黑龙江交通职业技术学院
毕业设计（论文）
题目35KV变电站及低压配
电系统设计
专业班级电气自动化技术0936
姓名马明慧
学号200831027
2011年 06月 07日
毕业设计（论文）开题报告
中期进展情况检查表
年月日
毕业设计(论文)结题验收一、完成日期
二、完成质量
三、存在问题
四、结论
指导教师：
年月日
目录
摘要 (1)
一、原始资料及任务书 (2)
（一）设计原始资料 (2)
二、负荷的计算及无功功率的补偿 (3)
（一）计算负荷的定义、意义及目的 (3)
（二）用电设备的计算负荷 (3)
（三）变所低压母线上的负荷计算 (6)
（四）无功功率的补偿计算 (7)
（五）变电所中变压器台数与容量的选择 (7)
三、全厂供电系统草图 (9)
（一）电气主接线概述 (9)
（二）变电所中电气主接线的作用 (9)
（三）全厂供电系统草图 (9)
四、短路电流计算 (11)
（一）短路的基本概念 (11)
（二）短路电流计算得目的与基本假设 (12)
（三）无限大容量电源系统的三相短路过程分析 (12)
（四）无限大容量电源系统的三相短路电流计算 (15)
五、35KV、6KV供电线路的选择 (22)
（一）导线和电缆截面的选择方法 (22)
（二）35KV架空线的选择 (22)
六、室内供电及照明线路的选择 (25)
（一）电压的选择 (25)
（二）照度计算 (25)
（三）光电源类型的选择 (27)
（四）灯具的布置 (28)
（五）负荷计算 (29)
（六）电气设备与管线的选择 (29)
（七）电气照明相关图纸 (31)
致谢 (34)
参考文献 (35)
摘要
本文对某重型机器厂供电系统的供配电情况进行相关的研究和设计，其负荷中既有一级负荷，也存在二、三级负荷，针对不同的负荷，供电系统需要有不同的供电方式，设计按要求对其全场负荷进行了计算并合理的选择了主变压器，采用了单母线、桥式接线等多种主接线方式，综合各方面的要求，按照电气设备的一般选择原则和主要电气设备的具体选择和校验方法，对电气设备以及导线、电缆的选择进行了深层次的讨论，较好的完成了预定的任务。
工厂总降压变电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况.解决对各部门的安全可靠，经济技术的分配电能问题。其基本内容有以下几方面：进线电压的选择, 变配电所位置的电气设计, 短路电流的计算及保护, 电气设备的选择,车间变电所位置和变压器数量、容量的选择,车间照明设计等。
关键词：供电系统变压器负荷照明设计
1
一、原始资料及任务书
（一）设计原始资料
该厂为大型国有企业，下属九个车间、两个站，各车间、站用电设备安装容量见表1-1，其中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷，其他为二、三级负荷。供电电源取自12KM 处一110/35KV变电所 35KV 的两段母线，母线最大运行方式、最小运行方式短路容量分别为Skmax=215MVA 和Skmin=150MVA，35KV 架空进线继电保护时间为1.5S，35KV电气设备及主变压器采用户外布置，6KV为成套高压开关柜采用户内布置，厂变电所35KV采用内桥接线，6KV采用单母线分段接线，一级负荷分别从6KV两段母线配出两回线路，其余为单回路供电。该地区年最高气温38℃。
表1-1 全厂各车间负荷情况汇总表
2.设计任务：
(1)负荷的计算及无功功率的补偿；
(2)变电所主变压器台数和容量、型式的确定；
(3)变电所主接线方案的选择、进出线的选择；
(4)短路计算和开关设备的选择；
(5)车间配电线路布线方案的确定；
(6)线路导线及其配电设备和保护设备的选择及工厂电气照明。
3.设计要求
按照国家标准GB50052-95 《供配电系统设计规范》、GB50053-94 《10kv及以下设计规范》、GB50054-95 《低压配电设计规范》等的规定，进行工厂的供电设计要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定供电设备的型式，选择主接线方案及高低压设备和进出线。
二、负荷的计算及无功功率的补偿
（一）计算负荷的定义、意义及目的
计算负荷是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷，其物理含义是计算负荷所产生的恒定温升等于实际变化负荷长生的最高温升。
供配电系统要在正常条件下可靠地运行，则其中每个元件都必须选择得当，除了应该满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此，有必要对供电系统各个环节的电力负荷进行统计计算。
