10KV供电系统设计方案.docx
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10KV供电系统设计方案
10KV供电系统设计
a.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。
除某些特殊的大型工业企业带有自备发电站以外，工厂都是由电力系统的终端降压变配电所，即总降（配）变电所提供电能。
总降（配）变电所、供电线路和用电设备构成了一个完整的工厂供电系统。
供电系统一旦确定，就决定了用户内部用电负荷的供电可靠性和供电质量。
电能易于转换，易于传输，分配简单经济，便于调节、控制和测量等特点，使得电能成为了工业生产的主要能源。
能否保证供电的可靠性和电能质量直接影响到工业生产能否正常进行，能否做到合理用电、节约用电、高质量用电成为决定工厂生产力和企业效益的重要因素。
因此，设计符合工厂具体负荷情况的供电系统是工业生产的必备条件。
做好工厂供电工作对发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。
工厂企业是国家电力的主要用户，完善工厂供电系统的配置对节约能源、支援国家经济建设也有很大的促进作用。
为了使工厂供电工作能够切实为工业生产服务，要求做到以下几点：
1）安全在电能的供应、分配和使用过程中，不应发生人身事故和设备事故。
2）可靠不同级别的负荷对供电可靠性的要求不同，工厂供电系统必须满足相应负荷的要求。
3）优质供电系统提供的电能应该满足电力用户对电压、频率等电能质量的要求。
4）经济在保证供电可靠性的情况下，供电系统的投资要尽量少，运行费用要尽量低，并尽可能的节约电能和减少有色金属的消耗量。
b.工厂供电设计的一般原则
工厂供电设计必须以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程的实际情况进行。
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》、GV50054-95《低压配电设计规范》、《全国通用建筑标准设计.电气装置标准图集》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；
必须遵守国家有关规定及标准，执行国家有关方针和政策，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，综合考虑，确定合理的设计方案。
c.设计的内容及步骤
工厂供电系统的设计是根据电力用户所处地理环境、生产工艺对负荷的要求、各个车间的负荷数量和性质、负荷布局以及地区供电条件进行的。
要求设计成果能应用于生产实际，能够让该供电系统安全、可靠、经济的分配电能，满足工业生产的需要。
设计的具体步骤如下：
1）.按照厂区用电设备的资料和其他具体情况，求计算负荷。
2）.根据负荷等级和计算负荷，选定供电电源、电压等级和供电方式。
3）.根据环境和计算负荷，选择变电所的位置、变压器数量和容量。
4）.为变配电所选择安全、可靠、灵活、经济的主接线，选择合理的户外高压配电方案。
5）.用标幺值法进行短路电流的计算。
6）.根据短路电流的计算结果，按照正常工作条件、短路时的工作条件、电气设备自身特点进行电气设备的选择和校验，用主接线图表达设计成果。
7）.主变压器和馈线电路保护装置的设计及整定，包括保护方式的确认、保护值的整定、保护装置的选择以及灵敏度校验。
8）.变电所的防雷和接地设计，总降的电照设计。
9）.需要核算建设所需器材与总投资。
1负荷计算及功率补偿
1.1负荷计算
1.1.1负荷计算的意义和目的
计算负荷是供电系统设计计算的基础。
工厂供电系统设计的原始资料是工艺部门提供的用电设备安装容量。
这些设备品种多，数量大，工作情况复杂，因此如何根据这些资料正确估计工厂所需的电力和电量非常重要。
估计的准确程度，直接影响到工程的质量。
如果估算过高，会增加供电设备的容量，使工厂电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量，浪费大量的人力财力；相反，如果估算过低，工厂投产后，供电系统的线路及电气设备由于承担不了实际负荷电流而过热，加速其老化绝缘速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。
由此可见，进行负荷计算是供电系统设计的基础，能否准确的估算计算负荷决定了设计的系统能否安全、经济、可靠的供电。
