1、安徽机电职业技术学院毕业设计说明书基于工厂供电与用电系统设计系 （部） 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电 3105 姓 名 程 猛 学 号 1302103256 指导教师 刘苏英 2012 2013 学年第 1 学期摘 要本毕业设计为工厂变电所设计，对在工厂变电所设计中的若干问题：负荷计算，三相短路分析，短路电流计算，高低压设备的选择与校验，变压器的继电保护，变电所二次回路及自动装置，防雷与接地，变电所的过电压保护，计量，无功补偿等几方面的设计进行了陈述，并对供电主接线的拓扑结构进行了阐述。该工厂变电所采用10kV单电源进线，采用一台1600kVA的主变压器，最大设备容量1636k
2、W，采用并联电容器进行低压集中补偿，对变压器进行过电流，电流速断，瓦斯保护，按三类防雷建筑物设防，采用强弱电联合接地系统对建筑物进行保护。在对供电系统短路计算的基础上，进行电力电缆和电气设备的选择设计，同时也对户外平面布置进行了初步的设计。关键词 ： 工厂供配电，继电保护，防雷与接地，负荷计算 目 录摘 要2第一章 绪论51.1课题设计背景51.2工厂供电设计的一般原则51.3工厂供电设计内容及步骤6第二章 负荷计算和功率补偿82.1负荷计算的内容和目的82.2负荷计算的方法8第三章 变压器容量和数量的选择9第四章 主接线方案的选择104.1对变电所主结线的一般要求104.2变电所主结线10第
3、五章 短路电流的计算145.1短路电流计算的目的及方法145.2三相短路电流计算14第六章 导线、电缆的选择176.1 导线电缆的使用条件176.2 导线电缆的选择17第七章 电气设备的选择197.1电气设备选择的一般原则197.2高压开关电器的选择197.3配电所高压开关柜的选择21第八章 变压器的继电保护228.1概述228.2变压器电流保护的接线方式238.3继电保护配置23第九章 二次回路操作电源和中央信号回路279.1二次回路的操作电源279.2中央信号回路27第十章 测量和绝缘监视回路2910.1测量仪表的配置2910.2绝缘监视装置29第十一章 防雷和接地3111.1过电压及雷电
4、概述3111.2防雷3111.3电气装置的接地32结论35参考文献36第一章 绪论1.1课题设计背景工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。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。 在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增
5、加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。 因此，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。 工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求： 1.安全 在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身
6、事故和设备事故。 2.可靠 应满足电能用户对供电可靠性的要求。 3.优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求 4.经济 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。 此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。1.2工厂供电设计的一般原则按照国家标准GB50052-95 供配电系统设计规范、GB50053-94 10kV及以下设计规范、GB50054-95 低压配电设计规范等的规定，进行工厂供电设计必须遵循以下原则： 1.遵守规程、执行政策；必须遵守国家的有关规定及标准，执行国
7、家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。2.安全可靠、先进合理；应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。 3.近期为主、考虑发展； 应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。 4.全局出发、统筹兼顾。 必须从全局出发，统筹兼顾，按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知
8、识，以便适应设计工作的需要。1.3工厂供电设计内容及步骤 工厂变电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面： 1. 负荷计算 工厂变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出工厂变电所高压侧计算负荷及总功率因数。列出负荷计算表、表达计算成果。 2.工厂变电所变压器的台数及容量选择 参考电源进线方向，综合考虑设置工厂变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。 3.工厂变电所主接线设计
9、根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。4.工厂供、配电系统短路电流计算 工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。 5.改善功率因数装置设计 按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或厂品样本选用所需移相电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。如工厂有大型同步电动机还可以采用控
10、制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。6.变电所高、低压侧设备选择 参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验。用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。 7.继电保护及二次结线设计 为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信
