某厂降压变电所电气部分设计1

1前言

1.1 工厂供电的意义和要求

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。

在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。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，因此做好工厂供电工作，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）经济供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

1.2 工厂供电设计的一般原则

按照国家标准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，进行工厂供电设计必须遵循以下原则：

（1）遵守规程、执行政策；

必须遵守国家的有关规定及标准，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）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。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。

2. 负荷计算和无功功率补偿

2.1 负荷计算在负荷计算时，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。单组用电设备计算负荷的计算式:

有功计算负荷d e K P P *= 无功计算负荷Φ*=tan P Q 视在计算负荷Φ

=

cos P

S 计算电流N

U S I 3=

运用公式对各车间进行负荷计算，结果如表2.1所示。

9 锅炉

房

动力80 0.7 0.75 0.88 56 70.4

照明 1 0.9 1.0 0 0.9 0

小计81 —56.9 70.4 84.18127.90 10 仓库动力20 0.4 0.80 0.75 8 15

照明 1 0.9 1.0 0 0.9 0

小计21 —8.9 15 13.0719.86 11 生活

区

照明300 0.7 0.9 0.48 210 144

301.71458.40

总计

（380V

侧）

动力2073 1062.6 904.33

照明400

计入p

K∑=0.9

q

K∑=0.9

0.76 0.85 956.34 813.90 1410.21 1953.74

2.2无功功率补偿

由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷是的功率因数只有0.76.而供电部门

要求该厂10KV进线侧最大负荷是功率因数不应该低于0.92。考虑到主变压器的

无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷是功率因素应稍大于0.92，暂

取0.93来计算380V侧所需无功功率补偿容量：

故选PGJ1型低压自动补偿屏，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台相组合，总共容量84kvar5=420kvar

?。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。

表2.2 无功补偿后工厂的计算的负荷

项目cos?

计算负荷

30

P kW30var

Q k30

S kVA30

I A

380V侧补偿前负荷0.76 956.34 813.90 1410.21 1953.74 380V侧无功补偿容量-420

380V侧补偿后负荷0.93 956.34 393.90 1034.28 1571.43

主变压器功率损耗11.68 47

10kV侧负荷总计0.92 741.68 317 806.67 46.57

2.3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：p

W PT

αα

α

?

=

年无功电能耗电量：q

W Q T

αα

β

?

=

结合本厂的情况，年最大负荷利用小时数T α为4800h ，取年平均有功负荷系数

0.72α=，年平均无功负荷系数0.78β=。由此可得本厂：

年有功耗电量： 60.72960.534800 3.3210p W kW h kW h α?=??=??； 年无功耗电量：60.78451.91var 4800 1.6910q W k h kW h α?=??=??。

3 变电所位置和型式的选择

变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定，计算公式为式（3.1）和（3.2）。

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.即在工厂平面图的下边和左侧,任作一直角坐标的X 轴和Y 轴,测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置,例如P 1(x 1,y 1) 、P 2(x 2,y 2) 、P 3(x 3,y 3)等.而工厂的负荷中心设在P(x,y),P 为P 1+P 2+P 3+…=∑P i .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:

i i i 321332211P )

x P (P P P x P x P x P x ∑∑=++++=

?? (3.1)

i

i i 321332211P )

y P (P P P y P y P y P y ∑∑=++++=

?? (3.2)

图3.1 机械厂总平面图

按比例K在工厂平面图中测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置表3.1所示

表3.1 各车间和宿舍区负荷点的坐标位置

由计算结果可知，x=3.3 y=3.7工厂的负荷中心在6号厂房的西南角。考虑的方便进出线及周围环境情况，决定在4号厂房的西侧紧靠厂房修建工厂变电所，其型式为附设式。

4 变电所主变压器的选择和主结线方案的选择

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：

（1）装设一台主变压器型式采用S9型，而容量根据式.30N T S S ≥，选

,301000N T S kVA S =>=806.67kVA ，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。

至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

（2）装设两台主变压器 型号亦采用S9，而每台变压器容量按式i i

i

p y

y p

=

∑∑和

式().3012N T S S +≥选择，即,(0.6~0.7)806.67(484~565.7)N T S kVA kVA ≈?=。

因此选两台S9630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由与邻近单位相联的高压联络线来承担。

主变压器的联结组均采用Yyn0。 4.2 变压器主接线方案的选择

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： （1）装设一台主变压器的主接线方案，如图4.1所示 （2）装设两台主变压器的主接线方案，如图4.2所示

