工厂供配电系统毕业设计.docx
《工厂供配电系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工厂供配电系统毕业设计.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
工厂供配电系统毕业设计
ThedocumentwaspreparedonJanuary2,2021
工厂供配电系统毕业设计
摘要
本论文主要是对小型工厂供配电系统的电气部分进行设计。
工厂由户外引入10kV的高压电源，经过工厂变电所降为220/380V的低压电，直接供给工厂车间的动力系统和照明系统。
在选择电气设备之前，先对工厂负荷进行计算，确定工厂总的负荷容量，同时在低压母线侧进行无功功率的补偿，以提高功率因数。
根据补偿后的负荷容量，选择工厂变电所变压器的容量和台数，然后确定工厂采用的供电系统，选择合适的车间配电方案，画出供配电系统主接线图。
高压一次设备、低压一次设备和导线截面积选择时，都必须满足电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求。
电气设备不仅要满足在短路故障条件下的工作要求，还必须按最大可能的短路故障时的动稳态度和热稳态度进行校验，以判断设备是否满足工作要求。
电路发生三相短路时的短路电流电流最大，计算三相短路电流，以进行设备的校验。
最后，进行继电保护和防雷接地，来提高系统的安全性和可靠性。
关键词：
负荷计算，三相短路，主接线，继电保护，设备选择
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
2电力负荷及其计算2
负荷分级及供电电源措施2
工厂电力负荷的分级2
各级负荷的供电措施2
工厂计算负荷的确定3
负荷计算的目的和意义3
负荷计算的方法3
需要系数法确定计算负荷4
二项式法确定计算负荷6
工厂负荷的计算6
无功功率补偿9
功率因数9
无功补偿的选择10
无功补偿的计算11
3变压器的选择及其电气主接线13
变压器的选择13
电力变压器及其分类13
电力变压器的连接组别13
变压器台数和容量的选择14
电力变压器的校验15
工厂变配电所的主接线图15
电气主接线的概况15
车间和小型工厂变电所的主接线图16
本工厂变电所主接线的确定21
4短路电流的计算22
短路的原因、后果及其形式22
短路的原因22
短路的后果22
短路的形式23
无限大容量电力系统的三相短路计算23
无限大容量电力系统23
短路电流的计算方法23
工厂三相短路电流的计算25
第5章金工车间的配电28
低压配电线路接线方式28
低压配电系统的接地型式29
第6章设备选择与校验33
导线的选择与校验33
车间导线截面及配电箱的选择33
车间导线的校验38
高压一次设备的选择与校验40
一次设备及其分类40
一次设备的选择41
一次设备的校验43
低压补偿柜选择45
第7章继电保护与防雷接地46
工厂的继电保护46
继电保护的选择46
继电保护的整定及计算46
工厂的防雷与接地47
总结49
参考文献50
致谢51
附录A
1绪论
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，又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。
一般中小型工厂的电压进线电压为6-10kV。
电能先经高压配电所集中，在由高压配电线路将电能分送到各车间变电所，或者高压配电线路供给给高压用电设备。
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（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。
对于大型工厂及其某些电源进线电压为35kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压，也就是电源进厂后，先经总降压变电所，有大容量的电力变压器将35kV及以上的电源电压降为6-10kV的配电电压，再通过高压配电线路或高压配电所将电能送到各个车间变电所，最后经变压器降为一般低压用电设备所需的电压。
有的35kV进线的工厂，只经一次降压，及35kV线路直接引入靠近负荷中心的车间变电所，经车间变电所的配电变压器直接降为低压用电设备所需电压。
这种配电方式称为高压深入负荷中心的直配方式。
这样可以省去一级中间变压，从而简化了供电系统，节约有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量。
然而这要根据厂区环境条件是否满足35kV架空线路深入负荷中心的“安全走廊”要求而定，否则不宜采用，以确保供电安全。
