工厂供电系统电气部分设计.docx

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工厂供电系统电气部分设计

工厂供电系统电气部分设计

二0一四年六月

工厂供电系统电气部分设计

田文杰（供电12833）

摘要

工厂供电（electricpowersupplyforindusrialplants），就是指工厂所需电能的供应和分配问题，众所周知，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能量转换而来，又易于转换为其他形式的能量已供应用；它的输送与分配既简单经济，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，但是它在生产成本中所占的比重一般很小。

例如在机械工业中，电能开支占产品成本的5%左右。

从投资额来看，有些机械工厂在供电设备上的投资也仅占总投资的5%左右。

所以电能在工业生产中的重要性，并不在与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后果。

例如某些对供电可靠性要求很高的电厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大设备的损坏，或引起大量产品报废，甚至可能发生重大的人生事故，给国家和人民带来经济甚至政治上的重大损失。

    因此，搞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，而能源节约对于国家经济建设是一项具有战略意义工作，也是工厂供电工作的一项重要任务。

    工厂供电工作要很好地围攻业生产服务，切实保证工厂生活和生活用电的需要，并搞好能源节约，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，不应发生人身事故或设备事故。

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量和频率等方面的要求

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消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

关键词：

负荷计算，三相短路，主接线，继电保护，设备选择

1 变压器的选择及其电气主接线 

1.1变压器的选择 

1.1.1电力变压器及其分类 

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，在中低压供配电系统中，常用的电力变压器有如下几种分类方式：

① 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。

② 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Yyn0和Dyn11两种。

1.1.2电力变压器的连接组别

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Yyn0,和Dyn11两种常见的联结组，配电变压器用Dyn11联结。

较之采用Yyn0联结有一下优点：

① 对Dyn11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。

② Dyn11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Dyn11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%以上，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Dyn11联结形式。

1.1.3变压器台数和容量的选择 

1、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，为保证供电可靠性，应设两台或多台变压器。

以起到相互备用的作用。

5） 在确定变电所住变压器台数时，应考虑负荷的发展，留有一定的余量。

2、变压器容量的选择：

1）只装一台主变压器的变电所 

主变压器容量SN.T应满足全部用电设备总计算负荷S30的需求，即 

SN.≥S30   式（1.1） 

2） 装有两台主变压器的变电所，每台变压器的容量SN.T应该同时满足以下两个条件：

a.任一台变压器单独运行时，宜满足总的计算负荷S30的大约60%--70%的需要，即 

SN.T =（0.6~ 0.7） S30           式（1.2） 

b.任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的要求。

即 

    SN.T ≥ S30（Ⅰ+Ⅱ）          式（1.3） 

3、车间变电所主变压器的单台容量上限：

车间变电所主变压器的单台容量，一般不宜大于1000kVA。

这一方面是受以往低压开关电器断流能力和短路稳定度要求的限制，另一方面也是考虑到可以使变压器更接近于车间负荷中心，以减少低压配电线路的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。

4、适当考虑负荷的发展 

应适当考虑今后5—10年电力负荷的增长，留有一定的余地。

1.1.4电力变压器的校验 

电力变压器的额定容量SN.T是在一定温度条件下的持续最大输出容量。

如果安住地点的年平均气温θ0.av≠20℃时，则年平均气温每升高1°C，变压器容量相应地减少1%，户外电力变压器的实际容量为

ST=（1-θ0.av-20/100）SN.T式（1.4）

对于户内变压器，由于散热条件差，一般变压器室的出风口与进风口间有约15°C的温差，从而使处于室内中间的变压器环境温度比户外变压器环境温度要高出大约8°C，因此户内变压器的实际容量较之上式所计算的容量还要小8%。

