某通用机器厂供配电系统设计

摘要

本论文主要是对小型工厂供配电系统的电气部分进行设计。工厂由户外引入10kV的高压电源，经过工厂变电所降为220/380V的低压电，直接供给工厂车间的动力系统和照明系统。

在选择电气设备之前，先对工厂负荷进行计算，确定工厂总的负荷容量，同时在低压母线侧进行无功功率的补偿，以提高功率因数。根据补偿后的负荷容量，选择工厂变电所变压器的容量和台数，然后确定工厂采用的供电系统，选择合适的车间配电方案，画出供配电系统主接线图。

高压一次设备、低压一次设备和导线截面积选择时，都必须满足电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求。电气设备不仅要满足在短路故障条件下的工作要求，还必须按最大可能的短路故障时的动稳态度和热稳态度进行校验，以判断设备是否满足工作要求。电路发生三相短路时的短路电流电流最大，计算三相短路电流，以进行设备的校验。

最后，进行继电保护和防雷接地，来提高系统的安全性和可靠性。

关键词：负荷计算，三相短路，主接线，继电保护，设备选择

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Abstract

This thesis is mainly on the small plant power supply and distribution system of the electrical part design. The factory introduced by10kV outdoor high voltage power plant substation, after falling to 220/ 380V low voltage, direct supply factory workshop power system and lighting system.

In the selection of electrical equipment, first on the factory load calculation, to determine the total factory load capacity, at the same time in the low voltage side of the reactive power compensation, in order to improve the power factor. According to the compensated load capacity, plant selection of substation transformer capacity and numbers, and then determine the factory uses the power supply system, select the appropriate workshops distribution scheme, draw the main wiring diagram of power supply and distribution system.

High voltage primary equipment, low-pressure primary equipment and wire cross-sectional area selection, must meet the circuit under normal conditions and under fault conditions work requirements. Electrical equipment not only to meet the short circuit fault under the conditions of the job requirements, according to the maximum possible short-circuit fault of the dynamic stability and heat stability check attitude to determine whether the equipment meet the job requirements. Circuit of three-phase short-circuit current at maximum current, calculation of three-phase short-circuit current, for equipment calibration.

Finally, for relay protection and lightning protection and grounding, to enhance the security and reliability of system.

Key words:distribution, load calculation, the three-phase short circuit, relay protection

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目录

摘要 ........................................................................ I Abstract ................................................................... II 目录 ...................................................................... III

1 绪论 (1)

2 电力负荷及其计算 (2)

2.1 负荷分级及供电电源措施 (2)

2.1.1 工厂电力负荷的分级 (2)

2.1.2 各级负荷的供电措施 (2)

2.2工厂计算负荷的确定 (3)

2.2.1负荷计算的目的和意义 (3)

2.2.2负荷计算的方法 (3)

2.2.3需要系数法确定计算负荷 (4)

2.2.4二项式法确定计算负荷 (6)

2.2.5工厂负荷的计算 (6)

2.3无功功率补偿 (9)

2.3.1功率因数 (9)

2.3.2无功补偿的选择 (10)

2.3.3无功补偿的计算 (11)

3 变压器的选择及其电气主接线 (13)

3.1变压器的选择 (13)

3.1.1电力变压器及其分类 (13)

3.1.2电力变压器的连接组别 (13)

3.1.3变压器台数和容量的选择 (14)

3.1.4电力变压器的校验 (15)

3.2工厂变配电所的主接线图 (15)

3.2.1电气主接线的概况 (15)

3.2.2车间和小型工厂变电所的主接线图 (16)

3.2.3本工厂变电所主接线的确定 (21)

4 短路电流的计算 (22)

4.1短路的原因、后果及其形式 (22)

4.1.1短路的原因 (22)

4.1.2短路的后果 (22)

4.1.3短路的形式 (23)

4.2无限大容量电力系统的三相短路计算 (23)

4.2.1无限大容量电力系统 (23)

4.2.2短路电流的计算方法 (23)

4.2.3工厂三相短路电流的计算 (25)

第5章金工车间的配电 (28)

5.1低压配电线路接线方式 (28)

5.2低压配电系统的接地型式 (29)

第6章设备选择与校验 (33)

6.1导线的选择与校验 (33)

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6.1.1车间导线截面及配电箱的选择 (33)

6.1.2车间导线的校验 (38)

6.2高压一次设备的选择与校验 (40)

6.2.1一次设备及其分类 (40)

6.2.2一次设备的选择 (41)

6.2.3一次设备的校验 (43)

6.3低压补偿柜选择 (45)

第7章继电保护与防雷接地 (46)

7.1工厂的继电保护 (46)

7.1.1继电保护的选择 (46)

7.1.2继电保护的整定及计算 (46)

7.2工厂的防雷与接地 (47)

总结 (49)

参考文献 (50)

致谢 (51)

附录A

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1 绪论

电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其他形式的能量转换而来，又易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

