浴盆厂高压供配电系统设计.doc

浴盆厂高压供配电系统设计
※※※※※※※※※
※※
※※
※※
※※※※※※※※※
2009级
工厂供电课程设计

浴盆厂高压供配电系统设计

姓 名
高全福
学 号
20097344
院、系、部
电气工程系
班 号
0953-3
完成时间
2012年6月18日

第1章 负荷计算和无功补偿
工厂电力负荷计算是正确选择供电系统中导线、变压器、无功补偿装置等电气设备的基础，保障供电系统安全可靠运行必不可少的重要环节。
工厂供电系统运行时的实际负荷并不等于所有用电设备额定功率之和。这是因为用电设备不可能全部同时运行，每台设备也不可能全部满负荷，各种用电设备的功率因数也不可能完全相同。因此，工厂供电系统在设计过程中，必须找出这些用电设备的具体工作情况，从而，计算出用电设备的负荷。
1.1　负荷计算
1.1.1　单组用电设备计算负荷的计算公式
(1)有功计算负荷
，（单位为kW），为需要系数
(2)无功计算负荷
（单位为kvar）
(3)视在计算负荷
（单位为kV•A）
(4)计算电流
,（单位为A）
为用电设备的额定电压（单位为kV）
(5)计算功率因数

1.1.2　车间380侧负荷计算
以一车间为例，对其进行负荷计算。
视在计算负荷
计算电流
计算功率因数
其它车间计算方法同上，经计算，可得到各车间380V侧计算负荷，见表1-1。
表1-1　380V侧各车间负荷计算表

序号
车间名称
cos
tan
/kW
/kvar
/kVA
/A
1
一车间
0.80
0.75
420
315
525.00
797.68
2
二车间
0.82
0.70
568
390
689.00
1046.86
3
三车间
0.82
0.70
686
485
840.13
1276.48
4
铸造车间
0.79
0.78
650
508
824.96
1253.43
5
模具车间
0.84
0.65
458
290
542.09
823.64
6
空压站、煤气站
0.83
0.67
582
396
703.95
1069.57
总计

3364
2384

0.81
0.72
3027.6
2217.12
3752.60
5701.65
注：
1.1.3　车间10kV侧负荷计算
经计算，可得各车间10kV侧计算负荷，见表1-2。

表1-2　10kV侧各车间负荷计算表

序号
车间名称
cos
tan
/kW
/kvar
/kVA
/A
1
一车间
0.78
0.80
525.25
341.25
545.24
31.48
2
二车间
0.80
0.75
574.89
424.45
714.60
41.26
3
三车间
0.80
0.75
694.40
527.01
871.74
50.33
4
铸造车间
0.77
0.83
658.25
549.25
857.30
49.50
5
模具车间
0.83
0.67
463.42
317.10
561.53
32.42
6
空压站、煤气站
0.81
0.72
589.04
431.20
730.00
42.15
总计

3405.25
2590.26

0.79
0.78
3064.73
2408.94
3898.15
225.07

注：
1.2.1　无功补偿
工厂中的用电设备在运行过程中，除了消耗有功功率外，还需要大量的无功功率在电源至负荷之间交换，导致功率因数降低，所以一般工厂的自然功率因数都比较低，它给工厂供配电系统造成不利影响[6]。因此，工厂在改善设备运行性能，合理调整运行方式提高自然功率因数的情况下，都需要安装无功功率补偿装置，提高工厂供配电系统的功率因数。
功率因数是供电系统的一项重要技术经济指标，它反映了供电系统中无功功率消耗在系统中所占的比重，反映了供电系统的供电能力。在工厂供配电系统中，一般采用并联电力电容器组的方法来提高功率因数。
1.2.2　无功功率补偿容量
无功功率的人工补偿装置主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电容器在供电系统中应用最为普遍。
该厂380V侧最大负荷时的功率因数只有0.81。而供电部门要求该厂最大负荷时的功率因数不低于0.9。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷时功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量：

参照工厂供电附录表4，得并联电容器为BCMJ0.4-50-3型，采用19台，总共容量为。补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变，而无功计算负荷，补偿后变电所低压侧计算负荷为：

1.2.3　无功补偿后10kV侧的计算负荷
(1)车间变电所变压器损耗功率
有功损耗　
无功损耗　
有功计算负荷　
无功计算负荷　
视在计算负荷　
(2)无功补偿车间功率因数

