志敏机械厂变电所一次系统设计.doc

编号 课 程 设 计（ 2023级本科）题 目： 志敏机械厂变电所一次系统设计 系（部）院： 专 业： 作者姓名： 指导教师： 职称： 完毕日期： 2023 年 1 月 7 日二 一 一 年 一 月河西学院本科生课程设计任务书论 文 题 目志敏机械厂变电所一次系统设计作 者 姓 名所属系、专业、年级指导教师姓名、职称任务下达日期2023年12月24日设计的重要内容1.1设计内容：负荷计算和无功功率补偿；变电所主变压器和主接线方案的选择；短路电流的计算等。1.2设计依据1、气象资料：工厂所在地区的年最高气温为 34 ，年平均气温为 15 ，年最低气温为18，年最热月平均最高气温为 25 ，年最热月平均气温为 18 ，年最热月地下0 . 8m处平均温度为21 。本地主导风向为东北风，年雷暴日数为 8 。2、地质水文资料：工厂所在地区平均海拔 1500m ，地层以砂粘土为主，地下水位为 2m 。3、电费制度：工厂与本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干0.90 ，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： 6 10kV 为 800 元kVA 。4、工厂负荷情况见下表：序号名称类别设备容量需要系数cos计算负荷1铸造车间动力650.40.71.02照明70.80.90.48小计722锻压车间动力1100.30.61.33照明100.70.90.48小计1203仓库动力400.40.850.62照明50.80.90.48小计454电镀车间动力600.50.850.62照明60.80.90.48小计665工具车间动力2000.30.651.17照明100.90.90.48小计2106组装车间动力2000.40.71.02照明300.80.90.48小计2307维修车间动力2000.20.61.33照明130.80.90.48小计2138金工车间动力4000.20.651.17照明160.80.90.48小计4169焊接车间动力7300.30.451.98照明460.80.90.48小计87610锅炉房动力1500.70.80.75照明30.80.90.48小计15311热解决车间动力2000.60.71.02照明100.80.90.48小计21012生活区照明800.70.90.48总计（380v侧）动力照明取二、设计的基本规定1、设计及计算说明书（1）说明书规定书写整齐，条理分明，表达对的、语言简练。（2）重要计算过程和环节完整无误，分析论证过程简朴明了，各设计内容列表汇总。2、图纸（1）绘制电气主接线图（2）原理图规定用标准符号绘制，布置均匀，设备符号大小合适清楚美观。三.设计进度安排阶段设计各阶段名称起止日期1熟悉设计任务书、设计题目及设计背景资料2023年12月24日2查阅有关资料、阅读设计规定必读的参考资料2023年12月25日3负荷计算2023年12月26-27日4电气主接线设计2023年12月28日5短路电流计算2023年12月29日6重要电气设备及载流导体选择2023年12月30-31日7书写课程设计说明书2023年1月1-3日8打印整理课程设计资料2023年1月4日四.需收集和阅读的资料及参考文献（指导教师指定）【1】刘涤尘、王明阳、吴政球.电气工程基础M.武汉：武汉理工大学出版社.2023年【2】张学成.工矿公司供电设计指导书M.北京：北京矿业大学出版社.1998年【3】刘介才.工厂供电简明设计手册M.北京：机械工业出版社.1993年【4】刘介才.实用供配电技术手册M.北京：中国水利水电出版社.2023年【5】刘介才.工厂供电M.北京：机械工业出版社.1997年【6】 同济大学电气工程系.工厂供电M.北京：中国建筑工业出版社.1981年【7】苏文成.工厂供电M.北京：机械工业出版社.2023年【8】工厂常用电气设备手册编写组. 工厂常用电气设备手册（补充本）. 北京：水利电力出版社.1990【9】JGJ16-2023 民用建筑电气设计规范【10】GB50054-95 低压配电设计规范 【11】GB50052-95 供配电系统设计规范【12】GB50217-2023 电力工程电缆设计规范【13】GB50060-92 3110KV高压配电装置设计规范教研室意见负责人署名： 年 月 日系（部） 意 见负责人署名： 年 月 日摘 要 根据我国能源运用情况，供电设计的原则规定，按照设计任务书的具体规定，对该厂进行总体分析，然后着手对该中外合资机械厂的变电所及配电系统进行设计。在指导老师的悉心指导下、在同组成员尽心帮助下，同时借助不少参考文献，完毕该次设计。一方面，对全厂的负荷进行系记录算，为拟定供电系统的电力变压器、各种开关电器的容量、电力线路的截面和变电所的所址等提供依据。并且对其进行无功补偿，以减少变压器、电力线路、开关设备的功率损耗，从而减少电器元件的规格，减少它的功率损耗和电压损耗，减少投资。另一方面，根据本厂的实际情况和经济技术比较电力变压器，拟定变电所的类型以及其主接线方案，其中涉及变压器容量以及台数的拟定，全厂配电系统的设计。然后，为了校验一次设备的短路稳定度，开关电器的断流能力及电流保护装置的灵敏度，整定电流速断保护装置的动作电流，进行短路电流的计算，进而选择了电力线路和高低压电气设备。