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某纺织装饰用品厂配变电所电气部分初步设计
一、设计任务书
某纺织装饰用品厂配变电所电气部分初步设计
（二）设计目的及要求
通过本课程设计，熟悉先行官国家标准和设计规范，树立起技术与工程经济相统一的辩证观点；培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；掌握电气工程设计计算的方法，为今后从事电力工程设计、建设、运行及管理工作打下必要的基础。
（一）设计题目
要求根据用户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，确定配电所及车间变电所的位置与型式，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定车间变电所主变压器的台数与容量、类型，最后按要求写出设计说明书，会出设计图样。
（三）设计依据
工厂负荷情况：
该厂事专门从事生产宾馆、酒店的客房、餐馆类纺织品的专业工厂。主要产品有客房窗帘、毛巾、床罩、被套、床裙、浴衣等棉纺织品和餐
饮类的台布、口布、台裙、台垫等棉织品。车间主要由毛巾车间、准备车间、整理车间等组成。
本场多数车间为两班制，经年最大负荷利用小时数为4500小时，日最大负荷持续时间6小时。该厂属于三级负荷
供电电源情况
按照工厂与当地电业部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近3510kV地区变电站去的工作电源，距厂约为5km。10kV母线短路数据：，其出口断路器配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1.5s。
要求工厂最大负荷时的功率因素不得低于0.90。
（四）气象要求
本地区所在的年最高气温为40℃，平均气温为25℃，年最低气温为-2℃，年最热月平均最高气温为33℃，年最热月平均气温为26℃，年最热月地下0.8m出平均气温为25℃。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为52.5天。
地质水文资料
本场所在地区平均海拔200m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。（五）电费制度
本场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，按两部电价制缴纳电费。基本电价20元kV·A月，电度电价0.5元度。
（六）设计任务
设计内容包括：负荷计算及无功功率的补偿计算，高压配电所所址的选择，配电所主接线方案的选择，车间变压器位置、台数和容量的确
定，高低压配电线路及导线截面的选择，短路计算和开关设备的选择，保护配置及整定计算，防雷保护与接地装置设计等。
附表符合统计资料
编号厂房名称设备容量kW 需要系数功率因数
1 毛巾车间350 0.8 0.8
2 织造车间530 0.8 0.8
3 准备车间180 0.70 0.75
4 整理车间740 0.8
5 0.85
5 染工车间490 0.8 0.8
6 机修车间200 0.3 0.5
7 仓库40 0.3 0.8
8 食堂40 0.75 0.8
9 锅炉房150 0.75 0.8
10 水泵房120 0.75 0.8
11 油泵房30 0.75 0.8
12 办公楼55 0.60 0.75
（七）设计成果
在完成设计计算任务的基础上，要求写出下列资料：
设计说明1份
主接线电路图1张
（八）设计时间
2009年5月11日至2009年5月24日（两周）
摘要
本厂是10kV变电站的主接线设计及变压器的选择，变电所电气主接线设计是依据变电所的最高电压等级和变电所的性质，选择出一种与变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。在经济角度上要考虑周全，尽量以最少的投资获得最佳的方案。按照要求选择合适的变压器。短路电流计算，对变电站系统中的各个电压等级下的母线发生三相短路时，所流过的短路电流进行了分别计算。电气设备动、热稳定校验，电气设备的选择条件包括两大部分：一是电气设备所需要满足的基本条件，即按正常工作条件选择，并按短路状态校验动、热稳定；二是根据不同电气设备的特点而提出的选择和校验项目。主要电气设备型号及参数的确定。电气总平面及配电装置断面设计和无功补偿方案设计，较为详细地完成了电力系统中变电站设计。
通过本次课程设计，旨在熟悉变电所中供电系统的负荷计算，掌握变电所中二次回路的基本原理，在次基础上对供电系统中的变电所二次接线进行了设计和保护，最后根据具体环境条件对电气设备进行校验，使本次设计的内容更加完善。
关键词：变电站；短路电流；热稳定；无功补偿；二次接线
ABSTRACT
The design of the content is 10 KV electric substations.
Design elements include: the main substation transformer wiring design and the choice of electrical substation main wiring design is based on the maximum voltage substation substation and the nature, to choose a substation in the system and the status and Suited to the role of the connection mode. In an economic point of view on the need to consider well, at least as far as possible to get the best investment programme. Choose the right in accordance with the requirements of the transformer.
Short-circuit current basis, the system of substations in various voltage
levels under the three-phase short circuit occurred when the bus, the flow
of a short circuit were calculated. Fixed electrical equipment, thermal
stability check, the choice of electrical equipment, including two major
conditions: First, electrical equipment needed to meet the basic
conditions, that is, the normal working conditions of choice, and
short-circuit state check dynamic, thermal stability and the other is
According to the characteristics of different electrical equipment by thon
and validation pre selectiojects.
