某机械厂机修加工车间配电系统设计.docx
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某机械厂机修加工车间配电系统设计
电气与信息工程学院
《工厂供电》课程设计说明书
题 目：
某机修厂机械加工车间配电系统设计
作 者：
汪炜、蓝爱玲、陈浩、徐广琪
专业班级：
14级电气工程及其自动化1班
**** ***
职 称：
讲师
2017年06月22日
摘要
电能是工业生产的主要动力能源，工厂供电设计的任务是从电力系统取得电源，经过合理的传输、变换、分配到工厂车间中每一个用电设备上，随着工业电气自动化技术的发展，工厂用电量快速增长，对电能质量、供电可靠性以及技术经济指标等的要求也日益提高，供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂的可靠性和工厂的安全生产上，它与企业的经济效益、设备和人身安全等是密切相关的。
遵循安全、可靠、优质、经济的基本原则,提出工厂厂区供电的设计方案。
本次设计是关于机修厂车间变电所及机械加工一车间低压配电系统设计。
其中包括对车间进行了负荷计算，变压器和变电所高压进线和出线的选择，以及主接线等。
本设计的主要内容包括机修厂机加工一车间低压配电系统及车间变电所的电气一次主接线的确定以及图纸的绘制。
首先，进行车间负荷统计，确定主变压器；在技术方面和经济方面进行比较，选择经济可靠、运行灵活的主接线一次方案。
其次，进行短路参数的计算。
然后，进行设备的选择和校验。
设计结果可以满足供电的可靠性，保证各车间电气设备的稳定运行。
关键词：
负荷统计；变电所主接线；配电线路主接线；继电保护
第1章概论
工厂供电系统电气设计
工厂供电系统设计原则
按照国家标准的有关规定，进行工厂供电系统设计必须遵循以下原则。
（1）工厂供电系统设计必须遵循国家的各项方针政策，设计方案须符合国家标准中的有关规定，并应做到保障人身和设备安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理。
（2）应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设和远期发展的关系，做到远、近期结合，适当考虑扩建的可能。
（3）必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案，以满足供电的要求。
车间配电线路设计的内容
工厂供电系统电气设计包括变配电所设计、配电线路设计和电气照明设计等。
1.变配电所设计
无论工厂总降压变电所或车间变电所，其设计的内容都是相同的。
工厂高压配电所，则除了没有主变压器的选择外，其余部分的设计内容也与变配电所基本相同。
变配电所的设计内容应包括：
变（配）电所负荷的计算及无功功率的补偿；变（配）电所所址的选择；变电所主变压器台数、容量、型式的确定；变（配）电所主接线方案的选择；进出线的选择；短路电流计算和开关设备的选择；二次回路方案的确定及继电保护的选择与整定；防雷保护与接地装置的设计；变（配）电所电气照明的设计等。
最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概预算，绘制变（配）电所主接线图、平剖面图、二次回路图及其他施工图纸。
2.配电线路设计
工厂配电线路设计分厂区配电线路设计和车间配电线路设计。
厂区配电线路设计，包括厂区高压供配电线路设计及车间外部低压配电线路的设计。
其设计内容包括：
配电线路路径及线路结构型式（架空线路还是电缆线路）的确定；线路的导线或电缆及其配电设备和保护设备的选择，架空线路杆位的确定及电杆与绝缘子、金具的选择，
架空线路的防雷保护及接地装置的设计等。
最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概预算、绘制厂区配电线路系统图和平面图、电杆总装图及其他施工图纸。
车间配电线路设计的内容应包括：
车间配电线路布线方案的确定；线路导线及其配电设备和保护设备的选择等。
最后编制设计说明书、设备材料清单及工程概预算、绘制车间配电线路系统图和平面图及其他施工图纸。
3.电气照明设计
工厂电气照明设计，包括厂区室外照明系统的设计和车间（建筑）内照明系统的设计。
其内容均应包括：
照明光源和灯具的选择；灯具布置方案的确定和照度计算；照明线路导线的选择；保护与控制设备的选择等。
最后也编制设计说明书、设备材料清单及工程概预算，绘制照明系统图和平面图及其他施工图纸。
车间配电线路设计的内容
车间配电线路设计的内容应包括：