对于S9-630/10型变压器，考虑本地年平均气温为23.2°C，即年平均气温不等于20°C，对于室内变压器，其实际容量为 

ST=（0.92-θ0.av-20/100）SN.T=（0.92-（23.2-20/100））630KVA

=599.44KVA＞425.16KVA

因此，选择的变压器满足要求。

1.2工厂变配电所的主接线图 

1.2.1电气主接线的概况 

电气主接线图即主电路图，是表示供电系统中电能输送和分配线路的电路图，亦称一次电路图。

它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。

电气主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三方面：

可靠性：

为了向用户供应持续、优质的电力，电气主接线首先必须满足这一可靠性的要求。

主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显的尤为重要。

为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，做出切合实际的决定。

灵活性：

电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。

灵活性包括以下几个方面：

1）操作的方便性   电气主接线应该在服从可靠性的基本要求条件下，接线简单，操作方便，尽可能地使操作步骤少，以便于运行人员掌握，不致在操作过程中出差错。

2）调度的方便性   电气主接线在正常运行时，要根据调度要求，方便的改变运行方式。

并且发生事故时，要能尽快地切出故障，故停电时间最短，影响范围最小，不致过多地影响对用户的供电和破坏系统的稳定运行。

3）扩建的方便性   对将来要扩建的发电厂和变电站，其主接线必须具有扩建的方便性。

经济性：

采用简单的接线方式，少用设备，节省设备上的投资。

1.2.2车间和小型工厂变电所的主接线图 

1、车间变电所的主接线图 车间变电所的主接线分两种情况：

1） 有工厂总降压变电所或高压配电所的车间变电所 

其高压侧的开关电器、保护装置和测量仪表等，一般都安装在高压配电线路的首段，即总配电所的高压配电室内，而车间变电所只设变压器室和低压配电室，其高压侧多数不安装开关，或只安装简单的隔离开关、熔断器、避雷器等，如图1.1所示。

图1.1 车间变电所高压侧主接线方案 

a）高压电缆进线，无开关  b）高压电缆进线，装隔离开关 c）高压电缆进线，装隔离开关-熔断器 d）高压电缆进线，装负荷开关-熔断器 e）高压架空进线，装跌开式熔断器和避雷器 f）高压架空进线，装隔离开关-熔断器和避雷器g）高压架空线，装隔离开关-熔断器和避雷器

由图可以看出，凡是高压架空进线，变电所高压侧必须装设避雷器，以防雷电波沿着架空线路侵入变电所击毁电力变压器及其他设备的绝缘。

而采用高压电缆进线时，避雷器则装设在电缆的首端，而且避雷器的接地端要连同电缆的金属外皮一起接地。

此时变压器高压侧一般可以不再装设避雷器。

如果变压器高压侧为架空线又经过一段电缆引入时，则变压器高压侧仍应装设避雷器。

2）工厂无总变、配电所的车间变电所 

工厂内无总降压变电所和高压配电所时，其车间变电所往往就是工厂的降压变电所，其高压侧的开关电器、保护装置和测量仪表等，都必须配备齐全，所以一般要设置高压配电室。

在变压器容量较小、供电可靠性要求不高的情况下，就可以不设高压配电室，其高压侧的开关电器就装在变压器室的墙上或电杆上，而在低压侧计量电能，或者其高压柜就装在低压配电室内，在高压侧计量电能。

2、小型工厂变电所的主接线图 

1）只装有一台主变压器的小型变电所主接线图 

只装有一台主变压器的小型变电所，其高压侧一般采用无母线的接线。

根据其高压侧采用的开关电器不同，有以下三种比较经典的主接线方案。

a.高压侧采用隔离开关-熔断器或户外跌开式熔断器的变电所主接线图（图1.2）这种主接线，受隔离开关和开式熔断器切断空载变压器容量的限制，一般只用于500kVA及以下容量的变电所。

图1.2 高压侧采用隔离开关-熔断器图1.3 高压侧采用负荷开关-熔断器

或跌开式熔断器的变电所主接线图或负荷跌开式熔断器的变电所直接线图

这种变电所相当简单经济，但供电可靠性不高，当主变压器或高于侧停电检修或发生故障时，整个变电所要停电。

由于隔离开关和跌开式熔断器不能带负荷操作，因此变电所送电和停电的操作程序比较复杂，如果稍有疏忽，还容易发生带负荷拉闸的严重事故，而且在熔断器熔断后，更换熔体需一定时间，从而影响供电的可靠性。

但是这种主接线简单经济，对于三级负荷的小容量变电所是相当适宜的。

b.高压侧采用负荷开关-熔断器或负荷跌开式熔断器的变电所主接线图（图1.3） 由于负荷开关和负荷跌开式熔断器能带负荷操作，从而使变电所停、送电的操作简便灵活得多，也不存在着在带负荷拉闸的危险。

但在发生短路故障时，只能是熔断器熔断，因此这种主接线仍然存在着在排除短路故障时恢复供电的时间较长的缺点，供电可靠性仍然不高，一般也只用于三级负荷的变电所。

图1.4 高压侧采用隔离开关图1.5 高压双回路进线的一台主

-断路器的变电所主接线图变压器变电所主接线图 

c.高压侧采用隔离开关-断路器的变电所主接线图（图1.4） 

这种主接线由于采用了高压断路器，因此变电所的停、送电操作十分灵活方便，而且在发生短路故障时，过电流保护装置动作，断路器会自动跳闸，如果短路故障已经消除，则可立即合闸回复供电。

