王 超, 嚴(yán) 敏, 王 凡, 唐培康, 胡月丹, 徐橋安

(1.上海交技發(fā)展股份有限公司,上海200135;2.上海理光數(shù)碼設(shè)備有限公司,上海201206)

0 前 言

變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié),是電網(wǎng)中線路的連接點(diǎn),起著變換電壓、交換和匯集分配電能、控制電力流向、調(diào)整電壓的作用。

為了確保供電安全、可靠和經(jīng)濟(jì),按照嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求,變電站中安裝有不同電壓等級的各種電器設(shè)備,它們分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。直接與高壓側(cè)有關(guān)的生產(chǎn)、變換、輸送和分配電能的設(shè)備稱作一次設(shè)備,主要包括:生產(chǎn)和變換電能的設(shè)備、接通和斷開電路的開關(guān)電器、限制過電流或過電壓的設(shè)備等,比如發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等;把對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)及保護(hù)的設(shè)備稱為二次設(shè)備,主要包括:互感器的二次繞組、測量儀表、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、信號設(shè)備、控制設(shè)備與控制電纜和操作電源設(shè)備等。

變電所在確保工廠正常供電中起到關(guān)鍵性作用。如果工廠電能供應(yīng)突然中斷,就會對工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的不良后果,甚至可能發(fā)生重大的設(shè)備損壞或人員傷亡事故。因此,變電所保證工廠正常有序地供電,具有十分重要的意義。

本文以中小型工廠10 k V、容量為1 000 k W的工廠降壓變電所電氣設(shè)計(jì)為例,根據(jù)該廠所取得的電源、該廠用電負(fù)荷的實(shí)際情況,適當(dāng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展,設(shè)計(jì)一套可行的方案。

1 變電所的供電電源及用電負(fù)荷

供電電源情況:該廠可以從附近一條10 kV的公用電源干線取得電源。干線所裝設(shè)的高壓斷路器為500 MW。此斷路器具有定時(shí)限過流保護(hù)和電流速斷保護(hù),定時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間是1.7 s。

工廠用電負(fù)荷情況(如表1所示):該廠年最大負(fù)荷利用時(shí)間為4 500 h,日最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間為12 h,其中,模具車間、鑄造車間、鍋爐房為二級負(fù)荷,其余均為三級負(fù)荷,動(dòng)力設(shè)備的工作電壓為380 V,照明設(shè)備的工作電壓為220 V。

表1 工廠用電負(fù)荷參數(shù)表

2 負(fù)荷計(jì)算及主變壓器的選擇

設(shè)計(jì)變電所首先要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算,以確定用電設(shè)備需要的降壓變壓器的容量,并為有關(guān)電氣設(shè)備的選型提供技術(shù)依據(jù)。

2.1 負(fù)荷計(jì)算

變電所的總負(fù)荷由各車間的用電負(fù)荷決定。

計(jì)算采用以下公式:

有功計(jì)算負(fù)荷(單位為k W) P30=K d P e

式中:Pe——車間用電設(shè)備的總?cè)萘?

Kd——車間用電設(shè)備的需要系數(shù);

cosφ——車間用電設(shè)備的功率因數(shù);

tanφ——車間用電設(shè)備的功率因數(shù)的正切值;

U N——工廠進(jìn)線額定電壓(kV)。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 工廠用電負(fù)荷計(jì)算表

2.2 無功功率補(bǔ)償

通過工廠負(fù)荷計(jì)算表得知,該廠總用電設(shè)備最大負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)只有0.73。遵照我國電力部門的有關(guān)規(guī)定,供電企業(yè)要求該廠10 kV進(jìn)線側(cè)最大負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)不應(yīng)低于0.90?？紤]到供電變壓器的無功損耗遠(yuǎn)大于有功損耗,因此,380 V側(cè)最大負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)應(yīng)大于0.90,擬取0.92來計(jì)算380 V側(cè)所需無功功率補(bǔ)償容量

加工一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償盤,并聯(lián)電容總?cè)萘繛?00 k W。補(bǔ)償后工廠計(jì)算負(fù)荷見表3。

表3 補(bǔ)償后工廠用電負(fù)荷計(jì)算表

2.3 變電所主變壓器臺數(shù)的選擇

選擇主變壓器臺數(shù)時(shí)應(yīng)考慮以下原則:

1.應(yīng)滿足負(fù)荷對供電可靠性的要求。對供有大量一、二級負(fù)荷的變電所,應(yīng)選用2臺變壓器。

2.一般供三級負(fù)荷的變電所可采用1臺變壓器。

3.在確定變電所主變壓器臺數(shù)時(shí),還應(yīng)考慮到以后設(shè)備的增加而引起用電容量的增大。

2.4 變電所主變壓器容量的選擇

1.只裝有1臺主變壓器的變電所,其主變壓器的額定容量SN·T應(yīng)該滿足全部用電設(shè)備總的計(jì)算負(fù)荷∑S30的需要。即SN·T ≥∑S30。

2.裝有2臺主變壓器的變電所,每臺主變壓器的額定容量SN·T應(yīng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件:

1)任1臺變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí),應(yīng)能滿足不小于總計(jì)算負(fù)荷60%的需要,即SN·T≥0.6∑S30;

2)任1臺變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí),應(yīng)能滿足全部一、二級負(fù)荷∑S30(Ⅰ+Ⅱ)的需要。即SN·T≥∑S30(Ⅰ+Ⅱ)。

根據(jù)工廠的負(fù)荷性質(zhì)和電源情況,工廠變電所的主變壓器可有以下方案:

1)裝設(shè)1臺主變壓器,容量為

可選用1臺S9-1000/10型雙繞組低損耗變壓器。

2)裝設(shè)2臺主變壓器,容量為

可選用2臺S9-600/10型雙繞組低損耗變壓器。

通過性價(jià)比對照,裝設(shè)1臺主變壓器的方案優(yōu)越于裝設(shè)2臺主變壓器的方案。

3 短路電流的計(jì)算

3.1 有關(guān)短路的概念

短路是指不同電位的導(dǎo)體之間的電氣短接,這是電力系統(tǒng)中最常見的一種故障,也是電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的一種故障。

電路短路后,其阻抗值比正常負(fù)荷時(shí)電路的阻抗值小得多,因此,短路電流往往比正常負(fù)荷電流大很多倍。在大容量電氣系統(tǒng)中,短路電流可高達(dá)幾萬安培或幾十萬安培。如此大的短路電流對電力系統(tǒng)將產(chǎn)生極大的危害。電路的保護(hù)裝置應(yīng)能自動(dòng)、快速動(dòng)作,切除故障回路,以使故障涉及范圍最小;同時(shí),又要最大限度地保證非故障回路連續(xù)供電,增加電力系統(tǒng)的生命力。選擇合適的保護(hù)裝置就是選擇具有適當(dāng)?shù)亩搪奉~定電流和適當(dāng)?shù)臒崛萘俊?/p>

電力系統(tǒng)中,發(fā)生單相短路的可能性最大,但三相短路的短路電流比單相短路電流大得多,造成的危害也最為嚴(yán)重。因此,作為選擇和校驗(yàn)電器和導(dǎo)體依據(jù)的短路電流,通常采用三相短路電流。

3.2 標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流的有關(guān)公式

標(biāo)幺制法,又稱相對單位制。在短路計(jì)算中阻抗、電流、電壓等物理量均采用標(biāo)幺值。

基準(zhǔn)容量在工程設(shè)計(jì)中通常取Sd=100 MW。

基準(zhǔn)電壓為短路點(diǎn)所在級的標(biāo)稱值,通常取所在電路額定電壓U N的1.05倍,即U d=U c=1.05U N。

三相短路電流周期分量有效值(即三相短路穩(wěn)態(tài)電流)為

式中:Soc—電力系統(tǒng)出口斷路器的短路容量。

電力變壓器的電抗標(biāo)幺值為

式中:U k%—電力變壓器的短路電壓(阻抗電壓)百分比;SN—電力變壓器的額定容量。

線路的電抗標(biāo)幺值為

式中:X 0—線路的單位長度電抗;l—線路的長度。

3.3 計(jì)算電路圖(見圖1)

