降压变电所电气设计

目      录

一、负荷计算和无功功率计算及补偿…………………………2

二、变电所主变压器台数和容量选择…………………………6

三、变电所位置和形式的选择…………………………………8

四、短路电流的计算……………………………………………8

五、变电所高、低压线路的选择………………………………9

六、变电所一次设备的选择与校验……………………………11

七、变电所二次回路方案选择及继电保护的整定……………14

八、防雷和接地装置的确定……………………………………18

九、附录参考文献………………………………………………18

一负荷计算和无功功率计算及补偿

哈尔滨某机械厂负荷统计资料

在负荷计算时，采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，照明部分最后和宿舍区照明一起计算。具体步骤如下。

1.仓库：动力部分 ，

； 

；                  

照明部分，；         

2.铸造车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

3.锻压车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

4.金工车间：动力部分，

； 

 照明部分，； 

5.工具车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

6.电镀车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

7.热处理车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

8.装配车间：动力部分，

； 

照明部分，； 

9.机修车间：动力部分，

； 

  照明部分，； 

10.锅炉房：动力部分，

； 

照明部分，； 

11.宿舍区照明，。

另外，所有车间的照明负荷： 

取全厂的同时系数为：，，则全厂的计算负荷为：

； 

(二)无功功率补偿

由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷为： 

这时低压侧的功率因数为： 

为使高压侧的功率因数0.90，则低压侧补偿后的功率因数应高于0.90，

取： 。要使低压侧的功率因数由0.79提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：

取: =480则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：

计算电流

变压器的功率损耗为：

变电所高压侧的计算负荷为： 

补偿后的功率因数为：满足（大于0.90）的要求。

(三)年耗电量的估算

年有功电能消耗量及年无功电能耗电量可由下式计算得到：

年有功电能消耗量：      

年无功电能耗电量：    

结合本厂的情况，年负荷利用小时数为4800h，取年平均有功负荷系数，年平均无功负荷系数。由此可得本厂：

年有功耗电量：；

年无功耗电量：。

二变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择

(一)变电所主变压器台数的选择

变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷；季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级重要负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。

(二)变电所主变压器容量选择。每台变压器的容量应同时满足以下两个条件：

1）任一台变压器单独运行时，宜满足： 

2）任一台变压器单独运行时，应满足：，即满足全部一、二级负荷需求。

代入数据可得： =（0.6~0.7）×1169.03=（701.42~818.32）。

又考虑到本厂的气象资料（年平均气温为），所选变压器的实际容量：也满足使用要求，同时又考虑到未来5~10年的负荷发展，初步取=1000 。考虑到安全性和可靠性的问题，确定变压器为SC3系列箱型干式变压器。型号：SC3-1000/10 ，其主要技术指标如下表所示：

变压器

  （三） 变电所主接线方案的选择

方案Ⅰ：高、低压侧均采用单母线分段。

优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 。

缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。

方案Ⅱ：单母线分段带旁路。

优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。

缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。

方案Ⅲ：高压采用单母线、低压单母线分段。

优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。

以上三种方案均能满足主接线要求，采用三方案时虽经济性最佳，但是其可靠性相比其他两方案差；采用方案二需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案Ⅰ。

根据所选的接线方式，画出主接线图。

三变电所位置和形式的选择

由于本厂有二级重要负荷，考虑到对供电可靠性的要求，采用两路进线，一路经10kV公共市电架空进线（中间有电缆接入变电所）；一路引自邻厂高压联络线。

变电所的形式由用电负荷的状况和周围环境情况确定，根据《变电所位置和形式的选择规定》及GB50053－1994的规定，结合本厂的实际情况，这里变电所采用单独设立方式。

四、短路电流的计算

本厂的供电系统简图如图（一）所示。采用两路电源供线，一路为距本厂6km的馈电变电站经LGJ-185架空线（系统按∞电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。

图（一）

下面采用标么制法进行短路电流计算。

(一)确定基准值：

取，， 

所以： 

(二)计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：（忽略架空线至变电所的电缆电抗）

1)电力系统的电抗标么值：

2)架空线路的电抗标么值：查手册得，因此：

 3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得，因此：

可绘得短路等效电路图如图（二）所示。

图（二）

(三)计算k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量

1)总电抗标么值： 

2)三相短路电流周期分量有效值：

3)其他三相短路电流： 

4)三相短路容量： 

(四)计算k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量

1)总电抗标么值： 

2)三相短路电流周期分量有效值： 

3)其他三相短路电流： 

4)三相短路容量： 

五 变电所高、低压线路的选择

为了保证供电的安全、可靠、优质、经济，选择导线和电缆时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件；经济电流密度；机械强度。