车间配电线路布线方案的确定；线路导线及其配电设备和保护设备的选择等。
最后编制设计说明书、设备材料清单及工程概预算、绘制车间配电线路系统图和平面图及其他施工图纸。
车间配电系统接线方案设计
常用的工厂低压线路的基本接线方式
工厂低压线路有放射式、树干式和环形等几种基本接线方式。
1.放射式
图1.1为低压放射式接线。
它的特点是：
发生故障时互不影响，供电可靠性较高，但在一般情况下，其有色金属消耗较多，采用开关设备也较多，且系统灵活性较差。
这种线路多用于供电可靠性要求较高的车间，特别适用于对大型设备的供电。
2.树干式
图1.2为低压树干式接线。
树干式接线的特点正好与放射式相反，其系统灵活性好，采用开关设备少，有色金属消耗也少；但干线发生故障时，影响范围大，所以供电可靠性较低。
低压树干式接线在工厂的机械加工车间、机修车间和工具车间中应用相当普遍，因为它比较适用于供电容量小，且分布较均匀的用电设备组，如机床、小型加热炉等，见图1.2（a）。
图1.2（b）为变压器-干线式。
这种接线省去了整套低压配电装置，使变电所结构简化，投资降低。
图1.3为一种变形的树干式接线，即链式接线。
链式接线的特点与树干式接线相同，适用于用电设备距供电点较远而彼此相距很近，容量很小的次要用电设备。
但链式相连的用电设备，一般不宜超过5台，总容量不超过10kW。
3.环形供电
图1.4为一台变压器供电的低压环形接线。
一个工厂内所有车间变电所的低压侧，可以通过低压联络线互相接成环形。
环形接线供电可靠性高，任一段线路发生故障或检修时，都不至于造成供电中断，或者只是暂时中断供电，只要完成切换电源的操作，就能恢复供电。
环形供电可使电能损耗和电
压损耗减少，既能节约电能，又容易保证电压质量。
但其保护装置及其整体配合相当复杂，如配合不当，易发生误动作，扩大故障范围。
实际上，低压环形接线通常采取“开口”运行方式
（a）母线放射式配电的树干式（b）为变压器-干线式树干式
图1.1低压放射式接线图1.2低压树干式接线
图1.3低压链式接线图1.4低压环形接线
在工厂的低压配电系统中，往往是几种接线方式的有机组合，依具体情况而定。
不过在正常环境的车间或建筑内，当大部分用电设备容量不大且无特殊要求时，宜采用树干式配电，这主要是因为树干式配电较放射式配电经济且有成熟的运行经验。
实践证明，低压树干式配电在一般正常情况下能够满足生产要求。
机械加工车间配电系统接线方案
本次设计的是某机修厂机械加工车间的配电系统，根据设计任务要求，综合以上各种接线方式的优缺点，并结合机械加工车间的实际平面图，我们选择母线放射式配电的树干式接线，机械加工车间由工厂变电所低压配电室用一回路干线供电，再通过6台配电箱给36台设备供电。
动力配电箱的负荷分配方案
根据设计任务要求，并结合机械加工车间的实际平面图，按照设备的摆放位置，根据就近原则，选择6台配电箱供电。
车间配电箱的负荷分配方案如表1.1所示，具体分配见第3章的3.3节。
表1.1车间配电箱的负荷分配方案表
序号
配电箱代号
设备代号
A1
NO.1
29、30、31
A2
NO.2
25、26、27、28
A3
NO.3
19、20、21、22、23、24
A4
NO.4
14、15、16、17、18
A5
NO.5
7、8、9、、10、11、12、13、33、34、35
A6
NO.6
1、2、3、4、5、6、32
机械加工车间低压配电系统图的设计
本设计低压配电系统图参见《工厂供电》[1]P116-P126
第2章机械加工车间负荷计算
计算负荷是供电设计计算的基本依据。
计算负荷的确定是否合理，将直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。
计算负荷确定过大，将增加供电设备的容量，造成投资和有色金属的浪费；计算负荷确定过小，设计出的供电系统的线路和电气设备承受不了实际的负荷电流，使电能损耗增大，使用寿命降低，甚至影响到系统正常可靠的运行。
因此正确确定计算负荷具有重要的意义。
但是由于负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定规律可循，但准确确定计算负荷却十分困难。
实际上，负荷也不可能是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织以及能源供应的状况等多种因素有关，因此负荷计算也只能力求接近实际[1]。
负荷计算的目的
计算负荷,是通过统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中的各元件的负荷值。
