中南大学工厂供电课程设计报告115

《工厂供电》课程设计

工厂供电课程设计

题 目： 某小型轧钢车间供电系统设计 学 院： 信息科学与工程学院 姓 名： 章家义 班 级： 自动化0801班 学 号： 0909080127 指导老师： 杨明安

完成日期：2011/7/20

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摘要

本文按照小型轧钢车间供电系统对供电可靠性、经济性的要求，根据轧钢车间的负荷性质、负荷大小和负荷的分布情况对本厂供电系统做了全面综合的分析，详细阐述了地区变电所及工厂总降压变电所实现的理论依据。通过对整个供电系统的分析和对轧钢车间的电力负荷,功率补偿,短路电流的计算，合理的选择电力变压器、断路器等各种电气设备；对工厂总降压变电所不同的主接线方案进行比较,选择可靠性高,经济性好的主接线方案, 实现了工厂供电系统安全、可靠、优质、经济地运行。

关键词：供电系统；电力负荷；功率补偿；短路电流；电气设备；主接线

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目录

第一章 绪论........................................................ 1 1.1 工厂供电的意义和基本要求........................................ 1 1.2 工厂供电设计的一般原则.......................................... 2 第二章 设计任务.................................................... 3 2.1 设计题目........................................................ 3 2.2 设计原始资料.................................................... 3 2.3 设计内容要求.................................................... 6 2.4 设计成果........................................................ 6 第三章 负荷计算和无功功率补偿...................................... 7 3.1 负荷计算........................................................ 7 3.1.1 负荷计算的目的和意义 ........................................ 7 3.1.2 工厂电力负荷的概念与分级 .................................... 8 3.1.3 与负荷计算有关的物理量 ...................................... 8 3.1.4 需要系数法确定计算负荷 ...................................... 9 3.1.5 全厂负荷计算 ............................................... 12 3.2 无功功率补偿................................................... 14 第四章 变电所主变压器的台数及容量................................. 16 4.1 变电所主变压器台数的选择....................................... 16 4.2 电力变压器的并列运行条件....................................... 17 4.3 变电所主变压器容量的选择....................................... 17 第五章 变电所位置选择与总体布置................................... 19 5.1 变电所所址选择的一般原则....................................... 19 5.2 确定负荷中心................................................... 20

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5.3 变电所的总体布置............................................... 20 第六章 变电所主接线方案的设计..................................... 21 6.1 电气主接线概述................................................. 22 6.2 对主接线的基本要求............................................. 22 6.3 主接线的基本接线形式........................................... 23 6.3.1 具有母线的电气主接线（这里只介绍两种） ..................... 23 6.3.2 无母线的电气主接线 ......................................... 24 6.4 主接线的绘制................................................... 25 6.5 工厂总降压变电所的主接线方案选择............................... 25 6.6 高压线路的接线方式............................................. 27 第七章 低压电力网导线型号及截面的选择............................. 28 7.1 电力网导线型号选择............................................. 28 7.1.1 架空线路裸导线型号 ......................................... 28 7.1.2 工厂常用电力电缆型号 ....................................... 29 7.2 导线截面选择................................................... 30 7.2.1 导线截面选择的条件 ......................................... 30 7.2.2 按经济电流密度选择导线截面 ................................. 31 7.3 本次设计导线型号及截面选择..................................... 31 第八章 短路电流的计算............................................. 32 8.1 短路概述....................................................... 32 8.1.1 短路的形式 ................................................. 32 8.1.2 短路的原因 ................................................. 33 8.1.3 短路的后果 ................................................. 33 8.2 三相短路电流的计算............................................. 34

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8.3 标幺值法计算电路短路电流....................................... 35 8.3.1 短路计算电路 ............................................... 35 8.3.2 确定短路计算基准值 ......................................... 35 8.3.3 计算短路电路中某个元件的电抗标幺值 ......................... 36 第九章 高低压供电系统一次元件的选择与校验......................... 38 9.1 电气设备选择的一般条件......................................... 38 9.1.1 按正常运行条件选择 ......................................... 38 9.1.2 按短路条件校验 ............................................. 39 9.2 高压一次设备的选择............................................. 40 9.2.1 按工作电压选则 ............................................. 40 9.2.2 按工作电流选择 ............................................. 40 9.2.3 按断流能力选择 ............................................. 41 9.2.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 ................. 41 9.3 变电所低压一次设备的选择...................................... 42 第十章 防雷和接地装置的确定........................................ 43 10.1 防雷设备...................................................... 43 10.2 防雷措施...................................................... 43 10.3 接地......................................................... 445 10.3.1 接地与接地装置 ........................................... 445 10.3.2 确定接地电阻 ............................................. 445 10.3.3接地装置的设计 ........................................... 445 第十一章 低压干线、支线上的熔丝及型号的选择........................ 46 11.1 熔断器选择条件................................................ 46 11.2 熔体额定电流满足条件.......................................... 46 心得体会........................................................... 47

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参考文献........................................................... 48

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第一章 绪论

1.1 工厂供电的意义和基本要求

电力已成为人类历史发展的主要动力资源，要科学合理的驾驭电力，必须从电力工程的设计原则和方法上理解和掌握其精髓，提高电力系统的安全可靠性和运行速率，从而降低生产成本，提高经济效益的目的。

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。

众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。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；电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。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。

在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。例如在机械工业中，电费开支仅占产品成本的5%左右。从投资额来看，一般机械工厂在供电设备上的投资，也仅占总投资的5%左右。因此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加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，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。例如某些对供电可靠性要求很高的工厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大设备损坏，或引起大量产品报废，甚至可能发生重大的人生事故，给国家和人民带来经济上甚至政治上的重大损失。

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。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需

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要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：

（1）安全 在电能的供应、分配和使用中，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要求。 （3）优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。

（4）经济 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、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 工厂供电设计的一般原则

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》等的规定，进行工厂供电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，包括节约能源，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，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。