计算负荷是根据已知的工厂的用电设备安装容量确定的、预期不变的最大假想负荷，负荷计算的目的就是求出这个假想负荷。
计算负荷是设计时作为选择工厂电力系统的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据。
供电系统设计的第一步，就是通过负荷计算，将复杂、凌乱的负荷数据整理成设计所需要的资料。
1.1.2负荷计算的常用方法
负荷计算的方法有需要系数法、形状系数法、附加系数法等几种。
鉴于本厂的负荷特点以及任务书所提供的条件，本设计采用需要系数法确定计算负荷。
用需要系数法求计算负荷的具体步骤如下：
1）.将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量。
2）.查出各组用电设备相应的需要系数及对应的功率因数。
3）.按照需要系数法对应的公式计算Pc,Qc和Sc。
4）.求车间或全厂计算负荷时，应从负荷端逐级算向电源端，而且需要在各级配电点乘以同期系数K∑。
在逐级计算时，应记及变压器上的电能损耗，由于厂区高压配电网的距离较短，在负荷计算时可忽略配电网的电能损耗。
1.1.3车间变电所负荷计算
各车间用电负荷计算如下：
1#变电所负荷：
变电所
用电单位
设备容量Pe
需要系数Kd
CosΦ
TanΦ
P30
Q30
S30
I30
1#变电所
制条车间
350
0.78
0.78
0.80
273
218.4
纺纱车间
360
0.78
0.79
0.78
280.8
219.0
软水站
90
0.6
0.8
0.75
54
40.5
锻工车间
40
0.35
0.65
1.17
14
16.4
机修车间
300
0.35
0.55
1.52
105
159.6
幼儿园
20
0.66
0.8
0.75
13.2
9.9
仓库
40
0.3
0.8
0.75
12
9
小计
1200
676.8
605.5
908.1
1380
主要计算公式为：
P30（i）=Pe×KdQ30（i）=P30（i）×TanΦP30=∑P30（i）
Q30=∑Q30（i）。
S30=√（P2+Q2）I30=S30/（√3×Un）其中Un的值为0.38千伏。
无功、有功、视在功率的单位分别为kW，kvar,kVA,计算电流I30的单位为A。
计算如下：
制条车间：
P30=Pe×Kd=350×0.78=273Q30=P30×TanΦ=273×0.8=218.4
纺纱车间：
P30=Pe×Kd=360×0.78=280.8Q30=P30×TanΦ=280.8×0.78=219.0
软水站：
P30=Pe×Kd=90×0.6=54Q30=P30×TanΦ=54×0.75=40.5
锻工车间：
P30=Pe×Kd=40×0.35=14Q30=P30×TanΦ=14×1.17=16.4
机修车间：
P30=Pe×Kd=300×0.35=105Q30=P30×TanΦ=105×1.52=159.6
幼儿园：
P30=Pe×Kd=20×0.66=13.2Q30=P30×TanΦ=13.2×0.75=9.9
仓库：
P30=Pe×Kd=40×0.3=12Q30=P30×TanΦ=12×0.75=9
小计：
P30=∑P30（i）×K∑=（273+280.8+54+14+105+13.2+12）×0.9=676.8
Q30=∑Q30（i）×K∑=（218.4+219.0+40.5+16.4+159.6+9.9+9）×0.9=605.5
S30=√（P2+Q2）=908.1I30=S30/（√3×Un）=1380
由于无功和有功的K∑值均为0.9，故在小计时P30，Q30的值应该乘以0.9，相应的S30的值也应该乘以0.9，结果表达如上表。
2＃和3＃变电所计算方法与此相同。
2#变电所负荷：
变电所
用电单位
设备容量Pe
需要系数Kd
CosΦ
TanΦ
P30
Q30
S30
I30
2#变电所
织造车间
600
0.85
0.78
0.80
510
408
染整车间
500
0.8
0.79
0.78
400
312
综合楼
40
0.8
1
0
32
0
餐厅
30
0.75
0.8
0.75
22.5
16.9
宿舍
20
0.8
1
0
16
0
小计
1190
882.5
663.21
1103.85
1677.15
3#变电所负荷：
变电所
用电单位
设备容量Pe
需要系数Kd
CosΦ
TanΦ
P30
Q30
S30
I30
3#变电所
锅炉房
200
0.75
