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某变电所一次侧电气设计

文摘 本课题的目标是设计降压变电所一次侧电气部分，实现工厂供电系统安全、可靠、优质、经济地运行。通过本课题的设计，初步掌握中小型工厂供电系统运行维护及简单设计所必需的基本理论和基本知识，为今后从事工厂供电技术工作奠定初步的基础。本文根据GB50053—1994《10kV及以下变电所设计规范》的要求，从变电所10kV侧和低压侧两个方面详细阐述了变电所的实现及其理论依据。该方案在小型工厂中因具有较强的市场竞争力而得到广泛地应用。
关键词 功率因素；降压变压器；母线

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配问题。我们知道，电能是现代工业生产的主要能源和动力。工业生产应用电能和实现电气化以后，能大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。由此可见，搞好工厂供电工作对于保证工业生产正常运行和实现工业现代化，具有十分重要的意义。而工厂变电所在工厂供电系统中起着非常重要的作用，甚至可以说它是工厂供电系统的心脏部位，因而对工厂变电所的设计就显得尤为重要了。
1 负荷计算和无功功率补偿
1.1 计算负荷的意义和计算的目的
工厂进行电力设计的基本原始资料是工艺部门提供的用电设备安装容量，但是这种原始资料要变成电力设计所需要的假想负荷──称为计算负荷，从而根据计算负荷按照允许发热条件选择供电系统的导线截面，确定变压器容量，制定提高功率因数的措施，选择及整定保护设备以及校验供电电压的质量等，是一件较为复杂的事。
电力装备设计部门对机械设备进行电气配套设计时总有一定的裕度，即使电动机功率完全符合机械计算的配套要求。在工厂中使用的情况不同，也会影响到电力负荷的大小，如不同的生产阶段，不同的材料，不同的熟练程度，不同的时期，电气负荷都是有差别的，它的变化与很多随机因素有关。
但是这种电气计算负荷还必须认真的确定，因为它的准确程度，直接影响整个工厂供电设计的质量。如计算过高，将增加供电设备的容量，浪费有色金属，增加初投资。计算过低则可能使供电元件过热，加速其绝缘损坏，增加电能损耗，影响供电系统的正常运行。还会给工程扩建带来很大的困难。更有甚者，由于工厂企业是国家电力的主要用户，以不合理的工厂计算负荷为基础的国家电力系统的建设，将给国民经济带来很大的危害。
由于计算负荷意义重大，三十年代初期就已成为国外学者和设计人员从事研究的主要课题，政府和国家有关业务部门都给予关切和鼓励，在以下三个方面取得了一致的结论：
⑴ 为便于分析计算，按照不同性质的用电设备进行分类，例如按电流、频率、工作制等分类，这种分类方法使人们便于测定同一类型用电设备的工作特性和用电之间的关系特点，找出安装容量与使用容量的比例关系，进一步为设计工作提供参考依据。
⑵ 现有工厂的负荷曲线是检验负荷计算结果是否准确的依据，同时，研究负荷曲线，得出表征不同用电状况的各项系数，从理论上推算负荷值的大小，再放在实践中校验修正。
⑶ 现行数理统计和概率论的方法是研究复杂的、随机变化着的负荷的重要手段。目前，对计算负荷的研究工作国外仍在进行。我国建国初期从国外引进大量资料进行工厂建设所取得的经验证明，组织各方面的力量，结合我国国情进一步研究确定各项系数数值是非常重要的，在国家有关部门的统一组织下，深入研究负荷计算的方法；大力测定负荷计算系数；广泛进行企业负荷调查，是我国广大供电工作者的重要任务。
1.2 负荷计算的方法
若要使供配电系统在正常条件下可靠地运行，必须正确选择电力变压器、开关设备及导线、电缆等电力组件，这就需要对电力负荷进行计算。
计算负荷是指导体中通过一个等效负荷时，导体的最高温升正好与通过实际变动负荷时其产生的最高温升相等，该等效负荷就称为计算负荷。