根据设计经验：一般10KV及以下的高压线路和低压动力线路，通常先按发热条件选择导线和电缆截面，再校验其电压损耗和机械强度。对于低压照明线路，因对电压水平要求较高，通常先按允许电压损耗进行选择，再校验其发热条件和机械强度。

（一）高压线路导线的选择

架空进线后接了一段交联聚乙烯绝缘电力电缆YJV-350做引入线（直埋），高压主接线如附图三所示。

高压侧计算电流所选电缆的允许载流量：满足发热条件。

（二）低压线路导线的选择

由于没有设单独的车间变电所，进入各个车间的导线接线采用TN-C-S系统；从变电所到各个车间及宿舍区用埋地电缆供电，电缆采用VV22型铜芯交联聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆，根据不同的车间负荷采用不同的截面。其中导线和电缆的截面选择满足条件：

1)相线截面的选择以满足发热条件即，；

2)中性线（N线）截面选择，这里采用的为一般三相四线，满足；

3)保护线（PE线）的截面选择

一、时，；

二、时， 

三、时， 

4)保护中性线（PEN）的选择，取（N线）与（PE）的最大截面。

结合计算负荷，可得到由变电所到各个车间的低压电缆的型号为：

电镀车间：VV22-1KV-3×120+1×70  两根并联； 

铸造车间：VV22-1KV-3×240+1×120 

锅炉房：VV22-1KV-3×120+1×70 

锻压车间：VV22-1KV-3×150+1×95；

金工车间：VV22-1KV-3×185+1×95   

工具车间：VV22-1KV-3×150+1×95   

热处理车间：VV22-1KV-3×150+1×95  

 装配车间：VV22-1KV-3×70+1×50    

 机修车间：VV22-1KV-3×50+1×35    

仓库：VV22-1KV-3×25+1×16     

 宿舍区：VV22-1KV-3×185+1×95  两根并联； 

另外，送至各车间的照明线路采用：铜芯聚氯乙烯绝缘导线BV型号。

六   变电所一次设备的选择与校验

(一)变电所高压一次设备的选择

根据机械厂所在地区的外界环境，高压侧采用天津城电器有限公司生产的JYN2-10（Z）型户内移开式交流金属封闭开关设备。此高压开关柜的型号：JYN2-10/4ZTTA（说明：4：一次方案号；Z：真空断路器；T：弹簧操动；TA ：干热带）。其内部高压一次设备根据本厂需求选取，具体设备见附图三《变电所高压电气主接线图》。初选设备：

高压断路器： ZN24-10/1250/20     高压熔断器：RN2-10/0.5 -50 

电流互感器：LZZQB6-10-0.5-200/5  电压互感器：JDZJ-10     接地开关：JN-3-10/25

母线型号：TMY-3（504）；TMY-3（8010）+1（606）

绝缘子型号：ZA-10Y抗弯强度： 3.75kN（户内支柱绝缘子）

从高压配电柜引出的10kV三芯电缆采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，型号：YJV-350，无钢铠护套，缆芯最高工作温度。

