《供电技术》课程设计
红星机械厂降压变电所的电气设计
设计说明书
一、 设计原则
工厂供电工作要切实保证工厂生活和生活用电的需要，搞好能源节约，遵循国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50053-94《10KV及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等规定标准，从安全、可靠、优质、经济等考虑角度出发，合理地处理局部、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。 二、 设计要求
根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并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，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及高低压断路器设备和进线，选择整定继电保护装置，最后写出设计说明书。 三、 设计依据 1、工厂总平面图
公共电源干线工厂生活区大（4） 街后生活区的负荷中心大变电站厂门（1）（5）（8）街厂区（（2）（6）9）邻厂（10）（3）（7）北厂门大街XX机械厂总平面图比例 1：2000
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数为4600h，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级负荷外，其余均属三级负荷。本厂的负荷统计资料如表1所示。
3、供电电源情况：
本厂可由附近一条10Kv的公用电源干线取得工作电源，该干线的导线牌号为LGJ－150，导线为等边三角形排列，线距为2m，干线首端距离本厂约8Km，干线首端所装设的高压断路器的断流容量为500MVA。此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由临近的单位取得备用电源。已知本厂高压侧由电气联系的架空线路总长度为80Km，电缆线路总长度为25Km。 4、气象资料：
本厂所在地区的年最高气温为38度，年平均气温为23度，年最低气温为－8度，年最热月平均最高气温为33度，年最热月平均气温为26度，年最热月地下0.8m处平均气温为25度。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20。 5、地质水文资料：
本厂所在地区平均海拔500米，地层以砂粘土为主，地下水位为1米。 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计为18元/KVA，动力电费为0.2元/KWh，照明电费为0.5元/KWh。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，一次性的向供电部门交纳供电贴费：6～10KV为800元/KVA。 四、 设计内容
工厂供电设计主要内容包括工厂变配电所设计、工厂高压配电线路设计、车间低压配电线路设计及电气照明设计等。其基本内容如下： 1、 负荷计算
全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂变电所高压侧计算负荷及总功率因数。
列出负荷计算表、表达计算成果。
2、 工厂总降压变电所主变压器的台数及容量选择
参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。 3、 工厂总降压变电所主接线设计
根据变电所配电回路，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，既要安全可靠又要灵活经济，安装容易、维修方便。 4、 短路电流的计算
工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两项短路电流。 5、 继电保护及二次接线设计
为了监视、控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移向电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操控电源和控制电缆组成的变电所二次接线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。
前 言
工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配问题，众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其他形式能量转换而来，又易于转换为 其他形式的能量已供应用；它的输送与分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。
电力系统由各级电压的电力线路将发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资的大小的决定性因素。
在大型工业企业中，一、二级负荷约占总负荷的60%以上，因此即使是短时停电所造成的损失也是很大的。此外，各级负荷不能孤立的看待，一个企业中只要有一个一级负荷，则该企业的总降压变电所对于上级供电部门来说是一级负荷。在掌握了负荷分级及其对供电的要求后，在设计新建企业的供电系统时可以根据实际情况来进行方案的拟定和分析比较，使确定的供电方案在技术经济上最合理。
因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。
