第1章设计任务
1.1 设计要求
要求根据本厂所取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，确定所防雷接地装置，最后按要求写出设计说明书，绘制变电所系统图，功率因数补偿到0.9。
1.2 设计依据
1.2.1工厂总平面图
1.2.2工厂负荷情况
本厂车间为两班制，年最大负荷利用小时为4600小时，日最大负荷持续时间为8小时，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。工厂负荷统计资料如下
1.2.3供电电源情况
按照工厂与供电协议，本厂可由附近一条10KV的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。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。断路器断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过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2S，为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由2公里处邻近单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线总长度为30km。
1.2.4气象资料
本厂所在地区的年最高气温为40度，年平均气温为23度，年最低气温为 - 13度，年最热月平均最高气温为33度，年最热月平均气温为28度，年最热月地下0.8m 处平均温度为25℃。年雷暴日为60。
1.2.5 地质水文资料
本厂所在地区平均海拔700米，底层以砂粘土为主，地下水位为30米。
表1-1 工厂负荷统计资料
厂房编号厂房名称负荷类别设备容量/kW 需要系数功率因数
1 铸造车间动力300 0．3 0．7 照明 6 0．8 1．0
2 锻压车间动力350 0．
3 0．65 照明8 0．7 1．0
7 金工车间动力400 0．2 0．65 照明10 0．8 1．0
6 工具车间动力360 0．3 0．6 照明
7 0．9 1．0
4 电镀车间动力250 0．
5 0．8 照明 5 0．8 1．0
3 热处理车间动力150 0．6 0．8 照明 5 0．8 1．0
9 装配车间动力180 0．3 0．7 照明 6 0．8 1．0
10 机修车间动力160 0．2 0．65 照明 4 0．8 1．0
8 锅炉车间动力50 0．7 0．8 照明 1 0．8 1．0
5 仓库动力20 0．4 0．8 照明 1 0．8 1．0
生活区照明350 0．7 0．9
第2章 负荷计算和无功功率补偿
2.1 负荷计算
在负荷计算时，采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。 由公式：φtan 3030P Q =，2
3023030Q P S +=得：
1. 铸造车间：动力部分
kw kw P 903.0300)11(30=?= v a r
8.91var 02.190)11(30k k Q =?= A kV S ?=+=
55.1288.919022)11(30 A A I 77.19738
.0732.155
.128)11(30=?=
照明
kw kw P 8.48.06)12(30=?= 0)12(30=S
2. 锻压车间：动力部分，
kw kw P 1053.0350)21(30=?= v a r
8.121var 16.1105)21(30k k Q =?= A kV S ?=+=81.1608.1211052
2
)21(30
A A I 4.24738
.0732.181
.160)21(30=?=
照明部分，；kw kw P 6.57.08)22(30=?= 30(22)0Q = 3. 金工车间：动力部分，
kw kw P 802.0400)31(30=?= v a r
8.92var 16.180)31(30k k Q =?= A kV S ?=+=51.1228.93802
2)31(30 A A I 48.18838
.0732.15
.122)31(30=?=
明部分，；kw kw P 88.010)32(30=?= 30(32)0Q = 4. 工具车间：动力部分，
kw kw P 1083.0360)41(30=?= v a r
64.143var 33.1108)41(30k k Q =?= A kV S ?=+=71.17964.14310822)41(30 A A I 48.27638
.0732.171
.179)41(30=?=
照明部分，kw kw P 36.09.07)42(30=?= 30(42)0Q = 5. 电镀车间：动力部分，
kw kw P 1255.0250)51(30=?= v a r
5.92var 74.0125)51(30k k Q =?= A kV S ?=+=3
6.1255.9212522)51(30 A A I 86.19238
.0732.136
