东风化工厂高压配电系统设计毕业设计.doc

成人高等教育 毕业设计（论文）题 目东风化工厂高压配电系统设计 学 院自动化学院 专 业电气工程及其自动化（函授专升本） 年 级 2010级 姓 名 李军庆 指导教师 刘艺 ( 2012年06月）广东工业大学继续教育学院摘要东风化工厂高压配电系统设计是对工厂供电具有针对性的设计。设计对工厂供电方式、主要设备的选择、保护装置的配置及防雷接地系统进行了相应的叙述，内容主要包括高压侧和低压侧的短路计算，设备选择及校验，主要设备继电保护设计，配电装置设计，防雷和接地设计等。 本设计考虑了所有用电设备并对这些负荷进行了计算。通过计算出的有功、无功和视在功率选择变压器的大小和相应主要设备的技术参数，再根据用户对电压的要求，计算电容器补偿装置的容量，从而得出所需电容器的大小。 根据与供电部门的协议，决定总配变电所及配电系统的主接线图。电气主接线对电气设备的选择，配电所的布置，运行的可靠性和灵活性，操作和检修的安全以及今后的扩建，对电力工程建设和运行的经济节约等，都由很大的影响。 本设计在主要设备的继电保护设计和整定计算中，对电力变压器、真空断路器等主要设备的保护配置提出了要求，明确了保护定值计算方法。关键词：变电所，配电系统，负荷和短路计算，设备选型，继电保护Abstract Dongfeng factory workshop substation and electrical system design of the factory is the design of power supply has targeted. Set A program to factory power-supply modes, the main equipment selection, protective device configuration and lightningproof grounding system are detailed narrated, content mainly includes high voltage side and low voltage side short circuit calculation, equipment selection and calibration, the main equipment relay protection design, power distribution equipment design, lightning protection and grounding design, etc. This design is given all electrical equipment and calculated to these load. Through the active, calculate the reactive power and ShiZai power transformer size and corresponding choice of main equipment of technical parameters, again according to user requirements of voltage capacitor compensation devices, calculating the capacity needed, concluded that the size of the capacitors. According to the agreement with the power supply departments, decided to always match the Lord and distribution system for substation hookup. The main electrical wiring for electrical equipment choice, the distribution place of decorate, operation reliability and flexibility, operation and maintenance of safety and future expansion of electrical engineering, construction and operation, saving the economy by influence. This design in the main equipment of relay protection design and setting calculation of power transformer, vacuum circuit