摘要
本次所设计的课题是某住宅小区供电系统的设计，该供电系统是有两个配电室和一个开闭所组成的住宅小区专用的降压变电系统，具有10kV和380V两个电压等级，10kV一侧接与110kV变电站的10kV母线，380V主要用于小区用户的用电。
本次所设计的供电系统是非常重要的，如果系统出故障了，将影响整个住宅小区的供电，所以可靠性要求很高。所以这次设计必须考虑到供电系统的安全性、可靠性及经济性。本说明书通过对变电站的主接线设计，短路电流计算，主要电气设备型号和参数的确定，电气设备的动热稳定校验，备用电源的自动投入设计，无功补偿设计，防雷和过电压保护装置的设计较为详细地完成了电力系统中变电站的设计。
本次设计论文是以我国现行的各有关规范规程等技术标准为依据，所设计是一次初步设计，根据任务书提供原始资料，参照有关资料及书籍，对各种方案进行比较而得出。
关键词配电室；短路计算；无功补偿；备用电源投入
Abstract
The design of this residential area is the subject of the preliminary design of 10kV power supply system, the power distribution system, there are two rooms and an opening and closing a residential area consisting of a dedicated step-down transformer system with 10kV and 380V 2 a voltage, 10kV and 110kV substation side of the access bus 10kV, 380V electricity mainly for residential users.
The power supply system designed is very important, if the system is broken, the entire residential area will affect the power supply, so the high reliability requirements. Therefore, the design must take into account the power system security, reliability and economy. This manual wiring through the main substation design, short circuit current calculation, the main electrical equipment to determine the model and parameters, electrical equipment, the dynamic thermal stability test, automatic backup power supply design, reactive power compensation design, lightning protection and over voltage protection Device completed in detail the design of substations in power system.
This design thesis is based on our current norms of order and other relevant technical standards as the basis, the design is a preliminary design, according to mandate of the original book to provide information, reference information and books, to compare the various programs which have come.
Keywords Distribution room ; Short-circuit calculation; Reactive power compensation ; Backup Power Input
目录
摘要 ...................................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................................ II 目录 .................................................................................................................................................... I II 1 绪论 .. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 设计的目的和基本要求 (1)
1.3 论文研究的主要内容 (2)
2.1 负荷计算 (3)
2.1.1 计算负荷的意义及计算目的 (3)
2.1.2 电力负荷的分级及其对供电的要求 (3)