计算负荷是进行供电系统设计，选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。计算负荷的计算是否准确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济、合理。如果计算负荷偏大，则使电器和导线截面选择偏大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷偏小，则使电器和导线处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成经济损失。因此，计算负荷意义重大，是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
（二）用电设备的计算负荷
负荷计算的常用方法有需要系数法、二项式法、和利用系数法。需要系数法因为比较简便因而广泛使用，用电设备少而功率相差大时，计算结果一般偏小，故不能适用于低压配电线路的计算，而适用于计算变、配电所的负荷。二项式法也比较简便，它考虑了数台大功率设备工作时对负荷影响的附加功率，但一般计算结果偏大，适用于低压配电支干线的计算。
在本次供电系统设计任务中，我们已知工厂所用的额定电压值以及各车间、场站的安装容量和需要系数和。利用需要系数法便可方便准确的计算出各个负荷的计算容量和计算电流等数值。
需要系数法用到的公式有：
(式2-1)
(式2-2)
(式2-3)
(式2-4)
(式2-5) 式中表示用电设备组的有功计算负荷
表示用电设备组的无功计算负荷
表示用电设备组的视在计算负荷
表示计算电流，表示用电设备组的需要系数
表示用电设备组的额定容量之和
φ是用电设备组的功率因数角
表示设备组的额定功率。
下面开始计算：
金工车间：
铸钢车间：
铸铁车间：
水压机车间：
按同样的方法，我们对其余车间（包括冷却车间、附件车间、热处理车间、铸件清理车间、机修车间、煤气站、氧气站）进行相关计算，并将所有计算出的数据，总结填入表2-1中。
表2-1 负荷统计
（三）变所低压母线上的负荷计算
计算变电所低压母线上的计算负荷，亦采用同样的方法，即将车间各用电设备组计算负荷相加后，乘以最大负荷同时系数，使得车间变电所低压母线上的计算负荷，其计算公式如下：
总有功计算负荷：
(式2-6) 总无功计算负荷：
(式2-7) 总视在功率：
(式2-8) 式中，，，分别为车间变电所低压母线上的有、无功及视在计算负荷；
, 表示各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和；
表示最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组最大计算负荷不会同时出现而引入的系数。
表2-1中我们已经求出各个车间的有功、无功和视在计算负荷，根据所给的条件查表得K∑ = 0.9 ，下面我们进行计算：
总功率因数
（四）无功功率的补偿计算
工厂电力供应在设计阶段要根据设计计算的功率因数和供电局指定的功率因数提出为提高功率因数所用的补偿装置类型和容量。100kV·A 及以上高压供电的用户，功率因数为0.90 以上，凡功率因数未达到上述规定的，应增添无功补偿装置，通常采用并联电容器进行补偿。并联电容器补偿即用静电电容器作无功补偿以提高功率因数，电力电容器的补偿容量Qc = αPca(tanφ1 -tanφ2)式中，Pca表示最大有功计算负荷 tanφ1表示补偿前的平均功率因数角的正切值。
即
针对任务要求，我们令补偿后的cosφ2 = 0.95
即
由并联电容器容量，我们选取电容型号为：BWF6.3-100-1W，其额定容量为100kvar，按要求我们需选取24 台该型号的并联电容器，每相装 8 台，此时的实际补偿容量为24×100=2400kvar 补偿后的实际平均功率因数
（五）变电所中变压器台数与容量的选择
1.主变压器台数时应考虑下列原则。
(1)应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但必须在低压侧敷设与其他变电所相连的联络线作为备用电源，或另有自备电源。
(2)对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所，也可考虑采用两台变压器。
(3)除上述两种情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。但是负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台或多台变压器。