breaker protection configuration of such main equipments proposed requirements, clear the protection setting value calculation method.Key Words: Substation,power distribution systems, load and short circuit calculation, equipment selection, relay protection绪论1第1章负荷计算和无功功率补偿21.1 负荷计算（均采用需要系数法）21.2 无功功率补偿计算41.3 变压器选择61.4 总变电所位置和型式的选择8第2章 变配电所主接线方案的设计102.1 变配电所主接线方案的设计原则与要求102.2 变配电所主接线方案的技术经济指标102.3 高压配电所主接线方案10第3章短路电流计算及一次侧设备选择123.1 短路电流的计算123.2 高压一次侧设备选择与校验153.3各变电所低压侧出线回路设备选择与校验表18第4章 供配电线路的选择计算214.1 总配电所电缆进线选择214.2 10KV母线的选择224.3 车间变电所高压进线选择244.4 车间变电所低压进线的选择274.5 低压母线选择284.6 车间变电所车间干线选择28第5章供电系统过电流保护及二次回路方案315.1 供电系统过电流保护31第6章 防雷接地366.1变电所的防雷保护366.2 变电所接地装置的计算36结论38参 考 文 献39致谢4042绪论变电所是电力系统中的一个重要环节,它的运行情况直接影响到电力系统的可靠、经济运行。在35KV10KV配电变电所设计研究方面，最近几十年发展更是迅猛。尤其是对变电站综合自动化的研究，已经进行了多年,并取得了令人瞩目的进展。变电站综合自动化目前在国外已得到了较普遍的应用。例如美国、德国、法国、意大利等国家,在他们所属的某些电力公司里,大多数的变电站都实现了综合自动化及无人值班方式。在我国，现在变电所的基本也是向着变电站综合自动化这个方向发展的，但是根据我国的国情，现在大多数变电站还是没有完全实现保护和控制综合自动化。传统的变电站的设计发展到现在已经十分的成熟了。根据供电的设计内容和流程，可以十分的方便的按照步骤设计。虽然变电所的设计在现在已经不是高新的技术，但是作为自动化专业的学生，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。虽然本设计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第1章负荷计算和无功功率补偿1.1 负荷计算（均采用需要系数法）附注：各车间、各变电所负荷合计时，同时系数分别取值：=0.9；=0.95，现以NO.1变电所车间负荷计算为例，计算过程如下：NO.1变电所（1） 制料车间有功功率：=0.6×500=300KW无功功率：= tan=300×0.75=225Kvar视在功率：=300÷0.8=375KVA（2） 粉末车间有功功率：=300×0.5=150KW无功功率：= tan=150×0.75=112.5Kvar视在功率：=150÷0.5=300KVA（3） 热处理车间有功功率：=86×0.6=51.6KW无功功率：= tan=51.6×0.75=38.7 Kvar视在功率：=51.6÷0.8=64.5KVA（4） 合成车间有功功率：=290×0.6=174KW无功功率：= tan=174×1.02=177.48Kvar视在功率：=174÷0.7=248.57KVANO.1变电所负荷合计：有功功率：=（30015051.6174）×0.95=641.82KW无功功率：=（225112.538.7177.48）×0.95=526Kvar视在功率： =829.83KVA表1.1所有变电所车间负荷计算结果见下表统计序号车间（单位）名称设备容量(kW)Kdcos计算负荷车间变电所代号P30(kW)Q30(kVar)S30(kVA)1制料车间5000.60.8300225375No.1粉末车间3000.50.8150112.5300热处理车间860.60.851.638.764.5.