供配电课程设计

课 程 设 计

课程名称: 供配电技术课程设计 题 目: 工厂供配电系统设计 系、专业: 应用电子技术、电子系 年级、班级: 08电子大专班 学生姓名： 王 新 指导老师： 呕阳华明、钟老师 时 间： 2010年12月

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目录

摘要 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第一章 绪论设计选题背景 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第二章 系统总体方案设计 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 2-1-1设计要求简介 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 2-1-2 设计方案与选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第三章 电气主接线的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 3-1-1 电气主接线形式的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 3-1-2 变电所与电力系统的连接。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第四章 短路电流计算。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-1 短路的原因 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-2 短路的后果 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-3 短路的形式。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-4短路电流计算步骤。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-5 电气设备负荷选择计算。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4-1-6变电所电源进线的二次回路选择与继电保护的整定。。。。。。。第五章 电气设备选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 5-1-1电气设备技术条件 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5-1-2 断路器的选择和校验。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 5-1-3 10kV母线的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 致谢

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摘要：随着我国国民经济的快速增长，用电已成为制约我国经济发展的重要因素。为保证正常的供配电要求，各地都在兴建一系列的供配电装置。本次设计方案的变电所分220 kV、110 kV、10 kV三种电压等级，220 kV是本变电所的电源电压，110 kV和10 kV是二次电压。 该文提出了大型高层住宅小区供配电系统接线的设计方案，该方案中提出小区两条10kV线路同时运行、互为备用的主接线形式，其供电容量大、运行安全、可靠性高，也满足一、二级负荷对供配电系统主接线方案的要求，同时也有利于供电部门的运行维护管理。 关键词：供配电系统；供电容量；高层住宅小区

第一章 绪论设计选题背景

随着我国经济的快速增长，用电已成为制约我国经济发展的重要

因素。为保证正常的供配电要求，各地都在兴建一系列的供配电装置。例如就不少住宅小区规模和大型高层住宅小区里面一般有高层住宅建筑、多层住宅建筑、商业性建筑和地下车库，其负荷特点是负荷容量大，用电设备多，而且电梯、消防设施、水泵等一级和二级负荷要求供配电系统接线方案。所以据目前住宅小区的供电电源电压等级均为10kV，而10kV电压等级供电容量有限。所以本文针对变电所的特点，阐述了10kV变电所的设计思路、设计步骤，并进行了相关设

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备的计算和校验。并关键介绍了主接线是变电所的最重要组成部分。它决定着变电所的功能、建设投资、运行质量、维护条件和供电可靠性。所以在此熟悉变电所的设计要求和设计过程，对从事电力工程设计，故障分析和判断是非常有益的。 设计选题意义：

将在学校所学各部分专业课程理论知识有机的组合起来，形成一

个完整的体系，并应用到实践环节，此课题主要是针对220kV降压变电所电气部分的设计，进一步增强对电力专业课程知识综合运用能力，真正地实现学以致用，实现应用型人才培养的要求。

第二章 系统总体方案设计

2-1-1设计要求简介

1、生产区：各车间、各用电设备均自行拟定，属二级负荷。 2、生活区：空调、供水和照明用电等情况均自行拟定。 3、就近电网：110kV；35 kV； 10 kV；可任选其一。 4、确定各级的“计算负荷”，和各级“短路电流”、“冲击电流”。 5、选好主接线（一次回路）的各级电气设备、装置。 6、绘制主接线图（包括原理图、平面图）。

7、有选择地设计（二次回路）-----此项为突破性要求。 1）继电保护。 2）自动重合闸。 3）备用电源的自动投入。

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2-1-2 设计方案与选择

2.1方案一 :高层住宅小区供配电系统典型接线方案

某高层住宅小区有高层住宅、多层住宅、商业及物管建筑、地下车库。小区设计6台箱式变压器（以下简称箱变）分别供电，高低压配电系统主接线方案为公寓层住宅小区典型接线方式，其接线方式如图<2-1-1>所示的公寓供配电系统典型接线。

图<2-1-1>公寓供配电系统典型接线

该小区设计10kV二进三出的开关站一座，两条10kV进线分别来自上级变电站不同母线，同时停电的概率低，每路出线开关分别负载两台变压器，两台进线开关柜C01和C08设置二合一的机械闭锁，正常运行时一条进线开关柜（C01或C08）运行，另一条进线开关柜

