机械厂供配电设计.doc

课程设计（论文）

题 目 某机械厂供配电系统设计
学 院 机电与车辆工程学院
专 业 电气工程与自动化
学 生
学 号
指导教师

2023 年

前言 3
第一章 选题背景 4
设计的意义 4
第二章 系统总体方案设计 5
2.1设计内容及环节 5
第三章 负荷计算 6
3.1计算负荷及无功功率补偿 6
3.2全厂负荷计算： 8
第四章 变电所位置和型式的选择 11
第五章 变电所变压器和主接线方案设计 13
5.1 主变压器的选择 13
5.2 变电所主接线方案的选择 13
5.3装设一台主变压器的主接线方案 13
5.3.1 主接线方案的选择 14
第六章 短路电流的计算 15
6.1拟定短路计算基准值 15
6.2计算短路电路中各元件的电抗标幺值 15
（1）.电力系统的电抗标幺值 15
（2）.架空线路的电抗标幺值 16
（3）.电力变压器的电抗标幺值 16
6.3 K-1点（10.5kV侧）的相关计算 16
（1）.总电抗标幺值 16
（2）.三相短路电流周期分量有效值 16
（3）.其他三相短路电流 16
（4）.三相短路容量 17
6.4 K-2点（0.4kV侧）的相关计算 17
（1）.总电抗标幺值 17
（2）.三相短路电流周期分量有效值 17
（3）.其他三相短路电流 17
（4）.三相短路容量 17
第七章 变电所一次设备的选择校验 18
7.1 10kv侧一次设备的选择校验 18
7.1.1按工作电压选择 18
7.1.2按照工作电流选择 18
7.1.3按断流能力选择 18
7.1.4隔离开关，负荷开关和断路器的短路稳定度校验 18
7.2 380V侧一次设备的选择校验 22
7.3高低压母线的选择 24
第八章 变压所进出与邻近单位联络线的选择 25
8.1 10KV高压进线和引入电缆的选择 25
8.1.1 10KV高压进线的选择校验 25
8.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 25
8.2 作为备用电源的高压联络线的选择校验 26
8.2.1 按发热条件选择 26
8.2.2校验电压损耗 26
第九章 降压变电所防雷与接地装置的设计 28
9.1 变电所的防雷保护 28
9.1.1直击雷防护 28
9.1.2 雷电波入侵的防护 28
9.2 变电所公共接地装置的设立 28
第十章 设计总结 30
10.1总结 30
参考文献 31
前言
电能是现代工业生产的重要能源和动力，电能不仅易于转换为其他形式的能量加以运用，并且容易从其他形式的能量转换而来：电能的输送有助于实现生产过程自动化，由于它的分派十分简朴经济，便于控制，调节和测量。
在工厂里面，电能虽然是工业生产的重要能源和动力，但是他在生产成本中占得比重却不是很大。电能在工业生产中十分重要，这并不能从它在产品成本或投资总额中所占比重看出来，而在于工业中实现电气化以后可以大大增长生产，提高产量，提高劳动生产率，减少生产成本，减轻工人的劳动限度，改善工人的劳动条件，有助于实现生产过程自动化。从另一方面来说，假如工厂的电能供应忽然中断，则可对工业生产带来严重的损失。
那么，做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化十分重要。由于能源节约是工厂供电工作中一个重要项目，而能源节约对于一个国家的能源建设也是具有十分重要的战略意义的。因此，做好工厂供电工作，对于节约能源，支援国家经济建设，也具有十分重大的作用。
为了让工厂供电工作很好的为工业生产服务，切实保证工业生产和生活用电的需求，我们需努力使其达成安全，可靠，优质，经济这四个规定。此外，在供配电工作中，应合理的解决局部和全局，当前和长远等关系，既要照顾局部的当前利益，又要有全局观念，顾全大局，适应发展。

