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某电机修造厂总降压变电所及其高压配电系统设计.doc

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电机 修造厂 降压 变电所 及其 高压 配电 系统 设计
资源描述:
#*摘要 电力行业作为国家经济的命脉之一,无论在工农业建设还是普通民用都扮演着中流砥柱的作用,为社会主义现代建设奠定了坚实的基础。宏观意义电力行业需要通过客观缜密的工厂供配电系统设计体现,这是本设计的价值所在。本设计内容针对郑州某电机修造厂的供配电设计,据任务书要求,通过查阅相关资料文献,运用大学阶段学习成果,通过具体讨论工厂配电系统方案设计的原理,进行总体设计和详细分析说明,包括:负荷计算和无功功率补偿、变电所位置和型式的选择、变电所主变压器台数和容量、类型的选择、变电所主接线方案、短路电流的计算、变电所一次设备的选择与校验、变电所出线的选择、变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定、防雷保护与接地装置。以科学严谨的方法完成本设计的内容,达到设计任务书的要求,将电力行业中的单元组成——工厂供配电系统设计反应出来。关键词: 负荷计算 短路电流计算 主接线方案 继电保护整定 防雷和接地#*ABSTRACTPower industry as the lifeblood of the national economy, both in industrial and agricultural construction or ordinary civilian plays a pillar of strength for the socialist modernization construction has laid a solid foundation. Macro sense the power industry needs through objective careful plant design reflects the supply and distribution system, which is the design value. The design content for a motor built factory in Zhengzhou for the distribution design, according to the mission statement requirements, access to relevant information through literature, the use of university level learning outcomes, through specific discussion of plant distribution system design principles, design and carry out a detailed analysis of the overall Description, including: load calculation and reactive power compensation, substation location and type selection, and the number of main transformer substation capacity, type of selection, substation main Wiring, short-circuit current calculations, a substation equipment selection and validation, substation outlet choice, substation secondary circuit program selection and tuning protection, lightning protection and grounding devices. Rigorous scientific method to complete the content of this design, to meet the design requirements of the mission statement, the electric power industry in the units - factories reflected supply and distribution system design.Keywords:Load calculations, short circuit current calculation, Main Wiring, relay setting, lightning protection and grounding目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1工厂供电的目的意义11.2本次设计的任务要求21.3设计资料21.4工厂平面图32负荷计算和无功功率补偿42.1负荷计算42.1.1负荷计算概述42.1.2按需要系数法确定计算负荷42.1.3多组用电设备计算负荷的确定52.1.4工厂各车间负荷计算表62.1.5全厂负荷计算62.2无功功率的补偿73变电所参数的确定103.1总降压变电所位置的选择103.2总降压变电所型式的选择123.3总降压变电所主变压器台数的选择123.4总降压变电所主变压器容量的选择123.5总降压变电所主变压器的选择134变电所主接线方案的设计144.1变电所主接线方案的设计原则与一般要求144.2变电所主接线的接线方式144.3变电所主接线图155短路电流的计算165.1短路电流计算方法165.2短路电流计算过程175.2.1最大运行方式175.2.2系统最小运行方式195.2.3三相短路电流统计表196总降压变电所一次设备的选择与校验206.1一次设备选择与校验的条件与项目206.1.1按正常工作条件选择206.1.2按短路条件校验206.2 35kV侧一次设备选择与校验216.3 10kV侧一次设备选择与校验226.4 高压开关柜的选择236.5 