某电机修造厂总降压变电所及其高压配电系统设计.doc

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1、#*摘要电力行业作为国家经济的命脉之一，无论在工农业建设还是普通民用都扮演着中流砥柱的作用，为社会主义现代建设奠定了坚实的基础。宏观意义电力行业需要通过客观缜密的工厂供配电系统设计体现，这是本设计的价值所在。本设计内容针对郑州某电机修造厂的供配电设计，据任务书要求，通过查阅相关资料文献，运用大学阶段学习成果，通过具体讨论工厂配电系统方案设计的原理，进行总体设计和详细分析说明，包括：负荷计算和无功功率补偿、变电所位置和型式的选择、变电所主变压器台数和容量、类型的选择、变电所主接线方案、短路电流的计算、变电所一次设备的选择与校验、变电所出线的选择、变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定、防雷保护

2、与接地装置。以科学严谨的方法完成本设计的内容，达到设计任务书的要求，将电力行业中的单元组成工厂供配电系统设计反应出来。关键词： 负荷计算 短路电流计算 主接线方案 继电保护整定 防雷和接地#*#*ABSTRACTPower industry as the lifeblood of the national economy, both in industrial and agricultural construction or ordinary civilian plays a pillar of strength for the socialist modernization construc

3、tion has laid a solid foundation. Macro sense the power industry needs through objective careful plant design reflects the supply and distribution system, which is the design value. The design content for a motor built factory in Zhengzhou for the distribution design, according to the mission statem

4、ent requirements, access to relevant information through literature, the use of university level learning outcomes, through specific discussion of plant distribution system design principles, design and carry out a detailed analysis of the overall Description, including: load calculation and reactiv

5、e power compensation, substation location and type selection, and the number of main transformer substation capacity, type of selection, substation main Wiring, short-circuit current calculations, a substation equipment selection and validation, substation outlet choice, substation secondary circuit

6、 program selection and tuning protection, lightning protection and grounding devices. Rigorous scientific method to complete the content of this design, to meet the design requirements of the mission statement, the electric power industry in the units - factories reflected supply and distribution sy

7、stem design.Keywords:Load calculations, short circuit current calculation, Main Wiring, relay setting, lightning protection and grounding目 录#*摘要.I ABSTRACT.II 1 绪论 .1 1.1 工厂供电的目的意义 .1 1.2 本次设计的任务要求 .2 1.3 设计资料 .2 1.4 工厂平面图 .3 2 负荷计算和无功功率补偿 .4 2.1 负荷计算.4 2.1.1 负荷计算概述.4 2.1.2 按需要系数法确定计算负荷.4 2.1.3 多组用电

8、设备计算负荷的确定.5 2.1.4 工厂各车间负荷计算表.6 2.1.5 全厂负荷计算.6 2.2 无功功率的补偿.7 3 变电所参数的确定 .10 3.1 总降压变电所位置的选择.10 3.2 总降压变电所型式的选择.12 3.3 总降压变电所主变压器台数的选择.12 3.4 总降压变电所主变压器容量的选择.12 3.5 总降压变电所主变压器的选择.13 4 变电所主接线方案的设计 .14 4.1 变电所主接线方案的设计原则与一般要求.14 4.2 变电所主接线的接线方式.14 4.3 变电所主接线图.15 5 短路电流的计算 .16 5.1 短路电流计算方法.16 5.2 短路电流计算过程

9、.17 5.2.1 最大运行方式.17 5.2.2 系统最小运行方式.19 5.2.3 三相短路电流统计表.19 6 总降压变电所一次设备的选择与校验 .20 6.1 一次设备选择与校验的条件与项目.20 6.1.1 按正常工作条件选择.20 6.1.2 按短路条件校验.20 6.2 35kV 侧一次设备选择与校验.21 6.3 10kV 侧一次设备选择与校验.22 6.4 高压开关柜的选择 .23 6.5 母线的选择 .23 7 变电所进出线的选择与校验 .24 7.1 进出线方式的选择.24 7.2 进出线的选择与校验条件.24 7.2.1 按发热条件选择导线和电缆的截面.24#*7.2.

