1.设计任务
1.1设计要求
要求根据本工厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况,并且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。 1.2 设计依据
1.2.1工厂总平面图
图1.1 工厂平面图
1.2.2 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4500h,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。 1.2.3 供电电源情况
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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LJ-120,导线为等边三角形排列,线距为1.5m;干线首端距离本厂约13km。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1.7s。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。 1.2.4 气象资料
本厂所在地区的年最高气温为38℃,年平均气温为16℃,年最低气温为-10℃,年最热月平均最高气温为32℃,年最热月地下0.8米处平均气温为25℃。当地主导风向为南风,年雷暴日数为35天。 1.2.5 地质水文资料
本厂所在地区平均海拔1200m,地层以砂粘土为主,地下水位为3-5m。 1.2.6 电费制度
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0.9元/Kw.h,照明电费为0.5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,一次性向供电部门交纳供电贴费:6~10VA为800/kVA。
2.负荷计算和无功功率补偿
2.1 负荷计算
2.1.1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)
P30=KdPe , Kd为系数
b)无功计算负荷(单位为kvar)
Q30= P30tan
c)视在计算负荷(单位为kvA)
S30=
P30 cosd)计算电流(单位为A)
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I30=
S303UN
, UN为用电设备的额定电压(单位为KV)
2.1.2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)
P30=KpP30i
式中P30i是所有设备组有功计算负荷P30之和,Kp是有功负荷同时系数,可取0.85~0.95
b)无功计算负荷(单位为kvar)
Q30=KqQ30i,Q30i是所有设备无功Q30之和;Kq是无功负荷同时系数,可取
0.9~0.97
c)视在计算负荷(单位为kvA) d)计算电流(单位为A)
22 S30=P30 Q30 I30=
S303UN
经过计算,得到各厂房和生活区的负荷计算表,如表2.1所示(额定电压取380V)
表2.1 各厂房和生活区的负荷计算表 编号 设备容量名称 类别 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 需要系数 计算负荷 cos tan 0.65 1.17 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0 0 0 0 0 0 Pe/kW 360 7 367 300 6 306 300 8 308 240 6 246 230 7 237 160 6 166 Kd 0.3 0.8 —— 0.3 0.8 —— 0.2 0.7 —— 0.3 0.7 —— 0.6 0.7 —— 0.6 0.7 —— P30/kW 108 5.6 113.6 90 4.8 94.8 60 5.6 65.6 72 4.2 76.2 138 4.9 142.9 96 4.2 100.2 Q30/kvar 126.36 0 126.36 105.3 0 105.3 79.8 0 79.8 84.24 0 84.24 103.5 0 103.5 104.64 0 104.64 S30/kVA —— —— 171 —— —— 142 —— —— 105 —— —— 114 —— —— 176 —— —— 141 I30/A —— —— 260 —— —— 216 —— —— 160 —— —— 173 —— —— 267 —— —— 214 1 铸造 车间 锻压 车间 金工 车间 工具 车间 电镀 车间 热处理车间 0.65 1.17 2 0.60 1.33 3 0.65 1.17 4 0.80 0.75 5 0.70 1.09 6 第 - 3 - 页 共 20 页
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装配 车间 机修 车间 锅炉 车间 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 照明 小计 动力 10 仓库 照明 小计 11 生活区 照明 动力 总计 照明 140 7 147 150 5 155 70 2 72 25 1 26 300 1975 355 0.4 0.7 —— 0.2 0.9 —— 0.6 0.8 —— 0.4 0.8 —— 0.8 0.70 1.09 1.0 1.0 1.0 1.0 0.95 0.75 0 0 0 0 0.33 56 4.9 60.9 30 4.5 34.5 42 1.6 43.6 10 0.8 10.8 240 982.5 786 61.04 0 61.04 35.1 0 35.1 36.96 0 36.96 6.2 0 6.2 79.2 821.28 698.1 —— —— 84 —— —— 50 —— —— 57 —— —— 12 300 —— 1051 —— —— 128 —— —— 76 —— —— 87 —— —— 18 456 —— 1597 7 0.65 1.17 8 0.75 0.88 9 0.85 0.62 计入Kp=0.8, Kq=0.85 2.2 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2.1可知,该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.75。