中北大學信息商務學院電力系統課程設計說明書中北大學信息商務學院課 程 設 計 任 務 書 08/09 學年第 二 學期學 院：信息商務學院專 業：電氣工程及其自動化學 生 姓 名：學 號：課程設計題目：某廠降壓變電所電氣部分設計起 迄 日 期:6月29日 7月10日課程設計地點:電氣工程及其自動化專業教研室指 導 教 師:系主任： 下達任務書日期: 2009年 6 月 29 日1設計目的：通過本課程設計，鞏固和加深在電力系統基礎和電力系統分析課程中所學的理論知識，基本掌握變電所電氣部分設計的一般方法，提高電氣設計的設計能力，為今后從事生產和科研工作打下一定的基礎。2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：要求根據本廠所能取得的電源及本廠用電負荷的實際情況，并適當考慮到工廠生產的發展，按照安全可靠、技術先進、經濟合理的要求、確定變電所的位置與型式，確定變電所主變壓器的臺數與容量、類型，選擇變電所主接線方案及高低壓設備和進出線，確定二次回路方案，選擇整定繼電保護裝置，確定防雷和接地裝置，最后按要求寫出設計說明書，繪出設計圖樣。設計依據：1、工廠總平面布置圖 參考文獻1的圖11-2。2、工廠負荷情況本廠多數車間為兩班制，年最大負荷利用小時數為4500h，日最大負荷持續時間為6h。該廠除鑄造車間、電鍍車間和鍋爐房屬于二級負荷外，其余均屬于三級負荷。低壓動力設備均為三相，額定電壓為380V。電氣照明及家用電器均為單相，額定電壓為220V。本廠的負荷統計資料見附表所示。3、供電電源情況按照工廠與當地供電部門簽定的供用電協議規定，本廠可由附近一條10KV的干線取得工作電源。該干線的走向參看工廠總平面圖。該干線的導線牌號為LJ-120，導線為等邊三角形排列，線距1.25m ,干線首端距離本廠約10km。干線首端所裝設的高壓短路器斷流容量為300MVA，此斷路器配備有定時限過電流保護和電流速斷保護，定時限過電流保護整定的動作時間為1.6s，為滿足工廠二級負荷的要求，可采用高壓聯絡線由鄰近的單位取得備用電源。4、氣象資料：本廠所在地年最高溫度38，年平均氣溫為16，年最低溫度為-10，年最熱月平均最高溫度32，年最熱月地下0.8M處平均溫度25，常年主導風向為南風，覆冰厚度是3CM，年雷暴日數35天。5、地質水文資料：平均海拔1200M，地層以沙粘土為主，地下水位3-5M。6、電費制度供電貼費800元/KVA。每月電費按兩部電費制：基本電費為按主變壓器容量計為18元/KVA，動力電費為0.2元/KW.H，照明電費為0.5元/KW.H。工廠最大負荷時功率因數不得小于 0.91 。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：提交課程設計說明書一份。4主要參考文獻：1.劉介才工廠供電設計指導北京：機械工業出版社2.劉笙電氣工程基礎北京：科學出版社3.賀家李 宋從矩電力系統繼電保護原理第三版北京：中國電力出版社5設計成果形式及要求： 提交課程設計說明書一份。6工作計劃及進度：6月29日6月30日：負荷計算，與無功補償。7月1日7月2日：確定變電所的位置與型式，確定變電所主變壓器的臺數與容量、類型。7月3日7月4日：選擇變電所主接線方案及高低壓設備和進出線。7月7日7月8日：確定防雷和接地裝置。7月9日：課程設計說明書寫作。7月10日： 答辯即成績考核。