLV22-1000-3×240+1×120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。
7.4按发热条件选择
工厂二级负荷容量共1145KVA，，最热月土壤平均温度为21℃。查表《工厂供电设计指导》8-43，初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满足要求。
7.5校验电压损耗
由表《工厂供电设计指导》8-41可查得缆芯为25的铝（缆芯温度按80℃计），，而二级负荷：,
，
线路长度按2km计，因此：

由此可见满足要求电压损耗5%的要求。
7.6短路热稳定校验
按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25的交联电缆是满足热稳定要求的。而临近单位10KV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。
以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表所示。
进出线和联络线的导线和电缆型号规格
线 路 名 称
导线或电缆的型号规格
10KV电源进线
LGJ-35铝绞线（三相三线架空）
主变引入电缆
LJL22-10000-3x25交联电缆
380V
低压
出线
教学楼
VLV22—1000—3×240+1×120四芯塑料电缆
宿舍楼
VLV22—1000—3×240+1×120四芯塑料电缆
实验楼
VLV22—1000—3×240+1×120四芯塑料电缆
锅炉房
VLV22—1000—3×240+1×120四芯塑料电缆
食堂
VLV22—1000—3×240+1×120四芯塑料电缆
与临近单位10KV联络线
YJL22—10000交联电缆
表 7.1
设计总结
经过两周时间的学习和设计，经过我们团队的不断努力和精心配合终于完成了此次供配电的课程设计。从开始接到课程设计要求到任务的完成，再到课程说明书的完成，每一步对我们来说都是一个新的尝试于挑战，这也是我们大学期间的最得意的一件团队完成的作品。这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，当然在设计中我们也遇到了很多的问题和很多的困难，但在经过我们团队的合作、何颖指导老师的帮助和查阅跟中有关书籍，让我们在课上学习的东西 得以充分的发挥，以前模糊的概念于公式都在设计中慢慢的得以清晰，当看到我们完成的设计的 我们终于有了一种莫大的幸福和欣慰。
经过两周的课程设计，总体上说是受益匪浅的。经过本次设计，所学理论知识很好的运用到了实际的工作中，将所学的知识系统化了一遍，体会到了学以致用的乐趣，使我们的实际于书本得到了充分的结合。
致 谢
参考文献
1.刘介才主编 《工厂供电设计指导》 机械工业出版社
2.江文,徐慧中主编 《供配电技术》 机械工业出版社
3.邹有明等编著 《供电技术》 煤炭工业出版社
4.谈笑君等编著 《变配电所及其安全运行》 机械工业出版社
5.王子午等编著 《10KV及以下供配电设计于安装手册》 煤炭工业出版社
6.王子午等编著 《常见供配电设备选型手册》 煤炭工业出版社
7.孙过凯等编著 《电力系统继电保护原理》 中国水利水电出版社
附图