1、工厂供配电系统毕业设计摘要本论文主要是对小型工厂供配电系统的电气部分进行设计。工厂由户外引入 10kV 的高压电源，经过工厂变电所降为 220/380V 的低压电，直接供给工厂车间的动力系统和照 明系统。在选择电气设备之前，先对工厂负荷进行计算，确定工厂总的负荷容量，同时在低压 母线侧进行无功功率的补偿，以提高功率因数。根据补偿后的负荷容量，选择工厂变电所 变压器的容量和台数，然后确定工厂采用的供电系统，选择合适的车间配电方案，画出供 配电系统主接线图。高压一次设备、 低压一次设备和导线截面积选择时， 都必须满足电路正常条件下和短 路故障条件下工作的要求。 电气设备不仅要满足在短路故障条件下的
2、工作要求， 还必须按 最大可能的短路故障时的动稳态度和热稳态度进行校验，以判断设备是否满足工作要求。 电路发生三相短路时的短路电流电流最大，计算三相短路电流，以进行设备的校验。最后，进行继电保护和防雷接地，来提高系统的安全性和可靠性。关键词： 负荷计算，三相短路，主接线，继电保护，设备选择摘要 IAbstract II目录 III1绪论 12电力负荷及其计算 22.1负荷分级及供电电源措施 22.1.1工厂电力负荷的分级 . 22.1.2各级负荷的供电措施 . 22.2工厂计算负荷的确定 32.2.1负荷计算的目的和意义 32.2.2负荷计算的方法 32.2.3需要系数法确定计算负荷 42.2
3、.4二项式法确定计算负荷 62.2.5工厂负荷的计算 62.3无功功率补偿 92.3.1功率因数 92.3.2无功补偿的选择 102.3.3无功补偿的计算 113变压器的选择及其电气主接线 133.1变压器的选择 133.1.1电力变压器及其分类 133.1.2电力变压器的连接组别 133.1.3变压器台数和容量的选择 143.1.4电力变压器的校验 153.2工厂变配电所的主接线图 153.2.1电气主接线的概况 153.2.2车间和小型工厂变电所的主接线图 163.2.3本工厂变电所主接线的确定 214短路电流的计算 224.1短路的原因、后果及其形式 224.1.1短路的原因 224.1
4、.2短路的后果 224.1.3短路的形式 234.2无限大容量电力系统的三相短路计算 234.2.1无限大容量电力系统 234.2.2短路电流的计算方法 234.2.3工厂三相短路电流的计算 25第 5 章 金工车间的配电 285.1低压配电线路接线方式 285.2低压配电系统的接地型式 29第 6 章 设备选择与校验 336.1导线的选择与校验 336.1.1车间导线截面及配电箱的选择 336.1.2车间导线的校验 386.2高压一次设备的选择与校验 406.2.1一次设备及其分类 406.2.2一次设备的选择 416.2.3一次设备的校验 436.3低压补偿柜选择 45第 7 章 继电保护
5、与防雷接地 467.1工厂的继电保护 467.1.1继电保护的选择 467.1.2继电保护的整定及计算 467.2工厂的防雷与接地 47总结 49参考文献 50致谢 51附录 A1绪论电能是现代工业生产的主要能源和动力。 电能既易于由其他形式的能量转换 而来，又易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济， 又便于控制、调节和测量，有利于实现生产自动化。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。一般中小型工厂的电压进线电压为 6-10kV。电能先经高压配电所集中，在 由高压配电线路将电能分送到各车间变电所， 或者高压配电线路供给给高压用电 设备。车间变电所内装
6、设有电力变压器，将 6-10kV的高压降为一般低压用电设 备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。对于大型工厂及其某些电源进线电压为 35 kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压，也就是电源进厂后，先经总降压变电所，有大容量的电力变压器将 35kV及以上的电源电压降为6-10kV的配电电压，再通过高压配电线路或高压配 电所将电能送到各个车间变电所， 最后经变压器降为一般低压用电设备所需的电 压。有的35kV进线的工厂，只经一次降压，及35kV线路直接引入靠近负荷中心 的车间变电所， 经车间变电所的配电变压器直接降为低压用电设备所需电压。 这 种配电方式称为高
