钢铁厂变配电系统.docx

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1、河南科技大学课程设计说明书课程名称专业课程设计题 目莫降压变电所的电气设计学 院车辆与动力工程学院班 级农业电气化与自动化 092班学生姓名 焦明祥指导教师 邱兆美日 期 2013年3月27日某厂降压变电所的电气设计摘要本文主要以电力工程基础、工厂供电、电力系统分析和继电保护等专业知识 为理论依据，对钢铁联合企业总降压变电站、车间变电所和厂区配电系统进行设 计。根据原始资料进行负荷和功率因数计算，由计算的负荷、功率损耗和无功功 率补偿进行变压器的选择；绘制简易电气主接线图进行短路电流、短路容量的计 算和主要电气设备的选择；最后，对总降压变电站设计需要进行主要设备继电保 护设计、配电装置设计和防

2、雷、接地设计，并绘制电气主接线图。对车间变电所 根据车间负荷情况，选择车间变压器的台数、容量，以及变电所位置的原则考虑； 对厂区配电系统的设计根据所给资料，列出配电系统结线方案，经过详细计算和 分析比较，确定最优方案。关键词：变电所设计，负荷计算，短路电流，继电保护等目录第一章绪论 1第二章负荷计算 3§ 2.1 负荷 3§ 2.2 功补偿 5第三章变电所位置、型号及主变压器的选择 6§ 3.1 电所位置的选择原则 6§ 3.2 电所位置的选择 6§ 3.3 变压器的选择 7第四章短路电流的计算 8§ 4.1 路计算公式 8§

3、; 4.2 路电流的计算 9第五章变压器一次设备及高低压线路的选择 11§ 5.1 一次设备的选择及校验 11§ 5.2 的选择 12第六章变电所二次回路方案及继电保护的整定 14§6.1 变电所二次回路方案的选择 14§6.2 继电保护的整定 15第七章结论 18参考文献 19第一章绪论电能是现代工业生产的主要能源和动力，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。

4、 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，也具有重大意 义，工厂供电系统就是将电力系统的电能降压再分配电能到各个厂房或车间中 去，它由工厂降压变电所，高压配电线路，车间变电所，低压配电线路及用电设 备组成。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。全厂总降压变电所及配电系统设计， 是根

5、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，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面。1、负荷计算 求出全厂总降压变电所计算负荷及总功率因数。列出负荷计算表、 表达计算成果。2、工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择，结合全厂计算负荷以 及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。3、工厂总降压变电所主结线设计 根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级 别和计算负荷数综合主变压器台数。4、工厂供、配电系统短路电流计算，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行

6、方式下 的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。5、变电所一次设备的选择及校验 参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、避雷器、互感器等设备，并根据需要进行热稳定和力稳定检验。6.变电所高低压线路的选择7、继电保护为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相 电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、 信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算。第二章负荷计算§ 2.1 算负荷计算负荷是用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。由于载流导体一般通电半

7、小时后即可达到稳定的温升值，因此通常取“半小时最大负荷”作为 发热条件选择电器元件的计算负荷。有功负荷表示为出,无功计算负荷表示为Q3o,计算电流表小为I 30。用电设备组计算负荷的确定，在工程中常用的有需要系数法和二项式法。当 用电设备台数多、各台设备容量相差不甚悬殊时，宜采用需要系数法来计算。当 用电设备台数少而容量又相差悬殊时，则宜采用二项式法计算。根据原始资料，用电设备台数较多且各台容量相差不远， 所以选择需要系数 法来进行负荷计算。按需要系数法确定计算负荷，主要计算公式有：有功计算负荷（kw）： P30 =PeKd无功计算负荷（kvar）： Q30 = P30a *视在计算负荷（KV

8、A）：计算电流(A) : I30 = S30 / ' 3U N各车间计算负荷如下表所示:表2-1各车间计算负荷车间名称装容量（Kvy正所玄 rru数Kdtg :P(KW)Q(kvar)S(KVA)车向父电所代号变器数台电机修造25050.240.82601.2493777.5NO.11车间机械加工8860.181.58159.5252298.2NO.21车间新品试制6340.351.51222335.2402NO.31原料车间5140.60.59308.4182358.1NO.41备件车间5620.350.79196.7155.4250.7NO.51锻造车间1500.241.63657

