机械厂变电所的电气设计设计.docx

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机械厂变电所的电气设计设计

机械厂变电所的电气设计设计

机械厂变电所的电气设计

摘要

本文介绍了机械厂变电所的电气设计。

文中对变电所所址的选择、主接线的选择、高压设备的选择、负荷计算、短路电流计算、各种继电保护选择及防雷系统皆有说明。

特别对主接线的选择,变压器的选择与短路电流的计算作了详细的说明和分析。

其中还对变电所的主接线，高低压侧的一些保护装置等通过CAD制图直观的展现出来。

通过查找大量相关资料并到工厂实习，本次设计的内容更加接近实际。

设计中进行了防雷和接地的设计。

这样可以使变电所有效的避免雷击，保证变电站的安全；可以有效的保护用电设备，防止过电流的危害；可以保证该变电站具有稳定的输出电压。

本次设计采用两台主变压器。

一次接线采用单母线，二次接线采用单母线分段制。

这种接线方案不仅保证了供电的可靠性，而且灵活方便，适应负荷的发展。

同时经济性也较好，减少了投资和有色金属的消耗量。

关键词：

变电所，设计，选择，安全

TheElectricalDesignofTheMechanicalPlantSubstation

Author:

Shiwei

Tutor:

MuGuoHua

Abstract

Thisarticledescribestheelectricaldesignofthemechanicalplantsubstation.Thechoiceofthesubstationsite,thechoiceofthemainwiring,highvoltageequipmentselection,loadcalculations,shortcircuitcurrentcalculations,variousrelay’sselectionandlightningprotectionsystemsareinstructed.Inparticular,thispapergaveadetaileddescriptionandanalysistothechoiceofthemainwiring,thechoiceofthetransformerandshortcircuitcurrentcalculations.Themainconnectionofthesubstation,theprotectiondeviceofhighvoltageandlowvoltagesideareunfoldedthroughtheCADdrawing.

Searchingalotofrelevantinformationandvisitingmanyfactories,thedesigncontentsisclosertoreality.Thispaperdesignslightningprotectionandgrounding.Thisallowsthesubstationtoavoidlightningandtoensurethesafetyofthesubstation.Itcanprotectsthepowerequipmentandpreventsthehazardsoftheovercurrent.Anditensuresthatthesubstationhasastableoutputvoltage.

Thedesignusestwomaintransformers.Theprinarysideusingasinglebus.Thesecondalysideusingasegmentedsinglebusbar.Thiswiringschemeensuresthereliabilityofelectricitysupply,it’sflexibleandconvenient,anditadapttothedevelopmentofload.Atthesametime,itmakestheeconomyisbetter,reducestheconsumptionofinvestmentandnon-ferrousmetals.

Keyword:

Transformersubstation,design,choice,safety

1绪论1

1.1课题背景1

1.2我国电力工业概述1

1.2.1我国目前电力工业的发展方针1

1.2.2变电所的分类2

2负荷计算和无功功率补偿4

2.1负荷计算的目的、意义及原则4

2.2负荷计算方法4

2.3全厂负荷计算5

2.4无功功率补偿9

3变电所位置和形式的选择11

3.1变电所所址的选择11

3.2变电所形式的选择11

3.3变电所位置和形式的确定12

4变压器的选择14

4.1主变压器台数的确定14

4.2主变压器容量的确定14

5电气主接线的设计15

5.1电气主接线的概述15

5.2电气主接线的设计原则和要求15

5.2.1电气主接线的设计原则15

5.2.2电气主接线设计的基本要求16

5.3电气主接线方案的比较17

6短路电流计算19

6.1确定基准值19

6.2计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值19

6.3计算k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量20

6.4计算k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量20

7导线的选择和校验22

7.1选择原则22

7.2选择架空线截面22

7.3高压侧电缆的选择23

7.4低压侧各车间的进线的选择和校验23

7.5高压侧选断路器24

7.6高压侧隔离开关24

7.7电流互感器25

8高压侧继电保护选择及整定27

8.1变压器的继电保护27

8.2变压器的瓦斯保护28

9防雷设计30

9.1架空线路的防雷措施30

9.2变电所的防雷措施30

10接地32

10.1接地与接地装置32

10.2确定此配电所公共接地装置的垂直接地钢管和连接扁钢32

结论34

致谢35

参考文献36

1绪论

1.1课题背景

目前，我国的城市电力网和农村电力网正进行大规模的改造，与此相应，工厂变电所也必须进行更新换代，我国电力网的现实情况是常规变电所依然存在，小型变电所、微机监测变电所、综合自动化变电所相继出现，并取得了迅猛的发展。