.125)51(30=?=
照明部分，kw kw P 48.05)52(30=?=；30(52)0Q = 6. 热处理车间：动力部分，
kw kw P 906.0150)61(30=?= v a r
6.66var 74.090)61(30k k Q =?= A kV S ?=+=
95.1116.669022)61(30 A A I 23.17238
.0732.195
.111)61(30=?=
照明部分，kw kw P 48.05)62(30=?= 30(62)0Q = 7. 装配车间：动力部分，
kw kw P 483.0180)71(30=?= v a r
96.48var 02.148)71(30k k Q =?= A kV S ?=+=56.6896.484822)71(30 A A I 48.10538
.0732.156
.68)71(30=?=
照明部分，kw kw P 8.48.06)72(30=?= ；30(72)0Q = 8. 机修车间：动力部分，
kw kw P 322.0160)81(30=?= v a r
12.37var 16.132)81(30k k Q =?= A kV S ?=+=
4912.373222)81(30 A A I 38.7538
.0732.149
)81(30=?=
照明部分，kw kw P 2.38.04)82(30=?= ；30(82)0Q = 9. 锅炉房：动力部分，
kw kw P 357.050)91(30=?= v a r
9.25var 74.035)91(30k k Q =?= A kV S ?=+=
53.459.253522)91(30 A A I 05.7038
.0732.153
.45)91(30=?=
照明部分，kw kw P 8.08.01)92(30=?=；30(92)0Q =
10. 仓库：动力部分
kw kw P 84.020)101(30=?= v a r
84.3var 48.08)101(30k k Q =?= kvA S 8.884.382
2)101(30=+= A I 5.1338
.0732.18
.8)101(30=?=
照明部分，kw kw P 8.08.01)102(30=?=；30(102)0Q = 11.生活区照明kw kw P 2457.0350)111(30=?= ； 0)111(30=Q 另外，所有车间的照明负荷： kw P 5.7630=
取全厂的同时系数为：0.95p K ∑=，0.97q K ∑=，则全厂的计算负荷为：
kw
p p kw kw P i i 38.990)2455.76966(95.08.08.01(95.011
130)1(3030=++?=+=?=∑=∑==?==11
1
)1(3030var 21.70396.725497.097.0i i k Q Q
A kv S ?=+=64.121421.70338.9902230；A A I 68.186838
.732.164
.121430=?=
2.2 无功功率补偿
无功功率的人工补偿装置：主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电容器在供电系统中应用最为普遍。
由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为： A kv S ?=64.121430
这时低压侧的功率因数为：
82
.064.121438
.990cos )2(==
Φ
为使高压侧的功率因数≥0.90，则低压侧补偿后的功率因数应高于0.90，
取：'cos 0.95φ= 。要使低压侧的功率因数由0.82提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：
var 44.366var )95.0arccos tan 82.0arccos (tan 38.990k k Q c =-?=
取:C Q =370var k 则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：
A kv S ?=-+=93.1044)37021.703(38.990'2230
计算电流
变压器的功率损耗为：
var 70.62.93.104406.006.0)2(30k A kv S Q T =?='≈?
变电所高压侧的计算负荷为：kw kw kw P 05.100667.1538.990)1(30=+='
var 91.35970.62)37021.703()1(30k kw kw Q =+-='
kv S 49.106891.35905.1006'2
2
)1(30=+= A I 69.6110
732.149
.1068')1(30=?=
补偿后的功率因数为：
94
.049.106805
.1006cos ==
'φ满足要求。
A A kv I 58 . 1607 kv 38 . 0 3 . 93 . 1044 )
2 ( 30 = ? = ' kw A kv S P T 67 . 15 . 9
3 . 104
4 01
5 . 0 015 . 0 )
2 ( 30 = ? = ' ≈ ?