Through this course designed substation with the load in the power
supply system, the master substation secondary circuit of the basic
principles at the basis of the power supply system of the substation to the secondary wiring design and protection, the last under the specific
environmental conditions on the electrical equipment to check, so that the
content of this design more perfect.
Key words:
Substation;
Short circuit;
Thermal stability;
Reactive Compensation
Secondary circuit
目录
摘要 (3)
1.前言 (6)
2.负荷计算 (8)
2.1 三相用电设备组负荷计算的方法 (8)
2.2 计算负荷及无功功率补偿 (8)
2.3 车间变电所的所址和型式 (13)
2.4 变电所主变压器和主接线方案选择 (13)
3.主接线方案的选择 (14)
4.短路电流的计算 (15)
4.1 短路电流的计算方法 (15)
4.2 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 (16)
5.变电所的一次设备的选择校验 (20)
5.1 高压设备器件的校验 (21)
5.2 主要设备的选择校验 (21)
5.3导线与电缆的选择与校验 (24)
5.4 低压设备的选择与校验 (24)
6.小结 (25)
参考文献 (26)
附录 (27)
1.前言
工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。
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
其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电
能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生
产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用
极为广泛。
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，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。
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，就必须达到以下基本要求：（1）安全在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。
（2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。
（3）优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求
（4）经济供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。
此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。
课程设计是学习中的一个重要环节，通过课程设计可以巩固本课程理论知识，掌握供配电设计的基本方法，通过解决各种实际问题，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算、绘图、设计说明书等方面得到训练，为今后的工作奠定基础。
本设计可分为九部分：用户负荷计算和无功功率计算及补偿；变电
所位置和形式的选择；确定主接线方案；短路电流的计算；变电所一次设备的选择与校验；用户电源进线及用户高压配电、低压配电线路的选择；保护装置的选择和其整定装置的计算；心得和体会；附参考文献。
由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不
完善的地方，敬请老师、同学批评指正
2.负荷计算
2.1 三相用电设备组负荷计算的方法
有功计算负荷（kW）
无功计算负荷（kvar）
视在负荷计算（kV·A）
计算电流（A）
2.2 计算负荷及无功功率补偿
(1) 负荷计算各厂房及生活区的负荷计算如表2-1
表2-1 电力负荷计算表
编号厂房名
称
设备容
量kW
需要
系数
功率
因数
有功功
率kW
无功功率
kvar
视在功率
kV·A
计算
电流A
1
毛巾车
间
350 0.8 0.8 280 210 350 531.9 2
织造车
间
530 0.8 0.8 424 318 530 805.47 3
准备车
间
180 0.7 0.75 126 111.12 168 225.32 4 整理车740 0.85 0.85 629 389.819 740 1124.6
间 2
5
染工车
间
490 0.8 0.8 392 294 490 744.68 6
机修车
间
200 0.3 0.5 60 103.92 120 182.32
7 仓库40 0.3 0.5 12 20.78 24 36.47
8 食堂40 0.75 0.8 30 22.5 37.5 56.97
9 锅炉房150 0.75 0.8 112.5 84.37 140.625 213.66 1
水泵房120 0.75 0.8 90 67.5 112.5 170.93 11 油泵房30 0.75 0.8 22.5 16.875 28.125 42.73 1
2
办公楼55 0.6 0.75 33 29.10 44 66.85
(2) 无功功率补偿
由表2-1可知该厂380V一侧最大功率∑Pc=2211kW，最大无功功率∑Qc=1668kvar，最大视在功率Sc=2769.61kV·A，考虑到车间有12个，所以采用3个变电所，每个变电所带4个车间的型式并且选用的自愈式低压并联电力电容器，以下分别计算3个变电所的无功补偿方案。如表2-2，表2-3，表2-4所示:
表2-2 变电所1（电力负荷计算表）
编号
厂房名
称设备容
量kW
需要系
数
功率因
数
有功功
率kW
无功功
率
kvar
视在功
率
kV·A
计算电
流A
1
整理车
间740 0.85 0.85 629
389.81
9
740
1124.6
2
2 锅炉房150 0.75 0.8 112.5 84.37
140.62
5
213.66
3 油泵房30 0.75 0.8 22.5 16.875 28.125 42.73
4 办公楼5
5 0.