合成车间2900607174177.48248.57小计（K=0.95）641.82526829.832工具车间4900.80.8392294490No.2化验车间50.81.0404锅炉房400.750.83022.537.5小计（K=0.95）404.7300.68504.933水泵房1100.750.882.561.88103.13No.3浴室、理发室60.80.84.23.155.52食堂300.750.822.516.8828.125宿舍55081044044小计（K=0.95）145.5477.82171.614原料库400306121620No.4成品库300305915.5918油泵房18070612.616.821小计（K=0.95）30.2445.9756.051.2 无功功率补偿计算1.2.1 无功功率补偿要求 按水利电力电力部制定的全国供用电规则：高压供电电用户功率因数不得低于0.9；其他情况，功率因数不得低于0.85，若达不到要求，需增设无功功率的人工补偿装置。 无功功率的人工补偿装置：主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电容器在供电系统中应用最为普遍。1.2.2 车间变电所低压侧补偿由于NO.1车间容量很大，可以考虑在NO.1低压侧进行无功功率补偿。1） NO.1车间无功补偿计算根据设计要求，功率因数一般在0.9以上，故取=0.9A.功率因数：=0.77<0.9 （需要补偿）B.需补偿容量计算：=(tan - tan)=641.82×tan(arccos0.77) - tan(arccos0.9) =221.86KvarC.补偿后：=641.820KW=-=526-221.86=304.14Kvar=710.2KVA 功率因数：cos=/=0.90（满足要求）D.补偿所需并联的电容器：N=/=221.86/25=8.88（为单个电容器的容量）并联的电容器型号：BKMJ0.4-25-3 数量为9个低压电容器柜型号：GBJ-1-0.4 所需数量为：2个，单个电容器柜内可装5个电容器1.2.3 变压器损耗计算1） 负荷计算中，电力变压器的功率损耗可按下列简化公式近似计算：有功损耗：0.015无功损耗：0.06（其中，为变压器二次侧的视在计算负荷）2） 现计算车间变电所变压器损耗和算入损耗后的各负荷，以计算NO.1变电所为例：有功损耗：=0.015=0.015×710.2=10.65KW无功损耗：=0.06=0.06×710.2=42.61Kvar加入变压器损耗后负荷计算有功功率：=641.8210.65=652.47KW无功功率：=304.1442.61=346.75Kvar视在功率：=738.82KVA 表1.2 NO.2、NO.3、NO.4变电所损耗计算结果变电所号变压器有功损耗（KW）变压器无功损耗（Kvar）加损耗后有功功率（KW）加损耗后无功功率（Kvar）视在功率（KVA）NO.110.6542.61652.47346.75738.82NO.27.5730.30412.27330.98528.69NO.32.5710.30148.1188.12172.37NO.40.843.3631.0849.3358.301.2.4 高压侧无功补偿计算1） 所有变电所的负荷计算：=0.9×（） =0.9×1243.93=1119.14KW=0.95×（） =0.95×815.18=774.42Kvar=1360.96KVA2） 功率因数cos=/=1119.14/1360.96=0.820.9根据设计要求，本厂功率因数COS要求在0.9以上（工厂总配电所按国家电力部门的要求，按规定，配电所高压侧的COS0.9，本设计中要求工厂的功率因数COS在0.9以上，所以这里取COS=0.92）3）故需要补偿的容量：=(tan-tan)=1119.14×tan(arccos0.82) - tan(arccos0.92) =305.53Kvar4）补偿后：=1119.14KW=-=774.42-305.53=468.89Kvar=1213.40KVA功率因数：cos=/=0.922>0.92 （满足要求）5） 高压补偿柜型号：TTB26-300，单个柜子补偿容量大小为：300Kvar 故需要选择两个TTB26-300柜，电容器柜具体画法见主接线图。1.3 变压器选择1.2.1 变压器选择原则 选择的原则为：(1) 只装一台变压器的变电所变压器的容量ST应满足用电设备全部的计算负荷的需要，即，但一般应留有15的容量，以备将来增容需要，本设计中的NO2、NO3、NO4、变电所采用此原则。(2) 装有两台变压器的变电所每台变压器的容量应满足以下两个条件: 任一台变压器工作时，宜满足总计算负荷的大约70的需要，即为O7 任一台变压器工作时，应满足全部一、二级负荷的需要，即(I+)(3)车间变电所变压器的容量上限 单台变压器不宜大于1000KVA，并行运行的变压器容量比不应超过3：l。同时，并联运行的两台变压器必须符合以下条件：并联变压器的变化相等，其允许差值不应超过±05，否则会产生环流引起电能损耗，甚至绕组过热或烧坏。各台变压器短路电压百分比不应超过10，否则，阻抗电压小的变压器可能过载。各台变压器的连接组别应相同，若不同，否则侧绕组会产生很大的电流，甚至烧毁变压器。