降压变电所电气设计

王 超, 严 敏, 王 凡, 唐培康, 胡月丹, 徐桥安

(1.上海交技发展股份有限公司,上海200135;2.上海理光数码设备有限公司,上海201206)

0 前 言

变电所是联系发电厂和用户的中间环节,是电网中线路的连接点,起着变换电压、交换和汇集分配电能、控制电力流向、调整电压的作用。

为了确保供电安全、可靠和经济,按照严格的设计要求,变电站中安装有不同电压等级的各种电器设备,它们分为一次设备和二次设备。直接与高压侧有关的生产、变换、输送和分配电能的设备称作一次设备,主要包括:生产和变换电能的设备、接通和断开电路的开关电器、限制过电流或过电压的设备等,比如发电机、变压器、断路器、隔离开关等;把对一次设备进行监测、控制、调节及保护的设备称为二次设备,主要包括:互感器的二次绕组、测量仪表、继电保护及自动装置、信号设备、控制设备与控制电缆和操作电源设备等。

变电所在确保工厂正常供电中起到关键性作用。如果工厂电能供应突然中断,就会对工业生产造成严重的不良后果,甚至可能发生重大的设备损坏或人员伤亡事故。因此,变电所保证工厂正常有序地供电,具有十分重要的意义。

本文以中小型工厂10 k V、容量为1 000 k W的工厂降压变电所电气设计为例,根据该厂所取得的电源、该厂用电负荷的实际情况,适当考虑生产的发展,设计一套可行的方案。

1 变电所的供电电源及用电负荷

供电电源情况:该厂可以从附近一条10 kV的公用电源干线取得电源。干线所装设的高压断路器为500 MW。此断路器具有定时限过流保护和电流速断保护,定时限过流保护的动作时间是1.7 s。

工厂用电负荷情况(如表1所示):该厂年最大负荷利用时间为4 500 h,日最大负荷持续时间为12 h,其中,模具车间、铸造车间、锅炉房为二级负荷,其余均为三级负荷,动力设备的工作电压为380 V,照明设备的工作电压为220 V。

表1 工厂用电负荷参数表

2 负荷计算及主变压器的选择

设计变电所首先要进行负荷计算,以确定用电设备需要的降压变压器的容量,并为有关电气设备的选型提供技术依据。

2.1 负荷计算

变电所的总负荷由各车间的用电负荷决定。

计算采用以下公式:

有功计算负荷(单位为k W) P30=K d P e

式中:Pe——车间用电设备的总容量;

Kd——车间用电设备的需要系数;

cosφ——车间用电设备的功率因数;

tanφ——车间用电设备的功率因数的正切值;

U N——工厂进线额定电压(kV)。

计算结果如表2所示。

表2 工厂用电负荷计算表

2.2 无功功率补偿

通过工厂负荷计算表得知,该厂总用电设备最大负荷时的功率因数只有0.73。遵照我国电力部门的有关规定,供电企业要求该厂10 kV进线侧最大负荷时功率因数不应低于0.90。考虑到供电变压器的无功损耗远大于有功损耗,因此,380 V侧最大负荷时功率因数应大于0.90,拟取0.92来计算380 V侧所需无功功率补偿容量

加工一个自动补偿盘,并联电容总容量为400 k W。补偿后工厂计算负荷见表3。

表3 补偿后工厂用电负荷计算表

2.3 变电所主变压器台数的选择

选择主变压器台数时应考虑以下原则:

1.应满足负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所,应选用2台变压器。

2.一般供三级负荷的变电所可采用1台变压器。

3.在确定变电所主变压器台数时,还应考虑到以后设备的增加而引起用电容量的增大。

2.4 变电所主变压器容量的选择

1.只装有1台主变压器的变电所,其主变压器的额定容量SN·T应该满足全部用电设备总的计算负荷∑S30的需要。即SN·T ≥∑S30。

2.装有2台主变压器的变电所,每台主变压器的额定容量SN·T应同时满足以下2个条件:

1)任1台变压器单独运行时,应能满足不小于总计算负荷60%的需要,即SN·T≥0.6∑S30;

2)任1台变压器单独运行时,应能满足全部一、二级负荷∑S30(Ⅰ+Ⅱ)的需要。即SN·T≥∑S30(Ⅰ+Ⅱ)。

根据工厂的负荷性质和电源情况,工厂变电所的主变压器可有以下方案:

1)装设1台主变压器,容量为

可选用1台S9-1000/10型双绕组低损耗变压器。

2)装设2台主变压器,容量为

可选用2台S9-600/10型双绕组低损耗变压器。

通过性价比对照,装设1台主变压器的方案优越于装设2台主变压器的方案。

3 短路电流的计算

3.1 有关短路的概念

短路是指不同电位的导体之间的电气短接,这是电力系统中最常见的一种故障,也是电力系统中最严重的一种故障。

电路短路后,其阻抗值比正常负荷时电路的阻抗值小得多,因此,短路电流往往比正常负荷电流大很多倍。在大容量电气系统中,短路电流可高达几万安培或几十万安培。如此大的短路电流对电力系统将产生极大的危害。电路的保护装置应能自动、快速动作,切除故障回路,以使故障涉及范围最小;同时,又要最大限度地保证非故障回路连续供电,增加电力系统的生命力。选择合适的保护装置就是选择具有适当的短路额定电流和适当的热容量。

