10KV变电所配电系统设计
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10KV变电所及其配电系统的设计
摘 要：变电所是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。变电所涉及方面很多，需要考虑的问题多，分析变电所担负的任务及用户负荷等情况，选择所址，利用用户数据进行负荷计算，确定用户无功功率补偿装置。同时进行各种变压器的选择，从而确定变电站的接线方式，再进行短路电流计算，选择送配电网络及导线，进行短路电流计算。选择变电所高低压电气设备，为变电所平面及剖面图提供依据。本变电所的初步设计包括了：（1）总体方案的确定（2）负荷分析（3）短路电流的计算（4）配电系统设计与系统接线方案选择（5）继电保护的选择与整定（6）防雷与接地保护等内容。
关键词：变电所；负荷；输电系统；配电系统
第1章 绪论
1.1工厂变配电所的设计
1.1.1用户供电系统
电力用户供电系统由外部电源进线、用户变配电所、高低压配电线路和用电设备组成。按供电容量的不同，电力用户可分为大型（10000kV·A以上）、中型（1000-10000kV·A）、小型（1000kV·A及以下）
1.大型电力用户供电系统
大型电力用户的用户供电系统，采用的外部电源进线供电电压等级为35kV及以上，一般需要经用户总降压变电所和车间变电所两级变压。总降压变电所将进线电压降为6-10kV的内部高压配电电压，然后经高压配电线路引至各个车间变电所，车间变电所再将电压变为220/380V的低电压供用电设备使用。
某些厂区环境和设备条件许可的大型电力用户也有采用所谓“高压深入负荷中心”的供电方式，即35kV的进线电压直接一次降为220/380V的低压配电电压。
2.中型电力用户一般采用10kV的外部电源进线供电电压，经高压配电所和10kV用户内部高压配电线路馈电给各车间变电所，车间变电所再将电压变换成220/380V的低电压供用电设备使用。高压配电所通常与某个车间变电所合建。
3.小型电力用户供电系统
一般小型电力用户也用10kV外部电源进线电压，通常只设有一个相当于车间变电所的降压变电所，容量特别小的小型电力用户可不设变电所，采用低压220/380V直接进线。
1.1.2工厂变配电所的设计原则
1.必须遵守国家的有关规程和标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源、节
约有色金属等技术经济政策。
2.应做到保障人身和设备安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理，应采用效率高、能耗低、性能较先进的电气产品。
3.应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。
4.必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
1.2课题来源及设计背景
1.2.1课题来源
本课题是来源于**_*公司下属安.建机械化***的变电所新建项目，具有一定的实践性和可行性。
1.2.2设计背景
本公司现要新建一个10/0.4kV的变配电所，向公司生产区、办公楼、职工住宅区及其生活水泵组供电。
原先变电所只能满足两个车间、办公楼和生活区的用电负荷。随着近年来，云锡***的企业内部的调整，下***之间的相互合并等原因，安.建机械化***扩充了规模，兼并了原来其他单位的一些用电设备，因此，原先的变电所已经不能满足需要，要在原址旁边新建一座10/0.4kV变配电所，以满足单位改革后用电负荷的要求。
鉴于***用电的特殊性，新建变电所的电源取自3km外***一专用35kV变电站和3km外市***另一相同容量的35kV变电站。
新变电所建成后，能满足现有的生产、生活用电，有效地提高负荷转移能力，进一步提高供电可靠性。
第2章 变电所负荷计算和无功补偿的计算
2.1变电站的负荷计算
2.1.1负荷统计
全厂的用电设备统计如下表：
表2.1 用电负荷统计
用电设备
负荷统计（kW）
负荷类别
机床设备组
433.45
三级
电焊机设备组
129.35
三级
起重机组
113.2
三级
办公楼
30
三级
住宅区水泵组
176
二级
住宅用电
768
三级
厂区照明
29
三级
2.1.2负荷计算
按需要系数法计算各组负荷：
有功功率 P= Kd Σpei （2.1）
无功功率 Q=P （2.2）
视在功率 S= （2.3）
上述三个公式中：ΣPei：每组设备容量之和，单位为kW；Kd：需要用系数；:功率因数。
⒈ 小批量生产的金属冷加工机床电动机：
Kd=0.16-0.2（取0.2）=0.5 =1.73
有功负荷 PC1=KdPS1=0.2*433.45=86.69kW
无功负荷 QC1=PC1=86.69*1.73=149.97kvar
视在功率 SC1==174.74kV·A
⒉ 电焊机组的计算负荷：
Kd=0.35 =0.35 =2.68
有功负荷 PC2=KdPS2=0.35*129.35=45.27kW
无功负荷 QC2=PC2=45.27*2.68=121.33kvar
视在功率 SC2==129.5kV·A
⒊ 起重机的计算负荷：
Kd=0.1-0.15（取0.15） =0.5 =1.73
有功负荷 PC3=KdPS3=0.15*113.2=16.98kW
无功负荷 QC3=PC3=16.98*1.73=29.38kvar
视在功率 SC3==33.93kV·A
⒋ 住宅区水泵组：
Kd=0.8 =0.8 =0.75
有功负荷 PC4=KdPS4=0.8*176=140.8kW
无功负荷 QC4=PC4=0.75*140.8=105.6kvar
视在功率 SC4==176kV·A
⒌ 办公楼：
Kd=0.8 =1 =0
有功负荷 PC5=KdPS5=0.8*30=24kW
无功负荷 QC5=PC5=0kvar
视在功率 SC5==24kV·A
⒍ 住宅区：
Kd=0.45 =1 =0
有功负荷 PC6=KdPS6=0.45*768=345.6kW
无功负荷 QC6=PC6=0kvar
视在功率 SC6==345.6kV·A
⒎ 厂区照明：
Kd=1 =1 =0
有功负荷 PC7=KdPS7=1*29=29kW
无功负荷 QC7=PC7=0kvar
视在功率 SC7==29kV·A
总负荷的计算：
1.有功功率 Pc=K∑ pΣPc.i （2.4）
2.无功功率 Qc= K∑qΣQc.i （2.5）