(二)变电所高压一次设备的校验

根据《高压一次设备的选择校验项目和条件》，在据电压、电流、断流能力选择设备的基础上，对所选的高压侧设备进行必需的动稳定校验和热稳定度校验。

１．设备的动稳定校验

1)高压电器动稳定度校验

校验条件：

由以上短路电流计算得=； =。并查找所选设备

的数据资料比较得：

高压断路器ZN24-10/1250/20 　=50kA ，满足条件；

电流互感器LZZQB6-10-0.5-200/5 　=79kA，满足条件；

JN-3-10/25接地开关　　=63 kA ，满足条件。

2)绝缘子动稳定度校验

校验条件：母线采用平放在绝缘子上的方式，则：（其中=200mm； =900mm）。

所以： = 满足要求。　  

3)母线的动稳定校验

校验条件：   TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。

10kV母线的短路电流=； = 三相短路时所受的最大电动力：         =

母线的弯曲力矩：   

母线的截面系数：   

母线在三相短路时的计算应力：    

可得， =140MPa=，满足动稳定性要求。

２.高压设备的热稳定性校验

1)高压电器热稳定性校验

校验条件：查阅产品资料：高压断路器： =31.5kA,t=4s；

电流互感器： =44.5kA ,t=1s；接地开关： =25kA,t=4s。取， =，将数据代入上式，经计算以上电器均满足热稳定性要求。

2)高压母线热稳定性校验

校验条件： A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。

母线的截面：           A=504=200

允许的最小截面：      

从而，，该母线满足热稳定性要求 。      

3) 高压电缆的热稳定性校验

校验条件： A=

允许的最小截面：

所选电缆YJV-350的截面 A=50从而，，该电缆满足热稳定性要求 。  

(三)变电所低压一次设备的选择

低压侧采用的也是天津长城电器有限公司生产的GGD2型低压开关柜，所选择的主要低压一次设备参见附图四《变电所低压电气主接线图》。部分初选设备：

低压断路器：NA1 型智能万能断路器、TMS30型塑壳无飞弧智能断路器     

低压熔断器：NT系列      电压互感器：JDZ1系列

电流互感器：LMZJ1 、LMZ1 系列   

母线型号： TMY-3（8010）+1（606）

绝缘子型号：ZA-6Y抗弯强度： 3.75kN（户内支柱绝缘子）

另外，无功补偿柜选用2个GCJ1-01型柜子，采用自动补偿，满足补偿要求。

(四)变电所低压一次设备的校验

由于根据《低压一次设备的选择校验项目和条件》进行的低压一次侧设备选择，不需再对熔断器、刀开关、断路器进行校验。关于低压电流互感器、电压互感器、电容器及母线、电缆、绝缘子等校验项目与高压侧相应电器相同，这里仅列出低压母线的校验：380kV侧母线上母线动稳定性校验：校验条件：

  TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。

380kV母线的短路电流=;=三相短路时所受的最大电动力为：

母线的弯曲力矩：   

母线的截面系数：   

母线在三相短路时的计算应力：     

可得， =140MPa=，满足动稳定性要求。

380V侧母线热稳定性校验：校验条件： A=

查产品资料，得铜母线的C=171，取。

母线的截面：      A=8010=800

允许的最小截面：   

从而，，满足热稳定性要求 。  

七   变电所二次回路方案选择及继电保护的整定

（一）二次回路方案选择

1)二次回路电源选择

二次回路操作电源有直流电源，交流电源之分。

蓄电池组供电的直流操作电源带有腐蚀性，并且有爆炸危险；由整流装置供电的直流操作电源安全性高，但是经济性差。 

考虑到交流操作电源可使二次回路大大简化，投资大大减少，且工作可靠，维护方便。这里采用交流操作电源。

2)高压断路器的控制和信号回路

高压断路器的控制回路取决于操作机构的形式和操作电源的类别。结合上面设备的选择和电源选择，采用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路。

3)电测量仪表与绝缘监视装置

这里根据GBJ63-1990的规范要求选用合适的电测量仪表并配用相应绝缘监视装置。

a)10KV电源进线上：电能计量柜装设有功电能表和无功电能表；为了解负荷电流，装设电流表一只。

b)变电所每段母线上：装设电压表测量电压并装设绝缘检测装置。

c)电力变压器高压侧：装设电流表和有功电能表各一只。

d)380V的电源进线和变压器低压侧：各装一只电流表。

e)低压动力线路：装设电流表一只。

4)电测量仪表与绝缘监视装置

在二次回路中安装自动重合闸装置（ARD）（机械一次重合式）、备用电源自动投入装置（APD）。

（二）继电保护的整定

    继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。

由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在变电所高压母线上，动作于信号。

继电保护装置的接线方式采用两相两继电器式接线；继电保护装置的操作方式采用交流操作电源供电中的“去分流跳闸”操作方式（接线简单，灵敏可靠）；带时限过电流保护采用反时限过电流保护装置。型号都采用GL-25/10 。其优点是：继电器数量大为减少，而且可同时实现电流速断保护，可采用交流操作，运行简单经济，投资大大降低。

