机械厂总降压变电所的设计.doc

前 言 电能是一种清洁的二次能源。电能不仅便于输送和分配，易于转换为其他的能源，而且便于控制，管理和调度，易于实现自动化。因此，电能已经广泛应用于国民经济，社会生产力和人民生活的各个方面。绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已经成为我国实现现代化的基础。工厂供电设计的主要任务使从电力系统取得电源，经过合理的传输、变换，分配到工厂车间的每一个用电设备上。随着工业电气工业自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能质量、供电可靠性以及技术经济指标等的要求也日益提高。供电设计是否完善，不仅影响到工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂供电的可靠性和工厂的安全生产上，它与企业的经济效益、设备和人身安全等是密切相关的。工厂工业负荷是电力系统的主要用户，工厂供电系统也是电力系统的一个组成部分，保证企业安全供电和经济运行，不仅关系到企业的利益，也关系到电力系统的安全和经济运行以及合理利用能源。搞好供电工作对于发展工业生产、实现工业现代化以及节约能源和支援国家经济建设具有重要意义，因此为切实保证工厂及生活用电，必须使供电系统在电能的供应、分配和使用中能够安全、可靠、经济、稳定的运行。为此在供电的设计过程中既要考虑到技术因素又要考虑到工厂的实际情况，在严格按照供电设计规程及在国家的方针政策的引导下，最终确定好一个经济、安全、稳定的可靠方案。本设计从工厂供电的技术要求出发并结合工厂的实际情况，在各种技术规程及供电协议的要求下设计了一个中型机械厂的供配电系统。本设计分5章从6个方面系统的介绍了工厂供电系统的设计及主要设备的选择和检验方法。其中第一章主要介绍了工厂的基本情况和主要数据以及设计的.基本要求，二至七章为工厂供电系统的变电所电气设计及主要电气设备的选择校验部分，包括：全厂的负荷计算和无功功率补偿计算以及无功功率补偿设备的选择，其中负荷计算为设备的选择提供了有效的数据，无功功率补偿计算及其设备的选择为全厂的设备运行及供电质量的稳定可靠提供了保障；变电所主变压器台数、容量及主接线方案的选择，从两个方案的比较中结合工厂实际情况选择适合本厂的最佳方案；短路电流的计算，包括短路电流的效应分析、电抗百分之一法求短路电流、冲击电流等的计算，它们为设备的校验提供了非常重要的数据；变电所一次设备的选择及校验，主要按照设备的工作条件进行选择，在根据短路电流进行动稳定和热稳定校验；继电保护及二次回路的整定计算，为掌握供电系统的运行情况提供了有效的数据，并且在系统发生故障时能够准确及时的将故障设备从供电系统中切除，提高了系统的安全稳定性；防雷保护装置与接地安全装置的设计，能够有效的防止雷电过电压以及雷电冲击波对变压器、输电线路的危害。最后附有相应的设计用参考资料和部分常用电气设备的技术数据。总之，这次设计较系统的介绍了工厂供电系统设计的基本思路、基本的方法。在设计的过程中使所学知识得到了巩固，并且接触到了许多新知识，提高了自己的能力。51 第一章 设计概况1.1 设计要求根据本厂所取得的电源及本厂的用电负荷，并考虑工厂生产的实际情况。按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求。确定变电所的位置及型式，确定变压器台数及容量和类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定继电保护装置，确定防雷和接地装置，最后按要求写出设计说明书并绘出设计图样。1.1.1 工厂负荷情况本厂多数车间为两班制，一年最大负荷利用小数为4600h，且最大负荷持续时间为8小时。该厂除铸造车间为一次负荷，电镀车间、锅炉房和热处理车间为二次负荷外，其余车间为三级负荷。