母线的选择237变电所进出线的选择与校验247.1进出线方式的选择247.2进出线的选择与校验条件247.2.1按发热条件选择导线和电缆的截面247.2.2按经济电流密度选择导线和电缆的截面257.2.3电压损耗的计算257.3变电所35kV侧进线的选择257.4变电所出线的选择267.5备用电源线的选择277.6车间馈线的选择277.7进出线选择结果288变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定298.1高压断路器的操动机构控制与信号回路298.2电能计量回路298.3测量和绝缘监察回路298.4继电保护概述298.4.1对继电保护装置的基本要求298.4.2继电保护的灵敏系数308.5电力变压器的继电保护308.5.1电力变压器保护装置的配置要求308.5.2变压器过电流保护的整定计算308.5.3变压器电流速断保护的整定计算318.5.4变电所的保护装置318.6电力线路的继电保护328.6.1概述328.6.2电力线路的保护339变电所防雷接地保护与接地装置的设计369.1变电所和线路的防雷保护369.1.1防雷设备369.1.2电力线路的防雷措施369.1.3总降压变电所的防雷措施369.2接地装置的设计3610结论38参考文献39致谢40附录一41附录二42#*1 绪论1.1工厂供电的目的意义 众所周知,电力工业是国民经济建设的重要部门,也是国民经济建设的基础,它为工业、商业、农业、交通运输业及社会生活提供能源。随着工农业生产机械化、自动化水平的快速发展,对电能的需求量越来越大,对供电的可靠性、经济性、灵活性及电能质量的要求也越来越高[1]。虽然电能消耗在工业生产中的产品成本中占的比重在5%左右,供电设备在工业生产的总投资中也占5%左右。但是工厂供电却能提高劳动生产率、提高产品质量、降低生产成本、减轻工人劳动强度等,有利于实现生产过程自动化。不过也同样存在巨大的风险,当工厂供电中断,即使是短时间的中断都将有可能引起重大人身事故、机械设备损坏、产生大量的报废品等严重后果,给人民、工厂、国家带来经济、环境的重大损失。因此,做好工厂供电对于发展工业生产,实现工业现代化,减少事故伤害都有着重要的意义。此外,在工厂供电的过程中,还要处理好局部和全局,当前与长远等关系,既要照顾当前利益,又要有全局观点,能顾全大局,适应发展[2]。为了使工厂供电工作更好地为生产服务,切实保证工厂生产和群众生活用电的需要并节约能源,当电能从电网引入到工厂时就应满足供电的基本要求。在工厂供电的基本要求中,安全性指在工厂供电的过程中,不应发生人身事故和设备事故等重大损失。可靠性指连续供电的要求,负荷等级的不同对供电可靠性的要求也不同,衡量供电可靠性的指标一般以全部平均供电时间占全年时间的百分数来表示。安全性、可靠性也是对电力系统的基本要求,但是,绝对的安全性、可靠性是不存在的,当电力系统发生故障时,应能借助保护装置把故障隔离,使事故停止扩大并尽快恢复供电。衡量电能质量的标准是电压和频率,要保证供电的优质性,供电的电压和频率都必须满足要求,在配电时需要知道线路、变电所的电压损耗,通过计算实现电气设备端电压为额定电压,同时电力系统应对配电的频率给予保证。经济性指的是供电系统的投资少,运行费用低,并尽可能的节约电能和减少有色金属的消耗量,能源不但是国民经济的物质基础,同时也是国民经济发展的重要因素,降低能源消耗、提高有效利用程度是一项重大政策,电能是高价的二次能源,它从一次能源的利用程度只有30%,因此节约电能是节约能源的重要方面,工业用电占电能消耗的70%以上,所以工厂的电能节约有特别重要的意义,节约电能需满足技术上可行、经济上合理和对环境保护无妨碍[3]。本次设计是为电机修造厂设计一个总降压变电所及高压配电系统,在设计时不仅要满足工厂生产工艺的具体要求,保证安全可靠的提供电能,同时要力求合理,投资少,运行费用低。在满足这些要求后也要做到对环境无妨碍,对有色金属的消耗量小的原则。1.2本次设计的任务要求郑州某电机修造厂总降压变电所及高压配电系统设计,是根据各个车间的负荷数量和性质,生产工艺对负荷的要求,以及负荷布局,结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠,经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面:1)负荷计算和无功功率补偿2)变电所位置和型式的选择3)变电所主变压器台数和容量、类型的选择4)变电所主接线方案的设计5)短路电流的计算6)变电所一次设备的选择与校验7)变电所出线的选择与继电保护的整定8)变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定9)防雷保护与接地装置的设计1.3设计资料 1.工厂生产任务、规模及产品规格本厂承担某大型钢铁联合企业各附属厂的电机、变压器修理和制造任务。年生产规模为修理电机7500台,总容量为45万KW;制造电机总容量为6万KW,制造单机最大容量为5520KW;修理变压器500台;生产电气备件为60万件。是大型钢铁联合企业重要组成部分。 2.供用电协议 1)当地供电部门可提供两个供电电源,供设计部门选定:(1)从某220/35kV区域变电所提供电源,此站距厂南侧4.5公里。(2)为满足二级负荷的需求,从某35/10kV变电所,提供10kV备用电源,此所距厂南侧4公里。 2) 电力系统短路数据,如表1-1所示。其供电系统图,如图1.1所示。表1.1区域变电站35kV母线短路数据系统运行方式系统短路数据系统运行方式系统短路数据系统最大运行方式=600MVA系统最小运行方式=280MVA 3)供电部门对工厂提出的技术要求:(1)区域变电所60kV馈电线的过电流保护整定时间=1.8s,要求工厂总降压变电所的过电流保护整定时间不大于1.3s。(2)在企业总降压变电所35kV侧进行电能计量。(3)该厂的总平均功率因数值应在0.9以上。图1.1 供电系统图 4)供电贴费为700元/kVA。每月费用按两部电费制:基本电费为18元/kVA,动力电费为0.4元/kVA,照明电费为0.5元/kVA。 3. 工厂负荷性质 本厂大部分车间为一班制,少数车间为两班或三班制,年最大有功负荷利用小时数为2300h。锅炉房供生产用高压蒸汽,停电会使锅炉发生危险。又由于该厂距离市区较远,消防用水需厂方自备。因此,要求供电具有一定的可靠性。 4.郑州气象资料 年最高气温43℃,年平均气温14.3℃,年最低气温-17.9℃,年最热月平均气温32℃,年最热月地下0.8m处平均温度24.4℃,常年主导风向为东南风和西北风,年雷暴日数22天,平均海拔110.4m,底层以砂粘土为主,地下水位3到5m。1.4工厂平面图#*2 负荷计算和无功功率补偿2.1负荷计算2.1.1负荷计算概述计算负荷指通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆,如果以计算负荷连续运行,其发热温度不会超过允许值。