毕业设计XX厂供配电系统设计.docx
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毕业设计XX厂供配电系统设计
XX厂供配电系统设计
摘要：
电能是现代工业生产的主要能源和动力；电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化；电能在工业生产中的重要性，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。
因此，所以工厂企业供配电的电路设计要联系到各个方面，负荷计算及无功补偿，变压器的型号、容量和数量的分配；短路的计算、设备的选择、线路的分配和设计等方面进行设计分析，把最好的供配电设计应用到现实生产中来，为经济的发展做出最好的服务。
关键词：
配电所电力负荷功率补偿短路电流
1工厂供电概述
1.1工厂供电的意义和要求
电能是现代工业生产的主要能源和动力。
电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送和分配既简单经济，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。
电能在工业生产中的重要性，并不在于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。
因此，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，也具有重大的作用。
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。
1.2设计内容及步骤
全厂总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，接合国家供电情况，解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题，以电子厂为例，其基本内容有以下几方面。
1.2.1负荷计算
全厂总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，从而求出全厂总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。
1.2.2工厂总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，接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。
1.2.3工厂总降压变电所主接线设计
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，即要安全可靠又要灵活经济、安装容易、维修方便。
1.2.4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方案，由不同方案的可靠性、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接构与敷设方式设计。
用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位。
1.2.5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。
1.2.6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。
由手册或产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。
1.2.7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、开关柜等设备。
1.2.8变电所防雷装置设计
参考本地区气象地质材料，设计防雷接地装置。
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。
对接地和接地体做具体的理解。
2负荷计算及功率补偿
2.1负荷计算的内容
2.1.1计算负荷
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。
2.1.2平均负荷
平均负荷指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。
2.2负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、二项式等几种。
本设计由于设备台数比较多，而单台设备容量相差不大所以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:
S30=P30/Cosφ
计算电流:
I30=S30/
UN
下表是该电子厂的各个车间负荷的情况：
序号
车间名称
设备用量
（KW）
计算负荷
变压器容量
P30（KW）
Q30（Kvar）
S30（KV.A）
1
空调机房
（一）
246.5
172.6
129.4
215.8
1*400
2
厂务公用站房
338.2
236.8
177.6
296
3
TG车间
3704.6
2963.7
1837.5
3486.7
4
锅炉房
142.6
107
80.2
133.8
1*400
5
水泵房
320.9
208.6
156.5
278.1
6
污水处理厂
67
53.6
47.2
68.7
7
TA车间
2377.4
951
190.2
970
8
空压站
607
534.2
470.1
712.3
1*400
9
空调机房
（二）
368
257.6
193.2
322
10
冷冻机
（1）
561
392.7
345.6
523.6
11
冷冻机（2，3）
1122
785.4
691.1
1047.2
1*400
12
制冷站
450
315
236.2
393.8
13
照明用电
634.4
507.5
243.6
243.6
2.2.1全厂负荷计算
取K∑p=0.95;K∑q=0.97
根据上表可算出：
∑P30i=7485.7kW;∑Q30i=4798kvar
则P30=K∑P∑P30i=0.95×7485.7kW=7111kW
Q30=K∑q∑Q30i=0.97×4798.4kvar=4654kvar
S30=
≈8499KV·A
I30=S30/
UN≈140A
Cosφ=P30/S30=7111/8499≈0.84
2.3功率补偿
工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等
感性负荷，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。
如在充分发
挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达
不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。