计算负荷是供电设计计算的依据。计算负荷的确定是否合理，将直接影响到电器设备和导线电缆的选择是否经济合理。计算负荷不能定得太大，否则选择的电器设备和导线电缆将会过大而造成投资和有色金属的浪费；计算负荷也不能定得太小，否则选择的电器设备和导线电缆将会长期处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁。
因此工程上根据不同的计算目的，针对不同类型的工厂和不同类型的负荷，在实践中总结出了各种负荷的计算方法，例如估算法、需要系数法、二项式法等。根据实际情况和本次设计的要求，这里着重介绍一下需要系数法。
1.2.1 需要系数法
在所计算的范围内，将用电设备按其设备性质不同分成若干组，对每一组选用合适的需要系数，算出每组用电设备的计算负荷，然后由各组计算负荷求总的计算负荷，这种方法称为需要系数法。所以需要系数法一般用来求多台三相用电设备的计算负荷。
需要系数，是用电设备组（或用电单位）在最大负荷时需要的有功功率与其总的设备容量（备用设备容量不计入）的比值，即
（6）
因此，按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为（kW）
（7）
式中 —为用电设备组的需要系数；
—为用电设备组的设备容量（kW）。
确定无功计算负荷的基本公式为（kvar）
（8）
式中 —用电设备组平均功率因素的正切值。
确定视在计算负荷的基本公式为（kVA）
（9）
式中 —为用电设备组的平均功率因素。
确定计算电流的基本公式为（A）
（10）
式中 ─用电设备的额定电压（kV）。
但是在确定拥有多组用电设备的干线或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因数。因此在确定低压干线上或低压母线上的计算负荷时，可结合具体情况对其有功和无功计算负荷计入一个同时系数。
对于车间干线，可取=0.85～0.95。
对于低压母线，由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，可取=0.8～0.9；由车间干线计算负荷直接相加来计算时，可取=0.9～0.95。
总的有功计算负荷 （11）
总的无功计算负荷 （12）
总的视在计算负荷 （13）
总的计算电流 （14）
以上式中的和分别表示所有各组设备的有功和无功计算负荷之和。
由于各组设备的不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和乘以来计算。
1.2.2 负荷计算
就本设计而言，由于设计任务书中已经给出工厂负荷统计的相关资料，故只需将相关数据带入相关公式即可计算出对应的各物理量。现以铸造车间（编号为1）为例，分别计算其有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷、计算电流及其该车间的总的有功计算负荷、总的无功计算负荷、总的视在计算负荷、总的计算电流。
⑴ 动力部分：
有功计算负荷： =0.3×300 =90 kW
无功计算负荷： =90 ×1.02=91.8 kvar
视在计算负荷： =90 /0.7=128.6 kVA
计算电流： =128.6/（1.73×0.38）=194.8 A
⑵ 照明部分：
有功计算负荷： =0.8×6 =4.8 kW
无功计算负荷： =0 kvar
视在计算负荷： =4.8 /1=4.8 kVA
计算电流： =4.8/（1.73×0.22）=12.6 A
⑶ 该车间总的计算负荷：（0.95）
总的有功计算负荷： =0.95×（90+4.8）=90.1 kW
总的无功计算负荷： =0.95×91.8 =87.2 kvar
总的视在计算负荷： =125.4 kVA
总的计算电流： =125.1 /（1.73×0.38 kV）=190 A
同理，按需要系数法得出某金属加工厂的计算负荷表如表1所示：
表1 某金属加工厂负荷计算表