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0.9。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0.9,暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量:
QC=P30(tan1 - tan2)=786[tan(arccos0.75) - tan(arccos0.92) ] = 358kvar
参照图2-6 ,选PGJ1型低压自动补偿评屏,并联电容器为BW0.4-14-3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84kvar5=420kvar。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2.2所示。
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主屏辅屏C1#方案6支路2#方案8支路C3#方案6支路4#方案8支路C
图2.1 PGJ1型低压无功功率自动补偿屏的接线方案
表2.2 无功补偿后工厂的计算负荷
计算负荷 项目 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10KV侧负荷计算 cos 0.75 0.942 0.925 P30/KW 786 786 0.015S30=12.5 798.5 Q30/kvar 698.7 -420 278.7 0.06S30=50 328.7 S30/kVA 1051 833.9 863.5 I30/A 1597 1267.1 49.9
3.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,P1、P2、P3P10分别代表厂房1、2、3...10号的功率,设定P1(1.3,5.3)、P2(1.3,3.6)、P3(3.5,5.2)、P4(3.5,3.6)、P5(4.2,1.7)、
P6(6.7,6.4)、P7(6.7,4.7)、P8(6.7,3.1)、P9(6.7,1.5)、P10(9.5,4.7),
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并设P11(1.2,1.2)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=P1+P2+P3+P11=Pi。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:
xP1x1P2x2P3x3P11x11P1P2P3P11(Px) (3-1) PiiiiiPyP2y2P3y3P11y11y11P1P2P3P11(Py) Pi (3-2)
把各车间的坐标代入(1-1)、(2-2),得到x=3.61,y=3.60 。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10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
4.变电所主变压器及主接线方案的选择
4.1 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:
S30SNT为主变压器容量,a)装设一台变压器 型号为S9型,而容量根据式SNTS30,
为总的计算负荷。选SNT=1000 KVA>S30=898.9 KVA,即选一台S9-1000/10型低损耗配电
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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。 即
SNT(0.6~0.7)899.4 KVA=(539.64~629.58)KVA SNTS30()=(131.9+160+44.4) KVA=336.3 KVA
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,
(4-1) (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 。 4.2 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: 4.2.1装设一台主变压器的主接线方案 如图4-1所示
10kV FS4-10 GW口-10 GG-1A(J)-03
GG-1A(F)-54 GG-1A(F)-07 GG-1A(F)-07
Y0 Y0 联络线 (备用电源) S9-1000 10/0.4kV 220/380V 高压柜列 GG- 1A(J) -03
GG- 1A(F) -54
GG- 1A(F) -07
GG- 1A(F) -07
主变
联络(备用)
图4-1 装设一台主变压器的主接线方案
4.2.2装设两台主变压器的主接线方案 如图4-2所示
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10kV FS4-10 GW口-10 GG-1A(F)-113、11 GG-1A(J)-01 GG-1A(F)-07