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（C08或C01）备用，普通负荷分别由1#、3#、4#、5#箱变低压端供电，需低压双路电源末端切换的一、二级负荷，分别从2#和6#箱变低压侧引两路电源至其低压双电源自动切换装置（其接线图如图2-1-2所示低压双电源自动切换装置接线）。当小区10kV主用电源进线线路因故停电而短时间内无法恢复时，运行人员可将已停电的主用电源进线开关柜开关断开，合上备用电源进线开关柜开关，通过以上倒闸操作能实现在短时间内恢复小区供电，保证了一、二级负荷的用电。

图<2-1-2> 低压双电源自动切换装置接线

2.2 方案二 ：大型高层住宅小区供配电系统典型接线方案 高层住宅小区接线方案特点是必须确保一、二级负荷的可靠供电。现以某大型高层住宅小区为例，该小区供配电系统接线方案如果按照图1设计，只有一条10kV线路主供电，其供电容量显然无法满足该小区的负荷需求，综合考虑各种因素，该小区供配电系统接线方案可按图2-1-3设计。

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图<2-1-3> 某高层住宅小区供配电系统主接线方案

该方案设计10kV开关站一座，环网型箱变18台。10kV开关站主接线按单母线分段接线设计，两条10kV进线分别来自上级变电站不同的母线，同时停电的概率低，两台进线开关柜C01、C13与分段开关柜C07设置三合二的机械闭锁。10kV开关站每台出线断路器负载三台环网型箱变，同一出线断路器负载的箱变之间用电缆连接。普通负荷分别接在1#~9#箱变及10#、13#、14#、15#、16#箱变上，一、二级负荷双路电源分别接于11#、12#、17#、18#箱变（接于10kV开关站同一段母线上）。正常运行时C01和C13开关柜开关合上，C07开关柜开关断开，两条10kV进线同时供小区所有负荷的用电，各自承担一半左右的负荷。当C01开关柜进线因故停电时，一、二级负荷的供电不受影响；当C13因故停电时运行人员可断开C13开关柜开关，合上C07开关柜开关，同时断开C04、C05、C06、C09开关柜开关，通过这样的倒闸操作可在短时间内恢复一、二级负荷的供电，

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同时也使一条10kV线路能供得起小区其他的负荷。

图2-1-3方案优点是两条10kV线路同时供电，互为备用，保证一、二级负荷可靠供电的同时，充分发挥两个10kV供电电源的供电能力，合理利用了资源。另外由于开关站C01、C07、C13设计了三合二的机械闭锁，而且一、二级负荷的每台低压双回路自动切换装置的低压双电源线路所接的两台箱变，均由10kV开关站的同一段母线供电，从技术上避免了两条10kV进线与低压双电源自动切换装置及其双回低压进线形成环行回路的可能，消除了电网及人身安全等事故隐患。

第三章 电气主接线的选择

3-1-1 电气主接线形式的选择

变电站电气主接线是指高压电气设备通过连线组成的接受或者分

配电能的电路。其形式与电力系统整体及变电所的运行可靠性、灵活性和经济性密切相关,并且对电气设备选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。所以,主接线设计是一个综合性问题,应根据电力系统发展要求,着重分析变电所在系统中所处的地位、性质、规模及电气设备特点等,做出符合实际需要的经济合理的电气主接线。下面就地方电网中小型110kV变电站电气主接线的选择作一探讨。

3-1-2 变电所与电力系统的连接

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第四章 短路电流计算

在供电系统中，出现次数比较多的严重故障就是短路，所谓短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接。产生短路的主要原因，是由于电气设备载流部分绝缘损坏所造成。而绝缘损坏主要是因为绝缘老化、过电压、机械性损伤等引起。人为误操作及鸟兽跨越裸导体等也能引起短路。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的供电系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列引起严重后果。在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中，出现单相短路故障的机率最大，三相短路

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故障的机率最小。但在电力系统中，用三相短路作为最严重的故障方式，来验算电器设备的运行能力。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要进行短路电流计算，以便校验电气设备的动热稳定性、选择和整定继电保护装置、确定限流措施及选择主接线方案。 4-1-1 短路的原因

(1) 电气设备绝缘损坏 (2) 有关人员误操作

(3) 鸟兽为害事故

4-1-2 短路的后果

短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。如此大的短路电流可对供电系统造成极大的危害,如产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其它元器件破坏，甚至引发火灾事故。 由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流的计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证它在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件（如电抗器）等，也必须计算短路电流。 4-1-3 短路的形式