1.3.2 变压器选择以NO.1变电所选型为例（查看负荷计算大小，可确认选择一台变压器既满足）根据负荷计算是所得变电所补偿后总视在功率： =738.82KVA选择的变压器应该满足：应选变压器的容量查询附录表可知选择的变压器容量为1000KVA故选择的变压器型号为：S9100010，参照变压器各参数，可以满足要求。表1.3 变压器汇总及技术数据变电所变压器型号额定容量（KVA）额定电压（V）连接组标号损耗阻抗电压（%）空载电流（%）高压低压空载负载1S9-1000/10100010K0.4KDyn111700920051.02S9-630/1063010K0.4KDyn111300580051.14S9-200/1020010K0.4KDyn11480260041.55S9-315/1010010K0.4KDyn11290150041.81.4 总变电所位置和型式的选择 根据总变配电所位置选择的原则：变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，但同时还要满足大负荷变配电的方便，此外，总变配电所应尽量不在生活区范围内，宗此要求，可以大致确认本设计中，主变电所设置位置应在制料车间和粉末车间中间附近，以此才能满足要求。参照工厂平面布置图，可以选择总变配电所应挨着制料车间(即NO.1变电所)。表1.4各车间变电所车间负荷计算表序号车间（单位）名称设备容量(kW)Kdcos计算负荷车间变电所代号变压器台数及容量（kVA）P30(kW)Q30(kVar)S30(kVA)I30(A)1制料车间5000.60.8300225375No.11/1000粉末车间3000.50.8150112.5300热处理车间860.60.851.638.764.5合成车间2900607174177.48248.57小计641.82526829.832工具车间4900.80.8392294490No.21/630化验车间50.81.0404锅炉房400.750.83022.537.5小计（K=0.9）404.7300.68504.933水泵房1100.750.882.561.88103.13No.31/200浴室、理发室60.80.84.23.155.52食堂300.750.822.516.8828.125宿舍55081044044小计（K=0.9）145.5477.82171.614原料库400306121620No.41/100成品库300305915.5918油泵房18070612.616.821小计（K=0.9）30.2445.9756.05第2章 变配电所主接线方案的设计2.1 变配电所主接线方案的设计原则与要求变配电所得主接线，应根据变配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，经济等要求。2.2 变配电所主接线方案的技术经济指标 设计变配电所主接线，应符合所选主变压器容量以及负荷对供电可靠性的要求，初步确定23个比较合适的主接线方案来进行技术经济比较，择其忧者作为选定的变配电所主接线方案。2.2.1 主接线方案的技术指标1.供电的安全性，主接线方案在确保运行维护和检修的安全方面的情况。2.供电的可靠性，主接线方案在与用电负荷对可靠性要求的适应性方面的情况。3.供电的电能质量主要是指电压质量，含电压偏差、电压波动及高次谐波等方面的情况。4.运行的灵活性和运行维护的方便性。2.2.2 主接线方案的经济指标1.线路和设备的综合投资额2.变配电所的年运行费3.供电贴费（系统增容费）4.线路的有色金属消耗量2.3 高压配电所主接线方案2.3.1 主接线方案的拟定 由本设计原始资料知：电力系统某110/10KV变电站用两回10KV的电缆线路向本厂供电，一次进线长0.5km，年最大负荷利用小时数为5000h，且工厂属于二级负荷，所以只进行总配电在进行车间10/0.4KV变电，母线联络线采用单母线分段接线方式。2.3.2 主接线方案图(见附录车间主接线图)第3章短路电流计算及一次侧设备选择3.1 短路电流的计算对一般工厂来说，电源方向的大型电力系统可看作是无限大容量系统。无限大容量系统的基本特点是其母线电压总维持不变，这里只计算无限大容量系统中的短路计算，短路计算的方法一般有两种：欧姆法，标幺值法，这里采用欧姆法。3.1.1 短路计算电路150MVAK-1K-2X0=0.08/KM,0.5km10.5kVS9-10000.4kV(2)(3)(1)系统 图3-1 3.1.2 短路电流计算（欧姆法计算）1. 