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某机械厂供配电系统的电气设计

摘要：

工厂供电系统就是将电力系统的电能降压再分派电能到各个厂房或车间中去，它由工厂降压变电所，高压配电线路，车间变电所，低压配电线路及用电设备组成。

工厂总降压变电所及配电系统设计，是按照各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，和负荷布局，结合国家供电情形解决对各部门的安全靠得住，经济技术的分派电能问题。

其大体内容有以下几方面：

进线电压的选择,变配电所位置的电气设计,短路电流的计算及继电保护，电气设备的选择,车间变电所位置和变压器数量、容量的选择,防雷接地装置设计等。

关键词：

工厂供电系统；工厂降压变电所；继电保护；防雷接地装置设计

AFactoryForElectricalPowerDistributionSystemDesign

MechanicalandElectronicEngineeringLiMeihai

TutorZhouJinglei

Abstract：

Factorypowersupplysystemisthepowersupplyofelectricitybucktodistributeelectricitytothefactoriesandworkshopstoitbythefactorybucktransformersubstations,highVoltagepowertransmissionlines,workshoptransformersubstations,lowpowertransmissionlinesandelectricequipment.Totalfactorybucktransformersubstationsanddistributionsystemisdesignedtoloadtheworkshopofthenumberandnatureoftheloadontheproduction,distributionandload,togetherwiththenationalpowersupplyinthedepartmentsofthesafeandreliable,economicandtechnologicalpowerdistribution.Thebasiccontentofthefollowingaspects,tochoosethelineVoltage,changethepositionoftheelectricaldistributiondesign,thecurrentcalculationandshortcircuitinpower,thechoiceelectricalequipment,workshopandtransformersubstationslocation,numberofoptionscapacity,minegroundingdevicedesign.

Keywords：

Factoryelectricitysupplysystem；Step-downsubstationplant；Relay；LightningGroundingDevice

引言

工厂供电，即指工厂所需电能的供给和分派，亦称工厂配电。

　　电能是现代工业生产的主要能源和核心动力。

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给用；电能的输送的分派既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产进程自动化。

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普遍。

　　在企业工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，可是它在产品本钱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，并非在于它在产品本钱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能够大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产本钱，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产进程自动化。

从另一方面来讲，若是工厂的电能供给突然中断，则对工业生产可能造成严峻的后果。

　　可见，做好工厂供电工作对于进展工业自动化生产，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。

　　工厂供电工作要专门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，并确实做好节能环保工作，就必需达到以下大体要求

：

（1）安全：

在电能的供给、分派和利用中，不该发生人身事故和设备事故。

（2）靠得住：

应知足电能用户对供电靠得住性的要求。

　　（3）优质：

应知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。

　　另外，在供电工作中，应合理地处置局部和全局、当前和久远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能保全大局，适应社会的进展。

为了保证工厂供电的正常运转，就必需要有一套完整的保护、监视和测量装置。

目前多以采用自动装置，将运算机应用到工厂配电控制系统中去。

　　工厂供电设计的一般原则

　　依照国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50053-94《10kV及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等的规定，进行工厂供电设计必需遵循以下原则

：

（1）遵守规程、执行政策；

　　必需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）安全靠得住、先进合理；

应做到保障人身和设备的安全，供电靠得住，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、考虑进展；

　　应按照工作特点、规模和进展计划，正确处置近期建设与远期进展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。

　　（4）全局动身、统筹兼顾。

按负荷性质、用电容量、工程特点和地域供电条件等，合理肯定设计方案。

工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部份。

工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及进展。

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。

1工厂进线电压的选择

1．1电压损耗条件

导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗

，不该超过其正常运行时允许的电压损耗。

即设计线路时，高压配电线路的电压损耗一般不超过线路额定电压的5%。

　　对于输电距离较长或负荷电流较大的线路，必需按工厂设计的基础资料来选择或校验。

电压损耗

式中，△UAC——线路实际的电压损耗；

　　P、Q——干线上总的有功负荷和无功负荷；

　　l——线路的长度；

　　R0、X0——线路单位长度的电阻和电抗；

　　UN——线路的额定电压。

对于架空线路可取X0=Ω/km。

1．2机械厂设计基础材料

机械厂东北方向6km处有一地域降压变电所，用一台110/35/10kV，1×25MV·A的变压器作为工厂主电源，允许用35kV或10kV的一种电压，以一回架空线向工厂供电。

此处正北方向有其他工厂引入10kV电缆作为备用电源，平时不准投入，只有在该厂的主供电源发生故障或检修时提供照明及部份重要负荷用电，输送容量不得超过1000KV·A。

