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某工厂10kv车间变电所电气部分设计大学大学毕业设计

某工厂10kV车间变电所电气部分设计

摘要

本设计的题目为“某工厂10kV车间变电所电气部分设计”。设计的主要内容包括：10/0.4kV变电所主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；负荷计算；无功功率补偿；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护规划设计；防雷保护设计等。其中还对变电所的主接线通过CAD制图直观的展现出来。

本次设计的内容紧密结合实际，通过查找大量相关资料，设计出符合当前要求的变电所。

本变电所对低压侧负荷的统计计算采用需要系数法；为减少无功损耗，提高电能的利用率，本设计进行了无功功率补偿设计，使功率因数从0.74提高到0.96；短路电流的计算包括短路点的选择及其具体数值计算；而电气设备选择采用了按额定电流选择，按短路电流计算的结果进行校验的方法；继电保护设计主要是对变压器进行电流速断保护和过电流保护的设计计算；配电装置采用成套配电装置；本变电所采用避雷针防直击雷保护。

关键词：短路电流计算，继电保护，接地装置，变压器

前言................................................................................................................................................. III 第1章任务说明................................................................................................................................ IV

1.1 设计要求............................................................................................................................. IV

1.2 负荷情况............................................................................................................................. IV 第2章机加工车间的负荷计算 .......................................................................................................... V

2.1 负荷计算.............................................................................................................................. V

2.2 无功功率补偿 .................................................................................................................... V II 第3章工厂变电所的设备选择及主接线设计................................................................................... IX

3.1 变电所主结线的选择............................................................................ 错误！未定义书签。

3.1.1 变电所主接线的选择原则........................................................ 错误！未定义书签。

3.1.2 变电所主接线方案的选择...................................................................................... IX 第4章工厂供、配电系统短路电流计算 ........................................................................................... X

4.1 短路电流计算 ...................................................................................................................... X

4.2绘制计算电路图.................................................................................................................... X

4.3 确定基准值 ......................................................................................................................... XI

4.4 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 ........................................................................ XI

4.5 k-1故障点的短路电流计算 ................................................................................................ X II

4.6 k-2障点的短路电流计算.................................................................................................... X II 第5章变电所一次设备的选择校验............................................................................................... XIII

5.1 一次设备的选择与校验的条件和项目............................................................................. XIII

5.2 变电所10kV侧一次设备的选择 ....................................................................................... X V 第6章变电所进出线与邻近单位联络线的选择 ........................................................................... XVII

6.1 10kV高压进线的选择校验 ............................................................................................. XVII

6.1.1 10kV高压进线与邻近单位联络线的选择 .......................................................... XVII

6.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择.................................................... XVII

6.2 作为备用电源的高压联络线的选择校验........................................................................ XVII 第7章变电所二次回路方案的选择............................................................................................. X VIII

7.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路....................................................................... X VIII

7.2 变电所的电能计量回路 ................................................................................................... XIX

7.3 变电所的测量和绝缘监察回路.......................................................................................... X X

7.3.1 变电所高压侧测量和绝缘监察回路...................................................................... X X

7.3.2 变电所低压侧测量和绝缘监察回路...................................................................... X X

7.4 变电所的保护设备........................................................................................................... XXI

7.4.1 对继电保护装置的基本要求.................................................... 错误！未定义书签。

7.4.2 主变压器的继电保护装置................................................................................... XXI

7.4.3 作为备用电源的高压联络线的极点保护装置.................................................... XXII

7.4.3 变电所低压侧的保护装置........................................................ 错误！未定义书签。

