1、电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 1 摘要 本次设计的主要任务是为某标准件厂变电所配电系统的设计。该系统为 10KV 电源进线，经过车间变电所再降压成 380V，供给各车间使用。经过对基础设计资料的分析后，发现各个车间设备大都是三级负荷，因此，经过计算，并查到了很多相关资料，最后选择了一台 800KV.A 的主变压器，主变压器到各车间采用单母线进线方式。各个车间的接线采用放射式的接线方式。根据计算电流，选好各个设备，并通过短路电流、电压损失等惊醒校验和整定。最后确定设计完成，画好系统 大图。 关键词：供电系统 负荷计算 短路校验 继电保护 一、 绪论 1.1 工厂供电课
2、程设计的要求 本课程设计的任务是工厂 10KV 变电所供电系统的设计，厂无大型设备、高压设备、高频设备、及整流装置。车间变电皆为三级负荷。由于厂区较紧凑，装卸产品的起重机工作频繁。为美观起见，除向以外厂区内配电线路一律地下敷设。在进行施工图设计时，供电系统总计算负荷的确定，一般采用逐级计算法由用电设备处逐步向电源进线侧计算，采用的是需要系数法。各级计算点的选取，一般为各级配电箱的出线和进线、变电所低压出线、 变压器低压母线、高压进线处。在低压侧一般考虑到可靠性与效率性的问题就采用了放射式和树干式相结合的方法进行布线，通过负荷的计算，选定了变压器的型号。在设计当中，设备分组是至关重要的。工厂供电
3、工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：（ 1）安全在电能的供应、配合使用中，不应发生人身事故和设备事故。（ 2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。（ 3）优质硬满足电能用户对电压和频率等质量的要求（ 4）经济供电系统的投资要少，运费用要低，并尽可呢个地节能电能和减少有 色书的消耗量 1.2 工厂供电的发展趋势 在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品 成本中所占的比重一般较小（除电化工业外）。电能在工业生产中的重要性，并非在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重少，而是在于工业生产实现电气化可以大大增加产量，提高
4、产品质量，提高生产效率，降低生产成本，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药中的后果。因此，做好工厂供电工作对于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的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设也有重要的作用。 二 、毕业设计主要内容 （ 1）负荷计算及无功功率补偿确定 （ 2）变压器数量、容量及类型选择 （ 3）变电所主接线方案的确定 （ 4）短路电流的计算 （ 5）一次设备的选择及校验 （ 6）导线及电缆的选择及校
5、验 （ 7）接地装置的设计 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 2 三 、毕业设计的主要技术指标 1、 标准件厂负荷明细表 序号 车间名称 设备容量（ kW） 计算负荷 P30（ kW） Q30（ kvar） S30（ kVA） I30（ A） 1 机加工车间 155 46.5 84.5 2 铸造车间 160 64 65.3 3 铆焊车间 150 45 89.1 4 电修车间 146 44 65 5 工具车间 150 37.5 43.9 6 照明负荷 35 28 0 2工厂负荷性质 工厂为三班工作制，年最大有功负荷利用小时数为 3500h，属于三级负荷。 3供电电源条件
6、（ 1）本厂变电所从附近 35/10kV 变电所引入 10kV 电源，架空线路长 800m。 （ 2）要求工厂 最大负荷时功率因数不得低于 0.9。 （ 3）工厂 10kV 母线上的短路容量按 200MVA 计算。 4工厂自然条件 （ 1） 气象条件 工厂最热月平均温度为 30 ；地中最热月平均温度为 20；土壤冻结深度为 1.1m；工厂属于正常干燥环境。 （ 2） 地址水文资料 工厂地势平坦，地层以砂粘土为主，地下水位为 2.8 5.3m。 3、毕业设计基本要求 （ 1）编写设计说明书及主要设备材料清单 （ 2）绘制系统图、平面布线图及其它图纸 4、应收集的文献资料 工厂供电、电工手册、供配