（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，合理确定设计方案。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。

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第二章 设计任务

2.1 设计题目

某小型轧钢车间供电系统设计

2.2 设计原始资料

（1） 小型轧钢车间用电设备一览表

表2-1 小型轧钢300型车间用电设备一览表

用电序号 设备数量单台设备额定参数 Uo(KV) 0.38 Ie(A) 95 cos? 0.8 Kq 5.2 Kx法 备注 Kq/cos? JCe%=25 名称 (台) Pe(kw) 1 推钢机 加热炉 鼓风机 3 推出机 加热炉 输出辊道 500轧5 机前工作辊道 500轧机后跑槽辊道 毛坯7 升降台 1 30 1 30 1 15 2 50 2 1 30 0.38 52.4 0.87 6.5 0.38 29.2 0.78 5.1 JCe%=25 4 2 5 0.38 9.5 0.8 5.5 JCe%=25 0.38 57 0.8 5.2 JCe%=25 6 1 5 0.38 9.5 0.8 5.5 JCe%=25 0.38 57 0.8 5.2 3

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8 热剪前输送辊道 热剪前工作辊道 热剪电动机 热剪后输送辊道 水泵2 4.5 0.38 8.5 0.8 5.5 JCe%=25 9 1 8 0.38 16 0.76 4.4 JCe%=25 10 1 30 0.38 52.4 0.87 6.5 JCe%=25 11 1 5 0.38 9.5 0.8 5.5 JCe%=25 12 电动机 鸭咀2 30 0.38 52.4 0.87 6.5 13 剪电动机 润滑油泵电动机 500轧机电动机 300轧1 15 0.38 29.2 0.78 5.1 14 4 4.5 0.38 8 0.85 6.5 15 1 1200 10 79.6 0.87 单台电机参数只作参考 16 机电动机 成品1 800 10 53.1 0.87 17 出口辊道 切料辊 冷剪电动机 4 4 0.38 7.8 0.78 3.6 18 5 16 0.38 32 0.76 4.8 19 1 45 0.38 81.4 0.84 5.5 0.95/1 4

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20 全厂照明 2 总计Pe??35KW L=50M 3吨起重机JCe%=25 5吨起22 重机JCe%=25 2 12 0.38 Ijs=19.7A 单台中最大一台Pe=7.5KW 21 2 9 0.38 Ijs=13A 单台中最大一台Pe=5KW 23 检修电源 3 Ijs=56A 0.5 不应计入“计算负荷”

（2） 全部为二级负荷

（3） 该车间年最大有功负荷利用小时数

Tmax=6500小时

（4） 电源条件

该车间由本厂总降压变电所提供两回电源，总降压由地区变电所提供电源，电气接线图及主要参数如图一所示：

轧钢车间变电所距总降压变电所电气距离按1.5km考虑。 地区变电所35kV侧母线发生三相短路时

Psd(3)?400MV?A

（5） 该厂所在地区的气象及其他有关资料：

a. 要求车间变电所低压侧的功率因数为0.85。高压侧功率因数为0.95。 b. 年平均温度及最高温度 最热月平均最高温度

35℃

年平均温度

18℃

最热月土壤平均温度

30℃

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地区变电所 Up=35KV

总降压变电所 Ue=10KV B1 Se.b=20,000KVA d(3) ?0=0.4Ω/km l=5km x去轧钢

车间

d(3) （同上） 去轧钢

B1（同上） 车间

图一 课题（1）电力系统结构图

2.3 设计内容要求：

（1） 计算小型轧钢车间总负荷及确定为提高功率因数所需的补偿容量。 （2） 选择小型轧钢车间变压器的台数和容量。

（3） 选择和确定小型轧钢车间供电系统（包括高、低压供电电压，高、低压供

电系统图，车间低压电力网接线）。

（4） 选择该车间高低压电力网的导线型号及截面。 （5） 选择高低压供电系统一次元件（包括校验）。 （6） 选择低压干线、支线的熔丝及型号。

2.4 设计成果

（1） 设计说明书一份，其中包括设计的原始资料；完成设计内容时所依据的原

则，计算步骤及计算举例。计算结果列表说明，以及插图等。说明书要求简明扼要，整洁美观。

（2） 高压供电系统一次接线图一张. （3） 低压供电系统一次接线图一张。

说明：高压供电系统图可参照附图一绘制； 低压供电系统图可参照附图二绘制

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第三章 负荷计算和无功功率补偿

3.1 负荷计算

3.1.1 负荷计算的目的和意义

供电系统要能够在正常条件下可靠地运行，则其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了应满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。

通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称为计算负荷。根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值。

由于导体通过电流达到稳定温升的时间大约为（3～4）τ，τ

为发热时间

常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min，因此载流导体大约经30min（即半小时）后可达到稳定温升值。由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30（亦年最大负荷Pmax）是基本相当的。所以计算负荷也可认为就是半小时最大负荷。本来有功计算负荷可表示为Pc，无功计算负荷可表示为QC，计算电流可表示为Ic，但考虑到其“计算”c易与“电容”C混淆，因此本文借用半小时最大负荷P30来表示其有功计算负荷，而无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流则分别表示为Q30、S30和I30。

计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和有色金属的浪费。如计算负荷确定过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁，同样要造成损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但由于负荷情况复杂，影响计算负荷的因素很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可循，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，它与设备的性能、生产的组织、生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。因此

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负荷计算只能力求接近实际。

3.1.2 工厂电力负荷的概念与分级

1. 电力负荷的概念

电力负荷又称为电力负载。它有两重含义：一是指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），如说重要负荷、不重要负荷、动力负荷、照明负荷等。另一是指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，如说轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义视具体情况而定。

2. 工厂电力负荷的分级

工厂的电力负荷，按GB50052—95规定，根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级：

1) 一级负荷

一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；或者中断供电将在政治、经济上造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。