系主任審查意見： 簽字： 年 月 日附表：工廠負荷統計資料廠房編號廠房名稱負荷類別設備容量/KW需要系數Kd功率因數1鑄造車間動力2900.380.67照明80.811.02鍛壓車間動力3800.230.63照明80.811.03金工車間動力3600.240.64照明80.831.04工具車間動力3500.270.63照明80.831.05電鍍車間動力1800.550.73照明80.841.06熱處理車間動力1700.500.75照明80.841.07裝配車間動力1800.340.67照明80.781.08機修車間動力1200.240.63照明2.50.751.09鍋爐房動力750.720.73照明1.50.811.010倉庫動力260.340.85照明1.50.731.0生活區照明3000.720.951 前言1.1 工廠供電設計的一般原則工廠供電設計必須遵循以下原則：（1）工廠供電設計必須遵守國家的有關法令、標準和設計規范，執行國家的有關方針政策，包括節約能源，節約有色金屬和保護環境等技術經濟政策。（2）工廠供電設計應做到保障人身和設備的安全，供電可靠，電能質量合格，技術先進和經濟合理，設計中應采用符合國家標準的效率高、能耗低和性能先進及與用戶投資能力相適應的經濟合理的電氣產品。（3）工廠供電設計應根據工作特點、規模和發展規劃，正確處理近期建設與遠期發展的關系，做到遠近結合，以近期為主，適當考慮擴建的可能性。（4）工廠供電設計必須從全局出發，統籌兼顧，按負荷性質、用電容量、工程特點和地區供電條件等，合理確定設計方案。工廠供電設計是整個工廠設計中的重要組成部分。工廠供電設計的質量直接影響到工廠的生產及發展。作為從事工廠供電工作的人員，有必要了解和掌握工廠供電設計的有關知識，以便適應設計工作的需要。1.2 工廠供電設計內容及步驟 全廠總降壓變電所及配電系統設計，是根據各個車間的負荷數量和性質，生產工藝對負荷的要求，以及負荷布局，結合國家供電情況。解決對各部門的安全可靠，經濟的分配電能問題。其基本內容有以下幾方面。 （1）負荷計算 全廠總降壓變電所的負荷計算，是在車間負荷計算的基礎上進行的。考慮 車間變電所變壓器的功率損耗，從而求出全廠總降壓變電所高壓側計算負荷及總功率因數。列出負荷計算表、表達計算成果。 （2）工廠總降壓變電所的位置和主變壓器的臺數及容量選擇 參考電源進線方向，綜合考慮設置總降壓變電所的有關因素，結合全廠計算負荷以及擴建和備用的需要，確定變壓器的臺數和容量。 （3）工廠總降壓變電所主結線設計 根據變電所配電回路數，負荷要求的可靠性級別和計算負荷數綜合主變壓器臺數，確定變電所高、低接線方式。對它的基本要求，即要安全可靠有要靈活經濟，安裝容易維修方便。 （4）廠區高壓配電系統設計 根據廠內負荷情況，從技術和經濟合理性確定廠區配電電壓。參考負荷布局及總降壓變電所位置，比較幾種可行的高壓配電網布置放案，計算出導線截面及電壓損失，由不同放案的可靠性，電壓損失，基建投資，年運行費用，有色金屬消耗量等綜合技術經濟條件列表比值，擇優選用。按選定配電系統作線路結構與敷設方式設計。用廠區高壓線路平面布置圖，敷設要求和架空線路桿位明細表以及工程預算書表達設計成果。 （5）廠供、配電系統短路電流計算 工廠用電，通常為國家電網的末端負荷，其容量運行小于電網容量，皆可按無限容量系統供電進行短路計算。由系統不同運行方式下的短 路參數，求出不同運行方式下各點的三相及兩相短路電流。1.3 工廠供電的意義和要求 工廠供電，就是指工廠所需電能的供應和分配，亦稱工廠配電。眾所周知，電能是現代工業生產的主要能源和動力。電能既易于由其它形式的能量轉換而來，又易于轉換為其它形式的能量以供應用；電能的輸送的分配既簡單經濟，又便于控制、調節和測量，有利于實現生產過程自動化。因此，電能在現代工業生產及整個國民經濟生活中應用極為廣泛。在工廠里，電能雖然是工業生產的主要能源和動力，但是它在產品成本中所占的比重一般很小（除電化工業外）。電能在工業生產中的重要性，并不在于它在產品成本中或投資總額中所占的比重多少，而在于工業生產實現電氣化以后可以大大增加產量，提高產品質量，提高勞動生產率，降低生產成本，減輕工人的勞動強度，改善工人的勞動條件，有利于實現生產過程自動化。從另一方面來說，如果工廠的電能供應突然中斷，則對工業生產可能造成嚴重的后果。