第3章 变电所位置与型式的选择
变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在工厂平面图的下边和左侧，分别作一直角坐标的x 轴和y 轴，然后测出各车间（建筑）和宿舍区负荷点的坐标位置，1P 、2P 、 3P 10P 分别代表厂房1、2、3...10号的功率，设定1P （2.5，5.6）、2P （3.6，3.6）、3P （5.7，1.5）、4P （4，6.6）、5P （6.2，6.6）、6P （6.2，5.2）、7P （6.2，3.5）、8P （8.8，6.6）、9P （8.8，5.2）、10P （8.8，3.5），并设11P （1.2，1.2）为生活区的中心负荷，如图3-1所示。而工厂的负荷中心假设在P(x ,y ),其中P=1P +2P + 3P +11P =i P ∑。可得负荷中心的坐标：
∑∑=
++++++=i i i P
x P P P P P x P x P x P x P x )(113211111332211 （3-1） ∑∑=
++++++=
i
i
i P
y P P P P P y P y P y P y P y )(11
32111
11332211
（3-2）
把各车间的坐标代入（3-1）、（3-2），得到x =5.38，y =5.38 。由计算结果可知，工厂的负荷中心在6号厂房的西北角。考虑到周围环境及进出线方便，决定在6号厂房的西侧紧靠厂房建造工厂变电所，其型式为附设式。
图3-1 按负荷功率矩法确定负荷中心
11
P 3
P 2
P 1
P 4
P 5P 6P 7
P 8
P
9
P 10
P
P
y
x
第4章 变压器的选择及主接线方案的确定
4.1变电所主变压器台数和容量
根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：
a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式30S S T N ≥?，T N S ?为主变压器容量，30S 为总的计算负荷。选T N S ?=1250 kV A>30S =1068.49 kV A ，即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。
b)装设两台变压器 型号为S9型，而每台变压器容量根据式（4-1）、（4-2）选择，即
30(0.6~0.7)N T S S ?=? (4-1)
30(111)N T S S ?+≥ (4-2) 代入数据可得：N T S ?=（0.6~0.7）×1068.49=（641.09~747.94）kV A ?。
因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为Dyn11，如表3-1所示 。
表4-1 两台变压器的型号
变压器 型号
额定 容量 /kV A ?
额定 电压 /kV
联 结 组型 号
损耗/kW 空载 电流
0I %
短路 阻抗
K U %
高
压
低压
空载
负载 S9-630/10
630
10.5 0.4 Dyn11 1.3 5.8
3.0 5
（附：参考尺寸（mm ）：长：1760宽：1025高：1655 重量（kg ）：3410）
按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：
4.1.1装设一台主变压器的主接线方案
如图4-1所示
图4-1 装设一台主变压器的主接线方案
4.1.2装设两台主变压器的主接线方案
如图4-2所示
图4-2 装设两台主变压器的主接线方案
4.2 主接线方案的技术经济比较
a.装设一台变压器的主接线图方案和装设两台变压器的主接线图方案都满足安
全和可靠原则；
b.装设一台变压器的方案比装设两台变压器的灵活性较差，但也基本满足工厂要
求；
c.装设一台变压器方案所需的费用要远远低于装设两台变压器方案所需的费用。
从上述比较可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的主接线方案远优于装设两台主变的主接线方案，因此决定采用装设一台主变压器主接线方案，主接线图见附录。
第5章 短路电流的计算
5.1 绘制计算电路
图5-1 短路计算电路
5.2 确定短路计算基准值
设基准容量d S =100MVA ，基准电压d U =c U =1.05N U ，c U 为短路计算电压，即高压
侧1d U =10.5kV ，低压侧2d U =0.4kV ，则
kA kV MVA U S I d d d 5.55.103100311=?=
=
kA kV
MVA U S I d d d 1444.0310032
2=?==
5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值
1.电力系统
已知电力系统出口断路器的断流容量oc S =500MVA ，故 *1X =100MVA/500MVA=0.2 2.架空线路
查表得LGJ-150的线路电抗km x /36.00Ω=，而线路长8km ，故
6.2)
5.10(100)83
6.0(2202=?Ω?==*kV MVA
U S l
x X c d
3.电力变压器
查表得变压器的短路电压百分值%k U =4.5，故
500MVA K-1 K-2
LGJ-150,8km
10.5kV S9-1250 0.4kV
(2) (3)
(1) ～ ∞系统
kVA
MVA
S S U X N d k 12501001005.4100%3?
