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制氧厂供配电设计与计算

摘要

最近几年随着空分技术的飞速发展，空分设备规模由原来的“几千”等级跃升至“几万”甚至“十万”等级以上。

随着空分设备的日趋大型化，空压机、增压膨胀机或氧压机、氮压机的电动机容量也节节攀升。

由原来的几千千瓦发展到现在的几万千万（电动机的容量约为空分等级的二分之一，如80000m³/h的空分设备，空压机电动机约为40000KW）。

电动机的大型化给电气控制、电动机的起动和电网带来巨大的挑战。

作为贯穿整个系统的电气技术，其可靠、稳定和安全关系着整套空分设备的安全和稳定，在节能、增效方面有着举足轻重的作用。

关键词：

空分设备，空压机，大型化，电容

一、引言1

二、空分制氧厂供配电设计内容及步骤2

（一）设计内容及步骤2

（二）负荷计算3

（三）配电柜台数及开关容量选择4

（四）供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设5

（五）供配电系统短路电流6

（六）改善功率因数装置8

（七）继电保护装置10

（八）二次接线14

（九）厂区照明、防雷22

三、结论25

参考文献26

一、引言

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的能量转换而来，也易于转换为其他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，而且现代社会的信息技术和其他高新技术无一不是建立在电能应用的基础之上的。

因此电能在现代工业生产及整个国民经济生活。

本课题设计是为了一个空分制氧厂的供配电设计。

在满足工厂供配电设计中安全、可靠、优质、经济的基本要求的前提下，根据空分设备用电情况和生产工艺要求，进行了负荷计算，通过功率因数的计算，进行无功补偿设计（包括无功补偿容量计算和补偿设备选择、校验），确定了空分制氧厂的供配电方案，通过技术经济比较，确定了供配电系统的主接线形式，选择了配电柜台数和开关容量。

按照经济电流密度法，选择了合适的导线和电缆，通过合理设置短路点，进行正确的短路电流计算，进行了主要电气设备的选型和校验。

通过上述设计，基本确定了空分制氧厂内部的供配电系统，并且在本设计中，尽可能选择低损耗电气设备，以节约电能。

二、空分制氧厂供配电设计内容及步骤

（一）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，以制氧厂为例，其基本内容有以下几方面。

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。

2、配电柜台数及开关容量选择

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、低压侧设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、开关柜等。

3、供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设

根据变各车间用电负额和性质以及与配电室之间的特点和周边环境，确定电缆选型以及敷设方式。

4、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。

5、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。

6、继电保护装置设计

继电保护包括：

过流、过压、欠压、接地等部分，对于线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电保护和瞬时机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。

对于单相接地保护可才用绝缘监视装置，装设在高压母线上。

7、二次接线设计

二次接线是发电厂和变配电所电气接线的重要组成部分，是电力系统安全生产，经济运行的可靠保障。

二次接线的基本任务是：

反应一次设备的运行状况，控制一次设备；当一次设备发生故障时，能将故障部分迅速的退出工作状态，以保持电力系统处于最佳状态。

8、厂区照明、防雷、接地装置设计

根据电能表的大小以及线路导线的规格并计算灯具的总功率进行选择。

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。

（二）负荷计算

1、电源进线电压为35KV，先经工厂总降压变电所（一次降压）降为6—10KV的高压配电电压，然后经过车间变电所，降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V。

由于电源进线线路较长因而发生故障和停电的机会较多、并且变电所的变压器不需经常切换。

所以，总降压变电所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主接线图。

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QS101、QS102先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电。

这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷的工厂。

二次降压的一次侧采用高压式放射式接线，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其他负荷，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。

