弯头推制机群集中供配电系统设计.docx
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弯头推制机群集中供配电系统设计
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弯头推制机群集中供配电系统设计
摘要
电力是现代社会最重要的能源，现代社会生产，人民生活生产都离不开电能。
其在工业生产中的重要意义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，有利于生产过程自动化，促进社会经济的增长。
本课题根据工厂供电系统对供电可靠性，经济性的要求，及钢铁厂的负荷性质，负荷大小和负荷分布情况对该工厂供电系统做了较详尽的分析，并对工厂总负荷的使用方式提供了理论依据。
本设计内容主要包括：
工厂的整体概述，弯头推制机，中频加热电源原理，工厂负荷计算，无功功率补偿，主接线母线设计，变压器的选择，线路敷设，短路电流的计算，以及谐波处理的问题，其主要目的就是使工厂建设运行达到合理用电，安全用电，节约用电，高质量用电的效果，拥有一个安全，可靠，经济，合理的供配电能和用电能的系统作为保障，进而实现企业利润的最大化。
关键词：
供电系统，负荷计算，功率补偿，变压器选择
Elbowpushingmachinesupplyanddistributionsystemdesign
ABSTRACT
Electricityisthemostimportantsourceofenergyinmodernsociety,modernsocialproduction,people'slivesareinseparablefromtheproductionofelectricity.Itssignificanceliesintheindustrialproductionofindustrialproductionafterelectrificationcangreatlyincreaseproduction,improveproductquality,improvelaborproductivity,reduceproductioncosts,reducelaborintensityandimproveworkingconditionsforworkers,isconducivetotheproductionoftheproductionprocessautomation,promotesocialandeconomicgrowth.Theissueofpowersupplysystemsbasedonplantreliability,economyrequirements,andthenatureofthesteelplant'sload,loadsizeandloaddistributionofthepowersupplysystemoftheplanttodoamoredetailedanalysis,thetotalloadandprovidefactoryuseatheoreticalbasis.Thedesignshouldinclude:
principlesofcomputingpowerfrequencyheating,factoryloadcalculation,reactivepowercompensation,themainbusterminaldesign,selectionofthetransformer,short-circuitcurrent,harmonicdealwiththeproblem,anditsmainpurposeistomakeareasonableuseofplantconstructionoperationelectricity,safeuseofelectricity,savingelectricity,high-qualityelectricityeffect,haveasafe,reliable,economicalandrationalenergyandelectricalenergysupplyanddistributionsystemsasasafeguard,soastorealizethemaximizationofcorporateprofits.
KEYWORDS:
:
computingpower，compensationsystem，loadpower，transformerchoice
目 录
前 言1
第1章概述2
1.1工厂供电的意义和要求2
1.2工艺流程简介2
1.3中频弯管机及中频加热电源简介3
1.3.1中频弯管机3
1.3.2中频加热电源3
1.4设计任务及内容6
第2章负荷计算及无功补偿8
2.1负荷介绍8
2.2负荷计算9
2.3无功补偿11
第3章变压器选择16
3.1主变压器数量和容量的选择16
3.1.1变压器台数的选择16
3.1.2主变压器容量的选择17
第4章设计的基础材料及方案论证19
4.1设计基础资料19
4.2供电方案论证19
第5章主接线方案的选择24
5.1电气主接线的概念24
5.2电气主接线设计原则24
5.2.1变电站主接线基本要求24
5.2.2变电站主接线基本原则25
5.3主接线方式25
5.3.1单母线接线25
5.3.2单母线分段接线26
5.3.3桥型接线27
5.3.4双母线接线27
5.3.5双母线分段接线28
5.4主接线方案选择28
第6章短路电流计算30
6.1短路电流的概述30
6.2短路计算的目的31
6.3短路计算31
第7章接线方式及出线敷设方式34
