供用电工程技术课程设计说明书
xxxx市汽车修配厂机加工车间低压配电系统及车
间变电所设计
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学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： xxxx 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 完成时间：
摘 要
本设计是xxxx市汽车修配厂机加工车间的低压配电系统及车间变电所设计。本文首先进行了负荷计算，根据功率因数的要求在低压母线侧进行无功补偿，进而确定对主变器容量、台数，从经济和可靠性出发确定主接线方案。其次通过短路电流计算出最大运行方式和最小运行方式下的短路电流，确定导线型号及各种电气设备。最后根据本厂对继电保护要求，确定相关的保护方案和二次回路方案。
本设计采用需要系数法进行负荷计算，无功功率补偿采用低压侧电容并联补偿方法，这种方法能补偿低压侧以前的无功功率、经济效益比较好。根据汽车修配加工车间用电特点和需求，主接线方案采用了高压侧无母线、低压侧单母线分段的主接线方案。根据干式变压器与油浸变压器在经济和安装条件对比，选择两台SC9-500/10系列干式变压器。
在仔细研究各负荷的实际数据，并严格按照国家规定，依照以上设计步骤设计本供电系统设计方案，以到达提高生产效益的目的。
关键词：低压配电系统；负荷计算；主接线；变电所；短路计算
目 录
1 绪论------------------------------------------------------------- 1
1.1 设计背景、目的及意义 --------------------------------------- 1 1.2 设计内容 --------------------------------------------------- 1 2 负荷计算及无功补偿------------------------------------------------ 2
2.1 负荷计算 --------------------------------------------------- 2
2.1.1 负荷计算的方法选择------------------------------------ 2 2.1.2 需用系数法-------------------------------------------- 2 2.1.3 负荷确定---------------------------------------------- 2 2.2 无功功率补偿 ------------------------------------------------ 3 2.3无功补偿容量计算--------------------------------------------- 4
2.3.1无功功率补偿方式选择 ----------------------------------- 4 2.3.2 无功补偿容量的确定------------------------------------ 4 2.3.3 补偿容量计算------------------------------------------ 4
3 变电所主接线方案设计及变压器选择---------------------------------- 6
3.1 变电所主变压器台数与容量选择 -------------------------------- 6
3.1.1选择主变压器台数时应考虑的原则 ------------------------- 6 3.2 总配变电所的主接线 ------------------------------------------ 6 4 短路电流的计算及一次设备的选择原则------------------------------- 8
4.1 短路计算 ---------------------------------------------------- 8
4.1.1 短路电流计算目的--------------------------------------- 8 4.1.2 采用三相短路电流计算的原因----------------------------- 8 4.1.3 短路电流计算------------------------------------------- 8 4.2 一次设备选择 ------------------------------------------------ 9
4.2.1 一次设备的选择原则------------------------------------- 9 4.2.2 按短路情况校验电器的稳定性----------------------------- 9 4.2.3 一次设备选择与校验------------------------------------- 9
5 车间变电所高低压进出线选择-------------------------------------- 14
5.1 高压进线选择 ---------------------------------------------- 14 5.2 低压出线选择 ----------------------------------------------- 15 6 车间配电线路设计------------------------------------------------ 16