35kV侧系统的最大三相短路容量为1000MV·A，最小三相短路容量为500MV·A。

供电部门对功率因数cosφ的要求：

当以35kV供电时，cosφ=;当以10kV供电时，cosφ=。

表1-1机械厂的基础材料

配电计量点名称

设备台数n

设备容量nP

计算有功功率Pis

计算无功功率Qjs

计算视功功率Sojs

计算电流Iis

功率因数cosφ

平均有功功率Ppj

平均无功功率Qpj

有功功率损耗△Pb

无功功率损耗△Qb

变压器容量Seb

一

车间

1419

470

183

506

770

345

138

630

二

车间

177

2223

612

416

744

1130

512

348

800

三

车间

194

2511

735

487

896

1360

628

420

1000

锻工车间

1755

920

276

957

1452

632

190

1000

机修车间

1289

496

129

510

775

400

104

630

空压锅炉煤气

1266

854

168

872

1374

633

125

1000

全厂总负荷

604

10463

4087

1659

4485

6811

—

3159

1325

5000

1．3工厂常常利用架空线路裸导线型号

及选择

①铝绞线（LJ）。

户外架空线路采用的铝绞线导电性能好，重量轻，对风雨作用的抵抗力强，但对化学侵蚀作用的抵抗力较差，多用在10kV及以下线路上，其杆距不超过100～125m。

②钢芯铝绞线（LGJ）。

此种导线的外围用铝线，中间线芯用钢线，解决了铝绞线机械强度差的缺点。

由于交流电的趋肤效应，电流实际上只从铝线通过，所以钢芯铝绞线的截面面积是指铝线部份的面积。

在机械强度要求较高的场所和35kV及以上的架空线路上多被选用。

③铜绞线（TJ）。

铜绞线导电性能好，对风雨及化学侵蚀作用的抵抗力强，但造价高，且密度过大，选用要按如实际需要而定。

1．4方案初定及经济技术指标的分析

目前机械厂东北方向6km处有一地域降压变电所，用一台110/35/10kV、1×25MV·A的变压器作为工厂主电源，允许用35kV或10kV的一种电压，以一回架空线向工厂供电。

按照本厂所能取得的电源及本厂用电的实际情形，并适当考虑到工厂生产的进展，依照安全靠得住，技术先进，经济合理的要求，综合上述资料进行考虑分析两方案如下：

方案一：

采用35kV电压供电的特点

一、供电电压较高，线路的功率损耗较小，年运行费用较低；

二、电压损失小，调压问题容易解决；

3、对功率因数cosφ的要求较低，能够减少高功率因数补偿设备的投资；

4、需要建设总降压变电所，工厂供电设备便于集中控制管理，易于实现自动化，但要多占必然的土地面积；

五、按照运行统计数据，35kV架空线路的故障率比10kV架空线路的故障率低一半，因此供电靠得住性高；

六、有利于工厂进一步扩展。

方案二：

采用10kV电压供电的特点

一、不需投资建设工厂总降压变电所，并少占土地面积；

二、工厂内不装设主高压器，可简化接线，便于运行操作；

3、减轻保护工作量，减少管理人员；

4、供电电压较35kV低，会增加线路的功率损耗和电能损耗，线路的电压损失也会增大；

五、要求的功率因数cosφ值高，要增加补偿设备的投资；

六、线路的故障率比35kV的高，即供电靠得住性不如35kV.

方案一：

正常运行时以35kV单回路架空线路供电，由邻厂10kV电缆线路作为备用电源。

按照设计基础资料全厂计算负荷情形，S30=4485kV·A，且只有少数的负荷为二级负荷，大多数为三级负荷，故拟厂内总降压变电所装设一台容量为5000kV·A的变压器，型号为SJL1-5000/35型，电压为35/10kV,查产品样本，其有关技术参数为：

△P0=,△Pk=45kW,Uk=7,I0=。

变压器的功率损耗：

有功功率损耗

无功功率损耗

35kV线路功率等于全厂计算负荷与变压器功率损耗之和。

考虑到本厂负荷的增加是逐渐的,为了节约有色金属消耗量,按允许发烧条件选择导线截面,而未采用经济电流密度选择导线截面。

查有关手册或产品样本,选择钢芯铝铰线LGJ-70,其允许电流为275A＞I´30=101.05A知足要求。

该导线单位长度电阻R0=Ω/km,单位长度电抗X0=Ω/km。

35kV线路电压损失为（线路长度L=6km）:

符合要求。

查相关设计手册

通过计算,35kV供电的投资费用Z1见表1-2,年运行费用F1见表1-3。

表1-235kV的投资费用Z1

项目

说明

单价

数量

费用/万元

线路综合投资

LGJ-70

万元/km

6km

变压器综合投资

SJL-5000/35

12万元

1台

35kV断路器

SW2-35/1000

万元

1台

避雷器及互感器

FZ-35，JDJJ-35

万元

各1台

附加投资

3I´302R0l+△PT

=3×××6+

万元/km

130.7km

合计

表1-335kV供电的年运行费用F1

项目

说明

费用/万元

线路折旧费

按线路投资的5%计,×5%

气设备折旧费

按设备投资的8%计,（12++×8%

线路电能损耗费

△FT=3I´302R0lτβ×10-3=3×××6×2300××10-3

变压器电能损耗费

△FT=[8760△P0+△PK（S30/SN）2τ]β

=[8760×+45×（4485/5000）2×2300］×

基本电价费

每年有效生产时间为10个月,5000×10×4

合计

方案二:

采用10kV电压供电,厂内不设总降压变电所,即不装设变压器,所以无变压器损耗问题。

此时,10kV架空线路计算电流

不符合要求。

为使两个方案比较在同一基础上进行,也按允许发烧条件选择导线截面。

选择LGJ-70钢芯铝绞线,其允许载流量为275A,R0=Ω/km,X0=Ω/km。

10kV线路电压损失为（线路长度l=6km）:

不符合要求。

10kV供电的投资费用Z2见表1-4，年运行费用F2见表1-5。

表1-410kV供电的投资费用Z

项目

说明

单价

数量

费用/万元

线路综合投资

LGJ-70

万元/km

6km

附加

3I302R0l=3×××6×10-3

万元/km

555.22km

合计

表1-510kV供电的年运行费用F2

项目

说明

费用/万元

线路拆旧费

以线路投资的5%计，×5%

线路电能损耗费

△F1=3I302R0l=3×××6×10-3

合计

在上述各表中,变压器全年空载工作时刻为8760h;最大负荷利用小时Tmax=4000h;最大负荷损耗小时τ可由Tmax=4500和cosφ=查有关手册中τ-Tmax关系曲线，得出τ=2300h;β为电度电价（35kV时，β=元/kW·h；10kV时，β=元/kW·h）。

由上述分析计算可知,方案一较方案二的投资费用及年运行费用均少.而且方案二以10kV电压供电,电压损失达到了极为严峻的程度,无法知足二级负荷长期正常运行的要求。

因此,选用方案一,即采用35kV电压供电,成立厂内总降压变电所,不论从经济上仍是从技术上来看,都是合理的。

2总降压变电所的位置电气设计

2．1变配电所所址选择的一般原则

变配电所所址的选择，应按照下列要求

并经技术经济分析比较后肯定。

①尽可能接近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。

②进出线方便，专门是要便于架空进出线。

③不该妨碍企业的进展，有扩建的可能。

④接近电源侧，专门是工厂的总降压变电所和高压配电所。

⑤设备运输方便，专门是要考虑电力变压器和高低压成套配电装置的运输。

⑥不该设在有猛烈震动或高温的场所，无法避开时，应有相应的保护办法。

⑦不宜设在多尘或有侵蚀性气体的场所，无法远离时，不该在污染源的下风侧。

⑧不该设在茅厕、浴室和其它常常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相邻。

⑨不该设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方。

当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国标GB50058-1992的规定。

⑩不该设在地势低洼和可能积水的场所。

2．2结合方案要求设计位置图

按照前面已肯定的供电方案,结合本厂区平面示用意,考虑总降压变电所尽可能接近负荷中心,且远离人员集中区,不影响厂区面积的利用,有利于安全等诸多因素,拟将决降压变电所设在厂区东北部,如图2-1所示。

图2-1变电所平面布置图

按照运行而要,对总降压变电所提出以下要求:

一、总降压变电所装设一台5000kV·A、35/10kV的降压变压器，与35kV架空线路接成一线路-变压器组。

为便于检修、运行、控制和管理，在变压器高压侧进一处应设置高压断路器。

二、按照规定，备用电源只有主电源线路及变压器有故障或检修时才允许投入，因此备用10kV电源进线断路器在正常工作时必需断开。

3、变压器二次侧（10kV）设置少油断路器，与10kV备用电源进线断路器组成备用电源自动投入装置（APD），当工作电源失去电压时，备用电源当即自动投入。

4、变压器二次侧10kV母线采用单母线分段接线。

变压器二次侧10kV接在分段I上，而10kV备用电源接在分段Ⅱ上。

单母线分段联络开关在正常工作时闭合，重要二级负荷可接在母线分段Ⅱ上，在主电源停止供电时，不至于使重要负荷的供电受到影响。

五、本总降压变电所的操作电源来自备用电源断路器前的所用变压器。

当主电源停电时，操作电源不至于停电。

六、用双母线供电，当有一根母线出故障或需要检修时，能够用另一根母线投入利用，以避免影响到工厂的生产。

按照以上要求设计总降压变电所的主接线如图2-2所示。

3短路电流的计算及继电保护

3．1短路电流的计算

短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，和进行继电保护装置的整定计算。

为了选择高压电气设备，整定断电保护，需计算总降压变电所的35kV侧、10kV母线和厂区高压配电线路结尾（即车间变电所10kV母线）的短路电流，别离为k-一、k-2和k-3点。