7、压深入负荷中心的直配方式。 这样可以省去一级中间变压， 从 而简化了供电系统，节约有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量。 然而这要根据厂区环境条件是否满足 35kV架空线路深入负荷中心的“安全走廊”要求而定，否则不宜采用，以确保供电安全对于总供电容量不超过1000kV的小型工厂，通常只设一个降压变电所，将6-10kV电压降为低压用电设备所需的电压（220/380V）。如果工厂所需容量不 大于160kVA时，一般采用低压电源进线，工厂只需设一个低压配电间。本厂属于中小型工厂，采用10kV供电电源，在金工车间东侧1020m处有一 座10kV配电室，先用1km的架空线路，后改为电缆线路至本
8、厂变电所，将6-10kV 的高压降为一般低压用电设备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将 电能分送给各用电设备。2电力负荷及其计算2.1负荷分级及供电电源措施2.1.1工厂电力负荷的分级工厂的电力负荷，按 GB 50052 1995 供配电系统设计规范规定，根据对供电可靠性及中断供电在政治、经济上造成的损失或影响的程度进行分级， 负荷可以分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。1一级负荷 符合下列条件之一的，为一级负荷1 ）中断供电，将造成人身伤亡的负荷；2 ）中断供电，将在政治、经济上造成重大损失的负荷；3）中断供电， 将影响有重大政治、 经济意义的用电单位的正常工作的负荷。在一级
9、负荷中，当中断将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断的负荷，应视为特别重要的负荷。2二级负荷 符合下列条件之一的，为二级负荷1 ）中断供电，将在政治上、经济上造成较大损失的负荷；2 ）中断供电，将影响重要用电单位的正常工作的负荷。3三级负荷 不属于一、二级负荷者为三级负荷。2.1.2各级负荷的供电措施1一级负荷的供电措施 一 级负荷应有两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不至于同时受到损坏，以维持供电；而且当一个电源中 断供电时， 另一个电源应能承担本用户的全部一级负荷设备的供电。 一级负荷用 户的变配电室内的高低压配电系统， 应采用单母线分段的主结线形
10、式， 分列运行 并互为备用。一级负荷设备应采用双电源供电，并在最末一级配电盘（箱）处设 置自动切换装置。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设 应急电源。2二级负荷的供电措施 二级负荷应有两个电源供电，即应有两回路供电。 当发生电力变压器故障或线路常见故障时不至于中断供电（或中断后能立即回 复）。3三级负荷的供电措施 三级负荷对供电无特殊要求， 可采用单回路市电供 电。但应使配电系统简洁可靠，尽量减少配电级数，低压配电级数一般不超过四 级，并且应在技术经济合理的情况下，尽量减少电压偏差和电压波动。2.2工厂计算负荷的确定计算负荷是一个假想的持续负荷， 其热效应与同时间内实际变动
11、负荷所产生 的热效应相等。 在供配电系统中， 以 30min 的最大计算负荷作为选择电气设备的 依据，并认为只要电气设备能承受该负荷的长期作用， 即可在正常情况下长期运 行。一般将这个最大计算负荷简称计算负荷 Pc。负荷计算的目的是：1计算变配电所内变压器的负荷电流及视在功率，作为选择变压器容量的 依据。2计算流过各主要电气设备 （ 断路器、隔离开关、母线、熔断器等 ） 的负荷 电流，作为选择这些设备的依据。3计算流过各条线路 （ 电源进线、高低压配电线路等 ） 的负荷电流，作为选 择这些线路电缆或导线截面的依据。4计算尖峰负荷，用于保护电器的整定计算和校验电动机的启动条件5为电气设计提供技术
12、依据。计算负荷是工程设计中按照发热条件选择导 线和电气设备的依据。计算负荷是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量 程的依据，也是整定继电保护的重要依据。计算负荷确定的是否正确，直接影响 到电器和导线的选择是否经济合理。 正确进行负荷计算是供电设计的前提， 也是 实现供电系统安全、经济运行的必要手段。如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色 金属的浪费，而变压器负荷率较低运行时，也将造成长期低效率运行。如果计算 负荷确定的过小，又将使电器和导线处于过负荷运行，增加电能损耗，产生过热， 导致绝缘过早老化甚至产生火灾，造成更大的经济损失。因此，正确确定计