这一功率因数满足要求。

1.2.4　无功补偿后35kV侧的计算负荷
(1)总降压变电所变压器损耗功率
有功损耗　
无功损耗　
有功计算负荷　
无功计算负荷　
视在计算负荷　
(2)补偿后工厂功率因数

这一功率因数满足要求。
在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为5000kVA，才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T的容量选为4000kVA的就足够了。同时由于计算电流的减少，使补偿点在供电系统中各元件上的功率损耗也相应减小，因此无功补偿的经济效益十分可观。
无功补偿后工厂380V侧、10kV侧和35kV侧的负荷计算如表1-3所示。
表1-3　无功补偿后工厂的计算负荷

项目
cos
计算负荷
/kW
/kvar
/kVA
/A
380V侧补偿前负荷
0.806
3027.6
2217.12
3752.6
5701.65
380V侧无功补偿容量

950

380V侧补偿后负荷
0.92
3027.6
1267
3282
4986.6
车间变压器功率损耗

32.8
164.1

10kV侧负荷计算
0.906
3060.4
1431.2
3378.5
195
主变压器功率损耗

33.8
168.9

35kV侧负荷计算
0.9
3094.2
1600.1
3483
57.5

19

第3章　工厂供配电系统电气主接线设计
供配电主接线又称一次接线，是指将母线、变压器、开关设备、互感器、避雷器、无功补偿装置等一次设备按要求有序地连接起来，以完成电能的输送与分配的电路。主接线表示了一次设备之间的连接关系以及变电所与电力系统之间的关系，但不表示电力设备和变电所在电力系统中的实际地理位置。
3.1　供配电主接线的基本要求
3.1.1　供电可靠性的要求
主接线的设计方案，应尽量避免因设备或线路故障造成电力系统的崩溃或非同步运行，同时要保证电力系统运行的稳定性，避免电压波动等现象。
3.1.2　供电安全性的要求
主接线的设计，应符合国家标准有关技术规范的要求。应保证在任何可能的运行方式下，以及检修方式下运行人员的安全性与设备的安全性。具体设计时应尽量选用单相变压器；架空线路之间尽量避免交叉。
3.1.3　供电灵活性的要求
主接线的设计应满足不同运行方式的要求，可按调度的要求的切除或投入线路和变压器，同时应尽量方便人员对线路或设备进行操作和检修。还要考虑经济的发展和电网的远景规划，设计方案应为供配电系统在未来5年-10年内的发展留下扩建的余地。
3.1.4　供电经济性的要求
在满足安全、可靠、灵活性的前提下，主接线的设计应尽量简单，以节约有色金属和设备的投资。
3.2　供配电系统主接线设计
主接线图常用的是单母线分段接线和单母线接线两种方案。
采用单母线接线的优点是接线简单，使用设备少，操作方便，投资少，便于扩建；
缺点是当母线及母线隔离开关故障或检修时，将造成整个配电装置停电，其可靠性和灵活性均较差。
采用单母线分段接线方案是把单母线分成两段，两段之间装设能够分段运行的开关电器。采用断路器和隔离开关连接的分段母线适用于双回路供电，运行的可靠性和灵活性均较大。
故采用单母线分段接线方案，可以进一步提高供电可靠性，采用工作电源和备用电源两路高压进线，然后经分段母线，由两段母线对二级负荷交叉供电。当工作电源出现故障，失去电压时，备用电源立即自动投入使用。
工厂供配电系统的电气主接线图如图3-1所示。
图3-1　主接线图

第4章 短路电流的计算
短路电流计算的目的是为了选择合理的电气接线图、选择和校验各种电气设备和合理配置继电保护和自动装置
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，将短路计算所需考虑的各元件的额定参数都表示出来，然后，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，计算电路中各主要元件的阻抗值，将等效电路图化简，计算电路中各主要元件的阻抗。
最后计算短路电流和短路容量。
4.1 绘制计算电路图

图4-1　短路计算电路
4.2 计算三相短路电流和短路容量
4.2.1 k-1点的三相短路电流和短路容量（=37kV）
为短路点的短路计算电压（或称平均电压）由于线路首端短路最为严重，因此按线路首端电压考虑，即短路计算电压取为比线路额定电压高5%，根据标准，取标准电压。
4.2.1.1 计算短路电路中各元件的电抗及总电抗
(1)电力系统的电抗：

