课程设计
某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计
A METALLURGICAL MACHINERY PLANT SOURCE
TOTAL PRESSURE DROP SUBSTATION AND
ELECTRICAL SYSTEM DESIGN
学院：电气与信息工程学院
专业班级：电气班
学生姓名：
指导教师：老师
2013年7月6日
某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计
摘要
现代化工厂的设计是一门综合性技术，而工厂供电系统是其中重要设计内容之一，本文所探讨的就是某冶金机械修造厂全厂总压降变电所及配电系统设计问题。
在论文里，认真对工厂所提供的原始资料进行了分析。首先进行电力负荷的运算，根据功率因数的要求在低压母线侧进行无功补偿，进而对主变和各车间变压器进行选择。同时对架空线进行了选择和校验。
在论文里，对35KV和6KV母线处发生短路时的短路电流进行了计算，得到了最大运行方式和最小运行方式下的短路电流。根据本厂对继电保护的要求，进行了继电保护装置的整定计算。
关键词：电力负荷，变压器，短路电流，继电保护
A METALLURGICAL MACHINERY PLANT SOURCE
TOTAL PRESSURE DROP SUBSTATION AND
ELECTRICAL SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
The design of the modern factory is a comprehensive technology, and factory is one of the important power supply system design, this paper discussed the content of the is a metallurgical machinery plant source total pressure drop substation and electrical system design problem.
In the article, we provided to factory earnestly the raw data is analyzed. First operation of electric power load, according to the requirements of the low voltage power factor in busbar side of the reactive power compensation, then the main transformer and the workshop transformer in choice. At the same time for aerial were chosen and calibration.
In the article, we to 35 KV and six KV short-circuited the bus place when short-circuit current calculation, got the biggest operation mode and minimum running under the way of short-circuit current. According to our factory to the requirements of the relay protection, relay protection device of setting calculation.
KEYWORDS: electric power load, transformer,short-circuit current, relay protection
目录
摘要................................................................ I ABSTRACT........................................................... I I 1.原始资料及电力负荷计算.. (1)
1.1 设计任务 (1)
1.2 查找资料 (1)
1.3 电力负荷计算 (2)
2.变电所高压电气设备选型 (5)
2.1 主变压器选择 (5)
2.2 架空线路选择 (6)
2.3母线的选择 (7)
2.3.1 35kv母线的选择 (7)
2.3.2 6kv母线的选择 (8)
2.4 补偿电容器选择 (11)
2.5 车间变压器选择 (11)
3.电气主接线设计 (12)
4.短路电流及冲击电流计算 (13)
5.电气设备选择及校验 (16)
5.1 35KV高压断路器、隔离开关及熔断器选择 (17)
5.2 电流互感器和电压互感器选择 (18)
5.3 开关柜选择 (19)
6.主变压器继电保护选择 (21)
6.1瓦斯保护 (22)
6.2装设电流速断保护 (22)
6.3变压器纵差动保护 (23)
6.4反时限过电流保护 (25)
6.5过负荷保护 (25)
7.防雷、接地设计 (26)
总结 (27)
参考文献 (28)
1.原始资料及电力负荷计算
1.1 设计任务
完成某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计