最后，拟定全厂配电系统,根据设计规定，绘制变电所一次系统图。关键词：电力变压器、无功补偿、功率损耗、短路稳定度、断流能力、配电系统目 录 1 前言.11.1引言11.2设计原则11.3本设计所做的重要工作22负荷计算及电容补偿.32.1负荷计算的方法32.2负荷记录计算42.3电容补偿63变压器选择及主接线方案拟定.73.1主变压器台数选择73.2主变压器容量选择73.3主接线方案拟定83.3.1变电所主接线方案的设计原则与规定83.3.2变电所主接线方案的技术经济指标83.3.3工厂变电所常见的主接线方案93.3.4拟定主接线方案93.4无功功率补偿修定114高低压开关设备选择.134.1短路电流的计算134.1.1 短路计算的方法134.1.2本设计采用标幺制法进行短路计算134.2变电站一次设备的选择与校验194.2.1 一次设备选择与校验的条件194.2.2 按正常工作条件选择194.2.3 按短路条件校验204.2.4 10kV侧一次设备的选择校验214.2.5 380V侧一次设备的选择校验234.3高低压母线的选择：245变电所进出线和低压电缆选择.245.1 变电所进出线的选择范围245.2 变电所进出线方式的选择255.3 变电所进出导线和电缆形式的选择255.4 高压进线和低压出线的选择265.4.1 10kV高压进线的选择校验265.4.2 由高压母线至主变的引入电缆的选择校验265.4.3 380V低压出线的选择266 总结.317 参考文献.311 前言1.1引言电能是现代工业生产的重要能源和动力。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；电能的输送和分派既简朴经济，又便于控制、调节和测量，有助于实现生产过程自动化。在工程机械制造厂里，电能虽然是工业生产的重要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小。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长产量，提高产品质量，提高劳动生产率，减少生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有助于实现生产过程自动化。电能从区域变电站进入机械厂后，一方面要解决的就是如何对电能进行控制、变换、分派和传输等问题。在机械厂，担负这一任务的是供电系统，供电系统的核心部分是变电所。一旦变电所出了事故而导致停电，则整个机械厂的生产过程都将停止进行，甚至还会引起一些严重的安全事故。机械厂变电所要很好地为生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达成以下基本规定：(1)安全 在电能的供应、分派和使用中，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规定。(3)优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的规定(4)经济 供电系统的投资要少，运营费用要低，并尽也许地节约电能和减少有色金属的消耗量。此外，在供电工作中，应合理地解决局部和全局、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设计原则按照国家标准GB50052-95供配电系统设计规范、GB50053-94 10kV及以下设计规范、GB50054-95 低压配电设计规范、JGJ16-2023民用建筑电气设计规范等的规定，进行变电所设计必须遵循以下原则：1、遵守规程、执行政策必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，涉及节约能源，节约有色金属等技术经济政策。2、安全可靠、先进合理应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。3、近期为主、考虑发展应根据工作特点、规模和发展规划，对的解决近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的也许性。4、全局出发、统筹兼顾按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理拟定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。1.3本设计所做的重要工作目前世界上机械生产能源和动力重要来源于电能。电网的正常运营是保证机械生产安全前提。根据设计任务书的规定，结合实际情况和市场上现有的电力产品及其技术，本文重要做了以下工作：1、负荷计算 机械厂变电所的负荷计算，是根据所提供的负荷情况进行的，本文列出了负荷计算表，得出总负荷。2、一次系统图跟据负荷类别及对供电可靠性的规定进行负荷计算，绘制一次系统图，拟定变电所高、低接线方式。对它的基本规定，即要安全可靠又要灵活经济，安装容易维修方便。3、电容补偿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成供电部门规定数值所需补偿的无功率。由手册或产品样本选用所需无功功率补偿柜的规格和数量。