对于总供电容量不超过1000kV的小型工厂，通常只设一个降压变电所，将6-10kV电压降为低压用电设备所需的电压（220/380V）。
如果工厂所需容量不大于160kVA时，一般采用低压电源进线，工厂只需设一个低压配电间。
本厂属于中小型工厂，采用10kV供电电源，在金工车间东侧1020m处有一座10kV配电室，先用1km的架空线路，后改为电缆线路至本厂变电所，将6-10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。
2电力负荷及其计算
负荷分级及供电电源措施
工厂电力负荷的分级
工厂的电力负荷，按GB50052----1995《供配电系统设计规范》规定，根据对供电可靠性及中断供电在政治、经济上造成的损失或影响的程度进行分级，负荷可以分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。
①一级负荷符合下列条件之一的，为一级负荷
1）中断供电，将造成人身伤亡的负荷；
2）中断供电，将在政治、经济上造成重大损失的负荷；
3）中断供电，将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作的负荷。
在一级负荷中，当中断将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断的负荷，应视为特别重要的负荷。
②二级负荷符合下列条件之一的，为二级负荷
1）中断供电，将在政治上、经济上造成较大损失的负荷；
2）中断供电，将影响重要用电单位的正常工作的负荷。
③三级负荷不属于一、二级负荷者为三级负荷。
各级负荷的供电措施
①一级负荷的供电措施一级负荷应有两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不至于同时受到损坏，以维持供电；而且当一个电源中断供电时，另一个电源应能承担本用户的全部一级负荷设备的供电。
一级负荷用户的变配电室内的高低压配电系统，应采用单母线分段的主结线形式，分列运行并互为备用。
一级负荷设备应采用双电源供电，并在最末一级配电盘（箱）处设置自动切换装置。
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。
②二级负荷的供电措施二级负荷应有两个电源供电，即应有两回路供电。
当发生电力变压器故障或线路常见故障时不至于中断供电（或中断后能立即回复）。
③三级负荷的供电措施三级负荷对供电无特殊要求，可采用单回路市电供电。
但应使配电系统简洁可靠，尽量减少配电级数，低压配电级数一般不超过四级，并且应在技术经济合理的情况下，尽量减少电压偏差和电压波动。
工厂计算负荷的确定
计算负荷是一个假想的持续负荷，其热效应与同时间内实际变动负荷所产生的热效应相等。
在供配电系统中，以30min的最大计算负荷作为选择电气设备的依据，并认为只要电气设备能承受该负荷的长期作用，即可在正常情况下长期运行。
一般将这个最大计算负荷简称计算负荷Pc。
负荷计算的目的是：
①计算变配电所内变压器的负荷电流及视在功率，作为选择变压器容量的依据。
②计算流过各主要电气设备（断路器、隔离开关、母线、熔断器等）的负荷电流，作为选择这些设备的依据。
③计算流过各条线路（电源进线、高低压配电线路等）的负荷电流，作为选择这些线路电缆或导线截面的依据。
④计算尖峰负荷，用于保护电器的整定计算和校验电动机的启动条件。
⑤为电气设计提供技术依据。
计算负荷是工程设计中按照发热条件选择导线和电气设备的依据。
计算负荷是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要依据。
计算负荷确定的是否正确，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。
正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费，而变压器负荷率较低运行时，也将造成长期低效率运行。
如果计算负荷确定的过小，又将使电器和导线处于过负荷运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至产生火灾，造成更大的经济损失。
因此，正确确定计算负荷具有很大的意义。
在已知用电设备的情况下，负荷计算有需要系数法、二项式法和利用系数法；在未知用电设备的情况下，负荷计算有负荷密度法、单位指标法和住宅用电量指标法。
①需要系数法
用设备功率乘以需要系数，直接求出计算负荷。
这种方法比较简便，应用广泛，尤其适用于配变电所的负荷计算。
②利用系数法
采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台属和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数的计算负荷。
