车间变电所及低压配电系统周发桂.docx

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车间变电所及低压配电系统周发桂

车间变电所及低压配电系统

（一）设计题目湘钢某电机厂各车间负荷情况及各车间变电所容量

起止日期2013年6月6日至6月8日

系资源系专业机电一体化班级机电1112学号013

学生姓名周发桂

导师姓名谭世威

教研室

负责人

（二）设计依据

1车间平面布置图

钢机电修造厂总平面布置图

2工厂的生产任务.规模及产品规格

本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任务。

年生产规模为修理电机7500台，总容量为45万kW;制造电机总容量为6万Kw,制造单机总容量为5000kW；修理变压器500台；生产电气备件为60万件。

本厂为某大型钢铁联合企业的重要组成部分。

3工厂各车间的负荷情况及车间变电所的容量

序号

车间名称

设备容量

/kV

计算负荷

车间变电所代号

变压器太数

及容量/kVA

P30/kW

Q30/kvar

S30/kVA

1

电机修造车间

2505

609

500

788

No.1车变

1x1000

2

机械加工车间

886

163

258

305

No.2车变

1x400

3

新品试制车间

634

222

336

403

No.3车变

1x500

4

原料车间

514

310

183

360

No.4车变

1x400

5

备件车间

562

199

158

254

No.5车变

1x315

6

锻造车间

150

36

58

68

No.6车变

1x100

7

锅炉房

269

197

172

262

No.7车变

1x315

8

空压站

322

181

159

241

No.8车变

1x315

9

汽车站

53

30

27

40

No.9车变

1x80

10

大线圈车间

335

187

118

221

No.10车变

1x250

11

半成品试验站

365

287

464

No.11车变

1x500

12

成品实验站

2290

640

480

800

No.12车变

1x1000

13

加压站

256

163

139

214

——

1x250

14

设备处仓库

338

288

444

——

1x500

15

成品试验站内大型集中负荷

3600

2880

2300

3686

主要为高压整流装置，要求专线供电

4共用电协议

（1）当地供电部门可提供两个供电电源，供设计部门选择：

1）从某220/35kW区域变电站提供电源，此区域变电站距工厂南约4.5km。

2）从某35/10kV备用电源，此变电所距工厂南约4km。

（2）电力系统的短路数据，如表所示；其供电系统图如下：

系统运行方式

系统短路数据

系统最大运行方式

Sk·min=600MVA

系统最小运行方式

Sk·min=2800MVA

（3）供电部门对工厂提出的技术要求：

1）区域变电站35kV馈电线的过电流保护整定时间t（op）=1.8s,要求工厂总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3s。

2）在工厂35kV电源侧进行电能计量。

3）工厂最大负荷时功率因素不得低于0.9。

（4）供电贴费为1000元/kVA。

每月电费按两部电费制：

基本电费为1000元/kVA，动力电费为2000元/kW·h，照明电路为3000元/Kw·h。

5工厂负荷性质

本厂大部分车间为一班制，少数车间为两班制或三班制工厂的年最大功负荷利用小时数为2300h。

锅炉房供应生产用高压蒸汽，其停电将使锅炉发生危险。

又由于工厂距离市区较远，消防用水需厂方自备。

因此锅炉房供电要求具有较高的可靠性。

6工厂自然条件

（1）气象资料

年最高气温40度，年平均气温25度，年最低气温-40度，年最热月平均最高气温35度，年最热月平均气温30度，年最热月地下0.8m处平均温度20度，常年主导风向为南风，覆冰厚度1.1米，年雷暴日数3日。

（2）地质水文资料

平均海拔1500m，地层以砂粘土为主，地下水位2.8-5.3m。

负荷计算及功率补偿

一、负荷计算的内容和目的

（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。

计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。

在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。

（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。

一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。

在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。

（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。

常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。

平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

二、负荷计算的方法

负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。

本设计采用需要系数法确定。

主要计算公式有：

有功功率：

P30=Pe·Kd

无功功率:

Q30=P30·tgφ

视在功率:

S3O=P30/Cosφ

计算电流:

I30=S30/√3UN

序号

车间名称

设备容量

/kV

计算负荷

车间变电所代号

变压器太数

及容量/kVA

P30/kW

Q30/kvar

S30/kVA

1

电机修造车间

2505

609

500

788

No.1车变

1x1000

2

机械加工车间

886

163

258

305

No.2车变

1x400

3

新品试制车间

634

222

336

403

No.3车变

1x500

4

原料车间

514

310

183

360

No.4车变

1x400

5

备件车间

562

199

158

254

No.5车变

1x315

6

锻造车间

150

36

58

68

No.6车变

1x100

7

锅炉房

269

197

172

262

No.7车变

1x315

8

空压站

322

181

159

241

No.8车变

1x315

9

汽车站

53

30

27

40

No.9车变

1x80

10

大线圈车间

335

187

118

221

No.10车变

1x250

11

半成品试验站

365

287

464

No.11车变

1x500

12

成品实验站

2290

640

480

800

No.12车变

1x1000

13

加压站

256

163

139

214

——

1x250

14

设备处仓库

338

288

444

——

1x500

15

成品试验站内大型集中负荷

3600

2880

2300

3686

主要为高压整流装置，要求专线供电

四、全厂负荷计算

取K∑p=0.92;K∑q=0.95

根据上表可算出：

∑P30i=6520kW;∑Q30i=5463kvar

则P30=K∑P∑P30i=0.9×6520kW=5999kW

Q30=K∑q∑Q30i=0.95×5463kvar=5190kvar

S30=（P302+Q302）1/2≈7932KV·A

I30=S30/√3UN≈94.5A

COSф=P30/Q30=5999/7932≈0.75

五、功率补偿

由于本设计中上级要求COSφ≥0.9,而由上面计算可知COSф=0.75<0.9，因此需要进行无功补偿。

综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。

可选用BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89µF

Qc=5999×（tanarccos0.75－tanarccos0.92）Kvar

=2724Kvar取Qc=2800Kvar

因此，其电容器的个数为：

n=Qc/qC=2800/100=28

而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个正好

无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

S30

（2）′=[59992+（5463-2800）2]1/2=6564KV·A

变压器的功率损耗为：

△QT=0.06S30′=0.06*6564=393.8Kvar

△PT=0.015S30′=0.015*6564=98.5Kw

变电所高压侧计算负荷为：

P30′=5999+98.5=6098Kw

Q30′=（5463-2800）+393.8=3057Kvar

S30′=（P302+Q302）1/2

=6821KV.A

无功率补偿后，工厂的功率因数为：

cosφ′=P30′/S30′=6098/6821=0.9

则工厂的功率因数为：

cosφ′=P30′/S30′=0.9≥0.9

变压器的选择

一、主变压器台数的选择

由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

二、变电所主变压器容量的选择

装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：

①任一台单独运行时，ST≥（0.6-0.7）S′30

（1）

②任一台单独运行时，ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

由于S′30

（1）=7932KV·A，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2选变压器。

③ST≥（0.6-0.7）×7932=（4759.2～5552.4）KV·A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

因此选5700KV·A的变压器二台

主结线方案的选择

一、变配电所主结线的选择原则

1.当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。

2.当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。

3.当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。

4.为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。

5.接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。

6.6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。

7.采用6～10KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。

8.由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。

9.变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。

当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。

10.当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。

二、主结线方案选择

对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为6—10KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。

总降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。

主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。

1、一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图如下这种主结线，其一次侧的QF10跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。

这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。

如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电，这种内桥式结线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。

2、一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路图（下图），这种主结线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。

这种主结线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。

但与内桥式结线适用的场合有所不同。

如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并列运行。

这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。

当一次电源电网采用环行结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器QF11、QF12，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。