6.1 车间配电线路接线方案 -------------------------------------- 16 6.2 动力配电箱的选择 ------------------------------------------ 16 7 二次回路方案的选择及继电保护整定-------------------------------- 17
7.1 继电保护的目的 -------------------------------------------- 17 7.2 继电保护 -------------------------------------------------- 17
7.2.1 过电流保护-------------------------------------------- 17 7.2.3 电流速断保护------------------------------------------ 17 7.3 变压器保护 ------------------------------------------------ 17
7.3.1车间变电所的各分厂变压器保护 -------------------------- 17 7.4 继电保护的选择与整定 -------------------------------------- 18
7.4.1 继电保护的种类--------------------------------------- 18 7.4.2 反时限过电流保护------------------------------------- 18 7.4.3变电所低压侧的保护装置 -------------------------------- 18
8 防雷与接地------------------------------------------------------ 19
8.1 防雷概述 -------------------------------------------------- 19 8.2 防雷与接地 ------------------------------------------------ 19
8.2.1 防雷装置---------------------------------------------- 19 8.2.2 架空线路的防雷保护 -------------------------------------- 19
8.2.3 车间变电所的防雷保护和接地装置的设计----------------- 20 8.2.4 电力系统的接地--------------------------------------- 20 8.2.5 配电所公共接地装置的设计----------------------------- 20
参考文献----------------------------------------------------------- 21 致 谢------------------------------------------------------------- 22 附录一 车间变电所主接线图-------------------------- 错误！未定义书签。
1 绪论
1.1 设计背景、目的及意义
在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。
因此，如何正确地计算选择各级变电站的变压器容量及其它主要电气设备容量，这是保证企业安全可靠供电的重要前提。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，工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作。根据该工厂的规模、负荷情况、供电条件、技术要求、自然条件，设计其总配变电所及配电系统。
1.2 设计内容
根据任务书的要求，本设计主要有以下内容：
（1）车间的负荷计算及无功功率补偿； （2）总配电所位置和型式的选择；
（3）变电所主变压器台数和容量、类型的选择； （4）变电所主接线方案的设计；
（5）短路电流的计算，并进行一次设备的选择与校验； （6）选择车间变电所高低压进出线；
（7）选择电源进线的二次回路方案及整定继电保护； （8）车间防雷保护和接地装置的设计； （9）确定车间低压配电系统布线方案； （10选择低压配电系统导线及控制保护设备。
1
2 负荷计算及无功补偿
2.1 负荷计算
2.1.1 负荷计算的方法及其适用范围
电力负荷计算方法包括:利用系数法、需要系数法、二项式系数法。我国一般使用需要系数法和二项式系数法，如表2.1负荷计算方法及适用范围。
表 2.1 负荷计算的方法及其适用范围
序号 计算方法 ①
需求系数法
在确定车间和工厂的计算负荷时，宜于采用
当用电设备台数较少、有的设备相差悬殊时，特别在确定干
②
二项式法
线和分支线的计算负荷时，宜于采用
适用范围
当用电设备台数较多、各台设备容量相差不太悬殊时，特别
所以本设计中用需要系数法计算机加工车间的负荷。 2.1.2 需用系数法