1.2 查找资料
1. 本厂产品及生产规模
本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻造、铆焊、毛坯件为主体，生产规模为：铸钢件1万吨、铸铁件3千吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨。
2. 车间组成：
(1) 铸钢车间；（2）铸铁车间；（3）锻造车间；（4）铆焊车间；（5）木型间及木型库；（6）机修车间；（7）砂库；（8）制材场；（9）空压站；（10）锅炉房；（11）综合楼；（12）水塔；（13）水泵房；（14）污水提升站等
3. 供用电协议
工厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下：
（1）工厂电源从电业部门某220/35千伏变压所，用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做为工作电源，一个做为备用电源，两个电源不并列运行，该变电所距厂东侧8公里。
（2）供电系统及短路技术数据
图1-1 供电系统图
（3）电业部门对本厂提出的技术要求
① 区域变电所35千伏配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒，工厂“总降”不应大于1.5秒；
② 在总降变电所35千伏侧进行计量； ③ 本厂的功率因数值应在0.9以上。 4. 本厂负荷的性质
本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时，属于二级负荷。
5. 厂的自然条件 (1) 气象条件
① 最热月平均最高温度为30℃；
② 土壤中0.7~1米深处一年中最热月平均温度为20℃； ③ 年雷暴日为31天； ④ 土壤冻结深度为1.10米； ⑤ 夏季主导风向为南风。 (2) 地质及水文条件
根据工程地质勘探资料获悉，厂区地址原为耕地，地势平坦，底层以砂质粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.8~5.3米。地耐压力为20吨/平方米。 1.3 电力负荷计算
（1）荷也称计算容量或最大需要负荷，它是个假定的等效的持续性负荷，其热效应与同一时间内实际的不一定恒稳的负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用能让中小截面导体达到稳定温升的时间段（30min ）的最大平均负荷作为按发热条件选择配电变压器、导体及相关电器的依据，并用来计算电压损失和功率消耗。在工程上为方便计，也可作为电能消耗量及无功功率补偿的计算依据。
（2）相关电力负荷的理论依据：
在所计算的范围内（如一条干线、一段母线或一台变压器），用电设备组的计算负荷并不等于其设备容量，两者之间存在一个比值关系，因此引进需要系数的概念，即用电设备组的有功计算负荷应为
∑∑???=N WL
L
P K K P ηη30
（2—3）
式中 ∑K ——设备组同时使用系数
L K ——设备组的平均加权负荷系数
η——设备的平均加权效率 WL η——配电线路的平均效率
令
WL
L d
K K K ηη??=
∑，则d K 就称为需要系数。由式（2—3）可知d K 的
定义式为：
d N P K P ∑
= 形成该系数的原因有：用电设备的设备容量是指输出容量，它与输入容量之间有一个额定效率；用电设备不一定满负荷运行，因此引入负荷系数；用电设备本身及配电线路有功率损耗，所以引入一个线路平均效率；用电设备组的所有设备不一定同时运行，故引入一个同时系数。实际上，需要系数还与操作人员的技能及生产等多种因素有关。
由此可得较需要系数发的确定三相用电设备组的计算负荷的计算方法。 a) 单用电设备组的计算负荷 d N P K P ∑=? tan Q P φ=?
cos P
S φ
==
I =
式中，d K 为需要系数；∑N P 为设备容量； φtan 为设备功率因数角的正切角。 b) 多组用电设备组的计算负荷 d N P K P ∑=? q N Q K Q ∑=?
S =
I =根据以上相关理论全厂各车间计算负荷如下表所示：
表1-1全厂各车间负荷计算表
说明：No1,No2,No3车间变电所设置两台变压器外，其余设置一台变压器。且No1、No2为暗备用，No3为明备用。
由以上电力负荷统计表可得：
总有功功率∑P = 5452.386kw
总无功功率 ∑Q = 4485.965kvar 总视在功率 ∑S =7201.152KV ·A
2.变电所高压电气设备选型
2.1 主变压器选择
大中型企业，由于负荷较大，往往采用35—110kV 电源进线，降压至10kV 或6kV ，再向各车间变电所和高压用电设备配电，这种压降变电所称为总压降变电所。用户是否要设置总压降变电所，是由地区供电电源的电压等级和用户负荷的大小及分布情况而定的。一般来讲，企业规模不太大，车间或生产厂房比较集中，应尽量设一个总压降变电所，这样既节省投资，又便于运行维护。但如果企业规模较大，且有两个或两个以上的集中大负荷用电车间群，而彼此之间相距又较远时，可以考虑设立两个或两个以上的总压降变电所。本设计中主变压器的选择主要根据负荷计算表。因为要求全厂的功率因数在0.9以上，所以要进行无功补偿，从而计算出补偿后变电所的视在功率。本厂的负荷性质属于二级负荷，可靠性要求较高，所以主变压器应选择两台，其中一台备用。当一台故障时，另一台可以马上投入运行以保证此冶金机械修造厂全厂的供电需求。
