供配电课程设计报告

湖北理工学院

电气与电子信息工程学院

供配电工程课程设计报告

设计题目：某电器设备厂供配电系统电气部分初步

设计

姓 名：

专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 起止时间： 地 点： 指导教师：

完成时间： 2014 年 5 月 28 日

供配电工程课程设计任务书

一、设计题目

某电器设备厂供配电系统电气部分初步设计 二、设计目的及要求

通过本课程设计，熟悉现行国家标准和设计规范，树立起技术与工程经济相统一的辨证观点；培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；掌握电气工程设计计算的方法，为今后从事电力工程设计、建设、运行及管理工作，打下必要的基础。

要求根据用户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，确定配电所及车间变电所的位置与型式，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定车间变电所主变压器的台数与容量、类型，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。 三、设计依据

1、工厂总平面图

工厂总平面图如图1所示。

图1 工厂总平面图

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数为4500小时，日最大负荷持续时间6小时。该厂除锅炉房和电镀车间属于二级负荷外，其余均属于三级负荷。

厂区装卸产品频繁，配电线路要求地下敷设。 本厂的负荷统计资料如表1所示。

表1负荷统计资料

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 厂房名称 装配车间 电镀车间 锅炉房 焊接车间Ⅰ 焊接车间Ⅱ 金工车间 热处理车间 机修车间 实验站 仓库Ⅰ 仓库Ⅱ 办公楼 设备容量/kW 275 200 210 800 900 500 500 300 120 5 5 25 需要系数 0.30 0.80 0.70 0.30 0.30 0.30 0.60 0.30 0.25 0.30 0.30 0.60 功率因数 0.70 0.60 0.75 0.45 0.45 0.50 0.70 0.50 0.50 0.85 0.85 0.75 3、供电电源情况

按照工厂与当地电业部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近35/10kV地区变电站取得工作电源，距厂约为5km。变电站出线端所装设的高压断路器断流容量为200MVA。此高压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1.5s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。

要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。 4．气象资料

本厂所在地区的年最高气温为40℃，年平均气温为25℃，年最低气温为－2℃，年最热月平均最高气温为33℃，年最热月平均气温为26℃，年最热月地下0.8m处平均温度为25℃。当地主导风向为东南风，年雷暴日数为52.2天。

5．地质水文资料

本厂所在地区平均海拔200m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。 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，按两部电价制交纳电费。基本电价20元/千伏·安/月，电度电价0.5元/度。

四、设计任务

设计内容包括：负荷计算及无功功率的补偿计算，高压配电所所址的选择，配电所主接线方案的选择，车间变压器位置、台数和容量的确定，高低压配电线路及导线截面选择，短路计算和开关设备的选择，保护配置及整定计算，防雷保护与接地装置设计等。

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摘 要

本电气设备厂是以10kV变电站的主接线及变压器的选择为主，来进行设计的。变电所电气主接线的设计是依据变电所最高电压等级以及变电所的性质，最终选择出一种变电所在系统中的地位和作用相适应的接线方式。在经济角度上要考虑周全，尽量以最少的投资获得最佳的方案。按照实际情况及要求，来选择合适的变压器。短路电流计算，对变电站系统中的各个电压等级下的母线发生三相短路时，所流过的短路电流进行了分别计算。电气设备动、热稳定校验，电气设备的选择条件包括两大部分：一是电气设备所需要满足的基本条件，即按正常工作条件选择，并按短路状态校验动、热稳定；二是根据不同电气设备的特点而提出的选择和校验项目。最后进行主要电气设备型号及参数的确定，电气总平面及配电装置设计和无功补偿方案设计，较为详细地完成了电力系统中变电站设计。

通过本次课程设计，旨在熟悉变电所中供电系统的负荷计算，掌握变电所中二次回路的基本原理，在此基础上对供电系统中的变电所二次接线进行了设计和保护，最后根据具体环境条件对电气设备进行校验，使本次设计的内容更加完善。

关键词：变电站；短路电流；热稳定；动稳定性；无功补偿；二次接线

目 录

1、 供配电设计概述 ..................................................... 1

1.1 供配电设计遵循的原则 ............................................ 1 1.2 供配电的设计内容 ................................................ 1 1.3 背景及意义 ...................................................... 2 2、负荷计算、无功补偿计算及变压器选择 .................................. 3

2.1 用电设备计算负荷的确定 .......................................... 3 2.2 负荷计算的目的 .................................................. 3 2.3 车间计算负荷的确定 .............................................. 3 2.4 车间变电所数量、类型及所址确定 .................................. 4 2.5 变电所计算负荷 .................................................. 5 2.6 无功补偿 ........................................................ 6 2.7 车间变电所变压器选择 ............................................ 7 2.8 车间变电所高压侧计算负荷 ........................................ 8 3、 变配电所主接线方案 ................................................ 10

3.1 主接线意义 ..................................................... 10 3.2 主接线的设计原则 ............................................... 10 3.3 主接线方案设计 ................................................. 11 4、 短路电流计算 ...................................................... 13

4.1 短路电流产生原因及危害 ......................................... 13 4.2 短路电流的计算方法 ............................................. 13 5、 电气设备的选择与校验 .............................................. 17

