某冶金机械制造厂总降压变电所及配电系统设计

密级：

科学技术学院

NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF

SCIENCE AND TECHNOLOGY

学 士 学 位 论 文

THESIS OF BACHELOR

（2008 — 2012 年）

题 目 某冶金机械制造厂总降压变电所及配电系统设计

学 科 部： 信息学科部

专 业： 电气工程自动化 班 级： 电气081班 学 号： 7022808044 学生姓名： 祁成龙 指导教师： 许仙明 起讫日期： 2011.11.08—2012.5.28

目 录

摘要 ........................................................................ I Abstract…………………………………………………………………………………………....1 第一章 绪论 .................................................................. 1

1.1 工厂供电的意义和要求 ............................................... 1 1.2 工厂供电设计的一般原则 .............................................. 1 第二章 设计任务及原始资料 .................................................... 4

2.1 设计任务 ............................................................. 4 2.2 原始资料 ............................................................. 4 第三章 负荷计算及无功功率补偿 ................................................ 6

3．1负荷计算 ............................................................ 6

3.1.1 负荷计算的意义 ................................................ 6 3.1.2 按需要系数法确定计算负荷 ...................................... 6 3.2 无功功率补偿 ......................................................... 8 第四章 主变压器的选择与主接线方案的设计 ..................................... 11

4.1 主变压器的选择 ..................................................... 11

4.1.1 35kV/6kV变压器的选择 ........................................ 11 4.1.2 6kV/380V变压器的选择 ........................................ 11 4.2 工厂主接线方案的比较 ............................................... 11

4.2.1 工厂总降压变电所高压侧主接线方式比较 ......................... 11 4.2.2 工厂总降压变电所低压侧主接线方式比较 ......................... 12 4.3 总降压变电所电气主接线设计 .......................................... 12 4.4 高低压配电柜选择 ................................................... 13 第五章 短路电流计算 ......................................................... 14

5.1 三相短路电流计算的目的 .............................................. 14 5.2 短路电流计算 ........................................................ 14 第六章 电气设备的选型及校验 ................................. 错误！未定义书签。

6.1 电气设备选择与校验的条件与项目 ..................................... 16 6.2 设备选择 ........................................................... 16

6.2.1 断路器的选择 ................................................. 16 6.2.2 隔离开关的选择 ............................................... 17 6.2.3 高压熔断器选择 ............................................... 19 6.2.4 电压互感器的选择 ............................................. 20

6.2.5 电流互感器的选择 ............................................. 20 6.3 母线与各电压等级出线选择 ........................................... 22

6.3.1 6kV母线的选择 ............................................... 22 6.3.2 选择35kV线路导线 ............................................ 23 6.3.3 6kV出线的选择 ............................................... 24

第七章 继电保护选择 ........................................................ 30

7.1 35kV侧电压互感器二次回路方案与继电保护的整定 ...................... 30

7.1.1 35kV主变压器保护 ............................................ 30 7.1.2 6kV变压器保护 ............................................... 31

7.1.3 6kV母线保护 ................................................. 31 7.1.4 6kV出线保护 ................................. 错误！未定义书签。

第八章 防雷保护和接地装置的设计 ............................. 错误！未定义书签。

8.1防雷保护 ............................................ 错误！未定义书签。

8.1.1架空线路的防雷措施 ............................ 错误！未定义书签。 8.1.2 变配电所的防雷措施 ............................ 错误！未定义书签。 8.2接地装置 ............................................ 错误！未定义书签。

8.2.1确定此配电所公共接地装置 ...................... 错误！未定义书签。

结 论 ...................................................... 错误！未定义书签。 参考文献（References） ...................................... 错误！未定义书签。 致谢 ....................................................... 错误！未定义书签。 附录A ...................................................... 错误！未定义书签。 附录B ...................................................... 错误！未定义书签。 附录C ...................................................... 错误！未定义书签。

某冶金机械制造厂总降压变电所及配电系统设计

专业：电气工程及其自动化 学号：7022808044 姓名：祁成龙 指导老师：许仙明

摘要:厂总降压变电所是工厂供配电的重要组成部分，它直接影响整个工厂供电的可靠运行，同时它又是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换、接受和分配电能的作用。电气主接线是总降压变电所的主要环节，电气主接线的拟定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，是决定变电所电气部分技术经济性能的关键因素。 本设计是35/6kV降压变电所及高压配电系统的设计。首先，进行车间负荷统计和无功功率补偿，确定主变压器及各车间变压器；从技术和经济等方面，通过了两种方案的比较，选择经济、可靠、运行灵活的主接线一次方案。其次，进行短路计算和设备的选择、校验；然后，确定工厂电源进线、母线和高压配电线路。最后，进行二次回路方案、整定继电保护、防雷保护和接地装置的设计。

设计结果可以满足精益冶金机械修造厂供电的可靠性，并保证各车间电气设备的稳定运行。 关键词：负荷计算；变电所主接线；继电保护

I

A metallurgical machinery factory total step-down substation

and power distribution system design

Abstract:The total step-down substation plant is an important part of power system.It has a

direct impact to reliable operation of the ertire power system of factrory,which is also relates the power plant and user's middle link, plays the role of shifting and assigning electric energy. The host connection directly related to the choice of electrical equipment the layout of power distribution equipment ,and outmatic protection devices identified of the whole plan,which is the key factor deciding substation electrical part technical economy directly.

This design is about 35/6kV step-down high-voltage substation and distribution system. First, it carries on the workshop load statistics and the reactive power compensation, definite main transformer and various workshops transformer; From aspects and so on technology and economy, adopted two kind of plan comparisons, the choice economically, reliable, the movement nimble main wiring first power document. Next, it carries on the short circuit computation and equipment's choice, the verification; Then determines the factory power source coil, the bus bar and the high pressure distribution line. Finally, it carries on the secondary circuit plan, the installation relay protection, the anti-radar protection and the grounding design.

The design result may satisfy the jingyi mechanical repair shop power supply the reliability, and guarantees the various workshops electrical equipment's steady operation.

Key words: Statistic of load; The host connection of substation; Protective relayin

II

第一章 绪论

1.1 工厂供电的意义和要求

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。

众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

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很小（除电化工业外）。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于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。

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十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，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、分配和使用中，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 应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，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。 1.2 工厂供电设计的一般原则

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，进行工厂供电设计必须遵循以下原则： （1） 遵守规程、执行政策；

必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。

（2） 安全可靠、先进合理；

应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率

1

高、能耗低和性能先进的电气产品。 （3） 近期为主、考虑发展；

应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。 （4） 全局出发、统筹兼顾。

按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。

1.3 设计内容及步骤

全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，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面： 1、负荷计算

全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧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

参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，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，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。4、厂区高压配电系统设计

根据厂内负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。参考负荷布局及总降压变电所位置，比较几种可行的高压配电网布置放案，计算出导线截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用，有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位明细表以及工程预算书表达设计成果。 5、工厂供、配电系统短路电流计算

工厂用电，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。 6、改善功率因数装置设计

按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所

2

需补偿的无功率。由手册或厂品样本选用所需 移相 电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。

7、变电所高、低压侧设备选择

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、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验。用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。

8、继电保护及二次结线设计

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和检验其灵敏系数。

设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。35kv及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。 9、变电所防雷装置设计

参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地 电阻计算。 10、专题设计

11、总降压变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。

3

第二章 设计任务及原始资料

2.1 设计任务

完成某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计 2.2 原始资料

1. 生产任务及车间组成

本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻造、铆焊、毛坯件为主体，生产规模为：铸钢件1万吨、铸铁件3千吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨。

