机加厂房配电系统设计.pdf

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1、机加厂房配电系统设计 - I - 机加厂房配电系统设计 - II - 摘 要 随着社会不断发展，电力系统在我国工业生产和日常生活中得到广泛应用。众所周知， 电能是现代工业生产的主要能源和动力，无论是从经济发展还是社会生活方面来说，电力 已迅速成为重要能源之一，因此对电力系统的研究也日益重要。电能作为最广泛使用的能 源之一，是因为它在生产、传输、分配、转换、控制和管理等方面都非常便易1 而在电力系统规划和设计时则需要考虑一些因素，首先保证电力系统运行的安全可靠 性；其次是保证良好的电能质量；再次是保证系统运行的经济性。继电保护是保证电力系 统安全运行和提高电能质量的重要环节，在设计电力系统时要对

2、输电线路进行继电保护， 进行相关环节的计算。因此对配电线路的设计和计算具有重要的现实意义与工程价值。 。因此对用 户的供电能力是电力系统的重要环节，供电的可靠性及功率损耗也值得重视。电能在工业 生产中的重要性，在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量和劳动 生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，有利于实现生产过程自动化。从另一方面 来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好工 厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。 本论文以某机械制造厂为研究对象，探讨了厂区配电线路的设计方案。首先对研究对 象的基础资料进行调查研究

3、，掌握设计方案的背景。进而对其供电的配电线路进行负荷计 算和线路短路计算，选择符合研究内容要求的电气设备，同时考虑了其外部保护的方案措 施。 关键词：电力系统；供电；配电线路；短路计算；继电保护关键词：电力系统；供电；配电线路；短路计算；继电保护 机加厂房配电系统设计 - III - 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 课题的目的及意义 2 1.3 课题研究的内容 2 第 2 章 研究课题的基础资料 3 2.1 厂区简介 3 2.1.1 制造厂的布局 3 2.1.2 制造厂的自然条件 4 2.2 厂区的负荷情况 4 2.3 供电协议 5 2.4 小结 5 第 3 章 配

4、电系统方案及理论计算 6 3.1 车间变电所负荷计算、变压器及导线选择 6 3.1.1 一号变电所 6 3.1.2 二号变电所 7 3.1.3 三号变电所 8 3.1.4 四号变电所 10 3.1.5 五号变电所 12 3.2 总降压变电所设计和无功功率补偿 13 3.2.1 负荷计算 13 3.2.2 无功功率补偿 14 3.2.3 总降压变电所电力变压器型号选择及功率损耗 14 3.2.4 导线型号选择 15 3.3 短路计算 15 3.3.1 基准值的确定 16 3.3.2 地区变电所的最大容量 16 3.3.3 地区变电所的最小容量 19 3.4 小结 22 第 4 章 电气设备的选择

5、 23 4.1 设备选择原则 23 4.2 总降压变电所电气设备 23 机加厂房配电系统设计 - IV - 4.2.1 总降压变电所一次侧电气设备 23 4.2.2 总降压变电所电力变压器T1 二次侧电气设备 24 4.2.3 总降压变电所电力变压器T2 二次侧电气设备 25 4.3 车间10kV线路电气设备选择 26 4.3.1 一号变电所电气设备的选择 26 4.3.2 二号变电所电气设备的选择 27 4.3.3 三号变电所电气设备的选择 28 4.3.4 四号变电所电气设备的选择 29 4.3.5 五号变电所电气设备的选择 30 4.4 母线的选择 31 4.4.1 总降压变电所35kV

6、侧母线的选择 31 4.4.2 总降压变电所10kV侧母线的选择 32 4.5 避雷器的选择 33 4.5.1 35kV进线处避雷器的选择 33 4.5.2 10kV进线处避雷器的选择 33 第 5 章 电路系统设计 35 5.1 10kv高压线路到车间变电所二次侧的继电保护 35 5.1.1 一号变电所 35 5.1.2 二号变电所 36 5.1.3 三号变电所 36 5.1.4 四号变电所 37 5.1.5 五号变电所 38 5.2 总降压变电所电力变压器的继电保护 39 5.3 小结 40 第 6 章 外部保护及接地设计 41 6.1 防雷设计 41 6.1.1 雷电危害 41 6.1.