前言

变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发

电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

无论国内国外，还是从管理方、运行方及设计单位对于变电站实现综合自动化均取得了共识。

变电站综合自动化也采用了新的技术全分散式变电站自动化系统和先进的网络技术。

本课题设计了一个某工厂的供电系统，在满足工厂供电设计中安全、可靠、优质、经济的基

本要求的前提下，首先根据全厂和车间的用电设备情况和生产工艺要求，进行了负荷计算，通过

功率因数的计算，进行无功补偿设计(包括无功补偿容量计算和补偿设备选择、校验)，确定了工

厂的供电方案，通过技术经济比较，确定了供电系统的主接线形式，选择了主变压器的台数和容量。

其次，本文设计了厂区供电和配电网络，进行了车间变电所以及车间配电系统和车间电气照

明设计，按照经济电流密度法，选择了合适的导线和电缆，通过合理设置短路点，进行正确的短

路电流计算，进行了主要电气设备的选型和校验。

最后，本文还进行了主变电压器和主要电力线路的继电保护设计。

通过上述设计，基本确定了某机加工厂内部的供配电系统，并且在本设计中，尽可能选择低

损耗电气设备，以节约电能，体现了节能环保的设计思想。

表0-1 工厂供电设计依据的主要设计规范

序号规范代号规范名称

1 GB50052-95 供配电系统设计

2 GB50053-94 10kV及以下变电所设计

3 GB50054-95 低压配电设计

4 GB50055-93 通用用电设备配电设计

5 GB50057-94 建筑物防雷设计

6 GB50058-92 爆炸和火灾危险环境电力装置设计

7 GB50059-92 35~110kV 变电所设计 8 GB50060-92 3~110kV 高压配电装置 9 GB50061-97 66kV 及以下架空电力线路设计 10 GB50062-92 电力装置的继电保护和自动装置设计 11 GBJ63-90 电力装置的电测量仪表装置设计

12 GB50064-XX 电力装置过电压保护 13 GB50065-XX 电力装置的接地设计 14 GB500217-94 电力工程电缆设计 15 GB500227-95 并联电容器装置设计 16 GB50034-92 工业企业照明设计标准 17 JBJ6-96 机械工厂电力设计 18

JGJ/T16-92

民用建筑电气设计

第1章任务说明

1.1 设计要求

本设计的要求是根据本地某工厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置和型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地设备。

1.2 负荷情况

本厂多数车间为三班制，最大负荷利用小时h T 5000max =，除1#、2#、3#车间部分设备属二级负荷外，其它均属三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V 。电气照明设备为单相，额定电压为220V 。本厂的负荷统计参见下表1-1。供电部门对功率因数的要求值：10kV 供电时，c o s 0.9?≥。

变电所位置已选定，每个车间距离变电所的距离为： 1#车间：110m ； 2#车间：80m ； 3#车间：100m ； 4#车间：90m 。

表1-1 车间负荷情况

车间设备类别

各机械组

代号设备容量

P e/kVA

需要系数

K cos

1# 动力No.1 180 0.7 0.95 No.2 75 0.65 0.94 No.3 154.7 0.43 0.92 No.4 35.2 0.2 0.5 No.5 48.6 0.2 0.5

2# 动力

No.6 182 0.4 0.9

No.7 156 0.68 0.88

续表1-1 车间负荷情况

No.8 187 0.49 0.78 照明No.9 12 0.36 0.88

3# 动力

No.10 159 0.3 0.45

No.11 135 0.3 0.45 照明No.12 8 0.36 0.88

4# 动力No.13 180 0.3 0.5 No.14 147 0.3 0.56 No.15 10 0.36 0.88

第2章机加工车间的负荷计算

2.1 负荷计算

我国目前普遍采用的确定设备计算负荷的方法有需要系数法和二项式法两种，而前者应用最为普遍。

需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算计算负荷。当用电设备台数较多、各台设备容量相差不甚悬殊时，通常都采用需要系数法计算；

二次项系数法：将符合分为基本负荷和附加负荷，后者考虑一定数量大容量设备影响。当用电设备台数少而容量相差悬殊，用二项式法计算[1-3]。

本设计结合实际情况，采用需要系数法确定。

主要计算公式有：

有功计算负载：N P K P d 30= 无功计算负载：αtan 3030P Q = 视在计算负载：αcos 3030P S = 计算电流：N

S 3I 3030=

各用电车间负荷计算结果如表2-1所示

表2-1 车间负荷计算表

编号

名称

类别

各机械

组代号

设备

容量

P e /kW

需要

系数 K d

cos ?