本厂车间组成：

(1) 铸钢车间；（2）铸铁车间；（3）锻造车间；（4）铆焊车间；（5）木型间

木型库；（6）机修车间；（7）砂库；（8）制材场；（9）空压站；（10）锅炉房；（11）综合楼；（12）水塔；（13）水泵房；（14）污水提升站等 2. 供用电协议

（1）工厂电源从电业部门某220/35千伏变压所，用35千伏双回架空线引入本厂，其中一个做为工作电源，一个做为备用电源，两个电源不并列运行，该变电所距厂东侧8公里。 （2）供电系统短路技术数据

区域变电所35KV母线短路数据表

系 统 运 行 方 式 最大运行方式 最小运行方式 短 路 容 量 (s)Sdmax?200兆伏安 说 明 35KV 35KV (s)Sdmin?175兆伏安 （3）电业部门对本厂提出的技术要求

① 区域变电所35千伏配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒，工厂“总降不应大于1.5秒”

② 在总降变电所35千伏侧进行计量； ③ 本厂的功率因数值应在0.9以上。

供电系统

4

3. 本厂负荷的性质

本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时，属于二级负荷。 4. 厂的自然条件 (1) 气象条件

① 最热月平均最高温度为30℃；

② 土壤中0.7~1米深处一年中最热月平均温度为20℃； ③ 年雷暴日为31天； ④ 土壤冻结深度为1.10米； ⑤ 夏季主导风向为南风。 (2) 地质及水文条件

根据工程地质勘探资料获悉，厂区地址原为耕地，地势平坦，底层以砂质粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.8~5.3米。地耐压力为20吨/平方米。

5

第三章 负荷计算及无功功率补偿

3．1负荷计算

3.1.1 负荷计算的意义

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P30，无功计算负荷表示为Q30，计算电流表示为I30。

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。需要系数法是世界各个普遍应用的确定计算负荷的基本方法，而二项式法应用的局限性较大，主要应用于机械加工企业。关于以概率论为理论基础而提出的用以取代二项式发达利用系数法，由于其计算比较繁复而未能得到普遍应用，所以只介绍需要系数法与二项式法。

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[1]

。

3.1.2 按需要系数法确定计算负荷

根据原始资料分析，本论文负荷是多组用电设备计算，所以，要根据多组用电设备计算负荷的计算公式来计算。

有功计算负荷的计算公式[9]

：

P30?K?p??P30i

式中?P30i—所有设备组有功计算负荷P30之和； K?p—有功符合同时系数，本文资料有提供为0.9 无功计算符合（单位为kVar）的计算公式：

Q30=P30?tg?

式中tg?—对应于用电设备组功率因数cos?的正切值，本设计资料有提供。 视在计算负荷（单位为kVA）的计算公式：

SP2230?30?Q30 计算电流（单位为A）的计算公式：

I30?S30UN?3 6

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

由以上公式可得6KV计算负荷及各车间380V计算负荷如表3.1及表3.2所示 所示计算过程见附录A

表3.1各车间380伏计算负荷

序 号 车间或电 单位名称 设备 K x容量 (千cos? tg? 计 算 负 荷 P30 Q30 S30 变压器台 备注 数及容量 K? (千瓦) (千乏) (千伏安) 0.4 0.4 0.7 0.3 0.75 0.85 0.25 0.3 0.35 0.65 0.7 0.6 0.45 0.8 0.75 0.65 0.55 0.6 1.17 1.02 1.33 1.98 0.75 0.88 1.17 1.52 1.33 800 400 77 477 360 21 381 331.5 37.5 66 65.03 936 408 102.4 510.4 712.8 15.75 1231.3 571.4 128.1 699.5 798.6 26.25 瓦) (1) No1变电所 1 铸钢车间 2000 2X1250

2X500 2X800 1X1000

0.9 0.9 0.9 (2) No2变电所 1 2 3 铸铁车间 砂库 小计 1000 110 (3) No3变电所 1 2 3 铆焊车间 1水泵房 小计 1200 28 728.55 739.9 291.7 43.9 100.3 86.5 442 57.7 120 108.2 (4) No4变电所 1 2 3 4 空压站 机修车间 锻造车间 术型车间 390 150 220 185.85 5 6 7 制材场 综合楼 小计 20 20 0.28 0.9 0.75 0.75 0.6 1 0.8 0.8 0.65 0.8 1.33 0 0.75 0.75 1.17 0.75 5.6 18 7.45 0 9.33 25.5 1X400

0.9 523.65 529.85 762.73 225 21 26.4 9.1

(5) No5变电所 1 2 3 4 锅炉房 2水泵房 300 28 168.75 281.25 15.75 30.88 6.825 26.25 40.6 仓库(1，2) 88.12 0.3 污水提升站 14 0.65 11.375 5 小计 281.536 222.255 358.692 0.9 7

说明：No1,No2,No3车间变电所设置两台变压器外，其余设置一台变压器。

表3.2 各车间6KV高压负荷

序 号 1 2 3 4 车间或电 单位名称 电弧炉 工频炉 变压机 小计 设备 容量 (千瓦) 2X 1250 0.9 2 X 300 0.8 0.87 0.9 0.57 0.48 0.62 计 算 负 荷 Kx cos? tg? P Q S 说 明 (千瓦) (千乏) (千伏安) 2025 480 425 3155 1282.5 2586.2 230.4 263.5 533.33 500 2 X 250 0.85 0.85 1776.4 3620.7 3.2 无功功率补偿

工厂中由于有大量的电动机、电焊机及气体放电灯等感性负荷，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提供其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑人工补偿．要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.9，我们取cosφ’=0.92 补偿前功率因数：

cos?1?P S(3.5)

cos?1?

P4912.4??0.76 S6440.1 tg?1?0.85

补偿后功率因数：

根据系统要求，变压器高压侧的功率因数应大于0.9。因此变电所低压侧补偿后的功率因数可取：cos?1=0.92 则有tg?1=0.314 故补偿容量：

Qc?P30(tg?1?tg?2)= 2633.04kvar (3.6)

取标准值QC=2700kvar

S?4912.42?(4164.6?2700)2?5126.2kVA

根据上面的计算可以初步选出主变压器： 可选变压器S9-6300/35

SN?6300kVA I%?0.7

8

PFe?7.9 PCu?34.5

补偿后总降压变电所低压侧计算负荷： 有功功率补偿前后不变： P'30?P30?4912.4kW

无功功率变化为：

Q'30?Q30?QC?4164.6?2700?1464.6kvar 视在功率变化为： S'30?P'2230?Q'30?4912.42?1464.62?5126.2kVA

其中Qc为无功补偿。

cos?P'302?Q'?4912.4?0.958 305126.2损耗计算：

变压器是一种能量转换装置，在转换能量过程中必然同时产生损耗。变压器的损耗可以分为铁损耗和铜损耗。变压器的基本铁损耗就是主磁通在铁心中引起的磁滞损耗和涡流损耗。变压器的基本铜损耗是指电流流过时所产生的直流电阻损耗。我们可以同过查询变压器得到空载损耗和短路损耗，也就是铁损耗和铜损耗。 通过查阅文献[3，40—43]，可得功率损耗公式： ?Pb?PFe??2?PCu

PFe—铁损耗 PCu—铜损耗

?Pb—有功功率损耗 β—负载系数

负载系数可以通过系统最大工作电流与变压器最大工作电流的比计算得出，通过查阅变压器的数值可以得出：

5126.2??I2I?35?32N6300?0.81

35?3?Pb?7.9?0.81?34.5?30.5kW

无功功率的计算：

一台变压器的空载无功功率的损耗计算公式为：

?Q1?I0%SN100 I0%—变压器空载电流。

9

(3.7)

