电机修造厂变电所高压配电系统设计课程教学设计.doc

^` 东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程 工厂供电课程设计 题 目 电机修造厂变电所高压配电系统设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气10-2 学生姓名 学生学号 100603140217 指导教师 2013年 11月 24 日 东北石油大学课程设计任务书 课程 工厂供电课程设计 题目 电机修造厂变电所高压配电系统设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 100 主要内容： 本论文主要依照工厂供电设计必须遵循的一般原则、基本内容和设计流程，对某电机修造厂变电所进行了设计说明，本文按照设计要求，在查阅大量参考资料、手册后，对负荷计算及无功功率补偿计算，变配电所所址和型式的选择，变电所主变压器台数、容量及类型的选择，变配电所主结线方案的设计，短路电流的计算，变配电所一次设备的选择，变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定，变配电所防雷保护与接地装置的设计等进行了详细的设计说明。并附有相应的图表、公式和计算结果。这次设计的变配电所完全满足设计要求。 本设计通过对计算负荷，选出变压器；通过计算三相短路电流，选出其他保护器件；通过三相短路电流，选择过电流保护设备；然后选择二次回路的设备，对一次侧设备进行控制、检测；最后注意安全、接地和防雷的设置。 参考资料： [1] 刘介才.工厂供电 [M] ．北京：机械工业出版社，2003.44-48 [2] 刘涤尘、吴政球.电气工程基础[M].武汉：武汉理工大学出版 社.2003年 [3] 何仰赞，温增银．电力系统分析 [M] ．武汉：华中科技大学出版社，2004． [4] 张学成.工矿企业供电设计指导书[M].北京：北京矿业大学出版 社.1998年 [5] 苏文成.工厂供电[M].北京：机械工业出版社.2004年 完成期限 2013.11.18至2013.11.24 指导教师 专业负责人 2013年 11 月 15 日 ^` 目 录 1 设计目的 1 2 工厂负荷计算及配电系统的确定 1 2.1 工厂实际情况 1 2.2 工厂负荷计算和无功补偿计算 4 2.3 变电所高压配电主接线方案选择 6 3 电气设备选择与电器校验 7 3.1 变电所高压配电系统母线的选择 7 3.2 高压配电系统的校验 8 4 变电所高压配电系统防雷与接地 10 4.1 变电所高压配电系统的防雷 10 4.2 变电所高压配电系统的接地 11 5 结论 12 参考文献 14 1 设计目的 本题目主要目的是设计某电机修造厂的变电所高压配电设计。 与原来的课程设计比较，本题不仅设计量大了许多，而且在更个方面的要求也有所加强。虽然变电所的设计在现在已经不是高新的技术，但是作为电气专业的学生，本题目还是很全面的包含了一大部分专业课程学习的内容，而且各个方面都有所深入。尤其是继电保护的问题，有了更加深入的学习。 虽然本题没有对变电站综合自动化有所研究，但是对日后向这个方面的学习和发展打下了坚实的基础。通过这次设计不仅进一步加强专业知识的学习，拓宽知识面，提高理论知识水平。而且扩宽了就业面，提高就业能力，提高了独立思考和分析问题的能力。 2工厂负荷计算及配电系统的确定 2．1 工厂实际情况 （1） 电机修造厂总平面图（图2-1） 图2-1 某电机修造厂总平面布置图 （2） 工厂生产任务、规模及产品规格 本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任务。年生产规模为修理电机7500台，总容量为45万KW；制造电机总容量为6万KW，制造单机最大容量为5520KW；修理变压器500台；生产电气备件为60万件。是大型钢铁联合企业重要组成部分。 （3）工厂各车间负荷计算表 表2-1 工厂各车间负荷计算表 序号 车间名称 设备容量（千瓦） 计算负荷 变压器台数及容量 车间变电所代号 P30 （千瓦） Q30 （千乏） S30 （千伏安） 1 电机修造车间 2505 609 500 788 11000 No 1车变 2 加工车间 886 163 258 305 1400 No 2车变 3 新制车间 634 222 336 403 1500 No 3车变 4 原料车间 514 310 183 360 1400 No 4车变 5 备件车间 562 199 158 254 1315 No 5车变 6 锻造车间 105 36 58 68 1100 No 6车变 7 锅炉房 269 197 172 262 1315 No 7车变 8 空压站 322 181 159 241 1315 No 8车变 9 汽车库 543 30 27 40 180 No 9车变 10 大线圈车间 335 187 118 221 1250 No 10车变 11 半成品试验站 365 287 464 1500 No 11车变 12 成品试验站 2290 640 480 800 11000 No 12车变 13 加压站 256 163 139 214 1250 14 设备处仓库（转供负荷） 338 288 444 1500 15 成品试验站内大型集中负荷 3600 2880 2300 3686 主要为高压整流装置，要求专线供电。 （4） 供用电协议 ① 当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选定：ⅰ 从某220/60kV区域变电所提供电源，此站距厂南侧4.5公里。ⅱ 为满足二级负荷的需求，从某60/10.5kV变电所，提供10kV备用电源，此所距厂南侧4公里。 ② 电力系统短路数据，如表2-2所示。其供电系统图，如图2-2所示。 表2-2 区域变电站60kV母线短路数据 系统运行方式 系统短路数据 系统运行方式 系统短路数据 系统最大运行方式 ＝1338MVA 系统最小运行方式 ＝310MVA j 图2-2 供电系统图 ③ 供电部门对工厂提出的技术要求：ⅰ 区域变电所60kV馈电线的过电流保护整定时间＝1.8s，要求工厂总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3s。ⅱ 在企业总降压变电所60kV侧进行电能计量。ⅲ 该厂的总平均功率因数值应在0.9以上。 （5） 工厂负荷性质 本厂大部分车间为一班制，少数车间为两班或三班制，年最大有功负荷利用小时数为2200h。 锅炉房供生产用高压蒸汽，停电会使锅炉发生危险。又由于该厂距离市区较远，消防用水需厂方自备。因此，要求供电具有一定的可靠性。 （6） 本厂自然条件 ① 气象资料 最热月平均最高温度35摄氏度，土壤中0.7-1米深处一年中最热月平均温度为20摄氏度，土壤冻结深度为1.10米，夏季主导风向为南风，最高气温+40度，最低-40度，导线复冰时气温-5度，最大风速时气温-5度，最大风速25米/秒，导线复冰时风速10米/秒，最高最低气温时风速0米/秒，复冰厚度10毫米，年雷暴日数31.5日。 ② 地质水文资料 该厂区地层以砂粘土为主，地质条件较好，地下水位2.8-5.3m，地耐压力为15吨/平方米。 2.2负荷和无功补偿的计算。 （1）负荷计算的方法 有功计算负荷为 (3-1) 式中，为设备容量。 无功计算负荷为 (3-2) 式中，为对应于用电设备组的正切值。 视在计算负荷为 (3-3) 总的计算电流为 (3-4) 式中，为额定电压380V。 （2）负荷计算。 取K∑p = 0.92; K∑q = 0.95 根据上表可算出：∑P30i = 6520kW; ∑Q30i = 5463kvar 则 P30 = K∑P∑P30i = 0.926520kW = 5999kW Q30 = K∑q∑Q30i = 0.955463kvar = 5190kvar ≈7932KVA I30 = S30/√3UN ≈ 94.5A COSф = P30/S30 = 5999/7932≈ 0.75 （3）功率补偿 由于本设计中上级要求COSφ≥0.9,而由上面计算可知COSф=0.75<0.9，因此需要进行无功补偿。 综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。可选用BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89F Qc = 5999（tanarc cos0.75－tanarc cos0.92）Kvar=2735Kvar 取Qc=2800 Kvar 因此，其电容器的个数为： n = Qc/qC = 2800/100 =28 而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个 正好 变压器的功率损耗为：（P18 估算PT（0.01-0.02） QT（0.05-0.08）） △PT = 0.015 S30 ′= 0.015 * 6564= 98.5 Kw △QT = 0.06 S30′= 0.06 * 6564 = 393.8 Kvar 变电所高压侧计算负荷为： P30′= 5999+ 98.5 = 6098 Kw Q30′= (5463-2800 )+ 393.8= 3057 Kvar S30′ = (P302 + Q302) 1/2= 6821 KV .A 无功率补偿后，工厂的功率因数为： cosφ′= P30′/ S30′= 6098 / 6821= 0.9 cosφ′= P30′/S30′= 0.9≥0.9 因此，符合本设计的要求 2.3变电所高压配电主接线方案选择 由于需要装设两台主变压器，所以可设计下列两种主结线方案： （1） 一条电源进线的主结线方案 （2） 两条电源进线的主结线方案 （3） 两种主结线方案的技术经济比较（表2-3） 表2-3 两种主结线方案的比较 比较项目 一条电源进线的主结线方案 两条电源进线的主结线方案 技术指标 供电安全性 满足要求 满足要求 供电可靠性 基本满足要求 满足要求 供电质量 两台主变并列，电压损耗小 两台主变并列，电压损耗小 灵活方便性 由于只有一条电源进线，灵活性稍差 