10kv变电所及低压配电系统的设计.docx

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10kv变电所及低压配电系统的设计

接地电阻的要求19

接地装置19

1引言

用户供电系统

电力用户供电系统由外部电源进线、用户变配电所、高低压配电线路和用电设备组成。

按供电容量的不同，电力用户可分为大型（10000kV·A以上）、中型（1000-10000kV·A）、小型（1000kV·A及以下）

1.大型电力用户供电系统

大型电力用户的用户供电系统，采用的外部电源进线供电电压等级为35kV及以上，一般需要经用户总降压变电所和车间变电所两级变压。

总降压变电所将进线电压降为6-10kV的内部高压配电电压，然后经高压配电线路引至各个车间变电所，车间变电所再将电压变为220/380V的低电压供用电设备使用。

某些厂区环境和设备条件许可的大型电力用户也有采用所谓“高压深入负荷中心”的供电方式，即35kV的进线电压直接一次降为220/380V的低压配电电压。

2.中型电力用户供电系统

一般采用10kV的外部电源进线供电电压，经高压配电所和10kV用户内部高压配电线路馈电给各车间变电所，车间变电所再将电压变换成220/380V的低电压供用电设备使用。

高压配电所通常与某个车间变电所合建。

3.小型电力用户供电系统

一般小型电力用户也用10kV外部电源进线电压，通常只设有一个相当于车间变电所的降压变电所，容量特别小的小型电力用户可不设变电所，采用低压220/380V直接进线。

2.变电所负荷计算和无功补偿的计算

负荷情况

本厂多数车间为三班制，最大负荷利用小时

，除1#、2#、3#车间部分设备属二级负荷外，其它均属三级负荷。

低压动力设备均为三相，额定电压为380V。

电气照明设备为单相，额定电压为220V。

本厂的负荷统计参见下表1-1。

供电部门对功率因数的要求值：

10kV供电时，

。

变电所位置已选定，每个车间距离变电所的距离为：

1#车间：

110m；2#车间：

80m；

3#车间：

100m；4#车间：

90m。

表1-1车间负荷情况

车间

设备类别

各机械组代号

设备容量Pe/kVA

需要系数

1#

动力

180

75

2#

动力

182

156

照明

187

12

3#

动力

159

135

照明

8

4#

动力

180

147

10

变电站的负荷计算

负荷计算

按需要系数法计算各组负荷：

有功功率P=Kd

Σpei（）

无功功率Q=P

（）

视在功率S=

（）

上述三个公式中：

ΣPei：

每组设备容量之和，单位为kW；Kd：

需要用系数；

:

功率因数。

总负荷的计算：

1.有功功率Pc=K∑p

Σ（）

2.无功功率Qc=K∑q

Σ（）

3.视在功率Sc=

（）

式中：

对于干线，可取K∑p=，K∑q=。

对于低压母线，由用电设备计算负荷直接相加来计算时，可取K∑p=，K∑q=。

由干线负荷直接相加来计算时，可取K∑p=，K∑=。

无功补偿的目的和方案

由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等，都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。

电力系统要求用户的功率因数不低于，按照实际情况本次设计要求功率因数为以上，因此，必须采取措施提高系统功率因数。

目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。

根据现场的实际情况，拟定采用低压集中补偿方式进行无功补偿。

无功补偿的计算及设备选择

我国《供电营业规则》规定：

容量在100kV·A及以上高压供电用户，最大负荷时的功率因数不得低于，如达不到上述要求，则必须进行无功功率补偿。

一般情况下，由于用户的大量如：

感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等都是感性负荷，使得功率因数偏低，达不到上述要求，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。

当功率因数提高时，在有功功率不变的情况下，无功功率和视在功率分别减小，从而使负荷电流相应减小。

这就可使供电系统的电能损耗和电压损失降低，并可选用较小容量的电力变压器、开关设备和较小截面的电线电缆，减少投资和节约有色金属。

因此，提高功率因数对整个供电系统大有好处。

要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。

最大负荷时的无功补偿容量QN·C应为：

QN·C=

=PC（

-

）

按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿容量也应相应减小，以免造成过补偿。

因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。

提高功率因数的补偿装置有稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备。

前者主要有同步补偿机和并联电容器。

动态无功功率补偿设备用于急剧变动的冲击负荷。

低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。

用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：

在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：

（1）高压集中补偿补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。

（2）低压集中补偿补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。

（3）低压分散补偿补偿效果最好，应优先采用。

但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。

本次设计采用低压集中补偿方式。

PCQCSC取自低压母线侧的计算负荷，

提高至

===

QN·C=PC（

-

）=*[tan-tan]=120kvar

选择型自愈式并联电容器，qN·C=20kvar

（）

=120kvar/20kvar=6取n=6

补偿后的视在计算负荷

SC=

=·A

==

3.变电所变压器台数和容量的选择

变压器的选择原则

电力变压器是供电系统中的关键设备，其主要功能是升压或降压以利于电能的合理输送、分配和使用，对变电所主接线的形式及其可靠性与经济性有着重要影响。

所以，正确合理地选择变压器的类型、台数和容量，是对接下来主接线设计的一个主要前题。

选择时必须遵照有关国家规范标准，因地制宜，结合实际情况，合理选择，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品，并优先选用技术先进的产品。

