《工厂供电技术课程设计》.docx
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《工厂供电技术课程设计》
工厂供电技术课程设计
题 目：
高压配电系统设计
学院
专业:
班级:
学生姓名：
张 学号：
指导教师:
目 录
1．1用户供电系统.．.．....．.．.......．.．．．.......．.．....．．.．.....．....１
１．2 工厂变配电所的设计原则......．．．．.．......．....．......．..．.．.．．..１
１.3 设计背景.....．....．......．．.........．.．．......．．.．.．.....．.．...2
２变电所负荷计算和无功补偿的计算..．.....．..．......．．．..．...............3
2.１.１负荷统计全厂的用电设备统计．．...．...．....．..............．．3
２.1.２ 负荷计算...．......．.．.．．.．.......．．...．．.．.．...．.．..．.．..３
２.２无功补偿的目的和方案．....．........．...．....．......．．......．.．．．5
２.3 无功补偿的计算及设备选择．．．．.......．.......．．．....．....．.．．．...5
３短路电流计算.．......．.．............．...．..．................．......．.8
3.1 短路电流及其计算．....．..．...............．................．...．．8
3.２ 三相短路电流计算．．.．.....．....．......．..．.．..．....．．......．．...8
４ 系统主接线方案.．...........．．.......．...．.....．.．......．...．.......．11
4.2主接线的方案与分析.......．....．......．．.．....．．...．...．．．．.．..11
4．３电气主接线的确定..．..．...．..............．..................．..13
5 变压器选择..．．．..．．．．.．.........．..．．.......．....．...．......．......．１4
５．１变压器的选择原则..．..．.．.．......．.．....．....．..．..．..．..．．....１4
5．2 变压器类型的选择．．.........．．..．．..．....．．..．．......．..．...．..１4
５.3 变压器台数的选择.．...．．..．..．.．．...．..．........．...........．..14
5．4变压器容量的选择..．.．.....．.....．．....．．．．.．..．．.....．..．.....15
6高压设备选择．．.....．..．．．......．...．．.．..．．.．.．....．.．.．．......．．..．１6
6.1 用电单位总计算负荷.......．.．．．.．．.......．...．..．.．.．．..．......1６
6.2 高压进线的选择与校验．．.．.....．.．．.......．.．..．.．.．.．..．.．.．．..16
6.2.1 架空线的选择.．....．.．.........．．.．.．．.．...．...．．....．...１6
6.２.2电缆进线的选择...．..．.．．.．．．..．．...．.．.．．．．...．..．...．.．１6
６.3.1 高压断路器的选择.．.......．...．...．....．.．.．.....．.......１７
6．３．2高压隔离开关的选择...．.........．...．．......．．．..．．..．．..18
6.3．3高压熔断器的选择.．.．.．.......．.......．．．............．．..18
６.３.4电流互感器的选择..．．....．.．....．..．.．...．.．.．．...．.．...．1９
1 设计任务与要求
1.1 用户供电系统
电力用户供电系统由外部电源进线、用户变配电所、高低压配电线路和用电设备组成。
按供电容量的不同,电力用户可分为大型（10000kV·Ａ以上）、中型（１000-100０0ｋV·A）、小型（１００0ｋV·Ａ及以下）
