某仪表厂供配电系统设计

毕业设计说明书(论文)

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专业: 电气工程及其自动化

题目: 某仪表厂供配电系统设计

指导者：

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2012 年 5 月

毕业设计（论文）评语

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题目：某仪表厂供配电系统设计

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目次

1 绪论（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） (1)

2 ××××××（正文第2章）……………………………………………………Y 2.1 ××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y 2.2 ××××××（正文第2章第2条）…………………………………………Y 2.X ××××××（正文第2章第X条）…………………………………………Y 3×××××（正文第3章）………………………………………………Y ………………………………………（略）

X×××××（正文第X章）………………………………………………………Y 结论……………………………………………………………………………………Y 致谢……………………………………………………………………………………Y 参考文献………………………………………………………………………………Y

本科毕业设计说明书（论文）第7 页共36 页1 绪论

1. 1 工厂供电的意义、要求和原则

电能是由一次能源经加工转换而成的二次能源，是现代人们生产生活的重要能源,电能的开发利用，是人类征服自然过程当中所取得的拥有划时代意义的辉煌成就[1]。几乎在所有工业生产中，电能都无处不在。它发挥着重要的作用，不是因为它在产品成本中占了多大的比重，而是因为电气化在工业生产中实现之后能够更好地增大产量，有效地提高产品质量。不仅如此，电气化的实现还能够提高劳动生产率，降低运作的成本，对于改善工人劳动的条件更加有益，而且还有利于实现生产过程的自动化。

所以说，如果工厂供电的工作做好了，那么实现工业现代化就很简单，这具有十分重要的意义。当然节约能源也是工厂供电工作的一个方面，而节约能源在国家经济建设中又有不可磨灭的作用，因此，要做到节约能源以及支持国家经济建设，就必须要做好工厂的供电工作。

工厂供电工作要很好的为工业生产服务，为了切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：

（1）工厂供电设计必须遵循国家有关标准、法令和设计规范，执行国家的有关方针政策，包括节约能源、节约有色金属和保护环境等技术经济政策;

（2）工厂供电设计应做到保证人身和设备安全、供电可靠、电能质量合格。技术先进和经济合理，设计中应采用符合国家标准的性能先进、能耗低、效率高及用户投资能力相适应的经济合理的电气产品;

（3）工厂供电设计必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案;

（4）工厂供电设计应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，已近期为主，适当考虑扩建的可能性[3]。

1. 2 本次设计主要内容

工厂供电系统的定义是指全厂所需电能从进厂到所用电设备终端的全部电路。工厂供电系统由几个部分组成，包括高低压配电路线、总厂降压配电所、车间变电所和用电设备等。工厂总降压变电所和配电系统的设计，是由每个车间负荷的质量与性质，以及负荷的分布情况决定的，再根据国家的供电要求，合理对电能进行分配，再对各个部门的安全可靠性问题进行慎重考虑，下面以仪表厂作为案例，计算内容有如下几