项目
数据
车间
设备容量

计算负荷

1
动力
300
0.3
0.7
1.02
90.0
91.8
128.6
194.8
照明
6
0.8
1.0
0
4.8
0.0
4.8
12.6
小计

90.1
87.2
125.4
190.0
2
动力
350
0.3
0.65
1.17
105.0
122.9
161.5
244.7
照明
8
0.7
1.0
0
5.6
0.0
5.6
14.7
小计

105.1
116.8
157.1
238.03
3
动力
150
0.6
0.8
0.75
90.0
67.5
112.5
170.5
照明
5
0.8
1.0
0
4.0
0.0
4.0
10.5
小计

89.3
64.1
109.9
166.5
4
动力
250
0.5
0.8
0.75
125.0
93.8
156.3
236.7
照明
5
0.8
1.0
0
4.0
0.0
4.0
10.5
小计

122.6
89.1
151.6
229.7
5

动力
20
0.4
0.8
0.75
8.0
6.0
10.0
15.2
照明
1
0.8
1.0
0
0.8
0.0
0.8
2.1
小计

8.4
5.7
10.2
15.5
6
动力
360
0.3
0.6
1.33
108.0
143.6
180.0
272.7
照明
7
0.9
1.0
0
6.3
0.0
6.3
16.6
小计

108.6
136.4
174.4
264.2
续表1

项目
数据
车间
设备容量

计算负荷

7
动力
400
0.2
0.65
1.17
80.0
93.6
123.0
186.4
照明
10
0.8
1.0
0
8.0
0.0
8.0
21.1
小计

83.6
88.9
122.0
184.8
8
动力
50
0.7
0.8
0.75
35.0
26.3
43.8
66.4
照明
1
0.8
1.0
0
0.8
0.0
0.8
2.1
小计

34.0
25.6
42.2
64.0
9
动力
180
0.3
0.7
1.02
54.0
55.0
77.1
116.8
照明
6
0.8
1.0
0
4.8
0.0
4.8
12.6
小计

55.9
52.3
76.6
116.0
10
动力
160
0.2
0.65
1.17
32.0
37.4
49.2
74.5
照明
4
0.8
1.0
0
3.2
0.0
3.2
8.4
小计

33.4
35.5
48.7
73.8
生活区
照明
350
0.7
0.9
0.48
245.0
147.0
285.7
752.0
小计

232.8
139.7
271.5
714.5
总计
—
963.8
840.7
—
—

915.6
798.7
1215.0
1841.0
注：1 总
2 由于该金属加工厂三相线路中单相设备总容量不超过三相设备总容量的15%，故将单相设备与三相设备综合按三相负荷平衡来计算。
1.3 功率因素和无功功率补偿
工厂中绝大多数用电设备，如感应电动机、电力变压器、电焊机以及交流接触器等，他们都要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场。功率因素是反映在有功功率一定的条件下，取用无功功率的多少；如果取用的无功功率越多，则功率因素越低。除白炽灯、电阻电热器等设备负荷的功率因素接近于1外，其他如电动机、变压器、电抗器等功率因素均小于1。而功率因素是衡量供配电系统是否经济运行的一个重要指标。
1.3.1 功率因素对供配电系统的影响
所有具有电感特性的用电设备都需要从供配电系统中吸收无功功率，从而降低功率因素。功率因素太低将会给供配电系统带来很多不良影响。
⑴ 总电流会增加
根据公式
（15）
在传送同样有功功率的情况下，功率因素降低会使总电流增加，使供配电系统中的变压器、断路器、导线等容量增大。系统内部的启动控制设备、测量仪器、仪表等规格要求增大，从而投资费用增加。
⑵ 电能损耗增加
根据公式