0.78
0.80
150
120
水泵房
120
0.75
0.8
0.75
90
67.5
化验室
50
0.8
0.85
0.62
40
24.8
卸油泵房
30
0.75
0.78
0.80
22.5
18
小计
400
272.3
207.3
342.18
519.93
1.1.4所用变负荷计算
P30=Pe×Kd=80×0.8=64Q30=P30×TanΦ=64×0.75=48
S30=√（P2+Q2）=80
1.1.5全厂负荷计算
上面三个表格表达了车间变电所低压母线上的计算负荷，其计算结果可用来选择车间变电所变压器的容量，然后选择车间变压器，查表算出变压器上的功率损耗。
为了简化计算，可以采用公式△PT≈（0.015～0.02）SN.T△QT≈（0.08～0.1）SN.T估算。
当采用低损耗变压器时，也可以用公式△PT≈0.015S30△QT≈0.06S30估算出车间变压器上的功率损耗。
1＃变电所：
△PT≈0.015S30＝0.015×908.1＝13.62
△QT≈0.06S30＝0.06×908.1=54.49
2＃变电所:
△PT≈0.015P30＝0.015×1103.85=16.56
△QT≈0.06Q30＝0.06×1103.85=66.23
3＃变电所:
△PT≈0.015P30＝0.015×342.18=5.13
△QT≈0.06Q30＝0.06×342.18=20.53
所用变压器：
△PT≈0.015P30＝0.015×80=1.2
△QT≈0.06Q30＝0.06×80=4.8
由于厂区高压配电网距离较短，故在确定计算负荷时，厂区高压输电线路上的功率损耗可以忽略不计，因此高压配电所引出线上的计算负荷可以认为是变电所低压母线上的计算负荷加上变压器的功率损耗。
高压引出线上的计算负荷分别为：
P1=P+△PT=690.42P2=P+△PT=899.06P3=P+△PT=277.43
Q1=Q+△QT=659.99Q2=Q+△QT=729.44Q3=Q+△QT=227.83
P0=P+△PT=65.2
Q0=P+△PT=52.8
根据计算负荷的等级查表可知高压配电母线的同期系数为0.9～1.0，取K∑＝0.92。
本厂没有高压用电负荷，故配电所进线上的的计算负荷为：
P=（P1﹢P2﹢P3+P0）×0.92=1777.54Q=（Q1﹢Q2﹢Q3+Q0）×0.92=1536.46
1.2功率因数和无功补偿
S=√（P2+Q2）=2349.54功率因数为CosΦ=1777.54/2349.54=0.7565
设计要求达到的功率因数为0.9以上，显然不符合要求，需要进行无功补偿。
工厂企业广泛采用的补偿装置是静电电容器，其补偿方式有个别补偿、分组补偿和集中补偿。
由于集中补偿具有电容器利用率高，易于管理的特点，故采用集中补偿方式。
高压补偿的电容器比较便宜，电容器利用率高，但是投切电容器的开关设备及保护装置价格都比较高；低压补偿的补偿效果好，开关及保护设备价格低且易于实现自动投切，但是电容器利用不充分。
考虑到低压静电电容器与高压静电电容器价格差别不大，而高压断路器等开关设备价格高昂、维护费用高，从节约建设和运行成本的角度考虑，在设计中采用低压补偿的方式。
为了提高车间变电所变压器的负荷能力，在车间变电所的低压侧进行集中补偿。
补偿容量计算：
1＃变电所：
变电所低压侧视在计算负荷：
S30=908.1
低压侧功率因数：
CosΦ=676.8/908.1=0.745
在低压侧装设补偿电容器，考虑到变压器的无功损耗，低压侧补偿后的功率因数应稍高于0.9，不妨取0.92。
低压侧无功补偿容量：
Qc=676.8×（tancos-10.745-tancos-10.92）=317.49
选择低压单相并联电容器BZMJ0.4-14-1，单个容量为14kvar,共选24个，由于所选电容器是单相的，所以个数应为3的倍数，符合条件。
则补偿容量整合为24×14=336
补偿后的数据：
变电所低压侧视在计算负荷：
S30=√676.8*676.8+（605.5-336）*（605.5-336）=728.48
变压器的功率损耗：
△PT≈0.015S30＝0.015×728.48＝10.93
△QT≈0.06S30＝0.06×728.48=43.71
变电所高压侧的计算负荷：
P=676.8+10.93=687.73
Q=（605.5-336）+43.71=313.21
S=√（P2+Q2）=755.69
变电所高压侧的功率因数：
CosΦ=687.73/755.69=0.91
