某商业中心配电系统设计

第1章课程设计任务书
1.1设计题目
某商业中心配电系统设计
1.2 设计目的
（1）通过该配电系统设计培养学生综合运用所学的基础理论知识、基本技能和专业知识进行分析和解决实际问题的能力。

（2）掌握供电系统设计计算和运行维护所必须的基本理论和基本技能。

（3）掌握供配电设计的基本原则和方法，深刻理解“安全、可靠、优质、经济”的设计要求，为今后从事工厂供配电技术奠定一定的基础。

1.3 设计要求
（1）选择变电所主接线方案。

（2）确定变电所主变压器的台数和容量、类型。

（3）选择高低压设备和进出线。

（4）选择整定继电保护装置。

1.4 设计依据
（1）商业中心负荷情况。

（2）供电电源情况。

1）由附近一条10kV的公用电源干线取得工作电源，干线导线型号LGJ-70，等边三角形排列，线距 1.5m，干线长度为10km。

干线首端断路器容量为300MVA。

此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护动作时间为1.3s。

2）变电所最大负荷时功率因数不低于0.9；
（3）其它资料（平面图、气象、地质水文等）略。

1.5设计任务
（1）负荷计算和无功功率补偿。

（2）主变压器台数、容量和类型的选择。

（3）变电所主接线方案的设计（绘图——2号图纸）。

（4）短路计算。

（5）变电所一次设备的选择与校验。

（6）选择整定继电保护装置。

（7）防雷保护和接地装置设计。

第2章 负荷计算和无功功率补偿
2.1商业中心负荷情况
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。

本次设计采用需要系数法计算用电设备组的负荷。

主要计算公式有：
a. 有功计算负荷(单位为kW ):
∑
∑= C.I P C P K
P (2.1)
b. 无功计算负荷（单位为kvar ）：
ϕtan C C P Q = (2.2)
c. 视在计算负荷（单位为kVA ）：
2
C 2C C Q P S += (2.3)
d. 计算电流(单位为A )：
C
C
C 3U S I =
(2.4 )
负荷计算表
无功功率补偿
(1) 由表可知，补偿前变压器低压侧的视在计算负荷为[3]
：
kVA 95.569)26.48801.294(222C12C1C1=+=+=
Q P S 1074.7
(2.5)
则,变电所低压侧的功率因数为：
.
095.56901.294cos )1(==ϕ 0.87 (2.6) 由于变压器本身也有损耗，所以计算变压器的功率损耗为：
55.895.569015.0015.0C1T =⨯==∆S P 1074.7=16.1kvar (2.7) 2.3495.56906.006.01T
=⨯==∆S Q 1074.7=64.5kvar (2.8)
可得，变电所高压侧的计算负荷为：
56
.30255.801.2941T C2=+=+∆=P P P 949.9 (2.9) 46
.5222.3426.488T C 2C =+=+∆=Q Q Q 596.5 (2.10) kVA 74.60346.52256.302222
C222C C2=+=+=Q P S 1121.7 (2.11)
2.2 确定补偿容量
现要求在高压侧不低于0.9，而补偿在低压侧进行，所以我们考虑到变压器的损耗，可设低压侧补偿后的功率因数为0.92来计算需要补偿的容量。

kva
)]92.0tan(arccos )52.0s [tan(arcco 01.294)tan (tan 21C1C.C -⨯=-=φφP Q 130.7 (2.12) 2316
21
.358n N.C C.C ===
Q Q 9 (2.13) 实际补偿的容量为：
368
1623C.C =⨯=Q 144 (2.14) 2.3 补偿后的计算负荷和功率因数 低压侧的计算负荷为：
kVA
65.317)36826.488(01.294)(222N.C C12C1'C1=-+=-+=nQ Q P S 1011.2 (2.15) 此时变压器的损耗为：
76.465.317015.0015.0C T =⨯==∆S P ’ 15.2kvar (2.16) 06.1965.31706.006.0C T =⨯==∆S Q ‘ 60.8kvar
(2.17)
变电所高压侧的计算负荷为：
77.29801.29476.4C1T C2=+=+∆=‘
’‘P P P
949.0 (2.18) 32.13906.19368-26.488T C C2=+=
+∆=）（’
‘’Q Q Q 454.7 (2.19) kVA 66.32932.13977.298222
C222C C2=+=+=‘
’‘Q P S 1052.4
(2.20) 变电所高压侧的功率因数为：
906.066.329/77.298cos '
C 'C '===S P ϕ
第3章 主变压器台数容量和类型的选择
3.1车间变电所变压器台数选择原则
对于二、三级负荷，变电所设置一台变压器，其容量可根据计算负荷决定。

可以考虑从其他车间的低压线路取得备用电源，这不仅在故障下可以对重要的二级负荷供电，而且在负荷极不均匀的轻负荷时，也能使供电系统达到经济运行。

对一、二级负荷较大的车间，采用两回独立进线，设置两台变压器，其容量确定和总降压变电所相同当负荷分散时，可设置两个各有一台变压器的变电所。

车间变电所中，单台变压器容量不宜超过1000kVA ，现在我国已经能够生产大断流容量的新型低压开关电器，因此，如果车间负荷容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用单台容量为1250（或1600）~2000kVA 的配电变压器[9]。

