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山 東 理 工 大 學 供配電實用技術課程設計任務書 設計題目：某機械廠降壓變電所的電氣設計 電氣與電子工程學院 2011.11.1 一、 設計題目 某機械廠降壓變電所的電氣設計 二、 設計要求 要求根據本廠所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(fā)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，選擇變電所主接線方案及高低壓設備與進出線，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，繪制設計圖紙。 三、 設計依據 1） 工廠負荷情況： 本廠多數車間為兩班制，年最大負荷利用時數為4000h，日最大負荷持續(xù)時間為4h。 該廠除鑄造車間、電鍍車間和鍋爐房屬于二級負荷外，其余為三級負荷。低壓動力設備均為三相，額定電壓為380V。照明及家用電器均為單相，額定電壓為220V。本廠的負荷統(tǒng)計資料如圖所示。 2） 供電電源情況： 按照工廠與當地供電部門簽訂的供用協(xié)議規(guī)定，本廠可由附近一條10kV的公用電源 干線取得工作電源。該干線的走向參考工廠總平面圖。該干線的導線型號為LGJ-95,導線為等邊三角形排列，線距為1m，干線首端距本廠8km，該干線首端所裝高壓斷路器的斷流容量為500MVA，此斷路器配備有定時限過電流保護和電流速斷保護，其定時限過電流保護整定的動作時間為1.5s。為滿足工廠二級負荷的要求，可采用高壓或低壓聯(lián)絡線由鄰近的單位取得備用電源。已知與本廠高壓側有電氣聯(lián)系的架空線路總長度達150km，電纜線路總長度25km。 3） 氣象資料： 本廠所在地區(qū)的年最高氣溫為38℃，年平均氣溫為23℃，年最低氣溫為15℃，年最 熱月平均最高氣溫為32℃，年最熱月平均氣溫為28℃，年最熱月地下0.8m處平均氣溫為21℃。年主導風向為東北風，年雷暴日數為12。 4） 地質水文資料： 本廠所在地區(qū)平均海拔120m，地層為沙粘土為主，地下水位為3m。 5） 電費制度： 本廠與當地供電部門達成協(xié)議，在工廠變電所高壓側計量電能，設專用計量柜，按 照兩部電費制度繳納電費。每月基本電費按主變壓器容量為4元/kVA，動力電費為0.6元/kWh，照明電費為0.55元/kWh。本廠最大負荷時的功率因數不得低于0.9。 6）工廠總平面圖見下圖： 工廠負荷統(tǒng)計資料表： 序號 用電名稱 負荷性質 設備容量kW 需要系數 功率因數 1 鑄造車間 動力 230 0.2~0.4 0.65~0.7 照明 5 0.7~0.9 1.0 2 鍛壓車間 動力 300 0.2~0.3 0.6~0.65 照明 6 0.7~0.9 1.0 3 金工車間 動力 240 0.2~0.3 0.6~0.65 照明 6 0.7~0.9 1.0 4 工具車間 動力 200 0.2~0.4 0.6~0.65 照明 5 0.7~0.9 1.0 5 電鍍車間 動力 320 0.4~0.6 0.7~0.8 照明 6 0.7~0.9 1.0 6 熱處理車間 動力 180 0.4~0.6 0.7~0.8 照明 5 0.7~0.9 1.0 7 裝配車間 動力 120 0.3~0.4 0.65~0.7 照明 5 0.7~0.9 1.0 8 機修車間 動力 130 0.2~0.3 0.6~0.7 照明 4 0.7~0.9 1.0 9 鍋爐房 動力 80 0.4~0.6 0.6~0.7 照明 2 0.7~0.9 1.0 10 倉庫 動力 25 0.2~0.3 0.6~0.7 照明 1 0.7~0.9 1.0 11 宿舍 200 0.6~0.8 1.0 總平面圖 四、 設計任務 要求在規(guī)定的時間內完成下列工作量： 1、 設計說明書包含： 1） 目錄 2） 前言 3） 負荷計算和無功功率補償 4） 變電所位置和型式的選擇 5） 變電所主變壓器臺數和容量及主接線方案的確定 6） 短路電流計算 7） 變電所一次設備的選擇與校驗 8） 變電所所址選擇及平面布置圖（不畫剖面圖） 9） 專題：變壓器繼電保護整定計算（或防雷選擇與計算） 10） 參考文獻 2、 設計圖紙 變電所主接線圖一張A3， 五、 設計時間 2011年11月1日至2011年12月9日 六、 考核方法 成績按五級考核，分為優(yōu)、良、中、及格和不及格。 