如果配备自动重合闸装置，则供电可靠性更高。

但是如果变电所只此一路电源进线时，一般也只用于三级负荷；但如果变电所低压侧有联络线与其他变电所相连时，或另有备用电源时，则可用于二级负荷。

如果变电所有两路电源进线，如图1.5所示，则供电可靠性相当提高，可供二级负荷或少量一级负荷。

图1.6 高压侧无母线、低压侧单母分段的变电所主接线图

2）装有两台主变压器的小型变电所主接线图 

a.高压无母线、低压单母线分段的变电所主接线图（图1.6）  这种主接线的供电可靠性较高，当任一主变压器或任一电源进线停电检修或发生故障时，该变电所通过闭合低压母线分段开关，即可迅速恢复对整个变电所的供电。

如果两台主变压器高压侧断路器装设互为备用的备用电源自动投入装置，则任一主变压器高压侧断路器因电影断电而跳闸时，另一主变压器高压侧的断路器在备用电源自动投入装置作用下自动合闸，恢复整个变电所的供电。

这时变电所可供一、二级负荷。

图1.7 高压采用单母线、低压单母线分段的变电所主接线 

b.高压侧采用单母线、低压侧采用单母分段的变电所主接线图（图1.7）  这种主接线适用于装有两台及以上主变压器或具有多路高压出线的变电所，其供电可靠性也较高。

任一主变压器检修或发生故障是，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。

但是高压母线或电源进线进线检修或发生故障时，整个变电所仍要停电。

这时只能供电给三级负荷。

如果有与其他变电所相连的高压或低压联络线时，则可供一、二级负荷。

c.高低压侧均采用单母线分段的变电所主接线图（图1.8）  这种主接线的两段高压母线，在正常时可以接通运行，也可以分段运行。

任一台主变压器或任一路电源进线停电检修或发生故障时，通过切换操作，均可迅速恢复整个变电所的供电。

因此，其供电可靠性相当高，可供一、二级负荷。

图1.8 高低压侧均为单母线分段的变电所主接线图

2 短路电流的计算 

2.1短路的原因、后果及其形式 

2.1.1短路的原因 

系统中最常见的故障就是短路，短路就是指不同电位的导电部分对地之间的低阻性短接。

产生短路的原因有：

电气设备绝缘被损坏 

绝缘损坏多由于未及时发现和消除设备的缺陷，以及设计、安装和运行维护不良所致。

例如，过电压、设备遭雷击、绝缘材料陈旧、机械损伤等等。

有关人员误操作 

这种情况大多是由于操作人员违反安全操作规程而发生的，例如带负荷拉闸，或者误将低电压设备接入较高电压的电路中而造成击穿短路。

鸟兽为害事故 

鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，从而导致短路。

 2.1.2短路的后果

短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。

在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。

短路电流对系统产生较大的危害：

① 短路时要产生很大的点动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。

② 短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。

③ 短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，造成的损失也越大。

④ 严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统结列。

⑤ 不对称短路包括单相和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变电磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。

由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流的计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。

为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电装置和选择限制短路电流的元件（如电抗器）等，也必须计算短路电流。

2.1.3短路的形式 

在三相系统中，短路的形式有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路等，其中两相接地短路，实质是两相短路。

按短路电路的对称性来分，三相短路属于对称性短路，其他形式短路均不为对称短路。

电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。

但一般情况下，特别是远离电源的工厂供电系统中，三相短路的短路电流最大，因此造成的危害也最为严重。

为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠的工作，因此作为选择和校验电气设备用的短路计算中，以三相短路计算为主。

实际上，不对称短路也可以按对称的短路电流分解为对称的正序、负序、零序分量，然后按对称量来分析和计算，所以对称的三相短路分析计算也是不对称短路分析计算的基础。

 2.2无限大容量电力系统的三相短路计算 

2.2.1无限大容量电力系统 

无限大容量电力系统，是指供电容量先对于用户供电系统容量大的多的电力系统。

其特点是：

当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。

如果电力系统的电源总阻抗不超过短路总阻抗的5%-10%，或者电力系统容量超过用户供电系统容量的50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。

对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量的电源。

2.2.2短路电流的计算方法 

进行短路电流计算，首先要绘出计算电路图，在电路图上，将短路计算所需要考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将个元件依次编号，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。