6 0.75 33 29.1 44 66.85
故∑Pc1=797kW, ∑Qc1=520.246kvar, 最大视在功率Sc=951.77kV·A,最大功率因数Cosφ=0.837
而供电局要求该厂10kV进线侧最大负荷时功率因数不得低于0.9，380V侧最大负荷时功率因数不得大于0.92。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380侧最大功率因数因大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：
Qc=Pc(tanφ1-tanφ2)=797[tan(arccos0.837)-tan(arccos0.92)]kvar=181.55kvar。故选择GGJ1-01型低压无功补偿柜（BW0.4-16-3A），所需安装的组数n=Qc16=181.5516≈12。所需柜数2台。
表2-3 变电所2（电力负荷计算表）
编号
厂房名
称设备
容量
kW
需要
系数
功率
因数
有功
功率
kW
无功
功率
kvar
视在
功率
kV·A
计算电
流A
1
织造车
间
530 0.8 0.8 424 318 530 805.47 2 水泵房120 0.75 0.8 90 67.5 112.5 170.93
3 仓库40 0.3 0.5 12 20.78 2
4 36.47 4
毛巾车
间
350 0.8 0.8 280 210 350 531.9
故∑Pc1=746kW, ∑Qc1=616.28kvar, 最大视在功率Sc=967.63kV·A,最大功率因数Cosφ=0.77
而供电局要求该厂10kV进线侧最大负荷时功率因数不得低于0.9，380V侧最大负荷时功率因数不得大于0.92。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380侧最大功率因数因大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：
Qc=Pc(tanφ1-tanφ2)=746[tan(arccos0.77)-tan(arccos0.92)]kvar=300.34kvar。故选择GGJ1-01型低压无功补偿柜（BW0.4-16-3A），所需安装的组数n=Qc16=300.3416≈19。所需柜数2台。
表2-4 变电所3（电力负荷计算表）
编号
厂房名
称设备容
量kW
需要
系数
功率
因数
有功
功率
kW
无功
功率
kvar
视在
功率
kV·A
计算电流
A
1
准备车
间
180 0.7 0.75 126 111.12 168 225.32 2
机修车
间
200 0.3 0.5 60 103.92 120 182.32 3
染工车
间
490 0.8 0.8 392 294 490 744.68 4 食堂40 0.75 0.8 30 22.5 37.5 56.97
故∑Pc1=608kW, ∑Qc1=616.28kvar, 最大视在功率Sc=865.72kV·A,最大功率因数Cosφ=0.70
而供电局要求该厂10kV进线侧最大负荷时功率因数不得低于0.9，380V侧最大负荷时功率因数不得大于0.92。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380侧最大功率因数因大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：
Qc=Pc(tanφ1-tanφ2)=608[tan(arccos0.70)-tan(arccos0.92)]kvar=355.07kvar。故选择GGJ1-01型低压无功补偿柜（BW0.4-16-3 A），所需安装的组数n=Qc30=355.0716≈23。所需柜数3台。
主变压器功率损耗△P=0.01Sc=0.01×2405.65=24.0565kW，
△Q=0.05×2405.65=120.2825kvar
因此，补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷的计算如表2-5所示：表2-5 变电所1，变电所2，变电所3的补偿方案
SckV·
项目功率因数PckW Qckvar
IcA
A
380V侧补偿前负
0.837 797 520.246 951.77 1446.06
荷
380V侧无功补偿
变电所1
192
容量
380V侧补偿后负
0.93 797 328.246 861.94 1309.6
荷
380V侧补偿前负
0.77 746 616.28 967.63 1470.2 变电所2
荷
380V侧无功补偿
304
容量
380V侧补偿后负
0.92 746 312.28 808.7 1228.7
荷
380V侧补偿前负
0.7 608 616.28 865.72 1315.32
荷
380V侧无功补偿
变电所3
368
容量
380V侧补偿后负
0.925 608 248.28 656.7 997.8
荷
主变压器功率损
24.0565 120.28
耗
2235.05
10kV侧负荷总计0.9
1009 2473.85 135.98
65
2.3 车间变电所的所址和型式
由于工厂属于三级负荷，并且取得10kV母线作为电源，所以变电所选用10kV0.38kV直降变电所。综合考虑以下几种因素后：1、便于维护与检查；2、便于进出线；3、保证运行安全；4、节约土地与建筑费用；5、适应发展要求。
2.4 变电所主变压器和主接线方案选择
因为10kV侧三个变电所的视在负荷分别为：951.77 kV·A、967.63 kV·A、865.72 kV·A。又考虑到工厂以后的发展，所以选用3台10（1±5%）0.4kV Sc(B)10型变压器，具体参数如表2-6所示
表2-6变压器参数
额定容量空载损耗△P0W 短路损耗△阻抗电压空载电流
kV·A PkW Uk% I0%
1000 1550 7090 6 0.6
3.主接线方案的选择
因为工厂是三级负载且考虑到经济因素，故选择单母线接线方式单母线接线方式的优点：简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建。
如图3-1和表3-1所示
图3-1 主接线方案
表3-1 主接线方案
出线1 出线2 出线3 出线4
整理车间锅炉房油泵房办公楼出线5 出线6 出线7 出线8 制造车间水泵房毛巾车间仓库
出线9 出线10 出线11 出线12 准备车间机修房染工车间食堂
4.短路电流的计算
4.1 短路电流的计算方法
基准电流
基准电压
三相短路电流周期分量有效值
*
∑
*=
=X
I
I
I
I
d
d
k
k
/
)3(
)3(
三相短路容量的计算公式
*
∑
*
∑
=
=X
S
X
I
U
S
d
d
c
k
/
/
3
绘制计算电路图4-1
图4-1 计算电路
确定基准值 设Sd=100MV A ，Ud=Uo ，即高压侧Ud1=10.5kV ,低压侧Ud2=0.4kV ，则
100
1 5.531
310.5
Sd
Id kA
Ud =
=
=??