计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理,直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理,因此,正确确定计算负荷非常重要。但是,负荷情况复杂,影响计算负荷的因素很多,虽然各类负荷的变化有一定的规律可循,但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上,负荷也不是一成不变的,它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源的状况等多种因素有关。因此负荷计算只能力求接近实际。目前普遍采用确定用电设备计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。现在国际上普遍采用需要系数法确定计算负荷,二项式法在确定设备台数较少且各台设备容量差别大的分支干线计算负荷时比较合理[4]。2.1.2按需要系数法确定计算负荷1)有功计算负荷(kW) (2-1)式中,Pe为用电设备组的设备容量,为设备的需要系数。2)无功计算负荷(kvar) (2-2)式中,为对应用电设备组的正切值。3)视在计算负荷(kV·A) (2-3)式中,为用电设备的平均功率因素。4)计算电流(A) (2-4)式中,为用电设备组的额定电压(kV)。2.1.3多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时,应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时,应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数和。对车间干线,取 对低压母线,分两种情况:1) 由用电设备组计算负荷直接相加来计算时,取2)由车间干线计算负荷直接相加来计算时,取 总的有功计算负荷为 (2-5)总的无功计算负荷为 (2-6)以上两式中的和分别为各组用电设备的有功和无功计算负荷之和。总的视在计算负荷为 (2-7)总的计算电流为 (2-8)2.1.4工厂各车间负荷计算表表2.1 工厂各车间负荷计算表序号车间名称设备容量(kW)计算负荷变压器台数及容量车间变电所代号P30(kW)Q30(kvar)S30(kV·A)1电机修造车间25056095007881×1000No.1车变2机械加工车间8861632583051×400No.2车变3新品试制车间6342223364031×500No.3车变4原料车间5143101833601×400No.4车变5备件车间5621991582541×315No.5车变6锻造车间1053658681×100No.6车变7锅炉房2691971722621×315No.7车变8空压站3221811592411×315No.8车变9汽车库533027401×80No.9车变10大线圈车间3351871182211×250No.10车变11半成品试验站3652874641×500No.11车变12成品试验站22906404808001×1000No.12车变13加压站(10kV转供负荷)2561631392141×25014设备处仓库(10kV转供负荷)3382884441×50015成品试验站内大型集中负荷3600288023003686主要为高压整流装置,要求专线供电。2.1.5全厂负荷计算由于此处按逐级计算法计算全厂负荷,则应该是高压母线上所有高压配电线路计算负荷之和,再乘上一个同时系数。高压配电线路的计算负荷,应该是该线路所供车间变电所低压侧的计算负荷,加上变压器功率损耗△PT和高压配电线路的功率损耗△PWL,……如此逐级计算即可求得供电系统所有元件的计算负荷。但对于一般工厂来说,由于高低压配电线路一般不是很长,其损耗较小,因此在确定其计算负荷时往往不计线路损耗[2]。变压器的功率损耗可简化公式近似计算:有功损耗 (2-9)无功损耗 (2-10)以上二式中为变压器二次侧的视在计算负荷。由于加压站、设备处仓库、成品试验站内大型集中负荷都是高压设备,因此没有车间变电所,所以并无变电所损耗。在表2-1中可计算得知380V侧总的视在计算负荷为则车间变电所有功损耗: 车间变电所无功损耗: 取,,由表2-1可计算得知,,。因此总的计算负荷为 2.2无功功率的补偿工厂中由于有大量的异步电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负荷,还有感性的电力变压器,从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下,尚达不到规定的工厂功率因数要求时,则需考虑增设无功功率补偿装置。电力系统中无功补偿常用同步调相机、并联电容器和并联电抗器3种方式。同步调相机是电力系统中最早使用补偿装置的典型代表,并联电容器是应用最广泛的无功补偿装置。目前国内外大多数工厂就采用并联电容器的方式进行无功补偿。依照电力电容器在工厂供电系统中安装地点的不同又可以分为高压集中补偿、低压集中补偿和低压分散补偿3 种方式[5]。由于本次设计中的车间变电所较多,所以本次设计在总降压变电所的10kV侧进行无功功率补偿。在10kV侧进行无功功率补偿后,可使得10kV侧的总的视在计算负荷减小,使得总降压变电所主变压器的容量减小,不仅可以减小变电所的初投资,同时也可以减小工厂的电费开支。补偿容量可按下式确定: (2-11) (2-12)式中,为补偿前自然平均功率因数对应的正切值;为补偿后自然平均功率因数对应的正切值;为补偿率;为设计时求得的平均负荷,单位为;为单个电容器的容量,单位为;为并联电容器的个数。在本次设计中,总降压变电所10kV侧的功率因数为按规定,该厂的总平均功率因数值应在0.9以上,考虑到总降压变电所变压器本身的无功功率损耗远大于其有功功率损耗,一般,因此在变压器10kV侧进行无功功率补偿时,10kV侧补偿后的功率因数应略高于0.9,这里取。要使10kV侧功率因数由0.739提高到0.92,10kV侧需装设的并联电容器容量为取 补偿后的变电所10kV侧的视在计算负荷为主变压器的功率损耗为 变电所高压侧的计算负荷为补偿后工厂的功率因数为这一功率因数满足要求。通过查表可选择补偿电容器的型号为BWF10.5-100-1,额定容量为100kvar,则通过2-12公式可知所需并联电容器的个数为 无功补偿前后的计算负荷如表2.2所示。