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

2) 二级负荷

二级负荷为中断供电将在政治、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。

3) 三级负荷

三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述一、二级负荷者。

3.1.3 与负荷计算有关的物理量

1. 年最大负荷

年最大负荷Pmax，就是全年中负荷最大的工作班内（这一工作班的最大负荷不是偶然出现的，而是全年至少出现过2～3次）消耗电能最大的半小时的平均

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功率，因此年最大符合也称为半小时最大负荷P30。

2. 年最大负荷利用小时

年最大负荷利用小时又称为年最大负荷使用时间Tmax，它是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax（或P30）持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。

年最大负荷利用小时是反映电力负荷特征的一个重要参数，它与工厂的生产班制有明显的关系。例如一班制工厂，Tmax≈1800～3000h；两班制工厂，Tmax≈3500～4800h；三班制工厂，Tmax≈5000～7000h。

3. 平均负荷

平均负荷Pav，就是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，也就是电力负荷在该时间t内消耗的电能Wt除以时间t的值。

3.1.4 需要系数法确定计算负荷

1. 基本公式

用电设备组的计算负荷，是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷P30。用电设备组的设备容量Pe，是指用电设备组所有设备（不含备用设备）的额定容量PN之和，即Pe=∑PN。而设备的额定容量，是设备在额定条件下的最大输出功率。但是用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不太可能都满负荷运行，同时设备本身有功率损耗，配电线路也有功率损耗，因此用电设备组的有功计算负荷应为

P30?K?KLPe

?e?WL式中，K∑设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比；KL为设备组的负荷系数，即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之比；ηe为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出功率与取用功率之比；η

WL

为配电线路的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末

端功率（亦即设备组的取用功率）与首端功率（亦即计算负荷）之比。

令上式中的K∑KL/（ηe、ηWL）=Kd，这里的Kd称为需要系数

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Kd?P30Pe

即用电设备组的需要系数，是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量的比值。

由此可得按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为

P30?KdPe 在求出有功计算负荷P30后，可按下列各式分别求出其余的计算负荷。 无功计算负荷为

Q30?P30tan? 视在计算负荷为 S30?P30cos?

式中，cos?为用电设备组的平均功率因数。 计算电流为 I30?S30?3UN

?式中，UN为用电设备组的额定电压。

负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”（kW），无功功率为“千乏”（kvar），视在计算负荷为“千伏安”（kV·A），电流为“安”（A），电压为“千伏”（kV）。

2. 多组用电设备计算负荷的确定

确定拥有多组用电设备的干线上和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有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数（又称为参差系数或综合系数）K∑p和K∑q：

对车间干线取 K?p?0.85～0.95 K?q?0.90～0.97 对低压母线

1）由用电设备组计算负荷直接相加来计算时取

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K?p?0.80～0.90 K?q?0.85～0.95 2）由车间干线计算负荷直接相加来计算时取 K?p?0.90～0.95 总的有功计算负荷为

P30?K?p?P30,i 总的无功计算负荷为

Q30?K?q?Q30,i 以上两式中的∑P30,i和∑Q30,i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

S30?P30?Q30

22K?q?0.93～0.97

总的计算电流为

I30?S30?3UN

?在对此车间进行计算时，需将照明和动力部分分开计算，主要涉及的计算公式如下：

有功功率计算：PC?PN?Kd 无功功率计算: QC?PC?tan? 视在功率计算:SC?PC/cos? 计算电流: 动力IC?SC/(3UN)

/3*UN）照明IC?SC（

在多组用电设备中，我们取同时系数K?p?0.95,K?q?0.97

（PC?P照明）全厂有功功率：PC?K??

i全厂无功功率：QC?K??QC

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全厂视在功率：SC?PC?QC 223.1.5 全厂负荷计算

根据本设计所提供的原始数据，宜采用需求系数法进行负荷计算，各项数据如表3.1所示。

表3.1 小型轧钢300型车间用电设备计算负荷

设备 容量 序用电设号 备名称 需要 功率 U N计算负荷 PC QC SC IC 因数 tan?cos?（KW） 系数 Kd (KV) （KW） 0.8 0.75 0.87 0.57 0.78 0.8 0.75 0.8 0.75 0.8 0.75 0.75 0.8 0.38 3.15 0.38 3.5 0.38 21 0.8 0.75 0.38 7 0.38 0.38 0.38 80 24 12 (Kvar) （KVA） (A) 1 2 3 4 推钢机 加热炉 鼓风机 推出机 加热炉 输出辊道 500轧2*50 0.8 60 13.68 9.6 5.25 100 27.59 15.38 8.75 151.934 41.919 23.367 13.294 30 0.8 15 0.8 2*5 0.7 5 机前工作辊道 500轧30 0.7 15.75 26.25 39.883 6 机后跑槽辊道 毛坯升降台 热剪前输送辊道 热剪前工作辊道 热剪电动机 5 0.7 2.625 4.375 6.647 7 30 0.3 0.35 8 0.35 30 0.35 0.8 0.38 9 6.75 11.25 17.093 8 2*4.5 2.36 3.94 5.986 9 0.76 0.86 0.38 2.8 2.41 3.68 5.591 10 0.87 0.57 0.38 10.5 5.985 12.07 18.338 12

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热剪后11 输送辊道 12 水泵电动机 鸭咀剪电动机 润滑油14 泵电动机 500轧15 机电动机 300轧16 机电动机 17 成品出口辊道 0.35 5 0.75 0.75 4*4.5 0.75 1200 0.75 800 0.75 4*4 0.35 5*16 0.35 0.8 0.75 0.38 1.75 1.31 2.19 3.327 2*30 0.87 0.57 0.78 0.8 0.38 45 11.25 25.65 51.72 78.580 13 15 0.38 9 14.42 21.909 0.85 0.62 0.38 13.5 8.37 15.88 24.127 0.87 0.57 10 900 513 1034.48 59.726 0.87 0.57 10 600 342 689.66 39.818 0.78 0.8 0.38 5.6 4.48 7.18 10.909 18 切料辊 冷剪电动机 全厂照明 3吨起0.76 0.86 0.38 28 11.25 35 24.08 36.84 55.973 19 45 0.25 0.84 0.65 0.38 7.31 13.39 20.344 20 50 0.7 1 0 0.22 0 35 53.030 重机21 JCe%=25 5吨起重机22 JCe%=25 23