一般中小型工厂的电压进线电压为6-10kV。电能先经高压配电所集中，在由高压配电线路将电能分送到各车间变电所，或者高压配电线路供给给高压用电设备。车间变电所内装设有电力变压器，将6-10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。

对于大型工厂及其某些电源进线电压为35 kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压，也就是电源进厂后，先经总降压变电所，有大容量的电力变压器将35kV及以上的电源电压降为6-10kV的配电电压，再通过高压配电线路或高压配电所将电能送到各个车间变电所，最后经变压器降为一般低压用电设备所需的电压。

有的35kV进线的工厂，只经一次降压，及35kV线路直接引入靠近负荷中心的车间变电所，经车间变电所的配电变压器直接降为低压用电设备所需电压。这种配电方式称为高压深入负荷中心的直配方式。这样可以省去一级中间变压，从而简化了供电系统，节约有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量。然而这要根据厂区环境条件是否满足35kV架空线路深入负荷中心的“安全走廊”要求而定，否则不宜采用，以确保供电安全。

对于总供电容量不超过1000kV的小型工厂，通常只设一个降压变电所，将6-10kV电压降为低压用电设备所需的电压（220/380V）。如果工厂所需容量不大于160kVA时，一般采用低压电源进线，工厂只需设一个低压配电间。

本厂属于中小型工厂，采用10kV供电电源，在金工车间东侧1020m处有一座10kV配电室，先用1km的架空线路，后改为电缆线路至本厂变电所，将6-10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。

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2 电力负荷及其计算

2.1 负荷分级及供电电源措施

2.1.1 工厂电力负荷的分级

工厂的电力负荷，按GB 50052----1995《供配电系统设计规范》规定，根据对供电可靠性及中断供电在政治、经济上造成的损失或影响的程度进行分级，负荷可以分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。

①一级负荷符合下列条件之一的，为一级负荷

1）中断供电，将造成人身伤亡的负荷；

2）中断供电，将在政治、经济上造成重大损失的负荷；

3）中断供电，将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作的负荷。

在一级负荷中，当中断将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断的负荷，应视为特别重要的负荷。

②二级负荷符合下列条件之一的，为二级负荷

1）中断供电，将在政治上、经济上造成较大损失的负荷；

2）中断供电，将影响重要用电单位的正常工作的负荷。

③三级负荷不属于一、二级负荷者为三级负荷。

2.1.2 各级负荷的供电措施

①一级负荷的供电措施一级负荷应有两个独立电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不至于同时受到损坏，以维持供电；而且当一个电源中断供电时，另一个电源应能承担本用户的全部一级负荷设备的供电。一级负荷用户的变配电室内的高低压配电系统，应采用单母线分段的主结线形式，分列运行并互为备用。一级负荷设备应采用双电源供电，并在最末一级配电盘（箱）处设置自动切换装置。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。

②二级负荷的供电措施二级负荷应有两个电源供电，即应有两回路供电。当发生电力变压器故障或线路常见故障时不至于中断供电（或中断后能立即回复）。

③三级负荷的供电措施三级负荷对供电无特殊要求，可采用单回路市电供电。但应使配电系统简洁可靠，尽量减少配电级数，低压配电级数一般不超过四级，并且应在技术经济合理的情况下，尽量减少电压偏差和电压波动。

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2.2工厂计算负荷的确定

2.2.1负荷计算的目的和意义

计算负荷是一个假想的持续负荷，其热效应与同时间内实际变动负荷所产生的热效应相等。在供配电系统中，以30min的最大计算负荷作为选择电气设备的依据，并认为只要电气设备能承受该负荷的长期作用，即可在正常情况下长期运行。一般将这个最大计算负荷简称计算负荷Pc。

负荷计算的目的是：

①计算变配电所内变压器的负荷电流及视在功率，作为选择变压器容量的依据。

②计算流过各主要电气设备(断路器、隔离开关、母线、熔断器等)的负荷电流，作为选择这些设备的依据。

③计算流过各条线路(电源进线、高低压配电线路等)的负荷电流，作为选择这些线路电缆或导线截面的依据。

④计算尖峰负荷，用于保护电器的整定计算和校验电动机的启动条件。

⑤为电气设计提供技术依据。计算负荷是工程设计中按照发热条件选择导线和电气设备的依据。

计算负荷是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要依据。计算负荷确定的是否正确，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。

如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费，而变压器负荷率较低运行时，也将造成长期低效率运行。如果计算负荷确定的过小，又将使电器和导线处于过负荷运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至产生火灾，造成更大的经济损失。因此，正确确定计算负荷具有很大的意义。

2.2.2负荷计算的方法

在已知用电设备的情况下，负荷计算有需要系数法、二项式法和利用系数法；在未知用电设备的情况下，负荷计算有负荷密度法、单位指标法和住宅用电量指标法。

①需要系数法

用设备功率乘以需要系数，直接求出计算负荷。这种方法比较简便，应用广泛，尤其适用于配变电所的负荷计算。

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I / 1 ② 利用系数法

采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台属和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数的计算负荷。这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际，但因利用系数的实测与统计较困难，在电气设计中一般不用。