(4)在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。
在本次设计中，水压机、铸钢车间、煤气、氧气站四个车间为一级负荷，其他为二三
级负荷，应采用两台变压器使变压器能对负荷持续不间断供电。
2.所主电压器容量的选择
每台变压器的容量SN.T应同时满足以下两个条件：
(1)任一台变压器单独运行时，宜满足总计算负荷S30的70%的需要。
(2)任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的需要。由2.4.3节计算的结果，总视在计算负荷为9560.79KVA，根据所给参数，查阅相关资料，选定的变压器型号为：S9-12500/35（2 台），其性能参数见表2-2
表2-2 S9-12500/35电力变压器性能参数
三、全厂供电系统草图
（一）电气主接线概述
电气主接线是指变电所中的一次设备按照设计要求连接起来，表示接受和分配电能的电路，也称为主电路。电气主接线中的设备用标准的图形符号和文字符号表示的电路图称为电气主接线图。因为三相交流电气设备的每相结构一般是相同的，所以电气主接线图一般绘成单线图，只是在局部需要表明三相电路不对称连接时，才将局部绘制成三线图；电气主接线对变电所以及电力系统的安全、可靠和经济的运行起着重要作用。因此，对变配电所主接线有着安全、可靠、灵活、经济的基本要求。
（二）变电所中电气主接线的作用
1.电气主接线是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，因此电气运行人员必须熟悉变电所中电气主接线，了解电路中各种设备的用途、性能及维护检查项目和运行操作步骤等。
2.电气主接线表明了变压器、断路器和线路等电气设备的数量、规格、连接方式及可能的运行方式。电气主接线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。是变电所电器部分投资大小的决定性因素。
3.由于电能生产的特点是：发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线的好坏直接关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，也直接影响到工农业生产和人民生活。所以电气主接线拟订是一个综合性问题，必须在国家有关技术经济政策的前提下，力争使其技术先进，经济合理，安全可靠。
（三）全厂供电系统草图
根据设计要求，变电所装有两台主变压器，且一次侧采用内桥接线，二次侧采用单母线分段接线，其主接线图如图3-1所示。工厂中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷，其余为二三级负荷。一级负荷由于其涉及到人身安全和重要经济部门，所以对一级负荷的供电必须采用双回路，此处先从单母分段的 6kV 线路的两段母线分别向负荷供电，以保证一类负荷不会断电。二、三级负荷不需要不间断供电，因此，只需从6kV 母线的一段上引出进线即可，但需将各个负荷较为均匀的分配在两段母线上。
图3-1采用内桥式接线的总降压变电所主接线图
设计采用内桥式结线的总降变电所主接线，这种主接线，其一次侧的高压断路器QF3跨接在两路电源进线之间，犹如一架桥梁，而且处在线路断路器 QF1 和 QF2的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式接线。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用一、二级负荷的工厂。
如果某路电源例如 WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF1，投入 QF3(其两侧 QS 先合)，即可由WL2 恢复对变压器T1的供电。这种内桥式接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、变压器不需经常切换的总降压变电所。
四、短路电流计算
（一）短路的基本概念
1.短路电流的原因
用户供配电系统要求安全、可靠、不间断地供电，以保证生产和生活的需要。但是由于各种原因，系统难免出现故障，其中最严重的故障就是短路。所谓短路，是指供配电系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。短路发生的原因是多种多样的，主要有：
(1)电气设备存在隐患，如设备的绝缘材料自然老化、绝缘材料机械损伤、设备缺陷未被发现和消除、设计安装有误等。
(2)运行、维护不当，如不遵守操作规程而发生误操作，技术水平低，管理不善等。