在设计一座降压变电站时，首先，根据主接线的经济可靠、运行灵活的要求选择各个电压等级的接线方式，在技术方面和经济方面进行比较，选取灵活的最优接线方式。其次进行短路电流的计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流。最后根据各电压等级的额定碘盐和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验。
目 录
一、
负荷计算和无功功率补偿....................................... 7
1． 负荷计算 ................................................... 7 2． 无功功率补偿 ............................................... 8 二、
变电所主变压器和主结线方案的选择............................. 8
1． 变电所主变压器选择 ......................................... 8 2． 变压器主结线方案的选择 ..................................... 8 3． 两种主结线方案的技术经济比较 ............................... 9 三、
变电所短路电流的计算........................................ 10
1． 绘制计算电路 .............................................. 10 2． 确定基准值 ................................................ 10 3． 短路电路中各元件的电抗标么值 .............................. 10 4． 10.5KV侧k-1点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量 ... 11 5． 0.4KV侧k-2点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量 .... 11 四、
变电所一次设备的选择校验.................................... 12
1． 10KV侧一次设备的选择校验 ................................. 12 2． 380V侧一次设备的选择校验 ................................. 12 五、
变电所二次回路的选择及继电保护的整定........................ 13
1． 二次回路选择 .............................................. 13 2． 继电保护的整定 ............................................ 13 附录：参考文献..................................................... 15 附录：变电所主接线图图纸........................................... 16
一、 负荷计算和无功功率补偿
1．负荷计算
各厂和生活区的负荷计算如表1所示；
表1工厂负荷计算表
编 号 名称 类型 动力 铸造 1 车间 照明 小计 动力 锻压 2 车间 照明 小计 动力 金工 7 车间 照明 小计 动力 工具 6 车间 照明 小计 动力 电镀 4 车间 热处理 3 车间 照明 小计 动力 照明 小计 动力 装配 9 车间 照明 小计 动力 机修 10 车间 照明 小计 动力 锅炉8 房 照明 小计 动力 照明 5 仓库 11 生活区 总计 小计 照明 动力 设备容量 需要系数 Pe/kw 300 6 306 350 8 358 400 10 410 360 7 367 250 5 255 150 5 155 180 6 186 160 4 164 50 1 51 20 1 21 350 2220 403 1015.3 856.1 —— —— Kd 0.3 0.8 —— 0.3 0.7 —— 0.2 0.8 —— 0.3 0.9 —— 0.5 0.8 —— 0.6 0.8 —— 0.3 0.8 —— 0.2 0.8 —— 0.7 0.8 —— 0.4 0.8 —— 0.7 功率 tanφ 因数 1.02 0 1.17 0 1.17 0 1.33 0 0.75 0 0.75 0 1.02 0 1.17 0 0.75 0 0.75 0 0.48 0.7 1 0.65 1 0.65 1 0.6 1 0.8 1 0.8 1 0.7 1 0.65 1 0.8 1 0.8 1 0.9 P30/kw 90 4.8 94.8 105 5.6 110.6 80 8 88 108 6.3 114.3 125 4 129 90 4 94 54 4.8 58.8 32 3.2 35.2 35 0.8 35.8 8 0.8 8.8 245 计算负荷 Q30/kvar 91.8 0 91.8 122.9 0 122.9 93.6 0 93.6 143.6 0 143.6 93.8 0 93.8 67.5 0 67.5 55.1 0 55.1 37.4 0 37.4 26.3 0 26.3 6 0 6 117.6 S30/kva —— —— 132 —— —— 165 —— —— 128 —— —— 184 —— —— 160 —— —— 116 —— —— 80.6 —— —— 51.4 —— —— 44.4 —— —— 10.7 272 I30/A —— —— 201 —— —— 251 —— —— 194 —— —— 280 —— —— 244 —— —— 176 —— —— 112 —— —— 78 —— —— 67 —— —— 16.2 413 （380V侧） 照明 计入KΣP=0.8 KΣq=0.85 0.75 812.2 727.6 1090 1656 2．无功功率补偿