9、.667.9NO.61锅炉房2690.730.87196.4170.9260.3NO.71空压站3220.560.88180.3158.7240.2NO.81汽车库530.570.930.2127.240.7NO.91大线圈车3350.560.63187.6118.2221.7NO.101问半成品试12170.30.79365.1288.4465.3NO.111验站成品试验22900.280.75641.2480.9801.5NO.121站加压站2560.640.85163.8139.2215设备处仓5600.60.85336285.6441库成品试验36000.80.828802304368

10、8.2站内人型集中负荷小计141536504.415448.38528.6因为在f的情况下是不可能发生所有的用电设备同时工作的情况，如果按照全部用电设备的用电负荷之和来计算全厂计算负荷的话，势必会造成,经济/、运行和浪费等，情况，也就是我们常说的大马拉小车0取全部用电负荷之和的90%这样在一定程度上就避免了大马拉小车情况的 发生，提高了运行效率，符合了经济生产、生活的需要。P =K" p' p =0.90 650441 =5854kwQ =K' q' q -0.99 5448.3 =4903.5 kvarS =、, P2 Q2 =7636.3 KVA7636.

11、33 35二 125 A§ 2.2 功补偿提高功率因数，可以充分利用系统内各发电变电设备的容量，增加其输电能力，减少供电线路导线的截面，节约有色金属，减少电力网中的功率损耗和电能 损耗，并降低线路中的电压损失，达到节约电能和提高供电质量的目的。由上得整个低压侧的负荷：P30 5 5854KWQ30 = 4903.5k varS3o =7636.3KVAI30 =125AP30c rr则最大负荷时的功率因数：C0S =2一=0.77S30而供电部门要求工厂最大负荷时功率因数不得低于0.9 ,需要进行无功补偿，取功率因数为0.92进行无功补偿计算：无功补偿容量：QC = P kan ar

12、ccos0.77 - tan arccos0.92 1 = 2357kvar选用并联电容器取进行补偿，取补偿容量：Qc =2360kvarS = . P2 Q - Qc 2 =6382.7 KVAP cos '=-=0.92 > 0.9 ,满足要求。S第三章变电所位置、型号及主变压器的选择§ 3.1 电所位置的选择原则变电所位置的选择，应根据下列要求并经技术经济分析比较后确定：1)尽量接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消 耗量。2)进出线方便，特别是要便于架空进出线。3)接近电源侧，别是工厂的总降压变电所和高压配电所。4)设备运输方便，特别是要考

13、虑电力变压器和高低压成套配电装置的运输。5)不应设在有剧烈运动或高温的场所，无法避开时应有防震和隔热措施。6)不应设在多尘或有腐蚀性气体的场所，无法远离时，不应设在污染源的下 风侧。7)不应设在厕所、浴室和其他经常积水场所的正下方，且不应与上述场所相 贴邻。不应设在有爆炸危险环境的正上方或者正下方。当与有爆炸或火宅危险环境 的建筑物相毗连时，应符合现行国家标准 GB50058-1992爆炸物和火灾危险环 境电力装置设计规范的规定。8)不应设置在地势低洼和可能积水的场所。§ 3.2 电所位置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。在工厂平面图的左

14、下侧，分别作一直角坐标的x轴和y轴，然后测出各 车间变电所的坐标位置，P1、P2、，P12分别代表车间1、2、，11号的功率， 设定 P1 (11.8,3.4)、P2(9.8, 2.6)、P3(6.7,2.6) P4(7.8,2.6)、P5(9.6, 4.6)、P6(10.6, 5.6)、P7(8.9,3.6)、P8(8.6, 4.3)、P9(4.7,2.8) P10(11,3.6) P11(11.8 1.8)、P12(11.8, 5),可得负荷中心的坐标：x = p1x1 p2" p3x3 . p12x12 = 32198.567 = 4.95% Pi6504.41Pi% p2y2