7、2 防雷设计 41 6.2 接地保护设计 42 6.3 小结 42 结 论 43 参考文献 44 机加厂房配电系统设计 - V - 致 谢 45 机加厂房配电系统设计 - 1 - 第 1 章 绪论 电力是现今工业生产提供了重要的能源，得到了广泛应用。本章介绍了课题的研究 背景，以及课题研究的内容。对该课题的研究是具有现实意义和工程价值。 1.1 课题背景 随着社会的进步、科技的快速发展，电力已经是我们日常生活和社会生产中主要的 能源。现代的工业生产，都是向着高自动化、智能化的方向发展。于是对电力供应的要 求越来越高，未来的供电技术也应该是高智能化、高自动化，并应具有更高地合理性、 可靠性。 电

8、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加产量，提高劳动生产率，降低生产成 本，减轻工人的劳动强度，有利于实现生产过程自动化。 工厂供电的不稳定，将会造成工厂突然断电，使企业的生产受到严重的影响，有时 还会造成重要设备的损坏，甚至人身伤亡等事故，给国家造成严重的损失，阻碍了社会 生产的发展。 近年来国内外发生的多次大停电事故充分表明其对经济和社会的严重危害， 例如：1994 年 5 月 25 日南方电网因大机组跳闸而引起振荡失步事故；1982 年 12 月 14 日加拿大魁北克电力系统的大停电事故；1983 年12 月2

9、7 日瑞典电力系统大停电事故； 1996 年美国西部电网的大停电事故更是引起了全球的关注，该事故是美国历史上规模最 大的停电事故，事故造成包括22 个核电厂在内的 100 多个发电厂、几十条高压输电线路 停运，系统失去负荷61.8GW，停电时间长达 29 小时，直接经济损失高达 300 亿美元。 由此可见，现代电力系统已受到大停电事故的严重威胁，这就为我们电网建设和运行的 安全保障提出了更高的要求。 在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系 统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制 和远程抄表等系统于一体的配电网管理系统(DM

10、S)， 其功能多达140 余种。 20 世纪90 年 代以来，国内电力系统 35kV 变电所逐步实现了四遥功能，但规模覆盖变电所自动化、 馈线的故障定位与隔离和自动恢复供电、负荷控制、远程自动读表、最低网损、电压、 无功优化、配电投资系统、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统，则是 近年来才起步的。 因此做好工厂供配电，减少事故带来的经济损失和带给社会的不便，对于保证工业 生产的正常进行、促进工业发展、实现生产现代化有着重要的意义。 机加厂房配电系统设计 - 2 - 1.2 课题的目的及意义 在电力市场建立的初期，市场运作规则尚未完全建立或不甚完善，在规则执行中约 束乏力，各个市场主

11、体可能出现片面追求自身最大经济利益而忽视电力系统安全可靠的 错误倾向，使安全管理削弱，调度管理削弱，事故频发。我国和某些发展中国家，正处 在全国大联网中，由于缺乏管理大电力系统的经验，导致管理规则滞后和技术上欠缺， 再加上从弱联到强联客观存在的网络上的过渡阶段，发生事故的几率将有可能增加。由 于管理、技术和不可抗力等原因，电力系统总有可能发生灾变和事故。世界上众多的大 灾变及事故的教训告诉我们，随着电力系统的扩大，发生灾变及事故的因素也由之增加， 波及的范围也将扩大，对国家安全、国民经济和人民生命财产造成的损失也在增加2 随着工业的发展和经济的持续增长，电力供应出现了严重短缺，现在电能的短缺量

12、 已经超过了淡水的短缺量。 据有关调查研究表明， 目前全国已经有多个省市相继出现 “拉 闸限电”现象，因而合理的利用和分配电能已成为工厂供电中重要的任务。所以好的供 电设计，既可以保障供电的优质化、可靠性、安全性，又可以为国家节约大量电力资源， 使电力得到更合理的利用，加快工业的发展。 。 电能在能源的总消耗中所占比例越来越大，人们对电能的依赖性越来越大，对电力供应 的可靠性要求越来越高，社会对事故停电的可接受性越来越低。无论是从国民经济、社 会秩序还是科技发展等方面来说，对电力系统的研究就整个社会而言是非常必要的。 1.3 课题研究的内容 本课题要研究的是某机械制造厂总降压变电所及其配电系统