变电所是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备和线路按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能,通过其变换、分配、输送与保护等功能,然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。
1．大型电力用户供电系统
大型电力用户的用户供电系统，采用的外部电源进线供电电压等级为３5kV及以上，一般需要经用户总降压变电所和车间变电所两级变压。
总降压变电所将进线电压降为６-１0ｋV的内部高压配电电压，然后经高压配电线路引至各个车间变电所，车间变电所再将电压变为２2０/３80Ｖ的低电压供用电设备使用。
某些厂区环境和设备条件许可的大型电力用户也有采用所谓“高压深入负荷中心”的供电方式，即３5kＶ的进线电压直接一次降为22０/3８0V的低压配电电压。
2中型电力用户供电系统
一般采用１0ｋV的外部电源进线供电电压，经高压配电所和1０kV用户内部高压配电线路馈电给各车间变电所,车间变电所再将电压变换成220/３80V的低电压供用电设备使用。
高压配电所通常与某个车间变电所合建。
3．小型电力用户供电系统
一般小型电力用户也用10kＶ外部电源进线电压,通常只设有一个相当于车间变电所的降压变电所，容量特别小的小型电力用户可不设变电所，采用低压220／380V直接进线。
1.2工厂变配电所的设计原则
1.必须遵守国家的有关规程和标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源、节约有色金属等技术经济政策。
2．应做到保障人身和设备安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理,应采用效率高、能耗低、性能较先进的电气产品。
３．应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。
4．必须从全局出发,统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等,合理确定设计方案。
1.3 设计背景
现要新建一个10／０．４kV的变配电所,向公司生产区、办公楼、职工住宅区及其生活水泵组供电。
原先变电所只能满足两个车间、办公楼和生活区的用电负荷。
随着近年来,联合能源公司的企业内部的调整，下属子公司之间的相互合并等原因,安装公司扩充了规模,兼并了原来其他单位的一些用电设备，因此，原先的变电所已经不能满足需要，要在原址旁边新建一座１0/0.４kV变配电所，以满足单位改革后用电负荷的要求。
鉴于联合能源公司用电的特殊性,新建变电所的电源取自3km外联合能源公司一专用3５ｋV变电站和３ｋm外市供电公司另一相同容量的３5kＶ变电站。
新变电所建成后，能满足现有的生产、生活用电，有效地提高负荷转移能力,进一步提高供电可靠性。
2变电所负荷计算和无功补偿的计算
２.１变电站的负荷计算
２.１.1负荷统计全厂的用电设备统计
表２-1 用电负荷统计
用电设备
负荷统计（kＷ）
负荷类别
机床设备组
433.4５
三级
电焊机设备组
129.35
三级
起重机组
113．2
三级
办公楼
30
三级
住宅区水泵组
１76
二级
住宅用电
７６８
三级
厂区照明
２９
三级
2.１.2负荷计算ﻩ
按需要系数法计算各组负荷：
有功功率 P=Kd
Σpei （2.1）
无功功率 Q=P
（2.2）
视在功率 Ｓ＝
（2.３）
上述三个公式中:
ΣＰeｉ：
每组设备容量之和，单位为kW;Kd：
需要用系数；
:
功率因数。
1小批量生产的金属冷加工机床电动机:
Ｋｄ=0．１6-０.２（取0.2）
=０.5
=1.73
有功负荷PＣ1=KｄPS1=０.２*433.45=8６.６９ｋW
无功负荷QＣ1=PC1
=86.６9*1.7３=14９．97kｖａr
视在功率SＣ1=
=174.7４kＶ·Ａ
2电焊机组的计算负荷:
Kd＝0.35
＝0.3５
=２.68
有功负荷ＰC2＝KｄPS2=0.3５＊129.３5=45．27kW
无功负荷QＣ2=PＣ2
=45.27*2.68=121.33kvaｒ
视在功率SC2=
=129.5kＶ·A
3起重机的计算负荷:
Kd=0.１-０.15（取０.1５）
＝0.5
＝１.73
有功负荷 PC3=KdＰＳ3=０.1５*1１３．2=１6．98kW
无功负荷QＣ3=PＣ3
＝16．９8*1．73＝29.３8ｋvａｒ
视在功率 SC3=
=3３.9３kV·A
４住宅区水泵组：
Kd=0．８
=0.8
=0.75
有功负荷PC４＝ＫdPS4=０．8＊１7６=140.8kＷ
无功负荷QC4=ＰC4
=０．７5*１４0.8=１０5.6kvar
视在功率 SC4=
＝1７6kV·A
5办公楼:
Ｋｄ=0.8
=1
=0
