车间变电所
1、工厂负荷情况本厂多数车间为两班制，一年最大负荷利用小数为4600h，且最大负荷持续时间为6小时。该厂除铸造车间为一次负荷，电镀车间、锅炉房和热处理车间为二次负荷外，其余车间为三级负荷。其负荷资料如下：
表1-１全厂负荷资料表
厂房编号 厂房名称 负荷类别 设备容量/kw 需要系数 功率因数
1 铸造车间 动力 300 0.3 0.7
照明 6 0.8 1.0
2 锻压车间 动力 300 0.3 0.6
照明 7 0.7 1.0
3 热处理车间 动力 150 0.6 0.75
照明 5 0.8 1.0
4 电镀车间 动力 250 0.5 0.8
照明 6 0.8 1.0
5 仓库 动力 25 0.4 0.8
照明 1 0.8 1.0
6 工具车间 动力 400 0.3 0.65
照明 8 0.8 1.0
7 金工车间 动力 350 0.3 0.6
照明 8 0.8 1.0
8 锅炉房 动力 50 0.7 0.8
照明 1 0.8 1.0
9 装配车间 动力 180 0.3 0.75
照明 8 0.8 1.0
10 机修车间 动力 200 0.2 0.65
照明 4 0.8 1.0
设各用电设备的同时系数K∑p，K∑q均为0.9.
1负荷计算及无功功率补偿
1.1， 负荷计算
Pc=K∑p =0.9*801.5=721.35KW
Qc= K∑q =0.9*793.4=714KVar
Sc= =1015KVA
功率因数cos =Pc/Sc=0.71
1.2无功补偿
1.2.1无功补偿概述
电力系统中有许多根据电磁感应原理工作的电气设备，如变压器、电动机、感应炉等。都是依靠磁场来传送和转换电能的电感性负载，在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上。电力系统中的无功功率很大，必须有足够的无功电源，才能维持一定的电压水平，满足系统安全稳定运行的要求。
电力系统中的无功电源由三部分组成：
1 发电机可能发出的无功功率（一般为有功功率的40%~50%）。
2 无功功率补偿装置（并联电容器和同步调相机）输出无功功率。
3 110kV及以上电压线路的充电功率。
电力系统中如无功功率小，将引起供电电网的电压降低。电压低于额定电压值时，将使发电、送电、变电设备均不能达到正常的出力，电网的电能损失增大，并容易导致电网震荡而解列，造成大面积停电，产生严重的经济损失和政治影响。电压下降到额定电压值的60%~70%时，用户的电动机将不能启动甚至造成烧毁。所以进行无功补偿是非常有必要的。
1.2.2无功补偿的计算
补偿前cos =0.71，求补偿后达到0.9以上。因此可以如下计算：
设需要补偿Qc.c的无功,补偿后的功率因数为 =0.92
Qc.c=Pc*(tan —tan )=408KVar
补偿后的计算负荷Sc= =783.6kvar
补偿后功率因数cos =721.35/783.6=0.92
1.2.3无功补偿装置
人工补偿主要方法有以下几种：
1. 并联电容器人工补偿。采用并联电容器的方法来补偿无功功率是目前用户.企业内广泛采用的补偿装置。具有下列优点：
（1） 有功损耗小，为0.25%-0.5%，而同步调相机为1.5%-3%；
（2） 无旋转部分，运行维护方便；
（3） 可按系统需要，增加或减少补偿装置；
（4） 个别电容器损坏不影响整个装置运行；
2. 同步电动机补偿。随着半导体变流技术的发展，同步电动机的励磁装置已比较成熟，
3. 动态无功功率补偿。在现在工业生产中，一些容量很大的冲击性负荷使电网电压波动严重，功率因数恶化。一般电容器的自动投切装置相应太慢无法满足要求。
综上所述，此设计采用并联电容器补偿低压集中补偿。
•在变电所6-10KV高压母线上进行人工补偿时，一般采用固定补偿，即补偿电容器不随负荷变化投入或切除。
•在变电所0.38KV母线上进行补偿时，都采用自动补偿。
由《供变电技术》中表A-2-2差得选用BW0.4-14-3型号的低压并联电容器30台。
GB50053-1994《10KV及以下变电所设计规范》规定：高压电容器组宜接成中性点不接地Y型，容量较小时（450kvar及以下）宜接成△型；低压电容器组应接成△型。
2. 变压器台数和容量及类型的选择
2.1主变台数的确定
（1）应满足用电负荷对可靠性的要求。在有一.二级负荷的变电所中，选择两台主变压器，当在经济，技术上比较合理时，主变压器也可多余两台，一般不超过四台；
（2）对季节性负荷或昼夜负荷变化比较大的宜采用经济运行方式的变电所，技术经济合理时可选择两台主变压器；
（3）三级负荷一般选择一台主变压器，负荷较大时也可选择两台主变压器。
2.2 变压器容量的确定
2.2.1 装单台变压器时，其额定容量 应能满足全部用电设备的计算负荷 ,考虑负荷发展应应留有一定的容量裕度，并考虑变压器的经济运行，即
≥（1.15-1.4） = 901.14-1097kvar
2.2.2 装有两台变压器时，其中任意一台主变压器容量 应同时满足下列两个条件。
（1）任一台主变压器单独运行时，应满足总计算负荷的60%-70%的要求，即
=（0.6-0.7） =470.2-548.5KVar
（2）任一台主变压器单独运行时，应能满足全部一二级负荷 的要求，即
≥ =412KVar,≥412KVar
2.3根据工厂的负荷情况和电源情况，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，装一台变压器时，应选变压器额定容量为 =1000KVA，型号为S9-1000/10，为满足工厂一、二级负荷要求，可采用高压联络线由邻近取得备用电源。已知与本厂有电气联系的架空线路总长为60Km,电缆线路总长为25Km。