按计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如以计算负荷持续运行，其发热温度不致超出允许值，因而也不会影响其使用寿命。
由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约为（3～4）
，
为发热时间常数。
而截面在16mm2及以上的导体的
约为10min以上，故载流导体约经30min后可达到稳定温升值。
因此计算负荷通常取半小时最大负荷。
本设计用半小时最大负荷
来表示有功计算负荷，用
、
和
分别表示无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流[1]。
负荷计算的方法
我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法，主要是简便实用的需要系数法和二项式系数法。
用需要系数法来确定计算负荷，其特点是简单方便，计算结果比较符合实际，而且长期以来已积累了各种设备的需要系数,因此是世界各国均普遍采用的基本方法。
但是，把需要系数看作与一组设备中设备的多少及容量是否相差悬殊等都无关的固定值，这就考虑不全面。
实际上只有当设备台数较多、总容量足够大、没有特大型用电设备时，表中的需要系数的值才较符合实际。
所以，需要系数法普遍应用于求全厂和大型车间变电所的计算负荷。
而在确定设备台数较少，且容量差别悬殊的分支干线或支线的计算负荷时，采用另一种方法——二项式系数法。
我国建筑行业标准JGJ/T16-1992《民用建筑电气设计规范》也规定：
“用电设备台数较少，各台设备容量相差悬殊时，宜采用二项式法”。
综上所诉，比较两种计算方法的特点，我们采取的是二项式系数法。
用二项式系数法进行负荷计算时，既要考虑用电设备组的平均负荷，又要考虑几台最大用电设备引起的附加负荷[1]。
还需指出：
二项式系数值与用电设备类别和工作状态关系极大，因此在计算时首先要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。
例如机修车间的金属切削机床电动机，应属小批生产的冷加工机床电动机，因为金属切削就是冷加工，而机修不可能是大批生产。
又如压塑机、拉丝机和锻锤等，应属热加工机床。
再如起重机、行车、电葫芦、卷扬机等，实际上属于吊车类[2]。
需要系数法的基本公式
1.单组用电设备组的计算负荷
P30=KdPe
式中，Kd称为需要系数，Pe是用电设备组的设备总容量；
Kd、
、
等值，见教材《工厂供电》附表1。
注意如果设备总台数少于教材《工厂供电》附附表1中规定的最大容量设备台数的2倍时，则其最大容量设备台数
也应相应减少。
建议取
，并按“四舍五入”取整规则。
例如，某机床电动机组有７台电动机，而附表6中规定
但这里
，建议取
来计算，即取其中4台最大容量电动机容量来计算
。
只有1～2台设备时，则可认为
。
对于单台电动机，则
，这里
为电动机额定容量，
为电动机效率。
在设备台数较少时，
也宜适当取大[4]。
2.多组用电设备组的计算负荷
采用需要系数法确定多组用电设备组的计算负荷时，同样要考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。
总的视在计算负荷为
S30=
总的计算电流为
I30=
机械加工车间的负荷计算
各台设备的计算负荷
以车床C630M为例：
单台容量为Pe=12.65kW，额定功率因素cosψ=0.85﹣0.95，额定效率η=0.85﹣0.95[3],额定电压U设为380V,则
I30=
=
=20.60A
其他设备的计算方法同上，各台设备的计算负荷如表2.1所示
表2.1各台设备计算负荷
设备代号
设备名称、型号
台数
单台容量（kW）
总容量（kW）
（A）
1
车床C630M
1
12.65
12.65
20.60
2
万能工具磨床M5M
1
13.98
13.98
29.40
3
普通车床C620-1
1
16.54
16.54
34.78
4
普通车床C20-2
1
18.98
18.98
39.91
5
普通车床C20-3
1
16.48
16.48
34.66
6
普通车床C20-3
1
16.48
16.48
34.66
7
普通车床C620
1
15.73
15.73
33.08
8
普通车床C620
1
15.73
15.73
33.08
9
普通车床C620
1
15.73
15.73
33.08
10
普通车床C620
1
15.73
15.73
33.08
11
普通车床C618
1
15.8
15.8
33.23
12
普通车床C616
1
14.9
14.9
