供电工程课程方案设计书.docx
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供电工程课程方案设计书
前言
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。
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。
在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。
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。
从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。
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。
课程设计是学习中的一个重要环节，通过课程设计可以巩固本课程理论知识，掌握供配电设计的基本方法，通过解决各种实际问题，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算、绘图、设计说明书等方面得到训练，为今后的工作奠定基础。
本设计可分为九部分：
用户负荷计算和无功功率计算及补偿；变电所位置和形式的选择；确定主接线方案；短路电流的计算；变电所一次设备的选择与校验；用户电源进线及用户高压配电、低压配电线路的选择；保护装置的选择和其整定装置的计算；心得和体会；附参考文献。
由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不完善的地方，敬请老师、同学批评指正。
1、设计应遵循的原则及原始资料
1．1供配电设计应遵循的原则
供配电设计应根据上级批文的内容，依据建设单位的具体设计要求和工艺设计所提出的具体条件进行，并遵循以下原则：
（1）遵守规程、执行政策。
必须遵守国家的有关规定及标准，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。
如国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50053-94《10kV及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等的规定。
（2）安全可靠、先进合理。
应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。
（3）近期为主、考虑发展。
应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。
（4）全局出发、统筹兼顾。
按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
供配电设计是整个用户设计中的重要组成部分。
用户供电设计的质量直接影响到用户的生产及发展。
作为从事供配电工作的人员，有必要了解和掌握供配电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。
1．2本设计的原始资料
1．2.1工厂负荷情况
该船用柴油机厂拥有铸锻、热处理、机械加工、冷作焊接、工具动力、装配试车等车间及汽车冲压件分厂，配有热工仪表化实验、长度计量、柴油机测试、分离机测试、计算机中心等质量控制与生产管理系统。
工厂主要产品有柴油机、分离机、浓缩机、胶乳机及汽车底盘及相关件。
柴油机产品广泛用于船用主机、船舶电站、陆用电站。
公司为三班制全年连续生产，年最大负荷利用小时数为5600h。
大部分用电设备要求不间断供电。
负荷统计资料如表1所示。
表1负荷统计资料
编号
车间名称
设备容量/kW
需要系数
功率因数
1
铸锻车间
1600
0．50
0．65
2
热处理车间
1400
0．56
0．75
3
机械加工车间1
980
0．30
0．65
4
机械加工车间2
900
0．30
0．65
5
冷作焊接车间
650
0．35
0．70
6
工具动力车间
720
0．65
0．65
7
装配试车车间
600
0．30
0．75
8
模具车间
870
0．50
0．65
9
汽车冲压件分厂
1590
0．60
0．70
10
办公、食堂
420
0．45
0．80
11
厂区照明
200
0．50
0．85
1.2.2、供电电源情况
按照公司与当地电业部门签订的供用电协议规定，本公司可由附近两个地区变电站取得工作电源。
其中甲站为110/35/10kV变电站，有35kV和10kV两种电压的出线可供公司选用，距公司约为5km；乙站为110/10kV变电站，可向公司提供所需的10kV电源，距公司约为7km。
变电站其他相关数据如下表：
变电站及母线
备注
甲站
35kV母线
500
300
继电保护整定时间要求不大于2.0s
10kV母线
400
260
乙站
10kV母线
300
200
1.2.3、供用电协议要求
（1）以35kV向公司供电时，公司的功率因数不应小于0.9；以l0kV向工厂供电时，公司的功率因数不应小于0.95。
（2）按两部电价制交纳电费,基本电价20元/千伏·安/月，电度电价0.5元/度。
1.2.4、工厂自然条件
年最高气温39℃，年平均气温23℃，年最低气温-5℃,年最热月平均最高气温33℃，年最热月平均气温26℃，年最热月地下0.8m处平均温度25℃．主导风向为南风，年雷暴日数52。
平均海拔22m，地层以砂粘土为主。
1.3全厂供电系统草图
根据设计要求，35KV采用内桥接线，6KV采用单母线分段接线,见图1.1.
图1.1.