第一章 选题背景
电能在我们生活中都可以随处可见，它不仅在生活发挥着重要的作用，在工业生产上也必不可少。随着我国经济的飞速发展，电能的使用已经成为制约经济发展的一个重要因素。为保证正常的供电需求，各地都在兴建一系列供电装置，国家也投入大规模人力物力修建供电系统，例如三峡大坝水力供电等。在工业现代化迅速发展的今天，工厂的发展给国家带来巨大利益的同时，其用电负荷也越来越大，特别是负荷容量大、用电设备多。我们这里的设计针对某机械厂的10Kv供配电系统。所以本设计重要围绕10Kv的供配电系统的设计思绪、设计环节等进行阐述，并进行了相关设备的计算和检查。此外，介绍了变电所的主接线是其中的一个至关重要的因素，它决定变电所的功能、建设投资、运营质量、维护条件和供电可靠性。所以在熟悉变电所的设计规定和设计过程，对从事电力过程设计，故障分析和判断是很有帮助的。
设计的意义：通过设计，不仅可以系统的复习、巩固工厂供配电的知识，并且提高了我们的设计能力和创新思维能力，并能对在设计过程中出现的问题学会了分析和解决，为我们此后在工作和学习中提供了极其重要的帮助。

第二章 系统总体方案设计
2.1设计内容及环节

1、 拟定全厂计算负荷，编制负荷总表；合理拟定无功补偿。规定10Kv侧.
2、 拟定供配电方案，拟定变配电所位置。
3、 合理拟定变压器台数及数量，选择其规格型号。
4、 拟定变电所主接线方案，并选择元件和设备的型号规格。
5、 短路电流的计算。
6、 变电所一次设备的选择及检查。
7、 变压所进出线与邻近单位联络线的选择。
8、 变电所防雷与接地装置的设计。

第三章 负荷计算
3.1计算负荷及无功功率补偿
拟定计算负荷的方法有很多，如二项式法、需要系数法等。这里我们采用需要系数法拟定计算负荷。
其公式如下：
有功功率：

无功功率：

视在功率：

计算电流：

式中：——该用电设备组的需要系数
——该用电设备组的容量
——功率因数角的正切值
—— 用电设备的额定电压，单位KV
所以本厂的负荷计算方法如下（以铸造车间为例）：
有功计算负荷：
=200x0.3=60KW
无功计算负荷:
=60x1.02=61.2Kvar
视在计算负荷：
= =85.71KV A
计算电流：
=130.22A
各车间及生活区负荷计算如表3.1

表3.1 电力负荷计算表
厂房编号
车间名称
负荷类别
设备容量
/kw
需要系数
功率因数
有功功率
无功功率
视在功率
计算电流
1
铸造车间
动力
200
0.3
0.7
60
61.2
85.71
130.22
照明
5
0.8
1.0
4
0
4
6.08
2
锻压车间
动力
350
0.3
0.65
105
122.85
161.54
245.43
照明
8
0.7
1.0
5.6
0
5.6
8.51
7
金工车间
动力
300
0.2
0.65
60
70.2
92.31
140.25
照明
10
0.8
1.0
8

0
8
12.15

续表3.1
6
工具车间
动力
150
0.3
0.6
45
59.85
75
113.95
照明
7
0.9
1.0
6.3
0
6.3
9.57
4
电镀车间
动力
200
0.5
0.8
100
75
125
189.92
照明
5
0.8
1.0
4
0
4
6.08
3
热解决车间
动力
150
0.6
0.8
90
67.5
112.5
170.93
照明
5
0.8
1.0
4
0
4
6.08
9
装配车间
动力
180
0.3

0.7
54
55.08
77.14
117.21
照明
6
0.8
1.0
4.8
0
4.8
7.29
10
机修车间
动力
160
0.2
0.65
32
37.44
49.23
74.80
照明
4
0.8
1.0
3.2
0
3.2
4.86
8
锅炉车间
动力
50
0.7
0.8
35
26.25
43.75
66.47
照明
1
0.8
1.0
0.8
0
0.8
1.22
5
仓库
动力
20
0.4
0.8
8
6
10
15.19
照明
1
0.8