有功负荷 ＰC５＝KｄＰS５=０.8*３0=24ｋW
无功负荷QＣ5=PC5
=0ｋvar
视在功率 SＣ5=
＝2４kV·A
６住宅区：
Kd=0．4５
=１
=0
有功负荷 PＣ６=KdPS6=0.45*７68=345.6kＷ
无功负荷QC6＝ＰＣ６
=0kvａr
视在功率 ＳＣ6=
＝345．６kＶ·Ａ
7厂区照明：
Ｋd=1
=1
＝0
有功负荷PC7=KdPＳ７=1*29=2９kW
无功负荷 QC7=PC7
=0kvaｒ
视在功率SC7=
＝29kV·A
总负荷的计算：
有功功率 Pｃ=K∑p
ΣPc.i （2．４）
无功功率 Qｃ=K∑ｑ
ΣQｃ．i （２.5）
视在功率 Sc=
（2.６）
式中：
对于干线，可取K∑p=0.85-０.９５,K∑q=0．90－0．９7。
对于低压母线,由用电设备计算负荷直接相加来计算时,可取Ｋ∑ p=0.8－0.９,Ｋ∑ｑ=0．8５-0.95。
由干线负荷直接相加来计算时,可取K∑p=0.9-0.9５,K∑=0.93-0.97。
表2-2计算负荷表
设备组
Ｋd
需要系数
计算负荷
Pc／kW
Ｑc/ｋvａr
Ｓc/kVA
机床组
0.2
０.5
1.73
86.69
１４9．97
174.74
电焊机组
0.35
0.35
2.68
4５．27
1２1．3３
１29.５
起重机
0.15
0.5
1.73
１６.９8
２9.３8
33．93
水泵组
0.8
0.8
０.75
１40．8
105.6
1７６
办公楼
0.8
1
0
２4
0
24
住宅区
0.４５
１
０
345．６
０
3４5.6
厂区照明
1
1
0
29
0
29
总计
——
688.34
4０6.28
——
对干线取Ｋ∑ｐ=０.9５,
K∑ｑ=0.9７
653．92
394.0９
７６3．49
对低压母线取K∑p=０.90,
K∑ｑ=0.95
619．56
３８5.9６
72９.9
２.2 无功补偿的目的和方案
由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等,都是感性负荷,使得功率因数偏低,因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。
电力系统要求用户的功率因数不低于０．9，按照实际情况本次设计要求功率因数为0.92以上，因此,必须采取措施提高系统功率因数。
目前提高功率因数的常用的办法是装设无功自动补偿并联电容器装置。
根据现场的实际情况，拟定采用低压集中补偿方式进行无功补偿。
2.3无功补偿的计算及设备选择
我国《供电营业规则》规定：
容量在100kV·A及以上高压供电用户,最大负荷时的功率因数不得低于０.9，如达不到上述要求，则必须进行无功功率补偿。
一般情况下,由于用户的大量如:
感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等都是感性负荷，使得功率因数偏低，达不到上述要求，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。
当功率因数提高时，在有功功率不变的情况下,无功功率和视在功率分别减小，从而使负荷电流相应减小。
这就可使供电系统的电能损耗和电压损失降低，并可选用较小容量的电力变压器、开关设备和较小截面的电线电缆，减少投资和节约有色金属。
因此,提高功率因数对整个供电系统大有好处。
要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。
最大负荷时的无功补偿容量ＱN·C应为：
QN·C=
=PＣ（
-
） （2.7）
按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时,补偿容量也应相应减小,以免造成过补偿。
因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。
提高功率因数的补偿装置有稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备。
前者主要有同步补偿机和并联电容器。
动态无功功率补偿设备用于急剧变动的冲击负荷。
低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有４、6、8、10、12组等。
用上式确定了总的补偿容量后,就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：
（2.8）
在用户供电系统中，无功补偿装置位置一般有三种安装方式：