采用内桥接线的特点是：
线路的投切比较方便，变压器的投切比较复杂。
单母线分段接线的特点是：
母线分段后，对于重要用户可由分别接于两段母线上的两条出线同时供电，当任一组母线故障或检修时，重要用户仍可通过正常母线段继续供电，而两段母线同时故障检修的概率很小，大大提高了对重要用户的供电可靠性。
2、电力负荷的计算
2.1负荷计算
负荷计算是指导体通过一个等效负荷时，导体的最高温升正好和通过实际的变动负荷时其产生的最高温升相等，该等效负荷就称为计算负荷。
工业企业电力负荷计算的主要目的是：
（1）、全厂在工程设计的可行性研究阶段要对全厂用电量作出估算以便确定整个工程的方案。
（2）、在设计工厂供电系统时，为了正确选择变压器的容量，正确选择各种电气设备和配电网络，以及正确选择无功补偿设备等，需要对电力负荷进行计算。
用电设备组计算负荷的确定
工程上常用方法有需要系数法和二项式法。
需要系数法简单方便，计算结果基本符合实际。
用电设备台数较多，各台设备容量相差不悬殊时，宜采用需要系数法，一般用于干线，配变电所的负荷计算。
二项式法的应用局限性较大，但在确定设备台数较少而容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，较之需要系数法合理，且计算也较方便。
此处只介绍需要系数法。
1．单组用电设备组计算负荷
有功计算负荷（kW）：
无功计算负荷（kvar）：
视在计算负荷（kVA）：
计算电流（A）：
式中，
为需要系数，
为设备组总的设备容量（对断续周期工作制的用电设备组，换算到一个统一的负荷持续率下），
为用电设备组的平均功率因数；
为对应于
的正切值。
2．多组用电设备组计算负荷
结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数
和
：
对车间干线，可取
～0.95，
～0.97。
对低压母线，分两种情况：
①由用电设备组计算负荷相加来计算时，可取
～0.90，
～0.95；
由车间干线计算负荷相加来计算时，可取
～0.95，
～0.97。
有功计算负荷：
总的无功计算负荷为：
视在计算负荷：
计算电流：
按照以上公式可计算出各车间的电力负荷情况。
●各车间电力负荷计算如表1:
表1电力负荷计算表
计算点
厂房名称
设备容量Pe/kW
需要系数（Kd）
功率因数（cosφ）
tan（φ）
计算负荷
Pc/kW
Qc/kvar
Sc/kVA
Ic/A
①
曲颈瓶车间
358
0.65
0.80
0.75
232.70
174.53
290.88
441.94
②
铝盖车间
220
0.60
0.70
1.02
132.00
134.67
188.57
286.50
③
印刷车间
320
0.55
0.65
1.17
176.00
205.77
270.77
411.39
④
pvc车间
280
0.50
0.80
0.75
140.00
105.00
175.00
265.88
⑤
装订车间
150
0.20
0.75
0.88
30.00
26.46
40.00
60.77
⑥
食堂、锅炉房
30
0.60
0.60
1.33
18.00
24.00
30.00
45.58
⑦
仓库
15
0.30
0.85
0.62
4.50
2.79
5.29
8.04
⑧
办公区
20
0.80
0.90
0.48
16.00
7.75
17.78
27.01
2.2、无功功率计算补偿
2.2.1 提高功率因数的意义
在工业企业电力用户中，绝大多数用电设备都呈现电感性，比如感应电动机、感性变压器、电焊机、电弧炉及气体放电灯等，需要从电力系统中吸取无功功率，从而导致功率因数降低，而且将会带来以下后果。
（1）电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗；
（2）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用；
（3）功率因数过低还将使线路的电压损耗增大。
因此，电力系统功率因数的高低是相当重要的，必须设法提高电网中各个部分的功率因数，以充分利用电力系统内各发电设备和变电设备的容量，增加其输电能力，减小供电线路导线的截面，节约有色金属，减少电网中的功率损耗和电能损耗，并降低线路中的电压损失和电压波动，以达到节约电能和提高供电质量的目的。
当功率因数提高时，无功功率和视在功率减小，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，提高功率对整个供电系统大有好处。
最大负荷时的功率因数是指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数，按下式计算
我国《供电营业规则》规定：
容量在100Kv·A及以上高压供电的用户，最大负荷时的因数不得低于0.9,如果达不到要求，刚必须进行无功补偿。
本设计要求不得低于0.92。
因此，在进行供电设计时，可用此功率因数来确定需要无功补偿的最大容量。
2.2.2无功补偿方案论证
根据该药用包装厂的具体情况，可提出以下无功补偿的方案，对这些方案进行比较和论证后，选择最合理的方案。
（1）方案一：
采用电力电容器进行无功补偿
在传统供配电系统中普遍采用并联电容器的方法来进行无功补偿。
根据电容器安装的位置不同，可分为高压集中补偿、低压集中补偿和分散地就地补偿（个别补偿）三种。