Tan

计算负荷

P 30 /kW Q 30 /kvar S 30

/kVA I 30/A

机

加工

动

力

No.1

180

0.7 0.95

0.33

126

41.6

132.6

201.5

No.2

0.65

0.94

0.36

48.8

17.6

51.9

78.8

No.3

154.7

0.43

0.92

0.43

66.5

28.6

72.3

109.9

No.4

35.2

0.2

0.5

1.73

7.0

12.2

14.0

21.3

续表2-1 车间负荷计算表

车间

No.5

48.6

0.2

0.5

1.73

9.7

16.8

19.4

29.5

小

计 -

493.5

258

116.6

290.3

441.1

铸

造车

间

动

力 No.6 182 0.4 0.9 0.48 72.8 34.9 80.9 122.9 No.7

156

0.68

0.88

0.54

106

57.3

120.5

183.0

No.8

187

0.49

0.78

0.80

91.6

73.3

117.5

178.5

照

明 No.9

0.36

0.88

0.54

4.3

2.3

4.9

7.5

小

计 -

537

274.7

167.8

321.9

489.1

铆动

力

No.10

159

0.3

0.45

2.0

47.7

95.4

106

161.1

No.11

135

0.3

0.45

2.0

40.5

136.7

焊车

间照

明

No.12 8

0.36

0.88

0.54

2.9

1.6

3.3

5.0

小

计 -

302

91.1

178

199.3

302.8

电

修

车

间

动力 No.13

180

0.3

0.5

1.73

93.4

108

164.1

No.14

147

0.3

0.56

1.48

44.1

65.2

78.8

119.7

照

明 No.15

0.36

0.88

0.54

3.6

1.9

4.1

6.2

小计

337

101.7

160.5

190.9

290

总计 (380V

侧) 全部线路

1669.5

725.5

622.9

1004.3

1525.8

取p

=0.90K

∑，q

=0.95K

∑

653 591.8 881.3 1339

由前面统计结果，取p

=0.90K

∑，q

=0.95K

∑，计算总有功计算负荷30P ，总无功计算负

荷30Q ，总的视在计算负载30S ，总的计算电流30I ：

kW P K

P 6535.7259.0i .30p

30=?=∑

=∑

var 8.5919.62295.0i .30p

30k Q K

Q =?=∑

=∑

kVA Q P S 3.8818

.591653

3023030=+=

A U

S I

133938

.033.88133030

=?=

最大负荷时的功率因数：74.03.881653cos 3030===Q P α

计算的结果同样填入上表。

2.2 无功功率补偿

在《供电营业规则》中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：100kVA 以及以上电压供电的用户功率因数为0.90以上，其他电力用户和大、中型

电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上”，基于此，我们取cos ?应大于0.9。而由上面计算可知co s 0.740.9?=＜，低于0.9，因此必须进行无功补偿[1-3]。

考虑到变压器本身的无功功率损耗ΔQ T 远大于其有功功率耗损ΔP T ,一般T T P Q ?=?)5~4(，因此，在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高

于0.90，这里取c o s 0.92?=。

要使低压侧功率因数由0.74提高到0.92，低压侧需装设的并联电容容量为：

c 3012(ta n ta n k v a r Q P ??=-）

= ()var 92.0arccos tan 74.0arccos tan 653k -?

=313.4 kvar ，取Q C = 450 kvar

参考附图2可知，选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容可选用BWF6.3-50-1型。因此，其电容器的个数为：950450

===c c q Q n 。

由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，经计算，取9个正好。无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

kVA kVA S 2.668)4508.591(653

)2(30=-+=

变压器的功率损耗为是

kW s p T 102.668015.0015.0)2(30=?=≈? kW s Q T 402.66806.006.0)2(30=?=≈?

变电所高压侧的计算负荷为

kW P 66310653)1(30=+=' kW Q 8.18140)4508.591()1(30=+-='

kVA kVA S 5.6878.181663

)1(30=+=

A U

S I

7.3910

35.6873'3030

=?=

无功率补偿后，工厂的功率因数为

96.05.687663

cos )1(30)1(30==='''s p ?

即工厂的功率因数9.0cos ≥'? 因此，符合本设计的要求。

无功补偿后工厂380V 侧和10kV 侧的负荷计算如表2-2所示。

表2-2 无功补偿后工厂的计算负荷

计算负荷项目cos

P30/kW Q30/kvar S30/kVA I30/A 380V侧补偿前负荷0.74 653 591.8 881.3 1339 380V侧无功补偿容量- - 450 - - 380V侧补偿后负荷0.98 653 141.8 668.2 1015.2 主变压器功率消耗- 10 40 - - 10kV侧负荷总计0.96 663 181.8 687.5 39.7

第3章工厂变电所的设备选择及主接线设计

3.1变电所主接线方案的选择

母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式。常用的母线制主要有三种：单母线制，单母线分段制和双母线分段制。

方案Ⅰ：高、低压侧均采用单母线分段。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，供电可靠性相当高，可供一、二级负荷。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。

