工厂供电课程设计指导书.docx
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工厂供电课程设计指导书
工厂供电课程设计指导书
代礼奎编宋乐鹏审
重庆科技学院
电子信息工程学院自动化教研室
目录
1、课程设计目的――――――――――――――――――――――――1
2、课程设计要求――――――――――――――――――――――――1
3、课程设计时间及进度安排―――――――――――――――――――1
4、课程设计内容―――――――――――――――――――――――2
4.1负荷计算和无功功率补偿――――――――――――――――—2
4.2变电所主变压器台数和容量的选择――――――――――――—4
4.3变配电所位置的选择―――――――――――――――――――—4
4.4变配电所主结线方案的设计―――――――――――――――――5
4.5短路电流的计算―――――――――――――――――――――6
4.6变电所一次设备的选择与校验―――――――――――――――8
4.7供电系统的过电流保护――――――――――――――――――9
4.8二次回路接线的设计与安装――――――――――――――――14
4.9供配电线路的设计计算―――――――――――――――――――14
4.10防雷保护设计――――――――――――――――――――――15
5设计报告要求―――――――――――――――――――――――――17
1、课程设计目的
工厂供电课程设计作为独立的教学环节，是自动化及相关专业集中实践性环节系列之一，是学习完《供配电技术》课程后，进行的一次综合设计。
其目的在于加深对供配电技术的理解，掌握工厂供配电技术初步的工程设计能力和分析解决供配电技术问题的能力；提高学生在供配电技术应用方面的实践技能和科学作风；培育学生综合运用理论知识解决问题的能力，力求实现理论结合实际，学以致用的原则。
学生通过查阅资料、负荷计算及无功补偿、变电所主变压器选择及主结线方案的确定、短路电流的计算和电气设备的选择与校验、防雷接地设计、资料整理等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能；熟悉开展科学实践的程序和办法，为今后从事生产技术工作打下必要的基础；学会灵活运用已经学过的知识，并能不断接受新的知识，大胆发明创造的设计理念。
2、课程设计要求
课程设计应充分体现“教师指导下的以学生为中心”的教学模式，以学生为认知主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。
根据课程设计具体课题安排时间，分小组进行。
根据合理的进度安排，一步一步、踏踏实实地开展课程设计活动，按时完成每部分工作。
课程设计集中在教室进行，每天由班长负责考勤，指导教师抽查。
在课程设计过程中，坚持独立完成，实现课题规定的各项指标，并写出设计报告。
3、课程设计时间及进度安排
课程设计集中在二周（10天）进行。
为保证达到预计的教学任务及目的，以小组为单位分别进行资料的收集、方案论证、负荷计算及无功补偿、变电所主变选择及主结线方案的确定、短路电流的计算和电气设备的选择与校验、防雷接地设计。
具体进度及要求安排如下：
时间
内容
第1天
布置课题，准备设计资料及熟悉课题
第2天
方案论证、分析、讨论
第3天
确定车间的计算负荷
第4天
确定车间变电所的变压器台数、容量及主结线方案及短路电流计算
第5天
高低压电气设备和导线的选择及防雷设计
第6天
确定车间配电支干线、干线及配电箱的计算负荷
第7天
选择导线的截面和型号
第8天
绘制车间配电系统图及平面图
第9天
整理资料、写课程设计报告
第10天
递交课程设计报告、总结
4、课程设计内容
课程设计的主要内容有：
负荷计算和无功功率补偿、变电所主变压器台数和容量的选择、变电配所位置的选择、变配电所主结线方案的设计、短路电流的计算、变电所一次设备的选择与校验、供电系统的过电流保护、二次回路接线的设计与安装、供配电线路的设计计算、防雷保护设计。
4.1负荷计算和无功功率补偿
计算负荷是用来按条件选择供电系统中的各元件的负荷值。
用电设备组计算负荷的确定，在工程中常用的有需要系数法和二项式系数法，而前者应用最为普遍。
当用电设备台数较多，各台设备容量相差不甚悬殊时，通常都采用需要系数法计算。
当用电设备台数较少而容量相差悬殊时，通常都采用二项式系数法计算。
无论采用何种计算方法，首先要正确判别用电设备的类别和工作性质，准确地分组。
4.1.1按需要系数法确定计算负荷
（1）单组电设备计算负荷的计算公式
P30=Kd·Pe
Q30=P30·tgФ
S30=P30／S30cosФ
I30=S30／
