1、中北大学信息商务学院电力工程基础课程设计说明书1.设计任务1.1设计要求 要求根据本工厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并且适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置和型式，确定变电所主变压器的台数、容量与类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护，确定防雷和接地装置。最后按要求写出设计说明书，绘出设计图纸。1.2 设计依据1.2.1工厂总平面图 图1.1 工厂平面图1.2.2 工厂负荷情况 本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时为4500h，日最大负荷持续时间为6h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二
2、级负荷外，其余均属三级负荷。1.2.3 供电电源情况 按照工厂与当地供电部门签定的供用电协议规定，本厂可由附近一条10kV干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LJ-120，导线为等边三角形排列，线距为1.5m；干线首端距离本厂约13km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为500MVA。此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。1.2.4 气象资料 本厂所在地区的年最高气温为38，年平均气温为16，年最低气温为-10，年最热月平均最高气温为32，年最热月地下
3、0.8米处平均气温为25。当地主导风向为南风，年雷暴日数为35天。1.2.5 地质水文资料 本厂所在地区平均海拔1200m，地层以砂粘土为主，地下水位为3-5m。1.2.6电费制度 本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费制交纳电费。每月基本电费按主变压器容量为18元/kVA，动力电费为0.9元/Kw.h，照明电费为0.5元/Kw.h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.9，此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性向供电部门交纳供电贴费：610VA为800/kVA。2.负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算2.1.1单组用电设备计算负荷的计算公式a)
4、有功计算负荷（单位为KW） = ， 为系数b)无功计算负荷（单位为kvar）= tanc)视在计算负荷（单位为kvA）=d)计算电流（单位为A） =, 为用电设备的额定电压（单位为KV）2.1.2多组用电设备计算负荷的计算公式a)有功计算负荷（单位为KW）=式中是所有设备组有功计算负荷之和，是有功负荷同时系数，可取0.850.95b)无功计算负荷（单位为kvar）=，是所有设备无功之和；是无功负荷同时系数，可取0.90.97c)视在计算负荷（单位为kvA） =d)计算电流（单位为A） =经过计算，得到各厂房和生活区的负荷计算表，如表2.1所示（额定电压取380V）表2.1各厂房和生活区的负荷计
5、算表编号名称类别设备容量/kW需要系数costan计算负荷/kW/kvar/kVA/A1铸造车间动力360030651.17108126.36照明7081005.60小计367113.6126.361712602锻压车间动力300030651.1790105.3照明6081004.80小计30694.8105.31422163金工车间动力300020601.336079.8照明8071005.60小计30865.679.81051604工具车间动力240030651.177284.24照明6071004.20小计24676.284.241141735电镀车间动力230060800.751381
6、03.5照明7071004.90小计237142.9103.51762676热处理车间动力160060701.0996104.64照明6071004.20小计166100.2104.641412147装配车间动力140040701.095661.04照明7071004.90小计14760.961.04841288机修车间动力150020651.173035.1照明5091004.50小计15534.535.150769锅炉车间动力70060750.884236.96照明2081001.60小计7243.636.96578710仓库动力25040850.62106.2照明1081000.80小计
7、2610.86.2121811生活区照明3000.80.950.3324079.2300456总计动力1975982.5821.28照明355计入=0.8, =0.850.75786698.1105115972.2 无功功率补偿 无功功率的人工补偿装置：主要有同步补偿机和并联电抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.75。而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷时功率因数不低于0.9。考虑到主变压器的无功损耗元大于有功损耗，因此380V侧最大负荷
8、时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：=(tan - tan)=786tan(arccos0.75) - tan(arccos0.92) = 358kvar参照图2-6 ，选PGJ1型低压自动补偿评屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）4台相结合，总共容量为84kvar5=420kvar。在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为1250kVA,才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T的容量选为1000kVA的就足够了。同时由于计算电流的减少，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无