求K1点的三相短路电流和短路容量（U=10.5KV）(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗1）电力系统的电抗：X=0.742）电缆的电抗：X=XL=0.08()×0.5km=0.043）经K1点短路的等效电路如图所示，图上标出各元件的序号（分子）和电抗 值（分母），然后计算电路总电抗： X=X+ X=0.74+0.04=0.78图3-2(2)计算三相短路电流和短路容量1）三相短路电流周期分量有效值 I=7.77KA2）三相短路次暂态电流和稳态电流 I=I= I=7.77KA 3）三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值i=2.55I=2.557.77=19.82KA I=1.51I=1.557.77=12.044KA4）三相短路容量 S=141.31MVA2.求K2点的三相短路电流和短路容量（U=0.4KV）(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗1）电力系统的电抗：X=10102)电缆线路的电抗X=XL()=0.08/km0.5km()=5.81103）电力变压器的电抗此工厂车间设计要求中，总共是有五个变电所，使用到了四种不同型号规格的电力变压器，故而计算此处的电力变压器的电抗时，需要分开单独计算。A. NO.1 配电所 电力电压器型号：S9100010(6) 查附表得知：U%=5 则： X=8经K2点短路的等效电路如图所示：图3-3计算电路总阻抗：= X+ X+ X=1010+0.05810+8=8.1110B. NO.2 NO.5 车间变电所 变压器电抗计算NO.2车间变换所 电力变压器电抗：X=12.7 总阻抗：=12.8610NO.3 变电所 电力变压器电抗： X=32 总阻抗：X= 32.16NO.4 变电所 电力变压器阻抗：X=64 电路总阻抗：X=64.16（2）计算三相短路电流和短路容量此处以NO.1变电所计算为例：1）三相短路电流周期分量有效值 I=28.51A2）三相短路次暂态电流和稳态电流I=I=I=28.51A3）三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值i=1.84I=1.84=52.46KAI=1.09I=1.09=31.08KA4）三相短路容量S=19.75MVANO.2、NO.3、NO.4、NO.5等变电所的短路计算省略，数据统计见表3.1表3.1 短路电流计算表格统计短路计算点变电所号码三相短路电流/KA三相短路容量/MVA（S）II I i IK-17.777.777.7719.8212.04141.31K-2NO.128.5128.5128.5152.4631.0819.75K-2NO.217.9517.9517.9533.03619.5712.44K-2NO.37.187.187.1813.217.84.9K-2NO.43.603.603.606.623.92.493.2 高压一次侧设备选择与校验3.2.1 按正常工作选择原则1）. 按工作电压选择 所选设备的额定电压U不应小于所在线路的额定电压U,即：UU，需注意：使用限流式高压熔断器时，熔断器的额定电压与线路的额定电压相同，即：U= U，而不能UU。2）.按工作电流选择 所选设备的额定电流I不应小于所在电路的计算电流I，即：II3）.按断流能力选择 所选设备的额定开断电流I或断流容量S不应小于设备分段瞬间的的短路电流有效值I或短路容量D,即：II或SD表3.2 10KV侧设备选择与校验表选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数量程10KV74.83A7.77KA19.82KA设备型号规格参数隔离开关GN19-10/40010KV400A31.5KA12.5电流互感器LQJ-10- 200/510KV200/5A160××0.2=45.25高压断路器ZN2-10/63010KV630A11.6KA30KA高压熔断器RN2-10/0.510KV500A200MVA电压互感器JDZ-10-10000/10010/0.1KV电压互感器JDZJ-10-10000/100/KV避雷器FS4-1010KV 各车间变电所回路电流计算值如下：NO.1变电所：回路电流=45.6A，电压U=10KV；NO.2车间变换所：回路电流=27.76A，电压U=10KV；NO.3变电所：回路电流=9.4A，电压U=10KV；NO.4变电所：回路电流=3.08A，电压U=10KV；此处设备器材均以K1点的短路电流来进行动稳定和热稳定校验，因此各车间变电所10KV进线回路设备相同。此处只列出第一车间的设备型号，其他车间选用设备型号均相同。