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。
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，从而可使主变压器容量选得较小，因而在实际工程中应用相当普遍。
分散地就地补偿补偿效果最好，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。
这种方式特别适用于负荷平稳、长期运行而容量又大的设备，如大型感应电动机、高频电炉等。
不过，对于供电系统中高压侧的其本无功功率的补偿，仍宜采用高压集中补偿和低压集中补偿的方式。
（2）方案二：
采用静止型无功补偿装置（SVC）进行无功补偿
为了减少无功功率冲击引起的电压闪变，国内普遍采用一种静止无功功率补偿装置（SVC）进行无功功率补偿。
SVC在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面具有显著的优点。
静止无功补偿装置（SVC）包括晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者混合装置（TRC+TSC）等。
该装置有能校正动态无功负荷的功率因数、改善电压调整、稳定母线电压、减少电压闪烁、减少电压和电流不平衡等作用。
由于在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求不一样，该装置可根据不同的控制目标来采用不同的控制策略。
（3）最终方案的确定
由于该厂属二级负荷，拟建四个车间变电所，其中一个和高压配电所建在一块。
为了使变压器容量选的更小，故采用低压集中补偿方式，即在每个车间变电所进行无功补偿。
最后再计算高压侧的功率因数，若达不到预期要求，则在高压侧再次进行无功补偿。
2.2.3 无功补偿装置的选择及补偿后的计算负荷
由表1可知该厂380V一侧最大功率∑Pc=749.2kW，最大无功功率∑Qc=680.95kvar，最大视在功率Sc=1018.29kV·A，考虑到车间有8个，所以采用1个变电所，变电所带8个车间的型式并且选用的自愈式低压并联电力电容器，以下变电所的无功补偿方案。
如表2所示:
表2变电所（电力负荷计算表）
计算点
ΣPc，i/kW
ΣQc,i/kvar
同时系数
Pc/kW
Qc/kvar
Sc/kVA
Ic/A
功率因数（cosφ）
补偿前C1点计算负荷
749.2
680.95
KΣp=0.95KΣq=0.97
711.74
660.53
971.01
1,475.3
0.73
补偿容量QN·c1/kvar
-360
354.48
实际取12组*30kvar=360kvar
补偿后C1点计算负荷
711.74
300.53
772.59
1173.82
0.92
故选择GCS-34型低压无功补偿柜（主柜）（BCMJ-04-30-3E）和GCS-35型低压无功补偿柜（辅柜）（BCMJ-04-30-3E）进行无功补偿。
2.3变压器型号的选择
电力变压器是供电系统中的关键设备，其主要功能是升压或降压以利于电能的合理输送、分配和使用，对变电所主接线的形式及其可靠性与经济性有着重要影响。
所以，正确合理地选择变压器的类型、台数和容量，是主接线设计中一个主要问题。
因为该厂属于二级负荷，绝大多数负荷均为感性。
为了车间之间供电不相互影响，故初步打算建选八台变压器，机钳车间、铸钢车间、铆焊车间各两台，实验间和综合楼共选两台。
考虑到变压器在厂房建筑内，故选用低损耗的SC系列变压器。
由于工厂属于三级负荷，并且取得10kV母线作为电源，所以变电所选用10kV/0.38kV直降变电所。
综合考虑以下几种因素后：
1、便于维护与检查；2、便于进出线；3、保证运行安全；4、节约土地与建筑费用；5、适应发展要求。
根据C1点的视在计算负荷Sc=772.59kV·A。
又考虑到工厂以后的发展，所以选用1台10（1±5%）/0.4kVSC（B）10型变压器，具体参数如表2-3所示：
表3变压器参数
额定容量SN/kVA
空载损耗ΔP0/W
短路损耗ΔPk/W
阻抗电压Uk%
空载电流I0%
1000
1550
7090
6
0.6
表2-4计算点B1的负荷
计算点
变压器功率损耗（Sc=772.59KV*A,SNT=1000KV*A）
ΔP0/kW
ΔPk/kW
I0%
Uk%
ΔPT/kW
ΔQT/kvar
B1
1.55
7.09
0.60
6.00
5.78
41.81
有功功率计算负荷Pc/kW
无功功计算负荷Qc/kvar
视在功率计算负荷Sc/kV*A
高压侧计算电流Ic/A
功率因素cosφ
717.52
342.34
795.01
45.90
0.90
3、短路电路的计算
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。
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。
对于工厂供电系统来说，常将电力系统当作无限大容量电源。
常用的计算方法有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。
在本设计中取三个短路点，分别是：
主变压器高压侧，变压器低压侧以及6KV线路末端。
计算方法采用标幺制法，取
电缆
架空线
.
