某机械厂供电系统本科毕业设计.doc

I辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）某机械厂供电系统设计摘 要 本次设计题目为某机械厂供配电系统设计，该系统通过降压变压器与10kv公共电源干线相连，然后向工厂供给电能。本次设计主要内容包括：负荷计算、短路电流计算、变电所选址及变压器选择、电气设备的选择和校验、继电保护装置的选择以及过电压及防雷。在设计的过程中，本人参阅了大量的供配电系统设计、变配电所设计、建筑电气设计规范等相关的规范和设计手册，最后对该工厂供配电系统进行了初步设计。本设计为毕业设计，其目的是通过设计实践，综合运用所学知识，理论联系实际，锻炼独立分析和解决电气设计问题的能力，为未来的工作奠定坚实的基础。关键词： 负荷计算；短路电流计算；变压器；一次设备；继电保护；防雷II辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）A machinery factory supply systems designAbstractThis design topic is the power supply and distribution system for a machinery factory of A city, this system is connected with the public line of 10kV through step-down transformers, and distribute electrical power to A machinery factory of A city.This design main content includes: the charge computation, short-circuit current computation,substation site and transformer selection，selection and verification of electrical equipment，select the protection device，overvoltage and lightning protection ,the disposal and configuration of the transformer substation design. In order to finish the design, I referring to the power supply and distribution design standard, the transformer substation design standard，the electrical design standard of architecture and so on, carry on the preliminary design to this power system. This design is a graduation design .The purpose of this design is to give us a chance of synthetical usage of the knowledge we have learned. Besides, it can train our ability to analyze and solve practical problems in Construct electricity in dependently so that the theory is connected with practice and a solid base is made in favor of future work.Keywords: Load Calculation；Short circuit calculation；transformer；Equipment selection；relay protection；Lightning protectionIV辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）目录1 绪论11.1 工厂供电概述11.2 工厂供电的意义和要求11.2.1工厂供电的意义11.2.2工厂供电的要求21.3 工厂供配电系统的特点21.4 工厂原始资料22 供配电系统负荷计算和无功功率补偿52.1负荷计算的内容和目的52.2电力负荷的分级52.3负荷计算的方法52.4各车间负荷计算72.5无功功率补偿123 变电所的选址及主变压器的选择133.1 变配电所所址选择133.1.1选取变配电所址的一般性原则133.1.2 变配电所的总体布置143.2 变压器的选择143.2.1 变压器台数的选择143.2.2 变电所主变压器容量的选择153.3 变压器的功率损耗153.3.1 变压器的有功功率损耗153.3.2 变压器的无功功率损耗164 短路电流及其计算184.1 概述18 4.1.1短路及其原因184.1.2短路的后果及短路计算的目的184.1.3 短路的形式194.2 短路电流的计算方法194.3 标么值法计算短路电流194.3.1 标么值的概念194.3.2 电力系统各元件电抗标么值的计算204.3.3 绘制计算电路204.3.4 确定短路计算基准值214.3.5 计算短路电路中各元件的电抗标幺值214.3.6 