由于只有两条电源进线，灵活性较好 扩建适应性 稍差一些 更好一些 经济指标 电力变压器的综合投资额 由资料查得SL7-6300/60单价为30.35万元，而又查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为230.35万元＝60.7万元 由资料查得SL7-6300/60单价为30.35万元，而又查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为230.35万元＝60.7万元 高压开关柜（含计量柜）的综合投资额 查资料得JYN1-60型柜按每台10万元计，其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为101.510万元＝150万元 本方案采用14台JYN1-60型柜，其综合投资额约为141.510万元＝210万元，比一条电源进线的方案多投资60万元 从表2-3可以看出，虽然按经济指标，一条电源进线的主接线方案远优于两条电源进线的主接线方案，但是按技术指标，两条电源进线的主接线方案优于一条电源进线的主接线方案。为了给工厂的正常生产提供更加稳定、可靠的电源，所以决定采用两条电源进线的主接线方案。 3电气设备选择与电器校验 3.1变电所高压配电系统母线的选择 按规定60kV级的变电所的高压母线应按发热条件进线选择，并校验其短路稳定度。 （1） 60kV母线的选择校验 ① 按发热条件选择 由及室外环境温度35℃，查资料，初选硬铝母线LMY-3（253），其35℃时>，满足发热条件。 ② 动稳定度校验 ⅰ 母线在三相短路时所受的最大电动力为 ⅱ 母线在作用时的弯曲力矩为 ⅲ 母线的截面系数为 ⅳ 故母线在三相短路时所受到的计算应力为 而硬铝母线（LMY）的允许应力为，由此可见该母线满足短路动稳定度的要求。 ③ 热稳定度校验 计算满足短路热稳定的最小截面 式中——变电所60kV侧纵联差动保护动作时间按0.7s整定，再加上断路器断路时间0.2s，再加0.05s。 由于母线的实际截面为，因此该母线满足短路热稳定度要求。 （2） 10.5kV母线的选择校验 采用硬铝母线LMY-3(606)＋505。（其选择和计算方法同前，从略） 所以电机修造厂高压母线选择如表3-1所示 表3-1电机修造厂高压母线选择 母线名称 母线型号规格 35kV母线 LMY-3(253)，即母线尺寸为25mm3mm 10kV母线 LMY-3(606)＋505，即母线尺寸为60mm6mm，中性母线尺寸为50mm5mm 3.2变电所高压配电系统的校验。 采用LJ型铝绞线架空敷设，与相距约4km的某60/10.5kV变电所的10.5kV母线相联。 （1） 按发热条件选择 工厂二级负荷容量共503kVA，及室外环境温度为35℃，查表，初选LJ-16，其35℃时的，满足发热条件。 （2） 校验电压损耗 由表查得缆芯为的铝绞线的，（按线间几何均距0.8m计）。 又，，线路长度按4km计，因此按式(3-9)，得 满足允许电压损耗5％的要求。 （3） 短路热稳定度校验 因为邻近某60/10.5kV变电所电源10.5kV侧的短路数据不知，因此该联络线的短路热稳定度校验计算无法进行，只有暂缺。 综合以上所选电机修造厂变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表3-2所示 表3-2电机修造厂变电所进出线和联络线的型号规格 线路名称 导线或电缆的型号规格 35kV电源进线 LJ-35铝绞线(三相三线架空) 10kV高压出线 至1号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至2号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至3号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至4号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至5号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至6号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至7号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至8号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至9号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至10号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至11号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 10kV高压出线 至12号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至13号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至14号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至15号厂房 YJL22-10000-3300＋1150四芯电缆(直埋) 至塑料制品厂 3LJ-50＋1LJ-35(三相四线架空) 与邻近35/10kV变电所10kV联络线 LJ-16铝绞线(三相三线架空) 4防雷与接地 4.1 变电所高压配电系统的防雷保护 （1） 直击雷防护 在变电所屋顶装设避雷针或避雷带，并引出两根接地线与变电所公共接地装置相连。 