7、电系统设计规范、低压配电系统设计规范 、 10kV及以下变电所设计规范、机械工厂电力设计规范、工业企业供电 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 3 四、车间变电所 负荷计算和无功功率补偿 4.1 计算负荷的意义和计算的目的 计算负荷：计算负荷是指通过负荷的统计计算确定的、用来按发热条件选择供电系统中的各元件（包括设备和线路）的一种负荷值。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆等，如以计算负荷持续运行时，其发热温度不会超过正常允许值。 计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线电
8、缆 选得过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算负荷确定过小，将使电器和导线处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘老化甚至烧毁，同样造成损失。由此可见，正确计算负荷意义重大。 4.2 负荷 计算 需要系数法 利用一个需要系数乘以设备容量即可求得设备的有功计算负荷的一种方法。该方法计算十分简便，它是最早提出的也是至今应用最为普遍的一种方法。但由于需要系数值是根据设备台数较多、容量差别不是很大的一般情况来确定的，未考虑设备容量相差悬殊时少数大容量设备对计算机负荷的影响，因此此法较适用于设备台数较多的车间及全 厂范围的计算负荷的确定。 需要系数法的基本公式为： 有功计算负荷： Nx PKP
9、 .30 （ 1） 式中 ： xK ：称为需要系数； NP ：为该组内各设备额定功率之和，即 NP = NP ； 30P ：为有功功率负荷； 其中： WLLx KKK . .K ：设备组的同时使用系数（即最大负荷时运行设备的容量与设备组总额定容量之比）； LK ：设备组的平均加权负荷系数（表示设备组在最大负荷时输出功率与运行的设备容量的比值）； ：设备组的平均加权效率； WL ：配电线路的平均效率。 无功计算负荷： tan.3030 PQ （ 2） tan ：用电设备组的功率因数角的正切值； 视在计算负荷： c o s3023023030 PQPS （ 3） cos ：用电 设备组的平均功率因
10、数； 计算电流： NUSI 3 3030 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 4 （ 4） UN ：用电设备组的额定电压； 注意：需要系数值是按设备较多的情况来确定的，对单台设备， xK =1；即 NPP 30 ；但对于电动机，它本身损耗较大，因此当只有一台时，NPP 30。 1 标准件厂负荷明细表 序号 车间名称 设备容量（ kW） 计算负荷 P30（ kW） Q30（ kvar） S30（ kVA） I30（ A） 1 机加工车间 155 46.5 84.5 96.5 146.6 2 铸造车间 160 64 65.3 91.4 138.9 3 铆焊车间 150 45
11、89.1 99.8 151.7 4 电修车间 146 44 65 78.5 119.3 5 工具车间 150 37.5 43.9 57.7 87.7 6 照明负荷 35 28 0 28 42.5 总计 796 265 347.8 451.9 686.7 变压器低压侧总计算负荷 251.8 330.4 415.4 631.2 注：（表中数据有以上方法得到） 4.3 功率因数和无功补偿 1最大负荷时的功率因数 ： cos = 30P / 30S =251.8/415.4 0.6 2无功功率补偿容量 该厂的最大负荷功率因数是 0.6，而供电部门要求该长 10KV 进线侧最大负荷时功率因数不应低于 0