10kV侧三相短路电流和短路容量224.3.7 380V侧三相短路电流和短路容量225 一次设备的选择和校验245.1 一次设备选择与校验条件和项目245.2 一次设备选择依据245.2.1 按正常工作条件选择245.2.2按短路情况进行校验255.3 一次设备的选择校验286 变电所进出线的选择316.1 输电线路的选择316.1.1 导线截面选择的基本原则316.1.2 按发热条件选择导线截面326.1.3 按照经济电流密度选择导线截面336.2 10kV高压进线的选择校验346.3 380V低压母线的选择校验347 继电保护装置的选择与整定357.1对继电保护装置的基本要求357.2 电力变压器的继电保护装置的配置要求367.3 电力变压器的继电保护装置的选择依据367.4 主变压器的继电保护装置的选择388 防雷418.1 过电压及雷电418.2 防雷设备428.3 防雷保护措施428.3.1 架空线路的防雷保护428.3.2 变配电所的防雷保护42结束语43致谢44参考文献：45附录：46第 40 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1 工厂供电概述工厂供电系统就是将电力系统的电能降压再分配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，结合国家供电情况，解决各部分的安全可靠，经济技术的分配电能问题。其基本内容有以下几个方面：进线电压的选择，变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1。1.2 工厂供电的意义和要求1.2.1工厂供电的意义 工厂供电，就是指对工厂所需电能的供应和分配，也称工厂配电。 电能是现代工业生产当中的主要动力和能源。电能既容易由其它形式的能量转化而来，又容易转变为其它形式的能量以提供应用；电能的输送和分配简单经济，便于控制、调节和测量，更有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业企业生产及整个国民经济各个部门当中的应用极为广泛1。在工厂里，电能虽是工业企业生产的主要能源和动力，但它在产品成本中所占比例一般很小（电化工业除外）。例如在机械工业当中，电费开支仅占产品成本的百分之五左右。从投资额来看，一般的机械工厂在供电设备上的投资也仅占总投资金额的百分之五左右。因此，电能在工业生产中的重要性并不是在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而是在于在工业生产实现电气化之后可以大大地增加产量，提高产品的质量，提高劳动生产率，降低劳动生产成本，减轻工人劳动负担，改善工人工作条件，便于实现生产过程自动化1。从另一方面来说，假如工厂的电能供应突然中止，则对工业生产有可能造成极其严重的后果。例如一些对供电标准要求很高的工厂，即便是极短时间的供电终止，也会造成重大设备损坏或造成大量产品报废，更有甚者可能发生重大的人身安全事故，给党、国家和人民造成经济上甚至是政治上的重大损失1。因此，做好工厂供配电工作对于工业生产的发展，工业现代化的实现具有十分重要的意义。1.2.2工厂供电的要求工厂供配电工作要很好地去为工业生产服务，切实保证工厂生产、生活用电的需要，并且做好节约能源工作，就必须达到以下几个基本要求：（1）安全，在电能的输送、分配和使用中，应确保人身和设备安全；（2）可靠，应满足用户对供电可靠性的要求；（3）优质，应满足用户对电压和频率等电能质量的要求；（4）经济，供电系统的投资金额要少，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1。1.3 工厂供配电系统的特点（1）供电半径小而且范围广， （2）负荷类型多而且操作频繁，（3）厂房环境复杂， （4）低压配电线路长等，及复杂又重要1。因此，选择供电方式时应力求简单可靠，按照有色金属消耗量和供电可靠性要求来定，并考虑线路的运行安全和方便，周围环境和线路安装的可靠性1。1.4 工厂原始资料 1.供电电源情况 按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近一条10KV的公用电源干线取得工作电源。该干线的走向参看工厂总平面图。该干线的导线牌号为LGJ-150,导线为等边三角形排列，线距为2m；干线首端距离本厂约8km。干线首端所装设的高压断路器容量为500MVA。此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1.7s。为满足工厂二级负荷的要求，可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为80km，电缆线路总长度为25km。2.气象资料 本厂所在的地区的年最高气温为38，年平均气温为23，年最低气温为-8，年最热月平均最高气温为33，年最热月平均气温为26。年最热月地下0.8m处平均温度为25。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为20天。 3.电费制度 本厂与当地供电部门达成协议，在工厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费制度交纳电费。每月基本电费按主变压器容量计为18元/kVA,动力电费为0.20元/KWh,照明电费为0.50元/KWh。