2.1.3确定计算负荷系数 (4)
2.1.4求计算负荷的方法 (4)
2.15负荷资料 (5)
2.2.1 主变压器的选择原则 (6)
2.2.2 主变台数的确定 (6)
2.2.3 主变压器容量的确定 (7)
2.2.4 主变压器型号的确定 (7)
3 电气主接线的设计 (9)
3.1 电气主接线设计 (9)
3.1.1 电气主接线设计的重要性 (9)
3.1.2 电气主接线设计的步骤 (9)
3.2 开闭所及配电室位置和数量的设计 (10)
3.2.1 电气主接线的基本形式 (10)
3.2.2 各接线的适用范围 (10)
3.3 供电系统主接线方案的设计 (12)
3.3.1 配电室主接线的设计 (12)
4 短路电流计算 (13)
4.1 短路计算概述 (13)
4.1.1 短路电流计算的目的 (14)
4.1.2 短路电流计算的一般规定 (14)
4.1.3 短路电流的计算步骤 (15)
4.2 短路电流的计算 (15)
4.2.1短路计算 (15)
4.2.1短路电流的计算 (16)
5 电气设备的选择与校验 (20)
5.1 电气设备选择的一般条件 (20)
5.1.1 按正常工作条件选择 (20)
5.1.2 按短路条件进行校验 (21)
5.2 各电气设备选择的原则 (22)
5.2.1 断路器的选择原则 (22)
5.2.2 隔离开关的选择原则 (23)
5.2.3 避雷器的配置原则 (24)
5.2.4 电流互感器的选择原则 (24)
5.2.5 电压互感器的选择 (26)
5.3 10kV侧设备的选择 (27)
5.4 380V侧设备的选择 (29)
6 防雷与接地 (31)
6.1 变电所的防雷保护 (31)
6.2变电所的接地 (32)
6.2.1接地装置的设计计算 (32)
6.2.2 变电所公共接地装置的具体计算 (33)
7 备用电源自动投入 (35)
7.1 自动投入装置 (35)
7.2自动投入装置的运行 (35)
结论 (37)
参考文献 (38)
附录配电室接线图 (39)
致谢 (41)
1 绪论
1.1 课题背景
随着经济的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求日益提高。国家提出了加快城网和农网建设及改造，拉动内需的发展计划，城网和农网变电所的建设迅猛发展。在城市人口集中、高楼大厦林立、用地十分紧张的情况下，城市的高低压线路走廊受到限制，给城市高低压网络的发展和变电所建设带来一定困难。农村自身的特点也给农网和变电所建设带来一定困难。如何设计城网和农网变电所，是城网和农网建设、改造中需要研究和解决的一个重要课题。
变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所，是电力系统中电能传输必不可少的环节，起着桥梁的作用。变电所是电力配送的重要环节，也是电网建设的关键环节。变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。为满足城镇负荷日益增长的需要，提高对用户供电的可靠性和电能质量，就需要做到变电所整体的稳定、可靠并采取相应的措施提高供电可靠性和提高电能质量。变电所结构的改进、新型建材的采用、施工装备的更新、施工方法的改进、代管理的运用、队伍素质的提高、使火电厂土建施工技术及施工组织水平也相应地随之不断提高。变电站是电网建设和电网络改造中非常重要技术环节，所以做好变电站的设计是我国电网建设的重要环节。现在根据电力系统和城市住宅小区的发展规划，拟在某地区新建10kV的变电站。
1.2 设计的目的和基本要求
随着社会的发展，电能被日益广泛的应用于工农业生产以及人民的日常工作中。因为电能可以方便的转化为其他形式的能源，例如：机械能、热能、光能、磁能等等；并且电能的输送和分配易于实现，可以输送到需要它的任何工作场所和生活场所；电能的应用规模也很灵活。以电作为动力，可以促进工农业生产的机械化和自动化，保证产品质量，大幅提高劳动生产率。同时提高电气化程度，以电能代替其他形式的能源，是节约能源消耗的一个重要的途径。
在电力系统设计中，应贯彻国家个项方针政策，遵照有关的设计技术规定。从整体出发，深入论证电源布置的合理性，论证其安全可靠性和经济性，并对此进行必要的计算。尚需注意近期与远期的关系，发电、输电、变电工程的协调，并为电力系统继电保护、安全自动装置及以下一级电压的系统设计创造条件。
1.3 论文研究的主要内容
供电系统的设计是根据电力用户所处地理环境、地区供电条件、工艺和公用工程设计所提用电负荷资料等进行的。供电设计一般分为两个阶段，初步设计阶段和施工图设计阶段。初步设计阶段主要落实供电电源及供电方式，确定供电系统方案；施工图设计阶段则依据初步设计方案具体绘制施工图，选定电气设备并编制概算。
供电设计的主要内容有：
（1）按照工艺和公用工程设计所提供的用电设备资料，求计算负荷；
（2）根据负荷等级和计算负荷，选定供电电源、电压等级和供电方式；
（3）确定功率因数及补偿措施；
（4）根据环境和计算负荷，选择变电所位置、变压器数量和容量；
（5）确定变配电所主接线和户外高压配电方案；
（6）选择并校验电气设备及配电网路载流导体截面；
（7）继电保护系统设计和参数整定计算；
（8）确定高压变配电所的的控制和调度方式；
（9）防雷设计和接地设计；
（10）绘制供电系统施工图；
（11）核算建设所需器材与总投资。