12、.90。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此 10KV侧 最大负荷时 426.9 功率因数应稍大于 0.90，暂取 0.92 来计算 10KV 侧的无功功率补偿容量： Qc= P30（ 1tan - 2tan ） =251.8 tan(acrcos0.6) tan(arccos0.92)= 204.4kvar 3无功功率补偿设备 选 PGJ1 型低压自动补偿屏，并联电容器为 BW 0.4 14 3型，采用方案 1（主屏） 1 台与方案 3（辅屏） 4台相组合，总容量 84kvar 5=420kvar。 注：参考工厂供电设计指导图 2.6 4无功补偿后工厂计算负荷的确定 补偿后变电所低压
13、侧的视在功率 S30 （ 2） =(251.82+（ 330.4-204.4） 2)(1 2)KVA= 283.5(kV A) 变压器的功率损耗 PT 0.015*283.5= 4.3(KW) QT 0.06*283.5=17(Kvar) 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 5 变压器高压侧的计算负荷 )1(30P =251.8+4.3=256.11(kW) )1(30Q =（ 330.4-204.4） +17 =143（ kvar) S 30 （ 1） =(256.11 2+1432)(1 2)= 284.1(kV A) 补偿后的公路因数 =0.901 补 偿 后 高
14、压 侧 的 功 率 因 数 为 0.9010.9 ， 满 足 补 偿 要 求 ， 补 偿 电 路 如 图 所 示 ：五、变压器数量、容量及类型选择 选择主变压器台数按其符合性质要求为： 1.工厂负荷性质 工厂为三班工作制，年最大有功负荷 利用小时数为 3500h，属 于 三级负荷。 2供电电源条件 （ 1）本厂变电所从附近 35/10kV 变电所引入 10kV 电源，架空线路长 800m。 （ 2）要求工厂最大负荷时功率因数不得低于 0.9。 （ 3）工厂 10kV 母线上的短路容量按 200MVA 计算。 因此只装设一台主变压器 . 装有一台主变压器的变电所，主变压器容量 SN。 T 应不小
15、于总的计算负荷 S30，即 30. SS TN 根据补偿后一次侧容量 ,可以选择其额定容量为 400KVA,型号为 S9系列三项环氧树脂干式变压器，连接组别为 Dyn11，即 S9 400 10 0.4 Dyn11. 六、变电所主接线方案的确定 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 6 M M M 变配电所主接线方案的基本要求 （ 1）保证向用户供电的可靠性、安全性、灵活性、经济性。 （ 2）保证电能质量 -频率和电压符合要求 。 （ 3）大型电厂的机组在分期投入过程中，应考虑逐年电力，电量平衡。 6.1 高、低压侧主接线的基本形式 110KV 侧电气主接线的基本形式 2
16、380/220 侧电气主接线的基本形式 3 低压线路的接线方式 1放射式接线： 220/380V 放射式接线 1）配电线路互不影响，供电可靠性较高，但配电设备和导线材料耗用较多，且运行不够灵活。 2）主要用于容量大、负荷集中或重要的用电设备，或者需要集中联锁启动 。 2树干式接线 树干式接线 1）配电设备和导线材料耗用较少，运行灵活性好，特别是采用封闭式母线槽时；但干线故障时影响范围大，供电 可靠性较低。 2）一般用于用电设备容量不很大、布置较均匀的场合，例如对机械加工车间的中小机床设备供电以及对照明灯具供电等，均采用树干式接线。 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 7
17、3 链式接线： 220/380V 链式接线 它实质上是一种树干式接线，适用范围与树干式相似，但链式相连的用电设备一般不宜多于 5 台，链式相连的配电箱不宜多于 3台，且总容量不宜超过 10kW。 以上介绍了低压配电系统的三种基本接线方案，各有优缺点；总的来说，树干 式系统投资较省，但负荷支接点多，检修和事故时停电面大，一般适用于对三级负荷供电。放射式系统投资大，但线路没有分支接点。因此，应根据情况具体对待，但对于本机电修车间而言，按可靠性第一的原则，所以采用放射式供电。 七、短路电流的计算 1短路的形式 三相短路的基本形式有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相短路。 三相短路电压和电流仍是对
