供用电工程桂老师.docx
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供用电工程桂老师
《供用电工程》课程设计说明书
某铜业公司变配电所电气部分设计
系、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称讲师
专业：
电气工程及其自动化
班级：
完成时间：
2013/12/12
《供用电工程》课程设计任务书
一、设计意义
通过本课程设计，熟悉现行国家标准和设计规范，树立起技术与工程经济相统一的辨证观点；培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；掌握电气工程设计计算的方法，为今后从事电力工程设计、建设、运行及管理工作，打下必要的基础。
二、设计名称
某铜业公司变配电所电气部分设计
三、设计任务
1、负荷计算的意义及相关参数的计算。
2、无功补偿的计算。
3、变压器的台数、容量和型式的确定。
4、电气主接线方案选择。
5、短路电流的计算。
6、一次设备的选择。
7、电线电缆选择*。
8、总的一次接线图。
四、设计依据
该公司是一个集设计、开发、生产、销售为一体的专业水暖器材成套系列产品生产厂家，厂区占地50000平方米，产品主要包括地漏系列、管件系列、法兰系列、水表壳系列、低压阀系列、洁具系列等六大类产品，一千多个品种。
公司下设模具车间、铸造车间、机加工车间、抛光车间、电镀车间及装配等六大车间，还有设计室、化验中心、检测中心、研发中心等科研机构。
1、工厂负荷情况
本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为4500小时，日最大负荷持续时间6小时。
负荷统计资料如表1所示。
按二级负荷设计。
表1负荷统计资料
车间名称
设备容量kW
需要系数
功率因数
模具车间
830
0.45
0.65
铸造车间
1220
0.50
0.60
机加工车间
640
0.35
0.65
抛光车间
440
0.45
0.75
电镀车间
545
0.46
0.75
装配车间
458
0.35
0.65
综合楼
360
0.75
0.85
2、供电电源情况
按照工厂与当地电业部门签订的供用电协议规定，本厂可从某35／10kV地区变电站取得工作电源。
该35／10kV地区变距离本厂约为5km，10kV母线短路数据：
、
，其出口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的动作时间为1.5s。
工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。
3．气象资料
本厂所在地区的年最高气温为37℃，年平均气温为25℃，年最低气温为－2℃，年最热月平均最高气温为33℃，年最热月平均气温为26℃，年最热月地下0.8m处平均温度为25℃。
当地主导风向为东南风，年雷暴日数为52.2天。
4．电费制度
当地现行销售电价。
本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电价制交纳电费。
五、参考文献
1、应敏华，程乃蕾主编，供用电工程，中国电力出版社，2010.12
2、周瀛，李鸿儒.工业企业供电（第二版）.北京：
冶金工业出版社，2002.
3、余健明.供电技术（第三版）.北京：
机械工业出版社，2001
4、刘涤尘.电气工程基础.武汉.武汉理工大学出版社，2002
5、刘建，倪健立，邓永辉主编著.配电自动化系统（第二版）.北京：
中国水力电力出版社，2003
目录
1负荷计算的意义及相关参数的计算………………………………
1.1负荷计算的意义及参数计算……………………………
1.2车间负荷计算结果……………………………………
2无功补偿的计算…………………………………………………………………
2.1无功补偿计算方法……………………………………………………
2.2各个车间的补偿结果…………………………………………………
3变压器的台数、容量和类型的选择……………………………………
3.1变电所主变压器台数的选择………………………………
3.2变电所主变压器容量的选择…………………………………………
4电气主接线方案选择…………………………
4.1电气主接线的意义及重要性……………………
4.2电气主接线的设计…………………………
5短路电流的计算…………………………
5.1产生短路电流的原因、危害及计算方法…………………………
5.2短路电流点的计算…………………………………………
6一次设备的选择…………………………
7电线电缆选择…………………………
8总的一次接线图………………………………
9致谢………………………………………………………………
10参考文献……………………………………
1负荷计算的意义及相关参数的计算