电力系统中,发生单相短路的可能性最大,但三相短路的短路电流比单相短路电流大得多,造成的危害也最为严重。因此,作为选择和校验电器和导体依据的短路电流,通常采用三相短路电流。

3.2 标幺制法计算短路电流的有关公式

标幺制法,又称相对单位制。在短路计算中阻抗、电流、电压等物理量均采用标幺值。

基准容量在工程设计中通常取Sd=100 MW。

基准电压为短路点所在级的标称值,通常取所在电路额定电压U N的1.05倍,即U d=U c=1.05U N。

三相短路电流周期分量有效值(即三相短路稳态电流)为

式中:Soc—电力系统出口断路器的短路容量。

电力变压器的电抗标幺值为

式中:U k%—电力变压器的短路电压(阻抗电压)百分比;SN—电力变压器的额定容量。

线路的电抗标幺值为

式中:X 0—线路的单位长度电抗;l—线路的长度。

3.3 计算电路图(见图1)

3.4 确定基准值

设 Sd=100 MW,高压侧Ud1=Uc=1.05Un,低压侧U d 1=0.4 kV。

3.5 计算短路电路中各元件的电抗标幺值

图1 短路计算电路

图2 等效电路

表4 短路计算结果表

4 变电所电气设备的选择

根据上述短路电流计算的结果,按正常工作条件选择和短路情况校验,降压变电所的10 k V侧设备的选择见表5,380 V侧设备的选择见表6。

表5 10 kV侧设备

表6 380 V侧设备

5 继电保护的配置

在高压系统中,一般采用继电器保护装置,一是在供电系统出现短路故障时,迅速跳闸,切除故障部分,同时发出短路信号,提醒工作人员及时处理事故;二是在供电系统出现不正常的工作状态时,发出报警信号,提醒工作人员注意并及时处理,以免发生故障。

降压变电所需配置继电保护装置:包括主变压器保护,10 kV线路保护。

5.1 主变压器保护

1.瓦斯保护:采用FJ-80型开口杯式瓦斯继电器,当变压器产生轻微瓦斯或油面降低,瓦斯继电器发出轻瓦斯信号;当变压器产生重瓦斯或漏油时,瓦斯继电器发出报警信号并使断路器跳闸,切除变压器。

2.电流速断保护:电流速断保护实际上是一种瞬时动作的过流保护,采用GL-15型电流继电器,直接利用继电器的电磁元件来实现电流速断保护,其感应元件用来作反时限过流保护,不用额外增加设备,非常经济实惠。

5.2 10 kV线路保护

1.过电流保护:当电路中电流过大时,采用GL-15型电流继电器,使电路跳闸,其过流保护时间为0.5 s。

2.电流速断保护:利用GL-15型电流继电器的速断装置。

6 变电所的防雷保护与接地装置的设计

6.1 变电所的防雷保护分两种

装设避雷针或避雷线以防护整个变电所,使之免遭直接雷击。当雷击避雷针时,强大的雷电流通过引下线和接地装置泄入大地,在避雷针和引下线上形成的高电位可能对附近的配电设备发生反击闪络。为了防止发生反击闪络,则必须设法降低接地电阻和保证防雷设备与配电设备之间有足够的安全距离。

就直击雷防护而言:在变电所屋顶装设避雷针避雷带,并引出2根接地线与变电所公共装置相连。

装设避雷器,主要用来保护主变压器,以免雷击冲击波高压线路侵入变电所。阀式避雷器与变压器及其它被保护的电气距离应尽量缩短,其接地线应与变压器低压侧接地中性点及金属外壳连在一起接地。

6.2 变电所公共接地装置的设计

电气设备接地装置的布置,应使接地装置附近的电位分布尽可能地均匀,以降低接触电压和跨步电压,保证人身安全。公共接地装置的接地电阻应小于4Ω,变电所接地装置采用直径50 mm、长2.5 m的镀锌钢管16根,沿变电所均匀分布,管距5 m,垂直打入地下,管顶离地面0.6 m。钢管间用40 mm×4 mm的镀锌扁钢焊接成为一个外缘闭合接地网。变电所的变压器的2条接地干线与配电室的接地干线用25 mm×4 mm的镀锌扁钢焊接成网,并与室外的接地网多处焊接。

[1] 刘介才.工厂供电设计指导.北京:机械工业出版社,1998.

[2] 戴绍基.工厂供电(电气运行与控制专业).北京:机械工业出版社,2002.