机械厂降压变电所的电气设计任务书

机械厂降压变电所的电气设计设计任务书（一）设计题目

**机械厂降压变电所的电气设计。

（二）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。

（三）设计依据

1.工厂总平面图见附录1。

2.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4000h，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。低压动力设备均为三相，额定电压为380V。电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。

本厂的负荷统计资料如下表所示。

注：表中生活区的照明负荷中含家用电器。

3.供电电源情况按照工厂与当地供电部门签订的供用电合同规定，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。该干线的导线型号为LGJ-150，导线为等边三角形排列，线距为 1.5m；干线首端（即电力系统的馈电变电站）距离本厂约6km。干线首端所装设的高压断路器断流容量为300MVA。此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.6s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总厂度为70km，电缆线路总长度为15km。

4.气象资料本厂所在地区的年最高气温为35℃，年平均气温为26℃，年最低气温为-8℃，

年最热月平均最高气温为28℃，年最热月平均气温为27℃，年最热月地下0.8m处平均温度为24℃。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为15。

5.地质水文资料本场所在地区平均海拔600m，地层土质以粘土为主，地下水位为3m。

6.电费制度本厂与当地供电部门达成协议，在本厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，

按两部电费制缴纳电费。每月基本电费按主变压器容量记为18元/kVA，动力电费为0.20

元/kW·h，照明（含家电）电费为0.56元/kW·h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于

0.9。此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性地向供电部门交纳供电贴费：6～

10kV为 800元/kVA。

（四）设计任务

1.设计说明书需包括：

1）前言。

2）目录。

3）负荷计算和无功功率补偿。

4）变电所位置和型式的选择。

5）变电所主变压器台数、容量与类型的选择。

6）变电所主接线方案的设计。

7）短路电流的计算。

8）变电所一次设备的选择与校验。

9）变电所进出线的选择与校验。

10) 变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定。

11）防雷保护和接地装置的设计。

12）附录------参考文献。

2．设计图纸需包括：

1）变电所主接线图一（A2图纸）。

2）变电所平、剖面图1（A2图纸）。

3）其他，如某些二次回路接线图等。

（五）设计时间

自年月日至年月日（周）

指导教师（签名）

年月日

供配电课程设计说明书

（一）计算负荷和无功功率补偿

1.负荷计算各厂房和生活区的负荷计算如表1-1所示。

表1-1 机械厂负荷计算表

2．无功功率补偿 由上表知，该厂380V 侧最大负荷时的功率因数只有0.72。而供电部门要求该厂10kV 进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.90。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V 侧最大负荷时功率因数应稍大于0.90，暂取0.92来计算380V 侧所需无功功率补偿容量。

Q c = P 30（tan φ1-tan φ2）=998.7[tan(arccos0.72)-tan(arccos0.92)]kvar=529.3kvar 根据上述数据选PGJI 型低压自动补偿屏，并联电容器为BWO.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案3（辅屏）4台相组合，总共容量112kvar ×5=560kvar 。因此无功补偿后工厂380V 侧和10kV 侧的负荷计算如表1-2所示。

表1-2 无功补偿后工厂的计算负荷

（二） 变电所位置和型式的选择

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，然后测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，例如P 1（x 1，y 1）、P 2（x 2，y 2）、P 3（x 3，y 3）、…。而工厂的负荷中心假设在P （x ，y ），其

中P= P 1+ P 2+ P 3+…=∑P i 。因此仿照力学中计算重心的力矩方程，可得负荷中心的坐标：

∑∑=

?+++?+++=

i

i P

xi P P P P x P x P x P x )(3

21332211

∑∑=

?+++?+++=

i

i P

yi P P P P y P y P y P y )