可知，电流的增加会使有功损耗增加，从而电能损耗增加。
⑶ 电压损失增大
根据公式

功率因素越低，即Q越大，Q越大则△U也越大。从而影响供电质量。
⑷ 供电设备利用率降低
功率因素降低使总电流增加。供电设备的温升会超过规定范围。为控制设备温升，工作电流也受到控制，根据公式（15），在功率因素降低后，不得不降低输送的有功功率p来来控制电流I的值，这样就降低了供电设备的供电能力。
正是由于功率因素在供配电系统中影响很大，所以要求电力用户的功率因素需达到一定的值，不能太低，太低就必须进行补偿。我国水利电力部在《全国供用电规则》中规定：“用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因素应达到下列规定：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因素为0.9以上，其他功率因素为0.85以上。”并规定，凡功率因素未达到上述规定的，应增添无功补偿装置。
对于该金属加工厂而言，通过负荷计算知道了低压侧总的视在计算负荷 kVA
变压器的功耗为：
=0.015×1215 .0=18.2 kW
0.06×1215.0 =72.9 kvar
由此可得变电所高压侧总计算负荷：
=915.6 +18.2 =933.8 kW
=798.7 +72.9 =871.6 kvar
=1277.4 kVA
此时变电所高压侧功率因素为：
933.8/1277.4=0.73＜0.9，按规定应增添无功补偿装置。
1.3.2 提高功率因素的方法及装设地点
⑴ 并联电容器人工补偿
工厂企业的功率因素仅仅靠提高自然功率因素一般是不能满足要求的，因此，还必须进行人工补偿。而人工补偿应用最普遍的是并联电容器人工补偿，即采用并联电容器的方法来补偿无功功率，从而提高功率因素。因其具有下列优点，所以这是目前工厂、企业内广泛采用的一种补偿装置。
1）有功损耗小，约为0.25%～0.5%，而同步调相机约为1.5%～3%。
2）无旋转部分，运行维护方便。
3）可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点。
4）个别电容器损坏不影响整个装置运行。
5）短路时，同步调相机增加短路电流，增大了用户开关的断流容量，电容器无此缺点。
当然，该补偿方法也存在缺点，如只能有级调节，而不能随无功变化进行平滑的自动调节，当通风不良或进行温度过高时，易发生漏油、爆炸等故障。
诸于以上的优点，该金属加工厂就采用并联电容器进行功率因素的补偿，需要补偿的容量为：
=915.6×[]
=915.6×（0.94-0.395）=499 kvar
在确定了并联电容器的容量后，根据产品目录（见相关附录）就可以选择并联电容器的型号规格（这里选择BW0.4-14-3），并确定并联电容器的数量：
n=499/14=36个
实际补偿容量为：
=36×14=504 kvar
补偿后，变电所低压侧视在计算负荷：
961.9 kVA
变压器功耗：
=0.015×961.9=14.4 kW
=0.06×961.9=57.7 kvar
补偿后高压侧总的计算负荷：
930 kW
=（798.7－504）+57.7=352.4 kvar
=994.5 kVA
所以，变电所高压侧功率因素为：
=0.935＞0.9符合要求。
此时，高压侧电流为：
=994.5/1.73×10=58 A
⑵ 并联电容器的装设地点
并联电容器的装设位置有以下三种：
1）高压集中补偿
2）低压集中补偿
3）单独就地补偿（个别补偿）
现将并联电容器的补偿方式列表，如表2所示。
表2 并联电容器的补偿方式
序号
补偿方式

装设地点

原 理 电 路

主要特点

适用范围
1
高压集中补偿
接变电所高压母线，其电容器柜一般装设在单独的高压电容器室内

初投资少，运行维护方便，但只能补偿高压母线以前的无功功率
适用于大、中型工厂变电所作为高压无功功率的补偿

续表2
序号
补偿方式

装设地点

原 理 电 路

主要特点

适用范围
2
低压集中补偿
接变电所低压母线，其电容器柜装设在低压配电室内

能补偿低压母线以前的无功功率，可使变压器的无功功率得到补偿，从而可以选择较小容量的变压器，且运行维护也方便
适用于中小型工厂或车间变电所作低压侧基本无功功率的补偿
3
单独就地补偿
装设在用电设备附近，与用电设备并联