10、2 按经济电流密度选择导线和电缆的截面.25 7.2.3 电压损耗的计算.25 7.3 变电所 35kV 侧进线的选择.25 7.4 变电所出线的选择.26 7.5 备用电源线的选择.27 7.6 车间馈线的选择.27 7.7 进出线选择结果.28 8 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定 .29 8.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路.29 8.2 电能计量回路.29 8.3 测量和绝缘监察回路.29 8.4 继电保护概述.29 8.4.1 对继电保护装置的基本要求.29 8.4.2 继电保护的灵敏系数.30 8.5 电力变压器的继电保护.30 8.5.1 电力变压器保护装置的配置要

11、求.30 8.5.2 变压器过电流保护的整定计算.30 8.5.3 变压器电流速断保护的整定计算.31 8.5.4 变电所的保护装置.31 8.6 电力线路的继电保护.32 8.6.1 概述.32 8.6.2 电力线路的保护.33 9 变电所防雷接地保护与接地装置的设计 .36 9.1 变电所和线路的防雷保护.36 9.1.1 防雷设备.36 9.1.2 电力线路的防雷措施.36 9.1.3 总降压变电所的防雷措施.36 9.2 接地装置的设计.36 10 结论 .38 参考文献.39 致谢.40 附录一.41 附录二.42#*1 绪论1.1 工厂供电的目的意义众所周知，电力工业是国民经济建设

12、的重要部门，也是国民经济建设的基础，它为工业、商业、农业、交通运输业及社会生活提供能源。随着工农业生产机械化、自动化水平的快速发展，对电能的需求量越来越大，对供电的可靠性、经济性、灵活性及电能质量的要求也越来越高1。虽然电能消耗在工业生产中的产品成本中占的比重在 5%左右，供电设备在工业生产的总投资中也占 5%左右。但是工厂供电却能提高劳动生产率、提高产品质量、降低生产成本、减轻工人劳动强度等，有利于实现生产过程自动化。不过也同样存在巨大的风险，当工厂供电中断，即使是短时间的中断都将有可能引起重大人身事故、机械设备损坏、产生大量的报废品等严重后果，给人民、工厂、国家带来经济、环境的重大损失。因

13、此，做好工厂供电对于发展工业生产，实现工业现代化，减少事故伤害都有着重要的意义。此外，在工厂供电的过程中，还要处理好局部和全局，当前与长远等关系，既要照顾当前利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展2。为了使工厂供电工作更好地为生产服务，切实保证工厂生产和群众生活用电的需要并节约能源，当电能从电网引入到工厂时就应满足供电的基本要求。在工厂供电的基本要求中，安全性指在工厂供电的过程中，不应发生人身事故和设备事故等重大损失。可靠性指连续供电的要求，负荷等级的不同对供电可靠性的要求也不同，衡量供电可靠性的指标一般以全部平均供电时间占全年时间的百分数来表示。安全性、可靠性也是对电力系统的基本要求，但

14、是，绝对的安全性、可靠性是不存在的，当电力系统发生故障时，应能借助保护装置把故障隔离，使事故停止扩大并尽快恢复供电。衡量电能质量的标准是电压和频率，要保证供电的优质性，供电的电压和频率都必须满足要求，在配电时需要知道线路、变电所的电压损耗，通过计算实现电气设备端电压为额定电压，同时电力系统应对配电的频率给予保证。经济性指的是供电系统的投资少，运行费用低，并尽可能的节约电能和减少有色金属的消耗量，能源不但是国民经济的物质基础，同时也是国民经济发展的重要因素，降低能源消耗、提高有效利用程度是一项重大政策，电能是高价的二次能源，它从一次能源的利用程度只有 30%，因此节约电能是节约能源的重要方面，工

15、业用电占电能消耗的 70%以上，所以工厂的电能节约有特别重要的意义，节约电能需满足技术上可行、经济上合理和对环境保护无妨碍3。本次设计是为电机修造厂设计一个总降压变电所及高压配电系统，在设计#*时不仅要满足工厂生产工艺的具体要求，保证安全可靠的提供电能，同时要力求合理，投资少，运行费用低。在满足这些要求后也要做到对环境无妨碍，对有色金属的消耗量小的原则。 1.2 本次设计的任务要求郑州某电机修造厂总降压变电所及高压配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面：1）负荷计算和

16、无功功率补偿2）变电所位置和型式的选择3）变电所主变压器台数和容量、类型的选择4）变电所主接线方案的设计5）短路电流的计算6）变电所一次设备的选择与校验7）变电所出线的选择与继电保护的整定8）变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定9）防雷保护与接地装置的设计 1.3 设计资料1.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。2.供用电协议1