这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际，但因利用系数的实测与统计较困难，在电气设计中一般不用。
③二项式法
在设备组容量之和的基础上，考虑若干容量最大设备的影响，采用经验系数进行加权求和法计算负荷。
④负荷密度法
当已知某建筑面积负荷密度ρ时，某建筑的平均负荷可按下式计算
Pav=ρ·A（kW）
式中:
ρ——负荷密度（kW/m2）
A——某建筑面积（m2）
在建筑方案设计阶段，可采用建筑面积负荷密度法进行负荷估算。
在建筑施工阶段设计时，可采用需要系数法进行复核。
①基本公式
需要系数法确定用电设备组的有功计算负荷的基本公式为：
式（）
无功计算负荷为：
式（）
视在计算负荷为：
式（）
计算电流为：
式（）
–----------需要系数
-------有功计算负荷，单位为kW
-----无功计算负荷，单位为kvar
------视在计算负荷，单位为kVA
---用电设备组的平均功率因数
---用电设备组平均功率因数的正切值
②多组用电设备计算负荷的确定
在确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。
因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其用功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数
和
。
对车间干线，取
对低压母线，分两种情况：
1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取
2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取
总的有功计算负荷为：
式（）
总的无功计算负荷为：
式（）
以上两式中的
和
分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。
总的视在计算负荷为：
式（）
总的计算电流为：
式（）
由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算。
二项式法的基本公式是
式（）
式中，
表示用电设备组的平均功率，其中
是用电设备组的总容量，其计算方法如前需要系数法所述；
表示用电设备组中x台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中
是x台最大容量的设备总容量，为二项式系数。
由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均负荷，而且考虑了少数容量最大设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适合确定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的计算负荷。
基础资料：
①工厂各车间负荷情况，如表所示
表各车间负荷表
车间
/kW
/kvar
最大电动机/kW
冷作
100
110
30
装配
80
90
22
仓库
20
20
户外照明
20
15
金工车间设备负荷如表所示
表金工车间负荷表
序号
设备名称
设备容量/kW
台数/台
1~313~1623~25
3632~34
车床
7+
14
4
铣床
10+
1
52135
摇臂钻
+++
3
674142
铣床
7+
4
89
铣床
7+
2
10
砂轮机
1
1112
砂轮机
1
2
1718
磨床
7++
2
19
磨床
10++
1
2038
磨床
10++
2
2237
车床
10+
2
2627
磨床
14+1++
2
2829
立床
55+7+1
1
37+
1
30
车床
20+0..15
1
31
摇臂钻
10+
1
3940
龙门刨
75++++1+1+
2
434445
铣床
7+
3
46
镗床
+
1
47
铣床
7+
1
48
桥式起重机（
=25%）
11+5+5+
1
4950
桥式起重机（
=25%）
16+5+5+
2
全厂照明密度为：
12W/
②根据基础资料提供的各厂房电力负荷清单，全厂都是三级负荷。
按需要系数法分别计算出各个厂房及全厂的计算负荷。
1）金工车间负荷计算
a.金属切削机床设备容量：
对于大批生产的金属冷加工机床电动机，其需要系数：
，
，
有功计算负荷：
无功计算负荷：
b.桥式起重机容量；
对于锅炉房和机加、机修、装配等类车间的吊车，其需要系数:
，
有功计算负荷：
无功计算负荷：
C金工车间照明：
车间面积：
设备容量：
对于生产厂房及办公室、阅览室、实验室照明，其需要系数：
，
，
有功计算负荷：
无功计算负荷：
2）全厂总负荷
取有功同时系数
，无功同时系数
有功计算负荷：
无功计算负荷：