5.1 电气设备选择的意义 ............................................. 17 5.2 电气设备理的论校验方法 ......................................... 17 5.3 主要设备选择校验 ............................................... 18 5.4 导线和电缆的选择与校验 ......................................... 22 6、 防雷与接地 ........................................................ 23

6.1 防雷接地的理论基础 ............................................. 23 6.2 防雷接地的保护措施 ............................................. 24 7、 小结 .............................................................. 25 参考文献 .............................................................. 26 附录一 10kV变电所变压器一次侧电气主接线方案 .......................... 27 附录二 10kV变电所变压器二次侧电气主接线方案 .......................... 28

1、供配电设计概述

1.1 供配电设计遵循的原则

供配电设计应根据上级批文的内容，依据建设单位的具体设计要求和工艺设计所提出的具体条件进行，并遵循以下原则：

（1）遵守规程、执行。

必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针，包括节约能源，节约有色金属等技术经济。如国家标准GB50052-95 《供配电系统设计规范》、GB50053-94 《10kV及以下设计规范》、GB50054-95 《低压配电设计规范》等的规定。

（2）安全可靠、先进合理。

应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。

（3）近期为主、考虑发展。

应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。

（4）全局出发、统筹兼顾。

按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。供配电设计是整个用户设计中的重要组成部分。用户供电设计的质量直接影响到用户的生产及发展。作为从事供配电工作的人员，有必要了解和掌握供配电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。

1.2 供配电的设计内容

供配电设计的内容一般包括变配电所、供配电线路、防雷与接地、电气二次回路及自动控制等项目。

变配电所的设计内容包括：变配电所的负荷计算及无功功率的补偿计算；变配电所所址的选择；变压器台数和容量、型式的确定；变配电所主接线方案的选择；短路计算和开关设备的选择；二次回路方案的确定及继电保护的整定计算；防雷保护与接地装置设计以及变配电所的电气照明设计等。

供配电线路设计包括供电电源线路设计和室内外高低压配电线路设计。具体设计

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内容为线路路径及线路结构形式的确定，导线截面选择，架空线路杆位确定及电杆与绝缘子、金具的选择等。

防雷与接地设计是依据当地的雷电日数等基础资料，确定防雷等级和采取的防雷措施，确定允许接地电阻值和接地装置的形式等。

电气二次回路及自动控制设计是根据工艺设计提出的要求，确定电气设备的控制、保护、测量、信号和自动装置的形式，以及各二次设备的选择校验等。

1.3 背景及意义

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：

（1） 安全 在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。 （2） 可靠 应满足电能用户对供电可靠性的要求。 （3） 优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。

（4） 经济 供电系统投资要少，运行费用要低，并尽可能地减少有色金属的消耗量。

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2、负荷计算、无功补偿计算及变压器选择

2.1 用电设备计算负荷的确定

工程上常用两种方法来进行计算，有需要系数发和二项式法。

需要系数法简单方便，计算结果基本符合实际。用电设备台数较多，各台设备容量相差不悬殊时，宜采用需要系数法。

二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，较之需要系数法，合理，且计算也较为方便。

结合本次课程设计各车间给出的数据及实际情况，下面将采用需要系数法来进行计算负荷的计算。

2.2 负荷计算的目的

在对全厂在工程设计的可行性研究阶段时，需要要对全厂用电量作出估算以便确定整个工程的方案；在设计工厂供电系统时，为了正确选择变压器的容量，正确选择各种电气设备和配电网络，以及正确选择无功补偿设备等，需要对电力负荷进行计算。故需要在一开始进行负荷计算。

2.3 车间计算负荷的确定

根据任务书给出的需要系数及设备容量，下面将以装配车间为例，来进行计算负荷的计算。

有功计算负荷 Pc 无功计算负荷 QcKdPe0.3275kW82.5kW

Pctan82.51.02kvar84.15kvar

视在计算负荷 ScPc82.5k·VA117.86k·VA

cos0.7Sc117.85A179.05A 计算电流 Ic3Un30.38

由于其它车间、仓库及办公楼的计算负荷的计算方法与上述方法相同，故不在此

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重复列式计算，其计算结果如下表所示：

各车间电力计算负荷结果表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 厂房名称 设备 容量 /kW 275 200 210 800 900 500 500 300 120 5 5 25 需要 系数 /Kd 0.30 0.80 0.70 0.30 0.30 0.30 0.60 0.30 0.25 0.30 0.30 0.60 功率 因数 /cosφ 0.70 0.60 0.75 0.45 0.45 0.50 0.70 0.50 0.50 0.85 0.85 0.75 tanφ 计算负荷 装配车间 电镀车间 锅炉房 焊接车间Ⅰ 焊接车间Ⅱ 金工车间 热处理车间 机修车间 实验站 仓库Ⅰ 仓库Ⅱ 办公楼 1.02 1.33 0.88 1.98 1.98 1.73 1.02 1.73 1.73 0.62 0.62 0.88 Pc/kW Qc/kvar Sc/kv·A 82.5 160 147 240 270 150 300 90 30 1.5 1.5 15 84.15 212.8 129.36 475.2 534.6 259.5 306 155.7 51.9 0.93 0.93 13.2 117.86 266.67 196 533.33 600 300 428.57 180 60 1.76 1.76 20 Ic/A 179.07 405.16 297.79 810.31 911.61 455.80 651.14 273.48 91.16 2.67 2.67 30.39