GG-1A(F)-54 GG-1A(F) -96 S9-630 Y00Y10/0.4kV S9-630 10/0.4kV 联络线 (备用电源)
高压柜列 GG- 1A(F) -113
GG- 1A(F) -11
GG- 1A(J) -01
220/380V GG- 1A(F) -96
GG- 1A(F) -07
GG- 1A(F) -54
联络 主 主
变 变 (备用)
图4-2 装设两台主变压器的主接线方案
4.3 主接线方案的技术经济比较
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表4-1 主接线方案的技术经济比较 技术指标 比较项目 供电安全性 供电可靠性 供电质量 灵活方便性 扩建适应性 装设一台主变的方案 满足要求 基本满足要求 由于一台主变,电压损耗较大 只有一台主变,灵活性稍差 稍差一些 查得S9-1000/10的单价为电力变压器的15.1万元,而变压器综合投资综合投资额 约为其单价的2倍,因此综合投资约为2*15.1=30.2万元 查得GG-1A(F)型柜可按每台4高压开关柜万元计,其综合投资可按设备本方案采用6台GG-1A(F)柜,其(含计量柜)的1.5倍计,因此高压开关柜综合投资约为6*1.5*4=36万元,的综合投资额 的综合投资约为4*1.5*4=24比一台主变方案多投资12万元 万元 经主变的折旧费=42万元*0.05=2.1济主变的折旧费=30.2万元万元;高压开关柜的折旧费=36指*0.05=1.51万元;高压开关柜万元*0.06=2.16万元;变配电的标 的折旧费=24万元*0.06=1.44电力变压器和维修管理费=(42+36)万元万元;变配电的维修管理费=高压开关柜的*0.06=4.68万元。因此主变和高(30.2+24)万元*0.06=3.25年运行费 压开关柜的折旧和维修管理费=万元。因此主变和高压开关柜(2.1+2.16+4.68)=8.94万元,的折旧和维修管理费=比一台主变方案多投资2.74万(1.51+1.44+3.25)=6.2万元 元 主变容量每KVA为800元,供供电贴费=2*630KVA*0.08万元供电贴费 电贴费=1000KVA*0.08万元=100.8万元,比一台主变多交/KVA=80万元 20.8万元 从上表可以看出,按技术指标,装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案,但按经济指标,则装设一台主变的主接线方案远由于装设两台主变的主接线方案,因此决定采用装设一台主变的主接线方案。
装设两台主变的方案 满足要求 满足要求 由于两台主变并列,电压损耗较小 由于有两台主变,灵活性较好 更好一些 查得S9-630/10的单价为10.5万元,因此两台变压器的综合投资约为4*10.5=42万元,比一台主变方案多投资11.8万元
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5.短路电流的计算
5.1 绘制计算电路
(1) ~ ∞系统 500MVA (2) LJ-120,13km 10.5kV S9-1000 0.4kV
图5-1 短路计算电路
K-1 (3) K-2 5.2 确定短路计算基准值
设基准容量Sd=100MVA,基准电压Ud=Uc=1.05UN,Uc为短路计算电压,即高压侧
Ud1=10.5kV,低压侧Ud2=0.4kV,则
Id1Sd3Ud1Sd3Ud2100MVA310.5kV100MVA30.4kV5.5kA (5-1)
Id2144kA (5-2)
5.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值 5.3.1电力系统
已知电力系统出口断路器的断流容量Soc=500MVA,故
5.3.2架空线路
X1=100MVA/500MVA=0.2
(5-3)
查表得LJ-120的线路电抗x00.37/km,而线路长13km,故
X2x0lSd100MVA(0.3713)4.24 Uc2(10.5kV)2 (5-4)
5.3.3电力变压器
查表得变压器的短路电压百分值Uk%=4.5,故
X3Uk%Sd4.5100MVA=4.5
100SN1001000kVA (5-5)
式中,SN为变压器的额定容量
因此绘制短路计算等效电路如图5-2所示。
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1 0.21 4.4k-1
3 4.5k-2
图5-2 短路计算等效电路
5.4 k-1点(10.5kV侧)的相关计算 5.4.1总电抗标幺值
**X(k1)X1X2=0.2+4.4=4.6
(5-6)
5.4.2 三相短路电流周期分量有效值
I*Id1k1X*5.5kA(k1)4.61.2kA 5.4.3 其他短路电流
I''(3)I(3)3)I(k11.2kA
i(3)sh2.55I''(3)2.551.2kA3.06kA
I(3)''(3)sh1.51I1.511.96kA1.81kA 5.4.4 三相短路容量
S(3)Sdk1X*100MVA4.621.7MVA (k1)5.5 k-2点(0.4kV侧)的相关计算 5.5.1总电抗标幺值
X***(k1)X1X2X3=0.2+4.4+4.5=9.1 5.5.2三相短路电流周期分量有效值
I*k2Id2X*144kA9.115.8kA (k2)5.5.3 其他短路电流
I''(3)I(3)(3)Ik115.8kA
i(3)''(3)sh1.84I1.8415.8kA29.1kA I(3)(3)sh1.09I''1.0919.7kA17.2kA
5.5.4三相短路容量
(5-7)
(5-8)
(5-9)
(5-10)
(5-11)
(5-12)
(5-13)
(5-14)
(5-15) (5-16)
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)Sk(32Sd*X(k2)100MVA11MVA 9.1 (5-17)
以上短路计算结果综合图表5-1所示。