17、）当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选定：（1）从某220/35kV 区域变电所提供电源，此站距厂南侧 4.5 公里。 （2）为满足二级负荷的需求，从某 35/10kV 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 1-1 所示。其供电系统图，如图 1.1 所示。 表 1.1 区域变电站 35kV 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600MVA)3( max. kS系统最小运行方式280MVA)3( min. kS3）供电部门对工厂提出的技术要求：（1）区域变电所 60kV 馈电线的过电流保护整定时间

18、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t1.3s。 （2）在企业总降压变电所 35kV 侧进行电能计量。 （3）该厂的总平均功率#*因数值应在 0.9 以上。kVkVkm图 1.1 供电系统图4）供电贴费为 700 元/kVA。每月费用按两部电费制：基本电费为 18 元/kVA，动力电费为 0.4 元/kVA，照明电费为 0.5 元/kVA。3. 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 2300h。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。4.郑州

19、气象资料年最高气温 43，年平均气温 14.3，年最低气温-17.9，年最热月平均气温 32，年最热月地下 0.8m 处平均温度 24.4，常年主导风向为东南风和西北风，年雷暴日数 22 天，平均海拔 110.4m，底层以砂粘土为主，地下水位 3 到 5m。 1.4 工厂平面图#*2 负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算2.1.1 负荷计算概述计算负荷指通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电

20、缆的选择是否经济合理，因此，正确确定计算负荷非常重要。但是，负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源的状况等多种因素有关。因此负荷计算只能力求接近实际。目前普遍采用确定用电设备计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。现在国际上普遍采用需要系数法确定计算负荷，二项式法在确定设备台数较少且各台设备容量差别大的分支干线计算负荷时比较合理4。2.1.2 按需要系数法确定计算负荷1）有功计算负荷(kW)(2-1)edPKP30式中，Pe为用电设备组的设备容量，为设备的

21、需要系数。dK2）无功计算负荷(kvar)(2-2)tan3030PQ式中，为对应用电设备组的正切值。tancos3）视在计算负荷(kVA)(2-3)cos30 30PS式中，为用电设备的平均功率因素。cos4）计算电流(A)(2-4)NUSI330 30式中，为用电设备组的额定电压(kV)。NU#*2.1.3 多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电设备的干线上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素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数和。PKqK对车间干线，取 95. 085. 0PK97.

22、 090. 0qK对低压母线，分两种情况：1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取90. 080. 0PK95. 085. 0qK2)由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取95. 090. 0PK97. 093. 0qK总的有功计算负荷为(2-5)iPPKP.3030总的无功计算负荷为(2-6)iqQKQ.3030以上两式中的和分别为各组用电设备的有功和无功计算负荷iP.30iQ.30 之和。总的视在计算负荷为(2-7)2 302 3030QPS总的计算电流为(2-8)NUSI330 30#*2.1.4 工厂各车间负荷计算表表 2.1 工厂各车间负荷计算表计算负荷序 号车间名称设备容 量

23、（kW）P30 （kW）Q30 （kvar）S30 （kV A）变压器 台数及 容量车间变 电所代 号1电机修造车间250560950078811000No.1 车 变2机械加工车间8861632583051400No.2 车 变3新品试制车间6342223364031500No.3 车 变4原料车间5143101833601400No.4 车 变5备件车间5621991582541315No.5 车 变6锻造车间1053658681100No.6 车 变7锅炉房2691971722621315No.7 车 变8空压站3221811592411315No.8 车 变9汽车库5330274018

24、0No.9 车 变10大线圈车间3351871182211250No.10 车 变11半成品试验站3652874641500No.11 车 变12成品试验站229064048080011000No.12 车 变13加压站 （10kV 转供负荷）256163139214125014设备处仓库 （10kV 转供负荷）338288444150015成品试验站内大型集 中负荷3600288023003686主要为高压整流装 置，要求专线供电。2.1.5 全厂负荷计算由于此处按逐级计算法计算全厂负荷，则应该是高压母线上所有高压配电线路计算负荷之和，再乘上一个同时系数。高压配电线路的计算负荷，应该是#*该

