车间变电所及低压配电系统.docx
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车间变电所及低压配电系统
第一章绪论3
第一节工厂供电的意义和目的3
一工厂供电的意义3
二工厂供电的目的3
第二节课程设计原始数据4
第三节设计内容及步骤4
第二章变电所数据的计算6
第一节负荷计算的内容和目的6
第二节负荷计算的方法6
第三节各用电车间负荷计算结果如表17
第四节全厂负荷计算8
第五节功率补偿8
第三章变电所方案的选择9
第一节变电所位置和型式的选择9
第二节变压器的选择10
一主变压器台数的选择10
二变电所主变压器容量的选择10
第三节主结线方案的选择11
一变配电所主结线的选择原则11
二主接线方案的选择11
第四节短路计算13
一短路电流计算的目的及方法13
二采用标幺制法进行短路计算14
第五节变电所进出线的选择与校验16
一导线截面的选择条件16
二电流强度的选择17
三低压线路导线的选择17
第六节变电所二次回路方案选择18
一二次回路方案选择18
（一）二次回路电源选择18
（二）二次回路操作电源19
二电测量仪表与绝缘监视装置20
（一）电测量仪表20
（二）变配电装置中各部分仪表的配置21
三绝缘监视装置22
第七节变压器的继电保护22
一概述22
二变配电站继电保护的作用23
三变配电站继电保护的基本工作原理23
四变配电站继电保护按保护性质分类24
五变电站继电保护按被保护对象分类26
六差动保护26
第八节防雷与接地27
一防雷设备27
二防雷措施28
（一）架空线路的防雷措施28
（二）变配电所的防雷措施28
三接地29
（一）接地与接地装置29
（二）确定此配电所公共接地装置的垂直接地钢管和连接扁钢29
结论31
致谢32
参考文献33
第一章绪论
第一节工厂供电的意义和目的
一工厂供电的意义
电能是工业生产的主要动力能源。
工厂供电设计的任务是从电力系统取得电源，经过合理的传输、变换，分配到工厂车间中每一个用电设备上。
随着工业电气自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能质量、供电可靠性以及技术经济指标等的要求也日益提高。
供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂供电的可靠性和工厂的安全生产上。
它与企业的经济效益、设备和人生安全等是密切相关的。
现在除个别大型工业联合企业有自备电厂外，绝大多数工厂都是从国家电力系统取得电能的。
因此，工厂工业负荷是电力系统的主要用户，工厂供电系统也是电力系统的一个组成部分，保证企业安全供电和经济运行，不仅关系到企业的利益，也关系到电力系统的安全和经济运行以及合理利用能源。
所以，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，也具有重大的意义。
二工厂供电的目的
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。
第二节课程设计原始数据
（1）工厂车间平面见图。
（2）工厂负荷情况：
本厂多数车间为三班工作制，年最大负荷利用小时为3500h，日最大负荷持续时间6h。
该厂除铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。
低压动力设备均为三相，额定电压为380V。
照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。
本厂的负荷统计资料如表1所示。
（3）气象资料：
本厂的车间内最热月的平均温度为28℃，地中最热月的平均温度为19℃，土壤冻结深度为1.20m.车间环境属于干燥环境。
（4）地质水文资料：
本厂所在地区为耕地，地势平坦。
地层以砂粘土为主。
地下水位为2.8~5.3m.
