某机械厂变电所电气一次部分设计课程设计

《供配电技术》课程设计报告题目：某机械厂变电所电气一次部分设计

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学号：*****

班级：*****

专业：**************

指导教师：*****

起止日期：

电气与自动化工程学院

《供配电技术》课程设计评分表

设计题目：某机械厂变电所电气一次部分设计

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指导老师：

年月日

《供配电技术》课程设计任务书

专业电气工程及其自动化

班级1607131、1607132（电气技术方向）

一、目的和要求

供配电技术课程设计是该课程理论教学之后的一个集中性实践教学环节，要求学生在学习供配电技术基本知识的基础上，通过综合应用所学知识设计一个具体任务的供配电一次系统。通过设计进一步巩固所学过的理论知识，熟悉供配电系统的基本构成和任务，了解常用电气设备的结构、原理、性能、用途，掌握中小型变电所电气一次部分设计的步骤和要求。了解变电所电气设计相关的国家标准、规程、规范以及电气主接线的绘制方法，学会查阅供配电设计手册、设备手册的方法，树立工程观念，培养分析和解决一般工程实际问题的能力。

二、设计内容

根据给定的设计任务完成供配电系统电气一次部分的设计（设计任务附后）。

三、基本要求：

（1）掌握供配电系统设计的方法、内容和步骤。

（2）根据所给定设计任务，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，完成变配电系统电气一次部分的设计任务，写出设计说明书。

（3）具备计算机绘图能力，绘出供配电系统一次系统设计图样。

（4）提交的设计报告内容充实、方案合理、图纸齐全。撰写格式符合相关要求。

四、进度安排

五、课程设计报告

课程设计报告用纸一律采用A4纸。上下边距为2.2cm，左边距3.0cm（留装订线），右边距为2.0cm。设计报告封面必须统一。内容包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献等（并按此顺序装订）。

六、设计参考资料

[1] 刘燕. 供配电技术 [M]. 北京：机械工业出版社，2016.

[2] 任元会. 工业与民用配电设计手册 [M]. 3版. 北京：中国电力出版社，2005.

[3] 刘笙. 电气工程基础 [M]. 2版. 北京：科学出版社，2008.

[4] 许继继电保护装置说明书许继集团技术资料

[5] 弋东方．电气设计手册电气一次部分[M]．北京：中国电力出版社，2002.

[6] 刘宝林. 电气规程规范及标准大全 [M]. 北京：中国计划出版社，1991.

[7] 余建明，同向前，苏文成. 供电技术 [M]. 4版. 北京：机械工业出版社，2008.

[8] 翁双安. 供配电工程设计指导.北京：机械工业出版社，2012.

[9] 中国机械工业联合会.供配电设计规范 [S] 北京：中国计划出版社，2010.

[10] 刘介才主编. 工厂供电设计指导.北京：机械工业出版社，1998

[11] 刘介才主编. 实用供配电技术手册..北京：中国水利水电出版社，2002

[12] 刘介才主编. 工厂供用电实用手册.北京：机械工业出版社，2001

七、成绩评定

课程设计成绩由平时表现、报告及设计答辩三个方面成绩组成，各部分所占比例分别为30%、50%、20%。按照学习与设计态度的认真性，知识理解掌握的深入程度，设计方案的正确性或合理性，图文的质量效果，是否独立完成，是否具有独立分析解决问题的能力和创新精神等综合考虑。

设计题目1: 某机械厂变电所电气一次部分设计

一、设计的基础资料

1．全厂用电设备情况

某厂为机械加工类生产厂，主要负荷是铸造车间、锻压车间、金工车间、工具车间、电镀车间、热处理车间等十个车间的用电设备。用电设备的电压均为380V。本厂多数车间为三班制，年最大负荷利用小时为4600h，日最大负荷持续时间为6h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。其负荷统计资料见表1。

表1 全厂负荷统计资料

2 . 电源情况

本厂拟由距其8公里处的某区域变电站接一回10kV架空线路进线供电，架空线路选用LGJ －150，几何均距2m。区域变电站10kV出口短路容量为500MV A。

供电部门对本厂的功率因数要求为cos=0.9。

二、设计任务及要求

（1）主接线设计：根据设计任务书，分析原始资料与数据，列出技术上可能实现的2个方案，经过概略分析比较，确定一个较优方案。并进行详细的负荷计算。

（2）短路电流计算：根据电气设备选择和继电保护的需要，确定短路计算点，计算三相短路电流，计算结果列出汇总表。

（3）主要电气设备选择：主要电气设备的选择包括断路器、隔离开关、互感器、导线截面和型号等等设备的选择及校验；选用设备型号、数量，汇成设备一览表。

三、设计成果

1．设计说明书

2．设计图纸：变电所电气主接线图；

目录

1 绪论 (1)