B，装设两台变压器，有上述计算可以得出 =500KVA，型号为S9-1000/10，为满足工厂一、二级负荷要求，可采用高压联络线由邻近取得备用电源。已知与本厂有电气联系的架空线路总长为60Km,电缆线路总长为25Km。
2.4电费制度
按本厂与供电部门达成的协议，在厂变电所高压侧设计量柜，按两部电费制度交纳电费。每月基本电费按变压器容量计为100元/kVA,动力费为2.20元/kW.h,照明费为1.50元/kW.h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。此外根据所装的变压器容量一次性向供电部门交纳供电贴费为1800元/kVA.。
经比较两个方案的经济型差不多，但是考虑到运行的可靠性，此次设计选用第二种方案
2.3 变压器型号的确定
主变采用双绕组三相变压器，我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用Y0连接；35kV亦采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地。35kV及以下电压，变压器绕组都采用△连接。因此，10KV和0.38KV侧均采用△连接。
根据上述的讨论选用10kV铜线双绕组电力变压器，该变压器的型号为S9-800/10.具体技术数据如下表：
表4.1 变压器技术参数
型号 S9-500/10.
额定容量(kVA) 500
额定电压(kV) 高压 10.5
低压 0.4
损耗(KW) 空载 0.96
短路 5.1
短路电压(%) 4
空载电流(%) 1.0
3. 变电所主接线方案设计
3.1 电气主接线的概述及要求
发电厂和变电所中的一次设备、按一定要求和顺序连接成的电路，称为电气主接线，也成主电路。它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。所以电气主接线是电力系统接线组成中的一个重要组成部分。主接线的确定，对电力系统得安全、稳定、灵活、经济运行以及变电所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会长生直接的影响。
3.2 主接线设计
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，双母线接线和桥式接线四种类型。
3.2.1主接线的比较
单母线接线图
10kv侧采用单母线接线，简单容易操作，0.4kv侧采用单母线接线，接线简单，但是可靠性较差。
单母线分段接线图
10kv侧采用单母线接线，简单容易操作，0.4kv侧采用单母线分段接线，接线灵活可靠当低压侧母线发生故障时不至于全部停电。
因此，通过比较选方案二比较合适。
4短路电流的计算
4.1．1短路的种类
对称短路：
三相短路：三相导体间的短路
不对称短路：
两相短路：任意两相导体间的短路
两相接地短路：
不接地系统中，任意两相发生单相接地而产生的短路
单相短路：
任一相经大地与中性点或与中线发生的短路
4.1.2短路的原因
(1)电力系统中电器设备载流导体的绝缘损坏。造成绝缘损坏的原因主要有设备绝缘自然老化，操作过电压，雷电过电压，绝缘受到机械损伤等。
(2)运行人员不遵守操作规程，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸。
(3)鸟兽跨越在裸露导体上。
4.1.3短路的危害
(1). 短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏。
(2). 短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏。
(3). 短路使系统电压降低，电流升高，电器设备正常工作受到破坏。
(4). 短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。
(5). 严重的短路将电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步。
(6). 不对称短路故障将产生零序电流，零序磁通，这个不平衡磁场，对通信线路和弱电设备产生严重的电磁干扰。
4．1.4.短路电流计算的目的
(1). 正确地选择和校验各种电器设备，以保证系统设备在系统短路时不被损坏。
(2). 计算和整定保护短路的继电保护装置
(3). 选择限制短路电流的电器设备
4.2 短路电流计算的方法和条件
4.2.1 短路电流计算方法
电力系统供电的工业企业内部发生短路时，由于工业企业内所装置的元件，其容量比较小，而其阻抗较系统阻抗大得多，当这些元件遇到短路情况时，系统母线上的电压变动很小，可以认为电压维持不变，即系统容量为无穷大。所谓无限容量系统是指容量为无限大的电力系统，在该系统中，当发生短路时，母线电业维持不变，短路电流的周期分量不衰减。当然，容量所以们
在这里进行短路电流计算方法，以无穷大容量电力系统供电作为前提计算的，其步骤如下：
1对各等值网络进行化简，求出计算电抗；
2求出短路电流的标么值；
3归算到各电压等级求出有名值。
4.2.2 短路电流计算条件
1短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：
（1）正常工作时，三相系统对称运行；
（2）所有电源的电动势相位角相同；