1.0
0.8
0
0.8
1.22
生活区
照明
350
0.7
0.9
245
272.22
117.6
413.60

3.2全厂负荷计算：
取=0.9，=0.95
根据上表可以算出
=875.5KW，=698.97Kvar
=1145.9KVA
式中, 是所有设备组的有功计算负荷之和，是所有设备的无功计算负荷之和。
因此可以求出全厂的总计算负荷为：
==0.9875.5=787.95KW
==0.95698.97=664.02Kvar
=1030.43 KVA
=1565.58A
= = =0.76
要使低压侧功率从0.76提高到0.92，低压侧需要并联电容器，其大小为：
=787.95
=787.95 （0.855-0.426）
=338.03Kvar
取=350Kvar
经考虑，可选用的电容器，其额定电容为198uF。因此，电容个数，由于电容是单相的，所以取3的倍数，即最后取n=36个，
补偿后低压侧的视在计算功率为

变压器的功率损耗：

变电所高压侧的计算负荷为：

补偿后的功率因数为：
，满足规定

第四章 变电所位置和型式的选择
变电所位置的选择，应当根据规定并经济技术和经济性分析比较后得出的变配电所选址的一般原则来拟定。总的来说，变电所的选址应当尽量靠近负荷中心。关于工厂的负荷中心，可用负荷指示图或者负荷功率矩法来近似的拟定。这里我们采用负荷功率矩法来拟定负荷中心的位置。
在工厂平面图的左下角，作一直角坐标的X轴和Y轴，然后测出各车间（建筑）和宿舍区负荷点的位置坐标，例如等，其中档代表厂房1、2、3…10号的功率，工厂的负荷中心假设在位置,则总负荷。仿照力学中求重心的力矩方程可得

按照比例K在工厂平面图中测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置如下表所示：
表4.1 各车间和宿舍区的负荷点的坐标位置
坐标轴
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（cm）
2.3
4.7
7.1
2.3
4.7
7.1
2.3
4.7
7.1
3.7
Y（cm）
5.5
5.5
5.5
3.8
3.8
3.8
2.1
2.1
2.1
8.2
由计算结果可知，x=4.89,y=5.47，工厂的负荷中心在2号厂房的东面，考虑到选址的一般原则和进出线和周边的环境，决定在2号厂房的东北方向建立工厂变电所，其型式选择车间附设变电所（即附设式），参考如下图所示：

图4.1

第五章 变电所变压器和主接线方案设计
5.1 主变压器的选择
根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：
装设一台变压器，型号为S11型，而容量根据式子，为主变压器容量，为总的计算负荷。选取即选择了一台型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由临近单元相连的高压联络线来承担。
5.2 变电所主接线方案的选择
一般大中型公司采用35-110kv电源进线时都设立总降压变电所，将电压降至6-10kv后分派给各车间变电所。总降压变电所主接线一般有线路——变压器组，单母线，内桥线，外桥线等几种接线方式。按上面考虑可设计这个主接线方案。
5.3装设一台主变压器的主接线方案
这种主接线由于采用了高压断路器，因此变电所的停送电操作十分方便，并且在发生短路故障时，过电流保护装置动作，断路器自动跳闸，假如短路故障已经消除，则可立即合闸恢复供电。假如配备自动重合闸装置，则供电可靠性更高。但假如变电所只此一路电源进线时，一般也只用三级负荷：但假如变电所低压侧有联络线与其他变电所相连时，或另有备用电源时，则可用二级负荷。假如变电所有两路电源进线，如下图所示，则供电可靠性相应提高，可供二级负荷或少量一级负荷。

图5.1 装设一台主变压器的选择方案
5.3.1 主接线方案的选择
车间的一，二级负荷所占比重较大，必须两个电源供电时，则应装设两台变压器。每台变压器均能承担对所有一，二级负荷的供电任务。假如与相邻车间有联络线时，当车间变电站出现故障时，其一二级负荷可通过联络线保证继续供电，因此选用一台主变压器的主接线方案。