随着改革的不断深化，经济的迅速发展。

各电力部门对变电所设计水平的要求将越来越高。

现在所设计的常规变电所最突出的问题是设备落后，结构不合理，占地多，投资大，损耗高，效率低，尤其是在一次开关和二次设备造型问题上，与国际先进水平还有一定差距，从发展的观点来看，将越来越不适应我国城市和农村发展的要求。

因此,本设计根据本厂所能取得的电源及本厂用电的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠，技术先进，经济合理的要求进行设计。

变电所担负着从电力系统受电，经过变压然后配电的任务。

车间变电所主要用于负荷大而集中、设备布置比较稳定的大型生厂房内。

车间变电所一般位于车间的负荷中心，可以降低电能损耗和有色金属的消耗量，并能减少输电线路上的电压损耗可以保证供电的质量。

因此，对这种车间变电所的设计技术经济指标要求比较高。

车间变电所是工厂供电系统的枢纽，在工厂里占有特殊重要的地位，因而设计一个合理的变电所对于整个工厂供电的可靠、经济运行至关重要。

本设计是从工程的角度出发，按照变电所设计的基本要求，综合地考虑各个方面的要素，对供电系统进行了合理的布局，在满足各项技术要求的前提下，兼顾运行方便、维护简单，尽可能地节省投资[6]。

1.2我国电力工业概述

1.2.1我国目前电力工业的发展方针

1、在发展能源工业的基本方针指导下发展电力工业。

2、电力工业发展速度必须与国民经济发展速度相适应。

3、发挥水电优势，加快水电建设。

4、建设大型矿口电厂，搞好煤、电、运平衡。

5、在煤，水能源缺乏地区，有重点有步骤地建设核电厂。

6、政企分开，省为实体，联合电网，统一调度，集资办电。

7、因地制宜，多能互补，综合利用，讲求利益。

8、节约能源，降低消耗。

9、重视环境保护，积极防止对环境的污染。

变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

1.2.2变电所的分类

1、枢纽变电所：

位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330～500kV的变电所，称为枢纽变电所。

全所停电后，将引起系统解列，甚至出现瘫痪。

2、中间变电所：

起系统交换功率的作用，或使长距离输电线路分段，一般汇集2～3个电源，电压为220～330kV，同时又降压供当地用电，这样的变电所起中间环节的作用，所以叫中间变电所。

全所停电后，将引起区域电网解列。

3、地区变电所：

高压侧一般为110～220kV，向地区用户供电为主的变电所，这是一个地区或城市的主要变电所。

全所停电后，仅使该地区中供电。

4、终端变电所：

在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧电压一般为6-35kV，经降压后直接向用户供电的变电所，即为终端变电所。

全所停电后，只是用户受到损失[2]。

在电力系统中，除应采取各项积极措施或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。

切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。

这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电保护装置。

在电子式静态保护装置和数字式保护装置出现以后，虽然继电器以被电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名称。

在电业部门常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。

继电保护装置一词，则指各种具体的装置。

我国电力工业自动化水平正在逐年提高，20MW及以上大型机组以采用计算机监控系统，许多变电所以装设微机综合自动化系统，有些已实现无人值班，电力系统已实现调度自动化。

迄今，我国电力工业已进入了大机组，大电厂，大电力系统，高电压和高自动化的新阶段。

国家方针、政策、技术规范和标准是根据国家实际情况、结合电力工业的技术特点而制定的准则，是把科学、技术总结成条理化，也是长期生产实践的结晶，在进行论证分析阶段，更应辩证的统一供电可靠性与经济性的关系，方能达到先进性与可行性。

2负荷计算和无功功率补偿

2.1负荷计算的目的、意义及原则

供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了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。

因次，有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。

计算负荷是供电设计计算的基本依据。

计算负荷确定的是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。

如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和有色金属的浪费。

如果计算负荷确定的过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾，同样会造成更大损失。

由此可见，正确确定计算负荷意义重大。

平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。

常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。

平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

计算负荷又称需要负荷或最大负荷。

计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。

在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。

尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。

一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。

在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。

2.2负荷计算方法

目前负荷计算常用需要系数法、二项式法、和利用系数法,前二种方法在国内设计单位的使用最为普遍。

此外还有一些尚未推广的方法如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法和ABC法等.常采用需用系数法计算用电设备组的负荷时，应将性质相同的用电设备划作一组，并根据该组用电设备的类别，查出相应的需用系数