用电设备组的计算负荷，是指用电设备级从供电系统中取用的半小时最大负荷P30,设用电设备组的设备容量为Pe，它指用电设备组所有设备(不含备用设备)的额定容量之和。由于用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不可能都同时满负荷，同时设备本身存在有功率损耗，因此，用电设备组的有功计算负荷应为：
P30?K?KLPE?e?l
其中，K∑为设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比；KL为设备的负荷系数，即设备组在最大负荷时的输出功率
?与运行的设备容量之比：e为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出
功率与取用功率之比；?L为配电线的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率与首端功率之比。令2.1.3 负荷确定
根据利用需要系数法对汽车修配厂进行负荷计算，表2.2为汽车修配厂各车间负荷计算表。
2
K?KL/?e?L?Kd，Kd称为需要系数。
表2.2 汽车修配工厂负荷计算表
序
车间名称 号
NO.1 供电回路
加工一车0
间
NO.3 供电回路 NO.1 供电回路
加工二车1
间
NO.3 照明回路 NO.4 供电回路 NO.5 供电回路
2
铸造车间
NO.6 供电回路 NO.7 照明回路 NO.8 供电回路
3
铆焊车间
NO.9 供电回路 NO.10 照明回路 NO.11 供电回路
4
电修车间 NO.12 供电回路
NO.13 照明回路 总计
变压器低压侧总计算负荷
180 8 150 170 7 150 146 10
72 6.4 45 51 5.6 45 44 8
73.4 0 89.1 101 0 78 65 0
102.82 156.22 6.40 99.82
9.72 151.66
10 160 140
8 64 56
0 65.3 57.1
8.00 91.43 79.98
12.15 138.92 121.51
NO.2 供电回路
120
36
42.1
55.39
84.16
10 155
8 46.5
0 54.4
8 71.57
12.15 108.73
NO.2 供电回路
89
62.3
0
62.3
94.77
供电回路代号
KW 131.45
P30/KW 26.29
Q30/Kvar 45.48
S30/KVA 52.53
I30/A 79.91
设备容量 计算负荷
113.15 171.91 5.60 90.05 78.49 8.00
8.51 136.82 119.26 12.15
1797.16 616.23 726.49
424.71 543.99
952.64 937.37 851.91 1259.88
2.2 无功功率补偿
近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。因此无功功率对电力系统是十分重要的。
无功功率补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。
3
2.3无功补偿容量计算
2.3.1无功功率补偿方式选择
无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器，或采用具有容性负荷的装置进行补偿。
电力电容器作为补偿装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小（每kvar功功率损耗约为0.3—0.4%以下）等优点，是当前国内外广泛采用的补偿方法。电力电容器作为补偿装置有两种方法：串联补偿和并联补偿。串联补偿是把是容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。这种补偿方法的电容器称作串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。这种补偿方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。
由于并联电容补偿方式运行维护方便安全，且便于安装，能耗低，投资省，因此本设计采用并联电容进行无功补偿。 2.3.2 无功补偿容量的确定
本设计选择低压侧集中补偿的方法。在该设计中希望无功补偿后功率因数
cos?不小于0.9，在前面负荷计算中已经求出了每个车变的P30和补偿前各车变
的平均功率因数cos?1，则在计算无功补偿容量选择低压集中补偿方式，同时采用分组自动投切的电容器组补偿。 2.3.3 补偿容量计算
（1）补偿前的变压器容量和功率因数 变压器低压侧的视在计算负荷为
S30(1)?424.712?543.992KV.A?690.15KV.A
主变压器容量选择条件为 SN.T?S30，因此未进行无功补偿时，主变压器容量应选容量为630 kV·A的变压器两台。这时变电所低压侧的功率因数为
cos?(2)?424.71/690.15?0.615
（2）无功补偿容量按规定，变电所高压侧的cos??0.9，考虑到变压器本身的无功功率损耗△QT远大于其有功功率损耗△PT，一般△QT=(4～5)△PT，因此在变压器低压侧进行无功补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高于0.90 ，这里取cos?=0.92 。要使低压侧功率因数由0．63提高到0．92，低压侧需装设的并联电容器容量为