方案Ⅱ：单母线分段带旁路。优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。

方案Ⅲ：高压采用单母线、低压单母线分段。优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。

以上三种方案均能满足主接线要求，但第三种最经济，因此优先考虑。但可靠性较低，但如果高低压侧有与其他的变电所相连的联络线时，则供电可高性将得到大大的提高。

因此最终方案是高压侧采用单母线，低压侧单母线分段，同时旁路加上与其他的变电所相连的联络线。

主接线电路图如图3-2所示。

图3-2 某车间变电所主接线电路图

第4章工厂供、配电系统短路电流计算

4.1 短路电流计算

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺值法两种。该设计采用标幺值法计算短路电流。

在标幺值法中，参与运算的物体量均用其相对值。因此标幺值的概念是：

=该量的实际值（任意单位）

某量的标幺值

该量的基准值（与实际值同单位）所谓的基准值是衡量某个物理量的标准或尺度。

4.2 绘制计算电路图

短路点k-1，k-2取变压器两侧。因此短路计算电路图如图4-1所示。

架空线l=5km

K-1k-2

10kV380V

图4-1 短路计算电路

4.3 确定基准值

设d S 100M V A =?，d 1

c ==105%10k 10.5k V U U V ?=，低压侧

d 2

=0.4k V U

，则基准

电流：

MVA U

d d 5.510.5kV 31003S 1

d 1

=?=

MVA U

S I d d d 1444.0310032

2=?==

4.4 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

1. 电源的电抗标幺值

由任务资料断路器容量为A MV

S OC =300，因此

.0·300·100*1

MV A MV X

2. 架空线路的电抗标幺值

架空线路初选LJ-120，验证在第6章进行。假设架空线路线间几何均距为1500mm ，则由附录表14可查得0

0.35/k m X

=Ω，而线路长5km ，故架空线路的的电抗标幺值为

()

.15.10

100)535.0(2

Ω?=kV

MVA

3. 电力变压器的电抗标幺值

根据第3章3.1节中对变压器台数和容量的选择结果，本设计中选择2台型号为S9-500/10 的变压器，查附表1可得，其短路电压百分数k %=4U ?，因此

·500·100100

4*3

kV A MV X

绘短路等效电路图如图4-2所示，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标明了短路计算点。

1/0.33

2/1.59

3/8

4/8

k-1

k-2

k-1k-2

图4-2 短路等效电路图

4.5 k-1故障点的短路电流计算

1. 总电抗标幺值

.159.133.0*2

*1*)

1(=+=+=-∑X

X X

2. 三相短路电流周期分量有效值

kA X

I I k d k 9.292.1/5.5/*)

1(1)3(1===-∑-

3. 其他短路电流

I I I

k 9.2)

3(1)

3(3==="

-∝

）

（

i sh

4.79.25

5.255.23)

3(=?="

=）

（

I sh

4.49.251.151.13)

3(=?="

=）

（

4. 三相短路容量

MVA

MVA X

S S k d k 1.5292.1/100/*)

1()3(1===-∑-

4.6 k-2故障点的短路电流计算

1. 总电抗标幺值

.5459.133.0 *

4*3

*1*

)

2(=++=++=-X X

X X

k ∑

2. 三相短路电流周期分量有效值

kA X

I I k d k 3.2492.5/144/*

)

2(2)3(2===--∑

3. 其他短路电流

I I I

k 3.24)

3(2)

3(3==="

-∞

）

（

i sh

8.443.2484.184.13)

3(=?="

=）

（

I sh

5.263.2409.109.13)

3(=?="

=）

（

4. 三相短路容量

MVA

MVA X

S S k d k 9.1692.5/100/*)

2()3(2===-∑-

计算结果综合如表4-2所示[1-7]。

表4-2 短路计算结果短路计算点

三相短路电流/kA

三相短路容量/MVA

)

3(k

）

（3"

(3)

∞

)

3(sh

)

3(sh

)

3(k

k －1 2.9 2.9 2.9 7.4 4.4 52.1 k －2

24.3

44.8

26.5

16.9

第5章变电所一次设备的选择校验

5.1 一次设备的选择与校验的条件和项目

1. 按正常工作条件，包括电压、电流、频率、开断电流等选择。

(1) 工作电压选择设备的额定电压U N ﹒e 不应小于所在线路的额定电压U N ，即

N N

?≥。

(2) 工作电流选择设备的额定电压I N ﹒e 不应小于所在线路的额定电压I N ，即e N N I I ?≥。 (3) 按断流能力选择

设备的额定开断电流I 0c 或断流容量Soc 不应小于设备分段瞬间的短路电流有效值I k 或短

路容量S k ，即o c k I I ≥，o c k S S ≥。

2. 按短路条件进行动稳定和热稳定的校验。隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验：

(1) 动稳定校验条件

m a x s h i i ≥或m a x s h I I ≥

式中 m a x i 、m a x I —开关的极限通过电流（动稳定电流）峰值和有效值（单位为kA ）； (3)

s h

i 、(3)

s h

I —开关所在处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值（单位为kA ）。

(2) 热稳定校验条件

(3)2

I t im a t I t ∞

≥

式中 I t —开关的热稳定电流有效值（单位为kA ）； t —开关的热稳定试验时间（单位为s ）；

(3)