表2.2 无功补偿前后的计算负荷项目计算负荷10kV侧补偿前负荷0.7395905.865389.647995.46461.6310kV侧无功补偿容量-300010kV侧补偿后容量0.9275905.862389.646371367.84主变压器功率损耗63.7318.6总降压变电所35kV侧负荷总计0.9175969.62708.26555.2108.14#*3 变电所参数的确定3.1总降压变电所位置的选择变电所位置的选择,应根据下列要求同时进行经技术经济分析比较后确定:1)尽量接近负荷中心;2)进出线方便;3)接近电源侧;4)设备运输方便;5)不应设在有剧烈振动或高温的场所,无法避开时,应有防震和隔热的措施;6)不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所,无法远离时,不应设在污染源的下风侧;7)不应设在浴室、厕所等经常积水场所的下方,且不宜与上述场所相邻;8)不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方,同时不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方;9)不应设在地势低洼和可能积水的地方。在满足了技术经济比较后,同时需要满足总体布置要求:1.便于运行维修和检修。2.保证安全运行。3.便于进出线。4.节约土地和建筑费用。5.适应发展要求。在选择负荷中心的确定方法时,本设计选择利用功率矩法确定负荷中心。在工厂平面图的下边和左侧,任作一直角坐标x轴和y轴,测出各车间负荷区的坐标位置,例如,、,、,等。而工厂的负荷中心设在,,P为。因此仿照《力学》中计算重心的力矩方程,可得负荷中心的坐标: (3-1) (3-2)通过该电机修造厂总平面图可以测得每个车间负荷区的坐标位置:No.1车变: ,=(16.4,8.2);No.2车变: ,=(14.1,5.1);No.3车变: ,=(9.3,5.0);No.4车变: ,=(12.2,4.8);No.5车变: ,=(11.1,9.3);No.6车变: ,=(13.6,12.5);No.7车变: ,=(9.8,7.0);No.8车变: ,=(9.8,9.2);No.9车变: ,=(7.2,4.9);No.10车变: ,=(14.6,7.8);No.11车变: ,=(16.4,4.8);No.12车变: ,=(16.4,10.5);加压站: ,=(16.4,10.5);设备处仓库: ,=(16.4,10.5);成品试验站内大型集中负荷:,=(16.4,10.5);坐标图如图2.1所示。图2.1 工厂车间坐标图将以上数据带入公式3-1和3-2可得 所以全厂的负荷中心为,=(15.25,11.71)。由计算可知,工厂的负荷中心在成品试验房的东侧,该负荷中心位于水塔、水池等积水中心的正南侧,由于郑州常年主导风向是东南风和西北风,因此负荷中心满足不在这些积水场所的正下方。该负荷中心同时是处于该厂的南侧,而该工厂是在距厂南侧4.5公里的区域变电所提供电源,满足了进线方便的原则。同时,该负荷中心基本满足变电所所址选择的一般原则。因此,将总降压变电所位置设于成品试验站的东南侧。3.2总降压变电所型式的选择 35/10kV变电所分屋内式和屋外式,屋内式运行维护方便,占地面积少。在选择35kV总降压变电所型式时,应考虑设在地区的地理情况和环境条件,因地制宜;技术经济合理时,应优先选用占地面积少的型式。35kV变电所宜用屋内式。在负荷较大时,应该采用附设式或半露天式变电所。而在半露天式的变电所不宜设在有可燃粉尘、可燃纤维的场所,容易沉积灰尘或导电尘埃,且严重影响变压器安全运行的场所。独立式变电所中,不受车间生产影响,不占车间生产面积,但是建筑费用高,该型式主要应用于总降压变电所、高压配电所及各车间负荷小而分散,或需远离有易燃易爆危险及有腐蚀性车间。该负荷中心的周围是材料房,属于易燃易爆类,因此采用屋内式。同时,在本次设计中采用独立式变电所[6]。3.3总降压变电所主变压器台数的选择总降压变电所主变压器的台数应根据负荷特点和经济运行要求进行选择。当符合下列条件之一时,宜装设两台及以上变压器:1) 有大量一级和二级负荷。2) 季节性负荷变化较大,适于采用经济运行方式。3) 集中负荷较大,例如大于1250kV·A。其他情况宜装设一台变压器[2]。在本工厂中,锅炉房供生产用高压蒸汽,停电会使锅炉发生危险。又由于该厂距离市区较远,消防用水需厂房自备。因此,要求供电具有一定的可靠性,故锅炉房属于一级负荷。在另外的车间中,大多数都属于三级负荷。同时负荷昼夜变化较大,因此在选择主变压器台数时选择为两台。3.4总降压变电所主变压器容量的选择 在3.3中已经知道,主变压器的台数选择为两台,而选择变电所装有两台主变压器的容量时,每台变压器的容量SN·T 应满足以下两个条件:1) 任一台变压器单独运行时,宜满足总计算负荷S30的大约60%~70%的需要,即 (3-3)2)任一台变压器单独运行时,应满足全部一、二级负荷的需要,即 (3-4)同时,对于总降压变电所的选择需要适当考虑以后电力负荷的增长,留有一定的余地。由式3-3、3-4可知 当选择单台变压器的容量为5000kV·A时,满足式3-4。这里的容量是在一定温度(20℃)下的持续最大输出容量。如果安装地点的年平均气温不是20℃时,则年平均气温每升高1℃,变压器容量相应的减小1%,而在室内运行时,在该基础上还要减小8%。因此室内电力变压器的实际容量为 (3-5) 郑州的年平均气温为14.3℃。因此锁选择变压器的实际容量为 该实际容量满足要求。3.5总降压变电所主变压器的选择主变压器的型式可分为一下几类:1) 油浸式,一般正常的变电所。2) 干式,用于防火要求较高或环境潮湿、多尘的场所。3) 密闭式,用于具有化学腐蚀性气体、蒸汽或具有导电、可燃粉尘、纤维会严重影响变压器安全运行的场所。4) 防雷式,用于多雷区及土壤电阻率较高的山区。5) 有载调压室,用于电力系统供电电压偏低或电压波动严重且用电设备对电压质量又要求较高的场所。 综合比较可选择该变压器型式为油浸式。 主变压器的联结组别通常有Yyn0、Dyn11、Yd11三种类型。Yyn0、Dyn11的联结组别的主要适用于10KV系统。Yd11的联结组别主要适用于35kV配电系统。因此,在本次设计中选用Yd11的联结组别。总降压变电所的变压器的选择可选S9-5000/35型变压器,联结组别是Yd11。#*4 变电所主接线方案的设计4.1变电所主接线方案的设计原则与一般要求在35kV变电所主接线设计应根据负荷性质、负荷容量大小、电源条件、变压器容量及台数、设备特点以及进出线回路数等综合分析来确定。