本科毕业设计说明书（论文）第8 页共36 页个步骤

1.2.1负荷计算

工厂总降压变电所的负荷计算是由每个车间进行各自的负荷计算，然后根据各自

的结果整合而成的，根据负荷的计算值来对供电系统中变压器、导线、开关等电力器

件进行正确地选择，以此来确保供电系统能够安全可靠地运行。另外就是计算出变电

所变压器的有功和无功功率损耗，从而计算出全厂总降压变电所高压侧的负荷以及总

功率因数。列出负荷计算表、表达计算成果。

1.2.2工厂总降压变电所的位置和主变压器的的台数和容量选择

变压器台数和容量的确定要考虑的因素很多，主要就是参考电源进线方向以及工

厂计算负荷和扩建的需要。

1.2.3工厂总降压变电所主接线设计

变电所主接线设计的基本要求是安全可靠、经济方便以及安装起来要容易。工厂

总降压变电所主接线的接线方式是由变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别以及

主变压器台数来决定的。

1.2.4厂区高压配电系统设计

厂区配电电压要根据厂内的负荷情况，考虑到技术和经济的合理性来确定。以总

降压变电所的位置作为参考，由多种不同方案的电压损失、建造的投资以及每年运行

所需的费用等多个条件列表比值，选择最好最适合的配电系统。然后根据选好的配电

系统设计合适的线路接构和敷设方式，厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线

路杆位。

1.2.5工厂供、配电系统短路电流计算

根据配电系统在不同运行方式下的短路参数，计算出在不同方式下运行的各点的

两相和三相短路电流。

1.2.6改善功率因数装置设计

总降压变电所的功率因数是根据负荷计算来求的，然后通过查表得出满足供电部

门要求应该补偿的无功功率。查看产品手册中的移相电容器，选择合适的贵和以及数

量，最后选择对应的放电装置。

1.2.7变电所高、低压侧设备选择

依据计算得出的短路电流，各回路负荷以及它们各自对应的额定值，合理选择变

电所高低压侧电器设备，如断路器、隔离开关、电缆、开关柜、避雷器、母线等。

1.2.8变电所防雷装置设计

本科毕业设计说明书（论文）第9 页共36 页以本地区气象地质材料作为参照，合理设计防雷接地装置。计算出避雷针保护范

围，防止发生反击现象的空间距离，根据避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷

器的规格型号，再确定它的接线部位。对接地和接地体做具体的理解。负荷计算及功

率补偿。

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2 负荷计算及功率补偿

2. 1 负荷计算的内容

2.1.1计算负荷 工厂供电系统运行时的实际负荷并不完全等于所有用电设备额定功率之和,因为用电设备不可能同时全部运行，每台设备也不可能全都满负荷，各种用电设备的功率因素也不可能全都相同[3]。因此，在设计工厂供配电系统过程中，必须找到等效负荷。等效负荷的定义是，在实际运行中所有用电设备产生的最大热效应与等效负荷所产生的热效应相等，用以计算的负荷或负荷电流称为计算负荷。在设计的计算中是将半小时最大负荷座位计算负荷，有功计算负荷用30P 来表示，无功计算负荷用30Q 来表示，视在计算负荷用30S 来表示，计算电流用30I 来表示。

2.1.2平均负荷

在一段时间内用电设备其电能的消耗量与该段时间的比值就是平均负荷。通常选取最大负荷（即有代表性的电能在一昼夜中消耗量最多的一个班次）的平均负荷，偶尔也会计算年 平均负荷。最大负荷及电能消耗量用平均负荷来计算。

2. 2 负荷计算的方法

负荷可由有二项式、需要系数法等几种来进行计算。本设计由于设备台数比较多，而单台设备容量相差不多所以采用需要系数法计算。主要计算公式有：

有功功率：d e K P P ?=30

无功功率: φtg P Q ?=3030

视在功率: φcos 3030P S =

计算电流: N U S I 33030=

该电子厂的各个车间负荷的情况如表2.1所示：

本科毕业设计说明书（论文）第11 页共36 页

表2.1

2.2.1 全厂负荷计算

各用电设备组最大负荷时不能同时出现而引起的同时系数∑

K

，一般可取

97.0~85.0=∑

K 。该仪表厂同时系数为9.0=∑

K

。

则=∑

?=∑K

P P i 30305139×0.9=4625.1kvar

=∑

?=∑K

Q Q i 30303876.4×0。9=3488.8kvar

≈+=2

302

3030Q P S 5793KV ·A

6.9533030≈=N U S I

≈=3030S P Cos φ0.8

2. 3 功率补偿

由于工厂存在有许多的电动机、电弧炉、感应电焊机、和气体放电灯等感性负荷，同时还有许多感性电力变压器，降低了功率因数。每个工厂都要面临解决如何提高功率因数的问题。如需要在充分发挥设备潜能、增大其自然功率因数、提高设备运行性能的情况下，还是达不到规定的工厂功率因数要求时，此时无功功率补偿装置便要增设在线路中。

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图2.1 无功和视在功率与功率因数提高变化的关系如图2.1所示。假设功率因数由φ

cos 提高到φ'cos ，当用户所需有功功率30P 不变时，无功功率30Q 降低至'30Q ，视在功率30

S 降低至'30S 。相对应的负荷电流30I 也减小，这会使系统电能损耗与电压损耗也相应的降低，即节约了电能，同时也提高了电压质量，而且可选择较小容量的导线电缆和供电设备，所以提高功率因数在供电系统中大有裨益。

