1、小型工厂的供配电系统设计方案小型工厂的供配电系统设计方案第一章绪论第一节工厂供电意义和要求在工业生产和生活中，电能扮演着极其重要的角色。电能与其他形式的能量之间可 以相互转化。做好电能输送和分配这项任务，不仅可以节约成本，而且还可以提高经济 效益，提高生产效率。电能是现代文明的物质技术基础， 没有了电能，就没有可能实现 现代化进程。现代社会的各个方面都是建立在电气化的基础之上， 一旦电力系统出现问 题或停止工作，将会给用电用户带来严重的影响，甚至造成伤害。所以设计出安全有效的工厂供电与配电方案有利于扩大工厂的生产能力，减少支 出，提高工厂效益，加快工厂的发展具有重要的意义。此外，还有利于国民经
2、济的提高， 加快现代化进程，为实现“中国梦”做出应有的贡献。因而从各个方面来讲，做好工厂 供配电工作都十分重要。为了使工业生产和生活有序的进行下去， 实现用户电能的要求，工厂供配电工作必 须做到以下几点：安全 可靠 优质 经济第二节本厂的基本概况及设计要求、生产任务及车间组成表1.1 生产规模及车间组成生产规模（万 吨）产品规格主要车间辅助车间及其它设施塑料制品薄膜、单丝、 管材、等制品薄膜车间 单丝车间 管材车间 注射车间原料库、成品库、包装材料 库、注塑车间、备料复制车 间、锻工车间、仓库、机修 模具车间、锅炉房、等办公 楼等。二、 负荷性质及负荷情况1根据本工厂的实际情况，得出结论：生产
3、车间为三班制，其余的为单班或 两班制。该厂全年最大负荷利用小时数为 5000小时，属于三级负荷。2全厂包涵5个车间变电所，每个车间包涵其独立的用电设备，全厂总的有功功率为Ro 2610kW，全厂总的无功功率为 Q30 3393.17k var，全厂总的视在功率为 S30 398858kV A。三、 供电需求1本工厂从位于该厂南侧1公里的某变电所取得10千伏架空线路的电源。2变电所的整定时间为2秒，本厂配电所应不大于1.3秒。3在总配变电所10千伏侧计量。4要求本厂的功率因数值在0.9以上。5供电系统技术数据：变电所提供的电源系统为无限大，母线上的电压为 10千伏，发生短路时，容量为200兆伏安
4、。供电系统如图1.1所示。图1.1 供电系统图四、本厂自然条件1、 气象条件1最高温度为35 Co2土壤中0.71米深处一年中最热月平均温度为 20 Co3年雷暴日为30天。4土壤冻结深度为1.10米。5主导风向夏季为南风。2、 地质及水文条件1地表平坦，土壤的成分为极土，厚 1.67米2地下水位一般为 0.7 米。地耐压力为 20吨/ 平方米。第三节 本章小结本章主要介绍了安全有效的供电与配电对工厂的意义， 一个合理的工厂电力 系统所具备的要求， 所要设计工厂的基本状况：该厂生产的产品，生产产品需要 的车间以及车间的设备， 按照负荷对供电的要求划分级别， 与当地的用电部门达 成的供电协议以及
5、工厂的自然条件。第二章负荷计算及无功功率第一节供电电压的选择选择工厂供电电压时主要考虑以下几个因素： 供电电压等级、工厂用电设备的容量、 电压和供电距离。配送路线长度和配送容量在一定的情况下， 供电电压与线路的电流成 反相关，利用这一特点，可以降低线路投资和金属的消耗，如表 2.1所示表2.1 各级线路合理的输送功率和输送距离线路电压/ kV线路结构输送功率/kW输送距离/ km0.38架空线 100 0.250.38电缆 175 0.356架空线 电缆架空线 1000 106 3000810电缆 200062010架空线 5000 1035架空线200010000205066架空线35003
6、000030100110架空线10000500005015022010000050000200300本厂高压配电电压是10kV,对于那些用电设备所需的电压是 6kV,可通过专门的变 压器把10kV转换成6.3 kV,从而给设备供电。第二节负荷计算一、负荷计算的定义及计算方法1、定义1计算负荷是人们假象中的负荷，在一定的时间，负荷的发热量等于在工 厂生产中，负荷在变动情况下所产生的热量2。2尖峰电流指在持续时间为1秒的情况下，用电设备的最大电流2。3平均负荷为用电设备在一段时间所消耗的电能除以该段时间所得出的值2。2、负荷计算的方法负荷计算的主要方法：需要系数法，利用系数法，二项式。本设计将采用