(1)无功补偿计算
总有功功率 ∑P = 5452.386kw 总无功功率 ∑Q = 4485.965kvar 总视在功率 ∑S =7060.623KV ·A
全厂功率因数cos /S 5452.386/7060.6230.7720.9P φ=∑∑==< 所以要进行无功补偿
(tan arccos0.772tan arccos0.92)2383.59var
C Q P k =∑-=
取kvar 2400c =Q 低压侧补偿后无功功率：
var
965.2085240096.44852k Q Q Q C =-=-∑=
低压侧补偿后视在功率：
KVA
Q P S 788.5837)()(2222=+∑=
变压器损耗：
kw S P 38.5801.02==? var 89.29105.02k S Q ==? 高压侧有功功率：
kw P P P
766.55101=?+∑= 高压侧无功功率：
var 855.237721k Q Q Q =?+= 高压侧视在功率：
KVA
Q P S 89.600121211=+=
补偿后的功率因数： 9.09182.0/cos 11>==S P φ (2) 主变压器选择
主变压器选择要求1S S >，故选择型号为35KV 级SL7系列低损耗电力变压器两台。一台工作，一台备用。
资料来源：电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程
2.2 架空线路选择
本厂电源从电业部门某220/35千伏变电所用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做工作电源，一个做备用电源，两个电源不并列运行。
架空线最大工作电流：A U S I N 993/1g ==
因为本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时。属于二级负荷，所以选取经济电流密度：9.0=ec J
导线的经济截面积：2110mm J I S ec
d
j == 选LGJ-120型铝导线。 （1）长时间允许电流校验
LGJ-120型铝导线，长期允许工作电流A I y 380=，最高允许温度为900C 。其中C C C O O O 30,25,90'001===θθθ
长时允许电流：A I I y
1.3650
1'
01max =--=θθθθ
线路承受的最大负荷电流就为m ax 99I A I g <=满足要求。
（2）电压损失校验
双回路供电，每条导线上的最大负荷电流：
A I I g g 99m ax .==
00.223/r km =Ω 00.392/x km =Ω
线路电压损耗百分比：
.max 00%(cos sin )/ 1.573%5%g N U L r x U φφ?=+=<
符合要求
（3）机械强度的校验：
m N i a f sh /1053.3)10717.5(6
.11
173.01173.06232?=??==
Pa W fL 10
96
262max
1071028.610
120105.11053.310?≤?=????==-σ 满足要求
式中相关参数：W —抗弯矩，又称母线的截面系数，3
m f – 作用在母线1m 长度上的电动力，与短路冲击电流sh i 平方成正比，N/m
L —跨距，支撑母线的两个相邻绝缘子之间的距离，m a-母线的相间距离，m 2.3母线的选择 2.3.1 35kv 母线的选择
根据经济电流密度选择导线截面积
因为工业电源从电业部门某220/35千伏变电所用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做工作电源，一个做备用电源，两个电源不并列运行。
母线最大工作电流： 827.9932
==N g U S I A
因为本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时。属于二级负荷，所以选取经济电流密度：9.0=ec J
导线的经济截面积： 2110.919d j ec
I
S mm J ==
选LGJ-120型铝导线。
长时允许电流校验导线截面积
LGJ-120型铝导线，长期允许工作电流A I y 380=，最高允许温度为700C 。其中
A 3.358=
线路承受的最大负荷电流就为
'
827.99y
g I A I <=符合要求。
电压损失校验
双回路供电，每条导线上的最大负荷电流：
A I I g g 827.99m ax .==
km r /223.00Ω= km x /392.00Ω=
线路电压损耗百分比：
N g U x r L I U /)sin cos (3%00m ax .φφ-=?=1.573%<5%
符合要求 功率因数校验
35KV 最小允许截面积为352mm ,满足负荷要求。 35KV 架空线的损耗：
var
9510]/)[(22.6510]/)[(3
2
2
22
232
2222k X U Q P Q kw
R U Q P P N l N l =??+=?=??+=?--
35kv 架空线电路电源入口处的功率因数
9
.09114.0cos 211.6150var 232.253195232.2436173.560522.65953.55392222>===+==+=?+==+=?+=∑
∑∑∑∑∑∑∑Q P kVA Q P S k Q Q Q kw P P P l l ?