由上图可知，为使功率因数由φcos 提高到φ'cos ，装设无功补偿装置（并联电容器）是必须的，其容量为：

)tan (tan 303030φφ'-='-=P Q Q Q c

c c q P Q ?=30

在确定总补偿容量之后，就可以根据所选择的并联电容器的单个容量

c q 来确定电容器的个数，即：c c q Q n = 由于本设计中要求92.0=φCos ,而由上面计算可知8.0=φCos <0.92，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。

)tan (tan 303030φφ'-='-=P Q Q Q c =4625.1（92.0cos 8.0cos 11---tg tg ）=1498.5Kcvar

无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

=-+='22)2(30)5.14988.3488(1.4625S 5035.2 KV.A

变压器的功率损耗为：

=?='*=?2.5035015.0015.030S P T 75.5 Kw

=*=?2.503506.0T Q 302 Kvar

变电所高压侧计算负荷为：

='30P 4625.1+75.5=4700.6 Kw

='30Q 3488.8-1498.5+302=2292.3 Kvar

=+='22303.22926.4700S 5230 KV ·A

无功率补偿后，工厂的功率因数为：

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0.9因此，符合本设计的要求。

3 变配电所选型及总体布置

3. 1 变配电所位置的选择

选择工厂变、配电所所址，应根据下列要求并经技术、经济比较后择优确定

(1)接近负荷中心；

(2)接近电源侧；

(3)进出线方便；

(4)设备吊装和运输方便；

(5)不应设在有剧烈振动或高温场所；

(6)不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所。当无法远离时，不应设在污染源的下风侧；

(7)不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴临；

(8)不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方。当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准GB 50058—1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定；

(9)不应设在地势低洼和可能积水的场所；

(10)高压配电所应尽量与邻近车间变电所或有大量高压用电设备的厂房建在一起[4]。GB50053-94《10kV及以下变电所设计规范》还规定：

（1）装有可燃性浸电力变压器的车间内变电所，不应设在三四级耐火等级的建筑物内；当设在二级耐火等级的建筑物内时，建筑物应采取局部防火措；

（2）多层建筑中，装有可燃性油的电气设备的变配电所应设在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集场所的正上方，正下方，贴邻和疏散出口的两旁；

（3）高层主体建筑物内不宜设装有可燃性油的电气设备的变配电所,当受条件限制必须设置时，应在底层靠外墙部位，且不应设在人员密集的场所的正上方，正下方，贴邻和疏散出口的两旁，并采取相应的防火措施；

（4）露天或半露天的变电所，不应设在下列场所：有腐蚀气体的场所；挑檐为燃烧体或难燃烧和耐火等级为四级的建筑物旁；附近有棉粮及其它易燃易爆物品集中的露天堆放场；容易沉积粉尘，可燃纤维和灰尘，或导电尘埃且严重影响变压器安全运行

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的场所[4]。

厂区供电平面图见附图1。 4 变压器、主接线方案的选择

4. 1 供电电压的选择

由于可由35kV 和10kV 的一种电压供电，所以将两种电压进行比较。35kV 电压供电电压更高，线路的功率损耗及电能损耗更小，年运行费用更低。而10kV 电压供电会增加线路功率损耗和电能损耗，线路电压损耗较高。所以该设计选择35kV 电压供电。

4. 2主变压器台数的选择

4.2.1主变压器台数应根据负荷特点进行选择。

（1）装有一台主变压器的变电所，主变电所容量T N S ?应不小于总的计算负荷30S ，即 30S S T N ??；

（2）装有两台主变压器的变电所，每台主变压器容量T N S ?应不小于总的计算负荷30S 的60%~70%，即30S S T N ??[4]