13、的设计。具体设计内容 有工厂变配电所的设计、工厂高压配电线路设计和车间低压配电线路的设计。工厂变配 电所设计包括以下基本内容： 1. 系统方案及负荷计算， 确定无功补偿方案和补偿容量， 以及变电所的所址和形式； 2. 主变压器选择计算及功率损耗计算； 3. 厂区高压配电系统设计； 4. 确定短路计算点，三相短路电流计算； 5. 变电所主要电气设备选择； 6. 变配电所防雷保护及接地装置的设计。 机加厂房配电系统设计 - 3 - 第 2 章 研究课题的基础资料 第一章介绍了此次研究课题的选题及其意义，由上述简要叙述接下来将对研究课题 的具体对象进行调查研究。选定某机械制造厂为具体研究对象，通过资

14、料查阅和咨询了 解了此次设计方案的基础资料，以此为依据来进行一下章节的设计及计算。 2.1 厂区简介 2.1.1 制造厂的布局 本论文研究对象为机械制造厂，其中厂区包括几个分类车间，有铸钢车间、铸铁车 间、锻造车间、铆焊车间、木型车间及母型库、机修车间、砂库、制材厂、空压厂、锅 炉房、水泵房、综合楼及水塔等。制造厂厂区布局如图 2-1 所示。 1. 铸钢车间 2. 铸铁车间 3. 锻造车间 4.铆焊车间 5. 木型车间及母型库 6.机修车间 7. 砂库 8. 制材厂 9. 空压场 10. 锅炉房 11. 综合楼 12. 水塔 13. 水泵房（1，2） 14.污水提升站 图2-1 全厂总平面布置

15、图 9 4 6 3 2 11 1 13 7 14 8 5 12 10 机加厂房配电系统设计 - 4 - 2.1.2 制造厂的自然条件 对该厂的的自然条件进行研究，总结厂区有以下几个方面的自然条件： (1) 当地最热月平均最高气温为31； (2) 土壤0.8 米深处一年中最热月平均气温为20； (3) 年雷暴日为31 天； (4) 土壤冻结深度为1 米； (5) 土壤性质以砂质粘土为主。 2.2 厂区的负荷情况 本厂各个车间均耗费电力，其年最大负荷利用小时数为 6000h，而全厂绝大部分用 电设备属二类负荷。统计结果显示各车间380V 负荷分布情况如表 2-1 所示。 表2-1 各车间380V

16、负荷分布情况 序号 车间或用电设备名称 设备容量(kW) Kd cos tan 1 号变电所 1 铸钢车间 1800 0.4 0.65 1.17 2 号变电所 1 铸铁车 1000 0.4 0.7 1.02 2 砂库 110 0.7 0.6 1.33 3 号变电所 1 铆焊车 1200 0.3 0.45 0.98 2 1 号水泵房 28 0.75 0.8 0.75 4 号变电所 1 空压 390 0.85 0.7 0.88 2 机修车间 150 0.25 0.65 1.17 3 锻造车间 220 0.3 0.55 1.52 4 木型车间 186 0.35 0.6 1.33 5 制材厂 20 0

17、.28 0.6 1.33 6 综合楼 20 0.9 1 0 5 号变电所 1 锅炉房 300 0.75 0.8 0.75 2 2 号水泵房 28 0.75 0.8 0.75 3 仓库 88 0.3 0.65 1.17 4 污水提升站 14 0.65 0.8 0.75 机加厂房配电系统设计 - 5 - 说明：除 1 号、2 号车间变电所设置两台变压器外，其余设置一台。 2.3 供电协议 据了解，该机械制造厂的供电协议内容如下： (1) 工厂电源从电业部门的某 220/35kV区域变电所， 用 35kV双回架空线引入本厂， 其中一回作为工作电源，则另一回作为备用电源，两个电源非并列运行，该变电所距

18、厂 西北侧 8km。 (2) 区域变电所35kV 母线的短路技术数据如下： 系统为最大运行方式时，MVASk200 max =； 系统为最小运行方式时，MVASk175 min =。 (3) 电业部门对本厂提出的技术要求： 区域变电所35kV 配电出线定时限过流保护动作时间为 2s，工厂总降压变电所过 流保护动作时间不应大于为1.5s； 本厂的功率因数不低于0.9； 在总降压变电所35kV 侧测量。 2.4 小结 本章对研究厂区的布局、车间分类及负荷情况做了初步了解，同时对工厂供电的协 议内容做了简要介绍。由这些资料作为此次研究的基础条件，在该条件下对配电线路进 行设计和负荷计算等。 机加厂房