(2)架空线路的电抗：由表4-2得，因此

表4-1 电力线路每相的单位长度电抗平均值

线路结构
线 路 电 压
35KV及以上
6~10KV
220V/380V
架空线路
0.40
0.35
0.32
电缆线路
0.12
0.08
0.066
(3)绘出k-1点短路的等效电路，如图4-3所示，图上标出个元件的序号（分子）和电抗值（分母），并计算其总阻抗为

k-1

图4-2 短路计算等效电路
4.2.1.2 计算三相短路电流和短路容量
(1)三相短路电流周期分量有效值

(2)三相短路电流次暂态电流和稳态电流
== = 4.7kA
(3)三相短路冲击电流及第一周期短路全电流有效值
=2.55 =2.55×4.7kA=11.9 kA
=1.51=1.51×4.7kA=7.1kA
(4)三相短路容量
= =×37kV×4.7kA=301MV·A
4.2.2 k-2点的三相短路电流和短路容量（=10.5kV）
4.2.2.1 计算短路电路中各元件的电抗及总电抗
(1)电力系统的电抗

(2)架空线路的电抗：

(3)电力变压器的电抗：查表可得因此

(4)绘出k-2点短路的等效电路如图4-4所示，并计算其总阻抗为

k-1
k-2

图4-3 短路计算等效电路
4.2.2.2 计算三相短路电流和短路容量
(1)三相短路电流周期分量有效值

(2)三相短路电流次暂态电流和稳态电流
== = 3.2kA
(3)三相短路冲击电流即第一周期短路全电流有效值
=2.55=2.55×3.2kA=8.2kA
=1.51=1.51×3.2kA=4.8kA
(4)三相短路容量
= =×10.5kV×3.2kA=58MV·A
4.3 短路计算表
表4-2　短路计算表

短路
计算点
三相短路电流/kA
三相短路容量/MV·A

k-1
4.7
4.7
4.7
11.9
7.1
301
k-2
3.2
3.2
3.2
8.2
4.8
58

根据短路计算后所得各个计算点的三相短路电流和三相短路容量，可选出高压架空线路，电缆线路以及母线，正确的选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，保证出现最大短路电流时不致损坏。

第5章 母线及厂区高低压供配电线路的选择校验
5.1　导线和电缆选择的一般原则
(1)发热条件
导线和电缆在通过正常最大负荷电流即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。
(2)电压损耗条件
导线和电缆在通过正常最大负荷电流即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。
(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。
(4)机械强度
导线和电缆的截面不能低于最小允许截面数值，以满足机械强度的要求。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。
5.2　35kV高压架空进线的选择校验
35kV侧高压架空进线导线的截面面积按经济电流密度选择，再按发热条件、机械强度和电压损耗校验。初选为LGJ型钢芯铝绞线。
5.2.1　选择经济截面
工厂总计算负荷为,计算电流为

根据年最大负荷利用小时数，查表得,则导线的经济截面面积为

初选标准面为，即选LGJ-50型钢芯铝绞线。
5.2.2　校验发热条件
查表得LGJ-50型钢芯铝绞线的允许载流量（假设环境温度为40℃），因此满足发热条件。
5.2.3　校验机械强度
查表得35kV架空铝绞线的最小截面,因此所选LGJ-50型钢芯铝绞线满足机械强度要求。
5.2.4　校验电压损耗
利用查表得LGJ型钢芯铝绞线电阻，电抗（线距按1.5m计），因此线路的电压损耗为