(3

21332211

最后求得变电所位置如图1-3所示，在2号厂房的东面，考虑进出线方便，决定在2号厂房的东侧紧靠厂房建造工厂变电所，其型式为附设式。

图1-3 变电所位置

（三） 变电所主变压器及主接线方案的选择

1. 变电所主变压器的选择

（1）装设一台主变压器 型号采用S9型，选

S N 。T =1250kVA>S 30=1113.9kVA ，即选一台

S9-1250/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由与临近单位相联的高压联络线来承担。

（2）装设两台主变压器 型号亦采用S9型，每台变压器容量选择：

S N 。T ≈（0.6～0.7）×1113.9=（668～780）kVA ，S N 。T ≥S 30（Ⅱ）

=（203.5+193.9+98.6）kVA=496kVA 。

因此选两台S9-800/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由临近单位的高压联络线来承担。

考虑到各方面因素，最终选择两台主变压器，容量都为800kVA 。

2. 接线方案

电气主接线图见附录2。

（四） 短路电路的计算

1.绘制计算电路

图1-4 短路计算电路

2.确定短路计算基准值

设S d =100MVA,U d =U c =1.05U N ,即高压侧U d1=10.5kV ,低压侧U d2=0.4kV ,则

k A k V

MVA

U S I d d

d 5.55.10310031

1=?=

=

kA

kV

MVA U S I d d d 1444.0310032

2=?=

=

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 查表得S oc =300MVA ，因此

33.03001001==

*MVA

MVA

X

（2）架空线路的电抗标幺值

查表得X 0=0.36Ω/km ，而线长6km ，故

96.1)5.10(100)636.0(2

2=?

Ω?=*kV MVA

X

（3）电力变压器的电抗标幺值 查表得U k %=4.5，因此

63.58001001005.443=?=

=*

*kVA

MVA

X X 绘短路等效电路图如图1-5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。

图1-5 标幺制法的短路等效电路图

4.计算k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

29

.296.133.021)1(=+=+=*

**-∑X X X k （2）三相短路电流周期分量有效值

k A k A

X I I k d k 40.229

.25.5)

1(1

)3(1==

=

*

-∑-

（3）其他三相短路电流

kA I I I k 40.2)

3(1)3()3(''===-∞

k A i sh 12.640.255.2)3(=?=

k A I sh 62.340.251.1)3(=?=

（4）三相短路容量

MVA MVA

X S S k d

k 67.4329

.2100)

1()

3(1==

=

*

-∑-

5. 计算k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

11.52

63

.529.2//43)1()2(=+

=+=***-∑*-∑X X X X k k （2）三相短路电流周期分量有效值

kA kA

X I I k d k 18.2811

.5144)

2(2

)3(2==

=

*

-∑-

（3）其他三相短路电流

kA I I I k 18.28)

3(2)3()3(''===-∞

kA kA i sh 85.5118.2884.1)3(=?=

kA kA I sh 72.3018.2809.1)3(=?=

（4）三相短路容量

MVA MVA

X S S k d

k 57.1911

.5100)

2()3(2==

=

*

-∑-

以上计算结果综合如表1-6。

表1-6 短路计算结果

（五） 变电所一次设备的选择校验

1. 10kV 侧一次设备的选择校验 如表1-7所示。

表1-7 10kV 侧一次设备的选择校验

表1-7所选的设备均满足要求。

2.380V侧一次设备的选择校验如表1-8所示。

表1-8 380V侧一次设备的选择校验

表1-8所选的一次设备均满足要求。

3. 高低压母线的选择

查表得，10kV 母线选LMY-3(40×4)，即母线尺寸为40mm ×4mm ；380V 母线选LMY-3(100×8)+60×6，即相母线尺寸为100mm ×8mm ，而中性线母线尺寸为60mm ×6mm 。

（六） 变电所进出线及与临近单位联络线的选择

1.10kv 高压进线和引入电缆的选择 （1）10kv 高压进线的选择校验

采用LJ 型铝绞线架空敷设，接往10kv 公用干线。

1）按发热条件选择 由A I I T N 7.57.130==及室外环境温度28℃，查表初选LJ-16，其30℃时

的

,满足发热要求。

2）校验机械强度 查表知，最小允许截面，因此按发热条件选择的LJ-16不满

足机械强度要求，故改选LJ-35。 由于此线路很短，不需校验电压损耗。

（2）由高压配电室至主变压器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直接埋地敷设。 1）按发热条件选择

由A I I T N 7.57.130==及土壤温度24℃，查表后，初选缆芯截面35mm 2的交联电缆，其

A I

a 901

=>I 30满足发热要求。

2）校验短路热稳定 按

下

列公式计算满足短路热稳定的最小截面

mm mm mm t

I A A C

ima

2

22)

3(min 352777

75.02400=?=?