UN
单位：
P—KWQ—KVarS—KV·A
I—AU—KV
（2）多组电设备计算负荷的计算公式
P30=K∑P·∑P30·i
Q30=K∑q·∑Q30·i
S30=
I30=S30／
UN
4.1.2按二项式系数法确定计算负荷
适用于设备台数较少，而容易量相差大的场合。
（1）单组电设备计算负荷的计算公式
P30=b.Pe+c.Px（一组用电设备）
其余Q30,S30,I30同需要系数法。
（2）多组用电设备计算负荷的确定。
P30=∑（b.Pe）I+（c.Px）max
Q30=∑（bPetgФ）I+（c.Px）max.tgФmax
S30和I30仍分别按式需要系数时方法。
4.1.3
工厂计算负荷的确定
（1）逐级计算法确定工厂的计算负荷
工厂的计算负荷除了计算出用电设备组的计算负荷外还需要逐级计入有关线路和变压器的功率损耗（包括有功和无功）
（2）需要系数法
P30=Kd·Pe
Pe—全厂用电设备的总容量（不含备用设备）
Kd—工厂的需要系数。
Q30,S30,I30计算方法同前。
（3）按年产量估算
Wa=A·a
A—工厂年产量a—单位产品的耗电量
P30=Wa／Tmax
4.1.4无功功率补偿
按水利电力部1983年制订的《全国共用电规则》规定：
高压供电的工业用户，功率因数不得低于0.9；其它情况，功率因数不得低于0.85。
如果达不到上述要求，则需要增设无功功率的人工补偿装置。
工厂中普遍采用并联电容器来补偿供电系统中的无功功率，其计算方法是：
补偿容量：
QC=Q30－Qˊ30=P30（tgФ－tgФˊ）
或：
QC=△qc·P30
式中△qc=（tgФ－tgФˊ）称为无功补偿率。
单位：
KVar∕kw.可查附录表5。
电容器的个数确定：
n=QC∕qc
常用的BW系列并联电容器的主要参数。
可参考附录表6。
注意：
如果采用的是单相电容，应取3的倍数个电容器，以便三相均平衡分配。
无功补偿后工厂的计算负荷：
Qˊ30=Q30－QC
Sˊ30=
同样：
Iˊ30=Sˊ30∕
UN
4.2变电所主变压器台数和容量的选择
4.2.1变电所主变压器台数的选择
（1）应满足用电负荷对供电可靠性的要求。
对供用大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器以便当一台故障或检修时，另一台能对一、二级负荷继续供电。
对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但在低压侧应敷设与其他变电所相联的联络先作为备用电源。
（2）对季节负荷或昼夜负荷变动较大而宜采用经济运行方式的变电所，也可考虑采用两台变压器。
（3）除上述情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器，但集中负荷较大者，虽为三级负荷，也可采用两台及以上变压器。
（4）在确定变电所主变压器台数时，应考虑负荷的发展留有一定余地。
4.2.2变电所主变压器容量的选择
（1）只装有一台主变压器的变电所
ST≧S30
（2）装有两台变压器的变电所
任一台单独运行时：
ST≈（0.6～0.7）S30
任一台单独运行时，应满足全部一、二级负荷S30（Ⅰ+Ⅱ）的需要：
ST≧S30（Ⅰ+Ⅱ）
（3）车间变电所主变压器的容量上限
车间变电所主变压器的单台容量，一般不宜大于1000KVA。
其一是可以使变压器接近负荷中心，减少低压配电系统的电能损耗；其二是低压侧开关设备的断流能力比较容易满足要求。
（4）适当考虑负荷的发展
应适当考虑今后5～10年负荷的发展，留有一定的余地，但同时也要顾及变压器的正常过负荷能力。
最后还必须指出，变电所主变压器台数和容量的最后确定，应结合变电所主结线方案的选择。
作几个较合理的方案的技术经济比较，择优而定。
4.2.3电力变压器并列运行的条件
（1）所有并列变压器的额定一次电压和二次电压必须对应相等。
（2）所有并列变压器的阻抗电压（即短路电压）必须相等。
（3）所有并列变压器的联结组别必须相同。
（4）并列运行的变压器容量最好相同或相近，一般不超过3：
1。
4.3变配电所位置的选择
选择工厂变配电所的所址，应根据下列要求经技术、经济比较后确定：
（1）接近负荷中心。
（2）进出线方便。
（3）接近电源侧。
（4）设备运输方便。
（5）不应设在有剧烈震动或高温的场所。
（6）不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧。
（7）不应设在厕所，浴室或其它经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻。
