10kv工厂供电毕业设计.docx
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10kv工厂供电毕业设计
10kv工厂供电毕业设计
2017-07-14
第1章绪论
1、工厂供电的意义和要求
工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。
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。
第二节工厂供电设计的一般原则
按照国家标准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，进行工厂供电设计必须遵循以下原则：
（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。
（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。
工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。
工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。
作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。
第三节变电所的作用及原理
（一）变电所是电力系统重要组成部分。
它是变换和调整电压，变换和分配电能的场所，
往往担负向用电设备供电任务。
变电所一般由变电所、配电装置、控制与信号设备、继电保护装置和测量仪表、通讯和电源设备、导线及电缆等组成。
有些变电所还装调整电压和无功功率的电容器组、静止补偿装置或调相机。
上述设备中，除控制与信号部分，继电保护装置、测量仪表、控制电源及通讯设备等仪压电气设备外，其余部分称为一次设备，由一次设备组成的网络系统又称一次系统。
（二）变电所的分类：
按电压的升降分类，通常分为升压变电所和降压变电所两大类。
（1）升压变电所多与发电厂建在一起，所以又称为发电厂升压站，它把发电机电压升高用高压或超高压输电线路把电能送到远处负荷区，或与其它的高压变电所联结或统一的电力网络系统。
（2）降压变电所按性质和规模将划分为区域变电所、地方变电所、终端变电所。
区域变电所：
主要特点是电压等级高，进出回路多，变压器容量大，在系统中地位比较重要，其高压侧均在110千伏以上，低压侧电压在35千伏以上。
它由大电网供电，通过降压后主要向地方变电所供电。
地方变电所：
地方变电所多由区域变电所或发电厂供电，通过降压主要向终端变电所供电，它的高压侧一般为10－110千伏，低压侧多为6－10千伏。
终端变电所：
多说是工业企业变电所和农村的乡镇变电所，它的高压侧多为10－35千伏，低压侧为3－10千伏和0.4千伏，终端变电所主要由地方变电所或发电厂供电，降压后直接向各种用电设备供电。
第四节设计内容及步骤
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，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）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，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。
用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位明细表以及工程预算书表达设计成果。
（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。
如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。
（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）变电所防雷装置设计:
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。
第二章负荷计算与无功补偿
第一节工厂电力负荷的分级及其对供电的要求
（1）电力负荷的概念
电力负荷又称为电力负载。
它有两重含义：
一是指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷、不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。
另一是指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。
电力负荷的具体含义视具体情况而定。
（2）工厂电力负荷的分级
工厂的电力负荷，按GB50052―95规定，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级：
1）一级负荷
一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；或者中断供电将在政治、经济上造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。
2）二级负荷
二级负荷为中断供电将在政治、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。
3）三级负荷
三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述一、二级负荷者。
（3）各级电力负荷对供电电源的要求
1）一级负荷对供电电源的要求
由于一级负荷属重要负荷，如中断供电造成的后果十分严重，因此要求由两个电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。
一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。
为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其它负荷接入应急供电系统。
常用的应急电源可使用下列几种电源：
①独立于正常电源的发电机组。
②供电网络中独立于正常电源的专门馈电线路。
③蓄电池。
④干电池。
2）二级负荷对供电电源的要求
二级负荷，要求由两回路供电，供电变压器也应有两台（这两台变压器不一定在同一个变电所）。
在其中一回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷应不致中断供电，或中断后能迅速恢复供电。
只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回路6kV及以上的专用架空线路供电。
这是考虑架空线路发生故障时，较之电缆线路发生故障时易于发现且易于检查和修复。
当采用电缆线路时，必须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承担全部二级负荷。
3）三级负荷对供电电源的要求