15、 P3y3 p4y4 P5y511049.698y1.77，Pi6504.41由计算结果知，工厂的负荷中心在车间变电所9附近，因此在车间变电所9侧面建造工厂变电所，型式为附设式。§ 3.3主变压器的选择由于工厂总负荷容量较大，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对二级负荷继续供电，故选两台变压器，S= 6382.7（KVA当装有两台变压器时，每台主变压器的容量应满足以下两个条件：1）.任一台变压器单独运行时，应满足总负荷的70%的需要，即St之0.7S302）任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的需要。故选择主变压器

16、型号为S9系列，两台，额定容量为6300KVA。§ 3.4变电所主接线的选择本课程设计采用单母线分段接线，当一条母线发生故障时，分段断路器自动 切除故障段，保证正常向母线不间断供电，电气主接线图如下所示：XL-Hbr J- - MTUkitt/二 寸鲁JlLnr第四章短路电流的计算§ 4.1 路计算公式表4-1短路电流计算公式参数名称有名值标幺值说明功率S一M取SdSd =100MVA电压Uu*=°Ud一般取 Ud =Uav电流I,ISdI * 一Id1d Fd电抗XX* - XXdXSd-Ud2X*为标幺值变压器电抗XT 二Uk%Un2X _UkXt* 一10%

17、Sd100SNOSN线路电抗XL =X1LYX1 LSdXUd2X1为线路每公里电抗值系统等值电抗XsUn2Xs* 二sS Sk_sd一 Sk3IkUk为了选择高压电气设备，整定继电保护，必须进行短路电流计算。短路电流 计算电路及短路点的设置如下图所示（以变电所 1为例）：图4-1短路电流计算电路§ 4.2 路电流的计算1.总降压变35KV母线短路电流a.确定标幺值基准：Sd =100MVA,Uav =37kvI _SdId3 Uav100=1.56 kA,3 37 b.计算各主要元件的电抗标幺值：系统阻抗(最大运行方式Soc = 600MVA)X1Sd100Soc -600= 0.

18、1735KV线路阻抗：100X2 =0.43 4.32 =0.14372c.三相短路电流和短路容量1) .总阻抗标幺值：Xy =0.17+0.14=0.312) .三相短路电流周期分量有效值:IK 3 =I = 156 =5.03 KAX、0.31ish3)=2.55 5.03 =12.83 kA1sh 3 )=1.1 5.03 = 5.53 kA.三相SKG)=-S = =322(MVA)X 0.31b.计算各主要元件的电抗标幺值：系统阻抗(最小运行方式Soc = 280MVA )X1Sd100Soc - 280= 0.3635KV线路阻抗：100X2 =0.43 4.32 =0.14372

19、c.三相短路电流和短路容量3).总阻抗标幺值：Xy =0.36+0.14=0.53 Id 1.56IK = 3.12 KAX 匚0.54).三相短路电流周期分量有效值：ishF)= 2.55父3.12 = 7.956kA) 1sh 3 L 1.1 3.12 =3.432 kASK 3 = -S = 100 = 200 MVA.三相X£0.5三相短路电流和短路容量计算结果如下表：表4-335KV侧三相短路电流和短路容量IK3ish3Ish3SK3最大运行方式5.0312.835.53322最小运行方式3.127.9563.432200第五章变压器一次设备及高低压线路的选择§

20、5.1 一次设备的选择及校验1 .按工作电压选择设备的额定电压U Ne一般不应小于所在系统的额定电压UN,即UNe>UN。2 .按工作电流选择设备的额定电流 儿一般不应小于所在电路的计算电流I30,即lNel30。3 .按断流能力选择设备的额定开断电流Ioc,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I K（3）,即I OCI k14 .按短路的动热稳定度校验1）动稳定校验条件需/战Imax> Ish > im a X Imax分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，ish）、坊别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值。2）热稳定校验条件It2.t>