4、变压器选择根据电源进线方向，综合考虑设立总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，拟定变压器型号。5、短路电流计算工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运营小于电网容量，皆可按无限大容量系统供电进行短路计算。求出各短路点的三相短路电流及相应有关参数。6、高、低压设备选择及校验参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及相应的额定值，选择高、低压配电设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和动稳定检查，并列表表达。7、电缆的选择 为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运营，进行电缆截面选择时必须满足发热条件：电缆(涉及母线)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，不应超过其正常运营时的最高允许温度。2负荷计算及电容补偿2.1负荷计算的方法负荷计算的方法有需要系数法、运用系数法及二项式等几种。由于本机械厂用电部门较多，用电设备台数较多，设计采用需要系数法予以拟定。1单台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)： 式中 设备有功计算负荷(单位为kW)；用电设备组总的设备容量(不含备用设备容量，单位为kW)；用电设备组的需要系数。(2).无功计算负荷(单位为kvar) 式中 设备无功计算负荷(单位为kvar)；相应于用电设备组功率因数的正切值。(3).视在计算负荷(单位为kVA) 式中 视在计算负荷(单位为kVA)；用电设备组的功率因数。(4).计算电流(单位为A) 式中 计算电流(单位为A)；用电设备组的视在功率(单位为kVA)；用电设备组的额定电压(单位为kV)。2多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) 式中 多组用电设备有功计算负荷(单位为kW)； 所有设备组有功计算负荷之和； 有功负荷同时系数，可取0.70.95。(2).无功计算负荷(单位为kvar) 式中 多组用电设备无功计算负荷(单位为kvar)；所有设备组无功计算负荷之和； 无功负荷同时系数，可取0.80.95。(3) .视在计算负荷(单位为kVA (4).计算电流(单位为A) (5).功率因数 2.2负荷记录计算 根据提供的资料，列出负荷计算表。因设计的需要，计算了各负荷的有功功率、无功功率、视在功率、计算电流等。表中生活区的照明负荷中已经涉及生活区各用户的家庭动力负荷。具体负荷的记录计算见表2-1。 序号名称类别设备容量需要系数cos计算负荷1铸造车间动力650.40.71.022626,5照明70.80.90.485.62.7小计7231.629.243.065.42锻压车间动力1100.30.61.333343.9照明100.70.90.4873.4小计1204047.361.994.13仓库动力400.40.850.62169.9照明50.80.90.4841.9小计452011.823.235.34电镀车间动力600.50.850.623018.6照明60.80.90.484.82.3小计6634.820.940.661.75工具车间动力2000.30.651.176070.2照明100.90.90.4894.3小计2106974.5101.6154.36组装车间动力2000.40.71.028081.6照明300.80.90.482411.5小计23010493.1139.6212.17维修车间动力2000.20.61.334053.2照明130.80.90.4810.45.0小计21350.458.277.0117.08金工车间动力4000.20.651.178093.6照明160.80.90.4812.86.1小计41692.899.7136.2207.09焊接车间动力7300.30.451.98219433.6照明460.80.90.4836.817.7小计876255.8451.3518.7788.210锅炉房动力1500.70.80.7510578.8照明30.80.90.482.41.2小计153107.480.0133.9203.411热解决车间动力2000.60.71.02120122.4照明100.80.90.4883.8小计210128126.2179.8273.212生活区照明800.70.90.485626.962.194.4总计（380v侧）动力照明取791.8895.21195.21816.4 2.3电容补偿由表2-1知：P30=791.8KW，Q30=895.2Kvar,S30=1195.2KVA，因此该厂380V侧最大负荷时的功率因数为。供电部门规定该厂10kV进线侧最大负荷时的功率因数不应低于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，本文取0.92来计算380V侧所需无功功率补偿容量： =791.8(1.1320.426)=559kvar 选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案4（辅屏）4台相组合，总共容量112kvar5=560kvar。