图4.1 装设一台主变压器的主结线方案图4.2 装设两台主变压器的主结线方案4.3两种主结线方案的技术经济比较。

表4.1 两种主接线方案的比较

比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案

技术指标供电安全性满足要求满足要求

供电可靠性基本满足要求满足要求

供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗

小

灵活方便性只一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些

经济指

电力变压器的综

合投资

由手册查得S9—1000单价为

10.76万元，而由手册查得变压

器综合投资约为其单价的2倍，

因此其综合投资为2×10.76万

元=21.52万元

由手册查得S9—630单价为

7.47万元，因此两台综合投资

为4×7.47万元=29.88万元，

比一台变压器多投资8.36万元

高压开关柜（含

计量柜）的综合投

资额

查手册得 GG—A（F）型柜按每

台3.5万元计，查手册得其综

合投资按设备价1.5倍计，因

此其综合投资约为4×1.5×

3.5=21万元

本方案采用6台GG—A（F）柜，

其综合投资额约为6×1.5×

3.5=31.5万元，比一台主变的

方案多投资10.5万元

从表4.1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，因此决定采用装设两台主变的方案。

5短路电流的计算

5.1 绘制计算电路

如图5.1所示

图5.1 短路计算电路

5.2 确定短路计算基准值

设100

d

S MVA

=， 1.05

d c N

U U U

==，即高压侧

1

10.5

d

U kV

=，低压侧2

0.4

d

U kV

=，则

1

1

5.5

3310.5

d

d

d

I kA

U kV

===

?

2

2

144

330.4

d

d

d

I kA

U kV

===

?

5.3 计算短路电路中各元件的电抗标幺值

（1）电力系统已知400

oc

S MVA

=，故

1

1000.2

X MVA MVA

*==

（2）架空线路查表8-37，得LJ-150的

X=0.34/km

Ω，而线路长12km，故

22

100

(0.349) 2.8

(10.5)

MVA

X

kV

*=?Ω?=

（3）电力变压器查表2-8，得

z

U%=4.5，故

3

4.5100

7.1

100630

MVA

X

kVA

*=?=

因此绘短路计算等效电路如图5.2所示。

图5.2 等效电路 5.4 10KV 侧三相短路电流和短路容量 （1） 总电抗标幺值

(1)120.2 2.8 3.0k X X X ***∑-=+=+=

（2）三相短路电流周期分量有效值

(3)1

1(1)

5.5 1.833

d k k I kA

I kA X -*

∑-=

=

= （3）其他短路电流

"(3)(3)

(3)(1) 1.83k I I I kA ∞-===

(3)"(3)2.55 2.55 1.83 4.67sh i I kA kA ==?= (3)"(3)1.51 1.51 1.83 2.76sh I I kA kA ==?=

（4）三相短路容量

(3)1(1)

10033.33

d

k k S MVA

S MVA X -*

∑-=

=

= 5.5 380KV 侧三相短路电流和短路容量 （1）总电抗标幺值

(2)1230.2 2.8 3.55 6.55k X X X X ****∑-=++=++=

（2）三相短路电流周期分量有效值

(3)2

2(2)

14421.96.55

d k k I kA

I kA X -*

∑-=

=

= （3）其他短路电流

"(3)(3)

(3)(2)21.9k I I I kA ∞-===

(3)"(3)1.84 1.8421.940.29sh i I kA kA ==?= (3)

"(3)1.09 1.0921.923.87sh I I kA kA ==?=

（4）三相短路容量

(3)2(2)

10015.276.55

d

k k S MVA

S MVA X -*

∑-=

=

= 以上计算结果综合如表5.1

表5.1 短路的计算结果

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

如表6.1所示。

6.2 380V侧一次设备的选择校验

如表6.2所示。

6.3 高低压母线的选择

参照表5—28，10kV母线选LMY-3（404

?），即母线尺寸为40mm4mm

?；380V母线选LMY-3(12010)806

?+?,即母线尺寸为12010

?，而中性线母线

mm mm

尺寸为806

?。

mm mm

7 变电所进出线以及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

（1）10kV 高压进线的选择校验 采用LJ 型铝绞线架空敷设，接往10kV 公用干线。

1) 按发热条件选择 由30157.7N

T

I I A ==及室外环境温度40C ?，查资料，初选

LJ-16，其40C ?时的3081.6al I A I =>满足发热条件。

2）校验机械强度 最小允许截面2min 35A mm =，因此按发热条件选择的LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。 由于此线路很短，不需校验电压损耗。

（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直接埋地敷设。 1）按发热条件选择 由30157.7N

T

I I A ==及土壤温度25C ?查表8-44，初选缆

芯截面为2min 25A mm =的交联电缆，其3090al I A I =>，满足发热条件。 2）校验短路热稳定 按式C M

W

δ=

计算满足短路热稳定的最小截面

(3)

222min 185020.825A I

mm A mm ∞

===<= 因此YJL22-10000-3×25电缆满足短路热稳定条件。

7.2 380V 低压出线的选择

（1）馈电给1号厂房（铸造车间）的线路 采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。

1）按发热条件选择 由30258.38I =及地下0.8m 土壤温度25C ?，查表资料，初选缆芯截面2185mm ，其30273al I A I =>，满足发热条件。

2）校验电压损耗 由图11-4所示工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为70m ，而由资料查得2185mm 的铝芯电缆00.21R km =Ω（按缆芯工作温度75C ?计），00.07X =km Ω，又1号厂房的30121.2P kW =，30116.3var Q k =，因此按