车间总计 Pe=9 0.25 0.5 1.73 0.38 2.25 3.89 4.5 6.837 Pe=12 0.25 0.5 1.73 0.38 3 5.19 6 9.116 取错误！未找到引用源。 1738.1 1036.6 2023.7 3074.7 由上表可知，低压侧功率因数：cos??PC/SC=1738.1/2023.7=0.86 因为满足不了高压侧在最大负荷时功率因素不低于0.95，所以要进行无功功率补偿。

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3.2 无功功率补偿

在所设计的系统中，当出现充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因素的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，需要考虑增设无功功率补偿装置，在此设计中规定，高压侧在最大负荷时功率因素不低于0.95，低压侧不应低于0.85。

无功补偿装置主要有三种：并联电容补偿、同步补偿机和静止无功补偿器。三种无功补偿装置的性能见表3.2。

表3.2 三种无功补偿装置的比较 并联电容器 同步补偿机 旋转机械，要附属系统、设备复杂 静止无功补偿器 静止电器，设备复杂 1.通过控制系统实现双向平滑调节 2.属于快速动态无功补偿，响应速度快 3.主要用于调相、调压 1.容量和设置点受限制 1.容量和设置地点灵活 2.用于电力系统枢纽变电站、换流站 1.运行维护技术水平要高 3.单位容量投资大 4.运行费用次之 设备情况 静止电器，设备简单 运行特性 1.通过开关投切，属于静1.通过控制系统实现双态无功补偿， 向平滑调节 2.主要用于稳态电压调2.属于动态无功补偿 整和功率因数校正 3.运行中本身损耗小 使用范围 1.容量和设置点灵活 3.运行中本身损耗大 2.用于电力系统及负荷2.主要用于电力系统枢变电站 纽变电站、换流站 运行要求和费用 1.简单，运行维护要求低 1.运行维护工作量大 2.单位容量投资低 3.运行费用最低 2.单位容量投资大 3.运行费用最大

由上表可见，采用并联电容器进行无功补偿是一种投资少、施工简单、见效快的补偿方式，它可以很方便的就地控制电容投切，以减少线损，消除无功馈乏给系统带来的负面影响。所以我们选用并联电容器来补偿。

并联电容器的装设方式有高压集中补偿，低压集中补偿和单独就地补偿三种。其中高压集中补偿补偿范围小，只能补偿总降压变电所的10KV母线之前的

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供配电系统中由无功功率产生的影响，而对对无功功率在企业内部的供配电系统中引起的损耗无法补偿，因此不选用。低压集中补偿补偿范围较大，能使变压器的视在功率减小，从而使变压器的容量可选得较小，因此比较经济。单独就地补偿投资较大，电容器的利用效率较低。综上考虑，我们选择BSMJ0.4-30-3型电容器进行低压集中补偿。

BSMJ0.4-30-3型电容器符合GB12747.1-2004和IEC60831-1996标准，使用条件

如下：

1) 环境温度-25℃～+50℃，湿度≤85%，海拔2000米以下；

2) 额定电压400V AC，耐电压极间2.15倍额定电压5秒钟，极壳间6KVAC可

10秒钟，最高允许过电压1.10倍额定电压； 3) 额定容量60Kvar，容量允许-5～+10%；

1. 补偿前的变压器容量和功率因素：

根据工厂的一、二级负荷情况，选择2台主电力变压器，因此，主电力变压器的容量选择为

SN·T≈0.65 S30=0.65?2023.7=1315.4kV·A

因此未进行无功补偿时，主变压器容量应选为2000kV·A，型号为S9—1350/35 2. 无功补偿容量

按设计要求，变电所高压侧的cos?=0.95。考虑到变压器的无功功率损耗?QT远大于有功功率损耗?PT，因此在变压器低压侧补偿时，低压侧补偿后的功率因数应略高于0.95,这里取cos??=0.97。

1) 低压侧

补偿后的有功功率不变，为：PC?PC?1738.1KW

2需要补偿的无功功率：

错误！未找到引用源。=1738.1?0.343=596.2K var

补偿后的无功功率：QC?QC?QB?1036.6?596.2?440.4Kvar2

补偿后的视在容量：Sc2 =1793KVA 变压器损耗：

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假设变压器容量等于低压侧视在容量Sc2， =1793KVA

?PT?0.015SN.T?QT?0.06SN.T=26.9KW =107.6Kvar

2) 高压侧

补偿后的有功功率：PC?PC??PT=1738.1+26.9=1765KW

12补偿后的无功功率：QC?QC??QT=440.4+107.6=548Kvar

12补偿后的视在容量：错误！未找到引用源。 Sc1?1848KVA 补偿后的计算电流：IC?SC/3UN=106.7A

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补偿后的功率因数：cos?1?PC/SC=1765/1848=0.955满足要求。

11取QB=600Kvar，补偿电容器的个数为n?QB/qC=600/30=20。即无功功率补偿需要20个BWF0.4-30-3的电容器。

第四章 变电所主变压器的台数及容量

4.1 变电所主变压器台数的选择

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要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，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，也可以只用一台变压器，但必须在低压侧敷设与其它变电所相联的联络线作为备用电源。

（2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜采用经济运行方式的变电所，也可考虑采用两台变压器。

（3）除上述情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。但是负荷集中而容量相当大的变电所，随为三级负荷，也可以采用两台或以上变压器。

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（4）在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。