（8）不应设在有爆炸危险的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标GB50058－92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定。
（9）不应设在地势低洼和可能积水的场所。
（10）高压配电所应尽量与邻近车间变电所或有大量高压用电设备的厂房合建在一起。
4.4变配电所主结线方案的设计
4.4.1变配电所主结线方案的设计原则与要求
变配电所的主结线，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活、经济等要求。
（1）安全性
①在高压断路器侧的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离开关。
②在低压断路器侧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。
④35KV及以上的线路末端，应装设与隔离开关连锁的接地刀闸。
⑤变配电所高压母线上及架空线路末端，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。
接于变压器引出线上的避雷器，不宜装设隔离开关。
（2）可靠性
①变配电所的主结线方案，必须与其负荷级别相适应。
对一级负荷，应由两路电源
电。
对二级负荷，应由两路或者一回路6KV及以上专用架空线或电缆供电。
②变电所的非专用电源进线侧，应装设带短路保护的断路器或负荷开关（串熔断器）。
当双电源供多个变电所时，宜采用环网供电方式。
③对一般生产区的车间变电所，宜由工厂总降压变电所采用放射式高压配电，以确保供电可靠性，但对辅助生产区及生活区的变电所，可采用树干式配电。
④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，
低压侧的总开关和低压母线分段开关，均采用低压断路器。
（3）灵活性
①变配电所的高低压母线，一般宜采用单母线或单母线分段结线。
②35KV及以上电源进线为双回路时，宜采用桥形结线或线路变压器组结线。
③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高压负荷开关。
④主结线方案应与主变压器经济运行的要求相适应。
⑤主结线方案应考虑到今后可能的扩展。
（4）经济性
①主结线方案在满足运行要求的前提下，应力求简单，变电所高压侧宜采取断路器较少或不用断路器的结线。
②变配电所的电气设备应选用技术先进、经济适用的节能产品，不得选用国家明令淘汰的产品。
③中小型工厂变电所一般采用高压少油断路器；在需频繁操作的场合，则应采用真空断路器或SF6断路器。
④工厂的电源进线上应装设专用的计量柜，其中的电流、电压互感器只供计费的电度表用。
⑤应考虑无功功率的人工补偿，使最大负荷时功率因数达到规定的要求。
4.4.2变配电所主结线方案的技术经济指标
设计变配电所主结线，应按所选主变压器的台数和容量以及负荷对供电可靠性的要求，初步确定2～3个比较合理的主结线方案来进行技术经济比较，择其优者作为选定的变配电所主结线方案。
（1）主结线方案的技术指标
①电的安全性。
主结线方案在确保运行维护和检修的安全方面的情况。
②供电的可靠性。
主结线方案在与用电负荷对可靠性要求的适应性方面的情况。
③供电的电能质量。
主要是指电压质量，包括电压偏差、电压波动及高次谐波等方面的情况。
④运行的灵活性和运行维护的方便性。
⑤对变配电所今后增容扩建的适应性。
（2）主结线方案的经济指标
①线路和设备的综合投资额。
包括线路和设备本身的价格、运输费、管理费、基建安装费等。
②变配电系统的年运行费。
包括线路和设备的折旧费、维修管理费和电能损耗费等。
③供电贴费（系统增容费）。
有关法规规定（当地有关部门）申请用电，用户必须向供电部门一次性地交纳供电贴费。
4线路的有色金属消耗量。
指导线和电缆的有色金属（铜、铝）耗用的重量。
4.5短路电流的计算
（1）计算短路电流的步骤
绘出短路电路图
绘计算电路图时应将计算短路电流所需要考虑的各元件的计算参数表示出来，并将元件依次编号，然后确定短路计算点。
短路计算点选择的原则是：
要使得需要进行短路校验的电气元件有最大短路电流通过。
按所选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，只需要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，一般分子标序号，分母标阻抗值。
将等效电路图简化。
计算短路电流和短路容量。
（2）短路电流计算方法
短路电流计算方法有：