成績包括： 設計說明書---------------------------------------------------50分 圖紙------------------------------------------------------------20分 答辯------------------------------------------------------------30分 其他沒有說明的事情可根據具體情況處理。 指導教師： 鄧洪偉 2011年11月1日 前言 為使工廠供電工作很好地為工業(yè)生產服務，切實保證工廠生產和生活用電的需要，并做好節(jié)能工作，本設計在大量收集資料，并對原始資料進行分析后，做出35kV變電所及變電系統(tǒng)電氣部分的選擇和設計，使其達到以下基本要求： 1、安全 在電能的供應、分配和使用中，不發(fā)生人身事故和設備事故。 2、可靠 滿足電能用戶對供電可靠性的要求。 3、優(yōu)質 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(tǒng)的投資少，運行費用低，并盡可能地節(jié)約電能和減少有色金屬的消耗量。 此外，在供電工作中，又合理地處理局部和全局、當前和長遠等關系，既照顧局部的當前的利益，又要有全局觀點，顧全大局，適應發(fā)展。 按照國家標準GB50052-95 《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》、GB50059-92 《35~110kV變電所設計規(guī)范》、GB50054-95 《低壓配電設計規(guī)范》等的規(guī)定，工廠供電設計遵循以下原則： 1、遵守規(guī)程、執(zhí)行政策； 遵守國家的有關規(guī)定及標準，執(zhí)行國家的有關方針政策，包括節(jié)約能源，節(jié)約有色金屬等技術經濟政策。 2、安全可靠、先進合理； 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，采用效率高、能耗低和性能先進電氣產品。 3、近期為主、考慮發(fā)展； 根據工作特點、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，正確處理近期建設與遠期發(fā)展的關系，做到遠近結合，適當考慮擴建的可能性。 4、全局出發(fā)、統(tǒng)籌兼顧。 按負荷性質、用電容量、工程特點和地區(qū)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(fā)展。 目 錄 一、 負荷計算和無功功率補償 7 1． 負荷計算 7 2． 無功功率補償 8 二、 變電所主變壓器和主結線方案的選擇 8 1． 變電所主變壓器選擇 8 2． 變壓器主結線方案的選擇 8 3． 兩種主結線方案的技術經濟比較 9 三、 變電所短路電流的計算 10 1． 繪制計算電路 10 2． 確定基準值 10 3． 短路電路中各元件的電抗標么值 10 4． 10.5KV側k-1點的短路電路總電抗及三相短路電流和短路容量 11 5． 0.4KV側k-2點的短路電路總電抗及三相短路電流和短路容量 11 四、 變電所一次設備的選擇校驗 12 1． 10KV側一次設備的選擇校驗 12 2． 380V側一次設備的選擇校驗 12 五、 變電所二次回路的選擇及繼電保護的整定 13 1． 二次回路選擇 13 2． 繼電保護的整定 13 附錄：參考文獻 15 附錄：變電所主接線圖圖紙 16 一、 負荷計算和無功功率補償 1． 負荷計算 負荷計算在負荷計算時，采用需要系數法對各個車間進行計算，并將照明和動力部分分開計算，照明部分最后和宿舍區(qū)照明一起計算。單組用電設備計算負荷的計算式: 有功計算負荷 無功計算負荷 視在計算負荷 計算電流 運用公式對各車間進行負荷計算如下表。 