2.4 车间变电所数量、类型及所址确定

根据变电所设立原则，当负荷容量≥315kVA时，不论距离远近，均应单独设立变电所。在共设变电所时，应遵循以下原则：①负荷容量在160 kVA以下，从供电点到负荷中心的最大距离不超过300m；②负荷容量在160～250 kVA之间，从供电点到负荷中心的最大距离不超过230m；③负荷容量在250～315 kVA之间，从供电点到负荷中心的最大距离不超过175m。

综合以上情况以及各车间变电所的计算负荷，将不同的车间分组如下，第一组：将装配车间、实验站、仓库Ⅰ共用一个变电所；第二组：机修车间、金工车间、机修车间、仓库Ⅱ、办公楼共用一个变电站；第三组：电镀车间、锅炉房共用一个变电站，其余车间设立的变电站，故一共设立6个车间变电所。

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由于是车间变电所，考虑到与大容量设备的距离，进出线的方便，车间的发展，占地因素以及工厂车间的性质，变电所类型将采用附设式变电所，其设的车间变电所所址一般位于大负荷所在的车间。

2.5 变电所计算负荷

变电所的计算负荷属于成组的计算负荷，以第一组车间变电所为例，车间变电所的计算负荷如下：

有功计算负荷: PcKPPc.i0.93(82.5301.5)kW106.02kW 无功计算负荷： QcKqQc.i0.95(84.1551.90.93)kvar130.13kvar 视在计算负荷： ScPc2Qc2106.22130.132kV·A167.97kV·A

Sc167.97A255.20A 计算电流： Ic3Un30.38由于其它变电所的计算方法相同，故可得到如下表格。

各车间变电所电力负荷计算结果表（补偿前）：（取K=0.93；Kq=0.95）

P车间变电所 1 #所供车间 名称 装配车间 实验站 仓库Ⅰ 机修车间 金工车间 办公楼 仓库Ⅱ 焊接车间Ⅰ 热处理车间 焊接车间Ⅱ 电镀车间 锅炉房 Pc/kW 106.02 Qc/kvar 130.13 计算负荷 Sc/kv·A 167.97 Ic/A 255.20 cosφ 0.63 2 #238.55 407.86 472.50 717. 0.50 3 4 5 ###240 300 270 475.2 306 534.6 533.33 428.57 600 810.31 651.14 911.61 0.45 0.7 0.45 6 #285.51 325.05 432. 657.33 0.66

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2.6 无功补偿

根据任务书要求，工厂在最大负荷时的功率因数不得低于0.90，而根据无功补偿前各变电所的功率因数，远未达到要求，故需要进行无功补偿。

以1号车间变电所为例，为使高压侧的功率因素不低于0.9，低压侧补偿后的功率因素一般取0.92。 无功补偿容量：

Qr.cPc(tantan')106.02(tanarccos0.63tanarccos0.92)

85.53kvar根据无功补偿柜的规格要求，初选BCMJ-0.4-16-3,每组容量qr.c=16kvar 则需安装的电容组数为

Qr.c85.53kvarn5.356

qr.c16实际补偿值为 6×16=96kvar 补偿后，总的无功计算负荷：

Qc'QcQr.c

130.1396kvar 34.13kvar 视在计算负荷：

ScPc2(QcQr.c)2

106.022(130.1396)2kV·A 111.38kV·ASc111.38A169.22A 计算电流： Ic3Un30.38 6

Pc106.020.95 功率因素： cosSc111.38因0.95>0.92，故补偿后的功率因素满足要求。 根据相同的计算，可以得到下表：

无功补偿后车间变电所的计算负荷（变压器低压侧）

车间变电所 1# 2# 计算的补偿量kvar 85.53 311.56 374.04 178.26 420.80 203.36 实际补偿量kvar 96 有功计算负荷Pc/kW 106.02 无功计视在计计算电算负荷算负荷流 Qc/kvar Sc/kV·A Ic/A 34.13 87.86 111.38 169.22 254.22 386.25 功率因数 cosφ 0.95 0.94 电容组数 6 20 3# 24 4# 5# 12 28 6#

14 160×2 238.55 =320 160＋128＋240 96 =384 96×2 300 =192 160×2+128 270 =448 128＋96 285.51 =224 91.2 256.74 390.07 0.93 114 86.6 320.93 487.60 283.55 430.81 0.93 0.95 101.05 302.86 460.15 0.94 2.7 车间变电所变压器选择

考虑到变压器在厂房建筑内，故选用低损耗的SCB10型10/0.4kV三相干式双绕组电力变压器。变压器采用无励磁调压方式，分接头±5%，联结组标号为Dyn11，带风机冷却并配置温控仪自动控制，带IP2X防护外壳。