==
*=3.6
式中，N S 为变压器的额定容量
因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。
图5-2 短路计算等效电路
5.4 k-1点（10.5kV 侧）的相关计算
1.总电抗标幺值
*2
*1)1(X X X k +=*-∑=0.2+2.6=2.8
2. 三相短路电流周期分量有效值
kA kA
X
I I k d k 96.18
.25.5*
)
1(1*1==
=
-∑=
3.其他短路电流
kA I I I k 96.1)
3(1)3()3(''===-∞
kA kA I i sh 0.596.155.255.2)3('')3(=?==
kA kA I I sh 96.296.151.151.1)3('')3(=?==
4. 三相短路容量
MVA MVA
X
S S k d k 7.358
.2100*
)
1()3(1==
=
-∑-
5.5 k-2点（0.4kV 侧）的相关计算
1.总电抗标幺值
*3*2*1)1(X X X X k ++=*-∑=0.2+2.6+4.5=6.4
2.三相短路电流周期分量有效值
kA kA
X I I k d k 5.224
.6144*
)
2(2
*
2==
=
-∑=
3.其他短路电流
2.01 k-1
k-2
6
.22 6
.33
kA I I I k 5.22)
3(1)3()3(''===-∞
kA kA I i sh 4.417.1984.184.1)3('')3(=?==
kA kA I I sh 5.247.1909.109.1)3('')
3(=?==
4.三相短路容量
MVA MVA
X S S k d
k 6.154
.6100*
)
2()
3(2==
=
-∑- 如图表4-1所示。
表5-1 短路计算结果 短路计算点
三相短路电流
三相短路容量/MVA
)3(k I
)3(''I
)
3(∞I )
3(sh
i )
3(sh
I )
3(k
S k-1 1.96 1.96 1.96 5.0 2.96 35.7 k-2
22.5
22.5
22.5
41.4
24.5
15.6
第6章 变电所一次设备的选择校验
6.1 10kV 侧一次设备的选择校验
1.按工作电压选则
设备的额定电压e N U ?一般不应小于所在系统的额定电压N U ，即≥?e N U N U ，高压设备的额定电压e N U ?应不小于其所在系统的最高电压max U ，即≥?e N U max U 。
N U =10kV ， max U =11.5kV ，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压e N U ?=12kV ，穿墙套管额定电压e N U ?=11.5kV ，熔断器额定电压e N U ?=12kV 。 2.按工作电流选择
设备的额定电流e N I ?不应小于所在电路的计算电流30I ，即≥?e N I 30I 3.按断流能力选择
设备的额定开断电流oc I 或断流容量oc S ，对分断短路电流的设备来说，不应小于
它可能分断的最大短路有效值)3(k I 或短路容量)
3(k S ，即
≥oc I )3(k I 或≥)
3(oc S )3(k S
对于分断负荷设备电流的设备来说，则为≥oc I max ?OL I ，max
?OL I 为最大负荷电流。 4.隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验
a)动稳定校验条件
≥max i )
3(sh i 或)3(max sh I I ≥
max i 、max I 分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，)3(sh
i 、)
3(sh I 分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值
b)热稳定校验条件 i m a t t I t I 2
)3(2∞=
对于上面的分析，如表5-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。
表6-1 10 kV一次侧设备的选择校验
选择校验项目电压电流断流
能力
动稳定度热稳定度
其
它
装置地点条
件参数
N
U
N
I)3(
k
I)3(
sh
I
ima
t
I?
∞
2)3(
数据10Kv
72.2A
(
)
1(T
N
I
?
)
1.96k
A
5.0kA
5.8
2.2
96
.12=
?
一次设备型号规格
额定参数e N
U
?ε-
N
I
oc
I
max
i t
I
t
?2
高压少油断路器
SN10-10I/630
10kV 630kA 16kA 40 kA 1024
4
162=
?
高压隔离开关
6
8
GN-10/200 10kV 200A - 25.5 kA 500
5
102=
?
二
次
负
荷
0.6 高压熔断器
RN2-10
10kV 0.5A 50 kA - -
电压互感器
JDJ-10
10/0.1kV - - - -
电压互感器
JDZJ-10
kV
3
1.0
/
3
1.0
/
3
10
- - - -
电流互感器
LQJ-10
10kV 100/5A -
kA
1.0
2
225?