（3）系统中的同步和异步电机均为理想电机，不考虑电机磁饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称，定子三相绕组空间位置相差120度电气角度；
（4）电力系统中的各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；
（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；
（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；
（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的都略去不计；
（10）元件的计算参数均取为额定值，不考虑参数的误差和调整范围；
（11）输电线路的电容略去不计；
（12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。
2接线方式
计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方
式，而不能用仅在切换过程中可能并联运行的接线方式。
3计算容量
应按本工程设计的规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。
4短路点的种类
一般按三相短路计算，若发电机的两相短路时，中性点有接地系统的以及自耦变压器的回路中发生单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的时候进行计算。
5短路点的选择
短路点a：设在一次侧母线。
短路点b：设在二次侧母线。
4.3 短路电流的计算
4.3.1 10kv侧短路电流计算
A点短路时，系统短路容量很大，可以看做无穷大系统电源系统。
取基准容量 =100MVA, =10.5KV,查表可知每千米电阻值R=0.17，电抗X=0.356，可得线路总阻抗 = =3.95
已知电力系统出口断路器的断流容量 =500MVA,
所以 =100MVA/500MVA=0.2
架空线路标幺值 = * =3.58
变压器标幺值 = = * =8
a点三相短路时的相关计算
总电抗标幺值 =0.2+3.58=3.78
A点所在电压级的基准电流
= =5.50KA
A点短路电流各量
= =0.265
三相短路周期分量有效值
==1.46KA
冲击短路电流
=2.55 =3.71KA
三相短路容量
= =100*0.265=26.5MVA
B点三相短路的相关计算
总电抗标幺值
=0.2+3.58+8//8=7.78
B点所在电压级的基准电流
= =144.33KA
短路电流各量
= =0.129
三相短路电流周期分量有效值
==18.55KA
冲击短路电流
=1.84 =34.132KA
三相短路容量
= =100*0.192=19.2MVA
三相短路电流计算结果表
短路点编号 短路点额定电压 平均工作电压 短路电流周期分量有效值 短路点冲击电流 短路容量
有效值 最大值
U /kV
U /kV
I /kA
I /kA
/kA
/kA
S /MVA
a 10 10.5 1.46 1.46 3.71 26.5
b 0.38 0.4 18.55 18.55 34.132 19.2
5变电所一次设备的选择及校验
电气设备选择的技术条件
选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。
1长期工作条件
（1）电压
选用的电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug，即
Umax Ug
（2）电流
选用的电器额定电流Ie不得低于所在回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即Ie Ig
由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。
（3）机械荷载
所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。
2短路稳定条件
（1）校验的一般原则
① 电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验。校验的短路电流一般取三相短路时的短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，应按严重情况校验。
② 用熔断器保护的电器可不验算热稳定。当熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。
（2）短路的热稳定条件
(7-1)
式中—在计算时间t 秒内，短路电流的热效应（kA *S）；
I —t秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（kA）；
t—设备允许通过的热稳定电流时间（s）。
（3）短路的动稳定条件
（7-2）
I （7-3）
式中 —短路冲击电流峰值（kA）；
I —短路全电流有效值（kA）；
—电器允许的极限通过电流峰值（kA）；
—电器允许的极限通过电流有效值（kA）。
3绝缘水平