根据前面所计算出的计算负荷，六个车间变电所的容量都在1250kv以下，因6号变电所为二级负荷供电，其余的全为三级负荷，故6号变电所选用两台变压器，其余的变电所均选用一台。

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根据对变压器容量选择的要求，以及工厂发展，日后扩容等问题的综合考虑，车间变电所变压器的容量选择如下：1号变电所，160kV·A；2号变电所，400kV·A；3号变电所，400kV·A；4号变电所，500kV·A；5号变电所，400kV·A；6号变电所，500kV·A(两台，一台为备用)。

车间变电所 变压器台数 型号 额定容量kV·A 空载损耗P0/kW 负载损耗PK/kW 空载电流阻抗电压I0% Uk% 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 1# 2# 3# 4# 5# 6#

1 1 1 1 1 2 SCB10-160/10 SCB10-400/10 SCB10-400/10 SCB10-500/10 SCB10-400/10 SCB10-500/10 160 400 400 500 400 500 0.55 1.00 1.00 1.18 1.00 1.18 2.45 4.60 4.60 5.47 4.60 5.47 1.5 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 2.8 车间变电所高压侧计算负荷

以1号变电所为例，计算过程如下：

变压器有功功率损耗：PT0.01Sc0.01111.381.11kW 变压器无功功率损耗：QT0.05Sc0.05111.385.57kvar 有功计算负荷： Pc.1Pc.2PT106.021.11107.13kW

无功计算负荷：

Qc.1(Qc.2Qr.c)QT(130.1396)5.57

39.7kvar视在计算负荷：

Sc.1Pc.12Qc.12

107.13239.72114.25kV·A8

计算电流： Ic.1Sc.1114.25A6.60A 3U1n310Pc.1107.130.938 Sc.1114.25功率因数： cos根据相同的计算，可得到下表

无功补偿后车间变电所的计算负荷（高压侧）

变压器有变压器无功功率损功功率损车间变电所 耗 耗 △PT △QT /kW /kvar 1# 2# 3# 4# 5# 6# 1.11 2.54 2.57 3.21 2.84 3.03 5.57 12.71 12.84 16.05 14.18 15.14 有功计算负荷Pc /kW 无功计算负荷Qc /kvar 视在计算 负荷Sc /kV·A 计算 电流 Ic/A 功率因数 cosφ 107.13 286.09 242.57 303.21 272.84 288.54 39.7 100.57 104.04 130.05 100.78 116.19 无功计算负荷Qc /kvar 114.25 303.25 263.94 329.92 290.86 311.06 视在计算 负荷Sc /kV·A 6.60 17.51 15.24 19.05 16.79 17.96 0.938 0.943 0.919 0.919 0.938 0.928 总的有功总的无功有功计总计算负荷 计算负荷 算负荷同时系数 计 ΣPc.i ΣQc.i Pc /kW /kvar /kW KP=0.95 计算 电流 Ic/A 功率因数 cosφ 1500.38 591.33 Kq=0.97 1425.36 573.59 1536.44 88.71 0.928

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3、变配电所主接线方案

3.1 主接线意义

电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中,为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。一般在研究主接线方案和运行方式时,为了清晰和方便,通常将三相电路图描绘成单线图。在绘制主接线全图时,将互感器、避雷器、电容器、中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来。

3.2 主接线的设计原则

主接线的设计，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定。并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。

1．安全性

为保障设备安全及人身安全，主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。如：

（1）在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧．必须装设高压隔离开关； （2）在低压断路器的电源及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关； （3）35kV以上的线路末端，应装设与隔离开关联锁的接地刀闸；

（4）变配电所高压母线上及架空线路末端，必须装设避雷器。装于母线上的避雷器宜与电压互感器共用一组隔离开关。接于变压器引出线上的避雷器，不宜装设隔离开关。

2．可靠性

（1）主接线应符合电力负荷特别是一、二级负荷对供电可靠性的要求。一级负荷要求由两个电源供电，二级负荷，要求由两回路供电或一回路6kV及以上的专用架空线路或电缆供电。

（2）变电所的非专用电源进线侧，应装设带短路保护的断路器或负荷开关（串熔断器）。当双电源供多个变电所时，宜采用环网供电方式。

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（3）对一般生产区的车间变电所，宜由工厂总变配电所采用放射式高压配电，以确保供电可靠性，但对辅助生产区及生活区的变电所一可采用树干式配电。

（4）变电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压母线分段开关，均应采用低压断路器。

3．灵活性

主接线应能适应供配电系统各种不同的运行方式（如变压器经济运行方式、电源线路备用方式等），倒闸切换操作简便；检修操作，也应保证供电可靠性的条件。 （1）变配电所的高低压母线，一般宜采用单母线或单母线分段接线。

（2）35kV及以上电源进线为双回路时，宜采用桥形接线或双线路变压器组接线。 （3）需带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路器或高压负荷开关。

（4）主接线方案应与主变压器经济运行的要求相适应。 （5）主接线方案应考虑到今后可能的扩展。 4．经济性

在满足上述技术要求的前提下，一次接线应尽量做到投资省、占地少、电损小。 （1）主接线方案在满足运行要求的前提下，应力求简单，变电所高压俩宜采且断路器较少或不用断路器的接线。