主接线应力求简单、操作方便、设备少并便于维修,节约投资和便于扩建等要求,同时主接线方案还应满足安全、可靠、灵活、经济的基本要求。4.2变电所主接线的接线方式 在本次设计中,采用的是两台变压器,装有两台主变压器的总降压变电所主接线有以下几种情况:1.一次侧采用内桥式接线、二次侧采用单母线分段。这种接线方式多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变压器不需要经常切换的总降压变电所。2.一次侧采用外桥式接线、二次侧采用单母线分段。这种接线方式适用于电源线路较短而变电所昼夜负荷变动较大、宜于经济运行需经常切换变压器的总降压变电所。3.一、二次侧均采用单母线分段。这种方式兼有内桥和外桥接线运行灵活性的优点,但采用的高压开关设备较多,可供一、二级负荷,适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。4.一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主接线。供电可靠性和运行灵活性大大提高,但开关设备也相应大大增加,从而大大增加了初投资,该主接线方式很少应用于工厂变电所中[2]。在本次设计中,大部分车间为一班制,少数车间为两班或三班制,因此变电所昼夜负荷变动较大,为了满足经济运行,两台变压器应该经常切换,故最佳的选择方案是采用一次侧为外桥式接线、二次侧为单母线分段的接线方式。但是,在本次设计中只有一条电源进线,因此,本次设计采用35KV侧单母线,10KV侧采用单母线分段的接线方式。4.3变电所主接线图#*5 短路电流的计算5.1短路电流计算方法短路电流计算的方法,常用的有欧姆法和标幺制法。短路电路中各主要元件的电抗标幺值求出以后,即可利用其等效电路图进行电路化简,求出其总的电抗标幺值。由于各元件均采用相对值,与短路计算点的电压无关,因此电抗标幺值无需进行电压换算,而在欧姆法中需要进行换算,这也是标幺制法较之欧姆法的优越之处。因此在本次设计中采用标幺制法计算短路电流。标幺制法进行短路电流计算时,一般先选定基准容量和基准电压。基准容量,工程设计中通常取基准电压,通常取元件所在处的短路计算电压,即取。选定了基准容量和基准电压以后,基准电流则按下式计算: (5-1)基准电抗则按下式计算: (5-2)电力系统的电抗标幺值: (5-3)电力变压器的电抗标幺值: (5-4)电力线路的电抗标幺值: (5-5)无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值按下式计算: (5-6)三相短路容量的计算公式为: (5-7)5.2短路电流计算过程供电系统的短路计算电路如图5.1所示。图5.1 短路电流计算电路由于该工厂昼夜负荷变化较大,因此在负荷小时需要单台变压器运行,而在负荷大时需要两台变压器同时运行,所以在计算短路电流时需要考虑两台变压器的并列与不并列运行。5.2.1最大运行方式 系统的最大运行方式指电路的阻抗最小,在两台变压器并列运行时阻抗最小。()(1)确定基准值取而 (2) 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 1)电力系统电抗标幺值 2)架空线路电抗标幺值通过查表可得,,因此 3)电力变压器的电抗标幺值通过查表可知,因此 短路等效电路如图5.2所示。 图5.2 短路等效电路图(3)计算k-1点的短路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值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(4)计算k-2点的短路电路电抗标幺值及三相短路电流和短路容量1)总电抗标幺值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5.2.2系统最小运行方式 计算方法同最大运行方式。5.2.3三相短路电流统计表运行方式短路点三相短路电流/kA三相短路容量/MVA最大运行方式k-15.25.25.213.267.85333.3k-25.505.505.5010.126.0100最小运行方式k-13.183.183.188.114.8204.8k-22.912.912.915.353.1752.91#*6 总降压变电所一次设备的选择与校验6.1一次设备选择与校验的条件与项目为了保证一次设备安全可靠地运行,则须按下列条件选择与校验:1) 按正常工作条件,包括电压、电流、频率、开关电流等。2)按短路条件,包括动稳定和热稳定来校验。3)考虑电气设备运行的环境条件如温度、湿度、海拔以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。4)按各类设备的不同特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确级等进行选择[7]。6.1.1按正常工作条件选择1.按工作电压选择 设备的额定电压不能小于所在线路的额定电压,即 (6-1)2.按工作电流选择 设备的额定电流不能小于所在线路的计算电流,即 (6-2)3.按断流能力选择 设备的额定开断电流或断流容量不能小于设备分断瞬间的短路电流有效值或短路容量,即 (6-3)或 (6-4)6.1.2按短路条件校验短路条件校验,就是校验电器和导体在短路时的动稳定和热稳定。1. 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验(1) 动稳定校验条件 (6-5)或 (6-6)式中、为开关的极限通过电流(动稳定电流)峰值和有效值(单位为kA);、为开关所在处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值(单位为kA)。(2)热稳定校验条件 (6-7)式中,是开关热稳定电流有效值(单位为kA); t是开关热稳定试验时间(单位为s);是开关所在处的三相短路稳态电流(单位为kA);是短路发热假想时间(单位为s)。短路发热假想时间一般按下式计算: (6-8) 式中为短路持续时间,采用该电路主动保护动作时间加对应的断路器全分闸时间。当时,取。 (6-9)2. 电流互感器的短路稳定度校验(1)动稳定校验条件 (6-10)式中,为电流互感器的动稳定电流(单位为kA)。(2)热稳定校验条件 (6-11)式中为电流互感器的热稳定电流(单位为kA)。3.母线的短路稳定度校验热稳定校验条件 (6-12)式中,为母线截面积(单位);为满足短路热稳定条件的最小截面积(单位);为母线材料的热稳定系数();为母线通过的三相短路稳态电流(单位为)[7]。