其负荷资料如下：表1-全厂负荷资料表厂房编号厂房名称负荷类别设备容量/kW需要系数功率因数1冷加工车间二级5900.160.52热加工车间一级6000.250.63机床车间二级3500.400.554焊接车间二级2000.500.45铸造车间一级5000.30.76锻压车间二级4000.30.67电镀车间二级3500.50.88仓库三级350.40.89工具车间三级5000.30.6510金工车间三级 4500.30.611锅炉房二级800.70.812装配车间三级2800.30.7513机修车间三级 3000.20.6514各车间照明均三级100.81.01.1.2 供电电源情况按照工厂与当地供电部门签订的供电协议，本厂可由临近一条10kV的公用电源干线取得工作电源，其走向如图所示，该干线牌号为 LGJ-185,导线为等边三角形排列，干线首段距本厂2km，首段所装设的高压断路器的断流容量为500MVA，此断路器配备有定时限过流保护和电流速断保护，定时限保护整定的动作时间为1.6S。为满足工厂一、二级负荷要求，可采用高压联络线由邻长取得备用电源。图1-1 10kV公用电源1.1.3 电费制度按本厂与供电部门达成的协议，在厂变电所高压侧设计量柜，按两部电费制度交纳电费。每月基本电费按变压器容量计为100元/kVA,动力费为2.20元/kW.h,照明费为1.50元/kW.h。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90。此外根据所装的变压器容量一次性向供电部门交纳供电贴费为1800元/kVA.。2.1 设计任务1.负荷计算及无功功率补偿2.变压器台数和容量及类型的选择3.变电所主接线方案的设计4.短路电流的计算5.变电所一次设备的选择及校验6.变电所二次回路的选择7.继电保护设计（变压器、10kV母线）8.防雷保护及接地装置9.画出设计变电所主结线系统图一张10.继电保护图一张第二章 负荷计算及无功功率补偿2.1 负荷计算本章介绍工厂电力负荷的运用情况,负荷性质及其工作制,重点介绍了确定用电设备组计算负荷的常用方法需要系数法.接着讲述了无功补偿的措施.另外还简要介绍了对供配电系统中各点负荷进行逐点计算的方法以及城市电网用电负荷预测的常用方法。2.2 负荷分级1.一级负荷中断供电将造成人身伤亡、重大设备损坏或难以修复，带来极大的政治、经济损失者为一级负荷。2.二级负荷中断供电将造成设备局部损坏或生产流程紊乱，且长时间才能修复或大量产品报废、重要产品大量减产造成重大经济损失者。3.三级负荷一、二级负荷除外的其他负荷，允许较长时间的停电对供电无特殊要求由于该厂的负荷属于一、二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器2.3 负荷计算中的几个物理量1.平均负荷电力用户在一段时间内消耗功率的平均值。有功功率、无功功率、视在功率的平均负荷分别用、来表示。2.负荷系数平均负荷与最大负荷之比称为负荷系数。并用、分别表示有功和无功功率的负荷系数。3.需要系数最大负荷与额定负荷之比称为需要系数,用来表示。2.4 计算负荷的实用方法2.4.1 负荷计算的方法负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。本设计采用需要系数法确定。主要计算公式有： 有功功率： （2-1） 无功功率: （2-2）视在功率: （2-3）计算电流: （2-4） 变压器容量选择： （1.151.4）2.4.2 设备容量的选择进行负荷计算时，需将用电设备按其性质分为不同的用电设备组，然后确定设备容量（设备功率），由于各用电设备的额定工作条件不同，有的长期工作有的短时工作，因此在负荷计算时不能将设备额定容量直接相加，而需要将不同工作制下的设备额定功率换算到统一规定工作条件下的功率，这个功率称为用电设备的设备容量，并用表示。长期工作制以及短时但连续工作的用电设备=（额定功率）。按需要系数法确定计算负荷需要系数法是将用电设备的设备容量乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷的一种简便计算方法。1.用电设备组的计算负荷用电设备组是由工艺性质相同、需要系数相近的一些设备合并成一组。