供电设计是一项综合性技术工作，涉及内容广泛，要求设计人员不仅精通供电的基本原理和计算方法，熟悉高低压电气设备，还必须具备工艺、建筑、公用工程等方面的基本知识。
本论文主要以电力用户供电系统的设计为主线，着重介绍供用电的基本原理工程计算方法、主要电气设备选择、供电设计方法。
2 负荷计算及主变压器的选择
2.1 负荷计算
计算负荷是供电系统设计计算的基础。对于各种类型的用户，由于其供电系统设计的基本原理和方法都是相同的，所以在工程实践中根据不同的计算目的针对不同类型的负荷，总结出的各种负荷的计算方法具有普遍的意义。
2.1.1 计算负荷的意义及计算目的
计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷。这个负荷是设计是作为选择电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数依据，所以非常重要。
根据原始资料正确估计住宅小区所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度，影响电力设计的的质量，如果估算过高，将增加供电设备的容量，使小区电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。但如果估算过低，又会使小区投入使用后，使供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其绝缘的老化速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。
负荷计算主要包括：
(1)求计算负荷(也称需用负荷)。目的是为了合理地选择供电网络变压器容量和电器设备型号等。
(2)算出尖峰电流。用与计算电压波动、电压损失，选择熔断器和保护元件等。
(3)算出平均负荷。用来计算电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。
2.1.2 电力负荷的分级及其对供电的要求
根据用电设备在工艺生产中的作用，以及供电中断对人身和设备安全的影响，电力负荷通常可分为三个等级。
（1）一级负荷
中断供电将造成人身伤亡，或重大设备损坏难以修复，带来极大的政治、经济损失者，属于一级负荷：一级负荷要求有两个独立电源供电。
（2）二级负荷
中断供电将造成设备局部破坏或生产流程紊乱且需较长时间才能恢复，或大量产品报废、重要产品大量减产、造成较大经济损失者，属于二级负荷；二级负
荷应由两回线供电。但当两回线路有困难时(如边远地区)，允许由一回专用架空线路供电。
（3）三级负荷
不属于—级和二级的一般电力负荷即为三级负荷。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电．可用单回线路供电。
2.1.3确定计算负荷系数
1.需要系数d K
需要系数d K 定义为
N c d P P K /= (2-1) 式中 c P —计算负荷的有功功率；
N P —该用电设备的总额定容量。
该系数反映的是计算负荷与设备组的额定容量关系。因此它与用电设备中设备的负荷率、设备的平均效率、设备的同时利用系数以及供电线路的效率等因素有关。
2.利用系数
利用系数定义为
N av x P P K /= （2-2） 式中 av P —用电设备在最大负荷工作班消耗的平均功率；
N P —该用电设备的总额定容量。
3.形状系数z K
形状系数定义为
z K =e P /av P （2-3） 式中 e P —负荷的有效值。
2.1.4求计算负荷的方法
常用的计算方法有需用系数法、二项式法、利用系数法、用ABC 法单位产品耗电量法和单位面积功率法等。在实际工程供配电设计中，广泛采用需用系数法。因此种方法计算简便，多用于方案估算、初步设计和全厂、大型车间变电所的施工设计。二项式法考虑了用电设备数量和大容量设备对计算负荷的影响，因而一般用于低压配电线、机械加工业的施工设计。利用系数法、ABC 法，虽从理论分析来看，计算结果更接近实际，但目前累积的实用数据不多，在工程设计中仍未得到普遍采用。最后的两种方法常用于方案估算。
(1) 需要系数是把设备功率乘以需要系数和同时系数，直接来计算负荷。这种方法比较简便，因而广泛使用。当用电设备少而功率相差悬殊时，这种方法的计算结果往往偏小，所以不适用于低压配电线路的计算，常用于计算变、配电所的负荷。
(2) 二项式法指计算负荷包括用电设备组的平均功率，同时考虑数台大功率设备工作对负荷影响的附加功率。这种方法也比较简便但计算结果往往偏大，一般用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算。
(3) 利用系数法是采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，在考虑设备台数和功率差异的心的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出计算负荷，这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际，适用于各种范围的负荷计算，但计算过程繁琐，工程设计中仍不普遍采用。
(4) 除以上方法外，还有单位产品电量法、单位面积功率法、负荷密度法、ABC 法、变量需要系数法等。这些方法有的只适用某些工业，有的使用数据不多，有的尚未推广。
2.15负荷资料