变压器类型的选择

电力变压器类型的选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组形式、绝缘及冷却方式、联结组别等。

，

变压器按相数分，有单相和三相两种。

用户变电所一般采用三相变压器。

变压器按调压方式分，有无载调压和有载调压两种。

10kV配电变压器一般采用无载调压方式。

变压器按绕组形式分，有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器等。

用户供电系统大多采用双绕组变压器。

变压器按绝缘及冷却方式分，有油浸式、干式和充气式（SF6）等。

10kV配电变压器有Yyn0和Dyn11两种常见联结组。

由于Dyn11联结组变压器具有低压侧单相接地短路电流大，具有利于故障切除、承受单相不平衡负荷的负载能力强和高压侧三角形接线有利于抑制零序谐波电流注入电网等优点，从而在TN及TT系统接地形式的低压电网中得到越来越广泛的应用。

变压器台数的选择

变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。

《10kV及以下变电所设计规范GB50053－94》中规定，当符合以下条件之一时，宜装设两台及两台以上的变压器：

⑴有大量一级或二级负荷；⑵季节性负荷变化较大；⑶集中负荷容量较大。

变电所中单台变压器（低压为）的容量不宜大于1250kV·A。

当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。

在一般情况下，动力和照明宜共用变压器。

当属下列情况之一时，可设专用变压器：

一、当照明负荷较大或动力和照明采用共用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时，可设照明专用变压器；

二、单台单相负荷较大时，宜设单相变压器；

三、冲击性负荷较大，严重影响电能质量时，可设冲击负荷专用变压器。

四、在电源系统不接地或经阻抗接地，电气装置外露导电体就地接地系统（IT系统）的低压电网中，照明负荷应设专用变压器。

由于本单位的用电设备负荷有二级负荷和三级负荷。

根据设计规范GB50053－94的要求，宜装设两台变压器，选择台数为两台。

变压器容量的选择

变压器的容量SN·T首先应保证在计算负荷SC下变压器能长期可靠运行。

对有两台变压器的变电所，通常采用等容量的变压器，每台容量应同时满足以下两个条件：

1满足总计算负荷70%的需要，即SN·T≈SC；（）

2满足全部一、二级负荷SN的需要,即SN·T≥SC（I+II）（）

条件①是考虑到两台变压器运行时，每台变压器各承受总计算负荷的50%，负载率约为，此时变压器效率较高。

而在事故情况下，一台变压器承受总计算负荷时，只过载40%，可继续运行一段时间。

在此时间内，完全有可能调整生产，可切除三级负荷。

条件②是考虑在事故情况下，一台变压器仍能保证一、二级负荷的供电。

根据无功补偿后的计算负荷，SC=·A

即SN·T≥*=·A

取变压器容量为500kV·A

因此，选择S9-500/10Dyn11型电力变压器。

为油浸式、无载调压、双绕组变压器。

表主变压器的选择

额定容量

SN/kV·A

联结组别

空载损耗

△PO/kW

短路损耗

△PK/kW

空载电流

IO%

阻抗电压

UK%

500

Dyn11

3

4

4.主接线方案的确定

主接线的基本要求

主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。

它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。

概括地说，对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。

安全性

安全包括设备安全及人身安全。

一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。

可靠性

不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。

灵活性

用最少的切换来适应各种不同的运行方式，适应负荷发展。

经济性

在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。

采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。

总之，变电所通过合理的接线、紧凑的布置、简化所内附属设备，从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计，节约材料，减少人力物力的投入，并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修，达到降低投资的目的。

主接线的方案与分析

主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。

1．单母线接线

这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置；

缺点：

不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。

适用范围：

适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所，一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。

图单母线不分段主接线

2．单母线分段主接线

当出线回路数增多且有两路电源进线时，可用断路器将母线分段，成为单母线分段接线。

母线分段后，可提高供电的可靠性和灵活性。

在正常工作时，分段断路器可接通也可断开运行。

两路电源进线一用一备时，分段断路器接同运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段进线断路器都会在继电保护装置作用下自动断开，将故障段母线切除后，非故障段母线便可继续工作，而当两路电源同时工作互为备用时，分段断路器则断开运行，此时若任一电源出现故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器可自动投入，保证给全部出线或重要负荷继续供电。