21、 I J2.tima对应上面的分析，如下表所示，由它可知所选一次设备均满足要 求。表5-135KV侧电气设备的选择计算数据断路器隔离开关电流互感电压互感 避雷器SW2 T5/100OGW4_35G/600器FZ-35LCW -35JDJJ -35U =35kv3535353535KWI30 =32.99A 1000600Ik =3.12KA 16.5Sk =200MVA 1000ish =7.956kA 4550§ 5.2 路的选择1. 35kV高压进线的选择校验采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往 35kV公用干线1）按发热条件选择表5-2我国现行经济电流密度规定导线材料年最大利用

22、小时3000-5000h大于5000h小于3000h铝线1.651.150.9铜线3.002.251.75铝芯电缆1.921.731.54铜芯电缆2.502.252.00线路计算电流I30：P30= 6300 =98.3A.3U N cos 3 37根据年最大利用小时为2300h,由上表得j“=1.65A/mm2,因此，导线的经济截面为Aec = 60mm2,选用与60接近而又偏小的标准截面50,即选1.65LGJ-50O查附录表A-8知，LGJ-50型钢芯铝绞线的允许载流I al = 220A >I30 = 98.3A,因此发热条件满足要求。2）校验机械强度）表5-3架空线路按机械强度

23、要求的最小允许导线截面（单位：mm2导线种类 35KV及以 6-10KV居 6-10KV非 1KV以下 1KV以下上线路民区居民区低压线路一股低压线路与铁路交叉式铝及铝合金3535251635线钢芯铝绞线3525161616钢线3525161616由上表得，35KV钢芯铝绞线的最小允许截面 Amin=35mm2,而LGJ-50满 足要求，故选它。由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。第六章变电所二次回路方案及继电保护的整定§ 6.1 电所二次回路方案的选择断路器采用手力操动机构，其控制与信号回路如下图所示:WCCA)图6-1手力操动机构的断路器控制回路及其信号系统合闸时，推上操作机构

24、手柄使断路器合闸。这时断路器的辅助触点QF34闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸。由于该回路有限流电阻 R2,跳闸线 圈YR虽有电流通过，但电流很小，不会动作。红灯 RD亮，还表明跳闸回路及 控制回路的熔断器FU1、FU2是完好的，即红灯RD同时起着监视跳闸回路完好 性的作用。分闸时，扳下操作机构手柄使断路器分闸。断路器的辅助触点QF34断开， 切断跳闸回路，同时辅助触点QF12闭合，绿及T GN亮，指示断路器已经分闸。 绿火TGN亮，还表明控制回路的熔断器 FU1、FU2是完好韵，即绿灯GN同时起 着监视控制回路完好性的作用。在断路器正常操作分、合闸时，由于操作机构辅助触点 QM与断路器辅

25、助 触点QF56都是同时切换的，总是一开一合，所以事故信号回路总是不通的， 不会错误地发出事故信号。当一次电路发生短路故障时，继电保护装置动作，具出口继电器 KM触点 闭合，接通跳闸线圈YR的回路（QF3 4原已闭合），使断路器跳闸。随后 QF3 4断开，使红灯RD灭，并切断YR的跳闸电源。与此同时，QF1 2闭合，使 绿火T GN亮。这时操作机构的操作手柄虽然仍在合闸位置， 但其黄色指示牌掉落， 表示断路器自动跳闸。同时事故信号回路接通，发出音响和灯光信号。这事故信 号回路是按“不对应原理”接线的，由于操作手柄仍在合闸位置，其辅助触点 QM闭合，而断路器已事故跳闸，其辅助触点 QF5 6也返

26、回闭合，因此事故信 号回路接通。当值班员得知事故跳闸信号后，可将操作手柄扳下至分闸位置，这 时黄色指示牌随之返回，事故信号也随之解除。控制回路中分别与指示灯 GN和 RD串联的电阻R1和R2,主要用来防止指示灯灯座短路时造成控制回路短路或 断路器误跳闸。2绝缘监察回路绝缘监视装置用于小接地电流的电力系统中，以便及时发现单相接地故障， 以免单相接地故障发展为两相接地短路，造成停电事故。635kV系统的绝缘监视装置，可采用三个单相双绕组电压互感器和三只电 压表进行测量，也可以采用一个三相五芯柱三绕组电压互感器测量。当一次电路某一相发生接地故障时，电压互感器二次侧的对应相的电压表指零， 其他两相的

