学士学位论文--工厂供配电系统设计.doc

工厂供配电系统设计

河南职业技术学院

毕业设计（论文）

题 目 工厂供配电系统设计

系（分院）电气工程系
学生姓名 喻文艳
学 号 11112112
专业名称 电气自动化
指导教师 尹飞凰

2013 年 11 月 8 日

15

工厂供配电系统设计

摘要：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；电能在工业生产中的重要性，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。因此，所以工厂企业供配电的电路设计要联系到各个方面，负荷计算及无功补偿，变压器的型号、容量和数量的分配；短路的计算、设备的选择、线路的分配和设计等方面进行设计分析，把最好的供配电设计应用到现实生产中来，为经济的发展做出最好的服务。
关键词：配电所 电力负荷 功率补偿 短路电流

目 录
1 工厂供电概述 3
1.1 工厂供电的意义和要求 3
1.2 设计内容及步骤 3
2 负荷计算及功率补偿 5
2.1 负荷计算的内容和目的 5
2.2 负荷计算的方法 5
3 变配电所选型及总体布置 7
3.1 变配电所位置的选择 7
3.2 变电所总体布置要求 7
4短路计算 8
4.1 短路电流计算的目的及方法 8
4.2 短路电流计算 9
5 主要电气设备选择 12
5.1 电气设备选择的条件 12
5.2 高压设备的选择要求 13
6电测量仪表与绝缘监视装置 14
6.1 电测量仪表 14
6.2 绝缘监视装置 14
7 供电系统电气原理图及说明 14
8结束语 17
9参考文献 17

1 工厂供电概述
1.1 工厂供电的意义和要求
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。
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。
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。
1.2 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，接合国家供电情况，解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题，以电子厂为例，其基本内容有以下几方面。
1.2.1 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。
1.2.2 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，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，接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。
1.2.3 工厂总降压变电所主接线设计
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，即要安全可靠又要灵活经济、安装容易、维修方便。
1.2.4 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，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接构与敷设方式设计。 用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位。
1.2.5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。
1.2.6 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。
1.2.7 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、开关柜等设备。
2 负荷计算及功率补偿
2.1 负荷计算的内容
2.1.1 计算负荷
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。
2.1.2 平均负荷
平均负荷指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。
2.2 负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、二项式等几种。本设计由于设备台数比较多，而单台设备容量相差不大所以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: S30 = P30/Cosφ
计算电流: I30 = S30/UN
下表是该电子厂的各个车间负荷的情况：

序号
车间名称
设备用量
（KW）
计算负荷
变压器容量
P30 (KW)
Q30 (Kvar)
S30 (KV.A)

1
空调机房（一）
246.5
172.6
129.4
215.8
1*400
2
厂务公用站房
338.2
236.8
177.6
296
3
TG车间
3704.6
2963.7
1837.5
3486.7
4
锅炉房
142.6
107
80.2
133.8
1*400
5
水泵房
320.9
208.6
156.5
278.1
6
污水处理厂
67
53.6
47.2
68.7
7
TA车间
2377.4
951
190.2
970
8
空压站
607
534.2
470.1
712.3
1*400
9
空调机房（二）
368
257.6
193.2
322
10
冷冻机（1）
561
392.7
345.6
523.6
11
冷冻机（2，3）
1122
785.4
691.1
1047.2
1*400
12
制冷站
450
315
236.2
393.8
13
照明用电
634.4
507.5
243.6
243.6