无功补偿后工厂380V侧的负荷计算：；=859.83KVA；补偿后低压侧的功率因数：3变压器选择及主接线方案拟定3.1主变压器台数选择选择主变压器台数时应考虑下列原则：1应满足用电负荷对供电可靠性的规定。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但必须有备用电源。2对季节性负荷或昼夜负荷变动较大，适于采用经济运营方式的变电所，可采用两台变压器。3当负荷集中且容量相称大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台或多台变压器。4在拟定变电所台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。3.2主变压器容量选择 根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器可有下列两种方案：方案1 装设一台主变压器根据式(3-1)，主变选用一台接线方式为D.yn11的S9-1250/10型变压器，根据民用建筑规范规定变压器的负载率不宜大于85%，而显然满足规定。至于机械厂的二级负荷的备用电源，由与邻近单位相联的高压联络线来承担。因此装设一台主变压器时选一台接线方式为D.yn11的S9-500/10型低损耗配电变压器。方案2 装设两台主变压器 因此选两台接线方式为D.yn11的S9-500/10型低损耗配电变压器。两台变压器并列运营，互为备用。3.3主接线方案拟定3.3.1变电所主接线方案的设计原则与规定变电所的主接线，应根据变电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件拟定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等规定。(1)安全 应符合有关国家标准和技术规范的规定，能充足保证人身和设备的安全。(2)可靠 应满足电力负荷特别是其中一、二级负荷对供电可靠性的规定。(3)灵活 应能必要的各种运营方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。(4)经济 在满足上述规定的前提下，尽量使主接线简朴，投资少，运营费用低，并节约电能和有色金属消耗量。3.3.2变电所主接线方案的技术经济指标1.主接线方案的技术指标(1)供电的安全性。主接线方案在保证运营维护和检修的安全面的情况。(2)供电的可靠性。主接线方案在与用电负荷对可靠性规定的适应性方面的情况。(3)供电的电能质量重要是指电压质量，涉及电压偏差、电压波动及高次谐波等方面的情况。(4)运营的灵活性和运营维护的方便性。(5)对变电所此后增容扩建的适应性。2.主接线方案的经济指标(1)线路和设备的综合投资额 涉及线路和设备自身的价格、运送费、管理费、基建安装费等，可按本地电气安装部门的规定计算。(2)变配电系统的年运营费 涉及线路和设备的折旧费。维修管理费和电能损花费等。(3)供电贴费（系统增容费） 有关部门还规定申请用电，用户必须向供电部门一次性地交纳供电贴费。(4)线路的有色金属消花费 指导线和有色金属（铜、铝）耗用的重量。3.3.3工厂变电所常见的主接线方案1.只装有一台主变压器的变电所主接线方案只装有一台主变压器的变电所，其高压侧一般采用无母线的接线，根据高压侧采用的开关电器不同，有三种比较典型的主接线方案：(1)高压侧采用隔离开关-熔断器或户外跌开式熔断器的主接线方案；(2)高压侧采用负荷开关-熔断器或负荷型跌开式熔断器的主接线方案；(3)高压侧采用隔离开关-断路器的主接线方案。2.装有两台主变压器的变电所主接线方案装有两台主变压器的变电所的典型主接线方案有：(1)高压无母线、低压单母线分段的主接线方案；(2)高压采用单母线、低压单母线分段的主接线方案；(3)高低压侧均为单母线分段的主接线方案。3.3.4拟定主接线方案1.10kV侧主接线方案的拟定由原始资料可知，高压侧进线有一条10kV的公用电源干线，为满足工厂二级负荷的规定，又采用与附近单位连接高压联络线的方式取得备用电源，因此，变电所高压侧有两条电源进线，一条工作，一条备用，同时为保证供电的可靠性和对扩建的适应性所以10kV侧可采用单母线或单母线分段的方案。2.380V侧主接线方案的拟定由原始资料可知，工厂用电部门较多，为保证供电的可靠性和灵活性可采用单母线或单母线分段接线的方案，对电能进行汇集，使每一个用电部门都可以方便地获得电能。3.方案拟定根据前面章节的计算，若主变采用一台S9型变压器时，总进线为两路。为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，低压侧采用单母线形式，其系统图见：图3-1 采用一台主变时的系统图。若主变采用两台S9型变压器时，总进线为两路，为提高供电系统的可靠性，高压侧采用单母线分段形式，两台变压器在正常情况下分裂运营，当其中任意一台出现故障时另一台作为备用，当总进线中的任一回路出现故障时两台变压器并列运营。低压侧采用也单母线分段形式，其系统图见：图3-2 采用两台主变时的系统图。