由表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应低于0.90。考虑到主变压器的无功损耗大于有功损耗，因此380V侧最大负荷功率因数应稍大于0.90，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：
QC?P(ta?n1?30t?an2?)812.2[tan(a?rccos0.7.59)2)kt]anv?(aarrc3ck7o0s0var
选并联电容器为BW0.4—14—3型，总共容量84kvar?5=420kvar。因此无功功率补偿后工厂380V侧和10V侧的负荷计算如表2。
表2 无功功率补偿后工厂的计算负荷
计算负荷
项目 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10KV侧负荷总计
cosφ 0.75
P30/kw 812.2
Q30/kvar 727.6 — 420 307.6 359.6
S30/kva 1090
I30/A 1656
0.935
812.2 825.2
868.5
1320
52
0.92
0.015S30=13 0.06S30=52
900
二、 变电所主变压器和主结线方案的选择
1．变电所主变压器选择
根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器可有下列两种方案：
（1）装设一台主变压器型式采用S9，选SN.T=1000KVA>S30=900KVA，即选一台S9—1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承担。（注意：由于二级负荷达335.1KVA，380V侧电流达509A，距离又较长，因此不能采用低压联络线作备用电源。）
（2）装设两台主变压器型号采用S9，而每台容量为：
SN.T?（0.6?0.7）??900kva?(540?630)kvaSN.T?S30（132+160+44.4）kva=336.4kva （???）?因此选两台S9—630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷的备用电源由与邻近单位相联的高压联络线承担。主变压器的联结组别均采用Y,yn0。
2．变压器主结线方案的选择
按上面考虑的两种主变压器的方案可设计下列两种主结线方案： （1） 装设一台主变压器的主结线方案 如图1 （2） 装设两台主变压器的主结线方案 如图2
10kv 10kv
S9-1000 S9-630 S9-630 10/0.4Kv 10/0.4kv 10/0.4kv
220/380V 220/380V
图1 装设一台主变的主结线方案 图2 装设两台主变的主结线方案
3．两种主结线方案的技术经济比较
表3 两种主结线方案的技术经济比较
比较项目 供电安全性 技术 供电可靠性 供电质量 灵活方便性 扩建适应性 经济 投资金额 装设一台主变的方案 满足要求 基本满足要求 由于一台主变电压损耗大 只一台主变，灵活性稍差 稍差一些 投资低 装设两台主变的方案 满足要求 满足要求 两台并联，电压损耗略小 灵活性较好 更好一些 投资高 从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主结线方案略优于装设一台
主变的主结线方案，但按经济指标，则装设一台主变的方案远优于装设两台主变的方案，因此决定采用装设一台主变的方案。（说明：如果工厂负荷近期可有较大增长的话，则宜采用装设两台主变的方案） 三、 变电所短路电流的计算
1．绘制计算电路
K-1 K-2 500MVA LG—150，8KM S9—1000 ?系统 10.5KV 0.4KV 2．确定基准值
设Sd?100MVA,Ud?Uc,即高压侧Ud1?10.5KV,低压侧Ud2?0.4KV,则Id1?Id2?Sd3Ud1Sd3Ud2?5.5KA?144KA
3．短路电路中各元件的电抗标么值 （1） 电力系统
X1??1000MVA/500MVA?0.2
（2） 架空线路 查表，得LG—150的x0?0.36?/km,而线路长8km,
故
100MVA?2.6 2(10.5KV)*X2?(0.36?8)??（3） 电力变压器 查表，得UZ%?4.5,故
*? X34.510M0VA??4.5 10010K0V0A
因此绘等效电路，如图3所示；
k-1 k-2
123 0.24.52.6 图3等效电路
4．10.5KV侧k-1点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量 （1） 总电抗标么值
* X??X*?X*??2.?6(k?1)120.2 2.8（2） 三相短路电流周期分量有效值
(3)IK?1?Id1*X?(k?1)?1.96KA
（3） 其他短路电流
(3)(3)I\?I??IK?1?1.96KA(3)ish?2.55I\(3)?5.0KA(3)Ish?1.5I\(3)?2.96KA
（4） 三相短路容量
(3)*SK?1?SdX?(k?1)?35.7MVA
5．0.4KV侧k-2点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量 （5） 总电抗标么值