3.4 確定基準(zhǔn)值

設(shè) Sd=100 MW,高壓側(cè)Ud1=Uc=1.05Un,低壓側(cè)U d 1=0.4 kV。

3.5 計(jì)算短路電路中各元件的電抗標(biāo)幺值

圖1 短路計(jì)算電路

圖2 等效電路

表4 短路計(jì)算結(jié)果表

4 變電所電氣設(shè)備的選擇

根據(jù)上述短路電流計(jì)算的結(jié)果,按正常工作條件選擇和短路情況校驗(yàn),降壓變電所的10 k V側(cè)設(shè)備的選擇見表5,380 V側(cè)設(shè)備的選擇見表6。

表5 10 kV側(cè)設(shè)備

表6 380 V側(cè)設(shè)備

5 繼電保護(hù)的配置

在高壓系統(tǒng)中,一般采用繼電器保護(hù)裝置,一是在供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí),迅速跳閘,切除故障部分,同時(shí)發(fā)出短路信號,提醒工作人員及時(shí)處理事故;二是在供電系統(tǒng)出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)時(shí),發(fā)出報(bào)警信號,提醒工作人員注意并及時(shí)處理,以免發(fā)生故障。

降壓變電所需配置繼電保護(hù)裝置:包括主變壓器保護(hù),10 kV線路保護(hù)。

5.1 主變壓器保護(hù)

1.瓦斯保護(hù):采用FJ-80型開口杯式瓦斯繼電器,當(dāng)變壓器產(chǎn)生輕微瓦斯或油面降低,瓦斯繼電器發(fā)出輕瓦斯信號;當(dāng)變壓器產(chǎn)生重瓦斯或漏油時(shí),瓦斯繼電器發(fā)出報(bào)警信號并使斷路器跳閘,切除變壓器。

2.電流速斷保護(hù):電流速斷保護(hù)實(shí)際上是一種瞬時(shí)動(dòng)作的過流保護(hù),采用GL-15型電流繼電器,直接利用繼電器的電磁元件來實(shí)現(xiàn)電流速斷保護(hù),其感應(yīng)元件用來作反時(shí)限過流保護(hù),不用額外增加設(shè)備,非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

5.2 10 kV線路保護(hù)

1.過電流保護(hù):當(dāng)電路中電流過大時(shí),采用GL-15型電流繼電器,使電路跳閘,其過流保護(hù)時(shí)間為0.5 s。

2.電流速斷保護(hù):利用GL-15型電流繼電器的速斷裝置。

6 變電所的防雷保護(hù)與接地裝置的設(shè)計(jì)

6.1 變電所的防雷保護(hù)分兩種

裝設(shè)避雷針或避雷線以防護(hù)整個(gè)變電所,使之免遭直接雷擊。當(dāng)雷擊避雷針時(shí),強(qiáng)大的雷電流通過引下線和接地裝置泄入大地,在避雷針和引下線上形成的高電位可能對附近的配電設(shè)備發(fā)生反擊閃絡(luò)。為了防止發(fā)生反擊閃絡(luò),則必須設(shè)法降低接地電阻和保證防雷設(shè)備與配電設(shè)備之間有足夠的安全距離。

就直擊雷防護(hù)而言:在變電所屋頂裝設(shè)避雷針避雷帶,并引出2根接地線與變電所公共裝置相連。

裝設(shè)避雷器,主要用來保護(hù)主變壓器,以免雷擊沖擊波高壓線路侵入變電所。閥式避雷器與變壓器及其它被保護(hù)的電氣距離應(yīng)盡量縮短,其接地線應(yīng)與變壓器低壓側(cè)接地中性點(diǎn)及金屬外殼連在一起接地。

6.2 變電所公共接地裝置的設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備接地裝置的布置,應(yīng)使接地裝置附近的電位分布盡可能地均勻,以降低接觸電壓和跨步電壓,保證人身安全。公共接地裝置的接地電阻應(yīng)小于4Ω,變電所接地裝置采用直徑50 mm、長2.5 m的鍍鋅鋼管16根,沿變電所均勻分布,管距5 m,垂直打入地下,管頂離地面0.6 m。鋼管間用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼焊接成為一個(gè)外緣閉合接地網(wǎng)。變電所的變壓器的2條接地干線與配電室的接地干線用25 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼焊接成網(wǎng),并與室外的接地網(wǎng)多處焊接。

[1] 劉介才.工廠供電設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2] 戴紹基.工廠供電(電氣運(yùn)行與控制專業(yè)).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.