第六章 短路电流的计算
6.1拟定短路计算基准值

图6.1 短路计算电路
取基准容量=100MVA，基准电压==1.05,为短路计算电压，即高压侧=10.5Kv,低压侧=0.4kV，则：
===5.50kA
===144kA
6.2计算短路电路中各元件的电抗标幺值
（1）.电力系统的电抗标幺值
已知电力系统的高压断路器断流容量为500MVA，则：

==0.2
（2）.架空线路的电抗标幺值
查表得LGJ-150的线路电抗=0.35Ω/km，且架空线路总线路为3km，则：
=0.35x3x=0.95
（3）.电力变压器的电抗标幺值
查表得变压器的短路电压百分值%=4.5，则
==3.6

图6.2 短路计算等效电路
6.3 K-1点（10.5kV侧）的相关计算
（1）.总电抗标幺值
=0.2+0.95=1.15
（2）.三相短路电流周期分量有效值
==5.50kA/1.15=4.78kA
（3）.其他三相短路电流
===4.78 kA
=2.55 =2.55x4.78=12.19 kA
=1.51=1.51x4.78=7.22 kA
（4）.三相短路容量
===86.96 MVA
6.4 K-2点（0.4kV侧）的相关计算
（1）.总电抗标幺值
=0.2+0.95+3.6=4.75
（2）.三相短路电流周期分量有效值
==144/4.75=30.32 kA
（3）.其他三相短路电流
===30.32 kA
=1.84=1.84x30.32=55.79 kA
1.09=1.09X30.32=33.05 kA
（4）.三相短路容量
==100MVA/4.75=21.05 MVA

第七章 变电所一次设备的选择校验
7.1 10kv侧一次设备的选择校验
7.1.1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。，高压开关设备，互感器及支柱绝缘额定电压穿墙套管额定电压=11.5kv，熔断器额定电压。
7.1.2按照工作电流选择
设备的额定电流不应小于所在电流的计算电流，即

7.1.3按断流能力选择
设备的额定开断电流或者断流容量，对分断流电流的设备来说，不应小于它也许分断的最大短路有效值或者短路容量，即
或者
对于分断负荷设备电流的设备来说，则为
，
为最大负荷电流。
7.1.4隔离开关，负荷开关和断路器的短路稳定度校验
a) 动稳定校验条件：
或者
分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，分别为开关所处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值
b）热稳定校验条件：

7.1.4.1短路动稳定度的校验条件
（1） 断路器，负荷开关，隔离开关，电抗器的动稳定电流的峰值应不小于也许的最大的短路冲击电流，或其动稳定电流有效值应不小于也许的最大的短路冲击电流，即。
（2） 电流互感器大多数给出动稳定倍数，其动稳定度校验条件，式中，为电流互感器的额定一次电流。
7.1.4.2断路器，负荷开关，隔离开关，电抗器的热稳定度校验
断路器，负荷开关，隔离开关，电抗器的热稳定度校验条件为，式中，为其热稳定电流，t为其热稳定期间，为其通过电流的三相短路稳态电流，为短路发热假想电流。
电流互感器大多给出热稳定倍数和热稳定期间t，其热稳定校验条件为式中，为电流互感器额定一次电流母线，电缆的短路热稳定度，可按其满足热稳定度的最小截面来校验，即
式中，A为母线，电缆的导体截面积，C为导体的短路热稳定系数，35千伏高压侧的短路计算值，=4.78KA，=7.22KA，=12.19KA。
过程：型高压断路器
校验：额定工作电压35kv线路工作电压35kv
额定工作电流630A线路计算电流130.22A
额定动稳定电流峰值17kAish（3）=12.19kA
4S热稳定电流是6.62424.781.12
型高压隔离开关
校验：额定工作电压35kv线路工作电压35kv
额定工作电流630A线路计算电压130.22A
额定动稳定电流峰值72kAish（3）=12.19kA
型电流互感器
校验：额定工作电压35kv线路工作电压35kv
额定工作电流500A线路计算电压130.22A
额定动稳定电流峰值210kAish（3）=12.19kA
热稳定合格
校验：额定工作电压35kv线路计算电压35kv
1S热稳定电流是
经计算以上设备合格
对于上面的分析，如表3所示，由它可知所选一次设备均满足规定。