在三相系统中，短路的形式有三相短路、两相短路、单相短路和两

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相接地短路等，如下图所示。其中两相接地短路，实质是两相短路。 按短路电路的对称性来分，三相短路属于对称性短路，其他形式短路均为不对称短路。 电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。但一般情况下，特别

是远离电源（发电机）的工厂供电系统中，三相短路电流最大，因此它造成的危害也最为严重。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择和校验电气设备用的短路计算中，以三相短路计算为主。实际上，不对称短路也可以按对称分量法将不对称的短路电流分解为对称的正序、负序和零序分量，然后按对称量来分析和计算。所以，对称的三相短路分析计算也是不对称短路分析计算的基础。

4-1-4短路电流计算步骤

现在，电力设计部门对复杂电力系统及发电厂，变电所短路电流

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的计算几乎都在计算机上进行。但作为单元的发电厂、变电所，对设计验算、设备改造等需进行短路电流计算时，有时进行手算会更方便，概念更清楚。介绍短路电流计算的基本数据准备、短路电流计算阻抗图绘制和计算步骤如下:

1>计算各元件电抗标幺值，并折算到同一基准容量下； 2>绘制相应的电力系统等值电路；

3>确定与短路电流有关的运行方式，选择短路点； 4>计算短路容量，短路电流冲击值； 5>列出短路电流计算结果表；

注：高压断路器的全分闸时间计为0.1s。在这里短路的持续时间

以最长的过电流保护的动作时间来计算的，显然，如果用主保护的动作时间或主保护存在动作死区时用后备保护的动作时间一定能满足要求。各电压等级下短路电流持续时间最大时间见表4.1。

表4.1 短路电流的持续时间的最大值（s） 220 kV侧 3.6 110 kV侧 3.1 10 kV侧 2.1 注：经过计算得出各种情况下短路电流结果汇总见下表： 表4.2 短路电流计算结果表 系 统 短 路 地 点 计 算 电 抗 X*Sj 电 厂 有名值 计算电抗 X*Gj 有名值 \" IS有名值 \" IGI\"(kA) 短路电流 冲击值ish(kA) 22两条线路 0 同时运行 kV侧 一条线路

0.0174 0.287 14.415 8.746 0.260 0.260 2.854 2.854 17.269 11.327 13

40.036 28.883

运 行 110 两台主变 kV同时运行 侧 一台主变 退出运行 两台主变 10 同时运行 kV一台主变 侧 退出运行

0.215 2.335 3.200 0.739 3.074 7.839 0.413 0.414 0.556 1.215 13.279 9.892 6.136 6.122 8.080 0.385 6.122 3.209 1.600 17.494 13.101 4.080 44.610 33.408 4-1-5 电气设备负荷选择计算

1、按额定电压选择： UNUNs110kV 2、按额定电流选择： IalKINImax(A)

考虑变压器在电压降低5%时其出力保持不变，所以相应回路的

Imax1.05Ial，即

Imax3、额定开断电流选择：

257.91.0511530.610kA610A

INbrIk(kA)3.074kA

4、额定关合电流的选择：

iNclish(kA)7.839kA

根据以上数据可以初步选择SW4—110型断路器，其参数见表8.3。

表8.3 所选110kV断路器的参数 SW4—110型断路器 额定电压（kV） 110 额定开断电流18.4 动稳定电流（峰值（kA） kV） 额定电流（A） 1000 额定关合电流80 合闸时间（S） （kA） 重合闸无电流时0.3 操动机构 CT6—XG 热稳定电流（kA）间（S） 5S 55 ≤0.18 21 14

5、热稳定校验( tk2.1s)：

短路电流的热效应为：

QkI2tk3.07423.129.3[(kA)2s]

电气设备在5秒内热稳定电流的热效应：

Q2nItt(21)252205[(kA)2s]

从而可知：QnI2ttQk[(kA)2s]，满足要要求。 6、动稳定校验：

ies55kVish(kA)7.839kV

从而可知所选断路器满足要求。 将上述计算结果列表8.4：

表8.4 110kV断路器选择校验结果表

设备 SW4—110 项目 产品数据 计算数据 电压UNUNs（kV） 110 110 电流IalImax(A) 1000 610 开断电流 INbrIk(kA) 18.4 3.074 关合电流INbrIsh(kA) 80 7.839 热稳定I2ttQk[(kA)2s] 2205 29.3 动稳定iesish(kA) 55 7.839