因此，做好工廠供電工作對于發展工業生產，實現工業現代化，具有十分重要的意義。由于能源節約是工廠供電工作的一個重要方面，而能源節約對于國家經濟建設具有十分重要的戰略意義，因此做好工廠供電工作，對于節約能源、支援國家經濟建設，也具有重大的作用。工廠供電工作要很好地為工業生產服務，切實保證工廠生產和生活用電的需要，并做好節能工作，就必須達到以下基本要求：（1） 安全 在電能的供應、分配和使用中，不應發生人身事故和設備事故。（2） 可靠 應滿足電能用戶對供電可靠性的要求。（3） 優質 應滿足電能用戶對電壓和頻率等質量的要求（4） 經濟 供電系統的投資要少，運行費用要低，并盡可能地節約電能和減少 有色金屬的消耗量。此外，在供電工作中，應合理地處理局部和全局、當前和長遠等關系，既要照顧局部的當前的利益，又要有全局觀點，能顧全大局，適應發展。2 負荷計算和無功功率補償2.1 負荷計算 各廠房和生活區的負荷計算如表2.1表2.1 機械廠負荷計算表編號名稱類別設備容量需要系數計 算 負 荷1鑄造車間動力2900.380.671.11110.2122.1照明80.811.006.50小計298116.7122.1168.9256.62鍛壓車間動力3800.230.631.2387.4107.7照明80.811.006.50小計38893.9107.7142.9217.13金工車間動力3600.240.641.286.4103.7 照明80.831.006.60小計36893.0103.7139.3211.74工具車間動力3500.270.631.2394.5116.5照明80.831.006.60小計358101.1116.5154.3234.45電鍍車間動力1800.550.730.9499.092.7照明80.841.006.70小計188105.792.7140.6213.66熱處理車間動力1700.500.750.8885.075.0照明80.841.006.70小計17891.775.0118.5180.07裝配車間動力1800.340.671.1161.267.8照明80.781.006.20小計26167.467.895.6145.38機修車間動力1200.240.631.2328.835.5照明2.50.751.001.90小計122.5 30.735.546.971.39鍋爐房動力750.720.730.9454.050.6照明1.50.811.001.21.1小計76.555.251.775.6114.910倉庫動力260.340.850.628.85.5照明1.50.731.001.10小計27.59.95.511.317.211生活區照明3000.720.950.33216.071.0227.4345.5編號名稱類別設備容量需要系數計 算 負 荷總計（380V側）動力2311981.3849.2照明361.5計入=0.85=0.90.74834.1764.31131.31718.92.2 無功功率補償 由表2.1可知，該廠380V側最大負荷是的功率因數只有0.74.而供電部門要求該廠10KV進線側最大負荷是功率因數不應該低于0.91。考慮到主變壓器的無功損耗遠大于有功損耗，因此380V側最大負荷是功率因素應稍大于0.91，暫取0.91來計算380V側所需無功功率補償容量：Qc=P30(1-2)= 834.1tan(arccos0.74)-tan(arccos0.92)kvar=403kvar故選PGJ1型低壓自動補償屏，并聯電容器為BW0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1臺與方案3（輔屏）4臺相組合，總共容量。因此無功補償后工廠380V側和10KV側的負荷計算如表2.2所示。