第三节设计内容及步骤
全厂降压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点：
（1）、负荷计算
全厂降压变电所的负荷计算，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，从而求出全厂降压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）、工厂降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择
参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，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）、工厂总降压变电所主结线设计
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）、厂区高压配电系统设计
根据厂内负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。
参考负荷布局及总降压变电所位置，比较几种可行的高压配电网布置放案，计算出导线截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用，有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。
按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。
（5）、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。
（6）、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。
（7）、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。
（8）、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。
35kv及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。
（9）、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。
第二章变电所数据的计算
第一节负荷计算的内容和目的
（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
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。
（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。
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，还应考虑启动电流的非周期分量。
（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
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。
第二节负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。
本设计采用需要系数法确定。
主要计算公式有：
有功功率：
P30=Pe·Kd
无功功率:
Q30=P30·tgφ
视在功率:
S3O=P30/cosφ
计算电流:
I30=S30/3UN
第三节各用电车间负荷计算结果如表1
序号
车间名称
供电回路代号
设备容量
计算负荷
kW
P30（kW）
Q30（kvar）
S30（kVA）
I30（A）
1
机加工二车间
No.1供电回路
155
46.5
54.4
77.5
4.8
No.2供电回路
120
36
42.1
60.0
3.5
No.3供电回路
10
8
0
13.3
0.8
2
铸造车间
No.4供电回路
160
64
65.3
91.4
5.3
No.5供电回路
140
56
57.1
80.0
4.6
No.6供电回路
180
72
73.4
102.9
5.9
No.7供电回路
8
6.4
0
9.1
0.5
3
铆焊车间
No.8供电回路
150
45
89.1
9.2
43.9
No.9供电回路
170
51
101
78.5
4.5
No.10供电回路
7
5.6
0
8.6
0.5
4
电修车间
No.11供电回路
150
45
78
69.2
4.0
No.12供电回路
146
44
65
67.7
3.9
No.13供电回路
10
8
0
12.3
0.7
总计
表1机加工二车间和铸造、铆焊、电修等车间的负荷计算表
第四节全厂负荷计算
取cosφ=0.6，
根据上表可算出：
则S30=P30/cosφ≈77.5kVA
I30=I30=S30/3UN≈4.5A
S30=P30/cosφ≈60Kva≈60.0kVAI30=I30=S30/3UN≈3.46A
S30=P30/cosφ≈13.3kVAI30=I30=S30/3UN≈0.77A
第五节功率补偿
综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。
可选用BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89µF
Qc=5999×（tanarccos0.75－tanarccos0.92）Kvar
=2724Kvar取Qc=2800Kvar
因此，其电容器的个数为：
n=Qc/qC=2800/100=28
而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个正好
无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：
S30
（2）′=[59992+（5463-2800）2]1/2=6564KV·A
变压器的功率损耗为：
△QT=0.06S30′=0.06*6564=393.8Kvar
△PT=0.015S30′=0.015*6564=98.5Kw
变电所高压侧计算负荷为：
P30′=5999+98.5=6098Kw
Q30′=（5463-2800）+393.8=3057Kvar
S30′=（P302+Q302）1/2=6821KV.A
无功率补偿后，工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=6098/6821=0.9
则工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=0.9≥0.9
第三章变电所方案的选择
第一节变电所位置和型式的选择
变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。
工厂的负荷中心按功率矩法来确定，变电所有屋内室和屋外室两大类型。
屋内室运行维护方便，占地面积少。
在选择工厂总变电所型式时，应根据具体地理环境，因地制宜；技术经济合理时，应优先选用屋内室。
负荷较大的车间，宜设附设式或露天式变电所。
工厂的生活区，当变压器容量在315KVA及以下时，宜设杆上式变电台或高台式变电所。
根据GB50053相关规定：
专有可然性电力变压器的车间内变电所，不应设在三级耐火等级的建筑物内；当设在二级耐火等级的建筑物内时，建筑物应采取局部防火措施。
多层建筑物中，专有可然性油的电气设备的变电所设置在地层靠外墙部分，且不应设在人员密集场所的正上方和疏散出口的两旁。
高层主体建筑内不宜设置专有可然性油的变电所。
当受条件限制必须设置时，应设在底层靠外墙部位，且不应设在人口密集的场所。
根据上述条件本变电所适合建在室内及高级建筑内，需远离有易燃易爆危险及腐蚀性车间。
第二节变压器的选择
一主变压器台数的选择
由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。
二变电所主变压器容量的选择
装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：
①任一台单独运行时，ST≥（0.6-0.7）S′30
（1）
②任一台单独运行时，ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）
由于S′30
（1）=7932KV·A，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2选变压器。
③ST≥（0.6-0.7）×7932=（4759.2～5552.4）KV·A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）
因此选5700KV·A的变压器二台
第三节主结线方案的选择
一变配电所主结线的选择原则
（1）.当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。
（2）.当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。
（3）.当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。