7.1电力线路的接线方式34
7.2线路敷设35
7.2.1封闭母线35
7.2.2电缆线路的敷设38
第8章谐波分析39
8.1谐波的相关概述39
8.2谐波的危害39
8.3谐波的检测40
8.4谐波的抑制41
结论44
谢辞45
参考文献46
附录47
厂区平面设计简易图47
外文资料翻译48
前 言
随着我国国民经济迅速发展和人民生活水平的日益提高，电力不仅在各类生产领域，而且在人民的日常生活中发挥着越来越大的作用。
电能因其具有生产效能高、传输损耗小、易于监控，高效、洁净等优点，在现代工业生产、人们日常生活及社会各个领域中获得了广泛应用，已成为最重要的能源之一。
供配电系统是电力系统的重要组成部分，供配电系统的任务是向用户和用电设备传输和分配电能，供配电系统的安全运行直接关系到企业的生产经营和安全生产。
随着全球经济一体化和产业分工的发展，现代工厂的组织形式、生产工艺等日新月异，产品品种和种类以及新型用电设备日渐增多，各种采用新工艺、新技术的电气设备在供配电系统中的应用也愈来愈广泛。
近年来，我国电网规模不断扩大，工业用电量迅速增长，对电能质量、供电可靠性等方面要求也日益提高，因此对供配电系统设计也提出了更高、更全面的要求，供电设计、供配电方案、主接线形式及运行方式等必须满足安全、可靠、经济、灵活的要求。
石化管道生产是非连续性生产作业，工艺流程简单，对供电可靠性要求不高，但对供电的安全性要求较高，大功率用电设备集中，电网波形畸变大，属高畸变、高能耗企业。
供电设计要为工艺服务，在供电设计中关键问题是搞清楚各类设备的用电特征以及对供配电系统的具体要求，以便在供配电系统方案选择、供配电设备选型、系统运行方式等方面设计中更合理、更经济，既保证系统的安全、可靠，又能兼顾到运行的经济、灵活。
本课题依照相关的设计标准和设计规范，遵循安全可靠、技术先进、经济合理的设计原则，根据用户的用电要求，对用户的用电负荷进行合理的评估和计算，设计内容包括：
，确定变电所位置和型式，主变台数、容量与类型，变电所主接线方案及高低压设备选择和校验，进、出线方案设计，无功补偿设计等。
第1章概述
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。
电能容易由其它形式的能量转换而来，而且方便转换为其它形式的能量以供人们使用。
除此之外，电能的输送分配方便、便宜，便于调节控制和测量，有利于在生产过程实现自动化过程。
因此，电能对现代工业生产及整个国民经济生活中都产生了影响的深远。
电能对于工业生产的重要性而言，并不仅仅体现于它在产品成本中以及其在投资总额中所占的比重的大小，而且体现于工业产品生产在实现电气化之后产量的变化，产品质量的改善，劳动生产率的增高，生产成本的降低，工人劳动强度的降低，有利于实现生产过程自动化。
因此，工厂供电工作对于工业的生产发展，工业现代化的实现，有着深远的意义。
鉴于节约能源成为了现代工厂供电工作的着手点，因而节约能源对于国家经济的建设的战略意义深远。
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，应正确地处理好局部和整体、眼前和未来的关系，既要照顾局部的眼前的利益，又要有大局眼光，能整体部署，适应工厂的发展。
1.2工艺流程简介
河南新开源石化管道有限公司，是国内一家专业生产高、中、低压钢制弯头、三通、异径管、封头、法兰、承插件等承压管道配件的企业。
产品广泛应用于石油、化工、天然气输送、电力、冶金、轻工、纺织、核电站、船舶及供热等行业的管道工程。
生产流程为：
利用中频电加热设备对钢管（包括低合金钢管、不锈钢管等）进行加热，中频弯管的过程是在钢管待弯部分套上感应圈，用机械转臂卡住管头，在感应圈中通入中频电流加热钢管，当钢管温度升高到塑性状态时，在钢管后端用机械推力推进，使加热部分的钢管沿预设的具有一定曲率半径和角度轨道行走进行弯制，弯制出的钢管部分迅速用冷却剂冷却,这样边加热、边推进、边弯制、边冷却，不断将弯管弯制出来。
冷却后再对产品进行抛光、研磨、修整。
主要生产设备有弯管推制机（弯管机）、液压机、电辅助加热炉、热处理炉、、焊接烘干设备以及坡口机、抛光机，各种加工车床、天车等。
车间生产流程简单，效率高，生产连续性不强。
中频加热弯管推制机是其主要的大功率用电设备，用电量大，对供电的稳定性要求比较高。
一般采用专用变压器供电。
1.3中频弯管机及中频加热电源简介
1.3.1中频弯管机
中频弯管机是采用中频电感应加热，将工件在局部加热的条件下进行弯曲。
与一般冷态弯管机相比，不仅不需要成套的专用模具，而且机床体积也只占同样规格的冷态弯管机的1/3～1/2。
中频热弯管工艺是现有各种弯管工艺中最为经济有效的一种。
1.3.2中频加热电源
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。
如图1.1：
图1-1感应电流图示
当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势。
设工件的等效匝数为。
则感应电势：
（1-1）
当磁通是交变得时，设，则
有效值为：
（1-3）
感应电势E在工件里产生的感应电流会使工件内部开始加热，它的焦耳热为：
（1-4）
式中：
——感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）。
以上就为中频感应加热的原理。
其与别的加热方式，像电阻炉加热，燃气加热等不同，它是直接把电能输送至工件内部变成热能，使工件受热。
但是，其他的加热方式则是先对工件表面加热，然后才把热传导至加热内部。
金属中产生的功率为：