此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用相关断路器实现三段保护。

1)变压器继电保护

变电所内装有两台10/0.41000的变压器。低压母线侧三相短路电流为，高压侧继电保护用电流互感器的变比为200/5A，继电器采用GL-25/10型，接成两相两继电器方式。下面整定该继电器的动作电流，动作时限和速断电流倍数。

a)过电流保护动作电流的整定：  

， 

故其动作电流： 

动作电流整定为9A。

b)过电流保护动作时限的整定

由于此变电所为终端变电所，因此其过电流保护的10倍动作电流的动作时限整定为。

c)电流速断保护速断电流倍数整定

取，故其速断电流为：

因此速断电流倍数整定为：。

2）10KV侧继电保护

在此选用GL-25/10型继电器。由以上条件得计算数据：变压器一次侧过电流保护的10倍动作时限整定为0.5s；过电流保护采用两相两继电器式接线；高压侧线路首端的三相短路电流为2.614kA；变比为200/5A保护用电流互感器动作电流为9A。下面对高压母线处的过电流保护装置进行整定。（高压母线处继电保护用电流互感器变比为200/5A）

整定的动作电流

取， ，，故

， 

根据GL-25/10型继电器的规格，动作电流整定为7A 。

整定的动作时限：

母线三相短路电流反映到中的电流： 

对的动作电流的倍数，即： 

由《反时限过电流保护的动作时限的整定曲线》确定的实际动作时间： =0.6s。

的实际动作时间： 

母线三相短路电流反映到中的电流： 

对的动作电流的倍数，即： 

所以由10倍动作电流的动作时限曲线查得的动作时限：。

3）0.38KV侧低压断路器保护

整定项目：

(a)瞬时过流脱扣器动作电流整定：

满足  

：对万能断路器取1.35；对塑壳断路器取2～2.5。

(b)短延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：

满足: 取1.2。

另外还应满足前后保护装置的选择性要求，前一级保护动作时间比后一级至少长一个时间级差0.2s(0.4s,0.6s)。

(c)长延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：

满足：  取1.1。

(d)过流脱扣器与被保护线路配合要求：

满足：  ：绝缘导线和电缆允许短时过负荷倍数(对瞬时和短延时过流脱扣器，一般取4.5；对长延时过流脱扣器，取1.1～1.2)。

(e)热脱扣器动作电流整定：

满足：  取1.1，一般应通过实际运行进行检验。

可根据以上整定要求，参考相关产品资料对低压侧的NA1和TMS30系列低压断路器进行整定，在此不详述。

八、防雷和接地装置的确定

（一）防雷装置确定

雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重

的危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。下面分情况对防雷装置进行选择。

（二）直击雷的防治

根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击雷保护装置。在进线段的1km长度内进行直击雷保护。防直击雷的常用设备为避雷针。所选用的避雷器：接闪器采用直径的圆钢；引下线采用直径的圆钢；接地体采用三根2.5m长的的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。

（三）雷电侵入波保护

由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。对变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置内安放阀式避雷器。

（四）接地装置确定

接地装置为接地线和接地体的组合，结合本厂实际条件选择接地装置：交流电器设备可采用自然接地体，如建筑物的钢筋和金属管道。本厂的大接地体采用扁钢，经校验，截面选择为，厚度为。铜接地线截面选择：低压电器设备地面上的外露部分截面选择为（绝缘铜线）；电缆的接地芯截面选择为。

所用的接地电阻选择：查表得接地电阻应满足R5，Re120V/IE

根据经验公式：    其中：为同一电压的具有电联系的架空线线路总长度；为同一电压的具有电联系的电缆线路总长度。

则：              =4.67

所以，变电所的接地电阻应选为5。

九、附录参考文献

1.《中小型变电所实用设计手册》 2000年5月第1版  中国水利水电出版社  雷振山 编

2.《常用供配电设备选型手册 》1998年2月第一版煤炭工业出版社 王子午 徐泽植 编

3.《建筑工程常用材料设备产品大全》 1992年10月第一版 中国建筑工业出版社 

4.《工业与民用配电设计手册第二版》 1994年12月第一版 中国电力出版社 

5.《现代建筑电气设计实用指南》 2000年1月第一版 中国水利水电出版社

6.《建筑电气设计与施工》 2000年9月第一版 中国建筑工业出版社下载本文