3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路图（见下图）

这种主结线图兼有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所

4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。

本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。

采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结线（即全桥式结线）。

短路计算

一、短路电流计算的目的及方法

短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。

进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。

在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。

短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。

在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。

对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。

最后计算短路电流和短路容量。

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。

二、本设计采用标幺制法进行短路计算

1.在最小运行方式下：

（1）确定基准值

取Sd=100MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV

而Id1=Sd/√3UC1=100MV·A/（√3×60KV）=0.96KA

Id2=Sd/√3UC2=100MV·A/（√3×10.5KV）=505KA

（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

1）电力系统（SOC=310MV·A）

X1*=100KVA/310=0.32

2）架空线路（XO=0.4Ω/km）

X2*=0.4×4×100/10.52=1.52

3）电力变压器（UK%=7.5）

X3*=UK%Sd/100SN=7.5×100×103/（100×5700）=1.32

绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。

（3）求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

总电抗标幺值

X*Σ（K-1）=X1*＋X2*=0.32+1.52=1.84

三相短路电流周期分量有效值

IK-1（3）=Id1/X*Σ（K-1）=0.96/1.84=0.52

3）其他三相短路电流

I"（3）=I∞（3）=Ik-1（3）=0.52KA

ish（3）=2.55×0.52KA=1.33KA

Ish（3）=1.51×0.52KA=0.79KA

4）三相短路容量

Sk-1（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/1.84=54.3

（4）求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

1）总电抗标幺值

X*Σ（K-2）=X1*＋X2*＋X3*//X4*=0.32+1.52+1.32/2=2.5

2）三相短路电流周期分量有效值

IK-2（3）=Id2/X*Σ（K-2）=505KA/2.5=202KA

3）其他三相短路电流

I"（3）=I∞（3）=Ik-23）=202KA

ish（3）=1.84×202KA=372KA

Ish（3）=1.09×202KA=220KA

4）三相短路容量

Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/2.5=40MV·A

在最大运行方式下：

（1）确定基准值

取Sd=1000MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV

而Id1=Sd/√3UC1=1000MV·A/（√3×60KV）=9.6

Id2=Sd/√3UC2=1000MV·A/（√3×10.5KV）=55KA

（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

1）电力系统（SOC=1338MV·A）

X1*=1000/1338=0.75

2）架空线路（XO=0.4Ω/km）

X2*=0.4×4×1000/602=0.45

3）电力变压器（UK%=4.5）

X3*=X4*=UK%Sd/100SN=7.5×1000×103/（100×5700）=13.2

绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。

（3）求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

1）总电抗标幺值

X*Σ（K-1）=X1*＋X2*=0.75+0.45=1.2

2）三相短路电流周期分量有效值

IK-1（3）=Id1/X*Σ（K-1）=9.6KA/1.2=8KA

3）其他三相短路电流

I"（3）=I∞（3）=Ik-1（3）=8KA

ish（3）=2.55×8KA=20.4KA

Ish（3）=1.51×X*Σ（K-1）8KA=12.1KA

4）三相短路容量

Sk-1（3）=Sd/X*Σ（k-1）=1000/1.2=833MVA

（4）求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量

K1）总电抗标幺值

X*Σ（K-2）=X1*＋X2*＋X3*∥X4*=0.75＋0.45＋13.2/2=7.8

2）三相短路电流周期分量有效值

IK-2（3）=Id2/X*Σ（K-2）=55KA/7.8=7.05KA

3）其他三相短路电流

I"（3）=I∞（3）=Ik-2（3）=7.05KA

ish（3）=2.55×7.05KA=17.98KA

Ish（3）=1.51×7.05KA=10.65KA

4）三相短路容量

Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-2）=1000/7.05=141.8MV·A

三.短路电流计算结果：

1.最大运行方式

2.最小运行方式

一、电压损耗条件

导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。

对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。

二、经济电流密度

35KV及以上的高压线路及电压在35KV以下但距离长电流大的线路，其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。

所选截面，称为“经济截面”。

此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。

工厂内的10KV及以下线路，通常不按此原则选择。

三、机械强度

导线（包括裸线和绝缘导线）截面不应小于其最小允许截面。

对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。

母线也应校验短路时的稳定度。

对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。

根据设计经验，一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。

低压照明线路，因其对电压水平要求较高，因此通常先按允许电压损耗进行选择，再校验发热条件和机械强度。

对长距离大电流及35KV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。

架空进线的选择按发热条件选择导线截面

补偿功率因素后的线路计算电流

1）已知I30=76.33A

由课本表5-3查得jec=1.65，因此

Aec=76.33/1.65=46.26mm2

选择准截面45mm2，既选LGJ—45型铝绞线

校验发热条件和机械强度都合格

开关柜的选择

一、高、低压设备的选择

高压设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。

高压刀开关柜的选择应满足变电所一次电路图的要求，并各方案经济比较优选出开关柜型号及一次结线方案编号，同时确定其中所有一次设备的型号规格。

工厂变电所高压开关柜母线宜采用LMY型硬母线

二、配电所高压开关柜的选择

高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置，在发电厂和变配电所中作为控制和保护发电机、变压器和高压线路之用，也可作为大型高压开关设备、保护电器、监视仪表和母线、绝缘子等。

高压开关柜有固定式和手车式（移可式）两大类型。

由于本设计是10KV电源进线，则可选用较为经济的固定式高压开关柜，这里选择GG1A-10Q（F）型。

变压器的继电保护

电力变压器下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置：

（1）绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路；

（2）绕组的匝间短路；

（3）外部相间短路引过的过电流；

（4）中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；

（5）过负荷；

（6）油面降低；

（7）变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。

对于高压侧为6～10KV的车间变电所主变压器来说，通常装设有带时限的过电流保护；如过电流保护动作时间大于0.5～0.7s时，还应装设电流速断保护。

容量在800KV·A及以上的油浸式变压器和400KV·A及以上的车间内油浸式变压器，按规定应装设瓦斯保护（又称气体继电保护）。

容量在400KV·A及以上的变压器，当数台并列运行或单台运行并作为其它负荷的备用电源