同理，2＃变电所选择21个BZMJ0.4-14-1电容器，则：
变电所低压侧计算负荷及功率因数：
P=882.5Q=369.21S=√（P2+Q2）=956.62CosΦ=0.923
变电所高压侧计算负荷及功率因数：
P=896.85Q=426.61S=√（P2+Q2）=993.14CosΦ=0.903
3＃变电所选择6个BZMJ0.4-16-1电容器，则：
变电所低压侧计算负荷及功率因数：
P=272.3Q=111.3S=√（P2+Q2）=294.17CosΦ=0.926
变电所高压侧计算负荷及功率因数：
P=276.7Q=128.95S=√（P2+Q2）=305.27CosΦ=0.906
所用变压器选择3个BZMJ0.4-8-1电容器，则：
变压器低压侧计算负荷及功率因数：
P=64Q=24S=√（P2+Q2）=68.352CosΦ=0.936
变压器高压侧计算负荷及功率因数：
P=65.025Q=28.101S=√（P2+Q2）=70.84CosΦ=0.918
全厂的功率因数计算：
∑P=1926.305∑Q=896.871
∑S=2124.86
P=K∑*∑P=0.92*1926.305=1772.2Q=K∑*∑Q=0.92*896.871=825.12
S=√（P2+Q2）=1954.87CosΦ=P/S=0.907
经过无功补偿以后，全厂功率因数为0.907﹥0.9，满足设计要求。
在装设无功补偿装置以后，减少了无功损耗，因此总的视在计算负荷也随之减小，有可能使进线选用更细的导线，车间变压器容量可能选小1级，节约了有色金属和变电投资。
这不仅可以降低初投资，而且可以减少企业的电费支出，对提高电能质量和系统调压能力也有好处。
计算负荷以补偿后的为准。
2供电方案和厂区配电电压选择
2.1对任务书的分析
本工厂供电系统的电源是从电业部门某35/10kv变电所用10kv双回架空线引入厂变的，架空线的长度为0.5km。
进线电压等级为10kv，属于一般车间变压器的进线电压等级。
具体的供电电压选择要看负荷情况而定。
一般工厂供电系统有两种供电方案，即一次降压供电和二次降压供电。
2.2供电方案论证
电源使用方案：
从可靠性上来看，如果电源的投切速度够快的话，双回线路同时工作和一回工作一回备用的方式的可靠性都比较高，两者区别不大；从经济性上来看，双回线路供电时系统能耗较少，因此本设计中的两路架空线都当作工作电源。
系统供配电方案：
由于电源进线为10kv,如果采用二次降压供电的话，应该将电压降至6kv或者3kv,然后再降至0.4kv进行供电。
由于本工厂没有高压电动机等高压用电负荷（没有6（3）kv的用电设备），二次降压没有实际性的作用，相反还增加了变电设备的投资，加大了维护的工作量和难度，增加了电能损耗和有色金属消耗，从技术性和经济性的角度都不应该采用二次降压供电。
一次降压供电又有两种可能：
一是不设置总降压变电所而仅设一个总配电所，以10kv电压输送电能到车间，在经车间变压器将电压降至0.4kv对低压负荷供电；二是将整个工厂变电所当成一个车间变电所，在工厂变电所装设10/0.4kv变压器，通过低压配电系统将电能分配到各个车间，再通过车间低压配电母线送往各用电设备。
从技术性角度来看，如果先降压再配电的话，由于全厂计算负荷S=1954.87，假设工厂变电所采用2台主变（变电所一般只有1～2台变压器），2台主变按照暗备用方式运行（可减小单台变压器的容量），每台主变的容量为1954.87×70%=1368.4kVA，而按照相关规定，由于低压开关的断流能力有限，车间变电所单台变压器的容量不宜大于1250kVA，所以选择先降压再配电的方式会造成一些安全隐患。
如果采取先配电再降压的方式，由于负荷被分到了3个车间中，单台变压器承受的负荷减小，便不存在这个问题；从经济性来考虑，先配电再降压的方式采用的是高压配电线路，和先降压再配电的方式相比，可以减小电能损耗，选取供电导线时也可以选择较细的导线，节约了有色金属。
从企业的长期发展考虑，先配电再降压的供电方式从经济性和可靠性上来看都是较优的方案，故在设计中采用电源——总配电所——车间变电所——用电负荷的供电方式。
2.3供电线路
查表可知，10kV架空线输送3000kW的功率时可以输送5～15km,本厂的负荷小于3000kW，故可输送更远距离，因此选择10kV架空线路是合理的。
2.4厂区配电电压选择
电源进线为10kV,又没有高压用电设备，加之10kV技术经济指标好，高压配电显然选择10kV的配电电压较合理。
低压配电采用较常见的380/220V。