9、功补偿的经济效益十分可观。因此无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2.2所示。图2.1 PGJ1型低压无功功率自动补偿屏的接线方案表2.2无功补偿后工厂的计算负荷项目cos计算负荷/KW/kvar/kVA/A380V侧补偿前负荷0.75786698.710511597380V侧无功补偿容量-420380V侧补偿后负荷0.942786278.7833.91267.1主变压器功率损耗0.015=12.50.06=5010KV侧负荷计算0.925798.5328.7863.549.93.变电所位置与型式的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在工
10、厂平面图的下边和左侧，分别作一直角坐标的轴和轴，然后测出各车间（建筑）和宿舍区负荷点的坐标位置，、分别代表厂房1、2、3.10号的功率，设定（1.3，5.3）、（1.3，3.6）、（3.5，5.2）、（3.5，3.6）、（4.2，1.7）、（6.7，6.4）、（6.7，4.7）、（6.7，3.1）、（6.7，1.5）、（9.5，4.7），并设（1.2，1.2）为生活区的中心负荷，如图3-1所示。而工厂的负荷中心假设在P(,),其中P=+=。因此仿照力学中计算中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标： （3-1） （3-2）把各车间的坐标代入（1-1）、（2-2），得到=3.61，=3.60 。由计算
11、结果可知，工厂的负荷中心在6号厂房（工具车间）的西北角。考虑到周围环境及进出线方便，决定在10号厂房的西侧紧靠厂房建造工厂变电所，器型式为附设式。图3-1 按负荷功率矩法确定负荷中心4.变电所主变压器及主接线方案的选择4.1变电所主变压器的选择根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式，为主变压器容量，为总的计算负荷。选=1000 KVA=898.9 KVA，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。b)装设两台变压器 型号为S9型，而
12、每台变压器容量根据式（4-1）、（4-2）选择，即899.4 KVA=（539.64629.58）KVA（4-1）=(131.9+160+44.4) KVA=336.3 KVA（4-2）因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为Yyn0 。4.2 变电所主接线方案的选择 按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：4.2.1装设一台主变压器的主接线方案如图4-1所示Y0Y0S9-1000GG-1A(F)-0710/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GW口-1010kVFS4-1
13、0GG-1A(J)-03GG-1A(J)-03GG-1A(F)-07GG-1A(F)-54GG-1A(F)-07GG-1A(F)-07主变联络（备用）220/380V高压柜列图4-1 装设一台主变压器的主接线方案4.2.2装设两台主变压器的主接线方案 如图4-2所示Y0Y0220/380VS9-630GG-1A(F)GG-1A(F)-0710/0.4kVS9-63010/0.4kV联络线（备用电源）GG-1A(F)-54GG-1A(F)-113、11GW口-1010kVFS4-10GG-1A(J)-01GG-1A(F)-113GG-1A(F)-11GG-1A(J)-01GG-1A(F)-96G
14、G-1A(F)-07GG-1A(F)-54主变主变联络（备用）高压柜列-96图4-2 装设两台主变压器的主接线方案4.3 主接线方案的技术经济比较 表4-1 主接线方案的技术经济比较比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的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由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗较小灵活方便性只有一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，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查得S9-1000/10的单价为15.1万元，而变压器综合投资约为其单价的2倍，因此综合投资约为2*15.1=30.2万元查得S9
15、630/10的单价为10.5万元，因此两台变压器的综合投资约为4*10.5=42万元，比一台主变方案多投资11.8万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查得GG-1A(F)型柜可按每台4万元计，其综合投资可按设备的1.5倍计，因此高压开关柜的综合投资约为4*1.5*4=24万元本方案采用6台GG-1A(F)柜，其综合投资约为6*1.5*4=36万元，比一台主变方案多投资12万元电力变压器和高压开关柜的年运行费主变的折旧费=30.2万元*0.05=1.51万元；高压开关柜的折旧费=24万元*0.06=1.44万元；变配电的维修管理费=（30.2+24）万元*0.06=3.25万元。因此主变和高
16、压开关柜的折旧和维修管理费=（1.51+1.44+3.25）=6.2万元主变的折旧费=42万元*0.05=2.1万元；高压开关柜的折旧费=36万元*0.06=2.16万元；变配电的维修管理费=（42+36）万元*0.06=4.68万元。因此主变和高压开关柜的折旧和维修管理费=（2.1+2.16+4.68）=8.94万元，比一台主变方案多投资2.74万元供电贴费主变容量每KVA为800元，供电贴费=1000KVA*0.08万元/KVA=80万元供电贴费=2*630KVA*0.08万元=100.8万元，比一台主变多交20.8万元从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变
17、的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案远由于装设两台主变的主接线方案，因此决定采用装设一台主变的主接线方案。5.短路电流的计算5.1 绘制计算电路 500MVAK-1K-2LJ-120,13km10.5kVS9-10000.4kV(2)(3)(1)系统图5-1 短路计算电路5.2 确定短路计算基准值设基准容量=100MVA，基准电压=1.05，为短路计算电压，即高压侧=10.5kV，低压侧=0.4kV，则 （5-1） （5-2）5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值5.3.1电力系统已知电力系统出口断路器的断流容量=500MVA，故=100MVA/500MVA=0.2 （5-