① 电力系统的阻抗计算 

电力系统的电阻相对于电抗来说很小，一般不予考虑。

电力系统的电抗，可由电力系统变电站馈电线出口断路器的断路容量Soc来估算，电力系的电抗为

XS=Uc2/Soc式（2.1）

式中，Uc为电力系统馈电线的短路计算电压，但为了便于短路电路总阻抗的计算，免去阻抗换算的麻烦，此式中的Uc可直接采用短路点的短路计算电压；

Soc为系统出口断路器的断流容量，如果只有断路器的开断电流Ioc，则其断流容量Soc=IocUN，这里的UN为断路器的额定电压。

② 电力变压器的阻抗计算

 1）变压器的电阻RT    

可由变压器的短路损△PK耗近似计算

因△PK≈3IN2RT=（SN/Uc）2RT 

故RT≈△PK（Uc/SN）2式（2.2）

式中，Uc为短路点短路计算电压；Sn为变压器的额定容量；△Pk为变压器的短路损耗。

2）变压器的电抗XT  可由变压器的短路电压UK％近似地计算。

因UK％≈SNXT/Uc2×100

故XT≈（UK％/100）×（UC2/SN）式（2.3）

式中，UK％为变压器的短路电压百分值。

③ 电力线路的阻抗计算 

1）线路的电阻RWL可由导线电缆的单位长度电阻R0乘以线路长度求得，即

RWL=R01式（2.4）

式中，RO为导线电缆单位长度电阻，l为线路长度。

2）线路的电抗XWL可由导线电缆的单位长度电抗X0乘以线路长度求得，

即XWL=X01式（4.5）

表2.1 电力线路每相的单位长度电抗平均值

线路结构

线路电压

35KV及以上

6-10KV

220V/380V

架空线路

0.4

0.35

0.32

电缆线路

0.12

0.08

0.066

在计算短路电路的阻抗时，假如电路内含有电力变压器时，电路内各元件的阻抗都应该统一换算到短路点的短路计算电压去，阻抗等效换算的条件是元件的功率损耗不变。

2.2.3工厂三相短路电流的计算 

画出短路计算电路图，如图2.1所示：

图2.1 短路计算电路图

画出短路等效电路图，如图2.2所示：

图2.2 短路等效电路图

① 求短路点K-1处短路电流和短路容量（UCL=10.5kV）。

1） 计算短路电路中各元件的电流和总阻抗。

a.电力系统的电抗：

XL=UCL2/SOC=（10.5KV）2/500MVA=0.221Ω

查表得SN10-10Ⅱ型断路器的断流容量SOC=500MVA

b架空线路的电抗：

X2=X01=0.35×1=0.35Ω

c电缆线路的电抗：

X3=X（01）11=0.08×0.02=0.0016Ω

计算总电抗：

X∑（K-1）=X1+X2+X3=0.573Ω

2） 计算K-1点的三相短路电流和短路容量。

三相短路次暂态电流和稳态电流:

i（3）sh（k-1）=2.55I〞（K-1）（3）=2.55×10.58=26.976KVA

i（3）sh（k-1）=1.51I〞（K-1）（3）=1.51×10.58=15.976KVA

②求K-2点三相短路电流和短路容量（UC2=0.4KV）

1）计算短路电路中各元件的电抗和总电抗 

a电力系统的电抗：

X1ˊ=U2C2/SOC=0.42/500=3.2×10-4Ω

b架空线路的电抗:

X2ˊ=X01（UC2/Uc1）2=0.35×（0.4/10.5）2=5.08×10-4Ω

c电缆线路的电抗：

X3ˊ=X（01）11（UC2/Uc1）2=0.0016×（0.4/10.5）2=2.32×10-6Ω

d电力变压器的电抗：

查表UK％=5

则X4ˊ=（UK％/100）×（U2C2/SN）=（5/100）×（0.42/630）=0.0127

总电抗X∑（K-1）=X1ˊ+X2ˊ+X3ˊ+X4ˊ=0.0135Ω

3）计算K-2点三相短路电流和短路容量。

三相次暂态短路电流和短路稳态电流 

I〞（K-2）（3）=I（K-2）（3）∞=I（3）（K-2）=17.11KA

三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值：

i（3）sh（k-2）=1.84I″（K-2）（3）=1.84×17.11=31.48KVA

3.主要设备选择

3.1导线的选择与校验 

3.1.1车间导线截面及配电箱的选择

1. 选择配电箱中各路的熔体额定电流。

根据设备明细表中各设备的容量，依据熔断器的选择方法和原则，可得出各路的熔体额定电流。

2. 根据已选出的各路熔体额定电流，并预留1-2路（将来增加用电设备时可不更换分电箱）。

确定线路数和熔断器电流相适应的分电箱。

3. 根据已选出的各路熔体电流及其敷设方式、环境温度等，依据导线及电线管得选择方法和原则，可选出相应的导线及电线管。

4. 引入配电箱分干线截面的选择。

由于每小分电箱所接的设备台数不多，所以分干线的计算电流应按二项式法计算。

这样才能照顾到大容量设备对计算机电流的影响。

选干线截面时，应留有余量，以备负荷发展。

干线导线有两部分组成：

一部分是敷设在车间的明敷部分，按明敷设选导线；另一部分是从配电箱引到干线小于2m要加保护措施，采用穿管敷设，应按穿管导线选择导线。

选总线干线时，每路干线所接设备台数不多，干线的计算电流也应按二项式法计算。

3.2高压一次设备的选择：

3.2.1一次设备及其分类 

变电所中承担输送和分配电能的任务电路，称为一次电路，一次电路中的所有设备，称