式()N

pR qX U U +?=∑得：

121.2(0.210.07)116.3var (0.070.07) 2.350.38kW k U V kV

??Ω+??Ω

?=

=

2.35%100%0.6%%5%380al V

U U V

?=?=

故满足允许电压损耗的要求。 3) 短路热稳定度校验 按式C M

W

δ=

计算满足短路热稳定的最小截面

(3)22min 19280219.7076

A I

mm mm ∞

==?= 由于前面按发热条件所选2185mm 的缆心截面小于min A ，不满足短路热稳定要求，故改选缆芯截面为2240mm 的电缆，即选VLV22-1000-3 240+1120??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择。

（2）馈电给2号厂房（锻压车间）的线路 亦采用VLV22-1000-3 240+170??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

按发热条件择 查资料，初选缆芯截面2240mm VLV22-1000-3 240+1120??的四芯电缆。

（3）馈电给3号厂房（精工车间）的线路 亦采用VLV22-1000-3 240+1120??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

（4）馈电给4号厂房（工具车间）的线路 亦采用BLV-1000的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

1）按发热条件选择 由30251.6I =及地下0.8m 土壤温度25C ?和环境温度

32C ?，查表资料，应选VLV22-1000-3 240+1120??的四芯电缆。

（5）馈电给5号厂房（电镀车间）的线路 亦采用VLV22-1000-3 240+1120

??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设

（6）馈电给6号厂房（热处理车间）的线路 亦采用VLV22-1000-3 240+1120??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

（7）馈电给7号厂房（装配车间）的线路 亦采用VLV22-1000-3 240+1150??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

（8）馈电给8号厂房（机修车间）9号厂房（锅炉房）10号厂房（仓库）的线路 都亦采用VLV22-1000-3 240+195??的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。

（9）馈电给生活区的线路 采用LG 型铝芯橡皮绝缘线架空敷设。

1）按发热条件选择 由30I =472.68A 及室外环境温度为33C ?，查表初选

LJ-240其35C ?时的30543al I A I ≈>，满足发热条件。

2）校验电压损耗 由图11-3所示工厂平面图量得变电所至生活区负荷中心距离约150m ，而由表查得LJ-240的阻抗

0R =0.14km Ω,0X =0.30km Ω，又生活区的30280P kW =,30135.61var Q k =，因

此

280(0.140.15)135.61var (0.30.15)120.38kW k U V kV

??Ω+??Ω

?=

=

12%100% 3.65%%5%380al V

U U V

?=?=

满足允许电压损耗要求。

7.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验

采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距约2km 的邻近单位变配电所的10kV 母线相联。 （1） 按发热条件选择 工厂二级负荷容量420KVA

30I 638.1110)kVA kV =36.8A =,而最热月土壤平均温度为25C ?,因此查表初选缆芯截面为225mm 的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（注：该型电缆最小芯线截面积为225mm ），其3090al I A I =>,满足发热条件。

（2）校验电压损耗 由表8-42可查得缆芯为25mm 的铝芯电缆的0R =1.54km Ω (缆芯温度按80C ?计)，0X =0.12km Ω，而二级负荷的30P =420kw ，

30Q =275.93kvar 线路长度按2km 计，因此

420(1.542)275.93var (0.122)13610kW k U V kV

??Ω+??Ω

?=

=

136%100%0.36%%5%10000al V

U U V

?=?=

由此可见该电缆满足允许电压损耗要求。

（3）短路热稳定校验按本变电所高压侧短路校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯2

25mm的交联电缆是满足短路热稳定要求的。

综合以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表7.1所示。

表7.1 所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号

8 变压所的防雷保护

8.1 变压所的防雷保护

（1）直击雷防护 在变电所屋顶装设避雷针或避雷带，并引出两根接地线与变电所公共接地装置相连。避雷针采用直径20mm 的镀银圆钢，避雷带采用

25mm 4mm ?的镀锌扁钢。

（2）雷电侵入波的防护

1）在10kV 电源进线的终端杆上装设FS4-10型阀式避雷器。其引下线采用25mm ?

4mm 的镀锌扁钢，下面与公共接地网焊接相联，上面与避雷器接地端螺栓连接。

2）在10kV 高压配电室内装设的GG-1A （F ）-54型高压开关柜，其中配有FS4-10型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来防护雷电侵入波的危害。

3)在380V 低压架空出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入雷电波。

8.2 变电所公共接地装置的设计

（1）接地电阻的要求 按表9-23，本变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件： R 4E ≤Ω 且 120120R 4.427

E E V V

I ≤==Ω 式中 10(803525)

27350

E I A A +?=

=

因此公共接地装置接地电阻应满足R 4E ≤Ω

（2）接地装置的设计 采用长2.5m 、φ50mm 的镀锌钢管数，按式（9.24）计算初选16根，沿变电所三面均匀布置（变电所前面布置两排），管距5m ，垂直打入地下，管顶离地面0.6m 。管间用40mm 4mm ?的镀锌扁钢焊接相连。变压器室有两条接地干线、高低压配电室各有一条接地线与室外公共接地装置焊接相连。接地干线均采用采用25mm 4mm ?的镀锌扁钢。变电所接地装置平面布置图如图11-9所示。

接地电阻的演算：

(1)R 100 2.5R 3.85160.65

E E l m m

n n ρη

ηΩ=

≈

==Ω?g 满足R 4E ≤Ω的要求。