表1工廠負荷計算表 序號 用電名稱 負荷性質 設備容量kW 需要系數Kd 功率因數φ tanφ 計算負荷 P30/kw Q30/kvar S30/kvar I30/A 1 鑄造車間 動力 230 0.3 0.65 1.17 69 80.73 106.15 161.3 照明 5 0.8 1.0 0 4 0 4 6.1 2 鍛壓車間 動力 300 0.3 0.6 1.33 90 119.7 150 228 照明 6 0.8 1.0 0 4.8 0 4.8 7.3 3 金工車間 動力 240 0.3 0.6 1.33 72 95.76 120 182 照明 6 0.8 1.0 0 4.8 0 4.8 7.3 4 工具車間 動力 200 0.3 0.6 1.33 60 79.8 100 151.9 照明 5 0.8 1.0 0 4 0 4 6.1 5 電鍍車間 動力 320 0.5 0.7 1.02 160 163.2 228.57 347.3 照明 6 0.8 1.0 0 4.8 0 4.8 7.3 6 熱處理車間 動力 180 0.5 0.7 1.02 90 91.8 128.57 195.3 照明 5 0.8 1.0 0 4 0 4 6.1 7 裝配車間 動力 120 0.4 0.65 1.17 48 56.16 73.85 112.2 照明 5 0.8 1.0 0 4 0 4 6.1 8 機修車間 動力 130 0.3 0.6 1.33 39 51.87 65 98.8 照明 4 0.8 1.0 0 3.2 0 3.2 4.9 9 鍋爐房 動力 80 0.5 0.6 1.33 40 53.2 66.7 101.3 照明 2 0.8 1.0 0 1.6 0 1.6 2.4 10 倉庫 動力 25 0.3 0.6 1.33 7.5 9.975 12.5 19 照明 1 0.8 1.0 0 0.8 0 0.8 1.2 11 宿舍 200 0.7 1.0 0 140 0 140 212.7 合計 851.5 802.2 1227 1865 有功負荷同時系數取 無功負荷同時系數取 809 762 1111 1688 說明：考慮到發(fā)展性原則以及安全性原則，本表中所有需要系數均取最大值，所有功率因數均取最小值。 變壓器損耗估算 ΔPb=1%S30=0.011111=11.11kw ΔQb=5%I30=0.051688=84.4kvar 2 無功功率補償 由表1可知，該廠380V側最大負荷是的功率因數只有0.728.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0.90?？紤]到變壓器的無功功率損耗ΔQb，遠遠大于有功功率損耗ΔPb，因此，在變壓器的10kV側進行無功功率補償時，其補償后的功率因素應稍大于0.9，現(xiàn)設cosφ=0.97，則 10kV側在補償前的功率因素為: 　 =809/1111=0.728 因此，所需要的補償容量為： 選取選并聯(lián)電容器為BCMJ0.4—14—3型，總共容量14kvar40=560kvar。 10kV側在補償后的負荷及功率因素計算： =820.11/868.7 =0.94 因此無功功率補償后工廠380V側和10V側的負荷計算如表2。 表2 無功功率補償后工廠的計算負荷 項目 cosφ 計算負荷 P30/kw Q30/kvar S30/kva I30/A 380V側補償前負荷 0.728 809 762 1111 1688 380V側無功補償容量 -560 380V側補償后負荷 0.97 809 202 834 1267 主變壓器功率損耗 11.11 84.4 10KV側負荷總計 0.94 820.11 286.4 868.7 50.2 二、 變電所位置和型式的選擇 本處雖然老師給出了負荷中心的位置，但是由于負荷中心與工廠的所有車間都隔著一條大街，而且，變電所屬于易燃易爆場所，應該遠離宿舍區(qū)域。最后，變電所在廠區(qū)外不便于管理，故我選擇靠近負荷中心的位置車間1與車間4 車間5之間的位置，大致符合變電所選址標準：（1） 盡量靠近負荷中心。（2）進出線方便（靠近工廠外圍）。（3）接近電源側。（4）設備運輸方便（靠近工廠大門）。（5）工廠廠區(qū)常年東北風。變電所選取在東北方位，處于上風頭，不會有太多的雜質積聚。（6）不靠近廁所浴室。 變電所位置如下圖圖一 圖一 三、 變電所主變壓器和主結線方案的選擇 1． 變電所主變壓器選擇 根據工廠的負荷性質和電源情況，工廠變電所的主變壓器可有下列兩種方案： （1）裝設一臺主變壓器型式采用S9系列的，選SN.T=100KVA>S30=868.7KVA，即選一臺S9—100/10（6）型低損耗配電變壓器。至于工廠二級負荷的備用電源，由與鄰近單位相聯(lián)的低壓聯(lián)絡線來承擔。 （2）裝設兩臺主變壓器型號采用S9系列的變壓器，而每臺容量為： 因此 選每臺臺變壓器的容量為630kar 因此選兩臺S9—630/10型低損耗配電變壓器。工廠二級負荷的備用電源由與鄰近單位相聯(lián)的低壓聯(lián)絡線承擔。