19、配电系统设计 - 6 - 第 3 章 配电系统方案及理论计算 本章针对厂区，对 5 个变电所的负荷进行计算，对变压器进行选择，计算功率损耗 及选择导线型号。进而对总降压变电所进行负荷计算、无功功率补偿及设计。同时进行 线路的短路计算，包括计算各个元件及个短路点的电抗标么值和短路电流及短路容量。 3.1 车间变电所负荷计算、变压器及导线选择 3.1.1 一号变电所 (1) 计算负荷：视在计算负荷 kWPKP ed 7204 . 01800 30 = 3 var 4 . 84217 . 1 720tan 3030 kPQ= AkVQPS=+=+=17.1108 4 . 842720 22 2 30

20、 2 3030 (2) 变压器的选择 AkVAKVSST= 7 . 77517.11087 . 07 . 0 30 选择变压器的容量AKVST= 800，型号10/800 9 S，连接组 Yyn0 (3) 变压器功率损耗 kWPPP kT 00 . 5 2800 17.1108 5 . 74 . 1 2 2 0 = +=+= var67.23 2800 17.1108 100 5 . 4 100 8 . 0 800 100 % 100 % 2 20 k UI SQ k NT = += += 其中， 0 P变压器空载损耗，kW； k P变压器负载损耗，kW； N S S2/ 30 =。 (4)

21、车间变压器一次侧计算负荷 kWP730200 . 5 720 )1(30 =+= var74.889267.23 4 . 842 )1(30 kQ=+= AkVQPS=+=+=89.115074.889730 22 2 )1(30 2 )1(30)1(30 A kV AkV U S I N 45.66 103 89.1150 3 )1(30 )1(30 = = (5) 导线型号选择 机加厂房配电系统设计 - 7 - 按发热条件选择导线：初选环境温度 30，截面为 2 16mm的 LJ-16 型铝绞线。 AIAIal45.6699 30 =，因此满足发热条件。 机械强度校验：查表，10kV架空线

22、路铝绞线的最小允许截面 2 min 25mmA= 4 2 25mmA = ，因 此所选LJ-16 型铝绞线不满足机械强度要求，因此应该选择截面是的LJ-25 型铝绞线。 电压损耗校验： 2 25mmA =，查表可知，kmR/33 . 1 0 =，kmX/40 . 0 0 = 故线路的电压损耗值为： V U XQRP U N 54.26 10 )40 . 0 2 . 0(74.889)33 . 1 2 . 0(730 )1(30)1(30 = + = + = 线路电压损耗百分值为为： %2654 . 0 %100 10000 54.26 %100%= = N U U U 电压损耗小于%5% =

23、al U，因此所选 LJ-25 型铝绞线满足允许电压损耗要求。 3.1.2 二号变电所 (1) 负荷计算：视在计算负荷 kWPKP ed 4004 . 01000 11)1(30 = var40802 . 1 400tan )1(30)1(30 kPQ= kWPKP ed 777 . 0110 22)2(30 = var 4 . 10233 . 1 77tan )2(30)2(30 kPQ= 9 . 0= K (2) 车间变电所低压母线负荷： kWPPKP p 3 . 429)77400(9 . 0)( )2(30)1(30)3(30 =+=+ = var36.459) 4 . 102408(

24、9 . 0)( )2(30)1(30)3(30 kQQKQ q =+=+ = AkVQPS=+=+=74.62836.459 3 . 429 22 2 )3(30 2 )3(30)3(30 (3) 变压器的选择 AkVAkVSST=12.44074.6287 . 07 . 0 )3(30 选择变压器的容量：AkVST= 500，型号10/500 9 S，连接组 Yyn0 (4) 变压器的功率损耗 机加厂房配电系统设计 - 8 - kWPPP kT 98 . 2 2500 74.628 1 . 596 . 0 2 2 0 = +=+= var91.12 2500 74.628 100 4 100

25、 0 . 1 500 100 % 100 % 2 20 k UI SQ k NT = += += 其中， 0 P变压器空载损耗，kW； k P变压器负载损耗，kW； N S S2/ )3(30 =。 (5) 车间变压器一次侧计算负荷 kWP26.435298 . 2 3 . 429 )4(30 =+= var18.485291.1237.459 )4(30 kQ=+= AkVQPS=+=+=81.65118.48526.435 22 2 )4(30 2 )4(30)4(30 A kV AkV U S I N 63.37 103 81.651 3 )4(30 )4(30 = = (6) 导线型号