7、需要系数法予以确定。下面对需要系数法进行介绍:(1)、基本公式P30- 有功计算负荷，单位为kWC3o-无功计算负荷，单位为kvarSbo-视在计算负荷，单位为kV A cos 9 -用电设备组的平均功率因数tan 9 -用电设备组平均功率因数的正切值、用电设备是多组的情况下，负荷的计算方法在计算多组有用设备或低压母线的负荷时， 要考虑各用电设备出现的最大负 荷不是同一个时间。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 q3。1对车间干线，取K p =0.85 0.95K q =0.90 0.972对低压母线，分两种情况：由用电
8、设备组计算负荷直接相加来计算时，取K p =0.80 0.90K q =0.85 0.95由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取K p =0.90 0.95K q =0.93 0.97总的有功计算负荷为:总的视在计算负荷为:总的计算电流为:二、负荷计算结果由表2.2所示数据可计算出全厂总负荷（参差系数取 K p=0.9, K q二0.95） 全厂总的有功计算负荷P30 K p P30.i 0.9 2610kW 2349kW全厂总的无功计算负荷Q30 K q Q30.i 0.95 3393.17k var 3223.5k var全厂总的视在计算负荷S 30 = P30)q3o = 2340 32
9、2352kV A 3988.58kV A表2.2 各车间用电设备及车间变电所负荷计算表车间或设备需0.9，因此在配电所进行无功补偿后的功率因数应略高于0.9，这里取cos 9 = 0.92。要使功率因数由0.589提高到0.92，需要装设的补偿装置容量为QC 2349 (tanarccos0.589 tanarccos0.92)k var 2222.15k var取 Qc = 2400k var这就是配电所母线上所需补偿装置的容量。三、 补偿装置选择常用的对无功功率因数进行提高的装置都是直接或间接并接于变配电所的母线上。下面介绍常用的三种补偿装置，如表 2.3所示表2.3 三种补偿装置的比较补
10、偿装置名称工作原理优点缺点同步调相机和冋步电动机在空载运行条件 下过励磁时运行的情况一样，将 会提高系统的电压。可以根据实际情况改变无 功功率，实现电压的调节。 遇到系统故障，系统的电压 不仅能调整，而且系统的稳 定性将会提高运行维护复 杂，有功功率 损耗较大，即 使调相机的容 量小，但每千 伏安容量的资 耗也比较大。静止补偿器由可调电抗和电力电容器两部 分组成。电容器发出无功功率， 电抗器吸收无功功率，要调节无 功功率的大小和方向，可用电抗 器和电容器进行调节。一种动态无功功率补偿装 置，具有技术先进、调节性 能、使用方便设备造价太高电力电容器在变电所母线上可接成三角形 联结和星形联结，它所
11、提供的无 功功率值与所节点的电压成正 比4。装设容量不受限制，运行时 功率损耗较小因此相比较以上三种无功补偿装置后，无功补偿装置可选用并联电容器。 本次设计选用BWF10.5-100-1W型5的电容器,其额定容量为100k var ,额定电压 为10.5 kV，额定电容为2.89 uF,相数为1。由此得出电容器的个数：n Qc/qc 2400/100 24c c第四节本章小结本章主要介绍了负荷计算是如何定义， 负荷计算是怎么样进行演算的，根据 负荷计算的方法，对本工厂的设备参数进行应有的计算，并用表格的形式绘制出 来。另一方面介绍了无功补偿的概念及意义，常用的进行无功补偿的装置类型， 通过计算