欧姆法和标幺制法和短路容量法。
计算中主要采用前两种。
工程设计中短路计算各物理量的单位一般采用：
电流——KA电压——KV短路或断路容量——MV·A
设备容量——KW或KV·A阻抗——Ω
（3）采用欧姆法进行断路电流计算
①基本公式：
在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值：
IK（3）=UC//
在高压电路的短路计算中，总电抗远比总电阻大，因此一般只计电抗；在计算低压侧短路时也只有当短路电阻的R∑﹥X∑／3时，才需要考虑电阻。
如果不计电阻，则三相短路电流的周期分量有效值为：
IK（3）=UC//
三相短路容量为：
SK（3）=
UCIK（3）
②供电系统中各元件阻抗的计算方法：
A、电力系统的阻抗
XS=UC2/SOC
UC——短路点的短路计算电压；
SOC——系统出口断路中的断流容量。
可查有关手册或产品样本；如只有开断电流IOC数据，则其断流容量SOC=
IOC·UN。
B、电力变压器的阻抗：
XT=UK%UC2/100UN
C、电力线路的阻抗：
电抗：
Xwl=X0·L
注意：
在计算短路电路的阻抗时，假如短路回路含有变压器，则电路内各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去，等效换算的条件是元件的功率损耗不变。
X／=X（UC//UC）2
（4）采用标幺制法进行短路计算
①标幺值的确定
由于采用欧姆法进行短路计算，如果电路内含有变压器，其阻抗的换算较为麻烦，因此可考虑用标幺制法，省去这些换算。
标幺制法的得名是由于短路计算中阻抗以及电流、电压等都采用了标幺值。
标幺值——任何一个物理量的标幺值（Ad*）是该物理量中的实际A与所选定的基准值（Ad）的比值。
即：
Ad*=A／Ad
按标幺制计算时，一般先选定两个基准值，基准容量Sd和基准电压Ud。
通常取：
Sd=1000MV·A
Ud=UC
因此：
基准电流：
Id=Sd/
Ud
②供电系统各元件的电抗标幺值的计算方法：
A、电力系统的电抗标幺值：
XS*=Sd/SOC
B、电力变压器的电抗标幺值：
XT*=UK%Sd/100SN
C、电力线路的电抗标幺值：
Xwl*=X0·L·Sd/UC2
③短路电流和短路容量的计算方法
IK（3）=Id/
*
SK（3）=Sd/
*
4.6变电所一次设备的选择与校验
（1）变电所一次设备选择的原则
①一次电路正常工作条件下的要求。
②短路条件下的工作要求。
③设备应安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。
（2）电气设备正常工作条件下要求
包括电气装置的环境条件和电气要求。
环境条件：
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：
电气装置对设备的电压、电流等方面的要求。
对一些断流电器（如熔断器
和开关）还要考虑其断流能力。
（3）电气设备短路故障条件下工作要求
电气设备按正常工作条件下要求选择后，还应校验其短路时的动稳定度和热稳定度。
（4）高压开关柜的选择
应满足变配电所一次电路的要求，并经过几个方案的技术经济比较后，优选开关柜的型式及其一次接线方案编号。
同时确定其中所有一、二次设备的型号规格。
向开关厂具体订购时，应向厂家提供一、二次电路图纸及有关的技术要求。
4.7供电系统的过电流保护
4.7.1对过电流保护装置的要求
（1）选择性
当供电系统发生故障时，只离故障点最近的保护装置动作，切除故障，而供电系统的其他部分仍然正常运行。
（2）速动性
在系统发生故障时，保护装置应尽快地动作切除，目的是防止故障扩大，减轻其危害程度。
（3）可靠性
是指保护装置在该动作时就一定动作，不应该拒动作，而在不应该动作时就不应该误动作。
（4）灵敏度
要求保护装置的灵敏度不能低于某一规定值。
灵敏度是指保护装置所保护的区域内在电力系统为最小运行时最小短路电流IK·min与保护装置一次动作电流（即保护装置动作电流换算到一次电路的值）IOP·1的比值。
即：
SP=IK·min/IOP·1
4.7.2过电流保护装置的类型
过电流保护装置的类型有熔断器保护、低压断路器保护和继电器保护三种。
4.7.3熔断器保护
（1）熔断器在供电系统中的配置原则
①、由于熔断器的熔断时间误差较大，因此其配置后使故障范围缩小到最低程度。
②、应考虑经济性，即供电系统中配置的熔断器数量尽量少。
必须注意：
在低压系统中PE线和PEN线不允许装设熔断器。
（2）熔断器的选择条件：
①、熔断器的额定电压不低于保护线路的额定电压（UN·FU≧UN）
②、熔断器的类型应符合安装条件（室内或室外）及被保护设备的技术要求；