1.1负荷计算的意义及参数计算
负荷计算是设计的基础,它决定设备容量的选用,管网系统的规模以及工程总造价等,这是技术人员熟知的事实。
但是近几年来用估算的方法替代了负荷计算,给制定方案、工程审核造成一定的困难。
通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷（calculatedload）。
目前，对工矿企业的电力负荷计算主要采用三种方法：
单位容量法、需要系数法、用系数法。
在本设计中采用的是需要系法来进行负荷计算。
（一）一组用电设备的计算负荷
主要计算公式有：
有功计算负荷：
=
（2-1）
无功计算负荷：
=
（2-2）
视在计算负荷：
=
/
（2-3）
计算电流：
=
/
（2-4）
式中
为用电设备组的需要系数值；
为用电设备组的平均功率因数；
为功率因数
的正切值；
为用电设备组的额定电压。
1.2车间负荷计算结果
表1车间负荷计算结果
序号
车间名称
设备容量/Kw
需要系数/Kd
功率因数/cosφ
计算负荷
tanφ
Pc/kW
Qc/kvar
Sc/kv·A
Ic/A
1
模具车间
830
0.45
0.65
1.1691
373.5
436.66989
574.61538
873.0378
2
铸造车间
1220
0.5
0.6
1.3333
610
813.33333
1016.6667
1544.665
3
机加工车间
640
0.35
0.65
1.1691
224
261.88502
344.61538
523.5889
4
抛光车间
440
0.45
0.75
0.8819
198
174.61959
264
401.1065
5
电镀车间
545
0.46
0.75
0.8819
250.7
221.09662
334.26667
507.8657
6
装配车间
458
0.35
0.65
1.1691
160.3
187.41147
246.61538
374.6933
7
综合楼
360
0.35
0.65
1.1691
126
147.31032
193.84615
294.5188
2无功补偿的计算
2.1无功补偿的计算方法
在交流电路中,由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率,一种是无功功率。
根据电容器在工厂供电系统中的装设位置，有高压集中补偿，低压成组补偿和低压补偿三种方式。
无功补偿的计算方法
由于本设计中上级要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.92,而由上面计算可知
=0.6<0.9，因此需要进行无功补偿。
综合考虑在这里采用并联电容器进行低压集中补偿。
以NO1（STS1）车间变电所为例,计算它的功率补偿
QN.C=436.67×（tanarccos0.75993－tanarccos0.93）kvar=289.05kvar
根据补偿柜的规格要求,初选WZ0.4-100-J,每组容量qN.C=100kvar,则需要安装的电容组数为
n=QN.C/qN.C=3
无功补偿后，变电所低压侧的视在计算负荷为：
Pc=373.5kvar
Sc=397.71963kV.Acosa=0.9391
又考虑到变压器的功率损耗为：
（3-1）
（3-2）
简化公式有：
ΔPT=0.01Sc，ΔQT=0.05Sc（3-3）
变电所高压侧计算负荷为：
=
+Δ
=377.5kW
=
-QN.C+Δ
=156.6kvar
=408.65
补偿后的功率因数为：
Cosφ=
=0.9237
2.2各个车间的补偿结果
表2功率补偿计算结果（低压侧）
车间变电所代号
无功功率补偿前
补偿容量（kvar）
无功功率补偿后
Qc（kvar）
Sc（kV.A）
功率因数
Qc（kvar）
Sc（kV.A）
功率因数
I（KA）
STS1
436.67
574.62
0.75993
300
373.5
397.7196
0.939104
604.272
STS2
813.333
1016.7
0.8
580
610
653.1037
0.934002
992.288
STS3
657.601
1187
0.554
340
833
894.1601
0.931601
1358.54
STS4
147.31
193.85
0.75993
520
126
134.5893
0.936182
204.487
由计算,可以算出在变压器的高压侧无功补偿后的结果,见下表3
表3功率补偿后结果（高压侧）
车间变电所代号
Pc（kW）
Qc（kvar）
Sc（kV.A）
Ic（A）
cosa
STS1
377.477
156.56
408.655
23.59
0.924
STS2
616.531
265.99
671.461
38.77
0.918
STS3
841.942
369.72