25、线路所供车间变电所低压侧的计算负荷，加上变压器功率损耗PT和高压配电线路的功率损耗PWL，如此逐级计算即可求得供电系统所有元件的计算负荷。但对于一般工厂来说，由于高低压配电线路一般不是很长，其损耗较小，因此在确定其计算负荷时往往不计线路损耗2。变压器的功率损耗可简化公式近似计算：有功损耗 (2-9)3001. 0SPT无功损耗 (2-10)3005. 0SQT以上二式中为变压器二次侧的视在计算负荷。30S由于加压站、设备处仓库、成品试验站内大型集中负荷都是高压设备，因此没有车间变电所，所以并无变电所损耗。在表 2-1 中可计算得知 380V 侧总的视在计算负荷为AkVS 420630 则车间变

26、电所有功损耗： kWSPT06.42420601. 001. 030车间变电所无功损耗： var3 .210420605. 005. 030kSQT取，由表 2-1 可计算得知，90. 0PK95. 0qK，。kWPi)06.426520(.30var)3 .2105463(.30kQi因此总的计算负荷为kWkWPKPiP86.5905)06.426520(90. 0.3030var64.5389var)3 .2105463(95. 0.3030kkQKQiqAkVAkVQPS46.799564.538986.5905222 302 3030AkVAkV USIN1214838. 0346.7

27、995 330 302.2 无功功率的补偿工厂中由于有大量的异步电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负荷，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。电力系统中无功补偿常用同步调相机、并联电容器和并联电抗器 3 种方式。同步调相机是电力系统中最早使用补偿装置的典型代表，并联电容器是应用最广泛的无功补偿装置。目前国内外大多数工厂就采用并联电容器的方式进行无功补偿。依照电力电容器在工厂供电系统中安装地点的不同又可以分为高压集中补偿、低压集中补偿和低压分散补偿 3 种

28、方式5。#*由于本次设计中的车间变电所较多，所以本次设计在总降压变电所的 10kV侧进行无功功率补偿。在 10kV 侧进行无功功率补偿后，可使得 10kV 侧的总的视在计算负荷减小，使得总降压变电所主变压器的容量减小，不仅可以减小变电所的初投资，同时也可以减小工厂的电费开支。补偿容量可按下式确定：(2-11)302130)tan(tanPqPQcC(2-12)cCqQn/式中，为补偿前自然平均功率因数对应的正切值；为补偿后1tan1cos2tan自然平均功率因数对应的正切值；为补偿率；为设计时2coscqkWk var30p求得的平均负荷，单位为；为单个电容器的容量，单位为；为并kWcqvar

29、kn联电容器的个数。在本次设计中，总降压变电所 10kV 侧的功率因数为9 . 0739. 046.799586.5905cos按规定，该厂的总平均功率因数值应在 0.9 以上，考虑到总降压变电所变压器本身的无功功率损耗远大于其有功功率损耗，一般TQTP，因此在变压器 10kV 侧进行无功功率补偿时，10kV 侧补偿后TTPQ)54(的功率因数应略高于 0.9，这里取。92. 0cos要使 10kV 侧功率因数由 0.739 提高到 0.92，10kV 侧需装设的并联电容器容量为var)92. 0arccostan739. 0arccos(tan86.5905kQCvar5 .2868 k取

30、var3000kQC补偿后的变电所 10kV 侧的视在计算负荷为AkVAkVS6371)300064.5389(86.590522 )2(30主变压器的功率损耗为kWSPT7 .6301. 0 )2(30var6 .31805. 0 )2(30kSQT变电所高压侧的计算负荷为kWkWkWP6 .59697 .6386.5905 )1(30var2 .2708var6 .318var)260064.5389( )1(30kkkQ#*AkVAkVS2 .65552 .27086 .596922 )1(30补偿后工厂的功率因数为91. 02 .6555/6 .5969/cos )1(30 )1(30

31、SP这一功率因数满足要求。通过查表可选择补偿电容器的型号为 BWF10.5-100-1,额定容量为100kvar，则通过 2-12 公式可知所需并联电容器的个数为30100/3000/cCqQn无功补偿前后的计算负荷如表 2.2 所示。表 2.2 无功补偿前后的计算负荷项目cos计算负荷kWP30var30kQAkVS30AI3010kV 侧补偿前负荷0.7395905.865389.647995.46461.6310kV 侧无功补偿容量-300010kV 侧补偿后容量0.9275905.862389.646371367.84主变压器功率损耗63.7318.6总降压变电所 35kV侧负荷总计0

