小区变电所设计

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摘要：随着社会的发展与进步，以信息技术与建筑技术相结合的智能小区迅速发展起来。智能小区的发展为人们提供更为便捷、高雅、舒适的居住环境，它不仅包括服务、空间展开、电子基础设施、缆线管理等一般服务，更重要的是以建筑为平台，集结构、服务、管理、电气自动化及通信网络系统之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的居住环境。本次电气工程设计以最新智能小区的发展为背景，涉及小区的供配电设计、弱电系统设计、单体楼电气照明设计等几部分内容。小区供配电设计是根据小区规模及建筑分布情况规划变电所的位置、类型，主要包括负荷计算和相关设备的选择；单体建筑电气设计是根据国家有关规范完成一栋多层住宅楼的电气施工图设计，主要包括照明配电、防雷与接地、综合系统布线等内容。

关键词：负荷计算；继电保护；电气照明设计；弱电系统

作者简介：郭志远（1984-），男，山东海阳人，海阳市供电公司营销部，助理工程师。（山东 海阳 265100）

中图分类号：TM63  文献标识码：A  文章编号：1007-0079（2011）36-0126-03

一、概述

1.设计概况

本设计是小区供配电的设计，设计以“电气工程专业毕业设计任务书与指导书”所提供的设计要求、设计依据、设计任务及小区总平面图为依据，结合国家近年来颁布的建筑标准规范和供电技术的最新发展，依托《工厂供电》、《电气照明》、《继电保护》的授课内容，并查阅有关图书资料进行的。本设计的主要内容包括：负荷计算；变压器的选择及连接方案；主接线方案的选择；短路电流计算；继电保护的整定弱电系统设计；防雷接地保护等。

2.原始资料

世纪花园小区包括单体建筑15栋，建筑类型为住宅楼，住户共520户。小区年最大负荷利用小时为2500h，日最大负荷持续时间为8h，本小区均属于三级负荷。低压动力设备均为三相供电，额定电压为380V。照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。

供电电源：按照甲方与当地供电部门签订的供用电协议规定，本小区可由附近一条10kV的公用电源线引来。该干线的导线型号为LGJ-185，导线为等边三角形，线距为1.2m；电力系统馈电变电站距本小区6km，该干线首端所装高压断路器的断流容量为500MVA，此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动作时间为1.5s。气象资料：年最高气温为36.5℃，年平均气温为20℃，年最低气温为-18.5℃，最热月平均最高气温31.5℃，年最热月地下0.7~1米处平均温度20℃，土壤冻结深度为0.75米。夏季主导风向为南风，年雷暴日31天。地质水文资料：所在地区平均海拔130m，地层以沙粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.8~5.3m，抵制压力为20吨/平方米。电费制度：小区与当地供电部门达成协议，在变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费制交纳电费。一部分为基本电费，按所装用的主变压器容量来计费。另一部分为电度电费，按每月实际耗用的电能计费。小区最大负荷时的高压侧功率因数不低于0.9。

二、负荷计算

1.负荷分析

负荷分类及定义。

一级负荷：中断供电将造成人身伤亡或重大设计损坏，且难以挽回，带来极大的政治、经济损失者属于一级负荷。一级负荷要求有两个独立电源供电。

二级负荷：中断供电将造成设计局部破坏或生产流程紊乱，且较长时间才能修复或大量产品报废，重要产品大量减产，属于二级负荷。二级负荷应由两回线供电。但当两回线路有困难时（如边远地区），允许有一回专用架空线路供电。

三级负荷：不属于一级和二级的一般电力负荷。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。

按照GB500-1995《供配电系统设计规范》规定，电力负荷据其对供电可靠性的要求及中断电造成的损失或影响分为三级，本工程设计按三级负荷进行供电设计。

2.负荷计算

根据小区的负荷情况，年最大负荷利用小时为2500 h，日最大负荷持续时间为8h，按照我国普遍采用的需要系数法确定小区计算负荷。本小区共15栋楼，总共520户，统计为三类：一类，共136户；二类，共209户；三类，140户。具体负荷计算如下所示。

第一类：

（1）本类包括4、5、12、13、15号楼，共有136户，根据《GB50096-1999住宅设计规范》和《小康住宅设计导则》的有关规定，每户用电指标按8 计算，需要系数参照《民用建筑电气设计规范》的规定，取Kd=0.36，则有功计算负荷：。