3.1用标么值法计算短路电流
3.1.1供配电系统中各主要元件电抗标么值
（1）电力系统的电抗标么值。
电力系统电抗
，可由系统的短路容量
求取
最大运行方式下：
最小运行方式下：
（2）电力变压器的电抗标么值。
电力变压器的电抗值
可由其短路电压
近似的计算，即
式中，
为变压器的额定容量。
（3）电力线路的电抗标么值
式中，
为线路的长度（km）；
为线路单位长度的电抗（Ω/km）。
如数据不详，可按下表取线路电抗的平均值。
表电力线路每相的单位长度电抗平均值（单位：
Ω/km）
线路结构
线路电压
220/380V
6～10kV
≥35kV
架空线路
电缆线路
0.32
0.066
0.35
0.08
0.40
0.12
3.1.2短路计算点选择
按照需要校验的设备安装位置及继电保护所需选择短路计算点，一般选择为变压器的高压侧和低压侧。
如：
短路计算电路图短路等效电路图
3.1.3三相短路电流计算
无限大容量系统三相短路周期分量有效值得标幺值按下式计算。
三相短路电流周期分量有效值
求得
后，即可利用前面得公式求出
、
、
和
等。
三相短路容量的计算公式为
在工程设计说明书中，常将短路计算结果列成短路计算表，如：
短路计算结果表（针对上图）
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*Σ
Ik（3）
I"（3）
I∞（3）
ish（3）
Ish（3）
Sk（3）
K-1
MIN
0.91
6.07
6.07
6.07
15.49
9.17
110.41
MAX
0.82
6.73
6.73
6.73
17.16
10.16
122.33
K-2
MIN
6.91
20.90
20.90
20.90
47.24
27.38
14.48
MAX
6.82
21.17
21.17
21.17
47.85
27.74
14.67
3．1.4两相短路电流的计算
无限大容量系统中的两相短路电流，可在求出三相短路电流后利用下式直接求得。
3.1.5单相短路电流的计算
在工程设计中，可利用下式计算单相短路电流，即
式中，
为电源相电压；
为单相短路回路的阻抗[模]，可查有关手册，或按下式计算
式中，Rτ、Xτ分别为变压器单相的等效电阻和电抗；
分别为相线与N线或PE或PEN线的回路（短路回路）的电阻和电抗，包括回路中低压断路器过流线圈的阻抗、开关触头的接触电阻及电流互感器一次绕组的阻抗等，可查有关手册或产品样本。
3.2短路校验
3.2.1短路动稳定度的校验条件
对于一般电气设备，因为其中载流部分的结构尺寸为定值，所以短路电流通过时产生的电动力只与短路电流的大小有关。
而电气设备在出厂前，通过实验已得出其动稳定电流，因此一般电气设备的动稳定度校验条件为
或
式中，
为电气设备的动稳定电流（极限通过电流）峰值；
为电气设备的动稳定电流（极限通过电流）峰值有效值。
和
可由有关手册或产品样本查得。
其他设备和导体如绝缘子、硬母线等的动稳定度校验条件，可查阅有关设计手册。
电缆因其结构特点决定其机械强度较好，一般无须校验短路动稳定度。
3.2.2短路热稳定度的校验条件
对于一般电气设备，因其载流导体材料、长度及截面都已确定，所以短路电流通过时产生的热量
只与短路电流和短路电流通过的时间有关。
同样，电气设备在出厂前，通过实验已得出其热稳定电流和热稳定时间，因此一般电气设备的热稳定度校验条件为
式中，It为电器的热稳定电流；t为电器的热稳定时间。
It和t可由有关手册或产品样本查得。
对母线及绝缘导线和电缆等导体的热稳定度校验条件
式中，
为导体在短路时的最高允许温度。
要确定
比较麻烦，因此也可根据短路热稳定度的要求来确定其最小允许截面。
即导体满足热稳定的等效条件为
式中，A为导体截面积（mm2）；Amin为导体满足热稳定的最小允许截面积（mm2）；
为三相短路稳态电流（A）；C为导体的热稳定系数（为
）。
4、变配电所主接线方案的设计
4.1设计原则与要求
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、灵活和经济等要求。
1．安全性
（1）在高压断路器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）在低压断路器的电源及可能反馈电能的另一侧，必须装设低压刀开关；
（3）35kV以上的线路末端，应装设与隔离开关联锁的接地刀闸；
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）主接线应符合电力负荷特别是一、二级负荷对供电可靠性的要求。
一级负荷要求由两个电源供电，二级负荷，要求由两回路供电或一回路6kV及以上的专用架空线路或电缆供电。
（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，宜由工厂总变配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一可采用树干式配电。
3．灵活性
主接线应能适应供配电系统各种不同的运行方式（如变压器经济运行方式、电源线路备用方式等），倒闸切换操作简便；检修操作，也应保证供电可靠性的条件。
（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接线。
（2）35kV及以上电源进线为双回路时，宜采用桥形接线或双线路变压器组接线。
（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．经济性
在满足上述技术要求的前提下，一
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