变电所主变压器的选择：根据工厂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

（1）装设一台主变压器：容量根据工厂计算负荷30S =5000，采用SJL1-5000/35型变压器；

（2）装设两台主变压器：型号也采用SJL1型，而每台变压器容量按计算负荷选择，即

)4500~3000(5000)7.0~6.0(=?≈?T N S kVA

2.17546.016635.08.1512)(30=?+?=≥? S S T N kVA

于是选取两台SJL1-3150/35型变压器。

4.2.2主变压器台数的经济比较

从上表看出，按经济指标，装设一台主变的方案更加符合要求。即可选取SJL1-5000/35型变压器。

4. 3 变电所主变压器型式

4.3.1 变电所主变压器型式的分类

（1）油浸式：一般建于正常环境的变电所可用；

（2）干式：用于需要防范火灾的干燥环境火，或者潮湿以及多灰尘的场所；

（3）密闭式：用于存在具有化学腐蚀性蒸汽、气体或某些会严重干扰变压器安全性运行因素场所如可燃粉尘、导电、纤维；

（4）防雷式：用于较大电阻率的土壤的山区和多雷地区；

（5）有载调压式：用于较低供电电压或较大电压波动的电力系统并且其用电设备需要较高质量电压，使用要求较高的场所。

由于本次设计的变电所其建筑较独立、封闭，所以可选取油浸式变压器，

4.3.2 变配电所主接线的选择原则

1）当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资；

2）当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线；

3）当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组接线；4）为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行；

5）接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互

本科毕业设计说明书（论文）第17 页共36 页感器合用一组隔离开关；

6）6～10KV固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，

应装设线路隔离开关；

7）采用6～10 KV熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关；

8）由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感

器（一般都安装计量柜）；

9）变压器低压侧为0.4KV的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或

自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器；

10）当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，

在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头[5]。

5 电力线路接线及敷设方式

5. 1 电力线路的接线方式

工厂的高压与低压的电路线路基本接线方式有环形、树干式以及放射式等形式。

下面以高压为例进行讨论。

1、放射式：

车间变电所或者用电设备的高压用电是从工厂变配电的母线上连出一条回路直

接供电，这种接线方式称为高压放射式接线。其特点是联线的方式简单，方便维护操

作，保护更简单，有利于自动化发展。缺点是其高压开关的设备较多，投资也很大，

当线路出线故障需要检修时，该线路的供电负荷需要停止，为了可靠性的提高，根据

规格可增添备用电路，放射式线路供电如图5.1所示。

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图5.1放射式线路

2、树干式

多个车间变电所或负荷点沿线分接于工厂变配电所的高压母线所引出的高压供

电支线上，这种接线方式为高压树干式接线。其特点是从变压配电所引出的线路很少，高压开关的设备相对用的也少，以此减少了有色金属的使用率。其缺点是，供电的可靠性不稳定，当线路出线故障或需要检修是将引起所有用户全部停电。为了提高供电的可靠性，一样可以采用增设备用电源的方式，树干式接线图如图5.2所示。

图5.2树干式接线图

3、放射式

以工场供电系统方面来说，高压环视其本质就是树干式接线的改进，其环视接线就是吧两路树干式线路连载在一起构成的。其特点是灵活运用接线方式，大大提高了供电可靠性。当干线上任何地方出现故障是，只需找到故障处，将其两端的隔离开关拉开，切断故障断后，全部线路即可恢复正常供电与运作。由于继电保护整定在闭环运行是相当复杂，所以一般采用开环方式运行。

本科毕业设计说明书（论文）第19 页共36 页5. 2 线路敷设

5.2.1 架空线路的敷设

当工厂的架空电线经长期日晒雨淋，以及环境和气候的变化会引起污染和断线等问题。因此必须依照规定按时巡视为确保线路长期安全运行，必须按相关规定敷设并经常性的巡视和检查，以便及时消除设备隐患。

在铺设架空电缆以及电杆时尺寸必须遵循下面四个规则：

1.采用不同的电压等级线路时，其裆柜（也可称跨柜，即两个相邻电杆在同一条线路上中心线的距离）也不同。一般380V线路轨距为40m~50m，6~10kV线路为70m~120m。

2.同一杆上的导线距离与裆柜以及线路上电压等级等等因素有关。10V线路线距约0.6m~1m ，380V线路线距约0.3m~0.5m。

3.弧垂（架空导线的悬挂点和最低点之间的垂直间距）要根据档距、导线形号与导线所受压力、截面面积及气温条件等因素决定。垂弧过大容易是线路碰线；过小容易是线路断裂或倒杆。