根据上述原则及工厂的实际情况，厂总变电所主变压器的台数选择2台。

4.2 电力变压器的并列运行条件

两台或多台变压器并列运行时，必须满足三个基本条件：

（1）所有并列变压器的额定一次电压及二次电压必须对应相等 这也就是所有并列变压器的电压比必须相同，允许差值不得超过±5%。如果并列变压器的电压比不同，则并列变压器二次绕组的回路内将出现环流，即二次电压较高的绕组向二次电压较低的绕组供给电流，引起电能损耗，导致绕组过热或烧毁。 （2）所有并列变压器的阻抗电压（即短路电压）必须相等 由于并列运行变压器的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的，所以其阻抗电压必须相等，允许差值不得超过±10%。如果阻抗电压值过大，可能导致阻抗电压值较小的变压器发生过负荷现象。

（3）所有并列变压器的联结组别必须相同 这也就是所有并列变压器的一次电压和而次电压的相序和相位都应分别对应地相同，否则不能并列运行。 此外，并列运行的变压器容量应尽量相同或相近，其最大容量与最小容量之比，一般不能超过3:1。如果容量相差悬殊，不仅运行和不方便，而且在变压器特性稍有差异时，变压器间的环流往往相当显著，特别是很容易造成容量小的变压器过负荷。

4.3 变电所主变压器容量的选择

（1）只装一台主变压器的变电所

主变压器容量ST（设计中，一般可概略地当作其额定容量SN.T）应满足全部用电设备总计算负荷S30需要，即

ST≥S30 （2）装有两台主变压器的变电所

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每台变压器的容量ST（一般可概略地当作SN.T）应同时满足以下两个条件：

1）任一台变压器单独运行时，宜满足总计算负荷S30的大约60%～70%的需要，即

ST=(0.6～0.7)S30 2）当1台主变退出运行时，其余变压器应能保证全部一级负荷及大部分二级负荷用电，此时允许变压器过负荷40％运行。 （3）车间变电所主变压器的单台容量上限

车间变电所主变压器的单台容量，一般不宜大于1000kV·A（或1250 kV·A）。这一方面是受以往低压开关电器断流能力和短路稳定度要求的限制；另一方面也是考虑到可以使变压器更接近于车间负荷中心，以减少低压配电线路的电能损耗、电压损耗和有色金属消耗量。现在我国已能生产一些断流能力更大和短路稳定度更好的新型低压开关电器如DW15、ME等型低压断路器及其它电器，因此如车间负荷容量较大、负荷集中且运行合理时，也可以选用单台容量为1250～2000 kV·A的配电变压器，这样能减少主变压器台数及高压开关电器和电缆等。

对装设在二层以上的电力变压器，应考虑垂直与水平运输对通道及楼板荷载的影响。如采用干式变压器时，其容量不宜大于630 kV·A。

对居住小区变电所内的油浸式变压器单台容量，不宜大于630 kV·A。这是因为油浸式变压器容量大于630 kV·A时，按规定应装设瓦斯保护，而该变压器电源侧的断路器往往不在变压器附近，因此瓦斯保护很难实施，而且如果变压器容量增大，供电半径相应增大，势必造成供电末端的电压偏低，给居民生活带来不便，例如日光灯启动困难、电冰箱不能启动等。

（4）适当考虑符合的发展

应适当考虑今后5～10年电力负荷的增长，留有一定的余地，同时要考虑变压器的正常过负荷能力。

根据上述原则及工厂的实际情况，厂总降压变电所主变压器的台数选择2台。2台变压器并列运行，单台变压器的容量为4000kV·A，型号为S9-4000/35。

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第五章 变电所位置选择与总体布置

5.1 变电所所址选择的一般原则

变配电所所址的选择，应根据下列要求并经技术经济分析比较后确定 1、尽量靠近负荷中心，以降低配电系统的电能损耗 电压损耗和有色金属消耗量。

2、进出线方便，特别是要便于架空进出线。

3、接近电源侧，特别是工厂的总降压变电所和高压配电所。

4、设备运输方便，特别要考虑电力变压器和高低压成套配电装置的运输。 5、不应设在有剧烈振动或高温的场所；无法避开时，应有防振和隔热的措施。

6、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所；无法远离时，不应设在污染源的下风侧。

7、不应设在厕所 浴室和其他经常积水的场所的正下方，且不宜设与上述场所相邻。

8、不应设在有爆炸危险环境的正下方或正上方，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连时，应符合现行国家标准GB50058—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。

关于工厂或车间的负荷中心，可用负荷指示图或负荷功率矩法来近似地确定。不过确定变配电所所址，负荷中心不是惟一的因素，确定所址应全面考虑，择优确定。

5.2 确定负荷中心

在直角坐标系中，设负荷Pi在该坐标系中对应的坐标为（xi，yi），设负荷中心坐标为(x，y)，则负荷中心坐标为：

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x??(Pixi)?Pi y??(Piyi)Pi

因总降压变电所靠近负荷中心，故可得到变电所的大体位置。

5.3 变电所的总体布置

变电所的总体布置应满足下列要求：

1、便于运行维护和检修。 有人值班的变配电所，一般应设值班室。值班室应尽量靠近高低压配电室，且有门直通。如果值班室靠近高低压配电室有困难时，则值班室可经走廊与配电室相通。

值班室也可以与低压配电室合并，但在放置值班工作桌的一面或一端，低压配电室装置到墙的距离不应小于3M。

主变压器尽量靠近交通运输方便的马路侧。条件许可时，可但设工具材料室或维修间。

昼夜值班的变配电所，宜设休息室。有人值班的独立变配电所，宜设有厕所和给排水设施。

2、保证运行安全。 值班室内不得有高压设备。值班室的门应朝外开。高低压配电室和电容器室的门应朝值班室开，或朝外开。

油量为100KG及以上的变压器应装设在单独的变压器室内。变压器室的大门应朝马路开，但应避免朝向仓库。在炎热地区，应避免朝西开门。

变电所宜单层布置。当采用双层布置时，变压器应设在底层。

高压电容器组一般应装设在单独的房间内，但数量较少时，可装设在高压配电室内；低压电容器组可装设在低压配电室内，但数量较多时，宜装设在单独的房间内。

所有带电部门离墙和离地的距离以及各室维护操作通道的宽度等，均应符合有关规程的规定，以确保运行安全。

3、便于进出线。 如果是架空进线，则高压配电室宜位于进线侧。考虑到变压器低压出线通常是采用矩形裸母线，因此变压器的安装位置宜靠近低压配电室。低压配电室位于低压架空出线侧。