（1）高压集中补偿补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少,便于集中运行维护,而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求,所以在一些大中型企业中应用。
（2）低压集中补偿 补偿效果较高压集中补偿方式好,特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小,因而在实际工程中应用相当普遍。
（3）低压分散补偿补偿效果最好,应优先采用。
但这种补偿方式总的投资较大,且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。
本次设计采用低压集中补偿方式。
PC QC SC 取自低压母线侧的计算负荷,
提高至0．92
=
=
=０.85
QＮ·C=ＰＣ（
－
）=619．506*[tａn（aｒｃcos0.85）-taｎ（arcｃｏs０.92）]＝1２０kvａr
选择ＢＳＭＪ０．4－20-3型自愈式并联电容器,qＮ·C=２0kvar
（2.９）
=12０kvaｒ/２0kｖａr=6 取６
补偿后的视在计算负荷
SＣ＝
＝67４.１9kV·Ａ
=
=0.９2ﻬ3短路电流计算
３.1短路电流及其计算
供电系统应该正常的不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。
但是供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。
所谓短路,就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。
造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。
短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。
当它通过电气设备时,设备的载流部分变形或损坏,选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。
短路电流在线路上产生很大的压降,离短路点越近的母线,电压下降越厉害,从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。
计算方法采用标幺值法计算。
进行计算的物理量，不是用具体单位的值,而是用其相对值表示，这种计算方法叫做标幺值法。
标幺值的概念是：
某量的标幺值=
（3.1）
所谓基准值是衡量某个物理量的标准或尺度,用标幺值表示的物理量是没有单位的。
供电系统中的元件包括电源、输电线路、变压器、电抗器和用户电力线路，为了求出电源至短路点电抗标幺值，需要逐一地求出这些元件的电抗标幺值。
3.２三相短路电流计算
电源取自距本变电所3ｋm外的35ｋV变电站，用10kV双回架空线路向本变电所供电，出口处的短路容量为2５0MＶ·Ａ。
图３．1短路电流计算图
ﻬ求10ｋV母线上K-１点短路和380V低压母线上K－２点短路电流和短路容量。
电源侧短路容量定为Ｓk=250MV·A
1确定基准值：
取 Sｄ＝100MV·Ａ Ｕc1=１０.5kV
Id1＝
=1０0MV·A/（
＊１0．5kV）=5.50kA
Zd=
=（10.5kV）2/100MV·A=1.１０Ω
２计算：
电力系统
X１*＝Sd/Sk=１０0ＭV·Ａ/２50MV·A＝0．4
架空线路
X2*=X0LＳd/Ｕc２=0.35Ω/kｍ*3kｍ*
=0.95
电力变压器
X3*＝Ｕk％Sｄ/100SNＴ=
＝8
３求K-1点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量：
总电抗标幺值
X＊∑（ｋ-1）=X1＊+X2*=０.4+0．９5=1.35
三相短路电流周期分量有效值
Ｉk-1（3）=Ｉｄ1/X＊∑（k－1）=5.５0ｋA/１.35=4.０7kA
其他三相短路电流
Ik-1”（３）=I∞ｋ-1（３） =Ik－1（3） =4．07ｋＡ
iｓh （3） =2．５5*4.07ｋＡ=10.３８kA
Ish（3）＝1.５１*4.07kA＝6.１5ｋＡ
三相短路容量
Sk-１（3）＝Sd/X*∑（ｋ-1）=100MV·A/1．35=74.1MV·A·
4求K-2点的短路电路总阻抗标幺值及三相短路电流和短路容量:
两台变压器并列运行：
总电抗标幺值
X*∑（k-2） =X１*+Ｘ２*+X3*// X4*＝0.４+0.95＋
=5.3５
三相短路电流周期分量有效值
Iｋ－2（3）＝Id2/X*∑（k-2）=１44.３4kA／5．３5=26．98kA
其他三相短路电流
在10／０.4ＫV变压器二次侧低压母线发生三相短路时,R∑<
Iｋ－２”（3） =I∞ｋ-２ （３）= Ik-2（３）=26.98kA