4-1-6变电所电源进线的二次回路选择与继电保护的整定 1.测量与指示

10kV断路器采用手动操作，变电所高压侧装设专用计量柜，装

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设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能和无功电能，并据以计量每月工厂的平均功率因数。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JDZY-10型，组成Y0/ Y0/ Δ 的结线，用以实现电压测量和绝缘监察。低压侧的动力出线上，均装有有功电度表和无功电度表，低压照明线路上装有三相四线有功电度表。低压并联电容器柜上，装有无功电度表。每一回路均装有电流表。低压母线装有电压表。 2.继电保护

变电所保护配置如下：

变压器 低压线路 电流速断保护、过电流、温度报警、保护 电流速断保护、过电流、过负荷、接地保护 主变继保整定：

采用感应式过电流继电器。 A.过电流保护的整定 过电流保护动作电流的整定

IL.MAX=2 I1N.T=2×200/(√3×10) =23A, Krel=1.3, Kw=1, Kre=0.8, Ki=20 故Iop = IL.MAX×（Krel×Kw）/( Kre×Ki) =1.87A,整定为2 A。 过电流保护动作时间的整定 终端变电所按最短时间0.5s整定。 过电流保护灵敏系数的校验：

Ik.min= Ik-2(2)/ KT =0.866×28.16/(10kV/0.4kV) =0.975kA, Iop.1= Iop Ki / Kw =0.002×100/5 =0.04kA,

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Sp= Ik.min/ Iop.1=24.4>1.5 满足灵敏度系数要求。 B.速断保护的整定 速断保护动作电流的整定

Ik.MAX= Ik-2(3)= 28.16kA, Krel=1.3, Kw=1, Kre=0.8, Ki=20, KT=25 故Iqb = Ik.MAX×（Krel×Kw）/( KT×Ki) =0.079KA Ik.min= Ik-1(2) =0.866×2.816＝2.44 KA

Sp = Ik.min / Iqb 1=1.54>1.5 满足灵敏度系数要求。

第五章 电气设备选择

5-1-1电气设备技术条件

选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。 1、长期工作条件

a> 电压：电气设备的允许最高工作电压Ualm不得低于该回路的最高运行电压Usm；电缆和一般电器，Ualm较UN高10%~15%，即Ualm=（1.1~1.15）UN；对于电网，电网的最高运行电压Usm通常不超过电网额定电压UNs的10%；

b> 电流：选用导体的长期允许电流不得小于该回路的持续工作电流（应考虑各种可能的运行方式）； 2、短路稳定条件

a> 校验的一般原则：在电器在选定后应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验。校验短路电流一般取三相短路时的短路电

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流，若发电机出口的两相短路和中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况考虑。

b> 短路的热稳定校验：热稳定就是要求所选的电气设备能承受短路电流所产生的热效应，在电流通过时，电气设备各部分的温度（或发热效应）应不超过允许值。其导体和电缆满足热稳定的条件为：

2SS(mm) min

式中:S-按正常工作条件选择的导体和电缆的截面积；Smin按热稳定确定的导体或电缆的最小截面积；

而电器满足热稳定的条件为：

22ItQ（[kA)s] k t式中:It-制造厂规定的允许通过电器的热稳定电流，kA;

短路动稳定条件见式：

ichidf 

IIdfch式中： ish—短路冲击电流峰值，kA； idf—短路全电流有效值，kA；

Ich—电器允许的极限通过电流峰值，kA； Idf—电器允许的极限通过电流有效值，kA；

5-1-2 断路器的选择和校验

高压断路器是电力系统最重要的控制和保护设备。它具有完善的灭弧性能，正常运行时，用来接通和开断负荷电流，在某所电气主接线中，还担任改变主接线的运行方式的任务，故障时，断路器通常继

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电保护的配合使用，断开短路电流，切除故障线路，保证非故障线路的正常供电及系统的稳定性。

高压断路器按灭弧介质及灭弧原理可分为六氟化硫（SF6）断路器、真空断路器、油断路器（又分多油、少油断路器）、空气断路器。由于真空断路器、SF6断路器比少油断路器，可靠性更好，维护工作量更少，灭弧性能更高，目前得到普遍推广，故35～220KV一般采用SF6断路器。真空断路器只适应于10KV电压等级，10KV采用真空断路器。