11、号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。 8.变电所防雷装置设计 参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波。的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地电阻计算。 9.工厂变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。38第二章 负荷计算和功率补偿2.1负荷计算的内容和目的计算负荷又称需要负荷或最大负
12、荷。计算负荷是指导体中通过一个等效负荷时，导体的最高温升正好和通过实际的变动负荷时产生的最高温升相等，该等效负荷就称为计算负荷。计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷的确定是否合理，将直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。 尖峰电流指单台或多台用电设备持续12秒左右的最大负荷电流。它是由于电动机启动，电压波动等原因引起的，它与计算电流不同，计算电流是指半小时最大电流，尖峰电流比计算电流大的多，一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时
13、，还应考虑启动电流的非周期分量。平均负荷就是指电力负荷在一定时间内消耗的功率的平均值。 常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。2.2负荷计算的方法 负荷计算的方法有估算法、需要系数法、单相负荷计算及二项式法等几种。 本设计采用需要系数法确定。主要计算公式有： 有功功率： (2-1)无功功率: (2-2)视在功率: (2-3)计算电流: (2-4)第三章 变压器容量和数量的选择变压器台数确定原则：1.应满足用电负荷对可靠性的要求。在一二级负荷的变电所中，选择两台主变压器，当在技术，经济上比较合理时，也
14、可以多于两台。2.对季节性负荷变化较大的宜采用经济运行方式的变电所，技术经济合理时可选择两台主变压器。3.三级负荷一般选择一台主变压器，负荷较大时，也可选择两台主变。 装单台变压器时，其额定容量Sn应能满足全部用电设备的计算负荷Sc，考虑负荷发展应留有一定的容量裕度，并考虑变压器的经济运行，即Sn（1.15-1.4）Sc (3-1) 装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量Sn应同时满足以下两个条件： (1) 任一台主变压器单独运行时Sn=（0.6-0.7）Sc (3-2) (2) 任一台主变压器单独运行时SnSc（+） (3-3)在本设计中，工厂负荷属于三级负荷，因此选择单台变压器运行，根
15、据以上算结果可得，如下：= 1636kW; P j = K= 0.71636kW =1145.2kWSj=Pj/ cos=1145.2/0.85=1347.3kVASn=1.19Sj=1.191347.3=1603kVA所以，可选择1600 kVA的变压器一台。负载率为84.1%。第四章 主接线方案的选择4.1对变电所主结线的一般要求变电所主接线要求安全，可靠，灵活，经济。主要有以下一些原则：1.在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须安装高压隔离开关。2.在低压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关。3.在装设高压熔断器-负荷开关的出线柜母线侧，必须装设高压隔离开关
16、。4.变配电所高压母线上及架空线末端，必须装设避雷器，装于母线上的避雷器宜与电压互感器共用一组隔离开关，线路上避雷器前不必装设隔离开关。5.变电所的主接线方案，必须与其负荷类型相适应，对于一级负荷，应由两个电源供电，对二级负荷，应由两回路或者一回专用架空线路供电。6.接于公共干线上的变配电所电源进线首端，应装设带有短路保护的开关设备。7.对一般的生产区的车间变电所，宜由工厂总变配电所采用放射式高压配电，以确保供电可靠性，但对辅助生产区的变电所，可采用树干式配电。8.变电所低压侧的总开关，宜采用低压断路器，当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压母线分段开关均应采用低压断路器。9.两
17、路电源进线，装有两台主变压器的变电所，当两路电源同时供电时，两台主变压器一般分列运行，当只有一路电源供电，另一路电源备用时，则两台主变压器并联运行。 10.需带负荷切换主变压器的变电所，高压侧应装设高压断路器或者高压负荷开关。4.2变电所主结线对于电源进线电压为35kV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为610kV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。总降压变电所的主接线是实现电能输送和分配的一种电气接线，在变电所主接线图中将导线或者电缆，电力变压器，母线，各种开关，避雷器，电容器等电气设备连接起来，只表示相对电气连接关系而不表示实际位置。通常以单线表示三
18、相系统。主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。4.2.1单电源进线的变电所主接线当单电源进线一台变压器时，主接线采用一次侧线路-变压器组，二次侧单母线不分段接线，如图4.1，这种主接线经济简单，可靠性不高，适用于负荷不大的三级负荷情况。也可采用一次侧单母线不分段，二次侧单母线分段主接线，如图4.2，适用于三级负荷及部分二级负荷。 图4-1 单电源进线接线图 图4-2 一侧，二侧单母线接线图4.2.2双回电源进线变电所主接线1.一，二次侧均采用单母线分段主接线该主接线由于进线开关和母线分段开关均采用了断路器控制，操作十分灵活，
19、供电可靠性较高，适用于大中型企业的一，二级负荷供电。2.内桥式主接线一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线如图4-3，线路1WL，2WL来自两个独立电源，断路器1QF，2QF分别接至变压器1T，2T的高压侧，向变电所供电，变压器回路仅装设隔离开关3QF，6QF。当线路1WL发生故障或检修时，断开1QF，1T由线路2WL经桥接断路器3QF继续供电，同理，当2WL发生故障或者检修时，2T由线路1WL继续供电。因此，这种主接线大大提高了供电的可靠性和灵活性，但当变压器检修时，须进行倒闸操作，操作较复杂且时间较长，这种接线适用于大中型企业的一，二级负荷供电。当变压器1T发生故障