补偿范围最大，补偿效果最好，但电容器的利用率不高，且初投资和维护费较大
适用于负荷相当平稳且长时间使用的大容量用电设备，及某些容量虽小但数量多而分散的用电设备
而在工厂中应用最普遍的是低压集中补偿，这是因为它的补偿范围比高压集中补偿要大，而且该补偿方式能使车间主变压器的视在功率减小从而使变压器的容量可选得较小，因此比较经济。这种低压电容器屏一般可安装在低压配电室内，运行维护方便。
这里选用PGJ1-2型无功自动补偿静电电容器屏，其单台容量为140 kvar，根据实际补偿的容量，这里选用该型号的无功自动补偿静电电容器屏4台。
2 工厂变配电所位置和型式的选择
2.1 变配电所的作用
工厂变配电所是工厂供配电系统的核心，在工厂中占有特别重要的地位。工厂变配电所按其作用可分为工厂变电所和工厂配电所。变电所的作用是：从电力系统接受电能，经过变压器降压（通常降为0.4kV），然后按要求把电能分配到各车间供给各类用电设备。配电所的作用是：接受电能，然后按要求分配电能。两者不同的是：变电所中有配电变压器，而配电所中没有配电变压器。
2.2 变配电所的类型
工厂变配电所从它在工厂供配电系统中的地位来说，可分为总降压变电所和车间变电所。一般中、小型工厂通常都是采用10kV城市配电网供电，不设总降压变电所，设高压配电室和车间变电所或者只设立车间变电所。有的小型工厂甚至采用公共低压电网供电，即0.4kV低压线路进线，在工厂中只设立低压配电室。
工厂的车间变电所按主变压器的安装位置主要有车间附设式变电所、车间内式变电所、独立式变电所、露天式变电所、箱式变电所等几种类型。通常，独立式变电所的建筑费用高，一次性投资较大，适用于电力系统中的大型变电站、大型工厂的总降压变电站及需要远离有危险或腐蚀性物质场所的变电所。中、小型工厂中一般不设独立变电所。箱式变电站利用技术性能优越的高、低压电器和少油或无油化的变压器，把高、低压设备和变压器分间隔组合在一个箱体中，结构紧凑，占地少，美观，安装方便，安全可靠性高，运行维护工作量少，适宜于各类供电场所。附设式变电所在中、小型工厂中普遍采用，在一些要求不高的小厂和生活区中较为常见。
由于该金属加工厂各车间的负荷较小，而且分散，故不适合选择附设式变电所；而露天式变电所的可靠性又不能满足二级负荷的要求，同样也不采用；而独立式变电所不受车间生产的影响，不占车间生产面积，运行维护条件较好所以决定采用独立式。
2.3 工厂变电所位置的选择
变电所位置的选择主要从安全、经济、方便等方面来综合考虑，综合起来讲有以下几点：
⑴ 接近负荷中心；
⑵ 偏向电源侧；
⑶ 进出线方便；
⑷ 设备运输方便；
⑸ 不应设在有剧烈震动或高温场所；
⑹ 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所。如无法远离，不应设在污染源的主导方向的下风侧；
⑺ 不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，也不宜与上述场所相贴邻；
⑻ 不应设在地势低洼和可能积水的场所；
⑼ 不能设在有爆炸危险的区域，且不宜设在有火灾危险区域的正上面或正下面。
第⑴条接近负荷中心，是从节约电能的角度考虑，第⑵～⑷条是从运行维护方便的角度来考虑的，第⑸～⑼条是从变电所安全性方面来考虑。第⑴与第⑵条实际上是有矛盾的，接近负荷中心就不一定能靠电源侧，反之亦然。在工厂负荷较大且车间分布较散，较远时，变电所的位置可以考虑接近负荷中心；如果工厂负荷不是太大，车间相对集中时，变电所的位置应尽量靠近电源侧。
在按靠近负荷中心原则确定变电所位置时，可以采用负荷圆法确定负荷中心。但是由于负荷中心原则并不是确定变电所位置的唯一因素，且负荷中心也是会随机变动的，大多数工厂变电所的位置都是靠近负荷中心偏向电源侧。
由于前面已经确定了该金属加工厂的变电所是独立式，所以其位置的选择还要考虑到建设独立式变电所所需要的空间问题。从该厂的平面图来看，第1车间～第3车间厂房由北向南成纵队排列，而第4车间～第7车间厂房的分布正好与之平行。以上各车间厂房之间间隔较小，没有足够的空间来建设独立式变电所。我们再看，第8车间～第10车间这一排厂房与第4车间～第7车间那排厂房正好成“V”形分布，有足够的空间来建设独立式变电所。然而最重要的是，由各车间负荷的分配来看，该厂的负荷中心恰好在该区域内，而且公共电源干线是正对该“V”形区域，所以该区域是变电所的最佳位置。最后从接近负荷中心和偏向电源侧两方面考虑，在“V”形区域内找出了符合以上两方面条件的最佳位置，如图1所示。