机械强度的校验：
m N i a f sh /1053.3)10717.5(6
.11
173.01173.06232?=??==
Pa W fL 10
96
262max
1071028.610
120105.11053.310?≤?=????==-σ 满足要求 式中相关参数：W —抗弯矩，又称母线的截面系数，3
m
f – 作用在母线1m 长度上的电动力，与短路冲击电流sh i 平方成正比，N/m L —跨距，支撑母线的两个相邻绝缘子之间的距离，m a-母线的相间距离，m 2.3.2 6kv 母线的选择 已知全厂总负荷:
∑p =5452.386kw ∑
Q =4485.965kvar
6.3kv 母线容量满足全厂总负荷30%：
kw p P 72.1635%30386.5452%30=?=?=∑ var 79.1345%30965.4485%30k Q Q =?=?=∑ kvA Q P S 19.211879.134572.16352222=+=+= A U S I 12.1946300
319.21183=?=?=
已知全厂总负荷:
∑p =5452.386kw ∑
Q =4485.965kvar
6kv 母线容量满足全厂总负荷30%：
kw p P 72.1635%30386.5452%30=?=?=∑
var 79.1345%30965.4485%30k Q Q =?=?=∑
kvA Q P S 19.211879.134572.16352222=+=+= A U S I 12.1946300
319.21183=?=?=
按长期发热条件选择及校验。 初选：
硬母线的材料、截面形状、布置方式
导体的材料有铜、铝和铝合金，铜只用在持续工作电流大，布置位置狭窄和对铝有腐蚀性的场所。常用的硬母线是铝母线，截面有矩形、双槽型和管型。矩形导体散热条件好，便于固定和连接，一般用于35KV 及以下，电流在4000A 及以下的配电装置中，恰好满足要求，所以应选择截面为矩形的硬铝母线。由于此铝母线布置在室内，散热性能要好，并且考虑配电装置高度，所以母线布置方式应选支柱绝缘子三相水平布置，导体竖放。
由于6kV 母线最大负荷电流可达608A ，所以选择LMY-50?5的铝母线，相间距离0.35m α=， 3.65f N =，10710E Pa =?，5b mm =50h mm =，
热稳定校验：母线最小截面积：
min S =
k Q —短路电流通过电器时所产生的热效应。 S K —校正系数。
C —热稳定系数。
2
()(
)MAX al al
I I ωθθθθ=+-?
ωθ—母线通过持续工作电流I max 时的温度。
θ —实际环境温度。
al θ—母线正常最高允许温度，一般为70度。
al I —母线对应于θ允许电流。
A A I ai 60896.60869288.0>=?=
?=?-+=89.69)92
.608608()3570(352
Q
取?=70θ
，查表得87=C ，1S
K =。
"2
222
(10)12k k k t k t Q I I I t =
++
1.5k t s = ， 1
2.49k I kA = ， 6.94tk I kA =
22221.5
(12.91012.49 6.94)221.82()12
k Q kA S =
+?+=? 22
k t I 与"2I 的数值较接近所以用"2I 代替。
2m in
250171mm C
K Q S s
k ≤==
满足要求。 共振校验：
312bh J =
2M hb ρ=
MAX L
33
640.050.0051101212
bh J m -==?=?
220.0050.052700 1.35M hb ka m ρ==???=
2.28MAX L ==
选取 1.5MAX L L =< 则1β=。 动稳定校验：
h b 2167.0=ω
2
7
21.7310MAX sh L F i βαω
-=??
?
1)10323.12(05
.0005.0167.035.05.11073.12
32
27
????????=-Max
F =Pa 108
10710
1.8?