由于变电所有露天配电装置，应在变电所外面的适当位置装设独立避雷针，其装设高度应使其防雷保护范围包括整个变电所。按规定，独立避雷针的接地装置接地电阻。通常采用3～6根长2.5m、φ50mm的钢管，在装避雷针的杆塔附近作一排或多边形排列，管间距离5m，打入地下，管顶距地面0.6m。接地管间用40mm4mm的镀锌扁钢焊接相连。引下线用25mm4mm的镀锌扁钢，下与接地体焊接相连，并与装避雷针的杆塔及其基础内的钢筋相焊接，上与避雷针焊接相连。避雷针采用φ20mm的镀锌圆钢，长1～1.5m。独立避雷针的接地装置与变电所公共接地装置应有3m以上距离。 在35kV架空进行上，架设1～2kM的避雷线，以消除近区进线上的雷击闪络，避免其引起的雷电侵入波对变电所电气装置的危害。 （2） 雷电侵入波的防护 ① 在35kV电源进线的终端杆上装设FZ-35型阀式避雷器。引下线采用25mm4mm的镀锌扁钢，下与公共接地网焊接相连，上与避雷器接地端螺栓连接。 ② 在35kV高压配电室内装设有JYN1-35-102型开关柜，其中配有FZ-35型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来保护，防护雷电侵入波的危害。 ③ 在10kV高压配电室内装设有GG-1A(F)-55型开关柜，其中配有FS4-10型避雷器。主要保护10kV侧出线上的各种一次设备。 4.2变电所高压配电系统公共接地装置的设计 （1） 接地电阻的要求 按资料上的表，此变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件： 式中 （由于题目没有给出35kV电网中架空线路和电缆线路总长度，所以我假设35kV电网中架空线路总长度为60km，35kV电网中电缆线路总长度为4km。） 因此公共接地装置接地电阻 （2） 接地装置的设计 单根垂直管形接地体的接地电阻 采用长2.5m、φ50mm的钢管14根，沿变电所三面布置，管距≥5mm，垂直打入地下，管顶离地面0.6m。管间用40mm4mm的镀锌扁钢焊接相连。变电所的变压器室有两条接地干线，35kV、10kV配电室各有一条和两条接地干线与室外公共接地装置焊接相连，电容器室有两条接地干线与室外公共接地装置焊接相连，接地干线均采用25mm4mm的镀锌扁钢。变电所接地装置平面布置图如图3-15所示。 接地电阻的验算： 满足的接地电阻要求。式中η＝0.65在资料中查表近似地选取。 图15 电机修造厂总降压变电所接地装置平面布置图 5结 论 我做的是某电机修造厂全厂变电所高压配电系统的设计.通过这次毕业设计，我加深了对工厂供电知识的理解，基本上掌握了进行一次设计所要经历的步骤，作为大学阶段一次重要的学习经历我感觉自己受益非浅，同时深深的感觉的自己的学习能力在不断提高。 这次设计使我对工厂供电有了新的认识，事实上这次设计对我们的锻炼是多方面的，除了对设计过程熟悉外，我们还进一步提高了作图，说明书编辑，各种信息的分析等多方面的能力。 电机修造厂变电所的设计已经按照设计原则要求设计完了，虽然能够满足设计任务书的要求，但是笔者认为还要提高和改进的地方还有很多，比如说在变电所微机保护和综合自动化、电气安全、节能等方面还有很多需要以后补充和提高的地方。在细节方面，还有许多需要精雕细琢的地方，这次没有能够深入下去。希望以后有机会能够进一步。 笔者认为变电所设计以后的发展方向应该是朝着微机综合自动化发展的。变电站微机综合自动化可实现继电保护、电网安全监控、电量和非电量监测、设备参数自动调整、中央信号、电压无功综合控制、电能自动分时统计、事故跳闸过程参数自动记录、事件按时排序、事故处理提示、快速处理事故、微机控制免维护直流电源供电和微机运行一体化功能，实现变电所无人值班。这方面在国外现在发展得已经相当的成熟了，而我国虽然虽然也发展了几十年了，但是现在还是没有普遍应用开来。造成我国变电所微机综合自动化发展缓慢的主要原因是该系统价格较高，只要大型的变电所才有条件安装。以后需要解决的问题就是要设法降低其投资额，以便应用在小型的变电所中。 参考文献 [1] 刘介才.工厂供电 [M] ．北京：机械工业出版社，2003.44-48 [2] 刘涤尘、吴政球.电气工程基础[M].武汉：武汉理工大学出版 社.2003年 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