图1 某金属加工厂变电所的位置图
3 主变压器台数和容量、类型的选择
3.1 变压器结构
3.1.1 变压器的分类
变压器的分类方法比较多，按功能分有升压变压器和降压变压器；按相数分有单相和三相两类；按绕组分导体的材质分有铜绕组和铝绕组变压器；按冷却方式和绕组绝缘分有油浸式和干式两大类，其中油浸式变压器又有油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷式和强迫油循环冷却方式等，而干式变压器又有绕组式、开启式、充气式等；按用途分又可分为普通变压器和特种变压器。
6～10kV/0.4kV的变压器常叫做配电变压器。安装在总降压变电所的变压器通常称为主变压器。
我国目前生产的变压器容量是按照R10系列容量生产的，即按的倍数确定变压器的容量，如容量100kVA、125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA、400kVA、500kVA、630kVA、800kVA、1000kVA等，按此系数递增。
3.1.2 变压器的结构
三相油浸式电力变压器的结构如图3-1所示。其结构主要有以下几部分组成。
⑴ 绕组与铁心。它是变压器的核心部件，主要包括铁心、线圈、绝缘及引线。
⑵ 油箱及散热器。油箱由箱体、箱盖、散热器、放油阀组成。绕组及铁心和箱盖相连，绕组与箱体有一定的距离，由油箱里的油绝缘。当变压器需要检修时，通过箱盖上的钓钩，吊起后对绕组进行检修。散热器又叫散热管，管内两端与箱体内相通，油受热后，经散热管上端口流入管体，冷却后经下端口又流回箱内，形成循环。
⑶ 出线装置。由高低压导管组成，导管为瓷质绝缘管，内有导体，下与变压器绕组相连，上端可接进线或出线。
⑷ 保护装置。由安全气道（防爆管）、气体继电器、信号温度计、吸湿器等组成。
⑸ 油枕（储油柜）。油枕内储有一定的油，可以补充电压器因油箱渗油和油温变化造成油面下降，吸湿器与油枕内油面上方空间相连通，对进入油枕的空气吸湿，保证油的绝缘强度。
3.2 变压器台数的确定
在选择变压器时，应选用低损耗节能型变压器，如S9系列或系列。变压器需安装在楼内时，则应选择干式变压器。在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器安全的场所，应选择密闭型变压器或防腐蚀型变压器。变压器台数的选择应考虑下列原则：
⑴ 满足用电负荷对可靠性的要求。在有一、二级负荷的变电所中，宜选择两台主变压器，当在技术经济上上比较合理时，主变压器也可选择多于两台。三级负荷一般选择一台主变压器，如果负荷较大时，也可选择两台主变压器。
⑵ 对负荷变化较大宜采用经济运行方式的变电所，应选择两台变压器。
⑶ 在选择变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有扩建增容的余地。
该金属加工厂有二、三级负荷，为了满足可靠性的要求，故选用两台变压器并列运行。
3.3 变压器容量确定
装有两台主变压器时，其容量的确定如下：
任意一台主变压器容量应同时满足下列两个条件：
⑴ 当任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷的60%的要求，即
≥0.6= 0.6×949.8=569.88 kVA
⑵ 任一台变压器单独运行时，应能满足全部一、二级负荷的需要，即
= 319.2 kVA
因此每台变压器的容量应选630 kVA。
3.4 变压器类型的选择
变压器的选择应选低损耗变压器，这里选择目前应用比较普遍的系列变压器，其容量为630 kVA，所以所选的两台变压器均为-630/10型。由于三相负荷基本平衡，所以其联结组别采用YynO。
4 变电所主接线方案的设计
4.1 对电气主接线基本要求
工厂变配电所的电气主接线，是指按照一定的工作顺序和规程要求连接变配电一次设备的一种电路形式。主电路图又称为一次电路图、主接线图、一次接线图。由于电力系统为三相对称系统，所以电气主接线图通常以单线图来表示，使其简单清晰。它直观地表示了变电所的结构特点、运行性能、使用电气设备的多少及其前后安排等，对变配电所安全运行、电气设备选择、配电装置布置和电能质量等都起着决定性作用。
工厂变配电所主接线方案的确定必须综合考虑安全性、可靠性、灵活性、经济性等多方面的要求。
⑴ 保证供电的安全性。电气主接线应符合国家标准和有关技术规范的要求，能充分保证人身和设备的安全。
⑵ 保证供电的可靠性。电气主接线应根据负荷的等级，满足负荷在各种运行方式下对负荷供电连续性的要求。例如对一、二级负荷，其主接线方案应考虑两台主变压器，双电源供电。
⑶ 具有一定的灵活性和方便性。电气主接线应能适应各种运行方式，并能灵活地进行运行方式的转换，以保证正常运行时能安全可靠供电，在系统故障或设备检修时，保证非故障和和非检修回路继续供电。
⑷ 具有经济性。确定电气主接线必须综合考虑技术和经济两者之间的关系，保证在满足供电可靠性、运行灵活方便的前提下，尽量减少设备投资费用和运行费用。
⑸ 具有发展和扩建的可能性。确定电气主接线时应留有发展余地，要考虑最终接线的实现以及在场地和施工等方面的可行性。
此外，对主接线的选择，还应考虑受电容量和受电地点短路容量的大小、用电负荷的重要程度、对电能计量（如高压侧还是低压侧计量、动力及照明分别计量等）及运行操作技术的需要等因素。如需要高压侧计量电能的，则应配置高压侧电压互感器和电流互感器（或计量柜）；受电容量大或用电负荷重要的，或对运行操作要求快速的用户，则应配置自动开关及相应的电气操作系统装置；受电容量虽小，但受电地点短路容量大的，则应考虑保护设备开、断短路电流的能力，如采用真空断路器等；一般容量小且不重要的用电负荷，可以配置跌落式熔断器控制和保护。
4.2 变电所主接线的选择
根据对主接线的基本要求，为了选出最合适的主接线方案，现从10kV侧（高压侧）主接线的选择和低压侧主接线的选择两方面来进行分析比较。
4.2.1 高压侧主接线的选择
高压侧主接线概括为有母线形式和无母线形式两大类。
⑴ 具有母线的电气主接线
1) 单母线不分段接线
单母线不分段接线是一种最原始、最简单的接线，如图2所示，所有电源及出线均接在同一母线上。其优点是简单明显，采用设备少，操作简便，造价低。其缺点是供电可靠性低。该方式采用单电源进线，相对单母线分段而言它更具经济性，但其供电可靠性不能满足二级负荷的需要，故不采用。