18、3）5.3.2架空线路查表得LJ-120的线路电抗，而线路长13km，故 （5-4）5.3.3电力变压器查表得变压器的短路电压百分值=4.5，故=4.5 （5-5）式中，为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图5-2所示。k-1k-2图5-2 短路计算等效电路5.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算5.4.1总电抗标幺值=0.2+4.4=4.6 （5-6）5.4.2 三相短路电流周期分量有效值 （5-7）5.4.3 其他短路电流 （5-8） （5-9） （5-10）5.4.4 三相短路容量 （5-11）5.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算5.5.1总电抗标幺值=0.2+4.4+
19、4.5=9.1 （5-12）5.5.2三相短路电流周期分量有效值 （5-13）5.5.3 其他短路电流 （5-14） （5-15） （5-16）5.5.4三相短路容量 （5-17）以上短路计算结果综合图表5-1所示。表5-1短路计算结果短路计算点三相短路电流三相短路容量/MVAk-11.21.21.23.061.8121.7k-215.815.815.829.117.2116.变电所一次设备的选择校验6.1 10kV侧一次设备的选择校验6.1.1按工作电压选则 设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。=10kV， =11.5kV，高
20、压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压=12kV，穿墙套管额定电压=11.5kV，熔断器额定电压=12kV。6.1.2按工作电流选择设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即6.1.3按断流能力选择设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即或对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。6.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验a)动稳定校验条件或、分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，、分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件 对于上面的分析，如表6-1所示，由它可知所选一次设备均满足要
21、求。表6-1 10 kV一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动态定度热稳定度其它装置地点条件参数数据10kV57.7A()1.2kA3.06kA一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630kA16kA40 kA高压隔离开关-10/20010kV200A-25.5 kA二次负荷0.6高压熔断器RN2-1010kV0.5A50 kA-电压互感器JDJ-1010/0.1kV-电压互感器JDZJ-10-电流互感器LQJ-1010kV100/5A-=31.8 kA=81避雷针FS4-1010kV-户外隔离开关GW4-12/40012kV400A-25kA6.2
22、 380V侧一次设备的选择校验同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表6-2所示，所选数据均满足要求。 表6-2 380V一次侧设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动态定度热稳定度其它装置地点条件参数-数据380V总1267.1A15.8kA29.1kA-一次设备型号规格额定参数-低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kA-低压断路器DW20-630380V630A（大于）30Ka(一般)-低压断路器DW20-200380V200A（大于）25 kA-低压断路HD13-1500/30380V1500A-电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A-电流互感器L
23、MZ1-0.5500V100/5A160/5A-6.3 高低压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。7.变压所进出线与邻近单位联络线的选择7.1 10kV高压进线和引入电缆的选择7.1.1 10kV高压进线的选择校验采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。a).按发热条件选择由=57.7A及室外环境温度32，查表得，初选LGJ-35,其35C时的=149A,满足发热条件。b).校验机械强度查表得，最小允许截面积=25
24、而LGJ-35满足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。7.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。a)按发热条件选择由=57.7A及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为25的交联电缆，其=149A,满足发热条件。b)校验热路稳定按式，A为母线截面积，单位为；为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为；C为材料热稳定系数；为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中=1960，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.