由于三级负荷为不重要的一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求。
第二节工厂用电设备的工作制
工厂的用电设备，按其工作制分以下三类：
（1）连续工作制
这类工作制的设备在恒定负荷下运行，且运行时间长到足以使之达到热平衡状态，如通风机、水泵、空气压缩机、电机发电机组、电炉和照明灯等。
机床电动机的负荷，一般变动较大，但其主电动机一般也是连续运行的。
（2）短时工作制
这类工作制的设备在恒定负荷下运行的.时间短（短于达到热平衡所需的时间），而停歇时间长（长到足以使设备温度冷却到周围介质的温度），如机床上的某些辅助电动机（例如进给电动机）、控制闸门的电动机等。
（3）断续周期工作制
这类工作制的设备周期性地时而工作，时而停歇，如此反复运行，而工作周期一般不超过10min，无论工作或停歇，均不足以使设备达到热平衡，如电焊机和吊车电动机等。
第三节负荷名称与等级确定负荷资料
第四节与负荷计算有关的物理量
（1）年最大负荷和年最大负荷利用小时
1）年最大负荷
年最大负荷Pmax，就是全年中负荷最大的工作班内（这一工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是全年至少出现过2～3次）消耗电能最大的半小时的平均功率，因此年最大符合也称为半小时最大负荷P30。
2）年最大负荷利用小时
年最大负荷利用小时又称为年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax（或P30）持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。
年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，它与工厂的生产班制有明显的关系。
例如一班制工厂，Tmax≈1800～3000h；两班制工厂，Tmax≈3500～4800h；三班制工厂，Tmax≈5000～7000h。
（2）平均负荷和负荷系数
1）平均负荷
平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间t内消耗的电能Wt除以时间t的值。
2）负荷系数
负荷系数又称为负荷率，它是用电负荷的平均负荷Pav与其最大负荷Pmax的比值，即KL?
PavPmax对负荷曲线来说，负荷系数亦称负荷曲线填充系数，它表征负荷曲线不平坦的程度，即表征负荷起伏变动的程度。
从充分发挥供电设备的能力、提高供电效率来说，希望此系数越高越趋近于1越好。
从发挥整个电力系统的效能来说，应尽量使工厂的不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，提高负荷系数。
对用电设备来说，就是设备的输出功率P与设备额定容量PN的比值，即负荷系数。
第五节三相用电设备组计算负荷的确定
供电系统要能够在正常条件下可靠地运行，则其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了应满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。
因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。
通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷。
根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。
由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约为（3～4）τ，τ为发热时间常数。
截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min（即半小时）后可达到稳定温升值。
由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30（亦年最大负荷Pmax）是基本相当的。
所以计算负荷也可认为就是半小时最大负荷。
因此使用半小时最大负荷P30来表示其有功计算负荷，而无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流则分别表示为Q30、S30和I30。
计算负荷是供电设计计算的基本依据。
计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到
电器和导线电缆的选择是否经济合理。
如计算负荷确定过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和金钱的浪费。
如计算负荷确定过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，同样要造成损失。
由此可见，正确确定计算负荷意义重大。
但由于负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。
实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。
因此负荷计算只能力求接近实际。
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：
总容量：
Pe=ΣPN
有功计算负荷：
P30=Kd*Pe无功计算负荷：
Q30=P30*tanφ视在计算负荷：
S30=P30/cosφ计算电流：
I30=S30/√3Un
通过工厂供电有关书籍可以知道化纤厂的需要系数Kd=0.28，功率因数cosφ=0.6，tanφ=1.33.该工厂年最大负荷利用小时为5800小时。
由上述伏在资料可知该车间负载总容量为：
Pe=4540kw
有功计算负荷为：
P30=Kd*Pe=0.28*4540=1358kw无功计算负荷为：
Q30=P30*tanφ=1358*1.33=1806kvar视在计算负荷为：
S30=P30/cosφ=1358/0.6=2263var计算电流为：
I30=S30/√3Un=2263/√3*380=3.43
第三章无功补偿
第一节无功补偿的目的和方案
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应负荷，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，则需考虑人工补偿。
我国电力工业部于1996年制定的《供电营业规则》规定：
用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：
100kV・A及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上，其他电力用户和大、中型电力排灌站、泵购转售电企业，功率因数为0.85以上。
并规定，凡功率因数为达到上述规定的，应增添无功补偿装置。
这里所指的功率因数，即为最大负荷时的功率因数。
第二节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=QC?