6.2 35kV侧一次设备选择与校验(1) 断路器的选择与校验高压断路器有高压少油断路器、高压真空断路器和高压六氟化硫断路器,本次设计采用真空断路器,因为该断路器具有体积小、动作快、寿命长、安全可靠和便于维修等优点。通过查表,初选高压断路器为ZN12-35。通过下表进行校验。选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其他装置地点条件参数数据35kV108.14A5.2kA13.26kA额定参数ZN12-35351250A31.5kA63kA根据校验条件比较得,该断路器满足要求。其他一次设备选择校验同理可得。选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其他装置地点条件参数数据35kV108.14A5.2kA13.26 kA一次设备型号规格额定参数真空断路器ZN12-3535kV1250A31.5kA63kA高压隔离开关GN19-35、35XT35kV630A-50kA高压熔断器RN3-3535kV7.5A---电压互感器JDJ -3535/0.1kV----电压互感器JDZJ-35// kV----电流互感器LZZB9-35C35kV200A-75kA避雷器FS4-3535kV----6.3 10kV侧一次设备选择与校验10kV侧一次设备的选择方法与35kV侧一次设备的选择相同。选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其他装置地点条件参数数据10kV367.84A5.50kA10.12 kA一次设备型号规格额定参数真空断路器ZN4-10/125010kV1250A20kA50-隔离开关GN24-10D10kV1250A-100-电流互感器LMZJ1-1010kV1500/5A----电流互感器LQJ-1010kV100/5A-31.8kA-刀开关HD13-40010KV400A----6.4 高压开关柜的选择开关柜编号开关柜名称开关柜型号No.101电能计量柜GG-1A-JNo.102避雷器及电压互感器GG-1A(F)-54No.1031号进线开关柜GG-1A(F)-03No.1042号进线开关柜GG-1A(F)-03No.105避雷器及电压互感器GG-1A(F)-54No.201出线柜PGL2-05ANo.202出线柜PGL2-05ANo.203备用电源进线柜PGL2-05A6.5 母线的选择 10kV母线初选LMY-3(505),即母线尺寸为50mm5mm。 当选择母线为平放方式时,LMY-3(505)的允许载流量在25℃时为661A,郑州的环境温度为32℃,查表可得该温度校正系数为0.94,因此该母线的实际允许载流量为,因此满足要求。热稳定校验: 该母线的截面为250,因此满足热稳定条件。综上所述,母线选择为LMY-3(505)满足要求。同理,35KV侧的母线选择为LMY-3(808)。#*7 变电所进出线的选择与校验7.1进出线方式的选择进出线的方式有架空线和电缆两种方式,架空线主要用于供电可靠性要求不很高或投资较少的中小型工厂供电设计中优先选用,电缆主要用于供电可靠性要求较高或投资较高的各类工厂供电设计中优先选用[7]。在本次设计中,锅炉房的供电要求较高,由于该工厂有备用电源,因此在选择进线时采用架空线,出线至母线时采用架空线的方式,备用电源线路也采用架空线路的方式,母线至车间变电所采用电缆的方式。7.2进出线的选择与校验条件为保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行,选择电缆和导线的截面时必须满足以下四个条件:(1) 发热条件,电缆或导线在通过正常最大负荷电流(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,电缆或导线在通过最大负荷电流(计算电流)时产生的电压损耗,不应该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,可不校验电压损耗。(3) 经济电流密度,35kV及以上的线路及35kV以下的长距离、大电流线路例如较长的电源进线和电弧炉的短网等线路,其导线和电缆截面应按经济电流密度选择,以使线路的年运行费用支出最小。(4) 机械强度,导线截面不宜小于其最小允许截面,对于电缆,不必校验其机械强度,但需要校验其短路热稳定度。根据设计的经验,一般10kV及以下的高压线路和低压动力线路,通常先按发热条件来选择导线和电缆截面,再校验其电压损耗和机械强度。对于35kV及以上的高压线路,则先按经济电流密度确定经济截面,再校验其他条件[2]。7.2.1按发热条件选择导线和电缆的截面 三相系统相线截面的选择导线的正常发热温度一般不得超过额定负荷时的最高允许温度。按发热条件选择三相系统的相线截面时,应使其允许载流量不小于通过相线的计算电流,即 (7-1)导线的允许载流量,就是在规定的环境温度下,导线能够连续承受而不致使其稳定温度超过允许值的最大电流。如果导线敷设地点环境温度与导线允许载流量所采用的环境温度不同时,则导线的允许载流量应乘以以下温度校正系数。 (7-2)式中,为导线额定负荷时的最高允许温度,为导线的允许载流量所采用的环境温度,为导线敷设地点实际环境温度[2]。在选择时需要注意其环境温度,环境温度选择为当地最热月平均气温,在室内时为最热月平均气温加5℃。7.2.2按经济电流密度选择导线和电缆的截面按经济电流密度计算经济截面的公式为 (7-7)式中,为线路的计算电流。按上式计算出后,应选择最接近的标准截面(可取较小的标准截面),然后校验其他条件。7.2.3电压损耗的计算由于线路存在着阻抗,所以线路通过负荷电流时要产生电压损耗。一般线路允许的电压损耗为5%(对线路额定电压)。如果线路的电压损耗超过了允许值,则应适当加大导线的截面,使得满足允许电压损耗的要求。 如果用负荷功率p、q来计算,则电压损耗的计算公式为 (7-8)式中,p为有功功率,q为无功功率,R为线路阻抗,X为线路电抗,为线路的额定电压。线路电压损耗的百分值为 (7-9)7.3变电所35kV侧进线的选择 35kV及以上电压等级的导线或截面的选择一般是按经济电流密度进行选择,然后再校验发热条件和电压损耗。查负荷计算表可知,35kV侧的计算电流为。该工厂年最大有功负荷利用小时数为2300h,导线材质选择铝,由《工厂供电》中表5-4可查得经济电流密度。由式7-7可计算出导线的经济截面为因此初选截面为70的LJ型铝绞线导线为35kV侧的进线。