，然后按照上述公式求出该组用电设备的计算负荷。

2.3全厂负荷计算

本设计采用需要系数法确定。

机械厂负荷原始资料如表2.1所示。

主要计算公式有：

有功功率：

P30=Pe·Kd

无功功率：

Q30=P30·tanφ

视在功率：

S30=P30/cosφ

计算电流：

I30=S30/（

）[2]

表2.1机械厂负荷资料

厂房产编号

厂房名称

容量

Pe/kW

需要系数Kd

功率因数

cosφ

1

焊接车间

200

0.35

0.60

2

沙库

120

0.70

0.60

3

锻造车间

320

0.35

0.55

4

电镀车间

220

0.50

0.80

5

金工车间

950

0.20

0.65

6

机修车间

180

0.20

0.20

7

污水处理

14

0.60

0.60

8

热处理车间

190

0.60

0.60

9

食堂,锅炉房

30

0.60

0.60

10

仓库

15

0.30

0.30

11

料场

40

0.30

0.30

12

办公区

20

0.80

0.80

1、焊接车间

Pe=200kW，Kd=0.35，cosφ=0.60，tanφ=4/3

有功计算负荷：

P30

（1）=Pe×Kd=70kW

无功计算负荷：

Q30

（1）=P30

（1）tanφ=70kW×（4/3）=93.33kvar

视在计算负荷：

S30

（1）=P30/cosφ=116.664kVA

计算电流：

I30

（1）=S30/（

）=117.26A

2、沙库

Pe=120kW，Kd=0.70，cosφ=0.60，tanφ=4/3

有功计算负荷：

P30

（2）=Pe×Kd=84kW

无功计算负荷：

Q30

（2）=P30

（1）tanφ=84kW×（4/3）=112kvar

视在计算负荷：

S30

（2）=P30/cosφ=140kVA

计算电流：

I30

（2）=S30/（

）=212.17A

3、锻造车间

Pe=320kW，Kd=0.35，cosφ=0.55，tanφ=1.52

有功计算负荷：

P30（3）=Pe×Kd=112kW

无功计算负荷：

Q30（3）=P30

（1）tanφ=112kW×1.52=170.2kvar

视在计算负荷：

S30（3）=P30/cosφ=203.78kVA

计算电流：

I30（3）=S30/（

）=309.62A

4、电镀车间

Pe=220kW，Kd=0.50，cosφ=0.80，tanφ=3/4

有功计算负荷：

P30（4）=Pe×Kd=110kW

无功计算负荷：

Q30（4）=P30

（1）tanφ=110kW×（3/4）=82.5kvar

视在计算负荷：

S30（4）=P30/cosφ=137.5kVA

计算电流：

I30（4）=S30/（

）=208.92A

5、金工车间

Pe=950kW，Kd=0.20，cosφ=0.65，tanφ=1.17

有功计算负荷：

P30（5）=Pe×Kd=190kW

无功计算负荷：

Q30（5）=P30

（1）tanφ=190kW×1.17=222.3kvar

视在计算负荷：

S30（5）=P30/cosφ=292.43kVA

计算电流：

I30（5）=S30/（

）=444.31A

6、机修车间

Pe=180kW，Kd=0.20，cosφ=0.65，tanφ=1.17

有功计算负荷：

P30（6）=Pe×Kd=36kW

无功计算负荷：

Q30（6）=P30

（1）tanφ=36kW×1.17=42.12kvar

视在计算负荷：

S30（6）=P30/cosφ=55.4kVA

计算电流：

I30（6）=S30/（

）=84.17A

7、污水处理

Pe=14kW，Kd=0.60，cosφ=0.80，tanφ=3/4

有功计算负荷：

P30（7）=Pe×Kd=8.4kW

无功计算负荷：

Q30（7）=P30

（1）tanφ=8.4kW×（3/4）=6.3kvar

视在计算负荷：

S30（7）=P30/cosφ=10.5kVA

计算电流：

I30（7）=S30/（

）=15.95A

8、热处理车间

Pe=190kW，Kd=0.60，cosφ=0.60，tanφ=4/3

有功计算负荷：

P30（8）=Pe×Kd=114kW

无功计算负荷：

Q30（8）=P30

（1）tanφ=114kW×（4/3）=152kvar

视在计算负荷：

S30（8）=P30/cosφ=190kVA

计算电流：

I30（8）=S30/（

）=288.68A

9、食堂,锅炉房

Pe=30kW，Kd=0.60，cosφ=0.60，tanφ=4/3

有功计算负荷：

P30（9）=Pe×Kd=18kW

无功计算负荷：

Q30（9）=P30

（1）tanφ=18kW×（4/3）=24kvar

视在计算负荷：

S30（9）=P30/cosφ=30kVA

计算电流：

I30（9）=S30/（

）=45.58A