（2）变配电所的电气设备应选用技术先进、经济适用的节能产品，不得选用国家明令淘汰的产品。

（3）中小型用户变电所一般采用高压少油断路器；在需频繁操作的场合则应采用真空断路器路器或SF6断路器。

（4）用户电源进线上应装设专用的计量柜，其中的电流、电压互感器只供计费的电度表用。

（5）应考虑无功功率的人工补偿，使最大负荷时功率因数达到规定的要求。

3.3 主接线方案设计

变配电所的电气主接线是以电源进线和引出线为基本环节，以母线为中间环节的电能输配电路。

主接线的基本形式按有母线接线和无母线接线。母线又称汇流排，起着汇集电能

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的作用。在拥护的变配电所中，有母线的主接线按母线的设置不同，又有单母线接线，单母线分段接线，双母线接线。在本次设计中，我们初选三个方案：1)单母线接线；2)单母线分段接线；3)双母线接线。

由于本设计中的工作电源可由附近一所35/10kV地区变电站取得，因为工厂中除三级负荷外，还有二级负荷，且采用高压联络线由临近的单位取得备用电源。综合考虑以上问题及经济因素，故选择单母线两路电源进线方式,两路进线的断路器实行操作连锁，只用工作电源进线断路器断开后，备用电源进线断路器才能接通，从而保证两路电源不并列运行，提高供电的可靠性。其中单母线的优点是简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建。其接线图如下图所示：

单母线接线，两路电源进线

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4、短路电流计算

4.1 短路电流产生原因及危害

短路电流产生的原因：（1）设备绝缘损坏，老化、污闪、雾闪、盐碱击穿。（2）外力破坏，雷击、鸟害、动物接触、人员或植物距离太近。（3）设备机械损伤，疲劳严重、断线、倒塔、倒杆、电动力太大拉断导线。（4）运行人员误操作、带地线合隔离开关、带负荷拉隔离开关。（5）其他原因。

在供电系统中发生短路故障以后，短路电流往往要比正常负荷电流大十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备温度急剧上升，会使绝缘老化或损坏；同时产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；短路会使系统电压骤降，影响系统其它设备的正常运行；严重的短路会影响系统的稳定性；短路还会造成停电；不对称短路的短路电流会产生较强的不平衡交变磁场，对通信和电子设备等产生电磁干扰等。

4.2 短路电流的计算方法

这里采用标幺值法,既相对单位制法，因其短路计算中的有关物理量是采用标幺值(相对单位)而得名。任一物理量的标幺值A*，为该物理量的实际值A与所选定的基准值Ad的比值，即A*=A/Ad

按标幺值法进行短路计算时，一般是先选定基准容量Sd和基准电压Ud： 基准容量，工程设计中通常取Sd=100MV•A；

基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压为基准电压，即取Ud=Uc。选定了

基准容量Sd和基准电压Ud以后，基准电流Id按下式计算：

基准电流 错误！未找到引用源。 （4-1） 三相短路电流周期分量有效值 错误！未找到引用源。 （4-3）

Sd 三相短路容量的计算公式 Sk3*X'' （4-4）

本次课程设计供电系统短路计算电路图如下图所示：

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供电系统短路计算电路图

以1号变电所为例，计算过程如下： 确定基准值

取Sd=1000MV·A Ud1=10.5kV Ud2=0.4kV 而Id1Sd100MV·A5.50kA 3Ud1310.5kVSd100MV·A144.34kA 3Ud230.4kV Id2

计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

* 电力系统X1Sd100MV·A0.5 ''Sk3200MV·ASd100MV·A0.35(/km)5km1.59 22(cUn)(10.5kV) 架空线路X2xl*Uk%=4.0） 电力变压器（查相关技术手册，SCB-160/10干式变压器Dyn11联，

* X3Uk%Sd4100MV·A25 3100Sr.T10016010MV·A14

绘制短路等效电路如下图所示，图中标出了各元件的电抗标幺值，并且标出了短路计算点。

（1）K-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值X(K1)**X1*X20.51.592.09

'' 三相对称短路电流初始值IK3Id1*X(K1)5.50KA2.63KA

2.09 其它三相短路电流 Ik3Ib3Ik3 iP3''2.63KA

2.552.63KA6.71KA

Ip31.512.63KA3.97KA 三相短路容量Sk3''Sd*X(k1)100MV·A47.85MV·A

2.09

（2）K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值 X(K2)X1X2X30.51.592527.09 三相短路电流周期分量有效值

'' IK3****Id2*X(K2)144.3KA5.33KA

27.09 其它三相短路电流（取Kp=1.6） Ik3Ib3Ik3 iP32.26Ik3''''5.33KA

2.265.33KA12.05KA

''Ip31.31I k31.315.33KA6.98KA

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三相短路容量Sk3''Sd*X(k2)100MV·A3.69MV·A