③、熔断器的额定电流不小于它所安装的熔体的额定电流；（IN·FU≧IN·FE）
保护电力线路的熔体额定电流选择
熔体额定电流的选择保护电力变压器的熔体额定电流选择
保护电压互感器的熔体额定电流选择
A、保护电力线路的熔体额定电流的选择
熔体额定电流IN·FE应不小于线路的计算电流I30。
即：
IN·FE≧I30。
熔体额定电流IN·FE还应不小于线路的尖峰电流IPK
IN·FE≧K·IPK
K-------小于1的计算系数。
B、保护电力变压器的熔断器熔体电流的选择：
IN·FE=（1.5～2）I1N·T
C、保护电压互感器的熔断器熔体电流的选择：
IN·FE=0.5A
（3）校验条件：
①如果熔断器保护的是电力线路，熔断器保护还应与被保护的线路配合。
IN·FE≦KOLIal
②熔断器保护灵敏度的校验
SP=IK·min／IN·FE≧K
IK·min-------熔断器保护线路末端在系统最小运行方式的单相短路电流（对中性点直接接地系统，TN，TT）或两相短路电流（对中性点不直接接地系统，IT）；对保护降压变压器的高压熔断器来说，为低压侧母线的两相短路电流折算到高压侧之值。
③熔断器断流能力的校验（三种情况）
A、对限流式熔断器（如RN1，RT0等）
由于限流式熔断器能在短路电流达到冲击值之前完全熄灭电弧、切除短路，因此只需要满足下列条件：
IOC≥I//（3）
B、对非限流式熔断器（如RW4，RM10等）
由于非限流式熔断器不能在短路电流达到冲击值之前熄灭电弧，因此需满足下列条件：
IOC≥ISh（3）
C、对具有断流能力上、下限的熔断器（如RW4）其断流能力的上限应满足：
IOC.min≤IK
（2）
（4）前后熔断器之间的选择配合；
A、时间配合：
前后两级熔断器的选择配合，就是在一级熔断器出口发生三相短路时，只是最近短路点的这一级熔断器熔断，而前边的熔断器都不熔断以缩小故障停电范围。
由于熔断器的熔断时间有±30～±50％的误差，因此必须符合下列条件：
前一级的实际熔断时间t1′（考虑比t1提前50％）大于后一级熔断器的实际熔断时间t2′（考虑比t2延后50％）即0.5t1﹥1.5t2故：
t1﹥3t2
t1,t2-----------标准保护曲线所查得的熔断时间
B、熔体电流的配合
假设不用熔断器的保护特性曲线来校验选择性，则一般只有前一熔断器的熔体电流大于后一熔断器的熔体电流2～3级以上，才有可能保证动作的选择性。
4.7.4低压断路器保护
（1）低压断路器在低压系统中的配置。
A．单独接低压断路器或加装刀开关的方式。
适用于变压器出线或低压配电出线
B．低压断路器与磁力起动器或接触器配合方式：
适用于频繁操作的低压线路。
C．低压断路器与熔断器配合方式
适用于低压断路器的断流能力不足的低压线路。
（2）低压断路器的选择
A．低压断路器的额定电压应不低于保护线路的额定电压（电压条件）
B．低压断路器的额定电流不小于线路的额定电流（IN·OR≧I30）（电流条件）
C．低压断路器的类型应符合安装条件，保护性能及操作方式要求，如手柄操作，杠杆操作，电磁操作，电动机操作等。
（安装条件）
（3）前后低压断路器之间及低压断路器与熔断器之间的选择与配合。
①前后低压断路器之间的选择配合
一般情况，前一级采用带短延时的过流脱扣器，后一级用瞬时过流脱扣器，其动作电流要大于后一级，至少满足：
IOP·1≧1.2IOP·2
②低压断路器与熔断器之间的选择配合
保护特性曲线不交叉，不重叠原则。
4.7.5继电保护装置的选择与整定
主要包括变压器、高压线路的继电保护。
4.7.5.1电力变压器的继电保护
（1）电力变压器继电保护的配置要求
A、对6～10kv/0.4kv电力变压器，一般情况下装设由带时限的过电流保护和速断保护。
如果带时限过电流保护动作时间不超过0.5s,则不需装设速断保护。
B、10000kv及以上单独，6300kv.A及以上并列运行的变压器需装设纵联差动保护；6300kv.A及以下单独运行的变压器，亦可装设纵联差动保护。
C、如果容量在800kvA以及以上的油浸式变压器（如安装在车间内部则容量在400kvA及以上时），还需要装设气体继电保护。
D、如果数台并列运行的变压器容量在400kvA及以上，或虽为单台运行但又作为备用电源的变压器，在有可能过负荷时，还应装设过负荷保护。
（2）变压器带时限过电流保护的整定
A、变压器带时限过流保护动作电流的整定
Iop=Krel·Kw·IL.max/Kre·Ki
Iop=Krel·Kw·IL.max/Ki（直动式）
（IL.max=（1.5～3）IN.T）
B、变压器带时限过流保护动作时间的整定
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