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4、节约土地和建筑费用。 值班室可与低压配电室合并，但这时低压配电室的面积应适当扩大，以便安置值班桌或控制台，满足运行值班的要求。

高压开关柜不多于6台时，可与低压配电屏设置在同一房间内，但高压开关柜与低压配电屏的间距不得小于2M。

5、适应发展要求。 变压器室应考虑到扩建时有更换大一级容量变压器的可能。高低压配电室内均应留有适当数量开关柜屏的备用位置。

总之，既要考虑到配电所留有扩展的余地，又要不妨碍工厂或车间的发展。 变配电所总体布置的方案，应因地制宜，合理设计。布置方案的最后确定，应通过几个方案的技术经济比较。考虑到周围环境及进出线方便，决定在厂房的南侧紧靠厂房仓库建设工厂变电所，其位置如平面图如示。

工厂总平面图如下：

轧钢车间 (4(5(8 街道 (1380V 车间变电所 10KV (6(9 (2 生活区负荷中心 工厂总降压变电所 35KV电源进线 (7 (10 (3 轧钢厂平面图

第六章 变电所主接线方案的设计

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6.1 电气主接线概述

主接线又称一次接线或主电路。电气主接线是由各种主要电气设备（如发电机、变压器、开关电气、互感器、电抗器及连接线路等设备），按一定顺序连接而成的一个接受和分配电能的总电路。由于交流供电系统通常是三相对称的，故在主接线图中，一般用一根线来表示三相电路，仅在个别三相设备不对称或需进一步说明的地方，部分地用三条线表示，这样就将三相电路图绘成了单线图。为使看图容易起见，图上只绘出系统的主要元件及相互间的连接。

电气主接线单线图应按行业标准规定的图形符号与文字符号绘制，通常还在图上标明主要电气设备的型号和技术参数，以方便阅读。

主接线代表了发电厂和变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。

6.2 对主接线的基本要求

概括地说，对主接线的基本要求包括安全、可靠、灵活、经济四个方面。 1. 安全包括人身安全和设备安全。要满足这一点，必须按照国家标准和规

范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。

2. 可靠就是主接线应能满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常

运行是不误动、发生事故时不拒动，能尽可能地缩小停电范围。为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。电器是电力系统中最薄弱的元件，所以不应当不适当地增加电器的数目，以免引起事故。

3. 灵活是用最少的切换，能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能

灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电时间最短，影响范围最小。因此，电气主接线必须满足调度灵活、操作方便的基本要求。 4. 经济是在满足了以上要求的条件下，保证需要的设计投资最少。在主接

线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可靠、灵活，必须要选用高质量的现代化的自动装置，从而导致投资费用的增

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加。因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理。主要应从投资省、占地面积少、电能损耗小、运行费用低和节约有色金属等几个方面综合考虑。

6.3 主接线的基本接线形式

主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，概括为有母线的接线形式和无母线的接线形式两大类。

6.3.1 具有母线的电气主接线（这里只介绍两种）

（1）单母线接线

单母线接线是一种最原始、最简单的接线，如图6.1所示，所有电源及出线均接在同一母线上。其优点是简单明显，采用设备少，操作简便，便于扩建，造价低。缺点是供电可靠性低。母线及母线隔离开关等任一元件发生故障或检修时，均需使整个配电装置停电。因此，单母线接线方式一般只在发电厂或变电所建设初期无重要用户或出线回路数不多的单电源小容量的厂（所）中采用。

在主接线中，断路器是电力系统的主开关；隔离开关的功能主要是隔离高压电源，以保证其它设备和线路的安全检修。

（2）单母线分段接线

单母线分段接线是采用断路器（或隔离开关）将母线分段，通常是分成两段，如图6.2所示。母线分段后可进行分段检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器QF1在继电保护作用下自动将故障段迅速切除，从而保证了正常母线段不间断供电和不致使重要用户停电。两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑。在供电可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段（QS1），任一段母线发生故障时，将造成两段母线同时停电，在判断故障后，拉开分段隔离开关QS1，完好段即可恢复供电。

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单母线分段接线即具有单母线接线简单明显、方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。但它的缺点是当一段母线隔离开关发生故障检修时该段

图6.1 图6.2

母线上的所有回路都要长时间停电。单母线分段接线连接的回路数一般可比单母线增加一倍。

6.3.2 无母线的电气主接线

没有母线的接线，其最大特点是使用断路器数量较少，一般采用断路器数都等于或小于出线回路数，从而结构简单，投资较少。一般在6～220kV电压级电气主接线中广泛采用。

桥形接线

当具有两台变压器和两条线路时，在变压器-线路接线的基础上，在其中间架一连接桥，则成为桥形接线。如图6.3所示。按照连接桥断路器的位置，可分为内桥（图6.3(a)）和外桥（图6.3（b））两种接线。前者桥连断路器设置在变压器侧；而后者，桥连断路器则设置在线路侧。桥形接线中，四个回路只有三台断路器，是需要断路器最少也是最节省的一种接线。但其可靠性和灵活性较差，只能应用于小型变电所、发电厂。

图6.3

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内桥式适宜输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需要经常切换时；外桥式则在出线较短，且变压器随经济运行的要求需经常切换时，就更为适宜。

有时为了检修出线和在变压器回路中的断路器时不中断线路和变压器正常运行，再在桥形接线中附加一个正常工作时断开的带隔离开关的跨条。在跨条上装设两台隔离开关的目的是可以轮换停电检修任何一组隔离开关。