919.543
53.09
0.916
STS4
127.346
54.04
138.338
7.987
0.921
电容补偿方案：
采用WZ系列无功补偿柜：
表4电容补偿柜选取方案
车间变电所代号
目标补偿容量（KVA）
补偿电容型号
组数
STS1
300
WZ0.4-100-J
3
STS2
600
WZ0.4-200/10-J
3
STS3
520
WZ0.4-200/10-JWZ0.4-120/10-J
2
1
STS4
100
WZ0.4-100/7-J
1
3变压器的台数、容量和类型的选择
3.1变电所主变压器台数的选择
选择主变压器台数时应考虑下列原则：
应满足用电负荷对供电可靠性的要求。
1）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所。
2）除上述两种情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。
3）在确定变电所主变压器台数时，应当考虑负荷的发展，留有一定的余量。
3.2变电所主变压器容量的选择
1）只装一台主变压器的变电所
主变压器的容量SN.T应满足全部用电设备总计算负荷S30的需要，即
SN.T≥S30
2）装有两台主变压器的变电所
每台变压器的容量SN.T应同时满足以下两个条件：
①任一台单独运行时，SN.T≥（0.6～0.7）S30
②任一台单独运行时，SN.T≥S30（Ⅰ+Ⅱ）
由于铸造车间要求较高，故设置两台变压器，负荷率为70%。
另考虑到综合楼设备的使用安全，特单独设置一变压器。
4电气主接线方案选择
4.1电气主接线的意义及重要性
电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中,为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。
电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。
对一个电厂而言,电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等,从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面,经综合比较后确定。
它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。
电气主接线又称电气一次接线图。
电气主接线应满足以下几点要求：
1）运行的可靠性：
主接线系统应保证对用户供电的可靠性,特别是保证对重要负荷的供电。
2）运行的灵活性：
主接线系统应能灵活地适应各种工作情况,特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时,能够通过倒换开关的运行方式,做到调度灵活,不中断向用户的供电。
在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。
3）主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下,做到经济合理,尽量减少占地面积,节省投资。
4.2电气主接线的设计
变配电所的电气主接线是一电源进线和引出线为基本环节，以母线为中间环节的电能输配电路。
其基本形式按有母线接线和无母线接线。
母线又称汇流排，起着汇集电能的作用。
在拥护的变配电所中，有母线的主接线按母线的设置不同，又有单母线接线，单母线分段接线，双母线接线。
（1）单母线接线
典型的单母线接线形式如图1，图a为一路电源进线的情况，图b为两路电源进线一用一备的情况。
单母线接线优点是简单、清晰、设备少、运行操作方便且有利于扩建。
（2）单母线分段接线
单母线分段接线保留了单母线接线的优点，又在一定程度上克服了他的缺点，如缩小了母线故障的影响范围、分别从两段母线上引出两路出现可保证对一级负荷的供电等。
5短路电流的计算
5.1产生短路电流的原因、危害及计算方法
短路电流产生的原因：
（1）设备绝缘损坏。
老化、污闪、雾闪、盐碱击穿。
（2）外力破坏。
雷击、鸟害、动物接触、人员或植物距离太近。
（3）设备机械损伤。
疲劳严重、断线、倒塔、倒杆、电动力太大拉断导线。
（4）运行人员误操作、带地线合隔离开关、带负荷拉隔离开关。
（5）其他原因。
短路电流产生的主要危害：
（1）短路电流的弧光高温直接烧坏电气设备。
（2）短路电流造成的大电动力破坏其它设备，造成连续的短路发生。
（3）电压太低影响用户的正常供电。
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短路电流点的计算
本设计采用标幺制法进行短路计算
1.在最大运行方式下:
以STS2变电所为例Sk.max=200
（1）确定基准值