10、仓库

Pe=15kW，Kd=0.30，cosφ=0.85，tanφ=0.62

有功计算负荷：

P30（10）=Pe×Kd=4.5kW

无功计算负荷：

Q30（10）=P30

（1）tanφ=4.5kW×0.62=2.79kvar

视在计算负荷：

S30（10）=P30/cosφ=5.2947kVA

计算电流：

I30（10）=S30/（

）=8.04A

11、料场

Pe=40kW，Kd=0.30，cosφ=0.60，tanφ=4/3

有功计算负荷：

P30（11）=Pe×Kd=70kW

无功计算负荷：

Q30（11）=P30

（1）tanφ=40kW×（4/3）=16kvar

视在计算负荷：

S30（11）=P30/cosφ=20kVA

计算电流：

I30（11）=S30/（

）=30.39A

12、办公区

Pe=20kW，Kd=0.80，cosφ=0.80，tanφ=3/4

有功计算负荷：

P30（12）=Pe×Kd=16kW

无功计算负荷：

Q30（12）=P30

（1）tanφ=16kW×（3/4）=12kvar

视在计算负荷：

S30（12）=P30/cosφ=20kVA

计算电流：

I30（12）=S30/（

）=30.39A

因此总的计算负荷为（取K∑p=0.95，K∑q=0.97）

P30=0.95×（P30

（1）+……+P30（12））=736.16kW

Q30=0.97×（Q30

（1）+……+Q30（12））=935.58kvar

S30=P30/cosφ=1190.48kVA

I30=S30/（

）=1808.8A

负荷计算基本完成，详细数据见表2.2。

表2.2机械厂的电力负荷计算表

厂房编号

厂房名称

容量

Pe/kW

需要系数Kd

cosφ

tanφ

计算负荷

P30/kW

Q30/kvar

S30/kV·A

I30/A

1

焊接车间

200

0.35

0.60

4/3

70

93.33

116.664

177.26

2

沙库

120

0.70

0.60

4/3

84

112

140

212.71

3

锻造车间

320

0.35

0.55

1.52

112

170.24

203.78

309.62

4

电镀车间

220

0.50

0.80

3/4

110

82.5

137.5

208.92

5

金工车间

950

0.20

0.65

1.17

190

222.3

292.43

444.31

6

机修车间

180

0.20

0.65

1.17

36

42.12

55.4

84.17

7

污水处理

14

0.60

0.80

3/4

8.4

6.3

10.5

15.95

8

热处理车间

190

0.60

0.60

4/3

114

152

190

288.68

9

食堂，锅炉房

30

0.60

0.60

4/3

18

24

30

45.58

10

仓库

15

0.30

0.85

0.62

4.5

2.79

5.2947

8.04

11

料场

40

0.30

0.60

4/3

12

16

20

30.39

12

办公区

20

0.80

0.80

3/4

16

12

20

30.39

总计

取K∑p=0.95，K∑q=0.97

736.16

935.58

1190.48

1808.8

2.4无功功率补偿

工厂中由于有大量的感应电动机，电焊机，电弧炉及气体放电灯等感性的负载，从而使功率因数降低。

在充分发挥了设备潜力，改善设备运行性能，提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数时，则需增设无功功率补偿装置。

无功功率补偿计算如下：

补偿前：

变压器侧的视在计算负荷为：

S30=P30/cosφ=1190.48kVA

根据主变压器容量的选择条件：

SNT≥S30，因此没有进行功率补偿时，

主变压器的容量应该选择1250kVA。

这时变电所低压侧的功率因数为：

cosφ=736.155/1190.48=0.62

补偿后：

由于电力系统的发展，变电所高压侧的功率因数已经不满足于仅仅大于0.9，在此要求其高压侧的功率因数大于0.95，则取cosφ’=0.98

要使低压侧功率因数由0.62提高到0.98，低压侧需要装设的并联电容器容量为：

QC=736.16×（tanarccos0.62－tanarccos0.98）

=782.112kvar

S30’=751.98kVA

因此，主变压器容量可改选为800kVA，比补偿前容量减少450kVA。

变压器的功率损耗为：

△PT≈0.015×751.98kVA=11.28kW

△QT≈0.06×751.98kVA=45.12kvar

变电所高压侧的计算负荷为：

P30’=736.16+11.28=747.44kW

Q30’=（935.58—782.112）+45.118=198.58