图3-1 采用一台主变时的系统图图3-2 采用两台主变时的系统图表3-3 两种主接线方案的比较比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案技术指标供电安全性满足规定满足规定供电可靠性基本满足规定满足规定供电质量由于一台主变，电压损耗略大由于两台主变并列，电压损耗略小灵活方便性只有一台主变，灵活性不好由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性差一些更好经济指标电力变压器的综合投资额按单台（S9-1250/10） 12.563万元计综合投资为212.563=25.126万元按单台(S9-500/10)5.23万元计，综合投资为45.23=20.92万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额按每台4.8万元计,综合投资约为51.54.8=36万元6台GG-1A（F）型柜综合投资约为61.54.8=43.2万元电力变压器和高压开关柜的年运营费主变和高压开关柜的折旧和维修管理费约5万元主变和高压开关柜的折旧和维修管理费约5万元交供电部门的一次性供电贴费按800元/kVA计，贴费为12500.08万元=100万元贴费为25000.08=80万元从上表可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案优于装设一台主变的方案。从经济指标来看，装设一台主变的方案优于装设两台主变的方案。由于集中负荷较大，已经大于1250kVA,低压侧出线回路数较多，且有一定量的二级负荷，考虑此后增容扩建的适应性，从技术指标考虑，采用于装设两台主变的方案。3.4无功功率补偿修定低压采用单母线分段接线方式，考虑铸造车间、电镀车间和锅炉房为二级负荷，采用双回路供电，但在正常状态下只由一回路供电，另回路作为备用。计算负荷时则，只考虑其中一回路。为使两段母线的负荷基本平衡，段母线负荷设计为：铸造车间、仓库、电镀车间、工具车间、金工车间、焊接车间；段母线负荷设计为：锻压车间、组装车间、维修车间、锅炉房、热解决车间、生活区。段母线的负荷情况：，同时系数取为，段母线的负荷情况：，同时系数取为；对无功功率补偿进行修定：计算段母线所需无功功率补偿容量，取： 选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW 0.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案4（辅屏）3台相组合，总共容量112kvar4=448kvar。 618.7-448=170.7kvar补偿后的功率因素。计算段母线所需无功功率补偿容量，取： 388.4-224=164.4(kvar) 选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW 0.4-14-3型，采用其方案2（主屏）1台与方案4（辅屏）1台相组合，总共容量112kvar2=224kvar。补偿后的功率因素。4高低压开关设备选择4.1短路电流的计算4.1.1 短路计算的方法进行短路电流计算，一方面要绘制计算电路图。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达出来，并将各元件依次编号，然后拟定短路计算点。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也许的短路电流通过。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算出电路中各重要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些重要元件表达出来，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，并且短路电路也比较简朴，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（又称有名单位制法，因其短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名）和标幺制法（又称相对单位制法，因其短路计算中的有关物理量采用标幺值即相对单位而得名）。4.1.2本设计采用标幺制法进行短路计算1标幺制法计算环节和方法 (1)绘计算电路图，选择短路计算点。计算电路图上应将短路计算中需计入的所以电路元件的额定参数都表达出来，并将各个元件依次编号。 (2)设定基准容量和基准电压，计算短路点基准电流。一般设=100MVA，设=（短路计算电压）。短路基准电流按下式计算： (4-1) (3)计算短路回路中各重要元件的阻抗标幺值。一般只计算电抗。电力系统的电抗标幺值 (4-2)式中 电力系统出口断路器的断流容量（单位为MVA）。电力线路的电抗标幺值 (4-3)式中 线路所在电网的短路计算电压（单位为kV）。电力变压器的电抗标幺值 (4-4)式中 变压器的短路电压（阻抗电压）百分值； 变压器的额定容量（单位为kVA,计算时化为与同单位）。(4)绘短路回路等效电路，并计算总阻抗。用标幺制法进行短路计算时，无论有几个短路计算点，其短路等效电路只有一个。(5)计算短路电流。分别对短路计算点计算其各种短路电流：三相短路电流周期分量、