（4）.为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。
（5）.接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。
（6）.6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。
（7）.采用6～10KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。
（8）.由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。
（9）.变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。
当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。
（10）.当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。
二主接线方案的选择
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6—10KV的压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。
降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
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。
（1）、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电路图如下这种主结线，其一次侧的QF10跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。
这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。
如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电，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降压变电所。
（2）、一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的降压变电所主电路图（下图），这种主结线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。
这种主结线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。
但与内桥式结线适用的场合有所不同。
如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并列运行。
这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。
当一次电源电网采用环行结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器QF11、QF12，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。
（3）、一、二次侧均采用单母线分段的降压变电所主电路图这种主结线图兼有上述两种桥式结线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降压变电所
（4）、一、二次侧均采用双母线的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。
本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。
采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结线（即全桥式结线）。
方案Ⅰ：
低压侧均采用单母线分段。
优点：
用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电。
缺点：
当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。
方案Ⅱ：
单母线分段带旁路。
优点：
具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。
缺点：
常用于大型电厂和变电中枢，投资高。
方案Ⅲ：
低压采用单母线、低压单母线分段。
优点：
任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。
缺点：
在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。
以上三种方案均能满足主接线要求，采用三方案时虽经济性最佳，但是其可靠性相比其他两方案差；采用方案二需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案Ⅰ。
第四节短路计算
一短路电流计算的目的及方法
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，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）。
二采用标幺制法进行短路计算
（1）确定基准值
取Sd=100MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV
而Id1=Sd/3UC1=100MV·A/（3×60KV）=0.96KA
Id2=Sd/3UC2=100MV·A/（3×10.5KV）=505KA
（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（SOC=310MV·A）
X1*=100KVA/310=0.32
2）架空线路（XO=0.4Ω/km）
X2*=0.4×4×100/10.52=1.52
3）电力变压器（UK%=7.5）
X3*=UK%Sd/100SN=7.5×100×103/（100×5700）=1.32
绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算
（3）求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
总电抗标幺值
X*Σ（K-1）=X1*＋X2*=0.32+1.52=1.84
三相短路电流周期分量有效值
IK-1（3）=Id1/X*Σ（K-1）=0.96/1.84=0.52
其他三相短路电流
I"（3）=I∞（3）=Ik-1（3）=0.52KA
ish（3）=2.55×0.52KA=1.33KA
Ish（3）=1.51×0.52KA=0.79KA
三相短路容量
Sk-1（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/1.84=54.3
（4）求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ（K-2）=X1*＋X2*＋X3*/X4*=0.32+1.52+1.32/2=2.5
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-2（3）=Id2/X*Σ（K-2）=505KA/2.5=202KA
3）其他三相短路电流
I"（3）=I∞（3）=I（k-23）=202KA
ish（3）=1.84×202KA=372KA
Ish（3）=1.09×202KA=220KA
4）三相短路容量
Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/2.5=40MV·A在最大运行方式下：
（1）确定基准值
取Sd=1000MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV
而Id1=Sd/3UC1=1000MV·A/（3×60KV）=9.6
Id2=Sd/3UC2=1000MV·A/（3×10.5KV）=55KA
（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（SOC=1338MV·A）
X1*=1000/1338=0.75
2）架空线路（XO=0.4Ω/km）
X2=0.4×4×1000/602=0.45
3）电力变压器（UK%=4.5）
X3=UK%Sd/100SN=7.5×1000×103/（100×5700）=13.2
绘制等效电路如图，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。
（3）求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ（K-1）=X1*＋X2*=0.75+0.45=1.2
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-1（3）=Id1/X*Σ（K-1）=9.6KA/1.2=8KA
3）其他三相短路电流
I"（3）=I∞（3）=Ik-1（3）=8KA
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