6.4 主接线的绘制

变电所主接线图应说明：

（1）电源电压、电源进线回路数和线路结构； （2）变电所的接线方式和运行方式；

（3）高压开关柜和低压配电屏的类型和电路方案； （4）高低压电器设备的型号及规格； （5）各条馈出线的回路编号、名称及容量。

6.5 工厂总降压变电所的主接线方案选择

工厂电源进线电压为35KV及以上的工厂，通常是先经工厂总降压变电所

降为6~10KV的高压配电电压，然后经过车间变电所，降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V。

方案1 一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图（如图6.4）所示。

这种主接线，其一次侧的高压断路器QF10跨在两路电源进线之间，犹如一座桥梁，而且处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式接线。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷的工厂。如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电。这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发生故障和停电的机会较多、并且变电所的变压器不需经常切换的总降压变电所。

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方案2 一次侧采用外桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图（如图6.5）所示。这种主接线，其一次侧的高压断路器QF10也跨接在

图6.4

图6.5

两路电源进线之间，但处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式接线。这种主接线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。但与内桥式接线的适用场合有所不同。如果某台变压器例如T1停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS先合），使用两路电源进线又恢复并列运行。这种外桥式接线适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适于经济运行需经常切换的总降压变电所。

方案3 一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线图（如图6.6） 这种主接线兼有上述两种桥式接线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二侧进出线较多的总降压变电所。

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根据本厂的实际情况，工厂总降压变电所距该城镇220/35KV变电所（地区变电所）5公里，距离较远；而变电所负荷变动不大，故采用方案1（一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线）。方案2更适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大,适于经济运行需经常切换的总降压变电所；而方案3所用的高压设备较多，增加了初期投资，故不采用方案2和方案3。

采用桥式接线，最大的特点就是使用断路器数量较少，使用断路器数量较少，一般采用断路器数都等于或少于出线回路数，从而结构简单，投资较少。

6.6 高压线路的接线方式

图6.6

工厂的高压线路有放射式、树干式和环形等基本接线方式。

（1）高压放射式接线

图6.7为放射式结构，放射式线路之间互相不影响，因此供电可靠性较高，而且便于装设自动装置，但是高压设备用的较多，且每台高压断路器须装设一个高压柜，从而使投资增加，而这种放射式线路发生故障或检修时，该线路所有供电的负荷都要停电，要提高其供电可靠性，可在低压变电所高压侧之间或低压侧之间敷设联络线，要近一步提高其供电可靠性，还可采用来自两个电源的两路高压进线，然后经分段母线，由两段母线用双回路对用户交叉供电。

图6.7

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（2）高压树干式接线

图6.8是高压树干式线路的电路图。树干式结线与放射式结线相比，具有以下优点：多数情况下，能减少线路的有色金属消耗量；采用高压开关数量少，投资较省。但有下列缺点：供电可靠性较低，当高压配电干线发生故障或检修时，接于干线的所有变电所都要停电，且在实现自动化方面，适应性较差。

实际上，工厂的高压配电系统往往是几种接线方案相结合，依据具体情况而定，不过一般来说，高压配电系统宜先优先考虑采用放射式，因为放射式的供电可靠性高，且便于运行管理。

本厂由于车间一、二级负荷较多，需要较高的供电可靠性故采用放射式接线。

图6.8

第七章 低压电力网导线型号及截面的选择

7.1 电力网导线型号选择

7.1.1 架空线路裸导线型号

由于架空与电缆线路相比有较多的优点，如成本低、投资少，安装容易，维护和检修方便易于发现和排除故障等，所以架空线路在一般工厂中应用相当广泛。

工厂户外架空线路一般采用裸导线，其常用型号适用范围如下：

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1. 铝绞线（LJ）：户外架空线路采用的铝绞线导电性能好，重量轻，对风雨作用的抵抗力较强，但对化学腐蚀作用的抵抗力较差，多用在10kV及以下线路上，其杆距不超过100～125m。

2. 钢芯铝绞线（LGJ）：此种导线的外围用铝线，中间线芯用钢线，解决了铝绞线机械强度差的缺点。由于交流电的趋肤效应，电流实际上只从铝线通过，所以钢芯铝绞线的截面面积是指铝线部分的面积。在机械强度要求较高的场所和35kV及以上的架空线路上多被采用。

3. 铜绞线（TJ）：铜绞线导电性能好，对风雨及化学腐蚀作用的抵抗力强，但造价高，且密度过大，选用要根据实际需要而定。

4. 防腐钢芯铝绞线（LGJF）：具有钢芯铝绞线的特点，同时防腐性好，一般用在沿海地区、咸水湖及化工工业地区等周围有腐蚀性物质的高压和超高压架空线路上

7.1.2 工厂常用电力电缆型号

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。

工厂供电系统中常用电力电缆型号及适用范围如下：

浸纸绝缘铝包或铅包电力电缆（如铝包铝芯ZLL型，铝包铅芯ZL型）。它具有耐压强度高，耐热能力好，使用年限长等优点，使用最普遍。这种电缆在工作时，其内部浸渍的油会流动，因此不宜用在有较大高度差的场所。如6～10kV电缆水平高度差不应大于15m，以免低端电缆头胀裂漏油。

浸纸滴干绝缘铅包电力电缆。可用于垂直或高落差处，敷设在室内、电缆沟、隧道或土壤中，能承受机械压力，但不能承受大的拉力。

料绝缘电力电缆。这种电缆重量轻、耐腐蚀，可以敷设在有较大高度差，甚至是垂直、倾斜的环境中，有逐步取代油浸纸绝缘电缆的趋向。目前生产的有两

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种：一种是聚氯乙烯绝缘、聚氯乙烯护套的全塑电力电缆（VLV和VV型），已生产至10kV电压等级。另一种是交联聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套电力电缆（YJLV和YJV型），已生产至110kV电压等级。