13、算负 荷具有很大的意义。在已知用电设备的情况下，负荷计算有需要系数法、二项式法和利用系数法； 在未知用电设备的情况下，负荷计算有负荷密度法、单位指标法和住宅用电量指 标法。1需要系数法用设备功率乘以需要系数，直接求出计算负荷。这种方法比较简便，应用广 泛，尤其适用于配变电所的负荷计算。2利用系数法采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台属和功率差异的影 响，乘以与有效台数有关的最大系数的计算负荷。 这种方法的理论根据是概率论 和数理统计，因而计算结果比较接近实际，但因利用系数的实测与统计较困难， 在电气设计中一般不用。3二项式法在设备组容量之和的基础上， 考虑若干容量最大设备的影响，
14、 采用经验系数 进行加权求和法计算负荷。4负荷密度法当已知某建筑面积负荷密度P时，某建筑的平均负荷可按下式计算Pav = p A（ kW式中：p 负荷密度（kW/m2A 某建筑面积（ m2）在建筑方案设计阶段， 可采用建筑面积负荷密度法进行负荷估算。 在建筑施 工阶段设计时，可采用需要系数法进行复核。 基本公式需要系数法确定用电设备组的有功计算负荷的基本公式为：P30 K d P e式（ 2.1 ）无功计算负荷为：Q30 P 30 tan式（ 2.2 ）视在计算负荷为：计算电流为:I30 绻/（ 一 3Un）式（ 2.4）Kd - 需要系数巳0 有功计算负荷，单位为kWQ3o-无功计算负荷，单
15、位为kvarS30 -视在计算负荷，单位为kVAcos -用电设备组的平均功率因数tan -用电设备组平均功率因数的正切值 多组用电设备计算负荷的确定在确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时， 应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。 因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其用功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数 K p 和 K q。对车间干线，取对低压母线，分两种情况:1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取总的有功计算负荷为:总的无功计算负荷为:总的视在计算负荷为:由于各组设备的功率因数不一定相同，因
16、此总的视在计算负荷和计算电流 般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算。F3o bPe cFX二项式法的基本公式是式（2.9）式中，bPe表示用电设备组的平均功率，其中 Pe是用电设备组的总容量，其计算方法如前需要系数法所述；CP表示用电设备组中X台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中Px是x台最大容量的设备总容量，b.c为二项式系由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均负荷， 而且考虑了少 数容量最大设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适合确 定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的计算负荷。基础资料：1工厂各车间负荷情况，如表2.1所示表2.
17、1各车间负荷表车间忠/kWQ30 /kvar最大电动机/kW冷作10011030装配809022仓库20207.5户外照明2015金工车间设备负荷如表2.2所示表2.2金工车间负荷表序号设备名称设备容量/kW台数/台13 1316 232536 3234车床7+0.125144铣床10+2.815 21 35摇臂钻4.5+1.7+0.6+0.12536 7 41 42铣床7+2.848 9铣床7+1.7210砂轮机3.2111 12砂轮机1217 18磨床7+1.7+0.5219磨床10+2.8+1.5120 38磨床10+2.8+0.5222 37车床10+0.125226 27磨床14+1
18、+0.6+0.15228 29立床55+7+1137+1.7130车床20+0.15131摇臂钻10+0.5139 40龙门刨75+4.5+1.7+1.7+1+1+0.5243 44 45铣床7+1.7346镗床6.5+2.8147铣床7+2.8148桥式起重机(=25%11+5+5+2.2149 50桥式起重机(=25%16+5+5+3.52全厂照明密度为：12W/m22根据基础资料提供的各厂房电力负荷清单，全厂都是三级负荷。按需要 系数法分别计算出各个厂房及全厂的计算负荷。1)金工车间负荷计算a.金属切削机床设备容量：对于大批生产的金属冷加工机床电动机，其需要系数：Kd 0.18 0.25