图单母线分段主接线

单母线分段接线保留了单母线接线的优点，又在一定程度上克服了它的缺点，如缩小了母线故障的影响范围、分别从两段母线上引出两路出线可保证对一级负荷的供电等。

电气主接线的确定与绘图

电源进线为两路，变压器台数为两台。

二次侧采用单母线分段接线。

两路外供电源容量相同且可供全部负荷，采用一用一备运行方式，故变压器一次侧采用单母线接线，而二次侧采用单母线分段接线。

该方案中，两路电源均设置电能计量柜，且设置在电源进线主开关之后。

变电所采用直流操作电源，为监视工作电源和备用电源的电压，在母线上和备用进线断路器之前均安装有电压互感器。

当工作电源停电且备用电源电压正常时，先断开工作电源进线断路器，然后接通备用电源进线断路器，由备用电源供所有负荷。

备用电源的投入方式采用备用电源自动投入装置APD。

下表为该变电所的各用电车间负荷计算结果，如表4-3所示

表4-3车间负荷计算表

编号

名称

类别

各机械组代号

设备

容量Pe/kW

需要系数

Kd

cos

Tan

计算负荷

P30

/kW

Q30

/kvar

S30

/kVA

I30/A

1

机加工

动

力

180

126

75

1

车间

小

计

-

-

-

-

258

2

铸造车间

动

力

182

156

106

187

照明

12

小计

-

537

3

铆焊车间

动力

159

106

135

81

90

照明

8

小计

-

302

-

-

-

178

4

电修车间

动力

180

54

108

147

照明

10

小计

-

337

-

-

-

290

总计

（380V侧）

全部线路

-

-

-

取

，

653

1339

因此最终方案是高压侧采用单母线，低压侧单母线分段，同时旁路加上与其他的变电所相连的联络线。

根据各个车间的负荷情况用电气CAD对其绘制主接线电路图，如图4-4所示。

图4-4某车间变电所主接线电路图

5.短路电流的计算

短路电流及其计算

供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。

但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。

所谓短路，就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。

造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。

短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。

当它通过电气设备时，设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。

短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。

计算方法采用标幺值法计算。

进行计算的物理量，不是用具体单位的值，而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。

标幺值的概念是：

某量的标幺值=

（）

所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度，用标幺值表示的物理量是没有单位的。

供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。

三相短路电流计算

电源取自距本变电所3km外的35kV变电站，用10kV双回架空线路向本变电所供电，出口处的短路容量为250MV·A。

图短路电流计算图

求10kV母线上K-1点短路和380V低压母线上K-2点短路电流和短路容量。

电源侧短路容量定为Sk=250MV·A

⑴．确定基准值：

取Sd=100MV·AUc1=

Id1=

=100MV·A/（

*）=

Zd=

=2/100MV·A=Ω

⑵．计算：

1电力系统

X1*=Sd/Sk=100MV·A/250MV·A=

2架空线路

X2*=X0LSd/Uc2=Ω/km*3km*

=

3电力变压器

X3*=Uk%Sd/100SNT=

=8

⑶．求K-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量：

1总电抗标幺值

X*∑（k-1）=X1*+X2*=+=

2三相短路电流周期分量有效值

Ik-1（3）=Id1/X*∑（k-1）==

3其他三相短路电流

Ik-1”（3）=I∞k-1（3）=Ik-1（3）=

ish（3）=*=

Ish（3）=*=

4三相短路容量

Sk-1（3）=Sd/X*∑（k-1）=100MV·A/=MV·A·

⑷．求K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量：

两台变压器并列运行：

1总电抗标幺值

X*∑（k-2）=X1*+X2*+X3*

