前言
《工厂供电课程设计》是继《工厂供电》课程后的一个重要性的实践性教学环节,也是整个教学过程中不可缺少的重要组成部分。通过该课程设计可以巩固本课程理论知识,了解变电所设计的基本方法和变电所电能分配的各种实际问题,从而培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力,同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解,在计算绘图、编号、设计说明书等方面得到训练,为今后的学习、工作奠定良好的基础。
本次课程设计是对某机械厂降压变电所进行电气设计,在设计中根据该厂所能取得的电源及用电负荷的实际情况,并考虑工厂以后的发展,按照可靠、技术先进、经济合理的要求完成了以下几个部分内容:
设计任务
负荷计算和无功功率补偿;
变电所位置和型式的选择;
变电所主变压器台数和容量、类型的选择;
变电所主结线方案设计;
短路电流计算;
变电所一次设备的选择与校验;
变电所进出线选择与校验;
变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定;
防雷保护和接地装置的设计
参考文献
后有此次课程设计的总结与参考文献,并附图纸2张(以附图形式给出),分别是:附图一(电气主接线图),附图二(变压器保护原理展开图)。
电气设计有很强的实践性,本人初次接触这方面的设计,而且知识掌握的深度和广度有限,设计中难免存在不完善的地方,敬请老师和读者批评指正!
前言 ........................................................ 错误!未定义书签。第一章设计任务............................................ 错误!未定义书签。第二章负荷计算和无功功率补偿............................... 错误!未定义书签。
负荷计算............................................. 错误!未定义书签。
无功功率补偿......................................... 错误!未定义书签。第三章变电所位置与型式的选择............................... 错误!未定义书签。第四章主变压器的台数和类型的选择........................... 错误!未定义书签。
变电所主变压器的选择.............................. 错误!未定义书签。第五章变电所接线方案设计................................... 错误!未定义书签。装设一台主变压器的主接线方案 ........................... 错误!未定义书签。装设两台主变压器的主接线方案如图5-2所示 ........ 错误!未定义书签。第六章短路电流的计算....................................... 错误!未定义书签。
绘制计算电路......................................... 错误!未定义书签。
确定短路计算基准值 ................................... 错误!未定义书签。
计算短路电路中个元件的电抗标幺值 ..................... 错误!未定义书签。 k-1点(侧)的相关计算................................. 错误!未定义书签。 k-2点(侧)的相关计算................................. 错误!未定义书签。第七章变电所一次设备选择与校验............................. 错误!未定义书签。 10kV侧一次设备的选择校验.............................. 错误!未定义书签。 380V侧一次设备的选择校验.............................. 错误!未定义书签。
高低压母线的选择 ..................................... 错误!未定义书签。第八章变电所进出线的选择与校验............................. 错误!未定义书签。 10kV高压进线和引入电缆的选择.......................... 错误!未定义书签。 380低压出线的选择..................................... 错误!未定义书签。
作为备用电源的高压联络线的选择校验 .................... 错误!未定义书签。第九章变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定............. 错误!未定义书签。变电所二次回路方案的选择 ............................... 错误!未定义书签。
变电所继电保护装置 .................................... 错误!未定义书签。装设电流速断保护 ....................................... 错误!未定义书签。作为备用电源的高压联络线的继电保护装置 ................. 错误!未定义书签。第十章降压变电所防雷与接地装置设计......................... 错误!未定义书签。变电所的防雷保护 ....................................... 错误!未定义书签。