27.09其余变电所短路电流计算的方法与变电所1短路电流计算的方法相同，故不在此重复列式计算，经过相同的计算，可以得到下表：

各变电所短路电流计算表

短路计算点 1号变电站 2号变电站 3号变电站 4号变电站 5号变电站 6号变电站 高压侧 低压侧 高压侧 低压侧 高压侧 低压侧 高压侧 低压侧 高压侧 低压侧 高压侧 低压侧 总电抗标么值 *X 三相短路电流/kA Ik''3 三相短路容量/MVA Ib3 2.63 5.33 2.63 Ik3 2.63 ip3 6.71 Ip3 3.97 Sk''3 2.09 27.09 2.09 12.09 2.09 12.09 2.09 10.09 2.09 12.09 2.09 10.09 2.63 5.33 2.63 47.85 3.69 47.85 8.27 47.85 8.27 47.85 9.91 47.85 8.27 47.85 9.91 5.33 12.05 6.98 2.63 6.71 3.97 11.94 11.94 11.94 26.98 15. 2.63 2.63 2.63 6.71 3.97 11.94 11.94 11.94 26.98 15. 2.63 2.63 2.63 6.71 3.97 14.31 14.31 14.31 32.34 18.75 2.63 2.63 2.63 6.71 3.97 11.94 11.94 11.94 26.98 15. 2.63 2.63 2.63 6.71 3.97 14.31 14.31 14.31 32.34 18.75 16

5、电气设备的选择与校验

5.1 电气设备选择的意义

由于工厂供电系统的安全运行对工业企业来说至关重要，特别是对于大型企业，对供电的可靠性、连续性和安全性要求很高。故选择合适的电气设备，来自动或手动地接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保护、调节和传递信息，不光满足目前设计的需要，更需要考虑到企业日后的发展，从而保证企业的效率、利润最大化。因此，选择合适的电气设备，对企业有着深远的意义。

5.2 电气设备理的论校验方法

供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。电气设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理，高压设备器件的参考校验项目见下表：

电器名称 高压断路器 高压负荷开关 高压隔离开关 高压熔断器 电流互感器 电压互感器 额定电压 √ √ √ √ √ √ 额定电流 √ √ √ √ √ — 断流能力 √ √ — √ √ — 最大开断电流应不小于安装地点它可能开断的最大电流；或者按断流容量选择 短路电流较验 动稳定 热稳定 √ √ √ — √ — √ √ √ — √ — 应不小于该回路计算电流；应不低于所选择变电所高选择条件 在线路的额压侧设备时，定电压 计算电流取变压器一次侧额定电流

按三相短按三相短路稳态短路冲击电路发热假电流和流象时间校校验 验 注：表中“√”表示必须校验；“—”表示不必较验。操作性能的要求：有频繁

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操作要求的线路或设备，配置的断路器应选择真空断路器或SF6断路器。另外还需按环境条件选择电气设备型式，环境条件如温度、湿度、海拔、污秽及有无防火、防爆要求等，据此选择设备结构类型如户内型、户外型、高原型、防污型、防爆型、封闭型等。

电气设备按在正常条件下工作进行选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电气装置所处的位置（室内或室外）、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率（一般为50Hz）等的要求；对一些断流电器如开关、熔断器等，应考虑其断流能力。

5.3 主要设备选择校验

本设计中，高压侧采用10kV的KYN 28-12(Z）型户内交流铠装移开式金属封闭开关设备。KYN28-12 型铠装移开式户内交流金属封闭开关设备（以下简称开关设备），系3.6~12kV 三相交流50Hz 单母线及单母线分段系统的成套配电装置，主要用于发电厂、中小型发电机送电、工矿企事业单位配电以及电业系统的二次变电所的受电、送电及大型高压电动机起动等。实行控制保护、监测之用，本开关设备满足IEC298、GB3906 及DL\\T404 等标准要求。具有防止带负荷推拉断路器手车、防止误分、误合断路器、防止接地开关处于闭合位置时关合断路器，防止误入带电间隔、防止在带电时误合接地开关的联锁功能，既可配用ABB 公司的VD4 断路器，又可配用国产VS1 真空断路器，实为一种性能优越的配电装置。

KYN28-12 型开关柜中使用到的电器元件有：真空断路器VD4、高压熔断器XRNT-12、电流互感器LZZBJ9-12/150b、电压互感器JDZ10、隔离开关GN30、避雷器HY5W。

下面对这些设备分别进行校验：

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（1）真空断路器VD4的选择与校验

安装地点的电气条件 项目 UN IC 数据 10kV 88.71A 2.63kA 6.71kA (2.63kA)2×1.5S=10.38kA.S 2VD4 项目 数据 12kV 630A 16kA 40kA (16kA)2×4=1024kA.S 2结论 合格 合格 合格 合格 UN IN IK ish Ib3 ip3 I2tIMA I2t 合格

（2）高压熔断器XRNT-12的选择与校验

安装地点的电气条件 项目 UN IC 数 据 10kV 88.71A 2.63kA 项目 UN IC IOCXRNT3-12高压熔断器 数 据 12kV 200A 50kA 结论 合格 合格 合格 Ib3

