工厂电气的设计.docx

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工厂电气的设计

工厂电气的设计

杨振国

第一章工厂电气设计总则

一、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。

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。

二、工厂供电设计的一般原则

按照国家标准GB50052-2009《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，合理确定设计方案。

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。

三、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、负荷等级确定

根据全场用电负荷性质，确定全厂用电负荷等级。

2、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。

3、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，防火距离要求，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。

4、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。

5、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方案，计算出导线截面及电压损失，由不同方案的可靠性，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。

6、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。

7、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。

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。

有谐波影响，还要考虑串联调谐电抗器。

采用过零可控硅切换装置。

8、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。

9、继电保护及二次结线设计

为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。

并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。

设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。

35kv及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。

10、变电所防雷装置设计

参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。

11、总降压变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。

第二章负荷计算及功率补偿

一、负荷计算的内容和目的

（1）计算负荷又称需要负荷或最大负荷。

计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。

在配电设计中，

通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。

（2）尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。

一般取启动电流上的周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。

在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。

（3）平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。

常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。

平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

二、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、换算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：

有功功率：

P30=Pe·Kd

无功功率:

Q30=P30·tgφ

视在功率:

S3O=P30/Cosφ

计算电流:

I30=S30/√3UN

四、全厂负荷计算

取K∑p=0.92;K∑q=0.95

根据设备表可算出：

∑P30i=6520kW;∑Q30i=5463kvar

则P30=K∑P∑P30i=0.9×6520kW=5999kW

Q30=K∑q∑Q30i=0.95×5463kvar=5190kvar

S30=（P302+Q302）1/2≈7932KV·A

I30=S30/√3UN≈458A

COSф=P30/S30=5999/7932≈0.75

五、功率补偿

由于本设计中上级要求COSφ≥0.9,而由上面计算可知COSф=0.75<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。

可选用BWF6.3-100-1W型的电容器，其额定电容为2.89µF

Qc=5999×（tanarccos0.75－tanarccos0.92）Kvar

=2724Kvar取Qc=2800Kvar

因此，其电容器的个数为：

n=Qc/qC=2800/100=28

而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个正好

无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

S30′

（2）=[59992+（5463-2800）2]1/2=6564KV·A

变压器的功率损耗为：

△QT=0.06S30′=0.06*6564=393.8Kvar

△PT=0.015S30′=0.015*6564=98.5Kw

变电所高压侧计算负荷为：

P30′=5999+98.5=6098Kw

Q30′=（5463-2800）+393.8=3057Kvar

S30′=（P302+Q302）1/2

=6821KV.A

无功率补偿后，工厂的功率因数为：

cosφ′=P30′/S30′=6098/6821=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

第三章变压器的选择

（1）主变压器台数的选择

由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

（2）变电所主变压器容量的选择

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）=7932KV·A，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2选变压器。

③ST≥（0.6-0.7）×7932=（4759.2～5552.4）KV·A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

因此选5700KV·A的变压器二台

第四章主结线方案的选择

一、变配电所主结线的选择原则

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电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。

9.变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。

当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。

10.当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。

二、主结线方案选择

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。

总降压变电所主结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、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。

主结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、一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的主结线，其一次侧的QF10跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。

这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。

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QS先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电，这种内桥式结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、一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的主结线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。

这种主结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。

但与内桥式结线适用的场合有所不同。

如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使两路电源进线又恢复并列运行。

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结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器QF11、QF12，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。

3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所全桥式结线

这种主结线图兼有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所

4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。

本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较

小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。

采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结线（即全桥式结线）。

第五章开关柜的选择

一、高压设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。

高压刀开关柜的选择应满足变电所一次电路图的要求，并各方案经济比较优选出开关柜型号及一次结线方案编号，同时确定其中所有一次设备的型号规格。

工厂变电所高压开关柜母线宜采用TMY型硬母线

二、配电所高压开关柜的选择

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（移可式）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GG1A-10Q（F）型。

第六章二次回路操作电源和中央信号装置

二次回路的操作电源

二次回路操作电源是供高压断路器跳、合闸回路和继电保护装置、信号回路、监测系统及其它二次回路所需的电源。

因此对操作电源的可靠性要求很高，容量要求足够大，尽可能不受供电系统运行的影响。

二次回路操作电源，分直流和交流两大类。

直流操作电源又有由蓄电池组供电的电源和由整流装置供电的两种。

交流操作电源又由所用（站用）变压器供电的由仪用互感器供电的两种。

其中，蓄电池主要有铅酸蓄电池和镉镍蓄电池两种；整流电源主要有硅整流电容储能式和复式整流两种。

而交流操作电源可分为电流源和电压源两种。

采用镉镍蓄电池组作操作电源，除不受供电系统运行情况的影响、工作可靠外，还有大电流放电性能好，比功率大，机械强度高，使用寿命长，腐蚀性小，无需专用房间等优点，从而大大降低了投资等优点，因此在工厂供电系统这应用比较普遍。