表2.2 無功補償后工廠的計算的負荷項 目計算負荷380V側補償前負荷0.74834.1764.31131.31718.9380V側無功補償容量-420380V側補償后負荷0.924834.1344.3902.41371主變壓器功率損耗13.554.110kV側負荷總計0.92847.6398.4936.654.13 變電所位置和型式的選擇變電所的位置應盡量接近工廠的負荷中心。工廠的負荷中心按功率矩法來確定，計算公式為式（3.1）和（3.2）。變電所的位置應盡量接近工廠的負荷中心.工廠的負荷中心按負荷功率矩法來確定.即在工廠平面圖的下邊和左側,任作一直角坐標的X軸和Y軸,測出各車間和宿舍區負荷點的坐標位置,例如P1(x1,y1) 、P2(x2,y2) 、P3(x3,y3)等.而工廠的負荷中心設在P(x,y),P為P1+P2+P3+=Pi.因此仿照力學中計算重心的力矩方程,可得負荷中心的坐標: (3.1) (3.2) 圖3.1 機械廠總平面圖按比例K在工廠平面圖中測出各車間和宿舍區負荷點的坐標位置表3.1所示表3.1坐標軸12345678910生活區X()1.82.03.65.55.96.16.38.79.09.70.6Y()2.84.86.72.04.75.26.82.13.76.87.4由計算結果可知，x=4.0 y=5.1工廠的負荷中心在3號廠房的西南角。考慮的方便進出線及周圍環境情況，決定在3號廠房的西側緊靠廠房修建工廠變電所，其型式為附設式。4 變電所主變壓器的選擇和主結線方案的選擇4.1 變電所主變壓器的選擇 根據工廠的負荷性質和電源情況，工廠變電所的主變壓器考慮有下列兩種可供選擇的方案：（1） 裝設一臺主變壓器型式采用S9型，而容量根據式，選，即選一臺S9-1000/10型低損耗配電變壓器。至于工廠二級負荷所需的備用電源，考慮由與鄰近單位相聯的高壓聯絡線來承擔。（2）裝設兩臺主變壓器 型號亦采用S9，而每臺變壓器容量按式和式選擇，即 且因此選兩臺S9-800/10型低損耗配電變壓器。工廠二級負荷所需的備用電源亦由與鄰近單位相聯的高壓聯絡線來承擔。主變壓器的聯結組均采用Yyn0。4.2 變壓器主接線方案的選擇 按上面考慮的兩種主變壓器方案可設計下列兩種主接線方案：（1）裝設一臺主變壓器的主接線方案，如圖4.1所示 （2）裝設兩臺主變壓器的主接線方案，如圖4.2所示 圖4.1 裝設一臺主變壓器的主結線方案 圖4.2 裝設兩臺主變壓器的主結線方案4.3兩種主結線方案的技術經濟比較 如表4.1所示。表4.1 兩種主接線方案的比較比較項目裝設一臺主變的方案裝設兩臺主變的方案技術指標供電安全性滿足要求滿足要求供電可靠性基本滿足要求滿足要求供電質量由于一臺主變，電壓損耗較大由于兩臺主變并列，電壓損耗小靈活方便性只一臺主變，靈活性稍差由于有兩臺主變，靈活性較好擴建適應性稍差一些更好一些經濟指標電力變壓器的綜合投資由手冊查得S91000單價為15.1萬元，而由手冊查得變壓器綜合投資約為其單價的2倍，因此其綜合投資為215.1萬元=30.2萬元由手冊查得S9800單價為10.5萬元，因此兩臺綜合投資為410.5萬元=42萬元，比一臺變壓器多投資11.8萬元高壓開關柜（含計量柜）的綜合投資額查手冊得 GG1A（F）型柜按每臺4萬元計，查手冊得其綜合投資按設備價1.5倍計，因此其綜合投資約為41.54=24萬元本方案采用6臺GGA（F）柜，其綜合投資額約為61.53.5=31.5萬元，比一臺主變的方案多投資7.5萬元電力變壓器和高壓開關柜的年運行費參照手冊計算，主變和高壓開關柜的折算和維修管理費每年為4.893萬元（其余略）主變和高壓開關柜的折舊費和維修管理費每年為7.067萬元，比一臺主變的方案多耗2.174萬元供電貼費按800元/KVA計，貼費為10000.08=80萬元貼費為28000.08萬元=128萬元，比一臺主變的方案多交48萬元從表4.1可以看出，按技術指標，裝設兩臺主變的主接線方案略優于裝設一臺主變的主接線方案，但按經濟指標，則裝設一臺主變的方案遠優于裝設兩臺主變的方案，因工廠負荷近期有較大增長，則宜采用裝設兩臺主變的方案。