QC=PC（tan?
-tan?
'）（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：
n?
QN.C
（2.8）qN.C
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。
PCQCSC取自低压母线侧的计算负荷，cos?
提高至0.92
cos?
=
Qnc=Pc（tan?
-tan?
'）
PC
=1358/2263=0.60SC
Qnc=1358*[tan（arccos0.60）-tan（arccos0.92）]=1358*（1.33-0.43）=1222kvar选择BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89μF，qN・C=100kvar
n?
QN.C
（2.9）此时取Qnc=1300qN.C
所以n=1300kvar/100kvar=13取13补偿后的视在计算负荷
22
SC=PC?
（QC?
QN・C）=√1358*1358+（1806-1222）*（1806-1222）=1478kV・A
cos?
=
PC
=1358/1478=0.919SC
变压器的功率损耗为：
△PT=0.01S30c=0.01*1478=14.78Kw△QT=0.05S30c=0.05*1478=57.95Kvar变电所高压侧计算负荷为：
P30′=1358+14.78=1372.78Kw
Q30′=（1806-1222）+57.95=641.95KvarS30′=（P302+Q302）1/2=1515.46KV.A无功率补偿后，工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=1372.78/1515.46=0.91则工厂的功率因数为：
cosφ′=P30′/S30′=0.91≥0.9因此，符合本设计的要求因为0.91≥0.90
第四章变压器类型、台数及容量选择
第一节变压器类型选择
电力变压器类型的选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组形式、绝缘及冷却方式、联结组别等。
，
变压器按相数分，有单相和三相两种。
工厂变电所一般采用三相变压器。
变压器按调压方式分为有无载调压和有载调压两种。
10kV配电变压器一般采用无载调压方式。
变压器按绕组形式分，有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器等。
用户供电
系统大多采用双绕组变压器。
变压器按绝缘及冷却方式分，有油浸式、干式和充气式（SF6）等。
10kV配电变压器有Yyn0和Dyn11两种常见联结组。
由于Dyn11联结组变压器具有低压侧单相接地短路电流大，具有利于故障切除、承受单相不平衡负荷的负载能力强和高压侧三角形接线有利于抑制零序谐波电流注入电网等优点，从而在TN及TT系统接地形式的低压电网中得到越来越广泛的应用。
第二节变压器台数选择
选择主变压器台数时应考虑下列原则：
（1）应满足用电负荷对供电可靠性的要求。
对供有大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。
对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只用一台变压器，但必须在低压侧敷设与其它变电所相联的联络线作为备用电源。
（2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜采用经济运行方式的变电所，也可考虑采用两台变压器。
（3）除上述情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。
但是负荷集中而容量相当大的变电所，随为三级负荷，也可以采用两台或以上变压器。
（4）在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。
根据上述原则及化纤厂的实际情况，该原液车间变电所主变压器的台数应选择为2台。
以便一台发生故障或检修时，另一台变压器能继续供电。
第三节变压器容量选择
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）=2263KV・A，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2选变压器。
3）ST≥（0.6-0.7）×2263=（1357.8～1584.1）KV・A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）。
因此选1600KV・A的变压器二台。
型号为S9-M-1600/10
表3.1主变压器的选择
第五章配变电所电气主接线设计
第一节概述
主接线又称一次接线或主电路。
电气主接线是由各种主要电气设备（如发电机、变压器、开关电气、互感器、电抗器及连接线路等设备），按一定顺序连接而成的一个接受和分配电能的总电路。
由于交流供电系统通常是三相对称的，故在主接线图中，一般用一根线来表示三相电路，仅在个别三相设备不对称或需进一步说明的地方，部分地用三条线表示，这样就将三相电路图绘成了单线图。
为使看图容易起见，图上只绘出系统的主要元件及相互间的连接。
电气主接线单线图应按行业标准规定的图形符号与文字符号绘制，通常还在图上标明主要电气设备的型号和技术参数，以方便阅读。
主接线代表了发电厂和变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。
第二节主结线的选择原则
（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
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