3.视在功率 Sc= （2.6）
式中：对于干线，可取K∑ p =0.85-0.95，K∑q =0.90-0.97。
对于低压母线，由用电设备计算负荷直接相加来计算时，可取K∑ p =0.8-0.9，
K∑q =0.85-0.95。由干线负荷直接相加来计算时，可取K∑ p =0.9-0.95，K∑q =0.93-0.97。
表2.2 计算负荷表
设备组
Kd
需要系数
计算负荷
Pc/kW
Qc/kvar
Sc/kV·A
机床组
0.2
0.5
1.73
86.69
149.97
174.74
电焊机组
0.35
0.35
2.68
45.27
121.33
129.5
起重机
0.15
0.5
1.73
16.98
29.38
33.93
水泵组
0.8
0.8
0.75
140.8
105.6
176
办公楼
0.8
1
0
24
0
24
住宅区
0.45
1
0
345.6
0
345.6
厂区照明
1
1
0
29
0
29
总计
——
688.34
406.28
——
对干线 取K∑p=0.95, K∑q=0.97
653.92
394.09
763.49
对低压母线 取K∑p=0.90, K∑q=0.95
619.506
385.966
729.9
2.2无功补偿的目的和方案
由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等，都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。电力系统要求用户的功率因数不低于0.9，按照实际情况本次设计要求功率因数为0.92以上，因此，必须采取措施提高系统功率因数。目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。
根据现场的实际情况，拟定采用低压集中补偿方式进行无功补偿。
2.3无功补偿的计算及设备选择
我国《供电营业规则》规定：容量在100kV·A及以高.上压供电用户，最大负荷时的功率因数不得低于0.9，如达不到上述要求，则必须进行无功功率补偿。
一般情况下，由于用户的大量如：感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等都是感性负荷，使得功率因数偏低，达不到上述要求，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。当功率因数提高时，在有功功率不变的情况下，无功功率和视在功率分别减小，从而使负荷电流相应减小。这就可使供电系统的电能损耗和电压损失降低，并可选用较小容量的电力变压器、开关设备和较小截面的电线电缆，减少投资和节约有色金属。因此，提高功率因数对整个供电系统大有好处。
要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。最大负荷时的无功补偿容量QN·C应为：
QN·C==PC（-） (2.7)
按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿容量也应相应减小，以免造成过补偿。因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。
提高功率因数的补偿装置有稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备。前者主要有同步补偿机和并联电容器。动态无功功率补偿设备用于急剧变动的冲击负荷。
低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：
(2.8)
在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：
(1)高压集中补偿 补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。
(2)低压集中补偿 补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。
(3)低压分散补偿 补偿效果最好，应优先采用。但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。
本次设计采用低压集中补偿方式。
PC QC SC 取自低压母线侧的计算负荷，提高至0.92
===0.85
QN·C=PC（-）=619.506*[tan(arccos0.85)-tan(arccos0.92)]=120kvar
选择BSMJ0.4-20-3型自愈式并联电容器，qN·C=20kvar
（2.9）
=120kvar/20kvar=6 取6
补偿后的视在计算负荷
SC==674.19kV·A
= =0.92
第3章 变电所变压器台数和容量的选择
3.1变压器的选择原则
电力变压器是供电系统中的关键设备，其主要功能是升压或降压以利于电能的合理输送、分配和使用，对变电所主接线的形式及其可靠性与经济性有着重要影响。所以，正确合理地选择变压器的类型、台数和容量，是对接下来主接线设计的一个主要前题。
选择时必须遵照有关国家规范标准，因地制宜，结合实际情况，合理选择，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品，并优先选用技术先进的产品。
3.2变压器类型的选择
电力变压器类型的选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组形式、绝缘及冷却方式、联结组别等。，
变压器按相数分，有单相和三相两种。用户变电所一般采用三相变压器。
变压器按调压方式分，有无载调压和有载调压两种。10kV配电变压器一般采用无载调压方式。
变压器按绕组形式分，有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器等。用户供电系统大多采用双绕组变压器。
变压器按绝缘及冷却方式分，有油浸式、干式和充气式（SF6）等。
10kV配电变压器有Yyn0和Dyn11两种常见联结组。由于Dyn11联结组变压器具有低压侧单相接地短路电流大，具有利于故障切除、承受单相不平衡负荷的负载能力强和高压侧三角形接线有利于抑制零序谐波电流注入电网等优点，从而在TN及TT系统接地形式的低压电网中得到越来越广泛的应用。
3.3变压器台数的选择
变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。《10kV及以下变电所设计规范GB50053－94》中规定，当符合以下条件之一时，宜装设两台及两台以上的变压器：