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.92，此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性地向供电部门交纳供电贴费：610kV为800元/kVA。4.地质水文资料 所在地区平均海拔500m，地层以砂土为主，地下水位为2m。厂房编号厂房名称负荷类别设备容量（）需要系数功率因数1铸铁车间动力3000.30.701.02照明60.8102锻压车间动力3500.30.651.17照明80.7103金工车间动力4000.20.651.17照明100.9104电镀车间动力2500.50.80.75照明50.8105 热处理车 间动力1500.60.800.75照明50.8106总装车间动力1800.30.701.02照明60.8107机修车间动力1600.20.651.17照明40.8108锅炉房动力500.70.750.88照明10.8109仓库动力200.40.80.75照明10.81010工具车间动力3600.30.601.33照明70.91011生活区照明3500.70.9 0.48 5.工厂负荷情况 本厂多数车间为两班制，年最大负荷利用小时数为4800h，日前最大负荷持续时间为6h。铸铁车间、电镀车间和锅炉房是二级负荷，其余均为三级负荷。本厂的负荷统计资料表如表1-1所示：表1-1 负荷资料统计表注：铸铁车间、电镀车间和锅炉房为二级负荷，其余均为三级负荷。低压动力设备均为三相，额定电压为380V，电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V。2 供配电系统负荷计算和无功功率补偿2.1负荷计算的内容和目的计算负荷：通过统计负荷求出的、用以按发热条件选择系统中各元件的负荷值，称为计算负荷2。负荷计算是供配电设计的基本依据，计算负荷无论是过大还过小都会影响整个系统的稳定性以及系统中各个电气设备元件的选择使用。不正确的计算负荷有可能会造成一些事故的发生。所以，确定计算负荷就显得尤为重要。2.2电力负荷的分级工厂的电力负荷，按照供配电系统设计规范中规定，按照对供电性质的要求及中断供电造成的事故影响分为三级：（a）一级负荷（first order load）一级负荷为如果中断供电将造成人身伤亡；或者是停电可能在重大场合上造成严重损失，2。（b）二级负荷（second order load）二级负荷为电力供应中断在重要场合上造成比较大的损失者。（c）三级负荷（third order load）三级负荷为除一、二级负荷之外的其它负荷。对供电电源没有额外要求。2.3负荷计算的方法我国主要采用二项式法和需要系数法来确定计算负荷。需要系数法方便简洁，计算结果基本符合实际。一般用于干线、变配电所的负荷计算2。二项式法的应用有很大的限制，适用于机加工车间，受较大容量设备的影响的干线和分支干线的负荷计算2。但是在确定设备较少而容量差别比较悬殊的分支干线的计算负荷时，宜采用二项式法较，并且计算也较简便2。所以，在这里我们采用需要系数法来计算工厂各车间的计算负荷。基本公式：有功计算负荷： （2-1） 无功计算负荷： （2-2） 视在计算负荷： （2-3） 计算电流： （2-4）如果为一台三相电动机，额定电流即为计算电流，即 （2-5）记及同时系数和。对于配电干线，可取： 对于低压母线，又可以分两种情况（a） 由计算负荷直接加在一起来计算时，可取： （b）由干线负荷直接相加计算时，可取： 总的有功负荷、无功负荷、视在计算负荷为： （2-6）总的计算电流为： （2-7）2.4各车间负荷计算(1) 铸铁车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （2） 锻压车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （3） 金工车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （4） 电镀车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （5） 热处理车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （6） 总装车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （7） 机修车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （8） 锅炉房由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （9） 仓库由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （10） 工具车间由表可知：动力部分：，照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （11） 生活区由表可知：照明部分：，有功计算负荷 无功计算负荷 （12） 汇总记及同时系数，所以，总有功计算负荷 总无功计算负荷 总视在计算负荷 总计算电流 功率因数汇总表2-1所示。