主變壓器的聯(lián)結組別均采用。 2． 變壓器主結線方案的選擇 按上面考慮的兩種主變壓器的方案可設計下列兩種主結線方案： （1） 裝設一臺主變壓器的主結線方案 如圖1 （2） 裝設兩臺主變壓器的主結線方案 如圖2 變壓所主接線圖如下圖： 變配電所總體布置如下： （3） 兩種主結線方案的技術經濟比較 表3 兩種主結線方案的技術經濟比較 比較項目 裝設一臺主變的方案 裝設兩臺主變的方案 技術 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大 兩臺并聯(lián)，電壓損耗略小 靈活方便性 只一臺主變，靈活性稍差 靈活性較好 擴建適應性 稍差一些幾乎不能再擴建 更好一些 經濟 投資金額 投資低 投資高 從上表可以看出，裝設兩臺主變的主結線方案略優(yōu)于裝設一臺主變的主結線方案，裝設一臺主變的方案不能滿足發(fā)展的需要，因此決定采用裝設兩臺主變的方案。 四.變電所短路電流的計算 繪制短路計算電路 圖4短路計算電路 1. 確定短路計算基準值 設，，即高壓側，低壓側，則 2. 計算短路電路中各元件的電抗標幺值 （1）電力系統(tǒng) 已知Soc=500MVA，故 （2）架空線路 LGJ-95的X0=0.36，而線路長6km，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。2.5 圖5 等效電路 3.10KV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 4. 380KV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/MVA k-1 2.33 2.33 2.33 5.94 3.52 42.37 k-2 24.37 24.37 24.37 44.84 26.56 16.9 五 變電所一次設備的選擇校驗 1． 10kV側一次設備的選擇校驗 如表6.1所示。 表 5 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(wěn) 定 度 熱 穩(wěn) 定 度 其 他 裝置地點條件 參數 數據 10 50.2 2.33 5.94 4.7 一 次 設備型號規(guī)格 額定參數 高壓少油斷路器SN10-10I/630 10kV 630A 16kA 40Ka 512 高壓隔離開關GN-10/200 10kV 200A 25.5Ka 500 高壓熔斷器RN2-10/0.5 10kV 0.5A 50kA 電壓互感器JDJ-10 10/0.1kV 電流互感器LQJ-10 10Kv 100/5A 31.8Ka 81 二次負荷0.6Ω 避雷器FS4-10 10kV 戶 外 式 高 壓隔離開關GW4-15G/200 12kV 400A 25Kv 500 表5所選一次設備均滿足要求。 2． 380V側一次設備的選擇校驗 如表6所示。 表6 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(wěn) 定 度 熱 穩(wěn) 定 度 其 他 裝置地點條件 參數 數據 380 1267 24.37 44.84 433.4 一次設備型號規(guī)格 額定參數 低壓斷路器DW15-1500/3D 380V 1500A 40kA 低壓斷路器DZ20-1500 380V 1500A 30kA 低壓斷路器DZ20-1500 380V 1500A 25kA 低壓刀開關HD13-1500/30 380V 1500A 電流互感器LMZJ1-0.5 500V 1500/5A 電流互感器LMZ1-0.5 500V 100/5 160/5 表6所選一次設備均滿足要求。 六 變電所進出線的選擇 1. 10kV高壓進線的選擇 （1）10kV高壓進線的選擇校驗 采用LJ-50型鋁絞線架空敷設，接往10kV公用干線。 1) 按發(fā)熱條件選擇 由及室外環(huán)境溫度，初選LJ-16，其30攝氏度時的滿足發(fā)熱條件。 2）校驗機械強度 查表得最小允許截面，因此按發(fā)熱條件選擇的LJ-16不滿足機械強度要求，故改選LJ-50。 由于此線路很短，不需校驗電壓損耗。 3）校驗短路熱穩(wěn)定 按式計算滿足短路熱穩(wěn)定的最小截面 式中C值由附表7查得；按終端變電所保護動作時間1.5s，加斷路器斷路時間0.1s，再加0.05s計，故。 