（3）电压互感器JDZ10的选择与校验

安装地点的电气条件 项目 UN

JDZ10-10电压互感器 项目 UN数据 10kV 数据 10kV 结论 合格 19

（4）电流互感器LZZBJ9-12/150b的选择与校验

安装地点的电气条件 项目 数 据 LZZBJ9-12/150b电流互感器 项目 UN.QF数 据 结论 合格 合格 合格 合格 合格 UN 10kV 12kV 88.71A 2.63kA 6.71kA (2.63kA)2×1.5S=10.38kA2.S IN.QF Ic Ib3 150A —— 112.5kA (45kA)2×1S=2025kA2.S IOCimax2t ip3 ItIMA

2It （5）隔离开关GN30的选择与校验

安装地点的电气条件 项目 数 据 GN30-12/630高压隔离开关 项目 数 据 结论 UN 10kV 88.71A 2.63kA 6.71kA UN.QF IN.QF 12kV 630A —— 63kA (25kA)2×4S=2500kA2.S 合格 合格 合格 合格 合格 Ic Ib3 IOCimaxIt2t ip3 I2tIMA (2.63kA)2×1.5S=10.38kA2.S

（6）低压电气设备校验

本次课程设计中，采用的是GCS系列的低压开关柜，GCS系列低压抽出式成套开关设备的额定电压380V，额定电流1250A，额定短路开断电流30KA，额定短耐受电

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流（1S）50~80KA，额定峰值耐受电流105~176KA/0.1S。本设计具有分断能力高，动热稳定性好，电气方案灵活、组合方便、系列性、实用性强、结构新颖、防护等级高等特点。

按照前面计算的短路电流，可以对低压侧电气设备进行校验,校验的结果如下表所示:

低压电气设备的校验（以1号变电所为例）

选择校验项目 电压 电流 断流能力 动稳定度 热稳定度 结论 Ic 参数 UN Ib3 安装地点的电气条件 数据 380V 6.60A 5.33kA ip3 I2tIMA — (5.33)2×1.5＝42.61kA2·S I2tIMA 合格 12.05kA 刀熔开关 参数 UN Ic Ib3 ip3 数据 380V 1000A 30kA 65kA (30)2×2＝1800kA2·S 低压断路器 参数 UN Ic Ib3 ip3 I2tIMA 合格 数据 380V 1600A 65kA 80kA (65)2×2＝8450kA2·S 低压熔断器 参数 UN Ic Ib3 ip3 I2tIMA 合格 数据 380V 1000 12kA —— —— 电流互感器 参数 UN Ic Ib3 ip3 I2tIMA 合格 数据 660V 1000A —— 80kA (40)2×1.6＝2560kA2·S

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5.4 导线和电缆的选择与校验

（1）导线和电缆的校验方法

为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行导线和电缆截面时必须满足下列条件:

1.发热条件

导线和电缆(包括母线)在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。 2.电压损耗条件

导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。

3.经济电流密度

35kV及以上的高压线路及电压在35kV以下但距离长电流大的线路，以使线路的年费用支出最小。所选截面，称为“经济截面”。此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。工厂内的10kV及以下线路，通常不按此原则选择。 4.机械强度

导线（包括裸线和绝缘导线）截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。

（2）各段导线的选择与校验 1. 10kV架空线的选择

由于本次设计中，高压侧总的计算负荷为1536.44kVA，架空线上电流为88.71A，根据相关标准，综合考虑当地的气候条件，初选导线截面为70的LJ型铝绞线，在环境温度为35摄氏度时允许载流量为233A，在环境温度为30摄氏度时允许载流量为249A，满足发热条件。70LJ型铝绞线单位长度电阻为r=0.458Ω/km，电抗为x=0.344Ω/km,导线上电压损失为：

U%

rPlxQl10Un20.4581425.3650.344573.595

101024.25522

电压损失满足要求，因此，所选架空线满足条件。 2. 10kV和0.38kV硬母线的选择

按上述方法，10kV硬母线选择TMY-3(40×4)矩形铜母线，0.38kV硬母线选择TMY-3(63×6.3)矩形铜母线。 3. 至各车间电力电缆截面选择

与选择架空进线类似，考虑到厂区装卸产品频繁，配电线路采用地下敷设，选择这些电缆线和母线均要根据发热条件进行电缆截面选择，再通过电压损失条件进行校验，综合考虑，选择YJV-0.6/1-4×150型号的交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆。

6、防雷与接地

6.1 防雷接地的理论基础

（1）雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲（代号LEMP）是一种电磁干扰源，它是在建筑物防雷装置和附近遭受直击雷击的情况下，由雷电的强大闪电流引起的静电场、电磁场和电磁辐射等所产生的效应。为了保障信息系统的防雷安全，必须对雷击电磁脉冲采取必要的防护措施，以便在建筑物内实现良好的电磁兼容性（代号EMC）。对于建筑物内的信息系统来说，屏蔽、接地和等电位连接可以控制不同防雷区雷击电磁环境，达到人为控制雷击电磁脉冲干扰程度的作用。 （2）过电压的概念

雷电过电压，由大气中的雷云对地面放电而引起的。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。雷闪击中带电的导体 ，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。