2-1 负荷计算汇总表编号厂房名称负荷类别设备容量需要系数 1铸铁车间动力3000.30.71.029091.8-照明60.8104.80-小计30694.891.82锻压车间动力3500.30.651.17105 122.8 -照明80.7105.60-小计358110.6122.83金工车间动力4000.20.651.178093.6-照明100.81080-小计4108893.64电镀车间动力2500.50.80.7512593.8-照明50.81040-小计25512993.85热处理车间动力1500.60.80.759067.5-照明50.81040-小计1559467.56总装车间动力1800.30.71.025455.1-照明60.8104.80-小计18658.855.17机修车间动力1600.20.651.173237.4-照明40.8103.20-小计16435.237.48锅炉房动力500.70.80.753526.3-照明10.8100.80-小计51 35.826.39仓库动力200.40.80.7586-照明10.8100.80-小计218.8610工具车间动力3600.30.61.33 108144-照明70.9106.30-小计367114.3144生活区照明3500.70.90.48245117.6 - -总计-2622-1097.56 900.56-计及同时系数，-1042.68873.541360.242066.67功率因数（）0.762.5无功功率补偿经负荷计算可知工厂的功率因数为0.76，根据规定，用户在规定的用电高峰负荷时的功率因数应该在0.9以上，其他用户和大部分用电企业，功率因数应该在0.85以上，并且规定，一切功率因数么有达到此要求的应该装设无功功率补偿装置，所以，此机械厂采用并联电容器进行补偿无功功率。按照相关规定，补偿后变压器高压侧的功率因素不应低于0.9即，所以补偿后低压侧的功率因素应该略高于0.9，在这里取0.92，则：取补偿后的功率因数为： 满足要求补偿前后对比如下表2-2所示：2-2 补偿前后对比表 全厂负荷有功功率无功功率 视在负荷 补偿前1042.68873.541360.24 无功补偿-500- 补偿后 1042.68 373.54 1125.42补偿后功率因数（）0.943 变电所的选址及主变压器的选择3.1 变配电所所址选择3.1.1选取变配电所址的一般性原则变电所的选择一般应该遵循以下原则：1） 靠近负荷中心；2） 便于进出线；3） 贴近电源侧；4） 运输和设备吊装方便；5） 不该位于一个强烈震动或者是高温地方；6） 不该位于多尘或有腐蚀性气体的场所，当实在无法远离时更不该设在污染源的下风侧；7） 不宜设在厕所、浴室或者其他经常积水地方的正下面，并且不应该贴邻上述场所；8） 不应设在地理环境条件复杂的地方。3.1.2 变配电所的总体布置 变配电所总体布置的要求：1） 便于运行检修和维护；2） 确保运行安全；3） 方便进出线；4） 节约土地和建设费用；5） 适应工厂发展要求3。3.2 变压器的选择3.2.1 变压器台数的选择在选择变压器时，应首先选择S9系列或者是S10系列4，因为这两种系列为节能型变压器。干式变压器通常是安装在室内变电所的，密闭型变压器或防腐性变压器适合安装在多尘、有严重腐蚀性气体的地方，选择变压器台数可以考虑以下原则4：1. 选择一台变压器是大多数情况下的选择；2. 下列情况可以选择多台变压器：1）对负荷中有大量的一二级负荷的变电所，应该安装两台变压器，以满足一二级负荷对供电可靠性的要求。2）对变动较大的昼夜负荷或者是季节性负荷，可以考虑装设两台变压器4。3）除上述情况外，一般采用装设一台变压器，有特殊要求的除外。3.在确定变电所主变压器台数时，应该考虑该地区的长远发展,留有一定的扩建余地。因此，根据选择变压器台数的原则，本厂的锅炉房、铸铁车间、电镀车间为二级负荷，以及从利益和长远角度来考虑，应该选择两台主变压器比较合适。3.2.2 变电所主变压器容量的选择 1）装有一台主变压器的变电所主变压器容量应不小于总的计算负荷的需要5，即 （3-1）2）装有两台主变压器的变电所每台主变压器的容量不应小于总的计算负荷的60%70%5，即 （3-2） 并且一台主变压器容量不应小于所有一、二级计算负荷之和5，即 （3-3） 由上述计算结果可知：应选两台S9-1000/10(0.4)型的主变压器。3.3 变压器的功率损耗3.3.1 变压器的有功功率损耗铁心中的有功功率损耗，即铁损，铁损就可以认为就是变压器空载损耗。带有负荷时变压器一、二次绕组中的有功损耗，即铜损。变压器的短路损耗可认为就是铜损。因此，变压器的有功功率损耗为 （3-4）式子中，为变压器的额定容量；为计算负荷,称为变压器的负荷率6。3.3.2 变压器的无功功率损耗是变压器中用来产生磁通以及励磁电流那部分的无功功率，和励磁电流成正比例关系，即 （3-5） 是在变压器绕组上消耗的无功功率。与短路电压成正比例关系，即 （3-6）因此，变压器的无功功率损耗为 （3-7）以上式子中的、 、等参数均可从表中查得。在负荷计算中，一般采用下列简化公式近似计算6：有功损耗： （3-8）无功损耗： （3-9）由第二章计算结果知：进行无功补偿后变压器低压侧的视在计算负荷为 所以，变压器的有功损耗为： 变压器的无功损耗为： 变压器高压侧的计算负荷为: 则高压侧功率因数,所以符合要求。4 短路电流及其计算4.1 概述4.1.1短路及其原因 系统在各种环境条件下运行的过程当中，不可避免地可能会发生各种故障和不正常运行状态，其中短路就是最严重的也是最常见的故障7。短路就是指电力系统中不同电位的导体之间的短接7。 