满足要求。
2.4 补偿电容器选择
为了提高功率因数，安装并联电容器，用于无功补偿。补偿无功后可以提高电压、降低线损、减少电费支出、节约能源、增加电网有功容量传输、提高设备的使用效率。本设计中本厂的功率因数值应在0.9以上，必须6KV 母线上并联电力电容器，使变电所35KV 处的功率因数得到提高到0.9，需要补偿的总电力电容器容量为kvar 2400=C Q , 所以选24台BWF-6.3-100-1的电容器。
注：B ——并联电容器，W －浸渍剂为烷基苯，F －聚丙烯薄膜和电容器纸复合介质。
2.5 车间变压器选择
根据电气设备选择的一般条件及No1,No2车间变电所设置两台变压器且均为暗备用，No3车间为明备用，选择各车间变压器的型号及相应参数如表2-3
表2-3 各变电所变压器选择型号
资料来源：电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程
3.电气主接线设计
电气主接线又称为电气一次接线，它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单项接线图。主接线代表了发电厂或变电站高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网结构的重要组成部分。其基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。
电气主接线的设计步骤和内容如下：
(1)对原始资料分析；
(2)主接线方案的拟定与选择；
(3)短路电流的计算和主要电气设备的选择；
(4)绘制电气主接线图；
本厂主接线采用桥形接线和单母分段接线相结合，能够满足本厂的用电需求,主接线图如图3-1。
图3-1 电气主接线
4.短路电流及冲击电流计算
下面利用各元件的标幺值计算系统在最大运行方式和最小运行方式下的短路电流，系统结构如图4-1
K V
LD 1
LD 2
LD 3
LD 4
LD 5
图4-1 系统结构图
短路电流计算过程如下：
根据系统结构图画出相应的等值电路如图4-2
6 . 3 kv
K 2
图4-2 等值电路图
取基准值MVA S 100d = 各变压器的标幺值计算如下：
3
1%
1004.5 5.626100
100800
10d
K TN
S
U X S
?=
?
=?=
3
2
%1004.59100
100500
10d
K
TN
S U
X
S
?=?=?= 5.6258001001005.4100%
103
3=??=?
=S
S U X TN
d
K .5410001001005.4100
%103
4
=??=?=S S U
X
TN
d
K
104001001005.4100
%
103
5=??=?
=S
S U X TN
d
K 3
%
1007.5 1.19100
1006300
10d
K T
TN
S U X
S
?=
?=?= 架空线路：2
2
100
()0.39280.25535
L L d aN S U X X ==??
=
无穷大系统：最大运行方式下：(3)
100
0.5200
S
S MAX
d S X ==
= 最小运行方式下：3
d MIN 100
S /0.571175
S S X ==
= （1）当35KV 母线K1点发生三相短路时：无穷大电源电压可认为电压保持不变，设每相电源电压标幺值为1。冲击系数取85.0sh =K
①系统处于最大运行方式时：
0.50.2550.755S L X X X ∑=+=+=
故短路电流标幺值为：3245.1755.01
1==
=∑*X I 电流基准值为：KA Ud
Sd I s d 65.135
31003)(=?=
=
故最大运行方式下35KA 母线上发生三相短路时的短路电流为：
KA I I I s d 185.265.13245.1)(=?=?=*
冲击电流为：KA I K I 717.5185.2285.12sh sh =??=?= ②系统处于最小运行方式时：
826.0255.0571.0=+=+'=∑X X X L S 短路电流标幺值：211.1826
.01
1
==
=
∑
*X
I
因此，三相短路电流：KA I I I s d 0.265.1211.1)(=?=?=* 冲击电流为：KA I K I 233.50.2285.12sh sh =??=?= （2）当6.3KV 母线K2点发生三相短路时： ①系统处于最大运行方式时：
945.119.1255.05.0=++=++=
∑
X
X X X
t
l
s
短路电流标幺值为：514.0945.11
1==
=∑*X I 电流基准值为：KA Ud
Sd X s d 164.93
.631003)(=?=
=
三相短路电流：KA I I I s d 710.4164.9514.0)(=?=?=* 冲击电流为：KA I K I 323.12710.4285.12sh sh =??=?= ②系统处于最小运行方式时：
016.219.1255.0571.0=++=+
+=
'∑X
X
X X t
l
s
短路电流标幺值：496.0016
.21
1
==
=
∑
*X
I 因此，三相短路电流：KA I I I s d 545.4164.9496.0)(=?=?=* 冲击电流为：KA I K I 891.11545.4285.12sh sh =??=?=
5.电气设备选择及校验
电气设备选择的一般原则:
供配电系统中的电气设备是在一定的电压、电流、频率、和工作环境条件下