在一个车间中可根据具体情况将用电设备分为若干组，再分别计算各用电设备组的计算负荷，其计算公式为： = * (2-5) = *tan (2-6)= (2-7) = / （ ） (2-8)其中 、表示该用电设备组的有功功率、无功功率、视在功率的计算负荷；表示该用电设备组的容量总和，但不包括备用容量；为额定电压；为计算电流；为用电设备组的需用系数。2.多个用电设备组的计算负荷在配电干线上或车间变电所低压母线上。常有多个用电设备组同时工作，但是各个用电设备组的最大负荷也并非同时出现，因此在求配电干线或车间变电所低压母线的计算负荷时，应计入一个同时系数K其计算公式为：= (2-9) =K (2-10)= (2-11) = /（ ） (2-12)其中、为配电干线上或车间变电所低压母线上的有功功率、无功功率、视在功率的计算负荷；K为同时系数 ；m为配电干线上或车间变电所低压母线上的用电设备组的总数；、tan、为对应于某一个用电设备组的需要系数、功率因数角正切、总设备容量；为配电干线上或车间变电所低压母线上的计算电流；为配电干线上或车间变电所低压母线上的额定电压。如果在低压母线上装有无功功率补偿用的静电电容时，则低压侧母线上的计算负荷应为：= K- i=1.2.3m (2-13)这些计算功率和计算电流是选择车间变电所变压器容量和导体截面等的依据。单相用电设备:单相用电设备组确定计算负荷的原则。按在三相供电系统中连接单相设备功率和三相设备功率的比例来制定。 在某个计算范围内,当单相设备功率的总容量小于三相设备功率总容量的15%时,认为单相设备功率就相当于三相设备功率。 单相设备功率的总容量大于三相设备功率总容量的15%时，这时三相供电系统处于非平衡状态,必须将单相用电设备功率换算成等效的三相设备功率,然后进行三相计算负荷的确定。2.5 全厂负荷的计算原则全厂的负荷计算按逐级递加法获得。各车间的负荷得到后相加，再乘以所有车间的同时系数，得到总降压变电所低压侧计算负荷，再加上总降变压器的损耗可得到全厂总的计算负荷。2.5.1 全厂的负荷计算表全厂总的计算负荷表，如表2-1所示。表2-1全厂的计算负荷表厂房编号厂房名称负荷类别设备容量/kW需要系数功率因数计算负荷/kW/kvar/kVA1冷加工车间二级5900.160.594.4163.5188.82热加工车间一级6000.250.61502002503机床车间二级3500.400.55140212.6254.64焊接车间二级2000.500.4100229249.95铸造车间一级5000.30.7150153.0214.36锻压车间二级4000.30.61201602007金电镀车间二级3500.50.8175131.25218.758仓库三级350.40.81401051759工具车间三级5000.30.6515017534230.810金工车间三级4500.30.613518022511锅炉房二级800.70.856427012装配车间三级2800.30.758473.92111.913 机修车间三级3000.20.6560.70.192.314各车间照明均三级100.20.65808=0.9计入 =0.951526.41927.92289.52.6 无功功率的补偿由于本设计中上级要求cos0.9,而由上面计算可知cos=1526.4/2289.5=0.6670.9因此需要进行无功补偿。综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。无功功率补偿容量的计算： = （tan1 tan2）式中：P30 工厂的有功计算负荷（单位为kW）tan1 对应于原来功率因数的正切tan2对应于需补偿到的功率因数cos2的正切= 1526.4（tan cos0.667tan cos0.9）kvar=966kvar 取QC=966.2kvar综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。可选用BWF10.5-50-1W型的电容器。其具体参数：额定电容为1.44F，额定电压10.5kV，额定容量50kvar。因此，其电容器的个数为：= 966.2/50=19.3而由于电容器是单相的，考虑三相均衡分配，所以应为3的倍数，取21个。双星型并联电容器接线此时，实际补偿容量为21*50=1050kvar。