在工作电压和过电压的作用下，电器的内、外绝缘应保证必要的可靠性。电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。当所选电器的绝缘水平低于国家规定的标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当的过电压保护设备。
环境条件
按《交流高压电器在长期工作时的发热》（GB763-74）的规定，普通高压电器在环境最高温度为+40 时，允许按额定电流长期工作。当电器安装点的环境温度高于+40 （但不高于+60 ）时，每增高1 ，建议额定电流减少1.8%；当低于+40 时，每降低1 ，建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。普通高压电器一般可在环境最低温度为-30 时正常运行。在高寒地区，应选择能适应环境温度为-40 的高寒电器。在年最高温度超过40 ，而长期处于低湿度的干热地区，应选用型号带“TA”字样的干热带型产品。
本设计的气象和地质条件
气象资料
本厂所在地区年最高气温为39℃，年平均气温24℃，年最地气温-7℃，年最热月平均最高气温32℃，年最热月平均气温25.5℃，年最热月地下0.8米处平均温度为25℃，当地主导风为东北风，平均雷暴日数为20天。
地质水文资料
本厂所在地区平均海拔500米，地层以沙粘土为主，地下水位为3米。
10KV侧进线断路器.隔离开关的选择。
流过断路器和隔离开关的最大持续工作电流
=2* /()=55.00A
额定电流 =55.00A
开断电流选择 =1.46KA
动稳校验 =3.71KA
热稳校验=1.46^2*（1.7+0.1）=3.84
此设计我们选用SN10-10Ⅱ型断路器
10KV进线高压断路器选择校验表
序号 SN10-10Ⅱ/1000 选择要求 装设地点电气条件 结论
项目 数据 项目 数据
1
10KV
10KV 合格
2
1000A
55A 合格
3
31.5KA
1.46KA 合格
4
80KA
3.71KA 合格
5 *t
31.5^2*2=1984
3.84 合格
10KV进线高压隔离开关选择校验表
序号 G -10T/1000
选择要求 装设地点电气条件 结论
项目 数据 项目 数据
1
10KV
10KV 合格
2
1000A
55A 合格
3
75KA
3.71KA 合格
4 *t
30^2*5=4500
3.84 合格
10KV变压器一次侧断路器 隔离开关的选择
流过断路器 隔离开关的最大持续工作电流：
=1.05* /()=28.87A
断路器选择校验表
序号 SN10-10I 选择要求 装设地点电气条件 结论
项目 数据 项目 数据
1
10KV
10KV 合格
2
630A
28.87A 合格
3
16KA
1.46/2KA 合格
4
40KA
3.71/2KA 合格
5 *t
16^2*4=1024
3.84 合格
隔离开关的选择校验
序号 G -10T/600
选择要求 装设地点电气条件 结论
项目 数据 项目 数据
1
10KV
10KV 合格
2
600A
28.87A 合格
3
75KA
3.71/2KA 合格
4 *t
20^2*5=200
3.84 合格
低压母线上侧断路器选择
流过该断路器的最大持续工作电流
=2* /()=2*500/( *0.38)=1519.34A
断路器选择校验表
6.确定变电所位置和型式
6.1变电所的位置选择
变电所的位置选择应根据选择原则经技术、经济比较后确定。
1．变电所位置选择的原则
①应尽可能接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量；
②考虑电源的进线方向，靠近电源侧；
③进出线方便；
④不应防碍企业的发展，要考虑扩建的可能性；
⑤设备运输方便；
⑥尽量避开有腐蚀性气体和污秽地段，如无法避免，应位于污源的上风侧；
⑦变电所屋外配电装置与其他建筑物、构筑物之间的防火间距符合规定；
⑧变电所建筑物、变压器及屋外配电装置与附近的冷却塔或喷水池之间距离符合规定。
6.2负荷中心的确定
负荷中心的确定方法有三种：
1负荷指示图确定负荷中心
2按负荷功率矩法确定负荷中心
3按负荷电能矩法确定负荷中心
在此次设计中选用第二种方法：
设有负荷P1、P2、P3，它们在任选的直角坐标系中的坐标分别为P1（x1，y1）、P2 （x2，y2）、P3（x3，y3）。
现假设总负荷的负荷中心位于坐标P（x，y）处。负荷中心的坐标为：
我们的工厂是10kv以下，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。在工厂的平面图下侧和左侧，分别作一条直角坐标的x轴和y轴，然后测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，p1、p2、p3……p10分别代表厂房1、2、3……10号的功率，而工厂的负荷中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标：
X= Y=
把各车间的坐标代入可得x=5.40 y=4.40可以得出该变电所应该设在6号厂房的北侧
变电所的形式（类型）：
（1） 车间附设变电所
（2） 车间内变电所
（3） 露天（或半露天）变电所
（4） 独立变电所
（5） 杆上变电台
（6） 地下变电所
（7） 楼上变电所
（8） 成套变电所
（9） 移动式变电所
考虑到周围环境和进出线方便，决定在6号厂房的北侧仅靠厂房建造工厂变电所，器型为外附设式。
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