视在计算负荷：
功率因数：
③按逐级法计算法确定工厂的计算负荷
工厂的计算负荷，应该是高压母线上所以高压配电线路计算负荷之和，在乘以一个同事系数。
高压配电线路的计算负荷，应该是该线路所供车间变电所低压侧的计算负荷加上变压器的功率损耗和高压配电线路的功率损耗，如此逐级计算即可求得供电系统所有元件的计算负荷。
但对一般工厂供电系统来说，由于高低压配电线路一般不长，其损耗较小，因此在确定计算负荷时往往不记线路损耗。
在符合计算中，新型低损耗电力变压器的功率损耗可按下列简化公式计算：
有功损耗：
无功损耗：
——
为变压器二次侧的视在计算负荷
机器厂变压器高压侧的有功计算负荷：
机器厂变压器高压侧的无功计算负荷：
机器厂变压器高压侧的视在计算负荷：
功率因数：
无功功率补偿
工业与民用用电设备中，有大量设备的工作需要通过向系统吸收感性的无功功率来建立交变的磁场，这使系统输送的电能容量中无功功率的成分增加，在系统变配电设备及输送线路规格一定的情况下，直接影响到有功功率的输送。
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。
在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。
①功率因数低对供配电系统的影响
功率因数低是无功功率大的表现，无功功率大会对系统造成如下影响：
1）使配电设备的容量增加：
在三相交流系统中，电流和有功功率的关系式是：
式（）
其中有功功率
是系统向用电设备提供的，要转化为其他形式能量的功率，这部分功率是不能减少的。
因此在电压一定时，功率因数越小，即无功分量越大，则电流越大。
若要承受较大的电流，系统电气设备的容量必然要加大，这就会增加系统成本，使电气设备利用率降低。
2）使供电系统的损耗增加：
从供配电系统功率损耗计算式中不难看出，通过系统的电流增加，系统上的功率损耗也会增加。
3）使电压损失增加：
线路电流越大，电压损失也就越大。
4）使发电机效率降低：
系统中负荷对无功功率需求量增大时，发电机必须增发相应的无功功率去平衡，这样就降低了效率。
②提高功率因数的意义
在用电设备中绝大部分为感性负荷，使用电单位功率因数小于1。
为了保证供电质量和节能，充分利用电力系统中发配电设备的容量，减小供电线路的截面，减小电网的功率损耗、电能损耗，减小线路的电压损失，必须提高用电单位的功率因数。
对用户的补偿容量在《全国供电规则》中已有规定：
“无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率应属的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入和切除，防止无功电力倒送，用户在当地供电局规定的电网高峰时的功率因数，应达到下列规定：
高压供电的用户和高压供电装有负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为以上；其他100kVA（kW）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为以上。
因此，在供配电系统中，必须改变无功功率大小，即提高功率因数，以便提高系统中设备的有效利用率。
要使供配电系统的功率因数提高，一般可从两个方面采取措施。
一是提高用电设备的自然功率因数，自然功率因数是指不用任何补偿装置时的功率因数；一是采取人工补偿的方法使使总功率因数得以提高，总功率因数是指采用了补偿装置后得到的功率因数。
①提高自然功率因数的方法：
电动机类电气设备的额定功率因数是较高的，一般都在以上，可是当它们在非额定状态下（如轻载）工作时，功率因数和效率都将大幅度降低，对此，主要采用如下措施改善自然功率因数：
1）合理选择电动机的型号和规格。
2）合理选择变压器的型号和规格，避免因长期轻载运行而造成的功率因数降低。
②采用人工补偿提高功率因数的方法：
人工补偿方法有发电机补偿、电容器补偿、调相机补偿和静止补偿器补偿，主要有两种，一是采用同步电动机补偿，一是采用并联电容器补偿。
1）在供配电系统中一般只有在能使负荷使用要求得以满足的情况下，才采用同步电动机代替异步电动机工作，且同步电动机兼作无功补偿设备，此时无功补偿的调节可以做到平滑的自动调节；专为无功补偿而设的同步电动机称为同步调相机，由于投资和损耗较大，又不便于维护、检修，供配电系统中很少采用这种补偿方式。
2）采用并联电容器补偿是目前供配电系统中普遍采用的一种无功补偿方法，也叫移相电容器静止无功补偿。
它具有功损耗小、运行维护方便、补偿容量增减方便、个别电容器的损坏不影响整体使用等特点，但不能实现无级调节。
要使功率因数由
提高到
，必须装设无功补偿装置，其容量为：
式（）
，称为无功补偿率
①工厂无功功率的补偿：
取
为
②补偿后变压器的容量和功率因数