==∞

（式中C 值由表查知，按终端变电所保护动作时间0.5s ，加断路器断路时间0.2s ，再加

0.05s 计，故

=0.75s 。） 由式可知所选线不符合要求，故改选缆芯截面为95 mm 2。因此选

择电缆型号为YJL22-10000-335。 2， 380v 低压出线的选择 （1）馈电给1号厂房的线路

采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。

1） 选择低压断路器及其过流脱扣器规格

查表知，DW16-630型低压断路器的过流脱扣器额定电流A A I

I OR N 30131530

.=>

=,故初

I I

A al

30

7.98>=2

min

35mm A =t

ima

t

ima

?

步选择DW16-630型低压断路器，其A I OR N 315.=。

设瞬时脱扣电流整定为

4

倍，即

A

I OP 12603154)0(=?=而,

A A I K I pk rel OP 05.121990335.112603154)0(=?=>=?=满足的要求，因此.

满足脱扣电流躲过尖峰电流的要求。 校验断流能力：在查表知，所选择的DW16-630型断路器

KA KA I I k oc 30303

=≥=满足要求。

2） 选择导线截面

查表知，当mm A 2

240=的VLV 铝芯电缆直接埋地敷设且土壤温度在24℃时其

A A I al 301319>=，故按发热条件可以选mm A 2

240=。

校验机械强度：由前面的计算可知，最小截面为mm 2

10，故满足机械强度要求。

3） 校验导线与低压断路器保护的配合

由于瞬时过流脱扣器整定为A I OP 12603154)0(=?=，而A I al 5.14353195.45.4=?=,满足

的要求。则选择VLV22-1000-3185+1100的四芯聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。

因此馈电给其他厂房的线路的选择也可按1号厂房去选择. （2）馈电给生活区的线路

采用BX-1000型的铜芯橡皮绝缘线架空敷设。

1）按发热条件选择 由A I 54330=及室外环境温度为28℃，查表可知初选BX-1000-1×240，其28℃时的I

I A A al 30

543635=

>≈,满足发热要条件

2）检验机械强度 查表可知，最小允许的截面积2min 10mm A =，因此BX-1000-1×185满足机械强度要求。

3）校验电压损耗 由图所示的工厂平面向量图量得变电所至生活区负荷中心距离约为200m ，而由表8-36知查的其阻抗值与BX-1000-1×240近似等值的TJ-240的阻抗km R /09.00Ω=，

I

K I

pk

rel

op ≥)

0(I I

al

o op 5.4)

(≤??

km X

/20.00

Ω=（按线间几何均距0.8m 计），又生活区的kW P 3.32830=,var 2.14130

k Q =，

因此 V V U 4.3038.0)2.02.0(2.141)2.009.0(3.328=??+??=

?%5%8%1003804.30%>=?=?V

V

U

不满足允许电压损耗要求。为确保生活用电的电压质量，决定采用四回BX-1000-1120的三相

架空线路对生活区供电。PEN 线均采用BX-1000-170橡胶绝缘线。

(3)作为备用电源的高压联络线的选择实验

采用YJL22-10000型交联聚乙烯结缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距2km 的邻近单位变配电所的10kv 母线相联。 1）按发热条件选择

工厂二级负荷容量共496kVA ，A kV I 6.28)103/(49630=?=，而最热月土壤平均温度为24℃，因此查表8-44，初选缆芯截面为25mm 2

的交联聚乙烯结缘电缆，其

I I A al 3090>=,满足发热条件。

2）校验电压损耗

由表8-42可查得缆芯为25mm 2

的铝芯电缆的R 0=1.54km /Ω，km X /12.00Ω=，而二级负荷的

var 5.348,1.35230

30

k kW Q P

==，线路长度按2km 计，因此

V kV

k kW U 8.11610)212.0(var 5.348)254.1(1.352=Ω

??+Ω??=

?

%5%17.1%100100008.116%=?<=?=

?U al V

V

U 由此可见该电缆满足允许电压损耗要求。

3）短路热稳定校验

按本变电所高压侧短路校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25mm

2

的交联电缆是满足稳定要求的。由于邻近单位10kV 的短路数据不详，因此该联络线的短路热稳定校验无法进行，只有暂缺。

??