变电所公共接地装置的设计 ............................. 错误!未定义书签。总结 ........................................................ 错误!未定义书签。参考文献..................................................... 错误!未定义书签。
第一章设计任务
设计要求
要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况,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,确定变电所的位置和型式,确定变电所主变压器的台数、容量与类型,选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线,确定二次回路方案,选择整定继电保护,确定防雷和接地装置。最后按要求写出设计说明书,绘出设计图纸。
设计依据
工厂总平面图
图工厂平面图
工厂负荷情况
本厂多数车间为两班制,年最大负荷利用小时为4600h,日最大负荷持续时间为6h。该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外,其余均属三级负荷。本厂的负荷统计资料如表所示。
供电电源情况
按照工厂与当地供电部门签定的供用电协议规定,本厂可由附近一条10kV 的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-150,导线为等边三角形排列,线距为2m;干线首端距离本厂约8km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为500MVA。此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护,定时限过流保护整定的动作时间为。为满足工厂二级负荷要求,可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km,电缆线路总长度为25km。
气象资料
本厂所在地区的年最高气温为38℃,年平均气温为23℃,年最低气温为-9℃,年最热月平均最高气温为33℃,年最热月平均气温为26℃,年最热月地下米处平均气温为25℃。当地主导风向为东北风,年雷暴日数为20。
地质水文资料
本厂所在地区平均海拔500m,地层以砂粘土为主,地下水位为2m。
表工厂负荷统计资料
本厂与当地供电部门达成协议,在工厂变电所高压侧计量电能,设专用计量柜,按两部电费制交纳电费。每月基本电费按主变压器容量为18元/kVA,动力电费为元/,照明电费为元/。工厂最大负荷时的功率因数不得低于,此外,电力用户需按新装变压器容量计算,一次性向供电部门交纳供电贴费:6~10VA为800/kVA。
第二章 负荷计算和无功功率补偿
负荷计算
单组用电设备计算负荷的计算公式 a)有功计算负荷(单位为KW )
30P =d K e P , d K 为系数
b)无功计算负荷(单位为kvar )
30Q = 30P tan ?
c)视在计算负荷(单位为kvA )
30S =
?
cos 30
P d)计算电流(单位为A )
30I =
N
U S 330, N U 为用电设备的额定电压(单位为KV )
多组用电设备计算负荷的计算公式 a)有功计算负荷(单位为KW )
30P =i p P K ??∑∑30
式中i P ?∑30是所有设备组有功计算负荷30P 之和,p K ?∑是有功负荷同时系数,可取~
b)无功计算负荷(单位为kvar )
30Q =i q Q K ??∑∑30,i Q ?∑30是所有设备无功30Q 之和;q K ?∑是无功负荷同时系数,
可取~
c)视在计算负荷(单位为kvA ) 30S =2
30
230Q P + d)计算电流(单位为A )
30I =
N
U S 330
经过计算,得到各厂房和生活区的负荷计算表,如表所示(额定电压取380V )
表 各厂房和生活区的负荷计算表
无功功率补偿
无功功率的人工补偿装置:主要有同步补偿机和并联电抗器两种。由于并联电抗器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点,因此并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。
由表可知,该厂380V 侧最大负荷时的功率因数只有。而供电部门要求该厂10KV 进线侧最大负荷时功率因数不低于。考虑到主变压器的无功损耗元大于有功损耗,因此380V 侧最大负荷时功率因数应稍大于,暂取来计算380V 侧所需无功功率补偿容量:
C Q =30P (tan 1? - tan 2?)=[tan - tan ] = kvar
参照图2,选PGJ1型低压自动补偿评屏,并联电容器为型,采用其方案1(主屏)1台与方案3(辅屏)4台相结合,总共容量为84kvar ?5=420kvar 。补偿前
后,变压器低压侧的有功计算负荷基本不变,而无功计算负荷'
30Q =()kvar= kvar ,
视在功率2'30230'30
Q P S
+== kVA ,计算电流N
U S I
3'
30
'30
=
= A,功率因数提高为