2.2.1 全厂负荷计算
取K∑p = 0.95; K∑q = 0.97
根据上表可算出：∑P30i = 7485.7kW; ∑Q30i = 4798kvar
则 P30 = K∑P∑P30i = 0.95×7485.7kW = 7111kW
Q30 = K∑q∑Q30i = 0.97×4798.4kvar = 4654kvar
S30 =≈8499KV·A
I30 = S30/UN ≈140 A
Cosφ= P30/S30 = 7111/8499≈0.84
3 变配电所选型及总体布置
3.1 变配电所位置的选择
变配电所所址选择的一般原则:
1、尽量靠近负荷中心；
2、尽量靠近电源侧；
3、进出线方便；
4、尽量避开污染源，或者在污染源上方口；
5、尽量避开振动、潮湿、高温及有易燃易爆物品的场所；
6、设备运输方便；
7、有扩建和发展的余地；
8、高压配电所与邻近车间的变电所合建。
3.2 变电所总体布置要求
3.2.1 便于运行维护和检修
有人值班的的变配电所，一般应设置值班室。值班室应靠近高低压配电室，而且有门直通。如值班室靠近高压配电室有困难时，则值班室可经走廊与高压配电室相通。
值班室也可以与低压配电室合并，但在放置值班工作桌的一面或一端，低压配电装置到墙的距离不应小于3m。
主变压器应靠近交通运输方便的马路侧。条件许可的，可单设工具材料室或维修间。
昼夜值班室的变配电所应设休息室。有人值班的独立变配电所，宜设有厕所和给排水设施。
3.2.2 保证运行安全
值班室内不得有高压设备，值班室的门应朝外开。高压低压配电室的电容室的门应朝值班室开或朝外开。
变压器室的大门应朝马路开，但应避免朝向露天仓库。在炎热地区应避免朝西开门。
变电所宜单层布置。当采用双层布置时，变压器应设在底层。
高压电容器组一般应装设在单独的房间内，但数量较少时，可装设在高压配电室内，低压电容器组可装设在低压配电室内，但数量较多时，宜装设在单独的房间内。
所以带电部分离墙和离地的尺寸以及各室维护操作通道的宽度等，均应符合有关的规程的要求，以确保运行安全。
3.2.3 便于进出线
如果是架空进线，则高压配电室宜位于进线侧。
考虑变压器低压出线通常是采用矩形裸母线，因此变压器的安装位置，即为变压器室，宜靠近低压配电室。
低压配电室宜位于其低压架空出线侧。
3.2.4 节约土地和建筑费用
值班室可以与低压配电室合并，这时低压配电室面积适当增大，以便安置值班室的桌子或控制台，满足运行值班的要求。
高压开关柜不多于6台时，可与低压配电屏设置在同一房间内，但高压柜与低压屏的间距不得小于2m。不带可燃性油的高、低压配电装置和非油浸电力变压器，可设置在同一房间内。
高压电容器柜数较少时，可装设在高压配电室内。
周围环境正常的变电所，宜采用露天或半露天变电所。
高压配电所应尽量与邻近的车间变电所合建。
3.2.5 适应发展要求
变压器室应考虑到扩建时有更换大一级容量的变压器的可能。高低压配电室内均应留有适当数量开关柜的备用位置。即要考虑到变电所留有扩展的余地，又要不妨碍工厂或车间今后的发展。
4 短路计算
4.1 短路电流计算的目的及方法
短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。
进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。
接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺值法（又称相对单位制法）。
4.2 短路电流计算
本设计采用标幺值法进行短路计算
4.2.1 在最小运行方式下：
绘制等效电路如图6-1，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。

图4-1 等效电路
1、确定基准值
取Sd =100MV·A,UC1=60KV,UC2=10.5KV
而Id1 = Sd /U C1 =100MV·A/(×60KV) =0.96KA
Id2 = Sd /UC2 =100MV·A/(×10.5KV) =505KA
2、计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（SOC = 310MV·A）
X1* = 100KVA/310=0.32
2）架空线路（XO = 0.4Ω/km）
X2* = 0.4×4×100/ 10.52=1.52
电力变压器（UK% = 7.5）
X3* = UK%Sd/100SN = 7.5×100×103/(100×5700) =1.32
3、求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ(K-1)= X1*＋X2*= 0.32+1.52=1.84
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-1(3) = Id1/X*Σ(K-1)= 0.96/1.84 =0.52
3）其他三相短路电流
I"(3) = I∞(3) = Ik-1 (3) = 0.52KA
ish(3) = 2.55×0.52KA = 1.33KA
Ish(3) = 1.51×0.52 KA= 0.79KA
4）三相短路容量
Sk-1(3) = Sd/X*Σ(k-1) =100MVA/1.84=54.3
4、求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ(K-2) = X1*＋X2*＋X3*// X4* =0.32+1.52+1.32/2=2.5
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-2(3) = Id2/X*Σ(K-2) = 505KA/2.5 = 202KA
3）其他三相短路电流
I"(3) = I∞(3) = Ik-2(3) = 202KA
ish(3) = 1.84×202KA =372KA
Ish(3) =1.09×202KA = 220KA
4）三相短路容量
Sk-2(3) = Sd/X*Σ(k-1) = 100MVA/2.5 = 40MV·A
4.2.2 在最大运行方式下：
绘制等效电路如图4-2，图上标出短路计算点。