无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为： S30=1760.8kVA变压器的功率损耗为：= 0.06 S30= 0.06 *1760.8=105.7kvar = 0.015 S30 = 0.015 * 1760.8=26.4 kW变电所高压侧计算负荷为：P30= 1526.4+ 105.7 = 1632.1kWQ30= (1927.9*0.951050 )+ 26.4= 807.9kvarS30 = = 1821.1 k V A无功率补偿后，工厂的功率因数为：cos= = 1632.1/1821.1 0.9则工厂的功率因数为：cos= 0.90.9 因此，符合本设计的要求2.6.1 补偿后的功率因数 一般交流供电线路中,大多数为电感性负载,致使功率因数偏低。当有功功率为一定时,cos 愈小( 角愈大),其视在功率就愈大,因而供电线路中的电流大,线路的损失(电压和有效功率损耗)随之增大,不经济。2.6.2 功率因数对供电系统的影响1.降低了供电设备(电源)的供电能力供电设备(电源)的供电能力(容量)是用视在功率S来表示的。当供电设备的容量一定时,如果用户负载的功率因数过低,其无功功率就会过大,致使供电设备输出的有功功率减少,于是降低了供电设备的供电能力。当用电设备的有功功率一定时,功率因数愈低,其供电线路的电流愈大,线路的电力损耗随之增加。2.增加供电系统的有功损耗3.供电线路的电压降增大功率因数低,通过线路的电流就大,线路电压降亦随之增加,从而影响用电设备的正常运转。4.降低发电机的效率发电机发出的功率是有限的,当无功功率增加时,有功功率下降,发电机的效率降低：(1)高压供电的用电单位,功率因数一般规定为0.9以上；(2)其他电力用户,功率因数为0.85以上；(3)对新建的工业企业用户,功率因数标准均规定按0.95设计；(4)对农业用电单位,要求功率因数在0.8以上；5.民用及一般工业建筑的功率因数指标(1)人工补偿无功功率(2)提高自然功率因数(3)提高功率因数2.6.3 功率因数的改善措施提高自然功率因数的方法：1.合理选择电动机的容量,使其接近满载运转；2.对实际负载不超过额定容量40%的电动机,应更换为小容量的电动机；3.合理安排和调整工艺流程,改善用电设备的运转方式,限制感应电动机空载运转；4.正确选择变压器容量,提高变压器的负载率(一般为75%80%比较合适).对于负载率低于30%变压器,应予以更换；5.对于负荷率在0.60.9的绕线式电动机,必要时可以使其同步化,这时电动机可以向电力系统输送出无功功率.；部分电动机功率因数2.6.4 并联电容器补偿功率因数采用并联电容器补偿是目前供配电系统中普遍采用的一种无功补偿方法,也叫移相电容器静止无功补偿.它具有有功损耗小,运行维护方便,补偿容量增减方便,个别电容器的损坏不影响整体使用等特点,但不能实现无级调节. 静电电容器特点：1.价格较便宜；2.有功功率损耗小,一般每100kvar低于0.30.4kW；3.没有旋转部分,易于安装,便于维护；4.可随供电系统中无功功率容量的需要,可以较方便地增加或减少C的大小；5.只能有级调节,而不能随着无功功率的变化,进行无级调节；第三章 变电所主接线方案的设计3.1 变压器台数的选择1.变压器台数的确定(1)应该满足用电负荷对可靠性的要求(2)对季节性负荷或昼夜负荷变化较大的宜采用经济运行方式的变电所，技术经济合理时可选择两台主变压器；(3)三级负荷一般选择一台主变压器，负荷较大时可选择两台主变压器。变压器台数的选择主要有两种方案：装设一台主变压器和装设两台主变压器。2.装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：(1)任一台单独运行时，（0.60.7） (3-1) (2)任一台单独运行时，（+） (3-2)在车间变电所中，单台变压器容量不宜超过1000kVA,所以，选择两台主变压器。根据前面的计算，S30 = 1821.1 kV .A，而且车间中含有一级负荷，二级负荷，三级负荷，可以选择额定容量为1600kVA，一次侧额定电压为10.5kV，二次侧额定电压为0.4kV，空载损耗2.4kW，负载损耗为14.5kW，阻抗电压4.5%，空载电流0.6%。