I ∞

—开关所在处的三相短路稳态电流（单位为kA ）；

im a t —短路发热假想时间（单位为s ）。

短路发热假想时间t ima 一般按下式计算

0.05(

)im a k I t t I ∞

''=+

在无限大容量系统中，由于I I ∞''=，因此0.05im a k t t s =+

式中 t k —短路持续时间，采用该电路主保护动作时间加对应的断路器全分闸时间。当1k t s ≥时，i m a k t t =。

电流互感器的短路稳定度校验：

(1) 动稳定校验条件

m a x s h i i ≥或

(3)

1sh

2K 10

i es N I -?≥

(2) 热稳定校验条件

(3)

im a t t I I t

∞

≥或(3)

1im a t N t K I I t

∞

≥

3. 考虑电气设备运行的环境以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。

4. 按各类设备的不同特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确级等进行选择[3,9]。

选择一次设备时应校验的项目如表5-1所示。

表5-1 选择一次设备的校验项目

一次设备

名称额定电压

额定电流

开断电流

短路电流校验

环境条件

其他

动稳定

热稳定

高低压熔

断器 √

√

—

√

高压隔离

开关 √

√

—

√

操作性能

高压断路

器 √

√

操作性能

低压刀开

关 √

√

操作性能

低压断路

√

操作性能

器电流互感

器 √

√

—

√

操作性能

电压互感

器 √

—

√

操作性能

母线 √ — √ √ √ 电缆 √

√

—

√

备注

表中“√”表示必须校验项目。“—”表示不必校验项目，“×”表示一般可不校验

5.2 变电所10kV 侧一次设备的选择

根据机械厂所在地区的外界环境，高压侧采用GG-1A(F)型户内移开式交流金属封闭开关设备。其内部高压一次设备根据本厂需求选取，假设继电保护都做时间为1.1s ，断路器短路时间为0.2s ，初选设备：

高压断路器： SN10-10I ；高压熔断器：RN1-10/50 高压隔离开关：68

-10T/200；

避雷器：FS4-10 电流互感器：LQJ-10/0.5；电压互感器：JDZ-10

因为继电保护都做时间为1.1s ，断路器短路时间为0.2s ，所以t ima =t k =1.3。因此由上述一次设备验证条件可知：

高压断路器SN10-10I ：查附录表2可知额定电压为10kV ，额定电流630A ，额定开断电流16kA ，极限通过电流40kA ，热稳定电流16kA 。本设计中，10N

U k V =，39.7N I A =。根据

5.2节中高压断路器的验证条件则e

1010N N

U k V U

k V ?=≥=；e 63039.7N N I A I A ?=≥=；16 2.9o c k I k A I k A =≥=； (3)

m a x 407.4s h

i k A i k A =≥=；

t im a I 16 1.3332.8I t 11t ∞

=?=≥=（）。因此符合条件。

高压隔离开关200/1086

T GN

-：查附录表3可知额定电压为10kV ，额定电流200A,动稳

定电流峰值为25.5kA ，热稳定电流为10kA 。本设计中，10N

U k V =，39.7N I A =。根据5.2

节中高压隔离开关的验证条件则： e

1010N N

U k V U

k V ?=≥=；e 20039.7N N I A I A ?=≥=；

(3)

m a x 22.57.4s h

i k A i k A =≥=；2

t im a I 10 1.3130I t 11t ∞=?=≥=（）。因此符合条件。

电流互感器LQJ-10：查附录表8可知额定电压为10kV ，额定电流一次100A,二次5A ，1s 热稳定倍数90，动稳定倍数225。本设计中，10N

U k V =，39.7N I A =。根据5.2节中电流

互感器的验证条件则： e

1010N N

k V U

k V ?=≥=；e 10039.7N N I A I A ?=≥=；

动稳定校验条件：

某工厂10kv车间变电所电气部分设计大学 大学毕业设计

某工厂10kv车间变电所电气部分设计大学大学毕业设计