表7.1 10kv一次侧设备的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动态稳定度
热稳定度
其他
装置地点条件
参数

数据

57.7A

2.61KA

3.94kA

续表7.1.1
一次设备型号规格
额定参数

高压少油断路器
SN10-101/200
10kv
630kA
16kA
40kA

高压隔离开关
GN-10/200
10kv
200A
——
25.5kA

二次负荷0.6
高压熔断器RN210
10kv
0.5A
50kA

电压互感器
JDJ-10
10/0.1kv

续表7.1.2

电压互感器JDZJ-10

电流互感器LQJ-10
10kv
110/5A

避雷针
FS4-10
10kv

户外隔离开关
GW-12/400
12kv
400A

25kA

7.2 380V侧一次设备的选择校验
同样,做出380V侧一次设备的选择校验,如表4所示,所选数据均满足规定,
表7.2 380v一次侧的选择校验
选择校验项目
电压
电流
断流能力
动态稳定度
热稳定度
其他
续表7.2.1
装置地点条件
参数

数据
380v
总
1616.86A
25.22kA
27.49kA

一次设备型号规格
额定参数

低压断路器
DW15-1500/30
380kv
1500kA
40kA

低压断路器
DW20-630
380kv
630A
(大于)
30kA
(一般)

低压断路器
DW20-200

380kv
200A
(大于)
25kA

续表7.2.2

低压断路器
HD13-1500/30
380v
1500A

电流互感器LMZJI-0.5
500v
1500/5A

电流互感器LMZI-0.5
500v
100/5A
160/5A

7.3高低压母线的选择
查表可知，10kv母线选LMY-3（404），即母线尺寸为40mm4mm，380v母线选LMY-3（12023）+806，即相尺寸为120mm10mm，而中性母线尺寸为80mm6mm。

第八章 变压所进出与邻近单位联络线的选择
8.1 10KV高压进线和引入电缆的选择
8.1.1 10KV高压进线的选择校验
采用LGJ型钢芯绞线架空敷设，接往10KV公用干线。
a).按发热条件选择 由=57.7A及室外温度度，查表得，初选LGJ-35，其35°C时的=149A>,满足发热条件。
b).校验机械强度 查表得，最小允许截面积,而LGJ-35满足规定，故选他。
由于此线路很短，故不需要校验电压损耗。
8.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验
采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。
a).按发热条件选择 由及土壤环境25度，查表得，初选缆线截面积为的交联电缆，其满足发热条件。
b).校验热路稳定 查表得，最小允许截面积,A为母线截面积，单位为，C为材料热稳定系数，为母线通过的三线短路稳定电流，单位是A，是短路发热假想时间，单位是s。本电缆线中，=1960，=0.5+0.2+0.05=0.75s，终端变电所保护动作时间为0.5s，断路器短路时间0.2s，C=77，把这些数据代入公式中得

而LGJ-35的截面积A为满足规定，因此JL22-1000025电缆满足规定。
8.2 作为备用电源的高压联络线的选择校验
采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距约2Km的邻近单位交配电所的10Kv母线相连
8.2.1 按发热条件选择
工厂二级负荷容量共335.1KVA，=335.1KVA/（×10KV）=19.3A，最热月土壤平均温度为21℃.查表《工厂供电设计指导》8-43，初选缆芯截面积为25的交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，其=90A>满足规定。
8.2.2校验电压损耗
由表《工厂供电设计指导》8-41可查得缆芯为25的铝=1.54Ω/km（缆芯温度按80℃计），=0.12Ω/km，而二级负荷的=（94+129+35.8）KV
=258.8KV，=（91.8+93.8+26.3）kvar=211.9kvar，线路长度按2km计，因此