2 负荷计算及电容补偿 (2)

2.1 确定用户设备组的设备容量及计算负荷 (2)

2.2各车间的计算负荷 (2)

3变压器选择及主接线方案确定 (6)

3.1主变压器台数选择 (6)

3.2主变压器容量选择 (6)

3.3主接线方案确定 (7)

3.3.1变电所主接线方案的设计原则与要求 (7)

3.3.2 工厂变电所常见的主接线方案 (7)

3.3.3确定主接线方案 (8)

4 短路电流的计算 (10)

4.1 绘计算电路图 (10)

4.2 确定短路电流 (10)

4.3 计算各元件的电抗标幺值等 (10)

4.4确定抗标幺值等 (12)

4.5 列出短路计算表 (13)

5 主要电气设备选择 (14)

5.1变电站一次设备的选择与校验 (14)

5.1.1 一次设备选择与校验的条件 (14)

5.1.2 按正常工作条件选择 (14)

5.1.3 按短路条件校验 (15)

5.1.4 10kV侧一次设备的选择校验 (17)

5.1.5 380V侧一次设备的选择校验 (18)

5.2高低压母线的选择 (19)

6变电所进出线和低压电缆选择 (19)

6.1 变电所进出线的选择范围 (19)

6.2 变电所进出线方式的选择 (20)

6.3 高压进线和低压出线的选择 (20)

6.2.1 10kV高压进线的选择校验 (20)

6.2.2 由高压母线至主变的引入电缆的选择校验 (20)

6.2.3 380V低压出线的选择 (21)

7.总结 (21)

8 参考文献 (21)

9 附录 (21)

1 绪论

变电站是电力系统的重要组成部分，是联系电厂和负荷用户的中间环节，是电网中线路的枢纽。如果工厂电能供应突然中断，就会对工业生产造成严重的不良后果。甚至可能发生重大的设备损坏或人员伤亡事故。因此，变电所保证工厂正常有序地供电，具有十分重要的意义。

本文以电力系统相关理论知识为基础，以工厂供电为指导，根据所给某机械制造厂的原始资料对其变电站的电气部分进行设计。

本文共分为六大内容：

1.负荷计算

机械厂变电所的负荷计算，是根据所提供的负荷情况进行的，本文列出了负荷计算表，得出总负荷。

2.电容补偿

按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或产品样本选用所需无功功率补偿柜的规格和数量。

3.变压器选择

根据电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器型号。

4.短路电流计算

工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限大容量系统供电进行短路计算。求出各短路点的三相短路电流及相应有关参数。

5.高、低压设备选择及校验

参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择高、低压配电设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验，并列表表示。

6.电缆的选择

为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行电缆截面选择时必须满足发热条件：电缆(包括母线)在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。

2 负荷计算及电容补偿

2.1 确定用户设备组的设备容量及计算负荷

=e P 300+6+350+8+764+17+360+7+250+5+150+5+180+6+160+4+50+1+20+1+350=2994Kw

（2-1）

2.2各车间的计算负荷

1铸造车间的计算负荷

e P K P d )1(30==（0.3*300+6*0.8）=94.8kw （2-2）

?tan 30)1(30P Q ==（90*1.02+4.8*0）kvar=91.82kvar （2-3）

VA Q P S k 82.918.942

22)

1(302)1(30)1(30+=+==131.98kVA （2-4） A

A U S I N

52.20038.0*398

.1313)1(30)1(30==

=

（2-5） 其余车间负荷计算过程与此相同，计算结果见表2-1 2 确定变电所变压器低压侧的计算负荷

考虑到全厂负荷的同时系数（取9.0=∑K ）后，工厂变电所变压器低压侧的计算负荷为

kW

kW P K P 9.10203.1134*9.0)1(30)2(30==∑=∑ （2-6）

var

8.984var 2.1094*9.0)1(30)2(30k k Q K Q ==∑=∑ （2-7）

kVA kVA Q P S 5.14188.9849.1020

222

)2(302)2(30)2(30=+=+= （2-8）

A

A U S I N

3.215538.0*35.14183)2(30)2(30==

=

（2-9）

72

.05

.14189

.1020cos )

2(30)2(30)2(==

=

Q p ? （2-10）

变压器低压侧的功率因数较低，高压侧的功率因数肯定不满足电力部门0.9的要求，因此要

进行无功功率补偿。补偿电容器集中装设在变压器低压母线上。考虑到变压器的损耗，可设低压侧补偿后的功率因数为0.92。

所需补偿电容器的容量为

var

549var )92.0arccos tan 72.0arccos (tan *9.1020k k Q C =-=

（2-11）

取

var 560k Q C =

补偿后变压器低压侧 W P P k 9.1020

)2(30'

)2(30==不变

var 8.424var )5608.984()2(30'

)2(30k k Q Q Q C =-=-=

（2-12）

kVA

VA S 9.1104k 8.4249.102022')2(30=+=

（2-13）

3 确定变压所变压器高压侧的计算负荷 变压器的损耗

W W S P T k 57.15k 9.1104

*015.0015.0')2(30===?