(3.8)

?Q2?Ud(%)SN 100(3.9)

Ud(%)--变压器阻抗电压。

根据上面2个公式相加便得出无功功率损耗如下：

SNSN ?Ud(%)100100SNSN63006300?Qb?I0%?Ud(%)?0.7??7.5??516.5kVar

100100100100?Qb?I0%(3.10)

补偿后的功率因素：

总降压变电所高压母线计算负荷

P30?P'30??P30?4912.4?30.5?4942.9kW

Q30?Q'30??Q30?1464.6?516.6?1981.18kVar

22S30?P30?Q30?5325.2kVA

高压侧平均功率因数为：

cos?1p?满足要求。

P4950.9??0.93?0.9 S5325.2 一般此类系统采用并联电容器进行补偿。即在6kV母线上每相设计3个型号为BWF6.3-100-1(额定容量为100kVar)的并联电容补偿器。

10

第四章 主变压器的选择与主接线方案的设计

4.1 主变压器的选择

一般正常环境的变电所，可以选用油浸式变压器，且应优先选用S9、S11等系列变压器。在多尘或由腐蚀性气体严重影响变压器安全运行的场所，应选用S9-M、S11-M。R等系列全密封式变压器。

多层或高层建筑内的变电所，宜选用SC9等系列环氧树脂注干式变压器或SF6充气型变压器。 根据本论文给出的条件我们可以选用油浸式变压器。 4.1.1 35kV/6kV变压器的选择

主变压器台数应根据负荷特点和经济运行的要求进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台以上主变压器。

? 有大量一级或二级负荷

? 季节性符合变化较大，适于采用经济运行方式。 ? 集中符合较大，例如大于1250kVA时

本冶金厂最大视在功率达到5325.2kVA，且属于2级负荷，应装设2台变压器。

由于本厂有2回35kV进线，即有两个进线电源，根据前面所选择的主结线方案，如果采用2台变压器，则能满足供电可靠性、灵活性的要求。如果装设1台变压器，投资会节省一些，但一旦出现1台主变故障，将会造成全厂失压从而造成巨大的损失。为避免前述情况的出现，充分利用双电源的作用，所以选择安装2台主变。

对于380kV的系统中，我们可以从资料的图中得出车间1里面有2个配电所，其他4个车间都只有1个配电所，因此我们可以根据每个车间的符合来选择变压器来进行降压 。 考虑到经济运行、将来扩建、可靠性等因素，所以本方案选择安装2台型号为S9-6300/35的主变压器，即使其中一台变压器检修另外一台主变也可供全厂负荷。 4.1.2 6kV/380V变压器的选择

通过上面负荷计算，我们可以得到380V那5个车间的最大视在功率：

S30NO。1=1208.2kVA，可以选择2个S9-630/10(6)变压器，分别装进车间1的2个配电房；S30NO。

2

[4]

[2]

=628.8kVA，可以选择1个S9-800/10(6)变压器装进车间2的配电房；S30NO。3=739.9kVA，可

以选择1个S9-800/10(6)变压器装进车间3的配电房；S30NO。4=670.9kVA，可以选择1个S9-800/10(6)变压器装进车间4的配电房；S30NO。5=322.8kVA，可以选择1个S9-400/10(6)变压器装进车间5的配电房。 4.2 工厂主接线方案的比较

4.2.1 工厂总降压变电所高压侧主接线方式比较

从原始资料可知工厂的高压侧仅有2回35kV进线，其中一回架空线路作为工作电源，另一回线路作为备用电源，两个电源不并列运行，且线路长度较短，只有8km。因此将可供选择的方案有如下三种：

11

1、单母线分段。该接线方式的特点是结线简单清晰、运行操作方便、便于日后扩建、可靠性相对较高，但配电装置占地面积大，断路器增多投资增大。根据本厂的实际情况进线仅有2回，其中一回为工作，另一回备用，扩建可能性不大。故此没有必要选择单母线分段这种投资相对较大的接线方式；

2、内桥。该接线方式的特点是需用断路器和其它设备少，占地面积和所需投资相对较少，但可靠性不太高；适用于输电线路较长，故障机率较高，而变压器又不需经常切换时采用。根据本厂特点输电线路仅8km，出现故障的机率相对较低，因此该接线方式不太合适。 3、外桥。该接线方式的特点是需用断路器和其它设备少，占地面积和所需投资相对较少，但可靠性不太高；适用于较短的输电线路，故障机率相对较低，而变压器又需经常切换，或系统有穿越功率流经就较为适宜。而输送本厂电能的输电线路长度仅8km，出现故障的机会较少，因此，该接线方式比较合适。

通过上述接线方式比较，选择外桥的接线方式。 4.2.2 工厂总降压变电所低压侧主接线方式比较

考虑到本厂低压侧的负荷较大和出线较多，以及便于日后馈线的增扩，决定选择有汇流母线的接线方式，具体方案论证如下：

A、单母线。具有接线简单清晰、设备少、投资相对小、运行操作方便，易于扩建等优点，但可靠性和灵活性较差，故不采用；

B、单母线隔离开关分段。具有单母线的所有优点，且可靠性和灵活性相对有所提高，用隔离开关分段虽然节约投资，但隔离开关不能带负荷拉闸，对日后的运行操作等带来相当多的不便，所以不采用；

C、单母线用断路器分段。具有单母线隔离开关分段接线的所有优点，而且可带负荷切合开关，便于日后的运行操作，可靠性和灵活性较高。

经综合比较，选择方案3作为工厂总降压变电所低压侧主接线方式。 4.2.3 工厂总降压变电所供配电电压的选择

目前，此类降压变电所的低压侧常用电压等级一般为：10kV和6kV两个，但考虑到本厂低压侧有6kV的负荷，如采用10kV的电压等级，还需进行二次降压，这样会增加一套降压设备，投资增大，不符合经济原则。所以，在本设计中选择只用6kV的电压等级，将35kV的电压降为6kV等级的电压使用即可。选择这种变压的供配电方式既可以节省投资，又能够降低损耗。

而对于380V的5个车间，分别根据容量来选择6kV的电压降为380kV的变压器。 4.3 总降压变电所电气主接线设计

总降压变电所35kV侧（高压侧）采用外桥接线方式，2台主变，一台运行另一台热备用（定期切换，互为备用，不并列运行）；6kV侧（低压侧）由运行的主变供电，采用单母（开关）分段的接线方式，经开关供9路出线负荷，其中6路通过变压器将6kV降到380V。

[4]

[4]

12

根据上述对于变电所高压侧、低压侧主结线方式的比较讨论；变压器的选择，确定了总降压变电所的主接线图见附录C。 4.4 高低压配电柜选择

本次设计的高低压配电柜分别选择为： 35kV线路上的电压互感器可选择JYN-35,112。 35kV线路上的电流互感器可选择JYN-35,43。

35kV主变压器低压侧的6kV出线端电流互感器可选择JYN2-10。 6kV变压器低压侧的380V出线端电流互感器可选择PGL2-05。 6kV母线上的电压互感器可选择GG1A(F)-54。

13

第五章 短路电流计算

5.1 三相短路电流计算的目的

短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。

短路计算的目的主要有以下几点： 1．用于变压器继电保护装置的整定。 2．选择电气设备和载流导体。 3．选择限制短路电流的方法。 4．确定主接线方案和主要运行方式。 5.2 短路电流计算

表5-1 电力系统各元件电抗标幺值计算公式

设备 无穷大电源 变压器 输电线 计算电抗公式 X?SD/Sd XT??(Uk%/100)(Sd/ST(N)) 2XL??XL(Sd/Uav) 注：Sd为系统无限大电源处不同运行方式时的短路容量 短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：

? ? ? ? ?