12、得出本次设计需要的补偿的容量和装置。第二章总配电所设计第一节配电所的位置及型式一、 所址选择的一般原则1尽可能靠近设备中心，有利于节约成本，避免原材料的浪费。2方便进出线，主要的是架空进出线方便。3尽可能接近电源侧，尤其是总降压变电所和高压配电所。4方便设备的运输，更需要注意运输高低压成套配电装置。5如果配电所所在地区天气较热或可能发生地震，要做好预防措施。6如果配电所所在地区存有沙尘或有腐蚀性气体，做好预防工作二、 总体布置要求配电所的总体布置是否合理关系到工厂生产和安全的问题。如果处理不当, 会降低工厂的生产效率，甚至带来巨大的危害。对总体布置有五个原则：1当设备遇到故障需要进行维修时，能
13、够方便人员操作。2配电所的布置能使工厂的设备有效的运行，扩大工厂的生产能力。3配电所要便于线路的布置，进出线路要方便于人员架设。4尽量避免土地浪费，减少用于建筑的费用，提高工厂的效益5能够满足工厂发展对电能的需求，适应社会的发展。三、配电所平面布置图图3.1 高压配电所平面布置图第二节主接线方案一、主接线的设计原则及基本要求1、 电气主接线的设计原则变电所在电力系统的作用非常重要，首先考虑的是该系统能否安全运行，然后 考虑的是建设的围，容量的大小，电压等级等条件，最后考虑的是经济性和方便程 度。2、 对主接线的基本要求1安全性能够达到相关的标准，保障人身安全和设备安全5 02可靠性满足工厂里面
14、的设备对电能的需求，特别是对电能要求较高的设备。3灵活性接线方式具有操作简单，检修方便。4经济性主接线简单，费用低，成本少，节约资源。二、电气主接线的设计关于电气主接线主要有单母线分段和单母线两种。然而选择哪一种接线方式是由电压高低和线路走向共同决定的。下面采用表格的形式进行对比，如表 3.1所3.2示表3.1 单母线和单母线分段两种接线方式优 点缺 点单母线接线接线简单清晰，操 作方便，所用设备 比较少，投资少母线发生短路，会造成全 部短路，如要检修，该回 路必须停电单母分段接线接线简单，设备 少，操作方便，减少母线故障影响 围相比较来言，要好一些根据本厂的实际情况，采用单母线分段，其接线方
15、式如图LOKV该配电所有两条1OkV的电路进线来作为供电电源。一条是架空线，另一条 是电缆线。其中架空线路取自11O/1OkV变电所，位于该厂南侧1公里处。而电 缆线是当作备用电源，取自附近单位的联络线，以防万一。第三节短路电流计算一、产生短路电流的原因及危害1、短路的原因虽然工厂要求安全地对设备提供电能，但是出现故障就会使设备停止运行， 影响工厂的生产。短路属于常见的故障，短路是指本应该有差异的导电部分经低 阻相接不存在电位差。造成短路的主要原因：有带电设备的绝缘工作没做好，违反规定的操作， 动 物对线路的破坏等。二、短路电流计算的目的及计算方法短路电流计算在于选用合适的电气设备， 同时便于
16、校验设备，以及对保护装 置进行整定计算。计算短路电流的方法：有位制法和标幺制法，此次设计采用标幺制法 8 0二、短路电流计算1、计算公式标幺制法：先选定基准容量Sd和基准电压Ud 基准容量：在工程设计常取 Sd=100MV-Ao 般取元件所在的短路计算电压，即Ud Uc基准电流基准电抗电力系统的电抗标幺值电力线路的电抗标幺值(3-5)XwL Xol 2U cXo为导线电缆的单位长度电抗平均值 （查表3.2可得）表3.2 每相线路中以km为单位的电抗平均值 （Q/km）线路结构线 路 电 压35kV及以上6 10kV220/380 V架空线路0.400.350.32电缆线路0.120.080.0
17、66求出各主要元件的电抗标幺值以后，利用其等效电路图求出其总电抗标幺值 X *。在无限大容量系统中，发生三相短路时，电流中周期性的分量有效值的标 幺值(3-6)由此可求得发生三相短路时，电路电流中周期性分量的有效值I (3) I dI k *k X在Ik求出以后，可得三相短路次暂态电流和稳态电流l(3) I Ik3) (3-8)求出发生三相短路时的冲击电流，第一个周期整个短路电流的有效值Ish 1.51I (3-9)(3-7)2、(1)Idish 2.55I发生三相短路时的容量Sk3)Sd*X(3-10)短路电流和短路容量计算、确定基准值取基准容量Sd =100MV-A，基准电压Uc =10.