（2-14）

var

29.66var 9.1104*06.006.0'

)

2(30k k S

Q T ===? （2-15）

变压器高压侧的计算负荷

kW kW P P P T 47.1036)57.159.1020('

)2(3030=+=?+= （2-16）

var

09.491)29.668.424(')2(3030k kW Q Q Q T =+=?+= （2-17）

kVA

kVA Q P S 92.114609.49147.1036222

3023030=+=+= （2-18）

A

A U S I N

29.6610

*392.114633030==

=

（2-19）

4 高压电源进线端的计算负荷

变电所高压进线端采用LGJ-150，其线距为2m ，长度为8km 。由手册可查出该导线的

km X km R /36.0,/24.000Ω=Ω，则

高压架空进线端的有功功率损耗为

kW W L R I P WL 3.258

*24.0*29.66*332

02===? （2-20） 高压架空进线端的无功功率损耗为 var 0.38var 8*36.0*29.66*33202k k L R I Q WL ===? （2-21）

高压电源进线端的计算负荷为

kW kW P P P WL 77.1061)3.2547.1036

(30'30=+=?+=

（2-22）

var 09.529var )0.3809.491(30'30k k Q Q Q WL =+=?+= （2-23）

kVA

kVA Q P S 29.118609.52977.1061222'302'30'30=+=+= （2-24）

A

A U S I N

5.6810

*329.11863'

30

'30==

=

（2-25）

9.029.118677

.1061cos '30'

30'

===S P ? （2-26）

满足要求

高压电源进线端的计算负荷可以作为工厂向电力部门申请用电容量的依据。

表2-1 全厂负荷统计资料

3变压器选择及主接线方案确定

3.1主变压器台数选择

选择主变压器台数时应考虑下列原则：

1．应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但必须有备用电源。

2．对季节性负荷或昼夜负荷变动较大，适于采用经济运行方式的变电所，可采用两台变压器。 3．当负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台或多台变压器。 4．在确定变电所台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。

3.2主变压器容量选择

1．只装一台主变压器的变电所

主变压器容量S 应满足全部用电设备总计算负荷30S 的需要，即

30

.S S T N ≥ （3-1）

2．装有两台主变压器的变电所

每台变压器的容量SZ 应同时满足以下两个条件：

(1)任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷S3的大约60% 70%的需要，即

()30

.7.06.0S S T N -= （3-2）

(2)任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的需要，即

()

II +I ≥30.S S T N （3-3）

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： 方案1 装设一台主变压器

根据式30.S S T N ≥，主变选用一台接线方式为S11-1250/10型变压器，根据民用建筑规范要求变压器的负载率不宜大于85%，而KVA S 5.1062%851250=?=

显然满足要求。至于机械厂的二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的低压联络线来承担。

因此装设一台主变压器时选一台接线方式为S11-16000/10型低损耗配电变压器。

方案2 装设两台主变压器

KVA S S )42.81936.702()7.06.0(30-=-= （3-4）

KVA

S S 6.499)1.1191.1504.230()2.1(=++=≥ （3-5）

因此选两台接线方式为Dyn11的S11-1000/10型低损耗配电变压器。两台变压器并列运行，互为备用。

3.3主接线方案确定

3.3.1变电所主接线方案的设计原则与要求

变电所的主接线，应根据变电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。

(1)安全 应符合有关国家标准和技术规范的要求，能充分保证人身和设备的安全。 (2)可靠 应满足电力负荷特别是其中一、二级负荷对供电可靠性的要求。 (3)灵活 应能必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。

(4)经济 在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。

3.3.2 工厂变电所常见的主接线方案

1.只装有一台主变压器的变电所主接线方案

只装有一台主变压器的变电所，其高压侧一般采用无母线的接线，根据高压侧采用的开关电器不同，有三种比较典型的主接线方案：

(1)高压侧采用隔离开关-熔断器或户外跌开式熔断器的主接线方案； (2)高压侧采用负荷开关-熔断器或负荷型跌开式熔断器的主接线方案； (3)高压侧采用隔离开关-断路器的主接线方案。 2.装有两台主变压器的变电所主接线方案