正常工作时，三相系统对称运行。 所有电源的电动势相位角相同。 短路发生在短路电流为最大值的瞬间。 不考录短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

元件的计算数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。

[5]

输电线路的电容略去不计 绘制计算电路 如图5.1所示：

14

图5.1 系统等值电路

根据原始资料，我们应该分别计算系统最大运行方式即SkMAX?200MVA和最小运行方式

Skmin?175MVA时的短路电流。而对于短路点d-3，由于系统中的变压器不相同，而变压

器的阻抗分别为4.5和5，所以下面的计算中6kV变压器短路点会分两种情况d-3和d-3’。 所有短路点的计算过程在附录A的设计计算书中。而我们可得得到的短路电流归纳在下面2个表中。

表5-2 200MVA短路计算表

三相短路电流/kA 短路计算点 d—1 d—2 d—3 d—3’ Ik 2.1 6.94 10.44 12.74 (3)I” 2.1 6.94 10.44 12.74 (3)I∞(3) Ish 3.78 12.49 18.8 22.9 (3)2.1 6.94 10.44 12.74 表5-3 175MVA 短路计算表

三相短路电流/kA 短路计算点 d—1 d—2 d—3 d—3’ Ik 1.92 6.58 10.38 11.4 (3)I” 1.92 6.58 10.38 11.4 (3)I∞(3) Ish 3.46 11.84 18.7 20 (3)1.92 6.58 10.38 11.4 15

第六章 电气设备的选型及校验

6.1 电气设备选择与校验的条件与项目

为了保证一次设备安全可靠地运行，必须按下列条件选择和校验[2]

： 1)按正常工作条件包括电压、电流、频率及开断电流等选择。 2)按短路条件包括动稳定和热稳定进行校验。

3)考虑电气设备运行的环境条件如温度、湿度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。

4)按各类设备的不同特点和要求如短路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确度级等进行选择。 6.2 设备选择 6.2.1 断路器的选择

断路器形式的选择，除需满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于安装调试和运行维护，并经技术经济比较后才能确定。根据当前我国生产制造情况，电压6～200kV的电网一般选用少油断路器；电压110～330kV的电网，当少油短路器技术条件不能满足要求时，可选用六氟化硫或空气断路器；大容量机组采用封闭母线时，如果需要装设断路器，宜选用发电机专用断路器[6]

。

断路器选择的具体技术要求如下： （1）电压： Ug(系统工作电压)?UN （2）电流： Ig.max(最大持续工作电流)?IN

（3）开断电流：

Id.t?Ikd(或Sd.t?Skd)

Id.t—断路器实际开断时间t秒的短路电流周期分量。 Sd.t—断路器t秒的开断容量。

Ikd—断路器的额定开断电流。 Skd—断路器额定开断容量。

（4）动稳定：

ich?imax

imax—断路器极限通过电流峰值。

ich—三相短路电流冲击值。

（5）热稳定：

I2?t2dz?Itt

16

(6.1) (6.2) (6.3)

(6.4)

(6.5)

I?—稳态三相短路电流。 tdz—短路电流发热等值时间。 It—断路器t秒而稳定电流。

各电压等级断路器的选择：

35kV等级变压器高压侧选择少油断路器SW3-35。 电压： 电流： 断流能力： 动稳定度： 热稳定度：

[6]

35kV?35kV 88A?603A

2.1kA?6.6kA 3.78kA?17kA I2?tdz?2.12?2?8.82kV It2t?6.62?4?174kV I2?tdz?It2t满足要求

[6]

6kV等级变压器低压侧与出线选择少油短路器SN10—10Ⅱ。 电压： 电流： 断流能力： 动稳定度： 热稳定度：

6kV?10kV

512A?1000A 6.94kA?31.5kA

12.94kA?80kA I2?tdz?6.942?1.5?72.25kV It2t?31.52?2?1984.5kV I2?tdz?It2t满足要求

[4]

380V等级选择低压断路器DW15—1500/3D。 电压： 电流： 断流能力：

380V?380kV 1124A?1500A

10.44kA?40kA

380V低压短路器不需要考虑动稳定和热稳定，所以满足。 6.2.2 隔离开关的选择

负荷开关型式的选择，其技术条件与断路器相同，但由于其主要是用来接通和断开正常工作电流，而不能断开短路电流，所以不校验短路开断能力。

隔离开关型式的选择，应该根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合的技术经济比较然后确定。

17

[6]

（1）电压： Ug(系统工作电压)?UN （2）电流： Ig.max(最大持续工作电流)?IN

（3）动稳定：

ich?imax

imax—断路器极限通过电流峰值。

ich—三相短路电流冲击值。

（4）热稳定：

I2?tdz?I2tt

I?—稳态三相短路电流。 tdz—短路电流发热等值时间。 It—断路器t秒而稳定电流。

各电压等级隔离开关的选择：

35kV等级：变压器高压侧选择隔离开关GW4—35T[6]

。 电压： 35kV?35kV 电流： 88A?630A

动稳定度： 3.78kA?50kA 热稳定度： I2?tdz?2.12?2?8.82kV

I2tt?15.8kV

I2?tdz?I2tt

6kV等级：变压器低压侧选择隔离开关GN19—10/1000[1]

。 电压： 6kV?6kV 电流： 512A?1000A

动稳定度： 12.49kA?80kA 热稳定度： I2?tdz?6.942?1.5?72.25kV I2tt?31.52?4?15.8kV

I2?tdz?I2tt

380V等级隔离开关选择为HD13—1500/30[6]

。 电压：

380V?380V

18

(6.6) (6.7) (6.8)

(6.9)

满足要求。

满足要求。

电流：

1124A?1500A

低压隔离开关不需要考虑动稳定和热稳定，所以满足要求。 6.2.3 高压熔断器选择

熔断器的形式可根据安装地点、使用要求选用。高压熔断器熔体在满足可靠性和下一段保护选择性的前提下，当在本段保护范围内发生短路时，应能在最短时间内切断故障，以防止熔断时间过长而加剧被保护电器的损坏。 （1）电压：

[4]

Ug(系统工作电压)?UN

(6.10)

限流式高压熔断器不宜使用在工作低于其额定电网中，以免因过电压使电网中的电器损坏，故应该Ug?UN。 （2）电流：

Ig.max?If2N?If1N

(6.11)

If2N—熔体的额定电流。 If1N—熔断器的额定电流。

（3）断流容量：

Ich(或I\?Ikd

(6.12)

Ich—三相短路冲击电流的有效值。 Ikd—熔断器的开断电流。

各电压等级高压熔断器的选择：

35kV等级：变压器高压侧选择高压熔断器RW10-35/0.5。 电压：

[4]

35kV?35kV

电流：由于高压熔断器是接在电压互感器上，最大工作电流非常小，因此满足要求。 断流容量：

Ich?2.1kA

Ikd?