线路电压损耗百分值为

因此所选LGJ-50型钢芯铝线满足允许电压损耗要求。
5.3　10kV侧出线的选择校验
主变压器10kV侧引出线由于线路距离较短，因此按发热条件选择截面面积，然后进行热稳定校验。初选为YJL型交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆埋地敷设。
5.3.1　按发热条件选择截面
主变压器10kV侧计算电流,本厂地区土壤一年中最热月平均温度为20℃，查表得初选缆芯截面为的交联聚乙烯绝缘滤芯电力电缆(YJL—3×120型)。其允许载流量满足要求。
5.4　10kV侧配电线路的选择校验
由于厂区面积不大，各车间变电所距离总降压变电所较近，厂区高压配电线路采用电缆线路，直埋敷设。由于厂区线路较短，因此先按发热条件选择截面面积，然后进行热稳定校验。
以一车间为例，馈电给一车间的电缆线路初选用YJL型交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆直接埋地敷设。
一车间10kV侧计算电流为，本厂地区土壤一年中最热月平均气温为20℃，查表得初选缆芯截面为的交联聚乙烯铝芯绝缘电力电缆（YJL—3×25）。其允许载流量满足要求。
因为厂区高压配电线路很短，线路首末两端短路电流相差不大，故以10kV母线上短路时（点）的短路电流进行热稳定校验。
查表得，交联聚乙烯铝芯绝缘电力电缆的热稳定系数，因此最小允许截面为

热稳定不满足要求，改选YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆。
其他车间的配电电缆截面选择校验的过程相似，其选择结果见表5-1。
5.5　做备用电源的高压联络线的选择校验
初选用YJL型交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆，直接埋地敷设，与工厂变配电所的10kV侧母线相连。
5.5.1　按发热条件选择截面
本工厂二级负荷容量为,10kV侧计算电流,最热月土壤平均温度为20℃。查表得，初选缆芯截面为交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆，其满足发热条件。
以上所选工厂供配电系统进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表5-1 所示。

表5-1　厂区高压供配电线路型号规格

线路名称
导线或电缆的型号规格
35kV进线
LGJ—50型钢芯铝绞线（三相三线架空）
10kV出线
YJL—3×120型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
母线
LMY—25×4型矩形铝母线
至一车间引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
至二车间引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
至三车间引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
至铸造车间引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
至模具车间引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
至空压站、煤气站引线
YJL—3×50型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
10kV备用电源线
YJL—3×120型交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（直埋）
第6章　高低压侧设备的选择
6.1　高压侧设备选择原则和方法
高压设备选择的一般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。
6.1.1　高压侧设备的选择原则
(1)按工作电压选择
设备的额定电压一般不应小于所在系统的额定电压，即，高压设备的额定电压应不小于其所在系统的最高电压，即。
(2)按工作电流选择
设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流，即。
(3)按断流能力选择
设备的额定开断电流或断流容量，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值或短路容量，即
或
对于分断负荷设备电流的设备来说，则为，为最大负荷电流。
(4)短路动稳定度的校验条件
或
式中，、分别为电器的动稳定电流峰值和有效值，、分别为电气设备所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值。
(5)短路热稳定度的校验条件

式中，为电气设备在时间t内的热稳定电流（kA）；t为电气设备的热稳定试验时间（s）；为发热假想时间（s）。

根据以上分析，35kV侧高压设备选择校验列出表6-1。
表6-1　35kV一次设备的选择校验

选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
结论
装置地点条件
参数

数据
35kV
57.5A
4.7kA
11.9kA
=48.60

35kV侧设备型号规格
额定参数

高压隔离开关GW2-35G/600
35kV
600A
20kA
42kA

合格
高压少油断路器SW2-35/1000
35kV
1000A
16.5kA
45kA

合格
高压熔断器RW1-35/60
35kV
60A
-
-
-
合格
电压互感器JDJJ2-35
35kV
-
-
-
-
合格
电流互感器LCW-35油浸户外式
35kV
100/5A
-
14.14kA

42.25
合格
避雷器FZ-35
35kV
-
-
-
-
合格
6.2　10kV侧高压设备选择校验
10kV侧高压设备选择校验列出表6-2。

表6-2　10kV侧设备的选择校验

选择校验项目
电压
电流
断流能力
动稳定度
热稳定度
结论
装置地点条件
参数

数据
10kV
195A
3.2kA
8.2kA
=17.41

10kV侧设备型号规格
额定参数

高压少油断路器SN10-10Ⅰ/630
10kV
630A
16kA
20kA

合格
高压隔离开关GN6-10T/200
10kV
200A
10kA
25.5kA

合格
高压熔断器 RN2-10/200
10kV
200A
-
-
-
合格
电压互感器JSZJ-10
10kV
-
-
-
-
合格
电流互感器 LAJ-10
10kV
200/5A
-
=63.63kA