上图表示功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系。
假设功率因数有
提高到
′，这时在用户需用的有功功率
不变的条件下，无功功率将由
减小到
′，视在功率将由
减小到
′。
相应地负荷电流
也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既节约了电能，又提高了电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因数对供电系统大有好处。
由上图可知，要使功率因数由
提高到
′，必须装设无功补偿装置（并联电容器），其容量为：
Q
在确定了总的补偿容量后，即可根据所选并联电容器的单个容量
来确定电容器的个数，即：
由于本设计中要求Cosφ≥0.9,而由上面计算可知Cosφ=0.84<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高压集中补偿。
Qc=7111×（tanarcCos0.84－tanarcCos0.95）Kvar=2275Kvar
取Qc=2300Kvar
因此，其电容器的个数为：
n=Qc/qC=2300/150=15
而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取15个正好。
无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：
S30
（2）′=
=7538KV·A
变压器的功率损耗为：
△QT=0.06S30′=0.06*7538=452Kvar
△PT=0.015S30′=0.015*7538=113Kw
变电所高压侧计算负荷为：
P30′=7111+113=7224Kw
Q30′=（4798-2300）+452=2950Kvar
S30′=
=7803KV·A
无功率补偿后，工厂的功率因数为：
Cosφ′=P30′/S30′=7224/7803=0.9
则工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=0.9≥0.9因此，符合本设计的要求。
3变配电所选型及总体布置
3.1变配电所位置的选择
变配电所所址选择的一般原则:
1、尽量靠近负荷中心；
2、尽量靠近电源侧；
3、进出线方便；
4、尽量避开污染源，或者在污染源上方口；
5、尽量避开振动、潮湿、高温及有易燃易爆物品的场所；
6、设备运输方便；
7、有扩建和发展的余地；
8、高压配电所与邻近车间的变电所合建。
3.2变电所总体布置要求
3.2.1便于运行维护和检修
有人值班的的变配电所，一般应设置值班室。
值班室应靠近高低压配电室，而且有门直通。
如值班室靠近高压配电室有困难时，则值班室可经走廊与高压配电室相通。
值班室也可以与低压配电室合并，但在放置值班工作桌的一面或一端，低压配电装置到墙的距离不应小于3m。
主变压器应靠近交通运输方便的马路侧。
条件许可的，可单设工具材料室或维修间。
昼夜值班室的变配电所应设休息室。
有人值班的独立变配电所，宜设有厕所和给排水设施。
3.2.2保证运行安全
值班室内不得有高压设备，值班室的门应朝外开。
高压低压配电室的电容室的门应朝值班室开或朝外开。
变压器室的大门应朝马路开，但应避免朝向露天仓库。
在炎热地区应避免朝西开门。
变电所宜单层布置。
当采用双层布置时，变压器应设在底层。
高压电容器组一般应装设在单独的房间内，但数量较少时，可装设在高压配电室内，低压电容器组可装设在低压配电室内，但数量较多时，宜装设在单独的房间内。
所以带电部分离墙和离地的尺寸以及各室维护操作通道的宽度等，均应符合有关的规程的要求，以确保运行安全。
3.2.3便于进出线
如果是架空进线，则高压配电室宜位于进线侧。
考虑变压器低压出线通常是采用矩形裸母线，因此变压器的安装位置，即为变压器室，宜靠近低压配电室。
低压配电室宜位于其低压架空出线侧。
3.2.4节约土地和建筑费用
值班室可以与低压配电室合并，这时低压配电室面积适当增大，以便安置值班室的桌子或控制台，满足运行值班的要求。
高压开关柜不多于6台时，可与低压配电屏设置在同一房间内，但高压柜与低压屏的间距不得小于2m。
不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸电力变压器，可设置在同一房间内。
高压电容器柜数较少时，可装设在高压配电室内。
周围环境正常的变电所，宜采用露天或半露天变电所。
高压配电所应尽量与邻近的车间变电所合建。
3.2.5适应发展要求
变压器室应考虑到扩建时有更换大一级容量的变压器的可能。
高低压配电室内均应留有适当数量开关柜的备用位置。
即要考虑到变电所留有扩展的余地，又要不妨碍工厂或车间今后的发展。
4变压器、主接线方案的选择
4.1主变压器台数的选择
主变压器台数选择的要求：
1、选择一台：
供电计算负荷不大于1250KVA的三级负荷变电所；变电所另有低压联络线，或有其它备用电源，而总计算负荷不大于1250KVA的含有部分一、二级负荷的变电所。
2、选择两台：
供含有大量一、二级负荷的变电所；总计算负荷大于1250KVA的三级负荷变电所；季节性负荷变化较大，从技术经济上考虑运行有利的三级负荷变电所。
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。
4.2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）=8499KV·A，因为该厂是二级负荷所以按条件2选变压器。
ST≥（0.6～0.7）×8499=（5099.4～5949.3）KV·A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）
因此选5000KV·A的变压器二台。
4.3变电所主变压器型式、主接线的选择
4.3.1变电所主变压器型式的选择
1、油浸式：
一般正常环境的变电所；
2、干式：
用于防火要求较高或环境潮湿，多尘的场所；
3、密闭式：
用于具有化学腐蚀性气体、蒸汽或具有导电、可燃粉尘、纤维会严重影响变压器安全运行场所；
4、防雷式：
用于多雷区及土壤电阻率较高的山区；
5、有载调压式：
用于电力系统供电电压偏低或电压波动严重且用电设备对电压质量又要求较高的场所。
由于本设计的变电所为独立式、封闭建筑，故采用油浸式变压器，
4.3.2变配电所主接线的选择原则
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接线；
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。
4.4主接线方案选择
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的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。