（1-5）
感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。
在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。
集肤效应：
当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，在导体的表面层出现最大电流密度，这种电流集聚的现象称为集肤效应。
近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。
当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。
圆环效应：
若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。
感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。
在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流，在工件中产生感应电流。
此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。
当电流和感应电流相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流集聚在线圈的内侧表面，电流聚集在工件的外表面。
这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。
交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。
工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e（即36.8%），该处到表面的距离△称为电流透入深度。
由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量（85～90%）集中在厚度为△的薄层中。
透入深度△由下式确定：
（1-6）
式中:
ρ——工件电阻率（Ω•m）,μ。
——真空磁导率4π×10（H/m）.μ——工件磁导率（H/m）,μ——工件相对磁导率，ω——角频率（rad/s），f——频率（HZ）。
将μ。
和π的数值代入，即可得公式:
（1-7）
从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度△仅与频率f平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。
频率越高，工件的加热厚度就越薄。
这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用。
1.4设计任务及内容
一般工厂供电系统是由工厂总降压变电所（高压变电所），高压配电线路，车间变电所，低压配电线路及用电设备组成。
电源是6～10kV。
电能先经高压配电所，有高压配电线路将电能分送至各个车间变电所。
车间变电所内装设有电力变压器，将6～10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压，通常降为220/380V（220V为三相电路相电压，380V为其线电压）。
如果工厂有6～10kV的高压用电设备，则由高压配电所直接对其配电。
2#车间是新开源公司主要生产车间，弯管加工是生产的龙头，中频弯管机是其最主要的生产设备，中频加热用电量大，波形畸变大，一般采用专用变压器供电。
车间共有中频弯管机七台，五台集中布局，根据用户要求，设立专用变电所对布局集中的五台中频弯管机通过专用变压器集中供电。
设计任务：
专用变电所电气一次设计，内容包括：
1．负荷计算
2．确定变压器的台数和容量
3．低压出线方案及出线型式，出线回路及敷设方式设计
4．无功补偿设计等
5．经济方案比较
第2章负荷计算及无功补偿
2.1负荷介绍
河南开源石化管道有限公司其厂房是四化钢结构，长150m，宽34m。
厂区配置7台推制机，其5台位于车间。
根据推制机车间生产流程简单，效率高，生产连续性不强的特点。
以及中频加热弯管推制机是其主要的大功率用电设备，用电量大，所需线路较短，对供电的稳定性要求比较高的生产特点，要求我们对此5台集中供电，设立专用变压器。
具体负荷如下表：
河南开源石化新建厂区用电设备清单
表2-1厂房东区4个400KVA变压器供电5台推制机
序号
名称
规格型号
生产
厂家
数量
功率/启动功率
电压
工作电流
启动电流
电流
总和
1
弯管
机
1220
河北
盐山
1
837
380
900
1000
1000
2
弯管
机
920
河北
盐
1
837
380
900
1000
1000
3
弯管
机
457
河北
盐山
1
437
380
650
800
800
4
弯管
机
920
河北
盐山
1
837
380
900
1000
1000
5
弯管机
377
河北
盐山
1
437
380
650
800
800
4600
2.2负荷计算
根据工艺和建筑设计等部门提供的用电设备及其安装容量确定计算负荷的工作称为负荷计算。
负荷计算的理论依据是相似性原理，即性质相同、功能相近的用电设备组、生产车间或电力用户，其负荷曲线应相似，其负荷曲线的特征参数值（负荷系数、利用系数、需要系数、最大有功负荷利用时数等）应相近。
根据负荷曲线的不同的特征参数，人们总结提炼出了多种负荷计算方法，譬如需要系数法、附加系数法、二项式法等。