****X?(k?2)?X1?X2?X3?7.3
（6） 三相短路电流周期分量有效值
(3)IK?1?Id1*X?(k?1)=19.7KA
（7） 其他短路电流
(3)(3)I\?I??IK?2?19.7KA
(3)ish?1.84I\(3)?36.2KAI(3)sh?1.09I\(3)?21.5KA
（8） 三相短路容量
(3)*SK?2?SdX?(k?2)?13.7MVA
以上综合计算结果如表4所示；
表4 短路计算结果
短路计算点 k-1 k-2 三相短路电流/KA IK 1.96 19.7 I“ 1.96 19.7 I ∞ 1.96 19.7 ish 5 36.2 Ish 2.96 21.5 三相短路容量/MVA SK 35.7 13.7 四、 变电所一次设备的选择校验
1．10KV侧一次设备的选择校验
选择校验项目 装置地点条件 额定参数 低压断路器DW15-1500/3 参数 数据 电压 UN 10KV UN 10KV 电流 I30 57.7A IN 630A 断流能力 IK 1.96KA IOC 16KA 动稳定度 ish 5.0KA imax 40KA 512 热稳定度 (3)2(I?)tima 7.3 It2t 2．380V侧一次设备的选择校验
选择校验项目 装置地点条件 额定参数 低压断路器DW15-1500/3 低压断路器DZ20-630 低压断路器DZ20-200 低压刀开关HD13-1500/30 电流互感器LMZJ1-0.5 电流互感器LMZJ-0.5 参数 数据 电压 UN 380V UN 380V 380V 380V 380V 500V 500V 电流 I30 总1320A IN 1500A 630A>I30 200A>I30 1500A 1500/5A 160/5A、100/5A 断流能力 IK 19.7KA IOC 40KA 一般30KA 一般25KA —— —— —— 动稳定度 ish 36.2KA imax 热稳定度 (3)2(I?)tima 272 It2t 通过对10KV侧及380V侧的一次设备的选择校验，查表可得，10KV母线
选择LMY-3（40*4mm），即母线尺寸为40mm*4mm；380V母线选择LMY-3(120*10)+80*6，即母线尺寸为120mm*10mm，中性线母线尺寸为80mm*6mm。
五、 变电所二次回路的选择及继电保护的整定
1．二次回路选择 （1） 二次回路电源选择
二次回路操作电源有直流电源和交流电源。考虑到交流操作电源可使二次回路大大简化，投资减少。且工作可靠、维护方便，这里采用交流操作电源。
（2） 高压断路器的控制和信号回路
高压断路器的控制回路取决于操作机构的形式和操作电源的类别。结合上面设备的选择和电源选择，采用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路。
（3） 电测量仪表与绝缘监视装置
在二次回路中安装自动重合闸装置、备用电源自动投入装置。 2．继电保护的整定
继电保护要求具有选择性、速动性、可靠性及灵敏性。 （1） 主变压器的继电保护装置
装设瓦斯保护：当变压器油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于高压侧断路器。 装设反时限过电流保护：采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式结线，去分流跳闸的操作方式。 （2） 保护动作电流的整定
Iop?KrelKwIL.maxKreKi，其中
过电流保护动作电流的整定：利用式
IL.max?2I1N.T?2?1000KVA/(3?10KV)?115A,Krel?1.3,Kre?0.8,Ki?1005?20A,因此动作电流为：Iop?9.3A整定为10A。 过电流保护动作时间的整定：因本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动作时间（10倍动作电流动作时间）可整定为最短的0.5S。
Sp?电流保护灵敏系数的检验：利用
Ik.min?1.5Iop.1，其中
Ik.mi=
(2)IK?2/KT?0.682KA,Iop.1?IopKi/Kw?200A,因此其保护灵敏系数
为：
Sp?3.41>1.5满足要求。
（3） 装设电流速断保护。利用GL15的速断装置。
速断电流的整定：利用Iqb?KrelKwIk.max，其中KiKTIk.ma(3)=Ik,Ki?100/5?2,KT?25,因此，?2?19.7KA,Krel?1.4,Kw?1Iqb?55A
速断电流整定为： Kqb?IqbIop?5.5
电流速断保护灵敏系数的检验：利用Sp?Ik.min?2，其中Iqb.1(2)Ik.mi=nIk?2=1.7KA，Iqb.1?IqbKiKw?1100A,因此其保护灵敏系数为：
Sp?1.5 5附录：参考文献
[1] 《供电技术》 主编 余建明 机械工业出版社
[2] 《工厂供电》 第二版 主编 苏文成 机械工业出版社 [3] 《工厂供电设计》 主编 李宗纲、刘玉林、施慕云、韩春生 [4] 《现代电工技术手册》 中国水利水电出版社 [5] 《实用供配电技术手册》中国水利水电出版社
附录：变电所主接线图图纸
10KV电源进线
联络线（备用电源） S9-1000 10/0.4Kv、Yyn0
1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 生活区
附录：变电所主接线图图纸
10KV电源进线
联络线（备用电源） S9-1000 10/0.4Kv、Yyn0
1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 生活区