结合城镇住宅小区建设的现状和近期发展来看，没有高层建筑，无须设置电梯，没有中央空调或供热设施，公共设施一般只考虑路灯的用电。小区商场可考虑安装专用的变压器，利于用电管理。所以城镇小区用电负荷预测较为简单，主要考虑住宅用电即可。
单位面积法计算：综合城镇建设实际，近几年小区内的住宅面积可分为3类：
1002m 以下为小户型，100～1302m 为中户型，1302m 以上为大户型(天地楼或楼中楼)。据有关资料介绍，新建住宅内居民按建筑面积50W /2m 负荷密度计算，则小型住户计算负荷为5kW ，中型住户计算负荷为6kW ，大型住户计算负荷为10kW 。
用需要系数法计算：居民用电的最大负荷出现在夏季19～23时时间段用电负荷是用电设备容量的45％，所以小型住宅的计算负荷取5kW ，中型用户计算负荷取6kW ，大型住户计算负荷取10kW ，与单位面积法基本吻合。
负荷功率因数：?cos =0.92，则42.0tan =?。
本设计小区共有十二栋居民楼。每栋楼三个单元，楼高六层，每层两户，共432户，根据相关资料，每户负荷按10kW 计算。三栋楼为一个整体，则三栋楼的总负荷为
e P =10×36×3kW =1080kW
查阅相关资料得知住宅小区的需要系数d K 取80.0~60.0本设计取d K =0.65, 计算负荷小于5000kW 的同期系数取0.1~9.0。此设计取同期系数为0.9。
所以三栋楼
=c P d K ∑K 1e P =0.65×0.9×1080kW =631.8kW
=c Q c P ×?tan =631.8×0.42kvar=265.4kvar
A kV A kV Q P S c c C ?=?+=+=2.6854.2658.631222
2 2.2.1 主变压器的选择原则
1.小区变压器位置选择
（1）要考虑设在负荷中心。这样可减小低压线路的供电半径，降低线损，节约有色金属等。
(2)要考虑设备运输、安装方便，及进出线的安装位置，可使施工方便，利于维护。
(3)配电房或箱变应为独立建筑，最好不设在住宅楼内。以免变压器噪音影响住户，且运行安全，维护方便
2.主变容量的选择
（1）一般按变电所建成后5—10年的规划负荷来进行选择，并适当考虑远期10—20年的负荷发展。
（2）根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量。对于有重要负荷的变电所，应考虑一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许时间内，保证用户的Ⅰ级和Ⅱ级负荷，对于一般变电所，当一台主变停运时，其他变压器容量应能保证全部负荷的60%-80%。
（3）为了保证供电可靠性，变电所一般装设两台主变，有条件的应考虑设三台主变的可能性。
2.2.2 主变台数的确定
根据原始资料，本变电室为住宅小区专用变电室，出线多，负荷轻，所以考虑每处配电所配置两台主变压器，总共需要四台主变压器。可保证供电的可靠性，避免一处配电室或一台变压器故障或检修时影响对用户的供电。一至三号楼和四到六号楼采用两台变压器互为备用，七至九号楼和十至十二号楼采用两台变压器互为备用。
2.2.3 主变压器容量的确定
随着人们生活水平的提高，住宅面积逐渐增加，家用电器的普及并增多，特别是这几年随着空调、电热水器、微波炉、电磁炉等大功率电器的普及，家庭用电量大大增加。
由负荷计算可知：每三栋楼的总负荷为
A kV A kV Q P S c c C ?=?+=+=2.6854.2658.631222
2 考虑到互为备用，任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷的%70~%60的需要，即
C T N S S )7.0~6.0(≥?
A kV S T N ?=+?≥?4.822)2.6852.685(7.0
所以选择容量为1000A kV ?的电力变压器。
2.2.4 主变压器型号的确定
1.相数的确定
变压器的相数形式有单相和三相，主变压器是采用三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。规程上规定，当不受运输条件限制时，容量为300MW 及以下机组单元连接主变压器和330kV 及以下的发电厂用变电站，一般选用三相变压器。因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而不作考虑。
2.绕组数的确定
绕组的形式主要有双绕组、三绕组或更多绕组等型式。根据本变电所的条件，主要是把10kV 电压变为380V 。所以选择双绕组变压器。
3.绕组接线组别的确定
变压器的三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行。对于10kV 变电所，主变压器一般采用 常规接线。
4.调压方式的确定
为了保证变电站的供电质量，电压必须维持在允许范围内。通过变压器的分接头开关切换，改变变压器高压部分绕组匝数，从而改变变压器高压部分绕组匝数，从而改变其变比，实现电压调整。切换方式有两种：不带电切换，称无励磁调压，调整范围通常在5.22?±% 以内；另一种是带负荷切换，称为有载调压，调整范围可达30%。其结构复杂，价格较贵，主要适用接于出力变化大的发电厂的主
变压器和接于时而为送端，时而为受端，要求母线电压恒定时。本变电站选用有载调压。
5.冷却方式