2000?66kA

35?3Ich?Ikd

[4]

满足要求。

6kV等级：变压器低压侧选择高压熔断器RN1—6。 电压：

6kV?6kV

电流：由于高压熔断器是接在电压互感器上，最大工作电流非常小，因此满足要求。 断流容量：

Ich?6.94kA

19

Ikd?200?192.5kA

0.6?3Ich?Ikd

满足要求。

6.2.4 电压互感器的选择

（1）电压互感器的选择和配置应按以下条件：

? 6—20kV屋内配电装置，一般采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注绝缘接共的电压互感器。

? 35—110kV配电装置，一般采用油浸绝缘结构的电压互感器。

? 220kV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用容式电压互感器。

? 在需要检查和监视一次回路单相接地时，应选用三相五柱式电压互感器或具有第三绕组的单相电压互感器组。 （2）一次电压U1：

[6]

1.1UN?U1?0.9UN

(6.13)

UN为电压互感器额定一次线电压，1.1和0.9是允许的一次电压的波动范围，即为

?10%UN。

（3）准确等级：电压互感器应在那一准确等级下工作，需根据接入的测量仪表和继电器和自动装置等设备对准确等级的要求确定。 各电压等级电压互感器的选择：

35kV等级：变压器高压侧选择油浸式电压互感器JDJ2—35。 根据环境要求和上述条件应选择油浸式电压互感器 电压：35kV满足要求

准确等级：准确等级为0.5级。

6kV等级：变压器低压侧选择JDZX8—6环氧树脂全封闭浇注电压互感器 根据环境要求和上述条件应选择油浸式电压互感器： 电压：6kV满足要求。

准确等级：准确等级为0.5级。 6.2.5 电流互感器的选择

（1）型式：电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。对于6—20kV屋内配电装置，可采用次绝缘技工或树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸瓷箱式绝缘接共的独立式电流互感器。一般尽量采用套管式电流互感器。 （2）一次回路电压：

[6]

[2]

Ug?UN

(6.14)

Ug为电流互感器安装处一次回路工作电压，UN为电流互感器额定电压。

20

（3）一次回路电流：

Ig.max?IN

(6.15)

Ig.max为电流互感器安装处的一次回路最大工作电流，IN为电流互感器原边额定电流。

（4）准确等级：电流互感器准确等级的确定与电压互感器相同。 （5）动稳定：内部动稳定

ich?2I1N?Kdw

(6.16)

式中Kdw电流互感器动稳定倍数，它等于电流互感器极限通过电流峰值idw与一次绕组额定电流I1N峰值之比。 （6）热稳定：

I2??tdz?(I1N?Kt)2

(6.17)

Kt为电流互感器的1秒钟热稳定倍数。

各电压等级电流互感器的选择：

35kV等级：变压器高压侧选择LZZB8—35（D）电流互感器。 电压： 电流： 动稳定度： 热稳定度：

[2]

35kV?35kV

88A?200A 3.78kA?79kA I2?tdz?2.12?2?8.82kV It2t?31.52?1?992.25kV

I2?tdz?It2t

[2]

满足要求。

6kV等级：变压器低压侧与出线选择LZZQB6—6/1000。 电压： 电流： 动稳定度： 热稳定度：

6kV?6kV

512A?1000A 12.49kA?110kA I2?tdz?6.942?2?96.33kV It2t?612?1?3721kV

I2?tdz?It2t

[2]

满足要求。

380等级：变压器选择LMZ1—0.5电流互感器。 电压： 电流：

380V?380V

1124A?1500A

380V低压电流互感器不需要动稳定和热稳定校验。

经过以上的一次设备的选择与校验，我们可以归纳出满足要求的电气设备一览表见附录B

21

中表6.1-6.3

6.3 母线与各电压等级出线选择 6.3.1 6kV母线的选择

在35kV及以下、持续工作电流在4000及以下的屋内配电装置中，一般采用矩形母线。 已知：6kV母线最大负荷电流可达608A，所以选择LMY-50?5的铝母线，相间距离??0.35m，

Nf?3.65，E?7?1010Pa，h?50mm，b?5mm

热稳定校验：母线最小截面积[4]

：

SkKSmin?QC Qk—短路电流通过电器时所产生的热效应。 KS—校正系数。

C—热稳定系数。

?????(?al??)?(IMAXI)2

al

??—母线通过持续工作电流Imax时的温度。

? —实际环境温度。

?al—母线正常最高允许温度，一般为70度。

Ial—母线对应于θ允许电流。

???35?(70?35)?(6080.14970?35?637)2?72.8

取??75?C，查表得C?85 ，KS?1。

Qkk?t12(I\?10I2tk?I2tk) 2 tk?1.5s ， Ik?12.49kA ， Itk?6.94kA

Q1.5k?(12.92?10?12.492?6.94212)?221.82(kA)2?S I2tk与I\的数值较接近所以用I\代替。

2

SkKSmin?QC?175?250mm2

22

(6.18)

(6.19)

(6.20)

满足要求。

共振校验：

bh3J?

12(6.21) (6.22)

M?2hb?

LMAX=NFEJ ?f1m(6.23)

bh30.053J??0.005??1?10?6m4

1212

M?2hb??2?0.005?0.05?2700?1.35kam NFEJ3.657?1010?1?10?6LMAX=????2.28

f1m1601.35

选取L?1.5?LMAX 则??1。 动稳定校验：

??0.167bh2

FMAX?1.73?10??7(6.24)

L2??ish2??

(6.25)

FMAX1.5232?1.73?10??(12.9?10)?1 20.35?0.167?0.005?0.05?766 ?14.87?10pa?69pa

满足要求。

3）结论：从上面的动稳定和热稳定分析，选用LMY-50?5（截面积为250mm）的铝母线是符合要求的。

6.3.2 选择35kV线路导线

裸导体应根据具体使用情况按下列条件选择与校验:

载流导体一般采用铝质材料。回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体。 根据计算负荷所得，降压变电所高压侧：

S30=5325.2kVA，P30=4942.9Kw， Q30=1981.2kVar

[1]

Igmax?S303Ue (6.26)

23

Igmax?S303Ue?5325.2?88A 3?352

查资料并考虑到经济输送功率的要求，选择线径为50mm的导线，因此选择LGJ-70（R为0.46?/kM，X为0.315?/kM）型号的导线。 要求： 根据公式：

?U?5% ?U?(PR?QX)

Ue(6.27)

得：

?U?(PR?QX)(4942.9?0.46?8?1981.2?0.315?8)??599.6V

Ue38?U%??U?100% Ue(6.28)

根据公式：

得：

?U%??U0.5996?100%??100%?1.57%?5% Ue38I?tdz C热稳定校验：根据选择好的导体界面S，还应校验其在短路条件下的热稳定。

S?Smin?(6.29)

Smin—根据热稳定决定的导体最小允许截面。

C—热稳定系数。

I?—稳态短路电流。 tdz—短路电流等值时间。

Smin?