表5-1 短路计算结果 三相短路电流 短路计算点 k-1 k-2 三相短路容量/MVA (3) ish(3) IshIk(3) 1.2 15.8 I''(3) 1.2 15.8 (3)I Sk(3) 21.7 11 1.2 15.8 3.06 29.1 1.81 17.2
6.变电所一次设备的选择校验
6.1 10kV侧一次设备的选择校验
6.1.1按工作电压选则
设备的额定电压UNe一般不应小于所在系统的额定电压UN,即UNeUN,高压设备的额定电压UNe应不小于其所在系统的最高电压Umax,即UNeUmax。UN=10kV,
Umax=11.5kV,高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压UNe=12kV,穿墙套管额定电压UNe=11.5kV,熔断器额定电压UNe=12kV。
6.1.2按工作电流选择
设备的额定电流INe不应小于所在电路的计算电流I30,即INeI30 6.1.3按断流能力选择
设备的额定开断电流Ioc或断流容量Soc,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Ik(3)或短路容量Sk(3),即
(3)IocIk(3)或SocSk(3)
对于分断负荷设备电流的设备来说,则为IocIOLmax,IOLmax为最大负荷电流。 6.1.4 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
(3)(3)imaxish或ImaxIsh
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(3)(3)imax、Imax分别为开关的极限通过电流峰值和有效值,ish、Ish分别为开关所处的三相
短路冲击电流瞬时值和有效值
(3)2tima b)热稳定校验条件 It2tI对于上面的分析,如表6-1所示,由它可知所选一次设备均满足要求。
表6-1 10 kV一次侧设备的选择校验 选择校验项目 参数 装置地点条件 数据 电压 电流 断流能力 动态定度 (3) Ish热稳定度 (3)2Itima 其它 二次负荷0.6 UN 10kV IN 57.7A (I(1NT)) Ik(3) 1.2kA 3.06kA 1.221.92.7 额定参数 高压少油断路器SN10-10I/630 UNe 10kV UNe 630kA Ioc 16kA imax 40 kA It2t 1622512 高压隔离开关GN一次设备型号规格 68-10/200 10kV 200A - 25.5 kA 1025500 高压熔断器RN2-10 电压互感器JDJ-10 电压互感器JDZJ-10 10kV 10/0.1kV 0.5A - 50 kA - - - - - 100.10.1//kV333 - - - - 电流互感器LQJ-10 避雷针FS4-10 户外隔离开关GW4-12/400 10kV 10kV 12kV 100/5A - 400A - - - 22520.1kA =31.8 kA - 25kA (900.1)21 =81 - 1025500 6.2 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6-2所示,所选数据均满足要求。
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表6-2 380V一次侧设备的选择校验 选择校验项目 参数 数据 电压 电流 断流 能力 动态 定度 (3) Ish热稳定度 (3)2Itima 其它 - - - - 装置地点条件 UN 380V IN 总1267.1A Ik(3) 15.8kA 29.1kA 1.220.71.0 额定参数 低压断路器DW15-1500/3D UNe 380V UNe 1500A 630A Ioc 40kA 30Ka (一般) imax - It2t - 一低压断路器次DW20-630 设备低压断路器型DW20-200 号低压断路规格 HD13-1500/30 电流互感器LMZJ1-0.5 电流互感器LMZ1-0.5 380V (大于I30) 200A - - - 380V (大于I30) 1500A 1500/5A 100/5A 160/5A 25 kA - - - 380V 500V 500V - - - - - - - - - - - - 6.3 高低压母线的选择
查表得到,10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3(12010)+806,即相母线尺寸为120mm10mm,而中性线母线尺寸为80mm6mm。
7.变压所进出线与邻近单位联络线的选择
7.1 10kV高压进线和引入电缆的选择 7.1.1 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I30=I1NT=57.7A及室外环境温度32°,查表得,初选LGJ-35,
其35°C时的Ial=149A>I30,满足发热条件。
b).校验机械强度 查表得,最小允许截面积Amin=25mm2,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。
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7.1.2 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I30=I1NT=57.7A及土壤环境25°,查表得,初选缆线芯截
面为25mm2的交联电缆,其Ial=149A>I30,满足发热条件。
b)校验热路稳定
(3)按式AAminItimaC,A为母线截面积,单位为mm2;Amin为
(3)满足热路稳定条件的最大截面积,单位为mm2;C为材料热稳定系数;I为母线通过的(3)三相短路稳态电流,单位为A;tima短路发热假想时间,单位为s。本电缆线中I=1960,
tima=0.5+0.2+0.05=0.75s,终端变电所保护动作时间为0.5s,断路器断路时间为0.2s,