下面进行校验:1) 校验发热条件在《工厂供电》附录表16中可知,LJ-70的允许载流量(郑州最热月平均温度为32℃)在35℃时为233A。由于导线敷设地点环境温度与导线允许载流量所采用的环境温度不同,因此温度校正系数由式7-2可知 因此,因此满足发热条件。2) 校验机械强度查附录表14得35kV架空铝绞线的最小截面,因次所选的导线满足要求。3) 校验电压损耗该工厂35kV侧的计算负荷,。查附录表6可知,LJ-70的每相阻抗为,查表3-1可知单位长度电抗为,因此总的阻抗、电抗为 电压损耗由式7-7可计算 线路的电压损耗百分值为 因此所选LJ-70型铝绞线满足电压损耗要求。综上所述,35kV侧所选的LJ-70型铝绞线满足要求。7.4变电所出线的选择10kV侧出线采用的是架空线的方式,选择、校验方法同7.3中35kV进线的选择与校验,只是该线路比较短,则不需要进行电压损耗的校验。因此选择LJ-150型铝绞线。7.5备用电源线的选择备用电源线是架空线的方式,选择、校验方法同7.3中35kV进线的选择与校验。因此选择LJ-150型铝绞线。7.6车间馈线的选择1) 母线至电机修造车间变电所电缆线的选择电机修造车间变电所10kV侧计算电流为根据发热条件选择电缆线则需要满足,郑州的年最热月地面下0.8m处土壤平均温度为24.4℃。因此可查表选择电缆线为YJLQ33-10000-3120的交联聚乙烯绝缘电力电缆,由于截面大于了16,所以中性线及保护线的截面可以选择为70,因此初步选择电缆线为YJLQ33-10000-3120+170的四芯交联聚乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。热稳定度校验:热稳定度校验满足要求,由于工厂内线路较短,因此可不进行电压损耗校验。综上所述,该电缆线满足要求。2) 根据所选电机修造车间电缆的方法,可依次选择其他车间的电缆线,结果如表7.1所示。7.7进出线选择结果表7.1 全厂进出线型号线路名称架空线或电缆的型号规格35kV电源进线LJ-70型铝绞线(架空)10kV变电所出线LJ-150型铝绞线(架空)备用电源线LJ-150型铝绞线(架空)母线至车间变电所电缆电机修造车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆机械加工车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆新品试制车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆原料车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆备件车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆锻造车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆锅炉房双回路,YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆空压站YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆汽车库YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆大线圈车间YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆半成品试验站YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆成品试验站YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆加压站YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆设备处仓库YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆成品试验站内大型集中负荷YJLQ33-10000-3120+170四芯电缆#*8 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定8.1高压断路器的操动机构控制与信号回路高压断路器控制回路指控制(操作)高压断路器分、合的回路。信号回路指用来指示一次电路设备运行状态的二次回路。对断路器的控制和信号回路有下列主要要求:1) 应能监视控制回路保护装置及其分、合闸回路的完好性,以保证断路器的正常工作,通常采用灯光监视方式。2) 分闸、合闸完成后,应能使命令脉冲解除,即能切断合闸或分闸的电源。3) 应能指示断路器正常合闸和分闸的位置状态,并自动合闸和自动跳闸时有明显的指示信号。4) 断路器的事故跳闸信号回路,应按“不对应原理”接线。5) 对有可能发生不正常工作状态的设备,应装设有预告信号。断路器的控制和信号回路有三种类型,分别是手动操作、电磁操作机构、弹簧操作机构。其中,电磁操作机构只能采用直流操作电源。弹簧操作机构和手动操作机构可交直流两用,但一般采用交流操作电源[2]。通过比较,在本次设计中才用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路,该方式运行时,能保证断路器合在发生短路故障的一次电路上时,断路器自动跳闸后不致重合闸,因而不需另设电气“防跳”装置。8.2电能计量回路该工厂的电能计量回路在总降压变电所的35kV侧进行电能计量,因此可在变电所高压侧装设专有计量柜,装设三相有功电度表和无功电度表,分别计量全长的有功电能和无功电能,并据以计算每月工厂的平均功率因数。计量柜由上级供电部门加封和管理。8.3测量和绝缘监察回路变电所高压侧装有电压互感器-避雷器柜,其中电压互感器为3个JDZJ-35型,组成(开口三角形)的接线,用以实现电压测量和绝缘监视。8.4继电保护概述8.4.1对继电保护装置的基本要求1) 可靠性 指保护装置该动作时动作,不拒动;而不该动作时不误动。前者为信赖性,后者为安全性,即可靠性包括信赖性和安全性,为此,继电保护装置应该简单可靠,使用的元件和接点应尽量少,接线回路应力求简单,运行维护方便,在能够满足要求的前提下宜采用最简单的保护。2) 选择性 指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障。当故障设备或线路本身的保护拒动作时,则应由相邻设备或线路的保护切除故障。为此,对相邻设备和线路有配合要求的保护,前后两级之间的灵敏性和动作时间应相互配合。