4.线距（导线上任一点到其他目标物体或者最低点与地面的最小垂直间距）必须遵循相关规格的规定。

5.2.2 电缆线路的敷设

电缆线路与架空线路相比，具有成本高，投资大，维修不便等缺点，但是它具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点，特别是在有腐蚀性气体和易燃、易爆场所，不宜架设架空线路时，只有敷设电缆线路。

因为架空比电缆线路拥有更多优点，其投资费用低，成本少，便于安装，维修简单，更容易发现及切除故障点等，故在一般工厂供电线路中架空线路应用更为广泛。由于本仪表厂地形简单，按照经济性和操作性来说，高压供电线路可采用架空线。5. 3 电气主接线方案

高压配电电压工厂总降压变电所（一次降压）先将其电压降低到10kV，然后通过车间变压器（二次变压）降为220/380的一般低压用电设备所需的低电压。因只需一个变压器，一个备用10kV电源，其电源进线线路长且故障发生率低和停电概率小，主变电所的变压器不需要经常更换，故总降压变电所一次侧可采用单母线接线的总电压变电所主接线方式。每一条电源和出线的回路都需安装一台断路器，以及两组母线隔离开关器，分别于母线连接。其特点是，接线简单，操作方便，设备少，经济性好，

本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 36 页 并且母线便于向两端延伸，扩建方便；缺点是，可靠性相对较低，调度不方便[1]。这种主接线适用于一、二级负荷的工厂。二次降压的一次侧采用高压式放射式接线，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其他负荷，这种接线方式简洁，操作维护简单，方便保护，自动化程度高。电气主接线见附图2。

6 短路计算

6. 1 短路电流计算的目的及方法

工厂供电系统供电给厂区负荷时，通常由于短路引起故障。为了选择符合规格的电气设备和校验安全性，以及进行继电保护装置的整定计算，就需要进行短路计算。

需进行短路计算时，首先要绘制该厂电气接线图，将短路计算所需各个元件的额定参数值在计算接线图中标出，并将各元件一次编号，然后确定短路点。

接着，将所计算的短路电流所通过的的主要元件在等效电路图中表示出来，并标明其阻抗值和序号，然后简化等效电路图。在工场供电系统中，一般讲电力系统作为无限大容量电源，其短路电路也教简单，故通常只需采用阻抗穿、并联的方式便可化简此电路，求出等效总电抗值。最后计算短路电流值和短路容量。

三相短路电流常用的计算方法有有欧姆法（也称名单位制法）和标幺值法（又称相对单位制法）两种方法。

6. 2 短路电流计算

欧姆法是最简单基本的短路计算法，适用于两个及两个以下电压电压等级的供电系统；标幺值法适用于多个电压等级的供电系统[3]。故设计采用标幺值法进行短路计算。

6.2.1 计算过程

系统短路电流计算电路图如图 6.1所示

35/10kV

A MV S k ?=?1000

)3(max A MV S k ?=?500)3(min 图6.1 系统短路电流计算电路图

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绘制等效电路如图6.2所示。标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。

图6.2.2 等效电路

1）确定基准值

取基准容量d S =100MV ·A,基准电压1d U =37KV,2d U =10.5KV 而基准电流==113d d

d U S I 3/100=1.56KA ==223d d

d U S I =35.10/100=5.50KA a ）电力系统

当=?)3(max k S 10000MV ·A 时，==?*?)

3(max max 1k d S S X 100/1000=0.1

当=?)3(min k S 500MV ·A 时，==??)3(min *min 1k d

S S X 100/500=0.2

b ）架空线路（X O = 0.36Ω/km ）

*2X = 21

d d o U LS X =0.36×10×100/237=0.26 c)电力变压器（U K % = 7.5）

*3

X = 21%d d k U S U =5000100101005.73

???=1.19 2) k-1点三相短路电流计算

系统最大运行时，总电抗标幺值：

=∑

'

-*)1(k X *?max 1X +*2X =0.1+0.26=0.36 系统最小运行时，总电抗标幺值：

=∑

'

'-*)1(k X *?min 1X +*2X =0.2+0.26=0.46 因此，系统最大运行时，三相短路电流及短路容量各为

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