（2）依据《民用建筑电气设计规范》有关规定，取功率因数，则，则无功计算负荷：。

第二类：

本类包括2、9、10、11、14号楼，共有209户，根据《GB50096-1999住宅设计规范》和《小康住宅设计导则》的有关规定，每户用电指标按6 计算，需要系数参照《民用建筑电气设计规范》的规定，取，则有功计算负荷：；无功计算负荷：。

第三类：

（1）本类包括1、3、6、7、8号楼，共有175户，根据《GB50096-1999住宅设计规范》和《小康住宅设计导则》的有关规定，每户用电指标按4计算，需要系数参照《民用建筑电气设计规范》的规定，取，则有功计算负荷：。

（2）依据《民用建筑电气设计规范》相关规定，取功率因数，则，则无功计算负荷：。

三、主变压器的选择

1.主变压器台数的选择

选择变压器时应考虑以下几条原则：

（1）应满足用电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装设两台变压器。

（2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较而宜采用经济运行方式的变电所，可考虑采用两台变压器。

（3）负荷集中而容量相当大的变电所，既是为三级负荷，也应采用两台或多台变压器。

（4）在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。

本次工程设计综合考虑以上原则，确定装设两台变压器。

2.主变压器容量的选择

装设两台主变的变电所，每台主变容量同时满足以下两个条件：

（1）任一台变压器单独运行时能满足总计算负荷60%～70%的需要，即：

。

本小区所在地区的年平均气温为20℃，且变压器采用室内安装，处在室内的变压器环境温度比户外变压器环境温度高出8℃，故变压器实际容量较上式计算还要减少8%，其实际容量为：，才满足以上要求。

（2）任一台变压器单独运行时，宜满足全部一、二负荷的需要，本次小区设计的负荷等级为三级，故可不考虑这个因素影响。

（3）变压器采用Dyn11联结，与Dyn0联结相比，利于抑制高次谐波，便于低压单相接地短路故障的保护和切除承受单相不平衡负荷的能力强。

最后，综合考虑以上几个因素影响，本小区变电所采用两台S9系列800kVA的变压器。型号为S9-800/10，联结组标号Dyn11。

四、变电所主接线方案的设计

1.主接线方案的基本要求

变电所的主接线方案基本要求：

（1）保证供电的可靠性，满足负荷用电的要求；

（2）在保证可靠供电的前提下，主接线应简单，运行方便；

（3）主接线应有一定的灵活性；

（4）结合工厂的发展规划，应留有扩建的余地；

（5）在保证可靠运行的基础上，力求投资少，年运行费用低。

2.主接线方案的确定

（1）电源进线。

为满足小区负荷的要求，本变电所采用两路10kV电源进线，一路由小区西北侧的电缆线引进，此作为正常工作电源；另一路为联络线，从邻近的用电单位的联络线取得，为本小区负荷取得备用电源。通常高压母线隔离开关打开，由一路电源供电。

（2）母线。

高低压母线采用断路器分段的单母线制，母线分段开关通常闭合，并采用备用电源自动投入装置，以提高供电的可靠性。

为测量、监视、保护和控制主电路设备的需要，每段母线上接电压互感器装设继电保护装置，进出线上均串有电流互感器，每段母线上装设避雷器，与电压互感器同设在进线隔离柜中，共用抽屉式开关柜。

（3）高压配电出线。

该变电所有两路高压出线。这两路出线分别由两路母线经断路器配电给两台变压器。所有出线断路器的母线侧采用抽屉式开关柜，以保证断路器和出线的安全检修。

（4）低压配电出线。

该变电所的16路低压出线均装设刀开关+断路器供电给15栋楼和路灯，另两路出线经刀开关+接触器供给低压配电室的低压并联电容器柜和配电室照明供电。低压配电采用TN-C-S三相四线制供电系统，并在入楼时统一接地。

五、短路电流计算

1.短路电流计算的目的

（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

（3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）按接地装置的设计，也需用短路电流。

2.短路电流计算的步骤

（1）计算各元件电抗标幺值，并折算到同一基准容量下；

（2）给系统制订等值网络图；

（3）选择短路点；

（4）对网络进行化简，把供电系统看成为无限大系统，不考虑短路电流周期分量的衰减求出电流对短路点的电抗标幺值，并计算短路电流的标幺值、有名值；

标幺值：

（1）

有名值：

（2）

（5）计算短路容量、短路电流冲击值；

短路容量：

（3）

短路电流冲击值：

（4）

（6）列出短路电流计算并得出结果。

3.短路电流计算的结果

六、主变继电保护设计

根据GB50062―1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规程规定，容量小于6300kVA的变压器设以下保护。