2、设备容量的确定

1长期工作制和短时工作制的设备容量就是设备的铭牌额定功率，即

2断续周期工作制的设备容量是将某负荷持续率下的铭牌额定功率换算到统一的负荷持续率下的功率。

常用设备的换算要求如下：

a）压缩机系统

要求统一换算到

100％时的功率，即

式中

――与铭牌额定容量对应的负荷持续率（计算中用小数）；

――其值为100％的负荷持续率（计算中用1）；

Cos

――铭牌规定的功率因数。

b）起重机设备

要求统一换算到

25％时的额定功率，即

式中

――其值为25％的负荷持续率（用0.25计算）。

c）变压器组

设备容量是指在额定功率下的有功功率，即

式中

—－电炉变压器的额定容量；

Cos

――电炉变压器的额定功率因数。

3、在实际工程设计中，为了私人一目了然，便于审核，常采用计算表格的形式，如：

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

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）

低压配电室

246.5

172.6

129.4

215.8

1*400

软启动室

338.2

236.8

177.6

296

空压机

3704.6

2963.7

1837.5

3486.7

氮压机

142.6

107

80.2

133.8

1*400

膨胀机

320.9

208.6

156.5

278.1

水泵

53.6

47.2

68.7

氧压机

2377.4

951

190.2

970

分子筛

607

534.2

470.1

712.3

1*400

起重设备

368

257.6

193.2

322

冷冻机

（1）

561

392.7

345.6

523.6

冷冻机（2，3）

1122

785.4

691.1

1047.2

1*400

冷却塔

450

315

236.2

393.8

照明用电

634.4

507.5

243.6

（三）配电柜台数及开关容量选择

高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置，在发电厂和变配电所中作为控制和保护发电机、变压器和高压线路之用，也可作为大型高压开关设备、保护电器、监视仪表和母线、绝缘子等。

高压开关柜有固定式和手车式两大类型。

由于本设计是10KV电源进线，则可选用较为经济的固定式高压开关柜，这里选择KYN-12型

以20000M3/h空分为例,主要电器设备参考外型尺寸如下:

设备种类

设备名称

数量

高mm

宽mm

深mm

备注

高

压

柜

进线

2300

1000

1500

2000A

KYN28-12

VS1-12

31.5KA

母联

2000A

变压器

800

1250A

互感器

空压机

氧压机

氮压机

补偿电容

10/0.1KV

低

压

柜

进线

2200

1000

800

4000A

GGD

母联

800

MCC

循环水系统低压柜

进线

2200

1000

2000A

母联

800

MCC

调功器柜

2200

800

600

直流屏

2200

800

600

DC220V100Ah

补偿电容柜

2500

1050

1500

~1200KVA*2

变压器

2000KVA

1000KVA

软起动器

空压机、氧压机、氮压机共用

1（套）

2300

2400

1070

变压器

2600

1200

控制柜

2300

800

1500

1250A

切换柜

2300

800

1500

1250A

切换柜

2300

800

1500

1250A

切换柜

（四）供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设

1、电缆、电线的选型

一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。

对长距离大电流及35KV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。

简单选型对照表

导线和电缆的经济电流密度单位：

A/mm²

线路类型

导线材质

年最大有功负荷利用小时

3000h以下

3000-5000h

5000h以上

架空线路

铜

3.00

2.25

1.75

铝

1.65

1.15

0.90

电缆线路

铜

2.50

2.25

2.00

铝

1.92

1,73

1.54

2、架空线路的敷设

架空线路长期露天运行，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。

3、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。

）

（五）供配电系统短路电流

本设计采用标幺值法进行短路计算

1、在最小运行方式下：

绘制等效电路如图4-1，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4-1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