图4-2 等效电路
1、确定基准值
取 Sd = 1000MV·A,UC1=60KV,UC2= 0.5KV
而 Id1 = Sd /UC1=1000MV·A/(×60KV) =9.6
Id2 = Sd /UC2 =1000MV·A/(×10.5KV)=55KA
2、计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统（SOC = 1338MV·A）
X1*=1000/1338=0.75
2）架空线路（XO = 0.4Ω/km）
X2* = 0.4×4×1000/602 =0.45
3）电力变压器（UK% = 4.5）
X3* = X4* = UK%Sd/100SN = 4.5×1000×103/(100×5700) = 13.2
3、求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1）总电抗标幺值
X*Σ(K-1) = X1*＋X2* = 0.75+0.45=1.2
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-1(3) = Id1/ X*Σ(K-1)= 9.6KA/1.2 =8KA
3）其它三相短路电流
I"(3) =I∞(3)=Ik-1(3)=8KA
ish(3) =2.55×8KA=20.4KA
Ish(3) =1.51×X*Σ(K-1)8KA =12.1KA
4）三相短路容量
Sk-1(3) =Sd/X*Σ(k-1)=1000/1.2=833MVA
4、求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量
1)总电抗标幺值
X*Σ(K-2)=X1*＋X2*＋X3*∥X4* = 0.75＋0.45＋13.2/2=7.8
2）三相短路电流周期分量有效值
IK-2(3) =Id2/X*Σ(K-2) =55KA/7.8=7.05KA
其他三相短路电流
I"(3) = I∞(3) = Ik-2(3) =7.05KA
ish(3)=2.55×7.05KA=17.98KA
Ish(3)=1.51×7.05KA= 10.65KA
4）三相短路容量
Sk-2(3)=Sd/X*Σ(k-2)=1000/7.05=141.8MV·A
4.2.3 短路电流计算结果：
1、最大运行方式

三相短路电流/KA∞
三相短路容量/MVA
IK(3)
I(3)
I(3) ∞
ish（3）
Ish（3）
SK(3)
K-1点
8
8
8
20.4
12.1
833
K-2点
7.05
7.05
7.05
17.98
10.65
141.8

2、最小运行方式

三相短路电流/KA∞
三相短路容量/MVA
IK(3)
I(3)
I(3) ∞
ish（3）
Ish（3）
SK(3)
K-1点
0.52
0.52
0.52
1.33
0.79
54.3
K-2点
202
202
202
372
220
40

5主要电气设备选择
5.1 电气设备选择的条件
为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线和电缆截面计算时必须满足下列条件。
5.1.1 发热条件
导线和电缆(包括母线)在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。
5.1.2 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，不应超过其正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。
5.1.3 经济电流密度
35KV及以上的高压线路及电压在35KV以下但距离长电流大的线路，其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。所选截面，称为“经济截面”。此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。工厂内的10KV及以下线路，通常不按此原则选择。
5.1.4 机械强度
导线截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。母线也应校验短路时的稳定度。对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。
一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。对长距离大电流及35KV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。
补偿功率因素后的线路计算电流。
5.2 高压设备的选择要求
高压设备选择的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，并各方案经比较优选出开关柜型号及一次接线方案编号，同时确定其中所有一次设备的型号规格。
5.3 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KYN-12型。
6 电测量仪表与绝缘监视装置
6.1 电测量仪表
这里的“电测量仪表”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、优质和经济地运行，工厂供电系统的装置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。
6.2 绝缘监视装置
绝缘监视装置用于小电流接地的系统中，以便及时发现单相接地故障，设法处理，以免故障发展为两相接地短路，造成停电事故。
6～35KV 系统的绝缘监视装置，可采用三相双绕组电压互感器和三只电压表，也可采用三个单相三绕组电压互感器或者一个三相五芯柱三绕组电压互感器。接成Y0的二次绕组，其中三只电压表均接各相的相电压。当一次电路其中一相发生接地故障时，电压互感器二次侧的对应相的电压表指零，其它两相的电压表读数则升高到线电压。由指零电压表的所在相即可得知该相发生了单相接地故障，但不能判明是哪一条线路发生了故障，因此这种绝缘监视装置是无选择性的，只适于出线不多的系统及作为有选择性的单相接地保护的一种辅助装置。
7 供电系统电气原理图及说明
工厂电源进线电压为35KV，先经工厂总降压变电所（一次降压）降为6—10KV的高压配电电压，然后经过车间变电所，降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V。由于电源进线线路较长因而发生故障和停电的机会较多、并且变电所的变压器不需经常切换。所以，总降压变电所一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图。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QS101、QS102先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷的工厂。二次降压的一次侧采用高压式放射式接线，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其他负荷，这种接线方式简捷，操作维护方便，保护简单，便于实现自动化。

供电系统电气原理图

结束语
通过此次的论文，我学到了很多知识，在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就达退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解。
论文完成了，不仅是理论与实践的接合，还让我明白了做学问必须一丝不苟，严禁细致，也得注重团队合作。这将对我以后的学习工作有很大的启迪。总之，在此次论文的写作过程中，我收获很多。此次论文的完成既为大学划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路作了一个很好的开端和铺垫。
最后再次感谢在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们！

参考文献
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[2] 李宗纲 工厂供电设计 吉林科技出版 1985
[3] 苏文成 工厂供电. 中国建筑工业出版社 1981
[4] 芮静康 工业与民用配电设计手册 中国水利水电出版社 2004
[5] 王荣潘 工厂供电设计与实验 天津大学出版社 2002
[6] 周乐挺 工厂供配电技术 高等教育出版社 2007