电力变压器的冷却方式随变压器型式和容量不同而异，一般有自然风冷却、强迫风冷却、强迫油循环水冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环导向冷却。自然风冷却及强迫风冷却适用于中、小型变压器；大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。在水源充足的条件下，为压缩占地面积，也可采用强迫油循环水冷却方式。
根据上述对变压器选择的分析，在每个配电室中装设两台主变压器，采用常规接线。由于此配电室为住宅小区的配电室，故当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能满足全部负荷的70%，选择变压器为：
7
SL-1000/10，参数如表2.1。
表2.1变压器参数
型号额定容
量
额定电压
kV
阻抗
电压
（%）
空载损
耗（W）
短路损
耗（W）
空载电
流（%）
连接组
别高压低压
1000
9
S1000 10 0.4 4.5 1700 10300 0.7 Yyn0
3 电气主接线的设计
3.1 电气主接线设计
设计主接线应因地制宜地综合分析各站的容量，负荷性质以及在系统中的地位等条件，依据国家有关政策及技术规范，正确确定主接线的形式，合理选择变压器的容量，和结构形式。在设计过程中，对原始资料进行详尽分析，关注电力市场化改革，对草拟的主接线方案进行比较时，始终围绕着可靠性和经济性之间的协调，使主接线方案保证供电可靠和技术先进，且最终又尽可能的满足经济原则。
3.1.1 电气主接线设计的重要性
电气主接线是电力系统接线的主要组成部分。它表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量和连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务。它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。
3.1.2 电气主接线设计的步骤
1.根据下达的设计任务书的要求，在分析原始资料的基础上，并依据主接线的设计原则从技术上论证各方案的优、缺点，选出2－3各较佳的方案。
2.对拟订的2－3个方案进行技术、经济比较，选出最好的方案。各主接线方案都应该满足系统和用户对供电可靠性的要求，最后确定何种方案，要通过经济比较，选年运行费用最小的作为最终方案，当然，还要兼顾到今后的扩容和发展。
3.对电气主接线设计的基本要求
主接线应满足可靠性、灵活性、经济性等要求。
（1）可靠性：为了向用户供应持续、优质的电力，主接线首先必须满足这一可靠性的要求。主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显的尤为重要。
为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，作出切合实际的决定。
（2）灵活性：电气主接线的设计，应当在运行、热备用、冷备用和检修等各种方式下的运行要求。在调度时，可以灵活地投入或切除发电机、变压器和线路等元件，合理调配电源和负荷。在检修时，可以方便地停运断路器、母线及二次设备，并方便设备的安全措施，不影响电网正常运行和对其他用户的供电。
（3）经济性：方案的经济性体现在以下三个方面。
采用简单的接线方式，少用设备，节省设备上的投资。在投资初期回路数较少时，更有条件采用设备用量较少的简化接线。能缓装的设备，不提前采购装设；在设备型式和额定参数的选择上，要结合工程情况恰到好处，避免以大代小，以高代低；在选择接线方式时，要考虑到设备布置的占地面积大小，要力求减少占地，节省配电装置的征地费用。
3.2 开闭所及配电室位置和数量的设计
根据原始资料及小区的地理位置，确定设计两个配电室分布在小区的东西两侧。考虑到电缆的长短会对经济利益造成影响，决定设计一处开闭所。这样可保证供电的可靠性，安全性，经济性。
3.2.1 电气主接线的基本形式
有汇流母线的主接线形式包括单母线和双母线接线。单母线又分为单母线接线、单母线分段、单母线分段带旁路母线等形式；双母线又分为双母线接线、双母线分段、带旁路母线的双母线和二分之三接线的形式。
无汇流母线主要有单元接线、扩大单元接线、桥形接线、角形接线。
3.2.2 各接线的适用范围
1.单母线制
适用范围：
一般只适用于只有一回进线的情况单母线制的可靠性和灵活性都较低，母线或连接于母线上的任一隔离开关发生事故或检修时，都将影响全部负荷用电。单母线制如图3-1所示。
2.单母线分段制：
适用范围：
在两回电源进线的情况下，宜采用单母线分段制，母线分段开关可采用分离开关或断路器，当分段开关需要带负荷操作或继电保护和自动装置有要求时，应采用断路器，否则可仅装设隔离开关。当双回路同时供电时，母线分段开关通常是打开的，一条回路故障或一段母线故障将不影响另一段母线的正常供电。此外，检修亦可采用分段检修方式，不致使全部负荷供电中断。单母线分段制中，正常情况下，母线是“合”或是“分”，应根据技术经济比较而定。在用户系统中，一般采用“分”的方式。
单母线分段的缺点是：（1）某分段的母线、母线分段开关发生故障或检修时，电源只能通过一回进线供电，供电率较低，从而使部分用户停电。（2）分段上进行检修时，该段重要用户失去备用。单母线分段制如图3-2所示。
图3-1 单母线制
(a) (b)
图3-2 单母线分段制
（a）用隔离开关分段；（b）用断路器分段
3.双母线制