补偿后变压器器低压侧的视在计算负荷：
变压器低压侧的计算电流：
主变压器的功率损耗：
变压器高压侧的计算负荷：
有功计算负荷：
无功计算负荷：
视在计算负荷：
计算电流：
功率因数：
补偿后功率因数满足要求。
3变压器的选择及其电气主接线
变压器的选择
电力变压器是变电所中最关键的一次设备，其主要功能是将电力系统的电能电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。
常用变压器的种类，在中低压供配电系统中，常用的电力变压器有如下几种分类方式：
①按相数分类：
有三相电力变压器和单相电力变压器。
大多数场合使用三相电力变压器，在一些低压单相负载较多的场合，也使用单相变压器。
②按绕组导电材料分类：
有铜绕组变压器和铝绕组变压器，目前一般采用铜绕组变压器。
③按绝缘介质分类：
有油浸式变压器和干式变压器两大类。
④按绕组联结组别分类：
有Yyn0和Dyn11两种。
电力变压器的联结组别，是指变压器一、二次绕组因采取不同的联结方式而形成变压器一、二次侧对应的线电压之间不同相位关系。
中压配电变压器有Yyn0,和Dyn11两种常见的联结组，配电变压器用Dyn11联结较之采用Yyn0联结有一下优点：
①对Dyn11联结变压器来说，其3n次谐波电流在其三角形接线的一次绕组内形成环流，从而不致注入公共的高压电网中去，这交之一次绕组接成星形接线的Yyn0联结变压器更有利于抑制高次谐波电流。
②Dyn11联结变压器的零序阻抗较之Yyn0联结变压器的零序阻抗小的多，从而更有利于低压单相接地故障保护的动作和故障的切除。
③当低压侧接用单相不平衡负荷时，由于Yyn0联结变压器要求低压中性线电流不超过低压绕组额定电流的25%，因而严重限制了其接用单相负荷的容量，影响了变压器设备能力的发挥。
GB50052-1995《供配电系统设计规范》规定，低压为TN及TT系统时，宜与选用Dyn11联结变压器。
Dyn11联结变压器的低压侧中性线电流允许达到低压绕组额定电流的75%以上，其承受单相不平衡负荷的能力远比Yyn0联结变压器大。
因此，机器厂的电力变压器选择Dyn11联结形式。
①选择主变压器台数应考虑下列原则:
1）三级负荷一般设一台变压器，但考虑现有开关设备开断容量的限制，所选单台变压器的容量一般不大于1250kVA；当用电负荷所需的变压器容量大于1250kVA时，通常应采用两台或更多台变压器。
2）当季节性或昼夜性的负荷较多时，可将这些负荷采用单独的变压器供电，以便这些负荷不投入使用时，切除相应的供电变压器，减少空载损耗。
3）当有较大的冲击性负荷时，为避免对其他负荷供电质量的影响，可单独设变压器对其供电。
4）当有大量一、二级负荷时，为保证供电可靠性，应设两台或多台变压器。
以起到相互备用的作用。
5）在确定变电所住变压器台数时，应考虑负荷的发展，留有一定的余量。
②变压器容量的选择
1）只装一台主变压器的变电所
主变压器容量应满足全部用电设备总计算负荷S30的需求，即
式（）
2）装有两台主变压器的变电所
每台变压器的容量应该同时满足以下两个条件：
a.任一台变压器单独运行时，宜满足总的计算负荷S30的大约60%--70%的需要，即
式（）
b.任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的要求。
即
式（）
③车间变电所主变压器的单台容量上限
车间变电所主变压器的单台容量，一般不宜大于1000kVA。
这一方面是受以往低压开关电器断流能力和短路稳定度要求的限制，另一方面也是考虑到可以使变压器更接近于车间负荷中心，以减少低压配电线路的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。
④适当考虑负荷的发展
应适当考虑今后5—10年电力负荷的增长，留有一定的余地。
本工厂的负荷属于三级负荷，并且补偿后
可选500kVA的变压器，考虑到今后发展的要求，选择S9-630/10型变压器一台。
电力变压器的额定容量是在一定温度条件下的持续最大输出容量。
如果安住地点的年平均气温
时，则年平均气温每升高1°C，变压器容量相应地减少1%，户外电力变压器的实际容量为
式（）
对于户内变压器，由于散热条件差，一般变压器室的出风口与进风口间有约15°C的温差，从而使处于室内中间的变压器环境温度比户外变压器环境温度要高出大约8°C，因此户内变压器的实际容量较之上式所计算的容量还要小8%。
对于S9-630/10型变压器，考虑本地年平均气温为°C，即年平均气温不等于20°C，对于室内变压器，其实际容量为
因此，选择的变压器满足要求。
工厂变配电所的主接线图
电气主接线图即主电路图，是表示供电系统中电能输送和分配线路的电路图，亦称一次电路图。
它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着
升级会员 