(3)自然灾害，如雷电过电压击穿设备绝缘，特大的洪水、大风、冰雪、地震等引起的线路倒杆、断线，鸟、老鼠及蛇等小动物跨越裸露的导体等。
2.短路的种类
图4-1三相供电系统短路种类
在三相供电系统中，短路的种类主要有 4种：
(1)三相短路，是指供电系统中三相导线间发生对称性的短路，用k(3)表示，如图4-1
(a)所示。
(2)两相短路，是指三相供电系统中任意两相间发生的短路，用k(2)表示，如图4-1 (b)所示。
(3)单相短路，是指供电系统中任一相经大地与电源中性点发生短路，用k(1)表示，如图4-1 (c)、图4-1 (d)所示。
(4)两相接地短路，两相接地短路是指中性点不接地的电力系统中两不同相的单相接地所形成的相间短路，用k(1.1)表示。如图4-1 (e)所示；也指两相短路又接地的情况，如图4-1 (f)所示。
上述的三相短路，属对称性短路；其他形式的短路，都属不对称短路。电力系统中，
发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。从短路电流大小来看，一般三相短路的短路电流值最大，造成的危害也最严重；而两相短路的短路电流值最小。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择校验电气设备用的短路电流采用系统最大运行方式下的三相短路电流。而在继电保护(如过电流保护)的灵敏度计算中，则采用系统最小运行方式下的两相短路电流。
（二）短路电流计算得目的与基本假设
1.短路电流计算的目的
为确保电气设备在短路情况下不致损坏，减轻短路危害和防止故障扩大，必须事先对短路电流进行计算。计算短路电流的目的是：
(1)选择和校验电气设备。
(2)进行继电保护装置的选型与整定计算。
(3)分析电力系统的故障及稳定性能，选择限制短路电流的措施。
(4)确定电力线路对通信线路的影响等。
2.短路电流计算的基本假设
选择和校验电气设备时，一般只需近似计算在系统最大运行方式下可能通过设备的最大三相短路电流值。设计继电保护和分析电力系统故障时，应计算各种短路情况下的短路电流和各母线接点的电压。要准确计算短路电流是相当复杂的，在工程上多采用近似计算法。这种方法建立在一系列假设的基础上，计算结果稍偏大。基本假设有：
(1)忽略磁路的饱和与磁滞现象，认为系统中各元件参数恒定。
(2)忽略各元件的电阻。高压电网中各种电气元件的电阻一般都比电抗小得多，各阻抗元件均可用一等值电抗表示。但短路回路的总电阻大于总电抗的1/3 时，应计入电气元件的电阻。此外，在计算暂态过程的时间常数时，各元件的电阻不能忽略。
(3)忽略短路点的过渡电阻。过渡电阻是指相与相或者相与地之间短接所经过的电阻。一般情况下，都以金属性短路对待，只是在某些继电保护的计算中才考虑过渡电阻。
(4)除不对称故障处出现局部不对称外，实际的电力系统通常都可以看做三相对称的。（三）无限大容量电源系统的三相短路过程分析
1.无限大容量电源系统
电力系统的容量即为其各发电厂运转发电机的容量之和。实际电力系统的容量和阻抗都有一定的数值。系统容量越大，则系统内阻抗就越小。无限大容量电源系统，指其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供配电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所中母线上的电压能基本维持不变。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路回路总阻抗的5%~10%，或电力系统的容量超过用户供电系统容量 50倍时，可将电力系统看作无限大容量电源系统。
对一般用户供配电系统来说，由于用户供配电系统的容量远比电力系统的总容量小，而阻抗又较电力系统大得多。因此，用户供配电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统看作无限大容量电源系统。在等值电路图中表示为S＝∞和X＝0。
按无限大容量电源系统计算所得的短路电流是装置通过的最大短路电流。因此，在估算装置的最大短路电流时，就可以认为短路回路所接电源是无限大容量电源系统。
2.三相短路过渡过程分析
电力系统的短路故障往往是突然发生的。短路发生后，电系统就由工作状态经过一个暂态过程(或称短路瞬变过程)，然后进入短路后的稳定状态。电流也将由原来正常的负荷电流突然增大，再经过暂态过程达到短路后的稳态值。由于暂态过程中的短路电流比起稳态值要大得多，所以暂态过程虽然时间很短，但它对电气设备的危害远比稳态短路电流的危害要严重得多。因此，有必要对三相短路的暂态过程加以分析。
图4-3(a)是一个电源为无限大容量的用户供电系统发生三相短路时的电路图。假设电