(七) 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定

1.高压断路器的操作机构控制与信号的回路

断路器采用弹簧储能操作机构，，可实现一次重合闸。

2.变电所的电能计量回路

变电所高压侧装设装用计量柜，其上装有三相有功电能表和无功电能表，分别计量全厂消耗的有功电能和无功电能，并据以计算工厂每月的平均功率因数。计量柜由有关部门加封和管理。

3．变电所的测量和绝缘监察回路

变电所高压侧装有电压互感器-避雷器柜，其中电压互感器为3个JDZJ-10型的，组成开口三角的接线，用以实现电压测量和绝缘监视。

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。低压照明线路上，装有三相四线有功电能表。低压并联电容器组线路上，装有无功电能表。每一个回路均装有电流表。低压母线上装有电压表。仪表的准确度级按规要求。 4. 变电所的保护装置 (1) 主变压器的继电保护装置

1）装设瓦斯保护 当变压器油箱发生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，则动作于跳闸。

2）装设反时限过电流保护 采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分流跳闸的操作方式。 ①过电流保护动作电流整定 由

,

，8.0=re K ，205/100==i K ，

，所以动作电流为

A A I op 5.74.9220

8.013.1=???=

因此过电流保护动作电流整定为8A 。

②过电流保护动作时间的整定 由于本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动

A

kV kVA I I T N L 4.92)103/(80022.1max .=??==3

.1=rel K 1

=w K op I

作时间可整定为最短的0.5s 。 ③过电流保护灵敏系数的检验 由

于

kA

kV kV kA K I K I I T k T k k 977.0)4.0/10/(2.28866.0/866.0/)

3(2)2(2min .=?===--，

A K K I I w i op op 2001/2010/1.=?==,因此其保护的灵敏系数为5.127.5200/1053>==p S 满足规定的灵敏度系数1.5的要求。

3） 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。

① 速断电流的整定 由kA I I k k 2.28)

3(2max .==-,

4.1=rel K 1

=w K ,

20=i K

254.0/10==kV kV K T ,因此速断电流为A A I qb 792820025

201

4.1=???=

, 速断电流倍数整定为

89.710

79

≈==

=

op

qb qb I I K ②电流速断保护灵敏系数的检验

由于kA kA I I I k k k 0.24.2866.02

3)

3(1)

2(1min .=?==

=--,A K K I I w i qb qb 1000/1.==因此其保护的灵敏系数为 5.10.21000

2000

>==

p S 按照GB50062-1992规定，电流保护的最小灵敏系数为1.5，因此这里装设的电流速断保护满足要求。但按照JBJ6-1996和JGJ/T16-1992的规定，电流速断保护的最小灵敏系数为2，则这里的电流速断保护灵敏系数偏低。

（2）作为备用电源的高压联络线的继电保护装置

1） 装设反时限过电流保护 亦采用GL15感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分流跳闸的操作方式。

①过电流保护动作电流的整定 由30max .2I I L =,而

A U S S S I I N 6.28)3/()(16.304.303.30)2(3030=++==∑,3.1=rel K ，1=w K ，8.0=re K ，因此动作电流为

A I op 6..46.28220

8.01

3.1=????=

因此过电流保护动作电流整定为5A 。

②过电流保护动作的时间整定 按终端保护考虑，动作时间整定为0.5s 。 ③过电流保护灵敏系数 数据不全，暂缺。

2） 装设电流速断保护 亦采用GL15型继电器的电流速断装置，但数据不全，暂缺。 （3）变电所低压侧的保护装置

1）低压总开关采用 DW15-2500/3型的低压断路器，三相均装有过流脱扣器，即可实现对低压侧相间短路和过负荷的保护，又可实现对低压单相接地短路的保护。 2）低压侧所有出线上均装设

（八）变电所的防雷保护

1.直击雷保护 在变电所屋顶装设避雷针或避雷带，并引出两根接地线与变电所公共接地线装置相连。避雷针采用直径20mm 的镀锌圆钢，避雷带采用25mm ×4mm 的镀锌扁钢。 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型的阀式避雷器。其引下线才用25mm ×4mm 的镀锌扁钢，下面与公共接地网焊接相连，上面与避雷器接地端螺栓连接。

（2）在10kv 高压配电室装设的GG-1A(F)-54型高压开关柜，其中配有FS4-10型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来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的雷电波。