18、称的，只是电流比正常值增大，电压比额定值降低。三相短路发生的概率最小，只有 5%左右，但是它的危害是最严重的短路形式。 两相短路发生的概率约为 10%15% 两相接地短路是指中 性点不接地系统中两不同相均发生单相接地而形成的两相短路，亦指两相短路后又接地的情况。两相接地短路发生的概率约为 10%20%。 单相接地的危害虽不如其他短路形式严重但中性点直接接地的系统中，发生的概率最高，约占短路故障的 65%70% 2采用标幺制法计算短路电流 标么值法 (相对单位制法 ) 1.绘计算电路图，选短路计算点。 2.设定基准容 量 dS 和基准电压 Ud，计算短路点基准电流 dI 一般设 cd U,100
19、 UM V ASd 设 ， （短路计算电压）。短路基准电流按下式计算：ddd USI 3 3.计算短路回路中各主要元件的阻抗标么值一般只计算电抗。 (1)电力系统的电抗标么值ocds SSX 式中 ocS 电力系统出口断路器的断流容量单位为 MVA)。 (2)电力线路的电抗标么值cdwl USlXX 20 式中 Uc 线路所在电网的短路计算电压 (单位为 kV)。 采 用标么值计算时，无论短路计算点在哪里，电抗标么值均不需换算。 (3)电力变压器的电抗标么值NdkT SSUX 100%式中 Uk%一 一变压器的短路电压 (阻抗电 压 )百分值 ; 一一变压器的额定 容童 (.单位为 kVA，计
20、算时化为与 Sd同 单位） NS电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 8 （ 4） 绘短路回路等效电路，并计算总阻抗采用标么值法计算时 .无论有几个短路计算点，其短路等效电路只有一个 ， 图中对 一次侧 的短路回路总电扰标么值为 ; 21)2( XXX k 图中 对 二次侧 的短路回路总电抗标么值为 : 43 4321)2( XX XXXXX k（ 5） 计算短路电流分别对各短路计算点计算其各种短路电流如 等。和 )3()3()3()3()3( , shshk IiIII XII dk )3(其余短路电流的计算与欧姆法相同。 八、 变电所一次设备的选择与校验 8.1电器设备
21、 选择的一般条件 1按正常运行条件选择 电器设备按正常运行条件选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电器装置所处的位置特征；电气要 求是指电器装置对设备的电压、电流、频率等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑其断流能力。 考虑所选设备的工作环境。 所选设备的额定电压 UetN,应不低于安装地点电网的额定电压 UN ，即 UetN, UN 电器的额定电流 IetN,是指在额定周围环境温度 o 下电器的长期允许电流。 IetN,应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax ，即 ： IetN, Imax。 2按短路条件校验 动稳定校验 动稳定是
22、指导体和电器承受短路电流机械效应的能力。满足 稳定的条件是 II shet 。 式中 Ish 设备安装地点短路冲击电流的有效值（ kV） 。 Iet 设备允许通过的电流的有效值（ kV）。 对于下列情况可不校验动稳定或热稳定。 1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定。 2）电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动、热稳定，因为短路电流很小。 3）电缆可不校验动稳定。 热稳定校验 短路电流通过时，电器各部件温度不应该超过短时 发热最高允许值，即 tII imat t 22 （ 18） 式中 I 设备安装地点稳态三相短路电流（ kV）； tima 短路电流假象时间（
23、s）； It t 秒内允许通过的短路电流值（ kV）； t厂家给出的热稳定计算时间（ s）。 8.2 高压一次设备的选择 高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运 行维护方便，投资经济合理。 高压电器的选择和校验可按表所列各项条件进行。 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 9 选择条件 设备名称 额定电压 额定电流 开断电流 动稳定 热稳定 高压断路器 UetN, UN IetN, Imax IIbr ii shet tII imat t 22 隔离开关 负荷开关 IIbr 高压熔断器 （ 1）高压开关柜的选择 GG