采用交流操作电源，可使二次回路大大简化，投资大大减少，工作可靠，维护方便，但是它不适于比较复杂的电路。

中央信号装置

中央信号装置是指装设在变配电所值班室或控制室的信号装置。

中央信号装置包括事故信号和预告信号两种。

中央信号装置的要求是：

在任一断路器事故跳闸时，能瞬时发出音响信号，并在控制屏上或配电装置有表示事故跳闸的具体断路器位置的灯光指示信号。

事故音响信号通常采用电笛（蜂鸣器），应能手动或自动复归。

中央事故信号装置按操作电源分，有直流操作的交流操作的两类。

按事故音响信号的动作特性分，有不能重复动作的和能重复动作的两种。

中央预告信号装置的要求是：

当供电系统中发生故障和不正常工作状态但不需立即跳闸的情况时，应及时发出音响信号，并有显示故障性质和地点的指示信号（灯光或光字牌指示）。

预告音响信号通常采用电铃，应能手动或自动复归。

中央预告信号装置亦有直流操作的和交流操作的两种，同样有不能重复动作的和能重复动作的两种。

利用ZC-23型冲击继电器的中央复归重复动作的事故音响信号装置结线图

第七章电测量仪表与绝缘监视装置

电测量仪表

这里的“电测量仪表”按GBJ63—90《电力装置的电测量仪表装置设计规范》的定义，“是对电力装置回路的电力运行参数所经常测量、选择测量、记录用的仪表和作计费、技术经济分析考核管理用的计量仪表的总称。

”为了监视供电系统一次设备（电力装置）的运行状态和计量一次系统消耗的电能，保证供电系统安全、可靠、优质和经济合理地运行，工厂供电系统的电力装置中必须装设一定数量的

电测量仪表。

电测量仪表按其用途分为常用测量仪表和电能计量仪表两类，前者是对一次电路的电力运行参数作经常测量、选择测量和记录用的仪表，后者是对一次电路进行供用电的技术经济考核分析和对电力用户用电量进行测量、计量的仪表，即各种电度表。

变配电装置中各部分仪表的配置

供电系统变配电装置中各部分仪表的配置要求如下：

1.在工厂的电源进线上，或经供电部门同意的电能计量点，必须装设计费的有

供电度表和无功电度表，而且宜采用全国统一标准的电能计量柜。

为了解负荷电流，进线上还应装设一只电流表。

2.变配电所的每段母线上，必须装设电压表测量电压。

在中性点非有效接地的（即小接地电流的）系统中，各段母线上还应装设绝缘监视装置。

如出线很少时，绝缘监视电压表可不装设。

3.35～110/6～10KV的电力变压器，应装设电流表、有功功率表、无功功率表、有功电能表和无功电能表各一只，装在哪一侧视具体情况而定。

6～10/3～6KV

的电力变压器，在其一侧装设电流表、有功和无功电度表各一只。

6～10/0.4KV的电力变压器，在高压侧装设电流表和有功电度表各一只，如为单独经济核算单位的变压器，还应装设一只无功电度表。

4.3～10KV的配电线路，应装设电流表、有功和无功电度表各一只。

如不是送往单独经济核算单位时，可不装无功电度表。

当线路负荷在5000KV·A及以上时，可再装设一只有功功率表。

5.380V的电源进线或变压器低压侧，各相应装一只电流表。

如果变压器高压侧未安装设有功电度表一只。

6.低压动力线路上，应安装一只电流表。

低压照明线路及三相负荷不平衡率大于15%的线路上，应装设三只电流表分别测量三相电流。

如需计量电能，一般应装设一只三相四线有功电度表。

对负荷平衡的动力线路，可只装设一只单相有功电度表，实际电能按其计度的3倍计。

7.并联电力电容器组的回路上，应装设三只电流表，分别测量三相电流，并应装设一只无功电度表。

第八章防雷与接地

防雷

1.防雷设备防雷的设备主要有接闪器和避雷器。

其中，接闪器就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。

接闪的金属称为避雷针。

接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。

接闪的金属带称为避雷带。

接闪的金属网称为避雷网。

避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。

避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。

当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。

避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。

2.防雷措施

1.架空线路的防雷措施

（1）架设避雷线这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV及以上的架空线路上才沿全线装设。

35KV的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。

而10KV及以下的线路上一般不装设避雷线。

（2）提高线路本身的绝缘水平在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10KV及以下架空线路防雷的基本措施。

（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线由于3～10KV的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。

在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。

（4）装设自动重合闸装置线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。

在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。

如果采用一次ARD，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。

（5）个别绝缘薄弱地点加装避雷器对架空线路上个别绝缘薄弱地点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。

2.变配电所的防雷措施

（1）装设避雷针室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。

如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。

（2）高压侧装设避雷器这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。

为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。

在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。

如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。

（3）低压侧装设避雷器这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。

当变压器低压侧中性点不接地时（如IT系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。

在本设计中，配电所屋顶及边缘敷设避雷带，其直径为8mm的镀锌圆钢，主筋直径应大于或等于10mm的镀锌圆钢。

二、接地

1.接地与接地装置

电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。

埋入地中并直接与

大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。

专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。

兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。

连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。

接地线在设备、装置正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。

接地线与接地体合称为接地装置。

由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。

其中接地线又分为接地干线和接地支线。

接地干线一般应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。