取Sd=100
=10.5kV
=0.4kV
而
（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
①电力系统：
=100
/200
=0.5
②架空线路：
=
L
/
=1.5873
③电力变压器
=4.5
绘制等效电路如图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1等效电路
（3）求k-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流
1）总电抗标幺值
=2.09
2）三相短路电流周期分量有效值
=2.63kA
3）其他三相短路电流
=
=
=2.63kA
=6.72kA
=3.9kA
4）三相短路容量
=
/
=47.9
（4）求k-2点的短路总电抗标幺值及短路电流
1）总电抗标幺值
=
+
+
=6.59
2）三相短路电流周期分量有效值
=
=21.91KA
3）其他三相短路电流
=
=21.91kA
=40.31kA
=23.88kA
6一次设备的选择
供电系统的电气设备主要有断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。
电气设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。
对于高压设备器件的校验项目见表5：
表5高压设备器件的校验项目
电器设备名称
电压/kV
电流/A
断流能力/kA
短路电流校验
短流能力
热稳定度
真空断路器
√
√
√
√
√
旋转式隔离开关
√
√
－
√
√
高压熔断器
√
√
√
－
－
电流互感器
√
√
－
√
√
电压互感器
√
－
－
－
－
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
设备的最大开断（或功率）应不小于它可能开断的最大电流（或功率）
按三相短路冲击电电流和过流校验
按三相短路稳态短路发热假想时间校验
电气设备按考虑电气装置的环境条件和电气要求。
环境条件是指电气装置所处的位置（室内或室外）、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。
电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率（一般为50Hz）等的要求；对一些断流电器如开关、熔断器等，应考虑其断流能力。
7电线电缆选择
选择依据
（1）发热条件
（2）电压损失条件（3）经济电流密度条件（4）机械强度条件（5）短路热稳定条件
对电力电缆不必校验机械强度。
其具体校验条件如下：
a按发热条件选择导线和电缆截面按发热条件选择三相系统中的相线截面时，应使其允许载流量Ial大于通过相线的计算电流Ic，即Ial＞Ic所谓导线和电缆的允许载流量，就是在规定的环境温度条件下，导线能够连续承受而不致使其稳定温度超过允许值的最大电流。
影响导线和电缆的允许载流量的主要因素：
导线和电缆的导体材料与绝缘材料、导线和电缆的环境温度、导线和电缆的敷设方式、导线和电缆的并列根数。
按发热条件选择导体截面后，再校验电压损失、机械强度、短路热稳定等条件。
b按电压损失条件选择导线和电缆截面。
当先按电压损失条件选择导线（或电缆，下同）截面时，由于截面未知，故有两个未知数，即导线的电阻和电抗。
可先假定一个单位长度的电抗值x0,然后再进行选择计算。
（7-1）
（7-2）
（7-3）
式中
是导线材料电阻率的计算值，铜取18.8，单位Ω·m×10－9。
c经济电流密度
35kV以上高压线路考虑经济截面，用户的10kV及以下线路通常不按此条件选择。
d校验机械强度
导线截面应不小于其最小允许截面
e短路热稳定
对绝缘导线电缆和母线应校验其短路热稳定性校验公式如下：
8总的一次接线图
致谢
两周的课程设计很快结束，我在这之中收获颇丰。
首先是我发现了很多课堂上理论学习时很多没有发现的问题，并及时得到了解决。
这样看来，实践出真知的古语果然分毫不差。
通过实际的设计尝试，我深深体会到了动手实践和理论学习的巨大差距，这个观念将指导我在以后的学习中应多多注重实践动手，多多把理论运用到实践中来。
用实践巩固理论，用实践检验理论，用实践发现理论的不足并充实理论。
参考文献
1、应敏华，程乃蕾主编，供用电工程，中国电力出版社，2010.12
2、周瀛，李鸿儒.工业企业供电（第二版）.北京：
冶金工业出版社，2002.
3、余健明.供电技术（第三版）.北京：
机械工业出版社，2001
4、刘涤尘.电气工程基础.武汉.武汉理工大学出版社，2002
5、刘建，倪健立，邓永辉主编著.配电自动化系统（第二版）.北京：
中国水力电力出版社，2003
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