26、选择 按发热条件选择导线：初选环境温度 30，截面为 2 10mm的 LJ-10 型铝绞线。 AIAIal63.3770 30 =，因此满足发热条件。 机械强度校验：查表，10kV 架空线路铝绞线的最小允许截面 2 min 25mmA=，因 此所选 LJ-10 型铝绞线不满足机械强度要求，因此应该选择截面是 2 25mmA =的 LJ-25 型铝绞线。 电压损耗校验： 2 25mmA =，查表可知，kmR/33. 1 0 =，kmX/40 . 0 0 = 故线路的电压损耗值为： V U XQRP U N 35 . 8 10 )40 . 0 108 . 0 (18.485)33 . 1 108

27、. 0 (26.435 )4(30)4(30 = + = + = 线路电压损耗百分值为：%0835 . 0 %100 10000 35 . 8 %100%= = N U U U 电压损耗小于%5% = al U，因此所选 LJ-25 型铝绞线满足允许电压损耗要求。 3.1.3 三号变电所 (1) 负荷计算：视在计算负荷 kWPKP ed 3603 . 01200 11)1(30 = var 8 . 35298 . 0 360tan )1(30)1(30 kPQ= kWPKP ed 2175 . 0 28 22)2(30 = 机加厂房配电系统设计 - 9 - var75.1575 . 0 21t

28、an )2(30)2(30 kPQ= 9 . 0= K (2) 车间变电所低压母线负荷： kWPPKP p 9 . 342)21360(9 . 0)( )2(30)1(30)3(30 =+=+ = var70.331)75.15 8 . 352(9 . 0)( )2(30)1(30)3(30 kQQKQ q =+=+ = AkVQPS=+=+=08.47770.331 9 . 342 22 2 )3(30 2 )3(30)3(30 (3) 变压器的选择 AkVSST=08.477 )3(30 选择变压器的容量：AkVST= 500，型号10/500 9 S，连接组 Yyn0 (4) 变压器的功

29、率损耗 kWPPP kT 60 . 5 500 08.477 1 . 596 . 0 2 2 0 = +=+= var21.23 500 08.477 100 4 100 0 . 1 500 100 % 100 % 2 20 k UI SQ k NT = += += 其中， 0 P变压器空载损耗，kW； k P变压器负载损耗，kW； N S S )3(30 =。 (5) 车间变压器一次侧计算负荷 kWP50.34860 . 5 9 . 342 )4(30 =+= var91.35421.2370.331 )4(30 kQ=+= AkVQPS=+=+=41.49791.35450.348 22

30、2 )4(30 2 )4(30)4(30 A kV AkV U S I N 72.28 103 41.497 3 )4(30 )4(30 = = (6) 导线型号选择 按发热条件选择导线：初选环境温度 30，截面为 2 10mm的 LJ-10 型铝绞线。 AIAIal72.2870 30 =，因此满足发热条件。 机械强度校验：查表，10kV 架空线路铝绞线的最小允许截面 2 min 25mmA=，因 此所选 LJ-10 型铝绞线不满足机械强度要求，因此应该选择截面是 2 25mmA =的 LJ-25 型铝绞线。 电压损耗校验： 2 25mmA =，查表可知，kmR/33. 1 0 =，kmX/

31、40 . 0 0 = 机加厂房配电系统设计 - 10 - 故线路的电压损耗值为： V U XQRP U N 63 . 3 10 )40 . 0 06 . 0 (91.354)33 . 1 06 . 0 (50.348 )4(30)4(30 = + = + = 线路电压损耗百分值为：%0363 . 0 %100 10000 63 . 3 %100%= = N U U U 电压损耗小于%5% = al U，因此所选LJ-25 型铝绞线满足允许电压损耗要求。 3.1.4 四号变电所 (1) 负荷计算：视在计算负荷 kWPKP ed 5 . 33185 . 0 390 11)1(30 = var72.

32、39188 . 0 5 . 331tan )1(30)1(30 kPQ= kWPKP ed 5 . 3725 . 0 150 22)2(30 = var88.4317 . 1 5 . 37tan )2(30)2(30 kPQ= kWPKP ed 663 . 0220 33)3(30 = var32.10052 . 1 66tan )3(30)3(30 kPQ= kWPKP ed 1 . 6535 . 0 186 44)4(30 = var58.8633 . 1 1 . 65tan )4(30)4(30 kPQ= kWPKP ed 6 . 528 . 0 20 55)5(30 = var45 . 7 33 . 1 6 . 5tan )5(30)5(30 kPQ= kWPKP ed 189 . 020 66)6(30 = var0018tan )6(30)6(30 kPQ= 9 . 0= K (2) 车间变电所低压母线负荷： kW PPPPPPKP p 33.471 )186 . 5 1 . 6566