源和负荷都是三相对称，则可取一相来分析，电路如图4-3 (b)所示。
图4-2 三相短路电路图及其等效电路
设电源相电压uφ = Uφm sinωt正常负荷电流为i = Im sin(ωt-φ) 现t=0时短路(等效为开关闭合)，则图 (b)所示等效电路的电压方程为
(式4-1)
式中表示每相短路电流瞬时值：
、表示短路回路的总电阻和总电感。
这个微分方程的解为
(式4-2)
式中 Ikm 表示短路电流周期分量的幅值
φk表示短路电流与电压之间的相角，
τ表示短路回路的时间常数，C是积分常数，其值由初始条件决定。
当t＝0 发生三相短路瞬间，由于短路回路存在着电感，因此电流不能突变，即i0 = ik0，故由正常负荷电流为i = Im sin(ωt-φ)与式(4-2)中ik相等并代入t＝0，可求得积分常数为 C = Ikm sinφk -Im sinφ
将上式代入式(4-2)即得短路电流为
(式4-3) 在式(4-3)中，令
ip为短路电流周期分量；inp为短路电流非周期分量。
由式(4-3)可以看出：当t→∞时(实际上经过10个周期左右时间)， inp→0，这时
(式4-4)
式中I∞表示短路稳态电流。
图给出无限大容量供电系统发生三相短路时前后电流、电压的变
化曲线。
图4-2无限大容量系统发生三相短路时前后电压、电流的变化曲线从图可以看出，短路电流在到达稳态值之前，要经过一个暂态过程，这一暂态过程是短路非周期分量电流存在的那段时间。从物理概念上讲，短路电流周期分量是因短路后电路阻抗突然减小很多，而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流；短路电流非周期分量则是因短路电路含有感抗，电路电流不可能突变，而按楞次定律感应的用以维持短路初瞬间( t ＝0 时电流不致突变的一个反向衰减性电流。此电流衰减完毕后，短路电流达到稳定状态。
3.三相短路的有关物理量
(1)短路电流次暂态值
短路电流次暂态值是指短路以后幅值最大的一个周期（即第一个周期）的短路电流周期分量的有效值。在无限大容量系统中，短路电流周期分量幅值保持不变，则有
(式4-5)
(2)短路电流稳态值I∞
短路电流稳态值是指短路进入稳态之后短路电流的有效值。无穷大容量电源系统发生三相短路时，短路电流周期分量的幅值恒定不变，则
(式4-6)
(3)短路电流冲击值ish
短路电流冲击值即在发生最大短路电流的条件下，短路发生后约半个周期出现短路电流最大可能的瞬时值。当t=0.01s时，有
(式4-7)
式中，称为冲击系数，是一个大于1小于2的系数，一般在高压供电
系统中通常取Ta = 0.05s，故Ksh = 1.8，则ish = 2.55I ＂。低压供电系统中发生短路，常取Ksh = 1.3，则ish = 1.84I ＂。
(4)短路冲击电流有效值Ish
短路冲击电流有效值指的是短路后第一个周期内短路全电流的有效值。为了简化计算，可假定非周期分量在短路后第一个周期内恒定不变，取该中心时刻t=0.01s的电流值计算。对于周期分量，无论是否为无穷大容量电源系统，在短路后第一个周期内都可认为是幅值的正弦量。所以
在高压供电系统中取Ksh = 1.8，则Ish = 1.51I＂；在低压供电系统中取Ksh = 1.3，则Ish = 1.09I＂
(5)短路功率Sk
短路功率又称短路容量，它等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积。在短路的实用计算中，常只用次暂态短路电流来计算短路功率，称为次暂态功率S＂，即
（四）无限大容量电源系统的三相短路电流计算
短路电流的计算方法有欧姆法、标幺制法和短路容量法。这里介绍一般常用的欧姆法和标幺制法。欧姆法属最基本的短路电流计算法，但标幺制法在工程设计中应用广泛。这次设计中关于短路电流的计算我们采用了标幺值法。
1.标幺值的概念
在电路计算中，一般比较熟悉的是有名单位。在电力系统计算短路电流时，如计算低压系统的短路电流，常采用有名单位制；但计算高压系统的短路电流，由于有多个电压等级，存在着阻抗换算问题，为使计算简化，常采用标幺制。
标幺制中各元件的物理量不用有名单位值，而用相对值来表示。相对值( )就是实
际有名值(A)与选定的基准值 = AA ()间的比值，即
(式4-5)
从上式可以看出，标幺值是没有单位的。另外，采用标幺值法计算时必须先选定基准值。
按标幺值法进行短路计算时，一般先选定基准容量Sd和基准电压U。确定了基准容量Sd和基准电压Ud以后，根据三相交流电路的基本关系。
基准电流(式4-6)
基准电抗(式4-7)
据此，可以直接写出以下标幺值表示式
容量标幺值(式4-8)
电压标幺值(式4-9)
电流标幺值(式