cos '
?='30
30
S P =。
在无功补偿前,该变电所主变压器T 的容量为应选为1250kVA,才能满足负荷用电的需要;而采取无功补偿后,主变压器T 的容量选为1000kVA 的就足够了。同时由于计算电流的减少,使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小,因此无功补偿的经济效益十分可观。因此无功补偿后工厂380V 侧和10kV 侧的负荷计算如表所示。
图 PGJ1型低压无功功率自动补偿屏的接线方案
表 无功补偿后工厂的计算负荷
第三章 变电所位置与型式的选择
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。在工厂平面图的下边和左侧,分别作一直角坐标的x 轴和y 轴,然后测出各车间(建筑)和宿舍区负荷点的坐标位置,1P 、2P 、 3P 10P 分别代表厂房1、2、3...10号的功率,设定1P (,)、2P (,)、3P (,)、4P (4,)、5P (,)、6P (,)、7P (,)、8P (,)、9P (,)、10P (,),并设11P (,)为生活区的中心负荷,如图3-1所示。而工厂的负荷中心假设在P(x ,y ),其中P=1P +2P + 3P +11P =i P ∑。因此仿照《力学》中计算中心的力矩方程,可得负荷中心的坐标:
∑∑=
++++++=
i i i P
x P P P P P x P x P x P x P x )(11
32111
11332211 (3-1) ∑∑=
++++++=i
i
i P
y P P P P P y P y P y P y P y )(11
3211111332211 (3-2)
把各车间的坐标代入(1-1)、(2-2),得到x =,y = 。由计算结果可知,工厂的负荷中心在6号厂房(工具车间)的西北角。考虑到周围环境及进出线方便,决定在6号厂房的西侧紧靠厂房建造工厂变电所,器型式为附设式。
图3-1 按负荷功率矩法确定负荷中心
x
第四章 主变压器的台数和类型的选择
变电所主变压器的选择
根据工厂的负荷性质和电源情况,工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案:
a)装设一台变压器 型号为S9型,而容量根据式30S S T N ≥?,T N S ?为主变压器容量,30S 为总的计算负荷。选T N S ?=1000 KVA>30S = KVA ,即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源,考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。
b)装设两台变压器 型号为S9型,而每台变压器容量根据式(4-1)、(4-2)选择,即
?≈?)7.0~6.0(T N S KVA=(~)KVA (4-1) )(30 S S T N ≥?=+165+ KVA= KVA (4-2)
因此选两台S9-630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源,考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均为Yyn0 。
明细表如4-1:
4-1 变压器型号及其参数
第五章 变电所接线方案设计
变电所主接线方案的选择
按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案:
装设一台主变压器的主接线方案 如图5-1所示
图5-1 装设一台主变压器的主接线方案
10kV
GG- 1A(J) -03
GG- 1A(F) -54
GG- 1A(F) -07
GG- 1A(F) -07
主变
联络(备用)
高压柜列
装设两台主变压器的主接线方案 如图5-2所示
图5-2 装设两台主变压器的主接线方案
GG- 1A(F) -113
GG- 1A(F) -11
GG- 1A(J) -01
GG- 1A(F) -96
GG- 1A(F) -07
GG- 1A(F) -54
主 变 主
变 联络 (备用)
高压柜列
第六章 短路电流的计算
绘制计算电路
图6-1 短路计算电路
确定短路计算基准值
设基准容量d S =100MVA ,基准电压d U =c U =N U ,c U 为短路计算电压,即高
压侧1d U =,低压侧2d U =,则
kA kV MVA U S I d d d 5.55.103100311=?=
=
(6-1)
kA kV
MVA U S I d d d 1444.0310032
2=?==
(6-2)
计算短路电路中个元件的电抗标幺值
电力系统
已知电力系统出口断路器的断流容量oc S =500MVA ,故
*1X =100MVA/500MVA= (6-3)
架空线路
查表得LGJ-150的线路电抗km x /36.00Ω=,而线路长8km ,故
6.2)5.10(100)836.0(2
202=?Ω?==*kV MVA
U S l
x X c d (6-4)
电力变压器
查表得变压器的短路电压百分值%k U =,故
kVA
MVA
S S U X N d k 10001001005.4100%3?==
*
=
(6-5)
式中,N S 为变压器的额定容量
因此绘制短路计算等效电路如图6-2所示。
图6-2 短路计算等效电路
2.01 k-1
k-2
6
.21 5
.41