19、， cos 0.5， tan 1.73有功计算负荷：无功计算负荷：b.桥式起重机容量；对于锅炉房和机加、机修、装配等类车间的吊车，其需要系数有功计算负荷：无功计算负荷：C金工车间照明：车间面积： 60 24 1440m2设备容量： Pe （12 1440）W 17280W对于生产厂房及办公室、阅览室、实验室照明，其需要系数：K d 0.8-1 ， cos 1 ， tan 0有功计算负荷：无功计算负荷：2）全厂总负荷取有功同时系数 K p0.95 ，无功同时系数 K q 0.97有功计算负荷： P30（2）0.95P300.95 163.63 12.33 17.28 100 80 20 20 k
20、W无功计算负荷： Q3（0 2）0.97Q300.97 283.08 21.33 110 90 20 15 kvar523.23kvar视在计算负荷 ：功率因数：3按逐级法计算法确定工厂的计算负荷工厂的计算负荷， 应该是高压母线上所以高压配电线路计算负荷之和， 在乘 以一个同事系数。 高压配电线路的计算负荷， 应该是该线路所供车间变电所低压 侧的计算负荷加上变压器的功率损耗和高压配电线路的功率损耗， 如此逐级计算 即可求得供电系统所有元件的计算负荷。但对一般工厂供电系统来说，由于高低压配电线路一般不长，其损耗较小， 因此在确定计算负荷时往往不记线路损耗。在符合计算中，新型低损耗电力变压器的功率
21、损耗可按下列简化公式计算：有功损耗：PT 0.01S30无功损耗：QT 0.05S30 S30 为变压器二次侧的视在计算负荷机器厂变压器高压侧的有功计算负荷：机器厂变压器高压侧的无功计算负荷：机器厂变压器高压侧的视在计算负荷：功率因数:2.3无功功率补偿工业与民用用电设备中，有大量设备的工作需要通过向系统吸收感性的无功 功率来建立交变的磁场，这使系统输送的电能容量中无功功率的成分增加， 在系统变配电设备及输送线路规格一定的情况下，直接影响到有功功率的输送。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程 中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备
22、以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、 由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动， 因此可以降低线 路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。1功率因数低对供配电系统的影响功率因数低是无功功率大的表现，无功功率大会对系统造成如下影响：1）使配电设备的容量增加：在三相交流系统中，电流和有功功率的关系式是：PI =P 式（2.10） 3U cos其中有功功率P是系统向用电设备提供的，要转化为其他形式能量的功率， 这部分功率是不能减少的。因此在电压一定时，功率因数越小，即无功分量越大， 则电流越大若要承受较大的电流， 系统电气设备的容量必然
23、要加大， 这就会增加系统成 本，使电气设备利用率降低。2）使供电系统的损耗增加：从供配电系统功率损耗计算式中不难看出，通 过系统的电流增加，系统上的功率损耗也会增加。3）使电压损失增加：线路电流越大，电压损失也就越大。4）使发电机效率降低：系统中负荷对无功功率需求量增大时，发电机必须 增发相应的无功功率去平衡，这样就降低了效率。2提高功率因数的意义在用电设备中绝大部分为感性负荷，使用电单位功率因数小于 1。为了保证供电质量和节能， 充分利用电力系统中发配电设备的容量， 减小供电线路的截面， 减小电网的功率损耗、电能损耗，减小线路的电压损失，必须提高用电单位的功 率因数。对用户的补偿容量在 全国
24、供电规则 中已有规定：“无功电力应就地平衡， 用户应在提高用电自然功率应属的基础上， 设计和装置无功补偿设备， 并做到随 其负荷和电压变动及时投入和切除， 防止无功电力倒送， 用户在当地供电局规定 的电网高峰时的功率因数，应达到下列规定：高压供电的用户和高压供电装有负荷调整电压装置的电力用户， 功率因数为 0.9以上；其他100kVA（kW及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数 为 0.85 以上。因此，在供配电系统中，必须改变无功功率大小，即提高功率因数，以便提 高系统中设备的有效利用率。要使供配电系统的功率因数提高， 一般可从两个方面采取措施。 一是提高用 电设备的自然功率因数， 自