3.2 变电所主接线方案的选择工厂供电系统电器主接线是由各种主要电气设备，包括变压器、开关电器、互感器及连接线路等设备，按一定顺序连接而成的接受、分配和传输电能的系统，又称一次电路或一次接线，一次电路中的各种设备称为一次元件或一次设备。变电所主接线的基本形式有单母线接线和双母线接线两种主要形式，单母线接线方式又分为单母线分段和单母线不分段两种形式。其中单母线不分段形式有接线简单、线路清晰、使用设备少、经济性高等优点，但其灵活性和可靠性差。单母线分段形式是用隔离开关或断路器将母线分段，它的灵活性及可靠性强。当用隔离开关分段时，如需对母线或母线隔离开关检修，可将分段隔离开关断开后分段运行，故障时可经短时倒闸切除故障。当用断路器分段时，除具有隔离开关分段的优点外还具有当母线或母线隔离开关故障时，母线分段断路器和进线断路器同时跳闸自动断开的能力。考虑到本厂有两路电源供电，一路正常供电，一路做备用电源，在供电灵活性和可靠性的要求下，在低压侧采用单母线分段运行的形式。 图3-1 单母线不分段与分段接线图桥式接线：所谓桥式接线是指在两路电源进线之间跨接一个断路器，犹如一座桥。断路器跨在进线断路器的内侧，靠近变压器，称为内桥式接线，下图为（a）桥式接线的图。若断路器跨在进线断路器的外侧，靠近电源侧，称为外桥式接线，如图（b）所示。桥式接线的特点是：1.接线简单 高压侧无母线，没有多余设备；2.经济 由于不需要设母线，四个回路只用了三个断路器，省去了12个断路器，节约了投资；3.可靠性高，无论哪条回路故障或检修，均可通过倒闸操作迅速切除该回路，不至于使二次侧母线长时间停电；4.安全 每台断路器两侧均安装了隔离开关，可形成明显的断开点，以保证设备安全检修；5.灵活 操作灵活，能适合多种运行方式 图3-2 桥式接线图第四章 短路电流的计算41 短路类型及其产生原因和危害所谓短路是指相与相和相与地之间不通过负荷而发生的直接连接故障。短路可分为三相短路、两相短路、两相短路同时与地连接的两相短路接地（或称两相接地短路）、一相与地连接的单相接地短路（单相短路）。三相短路又称对称短路，其他三种又称不对称短路。中性点不接地系统中的单相接地短路叫做“轻短路”，此时线电压不变化，仍可短时间运行。短路发生的原因主要是电力系统中电气设备载流部分绝缘的破坏，另外工作人员的不合理操作以及鸟兽等的破坏也可能造成短路。当电力系统发生短路后，系统的总阻抗减小，短路点及其附近各支路的电流较正常运行时增大，系统中各点电压将为零，距短路点越近电压降低越严重。短路产生的危害主要有元件发热、引起很大的机械应力、使受电器的正常工作受到破坏、影响到电力系统运行的稳定性、接地短路对于与高压输电线路平行架设的通讯线路产生严重的电磁干扰。4.1.1 三相短路过程的简化分析图4-1三相短路过程的简化分析三相短路为对称短路，以A相为例进行分析：= （4-1）其中为A相电压瞬时值，为电压的初相角，为电压的幅值。短路电流由周期分量电流和非周期分量电流组成，即： （4-2）其中为周期分量电流的初始值，为周期分量电流的幅值，短路电流与短路电压之间的相位角， = （4-3） 右边第一部分为周期分量电流瞬时值，当电源电压恒定时其幅值亦恒定，其瞬时值按正弦函数呈周期性变化；边第二部分为短路非周期分量电流，按指数函数衰减，其衰减速度由衰减时间常数决定。1.短路全电流的最大瞬时值冲击电流电气设备所受到的最大电动力与短路全电流可能出现的最大瞬时值（冲击电流）有关，它是校验电气设备动稳定性必须计算出的数据。短路全电流最大瞬时值出现的条件是：在电源电压恒定的情况下，必须使非周期分量电流的初始值为最大。其必备的两个条件：(1)短路前为空载，即负荷电流为零，此时： （4-4）(2)电力系统发生三相短路时负荷已被短接，一般情况下电抗比电阻大的多，此时=，在这种条件下，如果电压初相角=0，则，短路全电流最大值在短路后半个周期0.01秒时出现，令t=0.01s及此时的全电流称为冲击电流，则：= （4-5）冲击系数设为，则有：=1+ （4-6）其中是非周期分量的衰减时间常数。可由0（L=0时）变化到无穷大（r=0）,此时变化范围为11s时