3) 灵敏性 指在被保护设备或线路范围内发生金属性短路时,保护装置应具有必要的灵敏系数。4) 速动性 指保护装置应能尽快地切除短路故障,提高系统稳定性,减轻故障设备和线路的损坏程度。当需要加速切除短路故障时,可允许保护装置无选择性动作,但应利用自动重合闸或备用电源自动投入装置,缩小停电范围[7]。8.4.2继电保护的灵敏系数保护装置的灵敏系数,应根据不利于正常运行方式和不利于故障类型进行计算。保护装置的灵敏系数按下式进行计算: (8-1)式中,为继电保护的保护区内在电力系统最小运行方式下的最小短路电流(单位为A);为继电保护的动作电流换算到一次电路的值,称之为一次动作电流(单位为A)。8.5电力变压器的继电保护8.5.1电力变压器保护装置的配置要求1) 瓦斯保护 800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器,均应装设瓦斯保护。2) 纵联差动保护 10000kVA及以上的单独运行变压器和6300kVA及以上的并列运行变压器。应装设纵联差动保护。6300kVA及以下单独运行的重要变压器,也可以装设纵联差动保护。3) 过电流保护和电流速断保护 10000kVA以下的变压器,可以装设过电流保护和电流速断保护。2000kVA及以上的变压器,当电流速断保护灵敏系数不符合要求时,宜改装纵联差动保护。4) 过负荷保护 400kVA及以上变压器,当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时,应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护[7]。 本次设计中,所选电力变压器的容量为5000kVA,因此可以预装设过电流保护和电流速断保护,然后再校验其灵敏系数。8.5.2变压器过电流保护的整定计算过电流保护动作电流的整定计算公式为 (8-2)式中,为变压器的最大负荷电流,可取为(1.5~3),为变压器一次额定电流;为保护装置的可靠系数,对于定时限,可取1.2,反时限可取1.3;为保护装置的结线系数,对相电流结线取1,对相电流差结线取;为电流继电器的返回系数,一般取0.8;为电流互感器的变流比。必须注意的是,对感应式继电器,应整定为整数,且在10A以内。过电流保护动作时间的整定计算公式 (8-3)式中,为在变压器低压母线发生三相短路时高压侧继电保护的动作时间;为变压器低压侧保护装置在低压母线发生三相短路时的最长的一个动作时间;为前后两级保护装置的时间差,对于定时限过电流保护,可取0.5s,对于反时限过电流保护可取0.7s。过电流保护灵敏系数的校验公式为公式8-1,校验时需满足,如果是作为后被保护,则满足即可。8.5.3变压器电流速断保护的整定计算电流速断保护动作电流(速断电流)的整定计算公式 (8-4)式中,为变压器低压母线三相短路电流周期分量有效值;为可靠系数,对DL型继电器取1.2~1.3,对GL型继电器取1.4~1.5;为变压器的电压比。其余符号同式8-2.电流速断保护灵敏系数校验公式 (8-5)式中,为在电力系统最小运行方式下的变压器高压侧的亮相短路电流;为速断电流折算到一次电路(变压器高压侧)的值。如果有困难时,则可取。8.5.4变电所的保护装置 (1)装设瓦斯保护。当变压器油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时,瞬时动作于信号;当产生大量瓦斯时,应动作于高压侧断路器。(2)装设定时限过电流保护。采用DL电磁式电流继电器,两相两继电器式结线,去分流跳闸的操作方式。1)过电流保护动作时间的整定。根据式8-2计算,其中,,,,,因此其动作电流为:,由于必须在10A以内。所以取10A。2) 过电流保护动作时间的整定:动作时间与10kV母线保护相配合,10kV馈线的保护动作时间为0.5s,母线保护动作时间为1s,则变电所的过电流保护的动作时间为 所以变电所的动作时间整定为1.3s。3) 过电流保护灵敏系数的校验:根据公式8-1可计算,其中,,,因此保护灵敏系数为:,因此满足灵敏系数的要求。(3) 装设电流速断保护。利用DL电磁式电流继电器的速断装置。1)速断电流的整定:根据式8-4计算,其中,,,,,因此速断电流为:速断电流倍数整定为: 2)电流速断保护灵敏系数的校验:根据式8-5计算,其中,,因此,电流速断保护灵敏系数为:,该值大于2,因此满足要求。8.6电力线路的继电保护8.6.1概述按GB 50062—1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定:对3~66KV电力线路,应装设相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护。由于工厂的高压电力线路一般不是很长,容量也不是很大,因此继电保护装置通常都比较简单。作为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。如果过电流保护动作时间不大于0.5~0.7s时,可不装设电流速断保护。相间短路保护应动作于断路器的跳闸机构,以使断路器跳闸,切除短路故障部分。作为线路的单相接地保护,有两种方式:1.绝缘监视装置,装设在变配电所的高压母线上,动作于信号。2.有选择性的单相接地保护,同样动作于信号,但是当单相接地故障危及人身和设备安全时,则动作于跳闸。电力线路的继电保护装置中,起动继电器与电流互感器之间的连接方式,主要有两相两继电器式和两相一继电器式。两相两继电器式这种接线,如果一次电路发生三相短路或两相短路时,都至少有一个继电器要动作,从而使一次电路的断路器跳闸。当发生任意相间短路时,接线系数为继电器中的电流,为电流互感器中的二次电流。两相一继电器式这种接线方式又称两相电流差接线,正常工作时,流入继电器的电流为两相电流互感器二次电流之差,当一次电路发生三相短路时,。两相一继电器式能反应各种相间短路故障,但不同保护的了灵敏度不同,但是对于两相两继电器式而言,它少用一个继电器,较为经济简单,主要用于电动机的保护[2]。在本次设计中,采用两相两继电器式的接线方式,操作方式选择为“去分流闸”的操作方式。8.6.2电力线路的保护 (1)过电流保护 1)过电流保护动作电流的整定整定计算公式与式8-2相同,只是其中的为线路上的最大负荷电流,可取为为线路计算电流。10kV侧的动作电流整定为: 取4A。35kV侧动作电流整定为:取9A。1号车间变电所馈线的动作电流整定为取4A。2) 过电流保护灵敏度的校验
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