6.3.3 6kV出线的选择 电缆应按下列条件选择:

明敷的电缆，一般采用裸钢带铠装或塑料外护层电缆。在易受腐蚀地区应选用塑料外护层电联。在需要使用钢带铠装电缆时，宜选择用二级外护层式。

直埋敷设时，一般选用钢带铠装电缆。在潮湿或腐蚀性土壤的地区，应带有塑料外护层。其他地区可选用黄麻外护层。

电力电缆除充油电缆外，一般采用三芯铝芯电缆。 （1）对NO.1车间6kV进线进行电缆选择：

24

[1]

I?2.1?2.2tdz??36mm2 C85Smin?36mm2?50mm2

满足要求。

S30?1108.2kVA P30?720kW Q30?842.4kVar

工作电流：

I30?1108.2?107A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?107A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面50mm

R=0.76Ω/km X=0.079Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(720?0.76?0.15?842.4?0.079?0.15)?15.3V

6?U%??U?5% U满足要求。

热稳定校验：

Smin?I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

2

Smin?110mm2?150mm2

2

所以50mm的截面积不符合，要选择150mm。

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。 （2）对NO.2车间6kV进线进行电缆选择：

S30?628kVA P30?429.3kW Q30?459.4kVar

工作电流：

I30?628?60A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?107A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(429.3?0.25?0.15?459.4?0.085?0.15)?3.7V

6

?U%?Smin??U3.7??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C8525

Smin?110mm2?150mm2

满足要求。

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。 （3）对NO.3车间6kV进线进行电缆选择：

S30?739.9kVA P30?342.9kW Q30?655.7kVar

工作电流：

I30?739.9?71.2A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?71.2A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(342.9?0.25?0.15?655.7?0.085?0.15)?3.5V

6

?U%?Smin??U3.5??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

Smin?110mm2?150mm2

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。 （4）对NO.4车间6kV进线进行电缆选择：

S30?670.9kVA P30?471.3kW Q30?477.5kVar

工作电流：

I30?670.9?64.6A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?64.6A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(471.3?0.25?0.15?477.5?0.085?0.15)?4V

6 26

?U%?Smin??U4??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

Smin?110mm2?150mm2

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。 （5）对NO.5车间6kV进线进行电缆选择：

S30?322.8kVA P30?253.4kW Q30?200kVar

工作电流： I30?322.8?31A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?31A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(253.4?0.25?0.15?200?0.085?0.15)?2V

6

?U%?Smin??U2??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

Smin?110mm2?150mm2

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。

（6）对负荷最大的6KV铸钢车间进行电缆选择：

S30?2330.86kVA I30?224.29A P30?2025kW Q30?1154.25kVar

选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?224.29A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

27

?U?(PR?QX)U?e(2025?0.25?0.15?1154.25?0.085?0.15)?15V

6

?U%?Smin??U15??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

Smin?110mm2?150mm2

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。 （7）对铸铁车间6kV进线进行电缆选择：

S30?319.5kVA P30?288kW Q30?138.2kVar

工作电流：

I30?319.5?21.7A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

母线距离厂房约150m，由I30?21.7A及地下0.7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(288?0.25?0.15?138.2?0.085?0.15)?2V

6

?U%?Smin??U2??5% U6000满足要求。

I?7.18?1.7tdz??110mm C85

Smin?110mm2?150mm2

满足要求。

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。

（8）对空压站车间6kV进线进行电缆选择：

S30?450kVA P30?382.5kW Q30?237.2kVar

工作电流：

I30?450?43.3A 3?6选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆

28

母线距离厂房约150m，由I30?43.3A及地下0。7m土壤温度为20度可知，可初步选取缆芯截面150mm。

R=0.21Ω/km X=0.082Ω/km

2

?U?(PR?QX)U?e(382.5?0.25?0.15?237.2?0.085?0.15)?2.9V

6

?U%?Smin??U2.9??5% U6000满足要求。

热稳定校验：

I?7.18?1.7tdz??110mm C85满足要求。

Smin?110mm2?150mm2

所以， 选择VLV22-6000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆是满足需求的，根据原始资料所提供的环境信息，可以选择直接埋地敷设。

综合以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表6.4见附录B。

29

第七章 继电保护选择

7.1 35kV侧电压互感器二次回路方案与继电保护的整定

高压短路其的操作机构控制与信号回路，断路器采用弹簧储能操作机构，可实现一次重合闸。变电所的电能计量回路，变电所高压侧装设专用计算柜，其上装有三相有功电能表和无功电能表，分别计量全厂小号的有功电能和无功电能，并据以计算每月工厂的平均功率因数。 备用电源的线路上应装设备用电源自动投入装置(APD)。作为备用电源的高压联络线上，装有三相有功电能表，三相无功电能表和电流表，高压进线上，亦装有电流表。低压侧的动力出线上，均装有有功电能表和无功电能表。低压并联电容器线路上，装有无功电能表。每一回路均装有电流表。低压母线上装有电压表[1]。 7.1.1 35kV主变压器保护

变压器的内部故障可分为油箱内和邮箱外故障两种。邮箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路，匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为邮箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加尔切除。油箱为的故障，主要是套管和引用出现上发生相间短路和接地短路。 变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及有余漏油等原因引起的油面降低[9]。 ①瓦斯保护

对变压器邮箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，他反应与油箱内所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作与跳开变压器电源侧的短路器。

应该设瓦斯保护的变压器容量界限是：800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。同样对待负荷调压的油浸式变压器的调压器装置，也应装设瓦斯保护[9]。

②装设电流速断保护

工厂供电系统变压器的电流速断保护，一般采用两相式接线。和线路电流速断保护一样，变压器的电流速断保护也不能保护变压器的全部，而只能保护整个元件的一部分，一般在只能保护到变压器的一次侧[10]。

利用GL15型继电器的电流速断装置来实现。 ③差动保护

对变压器绕组、套管及引出先上的故障，应该根据不同容量装设差动保护。 差动保护适用于并列运行的变压器，容量为6300kVA以上时；单独运行的变压器，容量为10000kVA以上时；发电厂厂工作变压器和工业企业种的重要变压器，容量为6300kVA以上时。

④反时限过电流保护

30

变压器过电流保护的保护范围可达变压器的全部，并可以延伸到变压器二次母线上出线的一部分，所以是变压器必不可少的后备保护[10]。 初步选择GL-15感应式电流继电器： 满足规定的灵敏系数要求。 7.1.2 6kV变压器保护

在本设计中，6kV变压器分别有S9—400/10（6）、S9—630/10（6）、S9—800（6）。 我们先对S9—400/10（6）进行保护设计。 ①瓦斯保护

当变压器邮箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号;当因严重故障产生大量瓦斯时，则动作并跳闸。 ②装设电流速断保护

利用GL15型继电器的电流速断装置来实现。

我们再对S9—630/10（6）、S9—800/10（6）进行保护设计 ①瓦斯保护

当变压器邮箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号;当因严重故障产生大量瓦斯时，则动作并跳闸。 ②装设电流速断保护

利用GL15型继电器的电流速断装置来实现。 7.1.3 6kV母线保护

选择GL-15感应式电流继电器。 ①主变反时限过流保护。

主变的定时限过电流保护可以对6KV母线起到保护作用。 7.1.4 6kV出线保护

相间短路保护3～10kV线路的相间短路保护装置应符合以下要求：

? 由电流继电器构成的保护装置，应接于两相电流互感器上，且同一网络的所有线路的同类保护均应装在相同的两相上。

? 对单侧电源的线路，可装设两段过电流保护：第一段为不带时限的电流数段保护，第二段为带时限的过电流保护。 ①反时限过流保护

利用GL15型继电器来实现保护。 ②电流速断保护

利用GL15型继电器的电流速断装置来实现。

31

第八章 防雷保护和接地装置的设计

8.1防雷保护

8.1.1架空线路的防雷措施 1.架设避雷线

2.提高线路本身的绝缘水平

3.利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 4.装设自动重合闸装置 5.别绝缘薄弱地点加装避雷器 8.1.2 变配电所的防雷措施

1.装设避雷针 室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。

2.低压侧装设避雷器 这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。 8.2接地装置

8.2.1确定此配电所公共接地装置 1.确定接地电阻

按相关资料可确定此配电所公共接地装置的接地电阻应满足以下两个条件： RE ≤ 250V/IE RE ≤ 10Ω 式中IE的计算为 IE = IC = 60×(60＋35×4)A/350 = 34.3A 故 RE ≤ 350V/34.3A = 10.2Ω