电力系统（SOC=310MV·A）X1*=100KVA/310=0.32

架空线路（XO=0.4Ω/km）X2*=0.4×4×100/10.52=1.52

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

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

总电抗标幺值X*Σ（K-2）=X1*＋X2*＋X3*//X4*=0.32+1.52+1.32/2=2.5

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

其他三相短路电流I"（3）=I∞（3）=Ik-2（3）=202KA

ish（3）=1.84×202KA=372KA

Ish（3）=1.09×202KA=220KA

三相短路容量Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-1）=100MVA/2.5=40MV·A

2、在最大运行方式下：

绘制等效电路如图4-2，图上标出短路计算点。

图4-2等效电路

1确定基准值

取Sd=1000MV·A,UC1=60KV,UC2=0.5KV

而Id1=Sd/

UC1=1000MV·A/（

×60KV）=9.6

Id2=Sd/

UC2=1000MV·A/（

×10.5KV）=55KA

2计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

电力系统（SOC=1338MV·A）X1*=1000/1338=0.75

架空线路（XO=0.4Ω/km）X2*=0.4×4×1000/602=0.45

电力变压器（UK%=4.5）X3*=X4*=UK%Sd/100SN=4.5×1000×103/（100×5700）=13.2

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*=0.75+0.45=1.2

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

其它三相短路电流I"（3）=I∞（3）=Ik-1（3）=8KA

ish（3）=2.55×8KA=20.4KA

Ish（3）=1.51×X*Σ（K-1）8KA=12.1KA

三相短路容量Sk-1（3）=Sd/X*Σ（k-1）=1000/1.2=833MVA

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

总电抗标幺值X*Σ（K-2）=X1*＋X2*＋X3*∥X4*=0.75＋0.45＋13.2/2=7.8

三相短路电流周期分量有效值IK-2（3）=Id2/X*Σ（K-2）=55KA/7.8=7.05KA

其他三相短路电流I"（3）=I∞（3）=Ik-2（3）=7.05KA

ish（3）=2.55×7.05KA=17.98KA

Ish（3）=1.51×7.05KA=10.65KA

三相短路容量Sk-2（3）=Sd/X*Σ（k-2）=1000/7.05=141.8MV·A

3、短路电流计算结果：

1最大运行方式

三相短路电流/KA∞

三相短路容量/MVA

IK（3）

I（3）

I（3）∞

ish（3）

Ish（3）

SK（3）

K-1点

20.4

12.1

833

K-2点

7.05

17.98

10.65

141.8

2最小运行方式

三相短路电流/KA∞

三相短路容量/MVA

IK（3）

I（3）

I（3）∞

ish（3）

Ish（3）

SK（3）

K-1点

0.52

1.33

0.79

54.3

K-2点

202

372

220

（六）改善功率因数装置

1、工厂的功率因数

1瞬时功率因数瞬时功率因数可由功率因数表（相位表）直接测量，亦可由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出（间接测量）：

瞬时功率因数用来了解和分析工厂或设备在生产过程中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。

2平均功率因数

平均功率因数亦称加权平均功率因数，按下式计算：

式中，

为某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出；

为某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出。

3最大负荷时的功率因数

最大负荷时功率因数指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数，按下式计算：

2、无功功率补偿

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，尚达不到规定的功率因数要求时，则需考虑人工无功功率补偿。

功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系如下：

无功功率补偿原理图

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

1提高到

2，这时在用户需用的有功功率不变的条件下，无功功率将由

1减小到

2，视在功率将由

1减小到

2。

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

1提高到

2，必须装设无功补偿装置（并联电容器），其容量为：

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：

n=Qc/qc

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。

（七）继电保护装置

对于线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电保护和瞬时机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。

对于单相接地保护可才用绝缘监视装置，装设在高压母线上，动作于信号。

原则：

带时限过电流保护的动作电流Iop,应躲过线路的最大负荷电流；电流速断保护的动作电流即速断电流Iqb应按躲过它所保护线路的末端的最大短路电流Ik.max来整定。

变压器过电流保护和速断保护：

继电器采用DL-15/10，动作时限设为1S。

TA的变相比：

Ki=5000/35=143所以采用150/5A，

计算电流：

Ii=2*Seb/√3UN=2*5000/√3*35=164.97

过电流保护:

Iop＝KrelKwIk.max/KreKi=1.3×1×164.97/0.8×30=8.94A

整定动作电流为9A，过电流保护一次侧动作电流为：

Iopl=Ki/Kw*Iop=30*9=270A

灵敏度校验：

Ks=Ik.min/Iopl=0.87*3.13*103/270=10.08>1.5

WL2过电流保护整定满足要求。

速断保护：

Ike

（2）=3.32*103*10/35=948.57

Iop.KA=Kel.Kw/Ki*Ike

（2）=1.3*1/30*948357=41.1A

速断电流倍数整定为nqb=41.1A/10A=4.11

整定动作倍数4.11倍，Iopl（qb）=4.11*270=1109.7A

灵敏度校验：

Ks=Ik.min

（2）/Iopl=4.36*0.87*103/1109.7=3.42>1.5

WL2过电流速断保护整定满足要求。

1、

电容器

2、

变压器

3、

电压互感器

（八）二次接线

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

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