100
2144.3432
30.4
Sd
Id kA
Ud =
=
=??
4.2 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 ① 电力系统
最大电抗标幺值
91.0110
100)3(min max
===*k l S Sd X
最小电抗标幺值 5.0200
100)3(max min
===*k l S Sd X
② 架空线路
*
2
022
100
0.355 1.59(10.5)d c S X x L U ==??=
③ 电力变压器
3
*
*3
4
610010%/1006
1001000k d n X X U S S ??====?
因此绘制等效电路 如图4-2
图4-2 等效电路
计算k-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容抗 总电抗标幺值 最大总电抗标幺值
***1max 2max(1)
0.91 1.59 2.5
k X X X -=+=+=∑
最小总电抗标幺值
***
1min 2min(1)0.5 1.59 2.09k X X X -=+=+=∑
三相短路电流周期分量有效值 最大值
(3)*max(1)1min(1)/ 5.5/2.09 2.63k d k I I X kA --===∑
最小值
(3)*min(1)1
max(1)
/ 5.5/2.5 2.2k d k I I X kA --===∑
其他短路电流
''(3)(3)(3)min min(1)''(3)(3)(3)max max(1)(3)''(3)min min (3)''(3)max max (3)''(3)min min (3)max 2.22.632.55 2.55 2.2 5.612.55 2.55 2.63 6.70561.51 1.51 2.2 3.322k k sh sh sh sh I I I kA I I I kA i I kA i I kA I I kA I ∞-∞-========?===?===?==''(3)max 1.51 1.51 2.63 3.9713I kA
=?=
三相短路容量
①
(3)
m a x (
1)
*m i n
(
1)
100
47.852.09d k k S S
X --==
=∑
②
(3)
m i n (
1)
*m a x
(
1)
100402.5d k k S S
X --===∑
计算k-2点（0.4kV ）侧的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量 三变压器分列运行，取其中一个作为计算例子，其他两个相同 总电抗标幺值
****
1max 23max(2)0.91 1.5968.5k X X X X -=++=++=∑
****1min 23min(2)0.5 1.5968.09k X X X X -=++=++=∑
三相短路电流周期分量有效值
(3)
2max(2)
*min(2)144.3417.848.09
d k k I I
kA X --=
==∑
(3)
2min(2)
*max(2)144.3416.988.5
d k k I I
kA
X --=
==∑
其他短路电流
在100.4kV 变压器二次侧低压母线发生三相短路时，一般，可取，因此，则：
''(3)(3)max(2)(2)max(2)''(3)(3)min(2)(2)min(2)(3)max (3)min (3)max (3)min 17.8416.982.2617.8440.322.2616.9838.371.3117.8423.371.3116.9822.24k k k k k k sh sh sh sh I I I kA I I I kA i kA i kA I kA I kA
-∞---∞--=======?==?==?==?=
三相短路容抗
(3)
max(2)
*min(2)10012.368.09
d k k S S
MV A X --=
==?∑
(3)
min(2)
*max(2)10011.768.5
d k k S S
MV A X --=
==?∑
将以上数据列成短路计算表,如表4-1和4-2所示：
表4-1 最大运行方式下
短路计算点
总电抗标幺
值
三相短路电流kA
三相短路容抗
MV ·A
K-1 2.5 2.63 2.63 2.63 6.71 3.97 47.85
K-2 4.9
17.8
4 17.8
4
17.8
4
40.3
2
23.3
7
12.36
表4-2 最小运行方式下
短路计算
点总电抗标幺
值
三相短路电流kA
三相短路容抗
MV·A
K-1 2.09 2.2 2.2 2.2 5.61 3.32 40
K-2 4.49
16.9
8 16.9
8
16.9
8
38.3
7
22.2
4
5.变电所的一次设备的选择校验
供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。电气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。
电气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电气装置所处的位置（室内或室外）、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率（一般为50Hz）等的要求；