25、2s，C=77，把这些数据代入公式中得，满足发热条件。 b）校验电压损耗由图1.1所示的工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为288m，而查表得到120的铝芯电缆的=0.31 （按缆芯工作温度75计），=0.07，又1号厂房的=113.6W, =126.36 kvar，故线路电压损耗为=5%。c）断路热稳定度校验不满足短热稳定要求，故改选缆芯截面为240的电缆，即选VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择，下同。7.2.2 锻压车间馈电给2号厂房（锻压车间）的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯
26、电缆直埋敷设（方法同上，从略）。7.2.3 金工理车间馈电给3号厂房（金工车间）的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。7.2.4 工具车间馈电给4号厂房（工具车间）的线路，亦采用VLV22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设（方法同上，从略）。7.2.5 仓库馈电给10号厂房（仓库）的线路，由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用聚氯乙烯绝缘铝芯导线BLV-1000型5根（包括3根相线、1根N线、1根PE线）穿硬塑料管埋地敷设。a）按发热条件需选择由=16.2A及环境温度25，初选截面
27、积4，其=19A，满足发热条件。 b）校验机械强度查表得，=2.5，因此上面所选的4的导线满足机械强度要求。c) 所选穿管线估计长50m，而查表得=0.85，=0.119，又仓库的=10.8kW, =6.2 kvar，因此I30,满足发热条件。2）效验机械强度 查表可得，最小允许截面积Amin=10mm2，因此BLX-1000-1240满足机械强度要求。3）校验电压损耗 查工厂平面图可得变电所至生活区的负荷中心距离600m左右，而查表得其阻抗值与BLX-1000-1240近似等值的LJ-240的阻抗=0.14，=0.30（按线间几何均距0.8m），又生活区的=240KW，=79.2kvar，因
28、此=5%满足允许电压损耗要求。因此决定采用四回BLX-1000-1120的三相架空线路对生活区供电。PEN线均采用BLX-1000-175橡皮绝缘线。重新校验电压损耗，完全合格。7.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL2210000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆，直接埋地敖设，与相距约2Km的临近单位变配电所的10KY母线相连。7.3.1按发热条件选择 工厂二级负荷容量共335.1KVA，最热月土壤平均温度为25。查表工厂供电设计指导8-43，初选缆心截面为25的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其满足要求。7.3.2短路热稳定校验 按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校
29、验，可知缆芯25的交联电缆是满足热稳定要求的。而临近单位10KV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。 以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表 7-1所示。表7-1 进出线和联络线的导线和电缆型号规格线 路 名 称导线或电缆的型号规格10KV电源进线LGJ-35铝绞线（三相三线架空）主变引入电缆YJL2210000325交联电缆（直埋）380V低压出线至1号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至2号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至3号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至4
30、号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至5号厂房BLV100014铝芯线5根穿内径25硬塑管至6号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至7号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至8号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至9号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至10号厂房VLV2210003240+1120四芯塑料电缆（直埋）至生活区四回路，每回路3BLX-1000-1120+1BLX-1000-175橡皮线（三相四线架空线）与临近单位10KV联络线YJL2210000316交联电缆（直埋）8. 主接线图参考文献1刘介才编 工厂供电设计指导 机械工业出版社 2008.42孙丽华主编 电力工程基础 机械工业出版社 2009.123刘江主编 建筑电气设备选型 中国建筑工业出版社 20034苏文成主编 工厂供电 机械工业出版社 20025朱林根主编 现代住宅建筑电气设计 中国建筑工业出版社 2004 第 - 19 - 页 共 20 页