?
=31.8 kA
1
)1.0
90
(2?
?
=81
户外隔离开关
GW4-12/400
12kV 400A - 25kA 500
5
102=
?
6.2 380V侧一次设备的选择校验
同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表6-2所示，所选数据均满足要求。
表6-2 380V一次侧设备的选择校验
选择校验项目电压电流断流
能力
动稳
定度
热稳定度
其
它
装置地点
条件参数
N
U
N
I)3(
k
I)3(
sh
I
ima
t
I?
∞
2)3(- 数据380V
总
1607.58A
22.5kA 41.4kA
380
75
.0
5.
222=
?
-
一次设备型号规格
额定参数e N
U
?
e
N
I
?oc
I
max
i t
I
t
?2-
低压断路器QF/QF’
DW15-2500
380V 2000A 60kA 2500A - -
低压断路器QF1
DW15-200
380V200A20kA200A--
低压断路器QF2
DW15-400
380V 300A 25kA 400A- -
低压断路器QF3
DW15-200
380V 200A 20kA 200A - -
低压断路器QF4
DW15-400
380V 300A 25kA 400A - -
低压断路器QF5
DW15-200
380V 200A 20kA 200A - -
低压断路器QF6
DW15-200
380V 200A 20kA 200A - -
低压断路器QF7
DW15-200
380V 200A 20kA 200A - -
低压断路器QF8
DW15-200
380V 100A 20kA 200A - -
低压断路器QF9
DW15-200
380V 100A 20kA 200A - -
低压断路器QF10
DW15-200
380V 100A 20kA 200A - -
电流互感器
LMZJ1-0.5
500V 1500/5A - - - -
电流互感器
LMZ1-0.5
500V
100/5A
160/5A
- - - -
6.3 高低压母线的选择
查表得到，10kV 母线选LMY-3(40?4mm),即母线尺寸为40mm ?4mm;380V 母线选
LMY-3（100?10）+80?6，即相母线尺寸为100mm ?10mm ，而中性线母线尺寸为80mm ?6mm 。
线距mm a 160=，档距为m l 3.0=，档数大于2则最大动力：
2
2723272)3()3(/1.8/1016.03.0)105(3/103A N A N A N a l
i F sh =????=??=-- MPa W M C 8.22==σ ()
10/3l F M = 6/2h b W =
MPa MPa c al 8.2270=>=σσ
所以，高压母线满足要求。同理，,低压母线MPa MPa c al 8.3070=>=σσ满足要求。
第7章 变压所进出线与邻近单位联络线的选择
7.1 10kV 高压进线和引入电缆的选择
7.1.1 10kV 高压进线的选择校验
采用LGJ 型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV 公用干线。 a).按发热条件选择 由30I =T N I ?1=59A 及室外环境温度33°，查表得，初选LGJ-35,其35°C 时的al I =93.5>30I ,满足发热条件。
b).校验机械强度 查表得，最小允许截面积min A =352mm ，而LGJ-35满足要求，故选它。
由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。
7.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验
采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。
a)按发热条件选择 由30I =T N I ?1=59A 及土壤环境25°，查表得，初选缆线芯截面为252mm 的交联电缆，其al I =90A>30I ,满足发热条件。
b)校验热路稳定
按式C
t I A A ima )
3(min ∞
=≥，A 为电缆线截面积，单位为2mm ；
min A 为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为2mm ；C 为材料热稳定系数；)
3(∞I 为
电缆线通过的三相短路稳态电流，单位为A ；ima t 短路发热假想时间，单位为s 。本
电缆线中)3(∞I =1960，ima t =0.5+0.2+0.05=0.75s ，终端变电所保护动作时间为0.5s ，断
路器断路时间为0.2s ，C=77，把这些数据代入公式中得
2)
3(min 2277
75
.01960mm C
t I
A ima =?
==∞
7.2 380低压出线的选择 7.2.1 铸造车间
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