因此LJ50-350電纜滿足短路熱穩(wěn)定條件。 2. 380V低壓出線的選擇 由于本設計中含有十個車間外加一個工廠，眾多線路校驗比較麻煩，而且各個工廠功率相近，再考慮到發(fā)展性原則，為方便各個車間以后擴建，所以，本處只校驗5號車間電鍍車間進行選線。 （1）饋電給5號車間（鑄造車間）的線路 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 1）按發(fā)熱條件選擇 由及地下0.8m土壤溫度，查表，初選芯線截面，其，滿足發(fā)熱條件。 2）校驗電壓損耗 由圖3.1所示工廠平面圖量得變電所至5號廠房距離約為30m，而查得的銅芯絕緣導線（按纜芯工作溫度65度），X=0.18 ，又5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(wěn)定度校驗 按式計算滿足短路熱穩(wěn)定的最小截面 由于前面按發(fā)熱條件所選的纜心截面小于，所以 滿不足短路熱穩(wěn)定要求，故選芯截面為的線，即選BLX-300型橡皮絕緣銅線. 所以 所有車間和宿舍區(qū) 選用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 表5.1變電所進出線和聯(lián)絡線的導線和電纜型號規(guī)格 線路名稱 導線或電纜的型號規(guī)格 10kV電源進線 LJ-50鋁絞線（三相三線架空） 380 V 低 壓 出 線 至1號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至2號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至3號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至4號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至5號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至6號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至7號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至8號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至9號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至10號廠房 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 至生活區(qū) 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 與鄰近單位380V聯(lián)絡線 采用BLX-300型橡皮絕緣銅線直接埋地敷設。 七 變壓所的防雷保護 1. 防雷裝置意義 雷電引起的大氣過電壓會對電器設備和變電所的建筑物產生嚴重的危害，因此，在變電所必須采取有效的防雷措施，以保證電器設備的安全。下面分情況對防雷裝置進行選擇。 2. 直擊雷的防治 根據變電所雷擊目的物的分類，在變電所的中的建筑物應裝設直擊雷保護裝置。在進線段的1km長度內進行直擊雷保護。防直擊雷的常用設備為避雷針。所選用的避雷器：接閃器采用直徑的圓鋼；引下線采用直徑的圓鋼；接地體采用三根2.5m長的的角鋼打入地中再并聯(lián)后與引下線可靠連接。 3. 雷電侵入波保護 由于雷電侵入波比較常見，且危害性較強，對其保護非常重要。對變電所來說，雷電侵入波保護利用閥式避雷器以及與閥式避雷器相配合的進線保護段；為了其內部的變壓器和電器設備得以保護，在配電裝置內安放閥式避雷器。 4.變電所公共接地裝置的設計 （1）接地電阻的要求 本變電所的公共接地裝置的接地電阻應滿足以下條件： 且 式中 因此公共接地裝置接地電阻應滿足 （2）接地裝置的設計 采用長2.5m、50mm的鍍鋅鋼管數，按式（9.24）計算初選16根，沿變電所三面均勻布置（變電所前面布置兩排），管距5m，垂直打入地下，管頂離地面0.6m。管間用的鍍鋅扁鋼焊接相連。變壓器室有兩條接地干線、高低壓配電室各有一條接地線與室外公共接地裝置焊接相連。接地干線均采用采用的鍍鋅扁鋼。變電所接地裝置平面布置圖如附錄1所示。 接地電阻的演算： 滿足的要求。