2.5工厂供电系统概况
高压配电所以两回10kV架空线接入电力系统某35/10kV变电站，馈出线接至工厂车间变电所。
车间变电所高压侧中性点经消弧线圈接地，低压侧中性点直接接地。
3总配电所电气主接线及厂区高低压配电系统设计
3.1配电所电气主接线
3.1.1主接线的基本要求
主接线的选择，要达到安全、可靠、灵活、经济的要求。
要在满足供电可靠性的情况下，尽量节省投资。
安全：
要求选择合适的电气设备，具有良好的监视和保护系统，以保证人身和设备安全。
可靠：
满足各级负荷的不中断供电要求。
灵活：
利用较少的切换来适应不同的运行方式，检修方便，电源和负荷投切方便。
经济：
保证供电可靠性的情况下，尽量节省初投资和年运行费用。
此外，变电所扩建的可能性较大，其主接线应该方便改造和扩建。
3.1.2主接线的选择
主接线对变电所设备的选择和布置，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。
在工厂供电系统中，最主要的部分就是总降压变（配）电所。
总降压变电所中，高压侧（电源侧）的主接线概括为两类：
线路-变压器组方式和桥型接线方式。
线路变压器组方式即“一进线一主变”方式，用于二、三级负荷的供电，也可扩展成为双回线路-变压器组接线，用于一、二级负荷供电。
桥型方式能实现线路和变压器的充分利用，可靠性非常高，但线路复杂，操作不便，投资较大。
主变的低压侧（配电所的电源进线）接到母线上进行电能分配。
在工厂供电系统中涉及到的母线制较少，常用的母线制有：
单母线，单母分段，双母。
由于没有总降压变电所，故电源进线直接接到高压配电母线上。
电源进线为两回，负荷等级为二级，因此单母线方式不能适应该供电系统的可靠性要求。
双母线制尽管可靠性比较高，但是开关数目较多，连锁机构复杂，切换操作繁琐，造价高，经济上不合理。
采用单母分段方式配电，当一回线路故障时，合上分段开关可保证对所有重要负荷的供电；当一段母线故障时，另一段母线上的负荷不受影响。
从电压等级以及该配电所在电力系统中的位置来看，该工厂的用电负荷用单母分段方式已经可以完全满足其供电可靠性，和双母线方式相比它又节约了安装维护费用，因此，高压配电所采用单母分段接线。
单母分段开关在运行时是合是分，要按照具体情况进行技术经济比较而定。
在本设计的工厂供电系统中，有双回路同时供电，采取“分”的方式运行比较好，分析原因如下：
1.按供电可靠性考虑
如果采取“合”的方式，一路电源故障时，其电源侧开关跳开，所有负荷由另一路电源供电；一段母线故障时，两个电源侧断路器都跳开，整条母线停电，也就是说停电范围波及到了另外一段正常的母线及其负荷，而且这时运行人员不好确定是哪段母线故障，出于安全考虑，不可能快速恢复供电。
而采取“分”的方式，一路电源故障时，入口开关跳开，合上分段开关对故障部分的负荷供电，这中间会有短时的停电，这是“分”的不足之处；但采取“分”的方式时，如果一段母线故障，不会影响到另一段母线的正常供电。
而且出现故障后，运行人员马上就能发现哪一段是故障母线，缩小了故障排查范围，能够较快地恢复供电。
2.按检修的工作量及检修给断路器带来的影响考虑
采取“分”的方式运行时，如果检修线路和母线的话，可以采用分段检修，不会使全部负荷中断；采取“合”的方式的话，如果断开电源检修，会使全部负荷的供电中断，显然不合理，如果也采取分段检修方式，要求先拉闸，检修完以后又合闸，加大了工作量，也降低了断路器的寿命，经济上不合理。
3.按短路给系统带来的影响考虑
采用分段运行方式，显然短路电流会比较小，对限制短路电流起到很明显的作用。
综上所述，该配电所在正常情况下采用分列运行方式，单母分段开关要拉开。
3.2高压配电系统设计
3.2.1高压配电系统的类型
工厂供电系统常用的典型配电方式有放射式，树干式和环式三种。
放射式：
放射式的特点是配电母线上每条馈出线仅给车间变压器、高压电动机以及高压配电所的母线等设备单独供电。
放射式的优点是：
1.供电可靠性较高，故障发生后影响范围小。
2.继电保护装置简单、易于整定且易于实现自动化。
3.运行简单，切换操作方便。
其缺点有：
一旦线路或开关设备发生故障，由该回路供电的负荷将中断供电且难以恢复；配电线路和高压开关柜数量多，投资大。
根据不同的供电可靠性要求，可以选择单回路或者是双回路放射式配电。
（如下图）
树干式：
树干式的特点是一条配电线路沿厂区走线，连接多个用
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