QC?424.71?(tanarccos0.615?tanarccos0.92)?321.08kvar
4
取 Qc=360kvar
（3）补偿后变压器的容量和功率因数 补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为
S'30(2)?424.712?(543.99?360)2KV.A?462.82KV.A
因此每台主变压器容量可改选为500 kV·A。比补偿前容量减少130 kV·A。变压器的功率损耗为
?PT?0.015S'30(2)?0.015?462.82?7KW?QT?28KW
变电所高压侧的计算负荷为
P'30(1)?424.71KW?7KW ?431.71KWQ'30(1)?(543.99?360)Kvar ?28Kvar?211.99KvarS'30(1)?431.72?211.99A?474.94KV.A 2KV.无功功率补偿，工厂的功率因数为
cos??P'30(1)/S'30(1)?431.71/474.94?0.91
这一功率因数满足要求。 (4)无功补偿前后比较
S'N.T?SN.T?630KV.A?500KV.A?130KV.A
(5)补偿装置的选择
本设计选用的并联电容器的型号为CLMD 53低压并联电容器，其技术参数如表2.3所示。
表2.3 CLMD 53低压并联电容器主要技术数据
额定电压
产品型号
/kV 0.4
标称容量 /kvar 30
频率/HZ
组数
每组个数
CLMD 53 40 2 6
5
3 变电所主接线方案设计及变压器选择
3.1 变电所主变压器台数与容量选择
3.1.1选择主变压器台数时应考虑下列原则
（1）应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，当一台发生故障或检修时，另一台可以对负荷持续供电。对只有二级负荷的变电所也可以只采用一台变压器，但必须有备用电源。
（2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而采用经济运行方式的变电所，也可考虑用两台变压器。
（3）除上述两种情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。但负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台以上变压器。 3.1.2 主变压器的确定 （一） 供电电源条件:
1) 电源由10KV总降压变电所采用电缆线路受电,电线路长400m.线路阻抗为0.08?/km。
2) 工厂总降压变电所10KV母线上的短路容量按300MVA计。
3) 工厂总降压变电所10KV配电出线定时限过流保护装置的整定时间top=1.5s。 4) 要求车间变电所最大负荷时功率因数不得低于0.9。
（二）根据本厂属于三级负荷和前面视在功率的计算，再根据选择主变压器的原则，在安全可靠供电的情况下从经济角度考虑本设计中选择两台变压器给该车间进行供电。根据补偿后一次侧容量为650.1 kV·A,考虑百分之15%的余量后总容量为S30?(1?15%)?650.1?747.6KV.A,变压器容量SN.T?(0.6~0.7)S30?(448~523)KV.A,因此选择其额定容量为500KVA。
3.2 总配变电所的主接线
本设计有两台变压器的小型变电所。根据本车间的情况，负荷量不大，可靠性要求较高，用10KV进线供电；根据上面的设计原则和要求设计方案如下图所示
6
图1高压侧无母线、低压侧单母线分段的双台变压器变电所主接线图
该方案供电可靠性高，当任意一台变压器或任一电源进线停电检修或发生故障时，该变压器通过闭合低压母线分段开关，即可迅速恢复对整个变电所的供电，如果两台主变压器低压侧主开关（采用电磁或电动机合闸操作的万能式低压断路器）都装设互为备用电源自动投入装置（APD），则任一主变压器低压主开关因电源断电（失压）而跳闸时，另一主变压器低压侧的主开关和低压母线分段开关将在APD作用下自动合闸，恢复整个变压所的正常供电。
7
4 短路电流的计算及一次设备的选择原则
4.1 短路计算
4.1.1 短路电流计算目的
为了正确选择和校验电气设备，准确计算继电保护装置的整定值，就需要计 算短路故障发生时通过元件的最大可能的短路电流。由于在发电机附近短路的两相短路电流和在靠近中性点接地的变压器短路的单相短路电流可能大于三相短路电流。因此，应根据不同的供电系统模型求出：
最大短路电流：确定电器设备容量或额定参数；
最小短路电流：作为选择熔断器、整定继电保护装置的依据。 4.1.2 采用三相短路电流计算为标准的原因
电力系统中，发生单相短路的可能性大；但三相短路的短路电流值最大，造成的危害也最严重。作为选择校验电气设备用的短路计算中，以最严重的三相短路电流的计算为主。 4.1.3 短路电流计算
如图2所示为根据变电所主接线方案绘制的短路等效电路图,图中标出各元件的电抗标幺值，并标明了短路计算点。按供电工程设计说明,短路计算点的短路电流如表所示。
图2 短路电流计算等效电路图
8
表4.1 短路计算表 三相短路电流（kA）
电
短路计算点 运行方式
Ik(3)
k-1
最大运行
k-2
最小运行
9.17 31.3 13.25
ish(3) 23.38 57.8 24.4
Ish(3) 13.84 34.1 14.45
（kV） Sk(MV·A) 10.5 0.4 0.4