③ 二项式法

在设备组容量之和的基础上，考虑若干容量最大设备的影响，采用经验系数进行加权求和法计算负荷。

④ 负荷密度法

当已知某建筑面积负荷密度ρ时，某建筑的平均负荷可按下式计算

Pav =ρ·A （kW ）

式中:ρ——负荷密度（kW/m2）

A ——某建筑面积（m2）

在建筑方案设计阶段，可采用建筑面积负荷密度法进行负荷估算。在建筑施工阶段设计时，可采用需要系数法进行复核。

2.2.3需要系数法确定计算负荷

① 基本公式

需要系数法确定用电设备组的有功计算负荷的基本公式为：

30d e P K P = 式（2.1）

无功计算负荷为：

3030tan Q P ?= 式（2.2）

视在计算负荷为：

3030/cos S P φ= 式（2.3）

计算电流为：

3030/)N I S = 式（2.4）

d

K –----------需要系数 30P -------有功计算负荷，单位为kW

30Q -----无功计算负荷，单位为kvar

30

S ------视在计算负荷，单位为kVA cos φ---用电设备组的平均功率因数

I / 1 tan ?---用电设备组平均功率因数的正切值

② 多组用电设备计算负荷的确定

在确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其用功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数p K ∑和q K ∑。

对车间干线，取

p 0.850.95

K ∑=- 0.900.97q K ∑=-

对低压母线，分两种情况：

1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取

p 0.800.90

K ∑=- 0.850.95q K ∑=-

2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取

p 0.900.95

K ∑=- 0.930.97q K ∑=-

总的有功计算负荷为：

3030.p i

P K P ∑=∑ 式（2.5）

总的无功计算负荷为： 3030.q i Q K Q ∑=∑ 式（2.6）

以上两式中的30.i P ∑和30.i Q ∑分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。

总的视在计算负荷为：

30S = 式（2.7）

总的计算电流为：

3030/)N I S = 式（2.8）

由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算。

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2.2.4二项式法确定计算负荷

二项式法的基本公式是

30e x

P bP cP =+ 式（2.9）

式中，e bP 表示用电设备组的平均功率，其中e P 是用电设备组的总容量，其计算方法如前需要系数法所述；x cP 表示用电设备组中x 台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中x P 是x 台最大容量的设备总容量，b.c 为二项式系数。

由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均负荷，而且考虑了少数容量最大设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适合确定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的计算负荷。

2.2.5工厂负荷的计算

基础资料：

① 工厂各车间负荷情况，如表2.1所示

表2.1 各车间负荷表

金工车间设备负荷如表2.2所示

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②

根据基础资料提供的各厂房电力负荷清单，全厂都是三级负荷。按需要系数法分别计算出各个厂房及全厂的计算负荷。 1）金工车间负荷计算 a.金属切削机床设备容量：

Pe (7.125412.8 6.92539.885.428.739.39.8)W k =?++?++???+?+?++

654.525kW =

对于大批生产的金属冷加工机床电动机，其需要系数：

Kd 0.180.25=-，cos 0.5φ=，tan 1.73?=

有功计算负荷：

300.25654.525W 163.63kW d e P K P ==?=（）k

无功计算负荷：

3030tan 163.631.73var 283.08kvar

Q P ?==?=（）k

b.桥式起重机容量；

()P P 23.229.5282.2kW

e N ==+?=

对于锅炉房和机加、机修、装配等类车间的吊车，其需要系数:

I / 1 K 0.10.15;d =-cos 0.5φ=，tan 1.73?=

有功计算负荷：

300.1582.2W 12.33kW d e P K P ==?=（）k

无功计算负荷：

3030tan 12.331.73var 21.33kvar Q P ?==?=（）k

C 金工车间照明：

车间面积：260241440m ?=

设备容量： Pe 121440W 17280W =?=（）

对于生产厂房及办公室、阅览室、实验室照明，其需要系数：

K 0.8-1d =，cos 1φ=，tan 0?=

有功计算负荷：

30117.28W 17.28kW d e P K P ==

?=（）k 无功计算负荷：

3030tan 17.280var 0var Q P k ?==

?=（）k 2）全厂总负荷

取有功同时系数p 0.95K ∑=，无功同时系数0.97q K ∑=

有功计算负荷：302300.95P P =（）

()0.95163.6312.3317.28100802020kW =?++++++

392.58 kW =

无功计算负荷：302300.97Q Q =（）

()0.97283.0821.33110902015kvar =?+++++ 523.23kvar =

视在计算负荷：

30(2)S = 654.13 kVA =

功率因数：

(2)30(2)30(2)cos /P S ?=0.6=

③ 按逐级法计算法确定工厂的计算负荷

工厂的计算负荷，应该是高压母线上所以高压配电线路计算负荷之和，在乘

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