31.33
13
螺旋套丝机S-8139
1
16.5
16.5
34.70
14
普通车床C630
1
14.5
14.5
30.49
15
管螺纹车床Q119
1
17.5
17.5
36.80
16
摇臂钻床Z35
1
15.86
15.86
33.35
17
圆柱立式钻床Z5040
1
15.35
15.35
32.28
18
圆柱立式钻床Z5040
1
15.35
15.35
32.28
19
5T单梁吊车（ε=25%）
1
12.78
12.78
26.88
20
立式砂轮
1
12.35
12.35
25.97
21
牛头刨床B665
1
14.76
14.76
31.04
22
牛头刨床B665
1
14.76
14.76
31.04
23
万能铣床X63WT
1
16.5
16.5
34.70
24
立体铣床X52K
1
18.35
18.35
38.59
25
滚齿机Y-36
1
14.5
14.5
30.49
26
插床B5032
1
16.3
16.3
34.28
27
引锯机G72
1
14.38
14.38
30.24
28
立式钻床Z512
1
13.59
13.59
28.58
29
电极式盐浴电阻炉
1
30.5
30.5
63.61
30
井式回火电阻炉
1
32
32
67.29
31
箱式加热电阻炉
1
45
45
94.63
32
车床CW6-1
1
30.4
30.4
69.93
33
立式车床C512-1A
1
34.5
34.5
72.55
34
卧式镗床J68
1
28
28
58.88
35
单臂刨床B1010
1
67
67
140.89
配电箱的负荷计算
以第1号配电箱A1为例：
配电箱A1上接有电极式盐浴电阻炉1台30.5Kw，井式回火电阻炉1台32Kw，箱式加热电阻炉1台45Kw，共107.5Kw。
由教材《工厂供电》附表1查得，Kd=0.7,cosψ=1.0,tanψ=0
其设备总容量为：
Pe=30.5+32+45=107.5Kw
其计算负荷为：
P30=0.7×107.5=75.25Kw
其无功计算负荷为：
Q30=75.25×0=0Kvar
其视在计算负荷为：
S30=
=
其计算电流为：
I30=
=
=114.33A
其余配电箱也按照上面的方法计算，各配电箱的计算负荷见表2.2：
整个车间的负荷计算
1.各设备组的负荷计算
以吊车组为例：
由教材《工厂供电》附表1查得tanψ=1.73
其计算负荷为
P30=Pe=PN
=PN=12.78Kw
其无功计算负荷为：
Q30=12.78×1.73=22.11Kvar
其他两组（电阻炉组与机床组）计算方法也如上。
2.车间母线的负荷计算
此车间母线线路上总的计算负荷为：
（取KΣP=0.95，KΣq=0.97）
其计算负荷为
P30=0.95×（12.78+75.25+114.80）=192.69Kw
其无功计算负荷为：
Q30=0.97×（22.11+0+250.50）=264.43Kvar
其视在计算负荷为：
S30=
=327.19Kv·A
其计算电流为：
I30=
=497.11A
表2.2配电箱及车间母线选择
配电箱及母线
（kW）
（kvar）
（kV·A）
（A）
配电箱A1
75.25
0
75.25
114.33
配电箱A2
14.69
25.41
29.38
44.64
配电箱A3
30.36
53.63
61.63
93.64
配电箱A4
19.64
33.98
39.28
59.68
配电箱A5
59.91
103.64
119.82
182.05
配电箱A6
31.38
54.29
62.76
47.68
车间母线
192.69
264.43
327.19
497.11
第3章机械加工车间低压配电线路的选择
本章首先介绍配电线及电缆的选择；包括各设备的导线进线选择，配电箱的进线选择，设备与线路等选择得恰当与否将影响到整个系统能否安全可靠地运行。
配电线路的选择
根据工程设计经验，一般10kV及以下高压线路和低压动力线路，对于车间内较短的线路，可不进行电压损耗的校验，所以通常按发热条件来选择导线和电缆截面[1]。
导线和电缆截面选择的方法
1.三相系统相线截面的选择
电流通过导线（包括电缆、母线，下同）时，要产生电能损耗，使导线发热。
裸导线的温度过高时，会使接头处的氧化加剧，增大接触电阻，使之进一步氧化，如此恶性循环，最终可发展到断线。
而绝缘导线和电缆温度过高时，可使其绝缘加剧老化甚至烧毁，或引起火灾事故。
按发热条件选择三相系统中的相线截面时，应使其允许载流量Ial不小于通过相线的计算电流I30，即