综上可知，此配电所总的接地电阻应为RE≤10Ω 3.计算单根钢管接地电阻

查相关资料得土质的ρ = 100Ω·m

则单根钢管接地电阻RE(1) ≈ 100Ω·m/2.5m = 40Ω 4.确定接地钢管数和最后的接地方案

根据RE(1)/RE = 40/4 = 10。但考虑到管间的屏蔽效应，初选15根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体。以n = 15和a/l = 2再查有关资料可得ηE ≈ 0.66。 因此可得n = RE(1)/(ηERE) = 40Ω/(0.66×4)Ω ≈ 15考虑到接地体的均匀对称布置，选16mm根直径50mm、长2.5m的钢管作地体，用40×4mm2的扁钢连接，环形布置。选择双针等高避雷。

32

结 论

本次毕业设计的题目是“某冶金机械修造厂总降压变电所及高压配电系统设计”。根据论文的要求首先进行了各车间的负荷计算 ，对系统进行容量补偿有利于减少电能的损失。采用的电气主接线具有供电可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和可扩建发展的可能性等特点。所选主变经济、合理。在设计过程中，短路电流是按最严重情况考虑计算的，并结合实际环境，选择的电气设备提高了运行的可靠性，节约运行成本。本设计还对系统做一系列保护的选择，如继电保护，需要通过电流的整定与灵敏性的校验。还有通过防雷设备的装设与接地装置保护的设计来增加系统的稳定性。

通过这次设计，我们进一步领会电力工业建设中的政策观念和经济技术观念，以及对输变电的技术和经济问题，能够进行比较全面的综合分析。使我们对电力系统有了一个整体和具体的了解，这对我们今后工作中有积极的意义。

33

参考文献（References）

[1] 刘介才. 工厂供电设计指导[M]. 北京：机械工业出版社，2008. [2] 余建明,同向前,苏文成. 供电技术[M]. 北京：机械工业出版社，1997. [3] 胡虔生，胡敏强. 电机学[M] . 北京：中国电力出版社，2005：41-43. [4] 姚春球. 发电厂电气部分[M] . 北京：中国电力出版社，2004：241-283.

[5] 何仰赞，温增银. 电力系统分析[M] . 武汉：华中科技大学出版社，2002：133-146. [6] 黄纯华. 发电厂电气部分课程设计参考资料[M] . 北京：中国电力出版社，1998. [7] 刘增良，刘国亭. 电气工程CAD[M] . 北京：中国水利水电出版社，2006.

[8] Behrendt, K. and M. Dood, Substation Relay Data and Communication, Technical

Report, Schweitzer Engineering Labs, Pullman, WA, 2000.

[9] 贺家李，宋从矩. 电力系统继电保护原理[M] . 北京：中国电力出版社，2004：277，

288-290.

[10] 吕继绍. 电力系统继电保护设计原理[M] . 北京：水利电力出版社，1992. [11] Dolezilek, D., “Case Study of a Large Transmission and Distribution Automation

Project”, Technical Report, Schweitzer Engineering Labs, Pullman, WA, 2000.

34

致谢

我的毕业设计是在许仙明老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。许仙明老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活 上给我以无微不至的关怀，在此谨向许仙明老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们， 正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！大学四年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们， 我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学四年学习的默默支持；感谢我的母校南昌大学科技学院给了我在大学四年深造的机会，让我能继续学习和提高； 感谢南昌大学科技学院的老师和同学们四年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的四年充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师许仙明老师对我 关心和支持尤为重要。