图2 单母线不分段接线 图3 单母线分段接线
2) 单母线分段接线
单母线分段接线是采用断路器将母线分段，如图3所示。

图4 内桥式接线 图5 外桥式接线
该方式的进线开关和母线分段开关都采用了断路器，操作十分灵活，而且它采用双电源进线，当任一进线发生故障时，都可通过母线分段开关的闭合来获得电源，从而提高了供电的可靠性。
⑵ 无母线的电气主接线
没有母线的接线，其最大特点是使用断路器数量少，从而结构简单，投资少。而其中的桥形接线又是应用最多的接线方式之一。按连接桥断路器的位置，可分为内桥式接线（如图4）和外桥式接线（如图5）。

无论是内桥还是外桥，当任一电源进线或进线断路器需要检修时，另一线路和两台变压器仍可继续供电，都具有较高的可靠性。但各自有不同的优缺点，因而使用的场所有所不同。内桥式适宜于输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需要经常切换时；外桥式则在出现较短，且变压器随经济运行的要求须经常切换时，就更为适宜。
综上所述，显然高压侧的接线方式在单母线分段和桥形接线中选择。就可靠性而言，两者都差不多，但当任一电源进线或进线断路器发生故障时又遇到分段开关故障的情况，单母线分段这种方式将造成工厂一半负荷停电。而且单母线分段这种接线要多一根母线，投资比桥形接线要高，所以初步觉得采用桥形接线。而该金属加工厂的负荷比较平稳，变压器不需要频繁切换操作，故高压侧采用内桥式接线。
4.2.2 低压侧主接线的选择
由于该金属加工厂有少量二级负荷，为了满足其可靠性的要求，采用单母线分段的接线方式，如图6所示。