=324
合格
避雷器FS-10
100kV
-
-
-
-
合格

第7章　二次回路方案的选择
在供配电系统的运行过程中，往往由于电气设备的绝缘损坏、操作维护不当以及外力破坏等原因，造成系统故障或不正常的运行状态。在供配电系统中最常见的故障和不正常的运行状态为断线、短路、接地及过载。为了保证供配电系统的安全可靠运行，避免过载引起的过电流或短路产生的故障电流对系统的影响，在供配电系统中需装设不同类型的保护装置。保护装置的任务：一是故障时跳闸；二是异常状态发出报警信号。根据继电保护装置所担负的任务，它必须满足以下四项基本要求，即选择性、速动性、可靠性和灵敏性。
根据本厂需要，应对工厂供配电系统如下设备安装继电保护装置：35kV电源进线保护、主变压器保护、母线保护以及10kV馈电线路保护。

7.1　计量表的选择
变电所的电能计量回路：变电所高压侧装设专用计量柜，装设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能表和无功电能，并以计算每月工厂的平均功率因数。计量柜由上级供电部门加封和管理。变压器容量为4000kV•A，应采用0.5级的有功电能表，和2.0级的无功电能表。并且应分别配用0.2级的互感器和1.0级的互感器。
7.2　绝缘监视装置
35kV系统的绝缘监视装置，可采用三个单相双绕组变压器和三个电压表，当一次电路某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，其他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线发生了单线接地故障。

图7-1 绝缘监视电路
7.3　备用电源自动投入设计电路图
工作原理：图7-1是说明备用电源自动投入基本原理的电气简图。假设电源进线WL1在工作，WL2为备用，其断路器QF2断开，但其两侧隔离开关（图上未绘出）是闭合的。当工作电源WL1断电引起失压保护动作使QF1跳闸时，其常开触点QF1 1-2断开，使原来通电动作的时间继电器KT断电，但其延时断开触点尚未及断开，这时QF1的另一常闭触点3-4闭合，从而使合闸接触器KO通电动作，使断路器QF2的合闸线圈YO通电，使QF2合闸，投入备用电源WL2，恢复对变配电所的供电。备用电源WL2投入后，KT的延时断开触点断开，切断KO的回路，同时QF2的连锁触点1-2断开，切断YO回路，防止YO长时间通电（YO是按短时大功率设计的）。

图7-2备用电源自动投入基本原理的电气简图

第8章 工厂供配电系统的防雷及接地
8.1　工厂供配电系统的防雷保护
变配电所的防雷保护主要包括两个重要方面：一是要防止变配电所建筑物和户外配电装置遭受直击雷；二是防止过电压雷电波沿输电线路侵入变电所，危及变配电所电气设备的安全[11]。
8.1.1　直接防雷保护
为防御直击雷，在工厂总降压变电所内设置避雷针。避雷针的功能实质是引雷作用。由于避雷针安装高度高于被保护物，因此当雷电临近地面时，它可以改变雷电的通道方向，吸引到避雷针本身上，然后经与避雷针相连的引下线和接地装置将雷电流泄放到大地中去。根据“滚球法”计算出避雷针的装设高度，其装设高度应使其防雷保护范围包围整个变配电装置建筑。
8.1.2　雷电侵入波的防护
为防止线路侵入的雷电波过电压，在工厂总变电所35kV进线杆塔前装设500m架空避雷线，同时在进线断路器前装设一组FZ—35型避雷器。在10kV母线的两段上各装设一组FS—10型避雷器。
第9章 设计总结
本课题是对浴盆厂的高压供配电系统进行了综合化的电气设计，通过本次设计，我不仅加深了对所学理论知识的理解掌握,而且通过查阅相关资料学到了很多书本上没有的知识，了解了工程设计的一般方法和原则。在设计的过程中我发现了自己的许多不足之处：对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，所学到的理论知识无法真正充分的运用到实际设计中，一些电气设计相关知识的欠缺。通过查阅资料和请教老师，我顺利完成了课程设计。
通过本次设计，我深深体会到了理论与实际相结合的重要性。只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，学以致用，才能真正的解决实际中的问题，从而提高自己的实际动手能力、独立思考的能力和创新能力。

参考文献
[1] 刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2] 刘介才.工厂供电简明技术手册[M].北京:机械工业出版社,1993.
[3] 刘介才.工厂供电设计指导[M].北京:中国电力出版社,1998.