5 短路電流的計算5.1 繪制計算電路 如圖5.1所示 圖5.1 短路計算電路5.2 確定短路計算基準值設，即高壓側，低壓側，則 5.3 計算短路電路中各元件的電抗標幺值（1）電力系統 已知故（2）架空線路 查表8-37，得LGJ-120的，而線路長10km，故（3）電力變壓器 查表2-8，得，故因此繪短路計算等效電路如圖5.2所示。 圖5.2 等效電路5.4 10KV側三相短路電流和短路容量（1） 總電抗標幺值（2）三相短路電流周期分量有效值（3）其他短路電流 （4）三相短路容量5.5 380V側三相短路電流和短路容量（1）總電抗標幺值（2）三相短路電流周期分量有效值（3）其他短路電流 （4）三相短路容量 以上計算結果綜合如表5.1表5.1 短路的計算結果短路計算點三相短路電流/kA三相短路容量/MVAk-11.391.391.393.542.127.9k-217171731.2818.5311.86 變電所一次設備的選擇校驗6.1 10kV側一次設備的選擇校驗 如表6.1所示。表6.1 10kV側一次設備的選擇校驗選擇校驗項目電 壓電 流斷 流能 力動 穩定 度熱 穩定 度其 他裝置地點條件參數數據10kV57.7A1.62kA4.1kA5.0一次設備型號規格額定參數高壓少油斷路器SN10-10I/63010kV630A16kA40kA512 高壓隔離開關GN-10/20010kV200A25.5kA500高壓熔斷器RN2-1010kV0.5A50kA電壓互感器JDJ-1010/0.1kV電壓互感器JDZJ-10電流互感器LQJ-1010kV100/5A31.8kA81二次負荷0.6避雷器FS4-1010kV戶 外 式 高 壓隔離開關 GW4-15G/20012kV400A25kA500表6.1所選一次設備均滿足要求。6.2 380V側一次設備的選擇校驗 如表6.2所示。表6.2 380V側一次設備的選擇校驗選擇校驗項目電 壓電 流斷 流能 力動 穩定 度熱 穩定 度其 他裝置地點條件參數數據380V1371A1.62kA42.7kA376.8一次設備型號規格額定參數低壓斷路器DW15-1500/3D380V1500A40kA低壓斷路器DZ20-630380V630A30kA低壓斷路器DZ20-200380V200A25kA低壓刀開關HD13-1500/30380V1500A電流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A電流互感器LMZ1-0.5500V100/5A160/5A表6.2所選一次設備均滿足要求。6.3高低壓母線的選擇 參照表528，10kV母線選LMY-3（），即母線尺寸為40mm4mm；380V母線選LMY-3,即母線尺寸為120mm10mm，而中性線母線尺寸為80mm6mm。7 變電所進出線以及鄰近單位聯絡線的選擇7.1 10kV高壓進線和引入電纜的選擇（1）10kV高壓進線的選擇校驗 采用LJ型鋁絞線架空敷設，接往10kV公用干線。1) 按發熱條件選擇 由及室外環境溫度，查表8-36，初選LJ-16，其時的滿足發熱條件。2）校驗機械強度 查表8-34，最小允許截面，因此按發熱條件選擇的LJ-16不滿足機械強度要求，故改選LJ-35。由于此線路很短，不需校驗電壓損耗。（2）由高壓配電室至主變的一段引入電纜的選擇校驗 采用YJL22-10000型交聯聚乙烯絕緣的鋁芯電纜直接埋地敷設。 1）按發熱條件選擇 由及土壤溫度查表8-44，初選纜芯截面為的交聯電纜，其，滿足發熱條件。2）校驗短路熱穩定 按式計算滿足短路熱穩定的最小截面式中C值由表5-13差得；按終端變電所保護動作時間0.5s，加斷路器斷路時間0.2s，再加0.05s計，故。 因此YJL22-10000-3+25電纜滿足短路熱穩定條件。