166.7 21.74 11.63 压
三相短路容量
4.2 一次设备选择
4.2.1 一次设备的选择原则
为了保证一次设备安全可靠地运行，必须按下列原则选择和校验： 1）按正常工作条件，包括电压、电流、频率、开断电流等选择。 2）按短路条件，包括动稳定和热稳定来校验。
3）考虑电气设备运行的环境条件如温度、湿度、海拔以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。
4）按各类设备的不同特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确级等进行选择。
4.2.2 按短路情况校验电器的稳定性 （一） 短路热稳定校验
短路热稳定校验就是要求所选的电器，当短路电流通过它时，其最高温度不应超过制造厂规定的短路时发热允许温度。 （二） 动力稳定校验
电动力稳定是指电器承受短路电流引起机械效应的能力，在校验时，用短路电流的最大幅值与制造厂规定的最大允许电流进行比较
即 ich?imax 或 Ich?Imax
式中ich,Ich——短路冲击电流及其有效值； 4.2.3 一次设备选择与校验 (一）高压侧一次设备及其选择 1、高压开关柜的选择
根据主接线方案,选择GG-1A(F)-11型作为进线开关柜其设备型号,规格的选择及校验如表4.2所示：
9
表4.2 GG-1A(F)-11进线开关柜一次设备选择校验结果 装置地点数据
选择项目
参数
数据
参数
设备的型号规格
高压断路器 高压隔离开关 SN10-10 Ι GN8-10T/400
10KV 630A 16KA 40KA 16^2*2=512
KA
合格
10KV 400A / 40KA 14^2*5s=980
KA
合格
电流互感器 LQJ-10-200/5
10KV 200/5A / 160*2^(1/2)*0.4=90.5KA （75*0.4)^2*1
= 900KA 合格
电压
UN I30
10KV 37.58A 9.17KA 23.38KA
UN IN
电流 断流能力 动稳定
IK Ioc imax
2Ioc?t
ish
热稳定
2I?tima 172.4KA
校验结论
（注：本设计top?1.6s，tima?top?0.05s,电流互感器的动稳定Kes2I1N,其中Kes为动稳定倍数）
2、电能计量和互感器柜的选择GG-1A-J型，其设备型号,规格的选择及校验如表4.3所示。
表4.3 GG-1A-J高压计量柜一次设备选择校验结果 装置地点数据
选择
高压隔离开关
项目
参数
数据
参数
GN8-10/400
电压 电流 断流能力 动稳定
器 RN2-10 10KV 0.5 50KA
LQJ-10-200/5
10KV 200/5A / 160*2^(1/2)*0
40KA 14^2*5s=980
/
/
.4=90.5KA （75*0.4)^2*1
/
=900KA
合格
合格
合格 / JDZ-10 10KV / /
设备的型号规格 高压熔断
电流互感器
电压互感器
UN
10KV
UN IN
10KV 400A /
I30 37.58A
IK 9.17KA Ioc imax
I?t
2ocish
It
2?ima23.38 KA 172.4KA
热稳定
KA 合格
校验结论
3、避雷器选择GG-1A-55柜其设备型号,规格的选择及校验如表4.4所示。
10
表4.4 GG-1A-55高压避雷器选择校验结果 装设地点数据
选择项目
参数
电压 电流 断流能力 动稳定 热稳定
数据 10KV 37.58A 9.17KA 23.38KA 172.4KA 结论
参数
FS3-10
设备型号规格
避雷器
UN I30
UN IN
10KV / / / / 合格
IK Ioc imax
2Ioc?t
ish
2I?tima
4、穿墙套管的选择
在10kV电压等级下，不同相带电导体的最小安全距离为0.125m,因此设汇流母线相间距离为a=0.5m，，查矩形母线形状系数图可知，汇流母线截面的形状系数K?1。
根据额定电压和额定电流，本设计初步选择FCGW-10/200-630复合干式穿墙套管，其主要技术参数如表4.5示。(设绝缘子跨距l为1.2m)
表4.5 FCGW-10/200-630复合干式穿墙套管主要技术参数
型号 FCGW-10/200-630
额定电压/kV 10
额定电流/A 200~1600
雷电冲击耐受电压峰值/kV
75
工频耐受电弯曲破坏压有效值/kV 负荷/N
30
1250
允许弯曲负荷/N 625
动稳定校验： 32Fmax?1.73(ish)Lc1.2?10?7?1.73?(23.38?103)2??10?7?150N a0.75穿墙套管弯曲破坏负荷为FN?1250N?Fmax满足动稳定条件。故选择FCGW-10/200-630型复合干式穿墙套管符合要求。 （二）低压侧一次设备选择及校验
低压配电屏的种类有PGL型和GGD，GGD型低压开关柜性能比PGL型低压配电屏优越，考虑PGL型价格便宜，经济效果好，能满足要求，因此本设计用PGL型低压配电屏。 1、低压配电屏选择：
根据变电所一车间低压配电室的面积及配电需要，选择低压配电屏七台，其中一台为低压侧电源进线配电屏，其它六台分别为一车间、二车间、铸造车间、铆焊车间、电修车间和备用的低压配电屏。
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