ish （３）＝２．26*2６.98kA=60.97kＡ
Ｉsh（３）＝1.31＊２6．９8kＡ=３5.3４kＡ
三相短路容量
Sk-2（3） =Sd/X＊∑（ｋ-2）=1０0MＶ·A/５.３5＝18.６9MV·A
两台变压器分列运行:
总电抗标幺值
X*∑（k-2）=Ｘ1*+X2*+X3*=0.4＋0．９5+8=9．３5
三相短路电流周期分量有效值
Ｉｋ-2（3）=Id2/Ｘ＊∑（k-２）=144.34kA/9.35=１５.44kA
其他三相短路电流
Iｋ-2”（３） =I∞k－２（３）=Iｋ-2（3）=１5.４4kA
ish（3）=2．2６＊1５.44kA=3４.89kA
Isｈ（3） =１.3１*15.４4kA=２0．23kA
三相短路容量
Ｓk-２（３）=Sｄ/X*∑（k－2） =1００MV·A/9．35=１0.7MV·Ａ
表３．１三相短路电流计算结果
短路计算点
总电抗标 幺值
三相短路电流/kA
三相短路容量/ＭV·A
X*∑
Ik （3）
I”（3）
I∞（3）
ish（3）
Iｓh（3）
Sｋ（3）
k-１
1.35
4．07
4.０7
４.07
10.3８
6.15
74.1
k-2
变压器并列运行
5.35
26.98
2６.９8
２６.98
60.9７
35.34
1８.69
变压器分列运行
9.3５
15.44
1５.44
15．4４
34.８9
２0.２3
10.7
ﻬ4系统主接线方案
４．１ 主接线的基本要求
主接线是指由各种开关电器、电力变压器、互感器、母线、电力电缆、并联电容器等电气设备按一定次序连接的接受和分配电能的电路。
它是电气设备选择及确定配电装置安装方式的依据，也是运行人员进行各种倒闸操作和事故处理的重要依据。
概括地说,对一次接线的基本要求包括安全、可靠、灵活和经济四个方面。
安全性:
安全包括设备安全及人身安全。
一次接线应符合国家标准有关技术规范的要求,正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。
可靠性：
不仅和一次接线的形式有关，还和电气设备的技术性能、运行管理的自动化程度因素有关。
灵活性:
用最少的切换来适应各种不同的运行方式,适应负荷发展。
经济性：
在满足上述技术要求的前提下，主接线方案应力求接线简化、投资省、占地少、运行费用低。
采用的设备少,且应选用技术先进、经济适用的节能产品。
总之,变电所通过合理的接线、紧凑的布置、简化所内附属设备,从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计,节约材料，减少人力物力的投入,并能可靠安全的运行，避免不必要的定期检修,达到降低投资的目的。
4.2主接线的方案与分析
主接线的基本形式有单母线接线、双母线接线、桥式接线等多种。
1 单母线接线
这种接线的优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置；
缺点:
不够灵活可靠,任一元件（母线及母线隔离开关等）故障检修,均需要使整个配电装置停电，单母线可用隔离开关分段,但当一段母线故障时,全部回路仍需短时停电，在用隔离开关将故障的母线段分开后才能恢复非故障段的供
电。
适用范围:
适应于容量较小、对供电可靠性要求不高的场合，出线回路少的小型变配电所,一般供三级负荷,两路电源进线的单母线可供二级负荷。
图4.１单母线不分段主接线
2单母线分段主接线
当出线回路数增多且有两路电源进线时,可用断路器将母线分段，成为单母线分段接线。
母线分段后,可提高供电的可靠性和灵活性。
在正常工作时，分段断路器可接通也可断开运行。
两路电源进线一用一备时，分段断路器接同运行，此时，任一段母线出现故障，分段断路器与故障段进线断路器都会在继电保护装置作用下自动断开，将故障段母线切除后,非故障段母线便可继续工作，而当两路电源同时工作互为备用时，分段断路器则断开运行,此时若任一电源出现故障，电源进线断路器自动断开，分段断路器可自动投入,保证给全部出线或重要负荷继续供电。
图4.2单母线分段主接线
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它的缺点，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线可保证对一级负荷的供电等。
4．３电气主接线的确定
电源进线为两路，变压器台数为两台。
二次侧采用单母线分段接线。
两路外供电源容量相同且可供全部负荷，采用一用一备运行方式，故变压器一次侧采用单母线接线，而二次侧采用单母线分段接线。
该方案中
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