图6 单母线分段的接线

单母线分段接线是采用断路器将母线分段，通常是分成两段。母线分段后可进行分段检修对于重要用户，可以从不同段引出连个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器QF 在继电保护作用下自动将故障短讯设切除，从而保证了正常母线段不间断供电和不致使重要用户停电。两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑。单母线分段接线既具有单母线接线简单明显、方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。但它的缺点是当一段母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上的所有回路都要长时间停电。
4.2.3 低压电力线路的接线方式
低压电力线路基本的接线方式有放射式、树干式及链式等三种，现分别介绍各自的特点及适用范围，并根据实际情况选出各车间干线所采用的接线方式。
⑴ 放射式，其接线图如图7所示，而其特点及适用范围见表3。

图7 放射式接线图
表3 放射式接线的特点及适用范围
接线方式
特点
优点
缺点
实用范围
放射式
每个负荷由单独线路供电
线路故障时影响范围小，因此可靠性高；控制灵活，易于实现集中控制
线路多，有色金属消耗量大；不易适应发展
供大容量设备或车间，或供要求可靠性高的重要设备或车间

⑵ 树干式，其接线图如图8所示，而其特点及适用范围见表4。
M
M
M

图8 树干式接线图
表4 树干式接线的特点及适用范围
接线方式
特点
优点
缺点
实用范围
树干式
多个负荷由一条干线供电
线路少，因此有色金属消耗量少，投资省；易于适应发展
干线故障时影响范围大，因此供电可靠性较低
实用于明敷线路，也适用于供可靠性要求不高的和较小容量的设备
⑶ 链式，其接线图如图9所示，而其特点及适用范围见表5。

图9 链式接线图

表5 链式接线的特点及适用范围
接线方式
特点
优点
缺点
实用范围
链式
后面设备的电源引自前面设备的端子
线路上无分支点，适合穿管敷设或电缆线路；节省有色金属消耗量
线路检修或故障时，相连设备全部停电，因此供电可靠性较低
实用于暗敷线路，也适用于供可靠性要求不高的和较小容量的设备

由于该金属加工厂的第9车间和第10车间容量较小，属于三级负荷，对供电可靠性的要求不高。从节省有色金属消耗量的角度考虑，这两车间采用树干式接线；而该厂的第1车间、第4车间和第8车间是二级负荷，对供电可靠性要求较高，采用放射式接线，且分别从两段母线上引线，正常运行时，由其中一路进线供电，而另一路线路处于备用状态；而第2车间、第3车间、第5车间、第6车间和第7车间，虽然是三级负荷，但各车间的容量都比较大，为使设计更合理，供电更安全，这里仍然采用放射式接线。
4.2.4 电气主接线的确定
由于4.2.1和4.2.2中对该厂高压侧和低压侧的接线方式已经做了比较详尽的阐述，并选出了适合该金属加工厂的主接线，现画出最终所选主接线图的简图（其标准图见附图），如图10所示，并从正常和出现故障两方面阐述其运行方式。
正常运行时，高压侧电源进线1WL和2WL同时供电；3QF处于闭合状态而6QF处于断开状态。
当任一电源进线或进线断路器需要检修时，另一线路和两台变压器仍可继续供电。如1WL或1QF需要检修时，断开1QF，再打开1QS和2QS 即可安全检修，两台变压器由2WL继续供电；当1T发生故障或需要检修时，断开1QF、4QF，在断开3QS、DK1即可安全检修，而此时通过1M供电的二级负荷可通过闭合6QF继续供电，从而保证了较高的供电可靠性。

图10 电气主接线图

5 短路电流的计算
在工厂供配电系统的设计和运行中，不仅要考虑系统的正常运行状态，还要考虑系统的不正常运行状态和故障情况，其中最严重的故障是短路故障。短路是不同相之间、相对中线或地线之间的直接金属性连接或经小阻抗连接。这里讨论和计算供配电系统在短路故障情况下的电流（简称短路电流），短路电流计算的目的主要有以下几方面：
⑴ 在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
⑵ 在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故