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（3）接地与接地装置

1.接地电流与对地电压

接地是指电气设备为达到安全和功能需要为目的，将其某一部分与大地之间作良好的电气连接。埋入地中并与土壤作良好接触的金属导体称为接地体或称接地极。

电气设备在发生接地故障时，电流将通过接地体以半球形向大地中散开。 在距离接地体越远的地方，半球的球面积越大，其散流电阻越小，相对于接地点处的电位就越低。

2.接地类型

功能性接地为保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的接地，又称工作接地。

保护性接地为了保证电网故障时人身和设备的安全而进行的接地。 功能性与保护性合一的接地(如屏蔽接地)

6.2 防雷接地的保护措施

防雷设备由接闪器、引下线、接地装置等组成。接闪器是专门用来接受直接雷击的金属物体。接闪器包括金属杆状的避雷针，金属线状的避雷线，金属带状或网状的避雷带、避雷网等。

防雷引下线应优先利用自然引下线，还宜利用建筑物的钢柱、消防梯、金属烟囱等作为自然引下线，但其各部分之间均应连成电气通路，引下线的数量及间距应按规范要求设置。

采用多根引下线时，宜在各引下线距地面0.3m至1.8m之间设置断接卡。当利用混凝土柱或剪力墙中的主钢筋作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，但应在适当地点设置若干连接板，以便于接地电阻的测量，以及补打人工接地体和作等电位体联结用。

避雷器的选择，必须使其伏秒特性与变压器伏秒特性合理配合，并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。避雷器应尽可能靠近变压器安装。避雷器接地线应与变压器低压侧接地中性线及金属外壳连在一起接地。

接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋，当采用共用接地装置时，其接地电阻应按各系统中最小值要求设置。若接地电阻达不到要求，应加接人工接地

24

体。

由于该工厂的自然条件为年最高气温40℃，年平均气温25℃，年最低气温-2℃, 年最热月平均最高气温33℃，年最热月平均气温26℃，年最热月地下0.8m处平均温度25℃。当地主导风向为南风，年雷暴日数52.2天。平均海拔200m，地层以砂粘土为主，地下水位为2m。因此必须设定相应得接地与防雷。本设计中有的开关柜也带有相应得防雷与接地设备（见附录）以防止线路设备损坏，保持电网和操作人员的安全，使得用户能够安全得用电。

7、小结

本次课程设计，总共历时两个星期，在这两个星期的时间里，使我受益匪浅。通过本次课程设计的开展，不仅是对刚刚所学习的《供配电工程》理论知识的一种巩固，更学会了如何将所学的理论知识运用到实际的工程中去，同时也看到了理论与实际应用之间的差别以及自身的不足和知识上的漏洞，从而明确了今后努力的方向。

总的来说，通过这次课程设计，使自己在很多方面都有了提高。由于在设计过程中要运用很多的知识，且做好设计的前提也是掌握足够多的系统理论知识，对于刚刚学完这门课程的我们来说，虽然对章节的知识比较熟悉，但在整体上对这门课的认识还有所欠缺，所以每天都必须复习学过的知识，并且将各章节串联起来，努力将知识系统化，从而在宏观上对这门课程有了新的认识，这就是这次课程设计的关键。如本设计中，所涉及到的计算都是最基础，也是实际工程中必须用到的，所以在设计过程中，实现了对知识系统化能力的培养，也为今后从事相关的工作打下了很好的理论基础。

同时，本次设计包含了大量的计算和绘图，因此要求要很好的计算和绘图能力。通过本次的课程设计，不仅使自己的一次计算准确度有了进步，更学会了当面对需要大量重复计算的数据时，如何去更快的处理；绘图方面，不仅对auto CAD软件有了更深刻的了解与认识，认清了auto CAD软件在实际工程应用中的地位，也使自己对auto CAD软件的掌握程度更加的熟练。

总之，本次课程设计虽然只有短暂的两周时间，但它却让我学到了很多。同时也让我意识到学习的重要性以及今后学习的紧迫性，更坚定了我今后学习的积极性，进一步的明确了今后奋斗的目标。

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参考文献

【1】 翁双安. 供电工程.北京：机械工业出版社，2004

【2】 莫岳平，翁双安. 供配电工程. 北京：机械工业出版社，2011 【3】 刘介才. 工厂供电（第四版）. 北京：机械工业出版社，2005

【4】 周瀛，李鸿儒. 工业企业供电（第二版）. 北京：冶金工业出版社，2002 【5】 刘笙. 电气工程基础：上、下册（第二版）. 北京：科学出版社，2008

【6】 刘建，倪健立，邓永辉主编著.配电自动化系统(第二版).北京：中国水力电力出版

社，2003

【7】 余健明.供电技术（第三版）.北京：机械工业出版社，2001 【8】 刘涤尘.电气工程基础.武汉.武汉理工大学出版社，2002 【9】 焦留成主编.供电设计手册.北京：中国计划出版社，1999 【10】 部分参照..www.wenku.baidu.com

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附录一 10kV变电所变压器一次侧电气主接线方案

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附录二 10kV变电所变压器二次侧电气主接线方案

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（以1号车间变电所为例）

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答辩记录：

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成 绩 评 定

评定项目 评 语 成绩 设计过程 设计报告 答 辩 总 分 折算等级 指导教师 签 字

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年 月 日