由此可以看出满足电压损耗5%的规定。
8.2.3短路热稳定校验
按本变压所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25的交联电缆是满足热稳定规定的。而临近单位10KV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。
以上所选变电进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表所示。

表8.1 进出线和联络线的导线和电缆型号规格
线路名称
导线或电缆的型号规格
10KV电源进线
LGJ-35铝绞线（三相三线架空）
主变引入进线
YJL-10000-325交联电缆

380V低压出线
至1号厂房
VLV22-1000-32401120四芯塑料电缆
至2号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至3号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至4号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至5号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至6号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至7号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至8号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至9号厂房
VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆
至10号厂房

BLV-1000-14铝芯线5根穿内径25硬塑管
与邻近单位10KV联络线
YJL22-10000-316交联电缆

第九章 降压变电所防雷与接地装置的设计
9.1 变电所的防雷保护
由设计任务书中气象资料得知，该机械厂所在地区的年雷暴雨日数为20天。虽然发生雷暴的几率不属于高频地区，但是雷电过电压产生的雷电冲击波对供电系统的危害极大，因此必须对雷电过电压加以防护。
9.1.1直击雷防护
根据GB50057-1994有关规定，在总降压变电所和车间变电所（其所供负荷为核心负荷，且靠近办公区和生活区，考虑防雷保护）屋顶可装设避雷针或避雷带，避雷带采用直径20mm的镀银圆钢敷设，避雷带采用25mm×4mm的镀锌扁钢。
9.1.2 雷电波入侵的防护
（1）在10kv电源进线的终端杆上装设FS4-10型阀式避雷器，其引下线采用25mm×4mm的镀锌扁钢，下面与公共接地网焊接相连，上面与避雷器接地端螺栓连接。
（2）在10kv高压配电室内装设GG-1A（F）型高压开关柜，其中配有FS4-10型避雷器，靠近主变压器。主变压器重要靠此避雷器来防护雷电侵入波的危害。
（3）在380v低压架空出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线浸入雷电波。
9.2 变电所公共接地装置的设立
接地是电气设备中一个重要的环节。根据GB50169——2023规定的规定，此配电系统应当安装接地线。而按《工厂供电》附表24，此公共接地装置的接地电阻应当满足以下条件：

且
因此公共接地电阻为。
根据附表25计算，采用16根管径为50mm、长为2.5mm的钢管作接地体，用40mm4mm的扁钢相接，环形布置。

第十章 设计总结
10.1总结
在不懈的努力下，我终于完毕了这次工厂供配电课程设计，在这次设计中，我感觉自己受益匪浅，在很多方面都有很大的提高，自己所学的专业知识都得到了强化和巩固，由于这次课程设计规定我们把自己所学的知识所有运用出来，可以举一反三，融会贯通。这是对我们能力的一项综合评估。他规定我们能充足发挥自己的能力，开拓思绪，设计出完美合用的工厂供电系统。
在完毕课程设计中，一开始的负荷计算，无功补偿和短路计算都可以结合书上的例题来分析，不久就可以完毕，在选择变压器等电气设备和主线路方案制定期，由于对接线方式没有充足了解，并且缺少经验，选择结果不一定合用，但已经尽力了。并且visio软件和autocad软件运用不算纯熟，速度不是不久，但是随着设计的进一步，认为参阅了大量资料，问题不久就迎刃而解了。
最后，感谢姜老师一个学期以来对我的教导，让我完毕了本来不也许完毕的供配电课程设计书，让我的专业知识掌握限度又上一层楼，扩宽了我的专业知识层面，非常感谢老师。

参考文献
[1]刘介才. 工厂供电[M]. 5版. 北京：机械工业出版社，2023
[2]任元会. 工业与民用配电设计手册[M] .3版. 北京： 中国电力出版社，2023