总降压变电所主接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、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
主接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、一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种内桥式接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总降压变电所。
2、一次侧采用外桥式接线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种主接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。
但与内桥式接线适用的场合有所不同。
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接线时，也宜于采用这种接线。
3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所，这种主接线方式兼有上述两种桥式接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总降压变电所。
4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所，采用双母线接线较之采用单母线接线，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，所以双母线接线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用于电力系统的枢纽变电所。
本次设计的电子制造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较长（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。
采用主接线一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压主接线，如下图所示：
单母线分段接线图内桥式接线图
5电力线路接线及敷设方式
5.1电力线路的接线方式
工厂的高低压电路的线路基本接线方式有放射式、树干式和环形等基本接线方式。
以高压为例。
1、放射式：
高压放射式接线是指工厂变配电所高压母线上引出的一回路，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，这种接线方式简捷，操作维护方便，保护简单，便于实现自动化。
但是高压开关设备用的多，投资高，线路故障自检修时，又该线路供电的负荷要停电，为提高可靠性，根据情况可增加备用线路，如图5-1-1为放射式线路供电。
图5-1-1放射式线路
2、树干式
高压树干式接线是指由工厂变配电所高压母线上引出的每路高压配电干线上，沿线分接了几个车间变电所或负荷点的接线方式，这种接线从变配电所引出的线路少，高压开关设备相应用的少。
配电干线少可以节约有色金属，但供电可靠性差，干线故障或检修将引起干线上的全部用户停电，为提高供电可靠性同样可以采用增加备用的方法，如图5-1-2为树干式接线图。
图5-1-2树干式接线图
3、放射式
从工厂供电系统而言，高压环式其实就是树干式界限的改进，两路树干式线路连接起来就构成了环式接线。
这种接线运行灵活，供电可靠性高。
当干线上任何地方发生故障时，只要找出故障段，拉开其两端的隔离开关，把故障段切除后，全部线路可以恢复供电。
由于闭环运行时继电保护整定比较复杂，所以运行时均采用开环运行方式。
5.2线路敷设
5.2.1架空线路的敷设
工厂架空线路长期漏天运行，受环境和气候影响会发生断线、污染等故障。
为确保线路长期安全运行，必须按相关规定敷设并经常性的巡视和检查，以便及时消除设备隐患。
架空线路的敷设以及电杆尺寸应满足下面四个要求：
1.不同电压等级线路的档柜（也成跨柜，即同一线路上相邻两电杆中心线之间的距离）不同。
一般380V线路档柜为50～60m，6～10KV线路档距为80～120m。
2.同杆导线的线距与线路电压等级及档距等因数有关。
380V线路线距约0.3～0.5m，10V线路线距约0.6～1m。
3.弧垂（架空导线最低点与悬挂点间的垂直距离）要根据档距、导线型号与截面积、导线所受拉力及气温条件等决定。
垂弧过大易碰线；过小易造成断线或倒杆。
4.线距（导线最低点到地面或导线任意点到其他目标物的最小垂直距离）需遵循有关手册规定。
5.2.2电缆线路的敷设
电缆线路与架空线路相比，具有成本高，投资大，维修不便等缺点，但是它具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点，特别是在有腐蚀性气体和易燃、易爆场所，不宜架设架空线路时，只有敷设电缆线路。
（由于架空与电缆线路相比有较多的优点，如成本低、投资少，安装容易，维护和检修方便，易于发现和排除故障等，所以架空线路在一般工厂中应用相当广泛。
由于本厂的地形不复杂，按经济性及可操作性来选择，故高压供电线路选择为架空线。
）
6短路计算
6.1短路电流计算的目的及方法
短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。
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）和标幺值法（又称相对单位制法）。
6.2短路电流计算
本设计采用标幺值法进行短路计算
6.2.1在最小运行方式下：
绘制等效电路如图6-1，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6-1等效电路
1、确定基准值
取Sd=100MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV
而Id1=Sd/
UC1=100MV·A/（
×60KV）=0.96KA
Id2=Sd/
UC2=100MV·A/（
×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
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*=0.32+1.52=1.84
2）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
3）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
4）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）=Ik-2（3）=202KA
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