5-1-3 10kV母线的选择

母线在电力系统中主要担任传输功率的重要任务，电力系统的主接线也需要用母线来汇集和分散电功率，在发电厂、变电所及输电线路中，所用导体有裸导体，硬铝母线及电力电缆等，由于电压等级及要求不同，所使用导体的类型也不相同。敞露母线一般按导体材料、截面形状、布置方式、电晕电压、热稳定、共振频率等各项进行选择和校验。

1、按最大持续工作电流选择：

各种配电装置中的主母线及长度在20m一下的母线，一般均按所在回路的最大持续工作电流选择，即

IalKINImax(A)

其中K为与母线长期发热允许最高温度al、实际环境温度、海拔等因素有关的综合修正系数。如果仅计及环境温度修正，当al=+70℃并且不计日照时，K0.14970。母线所在回路的最大持续工作电流Imax，需计及可能的过负荷及检修或故障时由别的回路转移过来的

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负荷。

2、按经济电流密度选择：

对于长度在20m以上的输送容量很大的回路母线，如主变压器回路的母线，为降低年运费，需按经济电流密度选择。当负荷电流通过导体时，将产生电能损耗。此电能损耗与负荷电流的大小、母线截面有关。载流导体的年运行费主要由电能损耗、设备维修费和折旧费组成。当导体具有某一截面时，年运行费为最底，与此相应的截面称为经济截面。对应于经济截面的电流密度，称为经济电流密度。

按经济电流密度选择母线截面，首先应计算经济截面，即

SjImax(mm)2 （J取0.9A/mm2） J式中： Sj—经济截面，m2； J—经济电流密度，A/m2；

Imax—正常工作情况下电路中的最大长期工作电流，A；

计算Sj以后，按此选择母线标准截面S，使其尽量接近经济截面

Sj。如无合适的标准截面，允许略小于Sj。

注：根据本所10kV母线设计特点应按最大持续工作电流选择母线截面。

五、校验母线热稳定

按照上述条件选择的母线截面S，还必须按短路条件校验其热稳定。其方法通常采用最小截面法，即所选的母线截面S应不小于按照热稳定条件决定的导体的最小允许截面，即

SSZXICtdzKJ

式中： SZX—最小允许截面，m2；I—稳态短路电流，A； C—母线材料的热稳定系数；S—母线截面，m2； tdz—短路发热的等

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值时间，s； Kj—肌肤效应系数； 六、硬母线的共振校验

对硬母线进行动稳定校验前，应进行共振校验，以便确定校验所需要的动态应力系数。共振校验方法有两种。

1、当已知绝缘子跨距L时，按式f1NfL2EJ(Hz)计算导体的一m阶固有频率f1。当f1在共振频率范围内时，从相关图查出相应的值；当f1在共振范围外时，≈1。

2、未知绝缘子跨距L时，令f1=1600Hz(这时≈1，即不必考虑共振的影响)，按式f子跨距Lmax，即

1NfL2EJ(Hz)m计算导体不共振所允许的最大绝缘

LmaxNff1 （5-33） EJ(m)m当选择绝缘子实际跨距L≤Lmax时，必有f1≥160Hz，即≈1，满足不共振的要求。因已知L=1m，因此采用方法1进行校验。 七、校验母线动稳定

短路冲击电流通过母线时，将产生电动力而使母线弯曲。所以，校验固定在支持绝缘子上的母线，应以母线受电动力而弯曲的情况进行应力计算。其材料应力若超过允许应力，母线遭到损坏。因此，按短路条件校验母线动稳定时，应对母线进行应力计算，满足下列条件

almax(Pa)式中： al—导体最大允许应力；max—所选母线最大

计算应力；

致谢

本次毕业设计是在欧阳老师的悉心指导下完成的，值此报告完成

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之际，谨向欧阳老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！欧阳老师严谨的治学理念、深厚的专业功底、孜孜不倦的育人态度、努力进取的精神都给我留下了深刻的印象，也深深的影响了我，他为我在今后的学习和工作中树立了很好的榜样。本次设计此次设计是对专业知识的进一步学习，同时增强了对电力专业课程知识综合运用能力，真正地实现学以致用，实现应用型本科人才培养的需要，为以后工作提供了宝贵经验。

同时在毕业设计期间有些朋友对本报告提供的建议和帮助表示感谢。完成本次毕业设计同时查阅了大量的书籍和资料，在论文成稿期间也与同学进行的学术讨论和学习，也促进了论文的顺利完成，在此一并感谢!

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