变电所高压进线、一次设备和低压出线的选择

用电单位总计算负荷

对于本单位而言，变电所变压器高压侧的计算负荷即是全厂及家属住宅区的总计算负荷，因此，不需要采用需要系数逐级计算法和全厂需要系数法进行计算。

P=Pc+△PT=+=

Q=Qc+△QT=+=

S=·A

I=

高压进线的选择与校验

高低压配电电路最普遍的两种户外结构是架空线和电缆。

架空线的主要优点是：

设备简单，造价低；有故障易于检修和维护；利用空气绝缘，建造比较容易。

电力电缆的建设费用高于架空线路，具有美观、占地少，传输性能稳定、可靠性高等特点。

对于高压开关柜，从柜下进线时一般需通过电缆引入，因此，采用架空线长距离传输，再由电缆线引入的接线方式。

对给变压器供电的高压进线以及变电所用电电源线路，因短路容量较大而负荷电流较小，一般先按短路热稳定条件选择导体截面，然后再校验发热条件。

变电所一次设备的选择

表主要电气设备表

序号

设备名称

型号和规格

1

10kV真空断路器

VS1—12/630—16型断路器

2

隔离开关

GN19—10C/400型隔离开关

3

电流互感器

LZZJ—10Q200/510P20

LZZJ—10Q200/5

LZZJ—10Q100/510P20

4

电压互感器

JDZ10—10B10/

JDZ10—10B10/90V·A

5

熔断器

XRNP3—10型熔断器

6

避雷器

45

7

10kV开关柜

KYN28A—12型高压固定式开关柜

高压断路器的选择

高压断路器除在正常情况下通断电路外，主要是在发生故障时，自动而快速的将故障切除，以保证设备的安全运行。

常用的高压断路器有油断路器、六氟化硫断路器和真空断路器。

高压隔离开关的选择

（1）高压隔离开关的作用：

高压隔离开关是在无载情况下断开或接通高压线路的输电设备，以及对被检修的高压母线、断路器等电器设备与带电的高压线路进行电气隔离的设备。

（2）形式结构：

高压隔离开关一般有底座、支柱绝缘子、导电刀闸、动触头、静触头、传动机构等组成。

一般配有独立的电动或手动操动机构，单相或三相操动。

高压隔离开关主刀闸与接地刀闸间一般都设有机械连锁装置，确保两者之间操作顺序正确。

各类高压隔离开关、接地开关根据不同的安装场所有各种不同的安装方式

（3）选择条件：

海拔高度不大于1000米为普通型，海拔高度大于1000米为高原型；地震烈度不超过8度；环境温度不高于+400C，户内产品环境温度不低于-100C，户外产品环境温度不低于-300C；户内产品空气相对湿度在+250C时其日平均值不大于95%，月平均值不大于90%（有些产品要求空气相对湿度不大于85%）；户外产品的覆冰厚度分为5毫米和10毫米；户内产品周围空气不受腐蚀性或可燃气体、水蒸气的显著污秽的污染，无经常性的剧烈震动。

户外产品的使用环境为普通型，用于Ⅰ级污秽区，防污型用于Ⅱ级（中污型）、Ⅲ级（重污型）污秽区。

高压熔断器的选择

高压熔断器是一种过流保护元件,由熔件与熔管组成。

当过载或短路时，熔件熔断，达到切断故障保护设备的目的。

电流越大，熔断时间越短。

在选择熔件时，除保证在正常工作条件下（包括设备的起动）熔件不熔断外，还应该符合保护选择性的要求。

电流互感器的选择

电流互感器是一次电路与二次电路间的连接元件，用以分别向测量仪表和继电器的电压线圈与电流线圈供电。

电流互感器的结构特点是：

一次绕组匝数少（有的只有一匝，利用一次导体穿过其铁心），导体相当粗；而二次绕组匝数很多，导体较细。

它接入电路的方式是：

将一次绕组串联接入一次电路；而将二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串联，形成一个闭合回路，由于二次仪表、继电器等的电流线圈阻抗很小，所以电流互感器工作时二次回路接近短路状态。

二次绕组的额定电流一般为5A。

电流互感器在使用中要注意以下几点：

①电流互感器在工作时其二次侧不得开路，二次侧不允许串接熔断器和开关；

②电流互感器二次侧有一端必须接地，防止一次、二次绕组绝缘击穿时，一次侧的高电压窜入二次侧，危及人身和设备的安全。

电流互感器的选择条件：

（1）额定电压大于或等于电网电压：

（2）原边额定电压大于或等于长时最大工作电流:

（3）二次侧总容量应不小于该精度等级所规定的额定容量:

（4）校验：

内部动稳定按：

:

电流互感器额定一次电流；

：

动稳定倍数外部动稳定按:

电压互感器的选择

电压互感器一次侧是并接在主接线高压侧，二次线圈与仪表和继电器电压线圈串联，一次侧匝数很多，阻抗很大，因而，它的接入对被测电路没有影响，二次线圈匝数少，阻抗小，而并接的仪表和继电器的线圈阻抗大，在正常运行时，电压互感器接近于空载运行。

二次绕组的额定电压一般为100V。

电压互感器的类型及接线按相数分单相、三相三芯和三相五芯柱式；按线圈数来分有双线圈和三线圈；实际中广泛应用三相三线五柱式（Y－Y）.

电压互感器在使用中要注意以下几点：

①一次、二次侧必须加熔断器保护，二次侧不能短路，防止发生短路烧毁互感器或影响一次电路正常运行；

②电压互感器二次侧有一端必须接地，防止一次、二次绕组