在此，我对许仙明老师表示由衷的感谢。谢谢您对我的悉心教导。

35

附录A

NO.1变电所（铸钢车间）负荷计算：

P30=Kx×Pe=0.4×2000=800kW

tg?=1.17

Q30=P30×tg?=800×1.17=936kVAR

S30=P230?Q30=8002?9362=1230.8kVA I30=S30?3Un=1230.8?(1.732*380)=1.87kA

NO.2变电所负荷计算：

铸铁车间：P30.1=Kx×Pe=1000×0.4=400KW

2tg?=1.02

Q30.1=P30.1×tg?=400×1.02=408KW

S30.1=P230.1?Q30.1=4002?4082=571.37KW I30.1=S30.1?3Un=571.37?(1.732*380)=868.1

砂库：

Q30.2?P30.2?tg??69.3?1.33?92.2kVar

22S30.2?P30.2?Q30.2?69.32?92.22?115.3kVA

2I30.2?S30.2UN?3?115.3?175.2A

0.38?3∴P30?360?69.3?429.3kW

Q30?367.2?92.2?459.4kVar

22S30?P30?Q30?429.32?459.42?628.8kVA

I30?NO.3变电所负荷计算：

S30UN?3?628.8?955.36A

0.38?336

铆焊车间：

P30.1?Kd?K??P?0.9?0.3?1200?324kW tg??tgarccos??1.68

Q30.1?P30.1?tg??324?1.98?641.5kVar

22S30.1?P30.1?Q30.1?3242?641.22?718.4kVA

I30.1?S30.1UN?3?718.4?1091.4A

0.38?31#水泵房：

P30.2?Kd?K??P?0.9?0.75?28?18.9kW

tg??tgarccos??0.75

Q30.2?P30.2?tg??18.9?0.75?14.2kVar

22S30.2?P30.2?Q30.2?18.92?14.22?23.6kVA

I30.2?S30.2UN?3?23.6?35.9A

0.38?3∴P30?324?18.9?342.9kW

Q30?641.5?14.2?655.7kVar

22S30?P30?Q30?342.92?655.72?739.9kVA

I30?S30UN?3?739.9?1124.2A

0.38?3NO.4变电所负荷计算（K∑=0.9）： 空压站：

P30.1?Kd?K??P?0.85?0.9?390?298.4kW

tg??tgarccos??0.88

Q30.1?P30.1?tg??298.4?0.88?263.1kVar

22S30.1?P30.1?Q30.1?298.42?263.12?397.7kVA

37

I30.1?S30.1UN?3?397.7?604.3A

0.38?3机修车间：

P30.2?Kd?K??P?0.25?0.9?150?33.8kW tg??tgarccos??1.17

Q30.2?P30.2?tg??33.8?1.17?39.5kVar

22S30.2?P30.2?Q30.2?33.82?39.52?51.9kVA

I30.2?S30.2UN?3?51.9?78.9A

0.38?3锻造车间

P30.3?Kd?K??P?0.3?0.9?220?59.4kW tg??tgarccos??1.52

Q30.3?P30.3?tg??59.4?1.52?90.3kVar

22S30.3?P30.3?Q30.3?59.42?90.32?108kVA

I30.3?S30.3UN?3?108?164.2A

0.38?3木型车间：

P30.4?Kd?K??P?0.35?0.9?186?58.6kW tg??tgarccos??1.33

Q30.4?P30.4?tg??58.6?1.33?77.9kVar

22S30.4?P30.4?Q30.4?48.62?77.92?97.5kVA

I30.4?S30.4UN?3?97.5?148.1A

0.38?3制材厂：

P30.5?Kd?K??P?0.28?0.9?20?5.0kW tg??tgarccos??1.33

38

Q30.5?P30.5?tg??5.0?1.33?6.7kVar

22S30.5?P30.5?Q30.5?5.02?6.72?8.4kVA

I30.6?S30.6UN?3?8.4?12.7A

0.38?3综合楼：

P30.6?Kd?K??P?0.9?0.9?20?16.2kW tg??tgarccos??0

Q30.6?P30.6?tg??16.2?0?16.2kVar

22S30.6?P30.6?Q30.6?16.22?02?16.2kVA

I30.6?S30.6UN?3?16.2?24.6A

0.38?3∴P30?298.4?33.5?59.4?58.6?5.0?16.2?471.34kW

Q30?263.1?39.5?90.3?77.9?6.7?0?477.5kVar

22S30?P30?Q30?523.62?547.82?670.9kVA

I30?S30UN?3?670.9?1019.4A

0.38?3NO.5变电所负荷计算（K∑=0.9）： 锅炉房：

P30.1?Kd?K??P?0.75?0.9?300?202.5kW

tg??tgarccos??0.75

Q30.1?P30.1?tg??202.5?0.75?151.8kVar22S30.1?P30.1?Q30.1?202.52?151.82?253.1kVA

I30.1?S30.1UN?3?253.1?384.6A

0.38?32#水泵房：

P30.2?Kd?K??P?0.75?0.9?28?18.9kW

39

tg??tgarccos??0.75

Q30.2?P30.2?tg??18.9?0.75?14.2kVar

22S30.2?P30.2?Q30.2?18.92?14.22?23.6kVA

I30.2?S30.2UN?3?23.6?35.9A

0.38?3仓库：

P30.3?Kd?K??P?0.3?0.9?88?23.8kW tg??tgarccos??1.17

Q30.3?P30.3?tg??23.8?1.17?27.8kVar

22S30.3?P30.3?Q30.3?23.82?27.82?36.6kVA

I30.3?S30.3UN?3?36.6?55.5A

0.38?3污水提升机：

P30.4?Kd?K??P?0.65?0.9?14?8.2kW

tg??tgarccos??0.75

Q30.4?P30.4?tg??8.2?0.75?6.1kVar

22S30.4?P30.4?Q30.4?8.22?6.12?10.2kVA

I30.4?S30.4UN?3?10.2?15.6A

0.38?3∴P30?202.5?18.9?23.8?8.2?253.4kW

Q30?151.8?14.2?27.8?6.2?200.kW

22S30?P30?Q30?253.42?2002?322.8kVA

I30?S30UN?3?322.8?49.4A

0.38?3各车间6kV高压负荷计算（K∑=0.9）：

40

电弧炉：

P30.1?Kd?K??P?0.9?0.9?2?1250?2025kW

tg??tgarccos??0.75

Q30.1?P30.1?tg??2025?0.75?1154.3kVar

22S30.1?P30.1?Q30.1?20252?1154.32?2330.9kVA

I30.1?S30.1UN?3?2330.9?224.29A

6?3工频炉：

P30.2?Kd?K??P?0.8?0.9?2?200?288kW

tg??tgarccos??0.48

Q30.2?P30.2?tg??288?0.48?138.2kVar22S30.2?P30.2?Q30.2?2882?138.22?319.5kVA

I30.2?S30.2UN?3?319.5?30.7A

6?3空压机：

P30.3?Kd?K??P?0.85?0.9?2?250?382.5kW

tg??tgarccos??0.62

Q30.3?P30.3?tg??425?0.62?237.2kVar

22S30.3?P30.3?Q30.3?382.52?237.22?450kVA

I30.3?S30.3UN?3?450?43.3A

6?3∴P30?2025?288?382.5?2695.5

Q30?1154.3?138.2?237.2?1529.6

22S30?P30?Q30?2695.52?1529.62?3099.3kVA

41

I30?S30UN?3?3099.3?298.2A

6?3以上为本厂总降压变电所低压侧负荷，因此

P30总?P30NO.1?P30NO.2?P30NO.3?P30NO.4?P30NO.5?P306kV

P30总?720?429.3?342.9?471.3?253.4?2695.5?4912.4kW Q30?Q30NO.1?Q30NO.2?Q30NO.3?Q30NO.4?Q30NO.5?Q306kV Q30?852.4?459.4?655.9?477.46?200?1529.6?4164.7kW

22S30总?P304912.42?4164.72?6440.1kVA 总?Q30总?短路计算:：

图5.1 短路等值电路

取SB为100MVA，VB?Vave?38kV，且35kV线路只有一路运行，另一路备用。

iim?kimId

IB?IB1?SB

3?SN38kV网络的基准电流： 6.3kV网络的基准电流： 400V网络的基准电流：

100?1.519KA 3?38100IB2??9.16KA

3?6.3100IB3??144.3KA

3?0.4根据文献查出线路阻抗运算公式：

X?XL?100?0.22 238SB 2VB

线路L：XL?0.4?8?

XT?42

VS%SB? 100ST

变压器T：

两台变压器并列后：

XT1?0.075?100?1.2 6.3XT2?0.6

对与6kV的出线线路电阻，由于距离太短阻抗可以忽略不计。

变压器t分2种情况：当短路d3发生在变压器S9-400/10(6)时，阻抗电压为4%，当短路d3发生在变压器S9-800/10(6)或S9-630/10(6)时，阻抗电压为5%。

变压器T1： 变压器T2：

① 当Sd?SdMAX?200MVA时：

XT1?0.05?100?12.5 0.4100XT2?0.04??10

0.4XS?SB100??0.5 SS200Xd1?SS?XL?0.5?0.22?0.72

(38kV侧)d1短路时的短路电流：

Id1?(38kV侧)d1短路时的冲击短路电流：

1.519?2.1KA 0.72iim1?kimId1?1.8?2.1?3.78KA

(6.3kV侧)d2点短路时的短路电流：

Xd2?XS?XL?XT?0.5?0.22?0.6?1.32

Id2?(6.3kV侧)d2点短路时的冲击短路电流：

9.16?6.94KA 1.32iim2?kimId2?1.8?6.94?12.49KA

(0.4kV侧)d3点短路时的短路电流： 对于t1：

Xd3?XS?XL?XT?Xt1?0.5?0.22?0.6?12.5?13.82

Id3?144.3?10.44KA 13.82(0.4kV侧) d3点短路时的冲击短路电流：

iim3?kimId3?1.8?10.44?18.8KA

(0.4kV侧)d3点短路时的短路电流：

43

对于t2：

Xd3'?XS?XL?XT?Xt2?0.5?0.22?0.6?10?11.32

Id3'?144.3?12.74KA 11.32(0.4kV侧) )d3点短路时的冲击短路电流：

iim3'?kimId3'?1.8?12.74?22.9KA

②Sd?SdMAX?175MVA时：

XS?(38kV侧)d1短路时的短路电流：

SB100??0.571 SS175Xd1?XS?XL?0.571?0.22?0.791

Id1?(38kV侧)d1短路时的冲击短路电流：

1.519?1.92kA 0.791iim1?kimId1?1.8?1.92?3.46kA

(6.3kV侧)d2点短路时的短路电流：

Xd2?XS?XL?XT2?0.571?0.22?0.6?1.391

Id2?9.16?6.58KA 1.391(6.3kV侧)d2点短路时的冲击短路电流：

iim2?kimId2?1.8?6.58?11.84KA

(0.4kV侧)d3点短路时的短路电流： 对于T1：

Xd3?XS?XL?XT?XT1?0.571?0.22?0.6?12.5?13.89

Id3?144.3?10.38KA 13.89(0.4kV侧) )d3点短路时的冲击短路电流：

iim3?kimId3?1.8?10.38?18.7KA

(0.4kV侧)d3’点短路时的短路电流：

对于T2：Xd3'?XS?XL?XT?XT2?11.2745?0.571?0.22?0.6?12.66

Id3'?144.3?11.4KA 12.66iim3'?kimId3'?1.8?11.4?20.KA

44

附录B

表6.1 35kV设备选型表

选择校验项目 电压 电流 断流能力 动稳定度 热稳定度 45

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