k-1点(侧)的相关计算
总电抗标幺值
*
2*1)1(X X X k +=*-∑=+=
(6-6)
三相短路电流周期分量有效值
kA kA
X
I I k d k 96.18
.25.5*
)
1(1*
1==
=
-∑= (6-7)
其他短路电流
kA I I I k 96.1)
3(1)3()3(''===-∞
(6-8)
kA kA I i sh 0.596.155.255.2)3('')3(=?==
(6-9) kA kA I I sh 96.296.151.151.1)3('')3(=?==
(6-10) 三相短路容量
MVA MVA
X S S k d
k 7.358
.2100*
)
1()3(1==
=
-∑- (6-11)
k-2点(侧)的相关计算
总电抗标幺值
*3*2*1)1(X X X X k ++=*-∑=++= (6-12)
三相短路电流周期分量有效值
kA kA
X
I I k d k 7.193
.7144*
)
2(2*
2==
=
-∑= (6-13)
其他短路电流
kA I I I k 7.19)
3(1)3()3(''===-∞
(6-14)
kA kA I i sh 2.367.1984.184.1)3('')3(=?==
(6-15) kA kA I I sh 5.217.1909.109.1)3('')3(=?==
(6-16)
三相短路容量
MVA MVA
X
S S k d k 7.133
.7100*
)
2()3(2==
=
-∑-
(6-17)
以上短路计算结果综合图表6-1所示。
第七章 变电所一次设备选择与校验
10kV 侧一次设备的选择校验
按工作电压选则
设备的额定电压e N U ?一般不应小于所在系统的额定电压N U ,即≥?e N U N U ,高压设备的额定电压e N U ?应不小于其所在系统的最高电压max U ,即≥?e N U max U 。N U =10kV , max U =,高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压e N U ?=12kV ,穿墙套管额定电压e N U ?=,熔断器额定电压e N U ?=12kV 。 按工作电流选择
设备的额定电流e N I ?不应小于所在电路的计算电流30I ,即≥?e N I 30I 按断流能力选择
设备的额定开断电流oc I 或断流容量oc S ,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)3(k I 或短路容量)3(k S ,即
≥oc I )3(k I 或≥)
3(oc S )3(k S
对于分断负荷设备电流的设备来说,则为≥oc I max ?OL I ,max ?OL I 为最大负荷电流。
隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 a)动稳定校验条件
≥max i )3(sh i 或)
3(m ax sh I I ≥
m ax i 、m ax I 分别为开关的极限通过电流峰值和有效值,)3(sh i 、)
3(sh I 分别为开关所
处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值
b)热稳定校验条件 ima t t I t I 2
)3(2∞
= 对于上面的分析,如表7-1所示,由它可知所选一次设备均满足要求。
表7-1 10 kV 一次侧设备的选择校验
380V侧一次设备的选择校验
同样,做出380V侧一次设备的选择校验,如表7-2所示,所选数据均满足要求。
高低压母线的选择
查表得到,10kV 母线选LMY-3(40?4mm),即母线尺寸为40mm ?4mm;380V 母线选LMY-3(120?10)+80?6,即相母线尺寸为120mm ?10mm ,而中性线母线尺寸为80mm ?6mm 。
第八章 变电所进出线的选择与校验
10kV 高压进线和引入电缆的选择
10kV 高压进线的选择校验
采用LGJ 型钢芯铝绞线架空敷设,接往10kV 公用干线。 a).按发热条件选择 由30I =T N I ?1=及室外环境温度33°,查表得,初选LGJ-35,其35°C 时的al I =149A>30I ,满足发热条件。
b).校验机械强度 查表得,最小允许截面积min A =252mm ,而LGJ-35满足要求,故选它。
由于此线路很短,故不需要校验电压损耗。
由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验
采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。
a)按发热条件选择 由30I =T N I ?1=及土壤环境25°,查表得,初选缆线芯截面为252mm 的交联电缆,其al I =149A>30I ,满足发热条件。
b)校验热路稳定
按式C
t I
A A ima )3(min ∞
=≥,A 为母线截面积,单位为2mm ;
min A 为满足热路稳定条件的最大截面积,单位为2mm ;C 为材料热稳定系数;)
3(∞
I 为母线通过的三相短路稳态电流,单位为A ;ima t 短路发热假想时间,单位为s 。
本电缆线中)3(∞I =1960,ima t =++=,终端变电所保护动作时间为,断路器断路时间
为,C=77
,把这些数据代入公式中得
2)3(min 2277
75
.01960mm C
t I A ima =?
==∞