本设计选择一台变压器。

经计算
52.461~11.37966.329)4.1~15.1(N =⨯=S ）1052.4=1210.3—
1473.4 变压器容量选择1600VA 。

综上变压器选择S9——1600/10，变压器参数见下表：
3.2
变压器参数表
第4章变电所主接线方案的设计
4.1设计原则
变电所的主接线，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等因素综合分析确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。

本设计的变电所选用一台主变压器，所以其接线方案如下图所示。

主接线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。

供配电系统变电所常用的主接线基本形式有线路—变压器组接线、单母线接线和桥式接线3种类型。

本设计采用一次侧为线路变压器组接线、二次侧为单母线不分段接线
4.2主接线方案
第5章 短路计算
短路计算的方法有很多，常用的有欧姆法和标幺制法，本设计采用的是标幺制法。

5.1 基准值的选取
采用标幺制法进行三相短路计算时，选取的基准值为：
S d =100 MV·A, U C1=10.5kV, U C2=0.4 kV
①由公式
d d
d 3U S I =
计算基准电流，可得：
kA 50.510
3A MV 1003C1
d
1d =⨯⋅=
=
U S I (5.1)
kA 1440.43A
100MV 3C2d d2=⨯⋅==
U S I （5.2）
5.2短路计算电路
5.3 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 ①电力系统的电抗标幺值
由设计任务可知
A MV 300OC ⋅=S ，由公式
OC d
*
S S S X =
，可得：
*1X = 33
.0A 300MV A
100MV =⋅⋅ (5.3)
②电缆线路的电抗标幺值
由设计任务知/km)0.33(0Ω=X ，
10km =l ，由公式
2d d 0d L L U S
l X Z X X W *
W ==
，可得：
99.25.10A
MV 10010km )Ω/km (33.02
*
2=⋅⨯
⨯=X (5.4)
③变压器的电抗标幺值
查表得6%=K U ，由公式
N d
K *
T 100%S S U X ⋅
=
，可得：
*
3
X = A
1600kV 100A 100MV 6⋅⨯⋅⨯= A 1600kV 100A kV 1010053⋅⨯⋅⨯⨯=3.75 (5.5)
绘短路等效电路图如下图所示, 图上标出各元件的序号和电抗标幺值， 并标明短路计算点。

短路等效图 5.4）
（31K 点三相短路时的短路电流和容量的计算
①计算短路回路总阻抗标幺值
32.399.233.0*2*1*K 1
=+=+=X X X (5.6)
②计算）
（31K 点所在电压级的基准电流
kA 50.55
.1031003d1
d
d1=⨯==
U S I
(5.7)
③计算）
（31K 点短路电流各值
计算）
（32K 点三相短路时的短路电流
第6章 变电所一次设备的选择与校验
6.1 一次设备的选择与校验
在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压不低于设备安装地点电网额定电压Ns U 的条件选择，即：
Ns N U U ≥
(6.1)
按工作电流选择电气设备
电气设备的额定电流N I 不小于实际通过它的最大负荷电流max I ，即
max N I I ≥ (6.2)
短路热稳定校验：
ima 2
2t t I t I ∞≥ (6.3)
t I ——电器的热稳定试验电流 t ——电器的热稳定试验时间
∞I ——短路电流的稳态值
ima t ——短路电流的假想时间
短路动稳定校验：
max sh i i ≤ (6.4)
max sh I I ≤ (6.5)
max i ——电器的极限通过电流峰和有效值 max I ——电器的极限通过电流有效值
sh i ——短路冲击电流峰值
sh I ——短路冲击电流有效值 开关电器断流能力校验
开关设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量。

即
K.max oc S S ≥ (6.6)
(3)
K.max oc I I ≥ (6.7)
oc S ，oc I 为开关电器的最大开断容量和开断电流。

根据负荷等级本设计选)(1F A GG -型开关柜。

(1) 高压断路器的校验
安装设地点额定电压和额定电流选择断路器ZN5-10 动稳定校验：kA i 63max
=， kA i 16.4sh =， sh max i i >， 满
足要求。