27、电压表读数则升高到线电压。由指零电压表的所在相即可得知该相线发生了单相 接地故障。但是这种绝缘监视装置不能判明是哪一条线路发生了故障，因此它是无选择性的，只适用于出线不多的系统及作为有选择性的单相接地保护的一种辅 助装置。§ 6.2 电保护的整定继电保护装置的.基本要求:1）选择性：2)快速性: 3)灵敏性：灵敏性是指对被保护电气设备可能发射的故障和不正常运行发生的反应能力。4)可靠性:在不动作时不会误动作。主变压器保护根据规程规定400kVA1 .瓦斯保护2 .电流速断保护3 .过电流保护4 .过负荷保护防御变压器本身的对称过负荷及外部短路引起的过载。(1)电流速断保护 保护装置的

28、动作电流应躲过变压器二次侧母线的最大三相 短路电流，即3 10.5IOP = KrellK2.max=1.3 5.03 103 =955.5A371 Iop.K=Kw/Ki Iop=955.5 = 47.775A20灵敏度校验按变压器一次侧的最小两相短路电流来校验，1Kmin 2 =IK12 =0.8661Kl 3 =0.866 6.39 = 5.53KA1X .35.53 103、产 口由+Ks =父=21 >2,酒足要求。2225(2)过电流保护 UK%其中可靠系数(3=1.5,继电器返回系数K,e=0.8,Kre Ki接线系数Kw -1 ,电流互感器电流比Ki - 2054001.

29、5 1Il max =2Iint =2x =46.19A,则 Iop = 46.19A = 4.33A,因此过电流.,3 100.8 20保护动作电流整定为5A。2 .动作时间变压器过电流保护的动作时间，也按阶梯原则整定。但对车间变电所来说，由于它属于电力系统的终端变电所，因此其动作时间可整定为最小值0.5S。3 .灵敏度校验灵敏度校验按变压器一次侧的最小两相短路电流来校验，I K min（2 ）= 3.12KA_ IOP KiOP.1 - Kw4.33 20= 86.6AI” . 23120，一Z；二=86.6 = 36 T5,满足要求。220kV进线线路保护（整定计算与主变压器保护相似，计

30、算从略）1 .电流速断保护2 .过电流保护3 .过负载保护10kV线路保护（同上）1 .过电流保护 防止电路中短路电流过大，保护动作于跳闸。2 .过负载保护防止配电变压器的对称过载及各用电设备的超负荷运行。第七章结论本文是220/35KV的降压变电所电气设计，35KV电源供电，35/10KV的变电 所，提供10KV的备用电源。主要对以下几个方面进行了设计：(1)负荷的计算和主变压器(35/10KV)的选择，为了保证供电可靠性，选择两台变压器，容量为6300KVA(2)变电所位置和型式的选择，工厂变电所选择在车间变电所9附近。(3)主接线的选择，35KV和10KV母线都选择单母线分段接线，当一段

31、 母线发生故障时，分段断路器自动切除故障段，保证正常母线不间断供电。(4)短路电流和短路容量的计算，采用标幺值方法进行短路点的计算。(5)主要电气设备的选择，根据短路电流和短路容量选择电气设备，主要 有断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等。(6)变电所二次回路方案及继电保护的整定，根据短路电流和电气设备的 选择，进行继电保护的整定计算。通过本次设计，了解了电力系统、电网设计的基本内容和方法；更深刻理解 了负荷计算、短路电流计算和继电保护整定的方，学会了对电气主接线的设计。参考文献1孙丽华.电力工程基础.机械工业出版社，2009.122刘介才.工厂供电.机械工业出版社，2010.023张保会.电力系统继电保护.中国电力出版社，2009.124李光琦.电力系统暂态分析.中国电力出版社，20075陈琦.电力系统稳态分析.中国电力出版社，2007.06