其中，需要系数法以其计算简单、适用面广、需要系数数据齐全等特点，在用户供电系统设计中应用广泛，尤其适用于变（配）电所的负荷计算。
本设计由于设备台数不多，而单台设备容量相差不大所以采用需要系数法确定。
以工业企业用户为例来说明需要系数法在负荷计算中的应用。
1）单台用电设备的计算负荷
考虑到设备可能在额定工况下运行，单台用电设备的计算负荷就取设备的安装容量。
（2-1）
PN——用电设备的安装容量（kW）；
tan——用电设备铭牌给出的功率因数角的正切值；
UN——设备的额定电压（kV）；
Pc——有功计算负荷（kW）；
Qc——无功计算负荷（kvar）；
Sc——视在计算负荷（kVA）；
Ic——计算电流（A）。
对于某些设备，考虑到设备的运行效率或辅助设备的功率，设备铭牌功率并不一定是设备的额定电功率。
譬如，考虑到荧光灯镇流器的功耗，荧光灯的电功率是灯管额定功率的1.2倍；考虑到电动机的运行效率，单台电动机的计算负荷Pc.M应按下式计算：
（2-2）
式中——电动机在额定功率下的效率。
2）用电设备组的计算负荷
当计算配电干线（譬如，第j条）上的计算负荷时，首先将用电设备分组，求出各组用电设备的总安装容量PN.i，然后查表得到各组用电设备的需要系数kd.i及对应的功率因数cosi和功率因数正切值tani，则
（2-3）
需要系数与用电设备组中设备的负荷率、设备的平均效率、设备的同时利用系数以及供电线路的效率等因素有关。
此外，操作工人的熟练程度、材料的供应、工具的质量等随机因素也对Kd有影响。
设计时，设计人员应综合考虑上述各种因素，在给出的需要系数的变化范围内适当选择。
需要系数法适用于用电设备台数较多、设备容量差别不大的场合，当用电设备组的设备台数较少时，需要系数法的计算结果往往偏小。
对于设备台数为3台及以下的用电设备组，其计算负荷应取各设备功率之和；4台用电设备的计算负荷宜取设备功率之和乘以0.9的系数。
3）车间或全厂的计算负荷
车间或全厂的负荷计算以车间内用电设备组或配电干线的计算负荷为基础，从负荷端逐级向电源端计算，而且需要在各级配电点乘以同期系数K，即
（2-4）
求出变压器低压侧总计算负荷后，变压器高压侧的计算负荷等于低压侧计算负荷与变压器功率损耗之和。
在初步设计时，变压器的功率损耗可按下式近似估算:
（2-5）
2.3无功补偿
在工厂供电系统中，大量使用着感性设备,如交流电动机、电力变压器及交流电抗器等，他们从吸收电网中大量很大一部分无功功率，不仅在输电线路和配电变压器中引起额外的附加电能损耗，而且无功功率也是影响电压质量的一个很主要因素。
无功补偿是降低电网电能损耗的有效措施和同时对于改善电压质量起着积极作用。
无功功率是电气设备或系统正常工作的需要，它本身并不产生能耗，但当它在电网中传输时，会产生各种不良影响：
1）无功功率增大了输电线路中的电流，在线路电阻上产生额外的电能损耗。
因此，无功补偿可以达到节能降耗的目的。
2）无功功率增大了系统供电容量，因而增大了线路和开关设备的规格以及变压器的容量需求。
换句话说，在现有的电网中，无功功率降低了线路和变压器的利用率。
因此，无功补偿有助于降低供电系统的投资费用。
无功功率增大了线路电压降，降低了电网的电压质量。
因此，无功补偿具有调节和稳定电压的作用，是改善电压质量的有效手段。
根据工艺要求，推制机群采用2台变压器通过封闭母线集中配电如下图:
图2-1
1.用电设备组的负荷计算
弯管机1220;=837KW,查表得=0.7和=0.75
837=586kw
弯管机920:
结果同上。
弯管机457:
=0.7和=0.75
弯管机920:
弯管机337:
结果同弯管机457
2.1#变电柜低压侧计算负荷
取1#变电柜各组负荷的同期系数为：
=0.9，于是
取2#变电柜各组负荷的同期系数为：
=0.9，于是
由于弯头推制机群属于大功率集中用电设备，电网波形畸变大，属高畸变,需要供电设计进行无功补偿。
3.低压集中补偿容量的计算
1#采用电容器分组自动投切的低压机中补偿方式，设补偿后功率因数为，则
补偿后变压器低压侧计算负荷为996kw+312kvar,=1089kVA
2#采用电容器分组自动投切的低压机中补偿方式，设补偿后功率因数为，则
补偿后变压器低压侧计算负荷为1078kw+335kvar,=1128kVA
图2-2
4.变电所高压侧计算负荷
1#变电所变压器损耗按下式估算：
1#变电所高压侧计算负荷为
2#变电所变压器损耗按下式估算：
2#变电所高压侧计算负荷为
5.总的负荷计算
取5台弯头机的同期系数为=0.85，于是
负荷计算结果列表如下：
表2-2用电设备组的负荷计算
用电设备分组
1#变电柜
2#变电柜
设备型号
弯管机1220和920
0.70
0.70
cos（补偿前）
0.80
0.80
tan
0.75
0.75
同期系数
=0.90，=0.95
=0.90，=0.95
有功功率（kw）
996
1078
无功功率（kvar）
790
852
视在功率（kva）
1089
1374
补偿容量（kvar）
478
517
变压器损耗
P=13kw，Q=65kvar
P=11kw，Q=55kvar
cos（补偿后）
0.93
0.93
无功功率（kvar）
312
335
视在功率（kva）
1089
1128
总负荷计算（kw）
=0.85，=0.90
1912
第3章变压器选择
.
变压器是变电所中的主要电器设备之一，它的主要作用是变换电压以利于功率的传输，电压经升压变压器升压后，可以减少线路损耗，提高了经济效益，达到远距离送电的目的。
而降压变压
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