装有两台主变压器的变电所的典型主接线方案有： (1)高压无母线、低压单母线分段的主接线方案；

(2)高压采用单母线、低压单母线分段的主接线方案；

(3)高低压侧均为单母线分段的主接线方案。

3.3.3确定主接线方案

1.10kV侧主接线方案的拟定

由原始资料可知，高压侧进线有一条10kV的公用电源干线，为满足工厂二级负荷的要求，又采用与附近单位连接高压联络线的方式取得备用电源，因此，变电所高压侧有两条电源进线，一条工作，一条备用，同时为保证供电的可靠性和对扩建的适应性所以10kV侧可采用单母线或单母线分段的方案。

2.380V侧主接线方案的拟定

由原始资料可知，工厂用电部门较多，为保证供电的可靠性和灵活性可采用单母线或单母线分段接线的方案，对电能进行汇集，使每一个用电部门都可以方便地获得电能。

3.方案确定

根据前面章节的计算，若主变采用一台S11型变压器时，总进线为一路路。为提高供电系统的可靠性，低压一侧需加入备用电源。

若主变采用两台S11型变压器时，总进线为两路，但若电源出现故障，两台主变均无法使用，可靠性较低。

表3-1 两种主接线方案的比较

从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案优于装设一台主变的方案。从经济指标来看，装设一台主变的方案优于装设两台主变的方案。由于二级负荷较小，从技术指标考虑，采用于装设一台主变加备用电源的方案。

4 短路电流的计算

4.1 绘计算电路图

根据变电所主接线图绘出计算电路图，将短路计算中需计入的各元件的额定参数都表示出来，并将各个元件依次编号。如图4-1所示。

图4-1 短路计算电路

4.2 确定短路电流

在短路计算中，短路计算点应选择在可能产生最大短路电流的地方。一般来说。高压侧选择在高压母线位置；低压侧选择在母线位置；系统中装有限流电抗器时，应选择在电抗器之后，如图4-1中的k-1及k-2点。

4.3 计算各元件的电抗标幺值等

(1)设定基准容量d S 和基准电压d U ，计算短路点基准电流d I 。 设d S =100MV A ，d U =c U ，即高压侧1d U =10.5kV ,低压侧2d U =0.4kV ,则

5.410001001005.43=?=

KW

MVA

X (4-1)

2144kA d I =

=

= (4-2)

(2)计算短路电路中各元件的电抗标幺值 1）电力系统的电抗标幺值

*1100MVA 0.2500MVA

d oc S X S =

== (4-3) 式中 oc S ——电力系统出口断路器的断流容量

2）架空线路的电抗标幺值，查得LGJ-150的单位电抗00.36/x km =Ω，而线路长8km,故

*22

100MVA

0.368 2.6(10.5kV)X =??

= (4-4)

3）电力变压器的电抗标幺值，查得S11-1000的短路电压%k U =4.5，故

5.410001001005.43=?=

KW

MVA

X (4-5) 5.443==X X (4-6)

绘制等效电路图，如图4-2所示：

图4-2 短路等效电路图

4.4确定抗标幺值等

(1)求k-1点的短路回路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1）总阻抗标幺值

()

***

1210.2 2.6 2.8k X X X ∑=+=+= (4-7) 2）三相短路电流周期分量有效值

()(3)11*

1 5.5kA

1.96kA

2.8

d k k I I X ∑=

== (4-8) 3）其他三相短路电流

"(3)I =(3)I ∞=(3)1k I =1.96kA (4-9)

(3)

sh

i =2.55"(3)I =2.55×1.96kA=5.0kA (4-10) (3)

sh

I =1.51"(3)I =1.51×1.96kA=2.96kA (4-11) 4）三相短路容量

()(3)1100MVA

35.7MVA 2.8

d k k S S X *

∑=

== (4-12) 5）两相短路电流

)

2(1-k I =)2(''I

=）（2∞I =)3(1866.0-k I =1.70kA (4-13) )2(sh i =0.866)

3(sh i =4.33kA (4-14) )2(sh

I =0.886)3(sh I =2.56kA (4-15) （2）求k-2点的短路回路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1）总阻抗标幺值

3.75.46.22.0*

3*2*1*2=++=++=∑

-X X X X K (4-16) 2）三相短路电流周期分量有效值

KA KA

X I I K d K 7.193

.7144*2

2)3(2==

∑

=

- (4-17) 3）其他三相短路电流

"(3)I =(3)I ∞=(3)

2

k I =19.7kA (4-18)