18、5kV，基准电流Sd 100MV A-1= -；= 550kA3Uc 3 105kV、在短路电路中，元件的电抗标幺值电力系统的电抗标幺值由给定数据得Soc 200MV A,因此100MV A X1 05200MV A架空线路的电抗标幺值根据工厂实际资料，Xo0.4 Q /km,因此c 100MV A0.4 1 2 0.363(105)2发生短路时，电路的等效电路图如图3.3所示，图中对元件的序列号和电抗X2标幺值进行了标注。t-1、短路电路中k-1点的总电抗标幺值、每一相的电流、容量总电抗标幺值X；(k 1) X； X； 0.5 0363 0863iS3) ；.55 637 kA 16.24k
19、AI S3)1.51 6.37kA 9.6； A三相短路容量表3.3 短路计算表短路 计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVA| (3)I kI (3)I (3);(3) ish1 (3)I sh&3)k-16.376.376.3716.249.62 :115.87第四节 主要电气设备选择一、选择条件1、 按工作电压选择电器额定电压U Ne应不低于所在电路额定电压UN2、 按工作电流选择一般电器额定电流iNe应不低于所在电路的计算电流I30 o3、 对开关类电气设备应考虑断流性能安装地点的最大三相短路电流应不大于设备的最大开断电流I4、 短路动稳定度的校验条件9 断路器、负荷开关、隔离开关
20、、电抗器的动稳定电流的峰值imax应不小于可能的最大的短路冲击电流ish，或其动稳定电流有效值Imax应不小于可能的最大 的短路冲击电流lsh即式中，I1N为电流互感器的额定一次电流。5、短路热稳定度的校验条件般的电器元件的热稳定度校验条件为It2t I (3)2tma (3-13)该式中，It为电器的热稳定电流；t为其热稳定时间；|为通过电器时三相 短路的稳态电流；tima为短路发热假象时间。电流互感器大多给出热稳定倍数 Kt It/I in和热稳定时间t，其热稳定度校验条件为(KthN)2t I 2tima(3-14)表3.4 一次设备选择校验的项目及满足的条件序 号设备名称电压(kV)电
21、流(A)断流能力(kA或 MV A)短路稳定度校验动稳定 度热稳定度1高压断路器VVVVV2咼压负荷开 关VVVVV3咼压隔离开 关VVVV4低压断路器VVV5低压刀开关VV6熔断器VVV7电流互感器VVVVV8电压互感器V9母线VVV10电缆VVV11支柱绝缘子VV12套管绝缘子VVVV选择校验的条件设备的额 定电压应 不小于装 置地点的 额定电压设备的 额定电 流应不 小于通 过设备 的计算 电流设备的最大开 端电流(或功 率)应不小于 它可能开端的 最大电流(或 功率)按三相 短路冲 击电流 校验按三相短路稳态 电流校验备 校验 不校验 一般可不校验注号设备名称校验项目校验公式符号含义1高压断路器咼压负何开关咼压隔离开关动稳定i max i shimax 设备的极限通过电流峰值（kA）iS3）通过设备的三相短路冲击电流（kA）11 设备的t秒热稳定电流（kA）t 设备的热稳定实验时间I三相短路稳态电流 （kA,序号3、4中用A）tima 短路假想时间Kes 动稳定倍数K 热稳定倍数“ 母线的最大允许应力热稳定| 2t I(3)2tI t I I lima2电流互感器动稳定K 鳥 2I i (3)Kes x 2I 1N ish热稳定(K1N)2t I(3)2tima3母线动稳定a1 c热稳定厂A A