表3.3 10KV侧车间设备选择与校验表选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度装置地点条件参数量程10KV45.6A7.77KA19.82KA7.77设备型号规格参数高压隔离开关GN9-10/40010KV400A31.5KA12.5高压断路器ZN2-10/63010KV630A11.6KA30KA电流互感器LQJ-10- 150/510KV150/5A1600.15=33.9136.563.3各变电所低压侧出线回路设备选择与校验表1. NO.1车间变电所：低压侧回路电流A,V表3.4 400V侧NO.1车间设备选择与校验表装置地点条件参数量程10KV1197.77A28.51KA50.42KA=1788.20设备型号规格参数低压断路器DW15-1500/3380V1500A40KA低压刀开关HD13-1500/30380V1500A电流互感器LMZJ1-0.5-1500/5500V1500/5A2. NO.2车间变电所：低压侧回路电流A,V表3.45 400V侧NO.2车间设备选择与校验表装置地点条件参数量程10KV728.80A17.95KA33.036KA=708.85设备型号规格参数低压断路器DW15-1000/3380V1000A40KA低压刀开关HD13-1000/30380V1000A电流互感器LMZJ1-0.5-1000/5500V1000/5A3NO.3车间变电所，低压侧回路电流A,V表3.5 400V侧NO.3车间设备选择与校验表装置地点条件参数量程10KV247.70A7.18KA13.21KA=113.42设备型号规格参数低压断路器DW15-600/3380V600A30KA低压刀开关HD13-500/30380V500A电流互感器LMZJ-0.5-500/5500V500/5A4NO.4车间变电所，低压侧回路电流A,V表3.6 400V侧NO.4车间设备选择与校验表装置地点条件参数量程10KV3.60A3.60KA6.62KA=28.51设备型号规格参数低压断路器DW15-100/3380V100A40KA低压刀开关HD13-100/30380V100A电流互感器LMZJ1-0.5-100/5500V100/5A第4章 供配电线路的选择计算4.1 总配电所电缆进线选择4.1.1 选线计算电缆在通过最大负荷电流时产生的发热温度，不应超过正常时的最高温度，。按照发热条件选择三相线路中的电缆截面时，应使其允许载流量不小于相线的最大电流按发热条件选择采用三相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆其中： =70.06A （高压侧补偿后的计算电流）查表ZL14-29：选择最接近导线截面16mm，35时其允许载流量为111，大于，即选YJV-1000-3×16型4.1.2 电压损耗的校验 按照规定，高压配电线路的损耗，一般不得超过线路额定电压的5%，由于总降压架空进线属于较短线路，且为地区性供应，所以允许电压损耗%=5%,因此计算的电压损耗满足。 %=%××cos×L其中%=（+tan）/(10U)查表ZL14-19（简明设计手册P567）得16 mm截面电缆电阻系数0.88/km,电抗系数为0.11/km，变压器高压侧cos=0.9，tan=0.55，电缆进线厂0.5KM。%=（0.88×0.5+0.11×0.5×0.55）/10×10=0.51×10%=0.51×10×1213.40×0.9×0.5=2.78% 计算电压损耗值小于允许电压损耗值，因此所选YJV-1000-3×16型三相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆满足允许电压损耗要求。4.1.3 发热条件的校验本设计中最热月平均最高温度为35，查工厂供电P-361附录表16YJV-1000-3×16型三相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆和温度为35时的允许载流量为102A70.06A，因此满足发热条件。4.1.4 机械强度的校验由课本工厂供电（刘介才编著）P-360附录表14可得知：10KV电缆线的最小截面=16mm。因此所选YJV-1000-3×16型也是满足机械强度的。故可以选用YJV-1000-3×16型三相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆作为10KV的进线电缆4.2 10KV母线的选择4.2.1选择原则按经济电流密度选择母线截面；按发热条件、热稳定度和动稳定度进行校验。4.2.2按经济电流密度选择母线截面由公式，式中是经济电流密度。查工厂供电P180表5-3得年最大负荷利用小时在5000h以上的架空线且材料为铝的经济电流密度为0.9，即=0.9（A/mm），所以所选母线截面为：=83.14mm查工厂供电P362附录表17可选择LMY型矩形硬铝母线的截