但因工厂厂区不大，总降压变电所到最远车间的距离不过数百来，因此总降压变电所10kV母线（k-2点）与厂区高压配电线路结尾处（k-3点）的短路电流值不同极小，所以只计算主变压器高、低压侧k-1和k-2两点短路电流。

1、求各元件电抗（用标幺制法

计算）

设基准容量Sa=100MV·A

基准电压Ud1=37kV,Ud2=

基准电流

a电力系统电抗

当S3=1000MV·A时,

当S3=500MV·A时，

b架空线路电抗

c主变压器电抗

二、k-1点三相短路电流计算

系统最大运行方式时，总电抗标幺值

系统最小运行方式时，总电抗标幺值

因此系统最大运行方式时，三相短路电流及短路容量各为

而最小运行方式时，三相短路电流及短路容量各为

3、k-2点三相短路电流的计算

系统最大运行方式时

系统最小运行方式时

因此系统最大运行方式时,三相短路电流及短路容量各为

而最小运行方式时，三相短路电流及短路容量各为

3．2继电器保护的整定

对于线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电保护和瞬机会构，使断路器跳闸，切除短路故障部份。

对于单相接地保护可采用绝缘监视装置，装设在变配电所的高压母线上，动作于信号。

原则

：

带时限过电流保护的动作电流Iop,应躲过线路的最大负荷电流；电流速断保护的动作电流即速断电流Iqb应按躲过它所保护线路的结尾的最大短路电流来整定。

变压器过电流保护和速断保护：

继电器采用DL-15/10，动作时限设为1S。

它的变相较：

Ki=5000/35=143所以采用150/5A，

计算电流：

过电流保护:

整定动作电流为9A，过电流保护一次侧动作电流为：

灵敏度校验：

过电流保护整定知足要求。

速断保护：

速断电流倍数整定为

整定动作倍数倍，

灵敏度校验：

过电流速断保护整定知足要求。

4电气设备的选择

按照上述短路电流计算结果，按正常工作条件

和短路情形校验肯定的总降压变电所高、低压电气设备如下：

（1）主变35kV侧设备如表4-1所示。

表4-135kV侧电气设备

设备名称及型号

计算数据

高压断路器SW2-35/100

隔离开关JDJJ-35

电压互感器LCW-35

电流互感器

LCW-35

避雷器/（MV·A）

U=35kV

35kV

I30=SN/UN1=82.48A

1000A

600A

150/5

I3（k-1）=

S3（K-1）=·A

1500MV·A

I3sh=

50kA

100×

×150=

I3τmax=×

I2tt=*4"

142*5"

I2tt=（65×2*1"

（2）主变10kV侧设备（主变压器低压侧及备用电源进线）如表4-2所示。

该设备别离组装在两套高压开关柜GG-1A（F）中。

其中10kV母线按经济电流密度选为LMY-3（50×5）铝母线，其允许电流740A大于10kV侧计算电流288.7A，动稳固和热稳固均知足要求10kV侧设备的布置、排列顺序及用途。

表4-210kV侧电气设备（变压器低压侧及备用电源进线）

设备名称及型号

计算数据

高压断路器

SN10-10I/600

隔离开关

GN8-10T/600

电流互感器

LAJ-10/D

隔离开关

GN6-10T/600

备注

U=10kV

10kV

采用

GG-1A（F）

高压开关柜

I30=SN/UN2=288.7A

600A

400/5，300/5

600A

I3（K-2）=

16kA

30kA

I3（K-2）=·A

300MV·A

I3sh=

40kA

52kA

180×=57kA

52kA

I32τmax=×

I2tt=162*2"

202*5"

（100×2*1"

202*5"

（3）10kV馈电线路设备选择。

以一车间的馈电线路为例，10kV馈电线路设备如表4-3。

表4-310kA馈电线路设备

设备名称及型号

计算数据

高压断路器

SN10-10I/600

隔离开关

GN6-10T/600

电流互感器

LDC-10/

电力电缆

ZLQ20-10-3*25

U=10kV

10kV

I30=SN/UN2=

600A

300/5

80A

I3（K-2）=

16kA

30kA

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