所谓导线的允许载流量，就是在规定的环境温度条件下，导线能连续承受而不致使其稳定温度超过允许值的最大电流。
如果导线敷设地点的环境温度与导线允许载流量所采用的环境温度不同时，则导线的允许载流量应乘以以下温度校正系数：
式中，
为导线额定负荷时的最高允许温度；
为导线允许载流量所采用的环境温度；
为导线敷设地点实际的环境温度。
教材《工厂供电》附表19列出了绝缘导线明敷、穿钢管和穿塑料管时的允许载流量。
必须注意：
按发热条件选择的导线和电缆截面，还必须用式
或式
来校验它与其相应的保护装置（熔断器或低压断路器的过流脱扣器）是否配合得当。
如果配合不当，可能发生导线或电缆因过电流而发热起燃但保护装置不动作的情况，这当然是不允许的[6]。
2.中性线和保护线截面的选择
（1）中性线（N线）截面的选择
三相四线制系统中的中性线，要通过系统的不平衡电流和零序电流，因此中性线的允许载流量，不应小于三相系统的最大不平衡电流，同时应考虑谐波电流的影响。
1）一般三相四线制线路中的中性线截面A0应不小于相线截面Aφ的50%，即
2）两相三线线路及单相线路的中性线截面A0由于中性线电流与相线电流相等，因此其中性线截面A0与相线截面Aφ相同，即
3）三次谐波电流突出的三相四线制线路的中性线截面A0由于各相的三次谐波电流都通过中性线，使得中性线电流可能等于甚至超过相线电流，因此中性线截面A0宜等于或大于相线截面Aφ，即
（2）保护线（PE线）截面的选择
保护线要考虑三相系统发生单相短路故障时单相短路电流通过时的短路热稳定度。
根据短路热稳定度的要求，保护线（PE线）截面APE，按GB50054-1995《低压配电设计规范》规定，当其材料与相线相同时，其最小截面应满足表3.1的要求[1]。
表3.1PE线的最小截面
相线芯线截面
PE线最小截面
（3）保护中性线（PEN线）截面的选择
因为保护中性线兼有PE线和N线的双重功能，因此选择截面时应同时满足上述PE线和N线的要求，取其中的最大截面。
配电箱进线导线和电缆截面的选择与敷设
1.配电箱导线型号和截面的选择
以第1号配电箱A1的进线导线选择为例，采用BLV型铝芯塑料绝缘线穿钢管埋地敷设，取当地最热月平均最高温度为25℃。
由第2章所计算数据得I30=114.33A，
查教材《工厂供电》附表19，+25℃时4根单芯线穿钢管（SC）的BV-500型截面为70mm2的导线允许载流量Ial=127A＞I30=114.33A。
因此选
=70mm2，保护线截面选择：
根据上表3.1所示当
＞35mm2时，选APE=0.5
=35mm2
所以该线路所选的导线型号规格可表示为BLV-500-（3×70+1×35）-SC50-WS3.5。
其他配电箱进线导线算法如上：
整理得表3.2
表3.2各配电箱进线导线选择
配电箱
（A）
配电箱进线选择
配电箱A1
114.33
BLV-500-（3×70+1×35）-SC50-WS3.5
配电箱A2
44.64
BLV-500-（3×70+1×35）-SC25-WS3.5
配电箱A3
93.64
BLV-500-（3×50+1×25）-SC50-WS3.5
配电箱A4
59.68
BLV-500-（3×25+1×16）-SC32-WS3.5
配电箱A5
182.05
BLV-500-（3×150+1×95）-SC70-WS3.5
配电箱A6
47.68
BLV-500-（3×16+1×10）-SC25-WS3.5
各设备导线、电缆截面的选择与敷设
车间供电线路一般采用交流220/380V、中性点直接接地的三相四线制供电系统，包括室内配电线路和室外配电线路。
室内（即车间内）配电线路的干线采用裸导线或绝缘导线，特殊情况采用电缆；室外配电线路指沿车间外墙或屋檐敷设的低压配电线路，均采用绝缘导线，也包括车间之间短距离的低压架空线路。
绝缘导线按线芯材料分为铜芯和铝芯两种,在易燃、易爆或其他特殊要求的场所应采用铜芯绝缘导线。
绝缘导线按外皮的绝缘材料分为橡皮绝缘和塑料绝缘两种，塑料绝缘导线绝缘性能良好，耐油和抗酸碱腐蚀，价格较低，在户内明敷或穿管敷设时可取代橡皮绝缘导线，但其在高温时易软化，在低温时变硬变脆，故不宜在户外使用。
车间内的吊车滑触线通常采用角钢，但新型安全滑触线的载流导体则为铜排，且外面有保护罩。
车间配电线路中还有一种封闭型母线，适用于设备布置均匀紧凑而又需要经常调整位置的场合。
电缆型号选择，参考教材《工厂供电》附录表19，工厂供电简明手册表ZL14-28。
选择电缆敷设路径时，应考虑以下原则：
避免电缆遭受机械外力、过热、腐蚀等的危害；在满足安全要求条件下应使电缆较短；
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