25、然功率因数是指不用任何补偿装置时的功率因数； 一 是采取人工补偿的方法使使总功率因数得以提高， 总功率因数是指采用了补偿装 置后得到的功率因数。1提高自然功率因数的方法： 电动机类电气设备的额定功率因数是较高的， 一般都在 0.85 以上，可是当它们在非额定状态下（如轻载）工作时，功率因数 和效率都将大幅度降低，对此，主要采用如下措施改善自然功率因数：1）合理选择电动机的型号和规格。2）合理选择变压器的型号和规格，避免因长期轻载运行而造成的功率因数 降低。2采用人工补偿提高功率因数的方法：人工补偿方法有发电机补偿、电容 器补偿、调相机补偿和静止补偿器补偿， 主要有两种，一是采用同步电动机补偿，
26、 一是采用并联电容器补偿。1）在供配电系统中一般只有在能使负荷使用要求得以满足的情况下，才采 用同步电动机代替异步电动机工作， 且同步电动机兼作无功补偿设备， 此时无功 补偿的调节可以做到平滑的自动调节； 专为无功补偿而设的同步电动机称为同步 调相机，由于投资和损耗较大，又不便于维护、检修，供配电系统中很少采用这 种补偿方式。2)采用并联电容器补偿是目前供配电系统中普遍采用的一种无功补偿方 法，也叫移相电容器静止无功补偿。它具有功损耗小、运行维护方便、补偿容量 增减方便、个别电容器的损坏不影响整体使用等特点，但不能实现无级调节。要使功率因数由 cos 提高到 cos ，必须装设无功补偿装置，其
27、容量为：Qc Q30 Q30 P30 (tan tan ) qcP30 式( 2.11 )qc tan tan ，称为无功补偿率1工厂无功功率的补偿：取 Qc 为 360kvar2补偿后变压器的容量和功率因数补偿后变压器器低压侧的视在计算负荷：变压器低压侧的计算电流：主变压器的功率损耗：变压器高压侧的计算负荷：有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷：计算电流：功率因数：补偿后功率因数满足要求3 变压器的选择及其电气主接线3.1变压器的选择电力变压器是变电所中最关键的一次设备， 其主要功能是将电力系统的电能 电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。常用变压器的种类， 在中低压供配电系
28、统中， 常用的电力变压器有如下几种分类方式： 按相数分类：有三相电力变压器和单相电力变压器。大多数场合使用三 相电力变压器，在一些低压单相负载较多的场合，也使用单相变压器。 按绕组导电材料分类：有铜绕组变压器和铝绕组变压器，目前一般采用 铜绕组变压器。3按绝缘介质分类：有油浸式变压器和干式变压器两大类。4按绕组联结组别分类：有 YynO和Dyn 11两种。电力变压器的联结组别， 是指变压器一、 二次绕组因采取不同的联结方式而 形成变压器一、二次侧对应的线电压之间不同相位关系。中压配电变压器有YynO,和Dy nil两种常见的联结组，配电变压器用 Dyn11联结较之采用YynO联结有一下优点：1
29、对Dy nil联结变压器来说，其3n次谐波电流在其三角形接线的一次绕组 内形成环流， 从而不致注入公共的高压电网中去， 这交之一次绕组接成星形接线 的 Yyn0 联结变压器更有利于抑制高次谐波电流。2Dyn11 联结变压器的零序阻抗较之 Yyn0 联结变压器的零序阻抗小的多， 从而更有利于低压单相接地故障保护的动作和故障的切除。3当低压侧接用单相不平衡负荷时， 由于 Yyn0 联结变压器要求低压中性线 电流不超过低压绕组额定电流的 25%，因而严重限制了其接用单相负荷的容量， 影响了变压器设备能力的发挥。GB 50052-1995供配电系统设计规范规定，低压为 TN及TT系统时，宜 与选用Dy
30、n11联结变压器。Dyn11联结变压器的低压侧中性线电流允许达到低压 绕组额定电流的75%上，其承受单相不平衡负荷的能力远比 Yyn0联结变压器 大。因此，机器厂的电力变压器选择 Dy nil联结形式。 选择主变压器台数应考虑下列原则 :1)三级负荷一般设一台变压器，但考虑现有开关设备开断容量的限制，所 选单台变压器的容量一般不大于1250kVA当用电负荷所需的变压器容量大于 1250kVA时，通常应采用两台或更多台变压器。2)当季节性或昼夜性的负荷较多时， 可将这些负荷采用单独的变压器供电， 以便这些负荷不投入使用时，切除相应的供电变压器，减少空载损耗。3） 当有较大的冲击性负荷时，为避免对其他负荷供电质量的影响，可单独 设变压器对其供电。4） 当有大量一、二级负荷时，为