32、.9175969.62708.26555.2108.14#*3 变电所参数的确定3.1 总降压变电所位置的选择变电所位置的选择，应根据下列要求同时进行经技术经济分析比较后确定：1）尽量接近负荷中心；2）进出线方便；3）接近电源侧；4）设备运输方便；5）不应设在有剧烈振动或高温的场所，无法避开时，应有防震和隔热的措施；6）不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，无法远离时，不应设在污染源的下风侧；7）不应设在浴室、厕所等经常积水场所的下方，且不宜与上述场所相邻；8）不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，同时不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方；9）不应设在地势低洼和可能积水的地方。在满足了技术经济

33、比较后，同时需要满足总体布置要求：1.便于运行维修和检修。2.保证安全运行。3.便于进出线。4.节约土地和建筑费用。5.适应发展要求。在选择负荷中心的确定方法时，本设计选择利用功率矩法确定负荷中心。在工厂平面图的下边和左侧，任作一直角坐标 x 轴和 y 轴，测出各车间负荷区的坐标位置，例如,、,、,等。而工厂的负荷中心设11(xP)1y22(xP)2y33(xP)3y在,，P 为。因此仿照力学中计算重心的力矩方xP()yiPPPP 321 程，可得负荷中心的坐标：(3-1)iii PxP PPPxPxPxPx )(321332211(3-2)iii PyP PPPyPyPyPy )(32133

34、2211通过该电机修造厂总平面图可以测得每个车间负荷区的坐标位置：No.1 车变： ,=(16.4，8.2)；11(xP)1yNo.2 车变： ,=(14.1，5.1)；22(xP)2yNo.3 车变： ,=(9.3，5.0)；33(xP)3yNo.4 车变： ,=(12.2，4.8)；44(xP)4yNo.5 车变： ,=(11.1，9.3)；55(xP)5yNo.6 车变： ,=(13.6，12.5)；66(xP)6yNo.7 车变： ,=(9.8，7.0)；77(xP)7yNo.8 车变： ,=(9.8，9.2)；88(xP)8y#*No.9 车变： ,=(7.2，4.9)；99(xP)

35、9yNo.10 车变： ,=(14.6，7.8)；1010(xP)10yNo.11 车变： ,=(16.4，4.8)；1111(xP)11yNo.12 车变： ,=(16.4，10.5)；1212(xP)12y加压站： ,=(16.4，10.5)；1313(xP)13y设备处仓库： ,=(16.4，10.5)；1414(xP)14y成品试验站内大型集中负荷：,=(16.4，10.5)；1515(xP)15y坐标图如图 2.1 所示。图 2.1 工厂车间坐标图将以上数据带入公式 3-1 和 3-2 可得iii PxP PPPxPxPxPx )(32133221128802221636094 .1

36、628803 . 92221 .141634 .16609 25.15652099412iii PyP PPPyPyPyPy )(321332211#*28802221636095 .1028800 . 52221 . 51632 . 8609 71.1165201 .76338所以全厂的负荷中心为,=(15.25，11.71)。xP()y由计算可知，工厂的负荷中心在成品试验房的东侧，该负荷中心位于水塔、水池等积水中心的正南侧，由于郑州常年主导风向是东南风和西北风，因此负荷中心满足不在这些积水场所的正下方。该负荷中心同时是处于该厂的南侧，而该工厂是在距厂南侧 4.5 公里的区域变电所提供电源，

37、满足了进线方便的原则。同时，该负荷中心基本满足变电所所址选择的一般原则。因此，将总降压变电所位置设于成品试验站的东南侧。 3.2 总降压变电所型式的选择35/10kV 变电所分屋内式和屋外式，屋内式运行维护方便，占地面积少。在选择 35kV 总降压变电所型式时，应考虑设在地区的地理情况和环境条件，因地制宜；技术经济合理时，应优先选用占地面积少的型式。35kV 变电所宜用屋内式。在负荷较大时，应该采用附设式或半露天式变电所。而在半露天式的变电所不宜设在有可燃粉尘、可燃纤维的场所，容易沉积灰尘或导电尘埃，且严重影响变压器安全运行的场所。独立式变电所中，不受车间生产影响，不占车间生产面积，但是建筑费用高，该型式主要应用于总降压变电所、高压配电所及各车间负荷小而分散，或需远离有易燃易爆危险及有腐蚀性车间。该负荷中心的周围是材料房，属于易燃易爆类，因此采用屋内式。同时，在本次设计中采用独立式变电