7.2 380V低壓出線的選擇（1）饋電給1號廠房（鑄造車間）的線路 采用VLV22-1000型聚氯乙烯絕緣鋁芯電纜直接埋地敷設。1）按發熱條件選擇 由及地下0.8m土壤溫度，查表8-43，初選纜芯截面，其，滿足發熱條件。2）校驗電壓損耗 由圖11-2所示工廠平面圖量得變電所至1號廠房距離約為64m，而由表8-42查得的鋁芯電纜（按纜芯工作溫度計），又1號廠房的，因此按式得：故滿足允許電壓損耗的要求。3) 短路熱穩定度校驗 按式計算滿足短路熱穩定的最小截面由于前面按發熱條件所選的纜心截面小于，不滿足短路熱穩定要求，故改選纜芯截面為的電纜，即選VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜，中性線芯按不小于相線芯一半選擇。（2）饋電給2號廠房（鍛壓車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋敷設。（方法同上）。（3）饋電給3號廠房（金工車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（4）饋電給4號廠房（工具車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（5）饋電給5號廠房（電鍍車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（6）饋電給6號廠房（熱處理車間）的線路 亦采VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（7）饋電給7號廠房（裝配車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（8）饋電給8號廠房（機修車間）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（9）饋電給9號廠房（鍋爐房）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（10）饋電給10號廠房（倉庫）的線路 亦采用VLV22-1000-3300+1150的四芯聚氯乙烯絕緣的鋁芯電纜直埋。（方法同上）。（11）饋電給生活區的線路 采用BLX-1000型鋁芯橡皮絕緣線架空敷設。1）按發熱條件選擇 由及室外環境溫度為，查表8-40，初選BLX-1000-1120,其時的，滿足發熱條件。2）校驗機械強度 查表8-35，最小允許截面積，因此 滿足機械強度要求。 3）校驗電壓損耗 由圖11-2所示工廠平面圖量得變電所至生活區負荷中心距離約84m，而由表8-36查得其阻抗與BLX-1000-1120近似等值的LJ-120的阻抗,，又生活區的,，因此滿足允許電壓損耗要求。7.3 作為備用電源的高壓聯絡線的選擇校驗 采用YJL22-10000型交聯聚乙烯絕緣的鋁芯電纜，直接埋地敷設，與相距約2km的鄰近單位變配電所的10kV母線相聯。（1） 按發熱條件選擇 工廠二級負荷容量,而最熱月土壤平均溫度為,因此查表8-44，初選纜芯截面為的交聯聚乙烯絕緣鋁芯電纜（注：該型電纜最小芯線截面積為），其,滿足發熱條件。（2） 校驗電壓損耗 由表8-42可查得纜芯為25mm的鋁芯電纜的 (纜芯溫度按計)，而二級負荷的，線路長度按2km計，因此由此可見該電纜滿足允許電壓損耗要求。（3） 短路熱穩定校驗 按本變電所高壓側短路校驗，由前述引入電纜的短路熱穩定校驗，可知纜芯的交聯電纜是滿足短路熱穩定要求的。綜合以上所選變電所進出線和聯絡線的導線和電纜型號規格如表7.1所示。表7.1線路名稱導線或電纜的型號規格10kV電源進線LJ-35鋁絞線（三相三線架空）主變引入電纜YJL22-10000-325交聯電纜（直埋）380V低壓出線至1號廠房VLV22-1000-33