热稳定校验： 125022522t =⨯=t I ，8.402k =t I ，
ima k 2t t I t I >，满足要求。

断流能力校验：kA 651.1k =I ，kA 20oc =I ，k oc I I >，满足要求。

(2) 高压隔离开关
安装设地点额定电压和额定电流选择，高压隔离开关选GN19-10/630。

动稳定校验：kA i
50max
= ，kA i 16.4sh =，sh max i i >，
满足要求。

热稳定校验：160042022t =⨯=t I ，8.402k =t I ，
ima k t t I t I >2，满足要求。

(3) 高压熔断器
安装设地点额定电压和额定电流选择，高压熔断器选RN2-10。

断流能力校验：kA I k 651.1=，kA I oc 50=，k oc I I >，满足要求。

(4) 电压互感器
安装设地点额定电压选择，电压互感器选择JSJW-6，经校验满足要求。

(5) 电流互感器
安装设地点额定电压和额定电流选择，电流互感器选择LQJ-10。

动稳定校验
A 5.904.0216021N es max k I K i =⨯⨯=⨯= ，
A 16.4sh k i =，sh max i i >，满足要求。

热稳定校验
s kA 8.40s kA 9001)4.075()(22221N t 2t >=⨯⨯==t I K t I
，满足要求。

6.2 10kV 侧一次设备参数表
（6）高低压母线的选择
按经济截面选择（铝母线的经济电流密度为1.15）
ec
c
ec j I S
(6.8) 式中，ec j 为经济电流密度；ec S 为母线经济截面；c I 为汇集到母线上的计算电流。

10kV 变电所高低压LMY 型硬铝母线的常用尺寸表（mm ）
10kv 母线选 LMY-3（40×4） 380v 母线选 LMY-3（120×10） 中性线尺寸选80mm×10mm
第7章 选择整定继电保护装置
7.1过电流保护动作电流的整定
其中线路的最大负荷电流为c max .L 2I I =，2.1rel =K ，1w =K ，
85.0re =K ，155/75i ==K 。

①动作电流为：
A 6.1218.6022max .L =⨯==c I I (7.1) A
45.116.12115
85.01
2.1max .L i re W rel op =⨯⨯⨯=⋅=
I K K K K I
(7.2)
选DL-11/10电流继电器，线圈并联，整定动作电流为12A 。

过电流保护一次侧的动作电流为；
A 180121
15
op W i op1=⨯==
I K K I (7.3) 式中： max l I ——线路的最大负荷电流
rel K ——保护装置的可靠系数，取1.2
re K ——电流继电器的返回系数，一般取0.85 i K ——电流互感器的变流比。

②过电流保护动作时间的整定：
线路1WL 定时限过电流保护的动作时限应较线路2WL 定时限过电流保护动作时限大一个时限级差t ∆。

s 2.17.05.021=+=∆+=t t t (7.4)
③灵敏度校验
保护线路1WL 的灵敏度，按线路1WL 末端最小两相短路电流校验，即：
5.189.325
18020
.20866.0p1min .K S >=⨯⨯==
o I I K
(7.5)
线路2WL 的后备保护灵敏度，用线路2WL 末端最小两相短路电流校验，
25.100.97180
20
.20866.0op.1min .K S >=⨯==
I I K
(7.6）
由此可见，保护整定满足灵敏度要求。

线路定时限过电流保护原理图
7.2装设电流速断保护
利用GL15的速断装置
A 6.642.2025
152
.1max i W rel op =⨯⨯=⋅=
k I K K K I 取65
97565115op W i op1=⨯==I K K I 5.15.1975
1651
866.0op.1min .K S ≥=⨯==
I I K
第8章防雷保护和接地装置设计
8.1直击雷的防护
由于本设计的变电所位于室内，所以不需要直击雷的防护。

8.2雷电侵入波的防护
(1) 在10kV电源进线的终端杆上装设FS4—10型阀式避雷器。

引下线采用25mm×4mm的镀锌扁钢，下与公共接地网焊接相连，上与避雷针接地端螺栓连接。

(2) 在10kV高压配电室内装设有GG—1A（F）—54型开关柜，其中配有FS4—10型避雷器，靠近主变压器。

主变压器主要靠避雷器来保护，防护雷电侵入波的危害。

(3) 在380V低压架空出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入波的雷电波。

3.避雷器装设
变电所进线的防雷保在进线的终端，装设FZ型或者FS型阀型避雷器，用来保护线路断路器及隔离开关。

10kV 变配电所进线防雷保护接线 F 1-管型避雷器 F 2-阀型避雷器
4.接地网设计
接地网接地电阻按R E ≤4Ω设计，现采用最常用的垂直接地体，直径d=50mm ，长约2.5m ，环形敷设。

单根钢管接地电阻为：
选取,63.0=η计算垂直接地体根数。

n ≥0.9R E1/(ηR E )=0.9()12463.0/34=⨯⨯
因此选取Φ=50mm 的镀锌钢管15根，垂直接地体之间距离为5米。

接
地线和水平连接导体用40mm ×4mm 的镀锌扁钢。

3405
.05.24ln 5.214.321004ln 21=⨯⨯⨯==
d L L RE πρ
结束语
在设计过程中，首先概要地介绍了设计的主要内容，接着对商业中心的电力负荷和无功功率补偿进行计算，从而对变电所位置和形式进行选择，对变电所主变压器台数、容量、类型进行选择，对变电所主接线方案进行设计。

用标幺值法计算短路电流，对变电所一次设备和进出线设备的用线进行选择校验，选择出合理的高低压侧的电气设备，根据短路电流对变压器进行继电保护。

最后对需要保护的设备进行防雷保护和接地装置的保护，使该设计能够合理的实施。

参考文献
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附录
附表4RN2型室内高压熔断器的技术数据。