各种各样的原因都有可能造成短路，主要是有以下几个方面7： 1）电气绝缘破坏 由于设备已经连续长期工作，绝缘老化和受损严重；或者是出于各种元件质量本身不合格、绝缘质量不够而被正常的电压轻松击穿；或者是设备绝缘的效果受到外部条件的阻碍损伤而造成短路7。 2）误操作 工作人员由于没有遵守操作规程和生产错误的操作而发生误操作。 3）鸟兽危害 鸟兽的脚跨越在裸露的相线之间或者是相线与接地导体之间；鸟类咬坏设备元件的绝缘设备，同样也是导致短路发生的原因7。4.1.2短路的后果及短路计算的目的在短路在系统中出现之后，短路电流往往是非常大的。如此大的短路电流会对系统的稳定性造成一定的冲击。短路电流在流过金属电气设备时，该设备的温度能够急剧上升，对该设备的本身的绝缘老化造成严重损害；同时产生很大的电动力，会使设备载流部分发生机械变形甚至损坏7。1） 短路可能会使系统电压发生急剧性变化，从而影响到系统中其它设备的正常工作运行；2） 短路可能造成大面积的停电事故，并且离电源越近，停电的面儿就越大影响的地域就越广，给国民经济造成的打击也越大；3） 严重的短路能够危害到电力系统的稳定性，能够使发电机组失去同步，造成电力系统解列；4） 系统发生不对称短路时，短路电流能够产生强烈的不平衡的交变磁场，影响附近设备的正常运行，甚至可能会发生事故。如此严重的短路危害，因此除了想方设法去消除可能引起短路的一切隐患外，还必须采取措施以保证发生短路故障后电力系统的安全。首先，应当采取限制短路电流的措施，如在短路电流较大的母线引出线上采用限流电抗器（一般用于系统变电站或大型供配电系统）。其次，在设计、制造和选择电气设备时，应保证设备在规定的短路条件下有足够的动稳定性和热稳定性，以确保在发生短路时能够保护设备不被损坏7。为此，在选择电气设备和导体、选择和正定继电保护装置及选择主接线方案时，都需要进行短路电流的计算7。4.1.3 短路的形式电力系统中，短路的基本形式有三相短路、两相短路接地、两相短路和单相短路8。4.2 短路电流的计算方法 短路电流计算的方法常用的有欧姆法（有名单位制法）和标么值法8。由于标幺值法具有就算结果简单方便，易于观察是否计算正确，并且没有单位影响计算结果，所以我们大多数情况下选择用标幺值法来计算短路电流。4.3 标么值法计算短路电流4.3.1 标么值的概念 标么值 从上看出，标么值是没有单位的。另外,在运用标幺值计算短路电流之前，应该先选定一个比较的对象，即基准值。我们一般选择为基准容量，为基准电压。由电路基本关系可得： （4-1） （4-2）则，标幺值表达式如下：容量标么值 （4-3）电压标么值 （4-4）电流标么值 （4-5）电抗标么值 （4-6）4.3.2 电力系统各元件电抗标么值的计算取， 电力系统的电抗标么值为 （4-7） 电力变压器的电抗标么值为 （4-8） 电力线路的电抗标么值为 （4-9）4.3.3 绘制计算电路 由第一章机械厂原始资料可画得计算电路如下，下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。计算电路图如下：4.3.4 确定短路计算基准值设，即高压侧，低压侧，则，4.3.5 各元件电抗标幺值（1）电力系统 已知，故（2）架空线路 查得LJ-150的，而线路l长8km，故（3）电力变压器 查得，故因此等效电路如下图所示：4.3.6 10kV侧三相短路电流和短路容量（1） 总电抗标幺值（2）三相短路电流周期分量有效值（3）其他短路电流 （4）三相短路容量 4.3.7 380V侧三相短路电流和短路容量（1）总电抗标幺值 （2）三相短路电流周期分量有效值（3）其他短路电流（4）三相短路容量以上计算结果综合如下表4-1所示：表4-1 短路电流计算结果短路计算点 三相短路电流三相短路容量k-12.012.012.015.133.0436.5k-228.8728.8728.8753.1231.4720 5 一次设备的选择和校验5.1 一次设备选择与校验项目和条件 为保证一次设备安全地运行，必须按照以下条件进行选择和校验：（1）按照正常工作条件选择；（2）按照短路条件；（3）考虑外部特殊环境要求；（4）按各种元件的特点和要求等进行选择。5.2 一次设备选择依据5.2.1 按正常工作条件选择（1）按工作电压选择 设备电压应该大于该设备所存在的线路的电压，即 （5-1）注：最高工作电压应该大于该设备所存在的系统的最高电压，即： （5-2） （2）按照工作电流选择 该设备的电流应该大于等于该设备所在线路的计算电流，即 （5-3）（3）按照断流能力选择 设备的额定开断电流或者是断流容量应该大于等于设备分断瞬间短路电流有效值或，即或 （5-4）5.2.2按短路情况进行校验短路条件校验，就是校验动稳定性和热稳定性。1. 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定性校验（1）动稳定性校验 就是校验该元件承受短路电流力效应的能力，校验公式为： 或 （5-6）其中 和分别为最大电流峰值和有效值；和分别为短路冲击电流和有效值。（2）热稳定校验 就是校验该元件能够承受短路电流热效应的能力，校验公式为： （5-7）式中 为热稳定电流（kA）；为三相短路稳态电流（kA）；t为热试验时间（s）；为假想时间。假想时间可按下式计算： （5-8）由于在无限大系统中，,故 （5-9）式中 短路持续时间。当1s时 （5-10）2. 电流互感器短路稳定性校验 动稳定校验条件 或 （5-11）式中 动稳定电流（单位为kA）； 动稳定倍数（对）； 额定一次电流（单位为A）。 热稳定校验条件 或