1.瓦斯保护

防御变压器铁壳内部短路和油面降低。轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳闸。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护易动作于断开变压器各电源侧断路器。未采取使瓦斯保护能切除变压器内部故障的技术措施时，瓦斯保护可仅动作于信号。

2.过电流保护

防御外部相间短路，并作为瓦斯保护和电流速断保护的后备保护，动作于跳闸。

过电流保护动作电流的整定。

取，而

，故

，动作电流整定为8A。

考虑到小区变电所为系统终端变电所，因此其过电流保护的10倍动作电流的动作时间整定为0.5s。

3.电流速断保护

防御变压器线圈和引出线的多相短路，动作于跳闸。对于中小容量的变压器，可以在其电源侧装设电流速断保护而不设置变压器纵差动保护。速断保护接线采用两相两继电器式接线方式，继电器采用GL－15/10型，应用去电流跳闸操作方式。

电流速断保护的速断电流整定：

取，而，故

因此速断电流倍数整定为。

4.过负荷保护

防御变压器本身的对称性过负荷及外部短路引起的过载，按具体条件装设。

5.低压侧单相短路保护

对于变压器低压侧的单相短路，可采用在变压器低压侧装设三相带过电流脱口器的低压断路器。这一断路器，既作低压主开关，操作方便，且便于实现自动化，又可用来保护低压侧的相间短路和单相短路。

七、变电所防雷接地系统设计

变电所是第一类防雷级别的建筑物，因此要按第一类防雷建筑物的保护措施设计。

1.变电所防雷措施

（1）由于变配电所设置在小区内，其已处在附近更高的建筑物上的防雷措施的保护范围之内，故变电所不必考虑装设避雷针来防护直击雷。

（2）装设避雷器用来防止雷电侵入波对变配电所电气装置特别是主变压器的危害。

（3）在小区的进线电缆和联络电缆进变电所时，电缆头处的金属外皮应可靠接地。

（4）每组高压母线上均应装设阀式避雷器。所有避雷器应以最短的接地线与主接地网连接。阀式避雷器与主变压器及其他被保护设备的电器距离应尽量缩短。

（5）对于本次设计的配电变压器低压侧中性点接地系统，变压器两侧的避雷器与变压器的中性点及金属外壳一起接地。

2.变电所接地措施

根据GB50169-1992《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》规定，电气装置的接地电阻（包括工频接地电阻和冲击接地电阻）要符合相应要求。对于我们常采用的TN系统，其中所有设备的外露可导电部分均接在公共的PE线或PEN线上，因此不存在保护接地电阻问题。

变电所在装设接地装置时，除了要充分利用自然接地体，以节约投资，节约钢材外，还应装设人工接地体。本变电所周围公共接地装置采用置垂直钢管接地体，用镀锌扁钢连接，接地装置的具体计算如下。

（1）确定接地电阻。

本变电所公共接地装置接地电阻应满足以下两个条件：

；，其中，故可得，比较上述两个条件知，变电所的公共接地装置的接地电阻应为。

（2）接地装置的初步方案。

现初步考虑围绕变电所建筑周围，距变电所2～3m，打入一圈直径50mm、长2.5m的钢管接地体，每隔5m打入一根。管间用40×4mm2的扁钢焊接相连。

（3）计算单根钢管的接地电阻。

查《工厂供电》附录表27，得砂质粘土的，

按公式知，。

（4）确定接地的钢管数和最后接地方案。

根据，但考虑到管间电流屏蔽效应的影响，初选15根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体。以和去查《工厂供电》附录表20-8得，故

考虑到接地体的均匀对称布置，选用16根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体，用40×4mm2的扁钢连接，环形布置。变压器下面的导轨以及放置高低压开关柜的地沟上的槽钢或角钢，均用25mm×4mm的扁钢焊接成网，并与室外的接地网多处相连。

八、结束语

变电所是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。总容量在百万千瓦以上变电所的建立促使变电所建筑结构和设计不断改进和发展。选择设计本课题，是对自己已学知识的整理和进一步的理解、认识，可以学习和掌握变电所电气部分设计的基本方法，培养独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能。电力工业的迅速发展，对变电所的设计提出了更高的要求，更需要我们提高知识理解应用水平，认真对待。

参考文献：

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[3]苏文成.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,1990.

[4]朱元庆,商文怡.建筑电气设计基础知识[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[5]陈志新,李英姿.现代建筑电气技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2001.