24、-1A 和 GG-1A(F)型高压开关柜为固定式，一般靠墙安装，从正面进行操作和维修，适于 3 10kV、 50Hz 三相交流单母线系统作为接受和分配电能之用；其中 GG-1A(F)为防误型，它在 GG-1A 型的基础上略加改进，增加了一些闭锁机构，以实现“五防”：防止带负荷拉、合隔离开关；防止误分、合断路 器；防止带电挂接地线；防止带接地线合隔离开关；防止人员误入带电间隔。 GG-1A(F)型与 GG-A 型在应用范围、一次线路方案及有关技术数据方面都是相同的。该设计选择的高压开关柜如下表所示： 编号 型号 主要设备 接线方式 少油断路器 隔离开关 No101 No106 GG-1A(F)-
25、11 SN10-10I SN10-10 SN10-10 GN68 -10T No102 No105 No107 GG-1A(F)-24 （ 2）计量柜的选择 GG-1A-J 和 GG-1A(J)型计量用高压开关柜，通称为高压计量柜，专用于中小型发电厂和变配电所在三相交流50Hz、电压 10kV 及以下、电流 400A 及以下的单母线系统中作为输送或接受电能计量之用。本型产品系室内安装，于 GG-1A(F)型固定式高压开关柜配套使用。计量用高压开关柜的一次线路方案和技术数据如表所示。 型 号 主 要 设 备 接 线 方 式 GG 1A（ J） 04 名称 型号 高压隔离开关 GN8-10 高压熔
26、断器 RN2-10 电流互感器 LQJ-10 电压互感器 JDJ-10 注：本设计中的计量柜（ No103 和 No104）都采用 GG 1A（ J） 04型。 8.3 高压电器的选择与校验 高压断路器选择与校验 现初选 SN10-10 /630-300 进行校验，如表所示。 高压断路器选择校验表 序号 SN10-10 /630-300 选择要求 装设地点电气条件 结论 项目 数据 项目 数据 1 UN 10KV UNW. 10KV 合格 2 IN 630A IC 54.06A 合格 电气自动化毕业设计 某标准件厂 变电所 主电路电气 设计 10 3 I NOC. 16KA Ik)3( 4.5
27、2KA 合格 4 IOCmax. 40KA ish)3( 5.1KA 合格 5 tIt2 2162 =512 tI ima2 6.7)2.07.1(22 合格 显然所选的高压断路器是满足要求的。 （ 2）高压隔离开关的选择与校验 由于隔离开关主要是用于电气隔离而不能分断正常负荷电流和短路电流，因此，只需要选择额定电压和额定电流，校验动稳定度和热稳定度。由于选用 GG-1A（ F）型开关柜，故初步选择 GN8-10T/200 型进行校验，如表所示。 高压隔离开关选择校验表 序号 200/108 TGN 选择 要求 安装地点电气条件 结论 项目 数据 项目 数据 1 UN 10KV UNW. 10
28、KV 合格 2 IN 200A IC 54.06A 合格 3 额定峰值耐受电流 (动稳定 )iocmax. 25.5KA ish)3( 4.52KA 合格 4 4s 热稳定电流 (热稳定 ) 5005102 tI ima2 7.6 合格 故所选的高压断路器是满足要求。 8.4 互感器的选择 （ 1） 电流互感器的选择 电流互感器的选择与校验主要有以下几个条件： (1)电流互感器额定电压应不低于安装地点线路额定电压； (2) 根据一次负荷计算电流 I30 选择电流互感器变比； (3)根据二次回路的要求选择电流互感器的准确度并校验准确度； （ 4） 校验动稳定度和热稳定度。 1）电流互感器变比选择
29、 2）电流互感器准确度选择及校验 准确度选择的原则：计费计量用的电流互感器其准确度为 0.2 0.5 级，计量用的电流互感器其准确度为0.1 3.0 级。为了保证准确度误差不超过规定值，一般还校验电流互感器二次负荷（伏安），互感器二次负荷 S2 不大于二次额定负荷 SN2 ，所选准确度才能得到保证。 （ 2） 电压互感器选择 电压互感器的选择应按以下几个条件： 按安装地点环境及工作要求选择装置类型； 电压互感器的额 定电压应不低于装设点线路额定电压； 按测量仪表对电压互感器准确度要求选择并校验准确度。 电压互感器准确度的设置一般有档，计量用的为 .级以上，一般测量用的准确度为 . 3.0级，保护用 准确度为级和级。 为了保证准确度的误差在规定范围内，二次负荷应不大于相应的额定值，计算公式为