⑴ 有大量一级或二级负荷；
⑵ 季节性负荷变化较大；
⑶ 集中负荷容量较大。
变电所中单台变压器（低压为0.4kV）的容量不宜大于1250kV·A。当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。
在一般情况下，动力和照明宜共用变压器。当属下列情况之一时，可设专用变压器：
一、当照明负荷较大或动力和照明采用共用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时，可设照明专用变压器；
二、单台单相负荷较大时，宜设单相变压器；
三、冲击性负荷较大，严重影响电能质量时，可设冲击负荷专用变压器。
四、在电源系统不接地或经阻抗接地，电气装置外露导电体就地接地系统（IT 系统）的低压电网中，照明负荷应设专用变压器。
由于本单位的用电设备负荷有二级负荷和三级负荷。根据设计规范GB50053－94的要求，宜装设两台变压器，选择台数为两台。
3.4变压器容量的选择
变压器的容量SN·T首先应保证在计算负荷SC下变压器能长期可靠运行。
对有两台变压器的变电所，通常采用等容量的变压器，每台容量应同时满足以下两个条件：
满足总计算负荷70%的需要，即
SN·T≈0.7 SC； （3.1）
满足全部一、二级负荷SC(I+II)的需要，即
SN·T≥SC(I+II) （3.2）
条件①是考虑到两台变压器运行时，每台变压器各承受总计算负荷的50%，负载率约为0.7，此时变压器效率较高。而在事故情况下，一台变压器承受总计算负荷时，只过载40%，可继续运行一段时间。在此时间内，完全有可能调整生产，可切除三级负荷。条件②是考虑在事故情况下，一台变压器仍能保证一、二级负荷的供电。
根据无功补偿后的计算负荷，SC=674.19kV·A
即SN·T≥0.7*674.19=471.933kV·A
取变压器容量为500kV·A
因此，选择S9-500/10 Dyn11型电力变压器。为油浸式、无载调压、双绕组变压器。
表3.1 主变压器的选择
额定容量
SN /kV·A
联结组别
空载损耗
△PO /kW
短路损耗
△PK /kW
空载电流
I O %
阻抗电压
U K %
500
Dyn11
1.03
4.95
3
4
变压器的损耗：
△PT=△P FE+△P CU（）2≈△PO+△PK（）2 （3.3）
因此 △PT =1.03+4.95*（）2=10.03kW
△Q T=△Q O+△Q K（）2≈SN·T[+ ] （3.4）
因此 △Q T =500*[+]=51.36kvar
第4章 主接线方案的确定
4.1主接线的基本要求
主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。概括地说，对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。
4.1.1安全性
安全包括设备安全及人身安全。一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。
4.1.2可靠性
不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。
4.1.3灵活性
用最少的切换来适应各种不同的运行方式，适应负荷发展。
4.1.4经济性
在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。采用的设备少，且应选用技术先进、经济适用的节能产品。
总之，变电所通过合理的接线、紧凑的布置、简化所内附属设备，从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计，节约材料，减少人力物力的投入，并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修，达到降低投资的目的。
4.2主接线的方案与分析
主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。
1．单母线接线
这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置；
缺点：不够灵活可靠，任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修，均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段，但当一段母线故障时，全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供电。
适用范围：适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所，一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。
图4.1 单母线不分段主接线
2．单母线分段主接线
当出线回路数增多且有 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 3-94《10kV及以下变电所设计规范》的规范要求，有效的提高负荷转移能力，进一步提高供电可靠性。
本次的毕业设计,时间长、内容多，几乎涵盖了大学中所学的知识。经过了从收集资料、设计、绘图、审核的整个过程。在此期间，自己动手查阅了大量的资料，一方面，充分地检验自己的设计能力，丰富了自己在电气设计特别是变电站设计方面的知识，为自己将来从事该专业工作打下了坚实的基础；另一方面，使我体会到搞设计或科研需要具备严谨求实、一丝不苟和勇于献身的精神。这次的设计，我最大的收获就是学到了工厂变电所的设计步骤与方法，还有学会了如何使用资料。
设计虽然完成了，但是，由于是初次进行这种具有很强实际意义的设计，经验的欠缺造成了在设计中还有很多不够完善的地方，比如：在选择一次设备的时候，对现在的主流产品知之甚少，整个变配电系统结构不够优化等。另外我只是掌握了变电所设计中很少的一部分知识，还有很多深奥的专业知识等着我去挖掘、去探索、去学习。我也将会在今后的工作学习中不断充实自己，不断完善自己的专业知识，为自身的发展打下坚实的基础。
由于上述原因，在设计过程中难免出现错误，敬请各位专家和老师批评指正。
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