20、时，1QF和3QF因故障跳闸，此时，打开3QS后再合上1QF和3QF，即可恢复1WL线路的工作。这种内桥式结线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。适用于以下条件的总降压变电所：(1) 供电线路长，线路故障几率大；(2) 负荷比较平稳，主变压器不需要频繁切换操作；(3)没有穿越功率的终端总降压变电所。 图4-3 变电所内桥式接线图 图4-4 变电所外桥式接线图3.外桥式主接线一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线如图4-4，其特点是变压器回路装设断路器，线路1WL，2WL仅装线路隔离开关，任一变压器检修或发生
21、故障时，如变压器1T发生故障，断开1QF，打开其两端隔离开关，然后合上3QF两侧隔离开关，在合上3QF，使两路电源进线又恢复并联运行。但当线路检修或发生故障时，须进行倒闸操作，操作较复杂且时间较长，外桥式的优点是对变压器回路的操作非常方便，灵活，供电可靠性高，适用于有一，二级负荷的用户和企业。适用于以下条件的总降压变电所：(1)供电线路短，线路故障几率小；(2)用户负荷变化大，变压器操作频繁；(3)有穿越功率流经的中间变电所，因为采用外桥式主接线，总降压变电所运行方式的变化将不影响公共电力系统的潮流。4.一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线如图4-5。这种主结线图兼有上述两种桥式结线
22、的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。 5.一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用,主要用与电力系统的枢纽变电所。本次设计的矿厂供电属于三级负荷。负荷变动较小，电源进线较短（8km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到工厂对于一次投资的要求。固采用单电源进线的降压变电所主接线。10kV进线高压供电系统图详见附件A，低压供电系统图详见附件B。图4-5 一二侧均采用单
23、母线分段接线图第五章 短路电流的计算5.1短路电流计算的目的及方法 短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。 进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源
24、，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。 短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。5.2三相短路电流计算本设计采用标幺值进行短路电流计算1.确定基准值：取Sd=100MVA，Ud=Uav，两个电压等级的基准电压分别为Ud1=10.5kV Ud2=0.4kV2.元件的电抗标幺值 (1)电力系统（Soc=1000MVA） (2)架空线路（XO=0.4/km 4km） =X0L1Sd/Ud2=0.44100/（10.510.5）=1.5 (3)电力变压器（Uk=4.5 Sn
25、=1600kVA）= UkSd/（100Sn）=4.5100/（1001.6）=2.8绘制等效电路图如图5-1，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。图5-1 短路电流计算等效电路图3.K1短路时的短路电流与容量计算 (1)计算短路回路总阻抗标幺值 (2)计算K1点所在电压级的基准电流 (3)计算 K1点短路电流各值 (4)三相短路容量 4.K2点三相短路电流与容量计算 (1)计算短路回路总阻抗标幺值 (2)计算K2点所在电压级的基准电流 (3)计算K2点短路电流各值 (4)三相短路容量 5.路电流计算结果如下表5-1表5-1 短路电流计算结果三相短路电流（kA）短路容量（MVA
26、）K1点3.43753.43758.76565.22562.5K2点32.7632.7660.2735.722.7第六章 导线、电缆的选择6.1 导线电缆的使用条件导线和电缆的选择必须满足安全，可靠，经济的条件。所以，进行导线和电缆截面选择时必须按照下列选择原则：1.按允许载流量选择导线和电缆截面 导线和电缆(包括母线)在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。以防止导线因过热而引起绝缘损坏或老化。这就要求通过导线或电缆的最大负荷电流不应大于其允许载流量。2.按允许电压损失选择导线和电缆截面导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电
27、压损耗，不应超过其正常运行时允许的电压损耗，以保证电压质量。3.按经济电流密度选择导线和电缆截面 经济电流密度是指使线路的年运行费用支出最小的电流密度。按这种原则选择的导线和电缆截面称为经济截面。对于35kV及以上的高压线路及电压在35kV以下但距离长，电流大的线路，宜按经济电流密度选择，对10kV及以下线路，通常不按此原则选择。 4.按机械强度选择导线和电缆截面 导线（包括裸线和绝缘导线）截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。母线也应校验短路时的稳定度。对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。6.2 导线电缆的选择根据设计经验，对长距离大电流及
28、35kV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。一般10kV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按允许载流量选择截面，再校验电压损耗和机械强度。低压照明线路，因其对电压水平要求较高，因此通常先按允许电压损耗进行选择，再校验发热条件和机械强度。选择导线截面时，要求在满足上述4个原则的基础上选择其中最大的截面。在本设计中，以低压侧大球磨车间为列，按允许载流量计算电力电缆截面：选取时，应注意：1.允许载流量与环境温度有关。若实际环境温度与规定的环境温度不一致时，允许载流量乘上温度修正系数，以求出实际的允许载流量。 （6-1）式中， （6-2）为导线额定负荷时的最高允许温度；为导线允许载流量所采用的环境温度；为导线敷设地点实际的环境温度。2.电缆多根并列时，其散热条件较单根时差，故允许载流量降低，要用电缆并列校正系数Kp进行校正。已知一台245kW的大球磨机，功率因数为0.9，效率为0.89，当地最热平均最高气温为150C。a.线路中电流的计算