7.2 导线截面选择

7.2.1 导线截面选择的条件

为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线和电缆截面时必须满足下列条件： （1）发热条件

导线和电缆（包括母线）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，不应超过其正常运行时的最高允许温度。 （2）电压损耗条件

导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。

（3）经济电流密度

35kV及以上的高压线路及电压在35kV以下但距离长电流大的线路，其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。所选截面，称为“经济截面”。此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。工厂内的10kV及以下线路，通常不按此原则选择。 （4）机械强度

导线（包括裸线和绝缘导线）截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度，但需校验其短路热稳定度。母线也应校验短路时的稳定度。

表7.1 架空导线最小截面积

架空线路电压等级 钢芯铝线（mm） 铝及铝合金（mm） 25 25 35 35（居民区） 25（非居民区） 22铜（mm） －―― 16 235kV 6~10kV 30

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≤1kV 16 正式6 8 7.2.2 按经济电流密度选择导线截面

导线（或电缆，下同）的截面越大，电能损耗就越小，但是线路投资、维修管理费用和有色金属消耗量却要增加。因此从经济方面考虑，导线应选择一个比较合理的截面，既使电能损耗小，又不致过分增加线路投资、维修管理费用和有色金属消耗量。

各国根据其具体国情特别是有色金属资源的情况，规定了导线和电缆的经济电流密度。我国现行的经济电流密度规定如表7.2所示。

表7.2 导线和电缆的经济电流密度（A/mm2）

线路类别 架空线路 电缆线路 导线材质 铝 铜 铝 铜 年最大负荷利用小时 3000h以下 1.65 3.00 1.92 2.50 3000～5000h 1.15 2.25 1.73 2.25 5000h以上 0.90 1.75 1.54 2.00 按经济电流密度jec计算经济截面Aec的公式为 Aec?式中，I30为线路的计算电流。

按上式计算出Aec后，应选最接近的标准截面（可取较小的标准截面），然后校验其它条件。

I30jec

7.3 本次设计导线型号及截面选择

（1）轧钢车间变电所高压侧导线（10kV）,按经济电流密度选择

1）选择经济截面

按已知条件，查表得T=6500h,jec=0.90/mm,因此

Aec=I30/jec=106.7/(0.90A/mm2)=118.6mm2 选择标准截面150mm2，即选LGJ-150型钢芯铝绞线。

2

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2）校验发热条件

查表得LGJ-150的允许载流量（室外18℃时）Ial=445A>I30=106.7A，因此满足发热条件。

3）校验机械强度

查表得10kV架空钢芯铝绞线的最小截面Amin=16mm2

几何均距为1.5km,A=150mm2，查表得R0=0.2Ω/km，X0=0.36Ω/km。 故线路的电压损耗为

?U?pR?qXUN?1765kW?(1.5?0.2)??548?(1.5?0.36)?10kV?82.5V 线

路的电压损耗百分值为

?U%??UUN?82.5V10000V?0.00825

它小于?Ual?5%，因此所选LGJ-150型钢芯铝绞线满足电压损耗要求。 （2）总降压变电所高压侧导线(35kV架空线) 选择原则及校验同10kv架空线的选择类似。

第八章 短路电流的计算

8.1 短路概述

8.1.1 短路的形式

在三相系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。

电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。但一般三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。为了使电力系统中的

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电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择检验电气设备用的短路计算中，以三相短路计算为主。三相短路用文字符号k(3)表示。

8.1.2 短路的原因

工厂供电系统要求正常地不简短地对用电负荷供电，以保证工厂生产和生

活的正常进行。但是由于各种原因，也难免出现故障，而使系统的正常运行遭到破坏。系统中最常见的故障就是短路。所谓短路，就是指一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。 产生短路的原因很多，主要有以下几个方面：

（1）元件损坏，例如绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良带来的设备缺陷发展成短路等；

（2）气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等；

（3）人为事故，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后为拆除接地线就加上电压等；

（4）其它，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。

8.1.3 短路的后果

短路后，短路电流比正常电流大得多；在大电力系统中，短路电流可达几

万甚至几十万安。如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害，即: （1）短路是要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件损坏；

（2）短路时电压要骤降，严重影响电气设备的正常运行；

（3）短路可造成停电，而且越靠近电源，停电范围越大，给国民经济造成的损失也越大；

（4）严重的短路要影响电流系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列；

（5）单相短路，其电流将产生较强的不平衡交变磁场，对附近的通信

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线路、电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。 由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能的最大短路电流时不致损坏。为了选择切除短路故障懂得开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件（如电抗器）等，也必须计算短路电流。

8.2 三相短路电流的计算

标幺制法，即相对单位制算法，因其短路计算中的有关物理量是采用标幺值（相对单位）而得名。

按标幺制法进行短路计算时，一般是先选定基准容量S d和基准电压Ud。 基准容量，工程设计中通常取Sd=100MV·A。

基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压，即取Ud=Uc。

选定了基准容量Sd和基准电压Ud以后，基准电流Id按下式计算

Id?Sd3Ud?Sd3Uc

基准电抗Xd则按下式计算 Xd?Ud3Id?UcSd2

供电系统中各主要元件的电抗标幺值的计算（取Sd=100MV·A,Ud=Uc）。 （1）电力系统的电抗标幺值

U2c

（2）电力变压器的电抗标幺值 X*TXs?Xs*Xd?U2cScSd?SdSoc?XTXd?Uk%Uc1002UcSd2SN?Uk%Sd100SN

（3）电力线路的电抗标幺值

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X*WL?XWLXd?X0lUcSd2?X0lSdU2c

短路电路中各主要元件的电抗标幺值求出以后，即可利用其等效电路图进行电路化简，计算其总电抗标幺值X∑。由于各元件电抗均采用相对值，与短路计算点的电压无关，因此无须进行电压换算，这也是标幺值法较之欧姆法优越之处。

三相短路电流周期分量有效值

* Ik(3)?Ik(3)?Id?IdX?

*

其他三相短路电流

(3)(3)?Ik I??(3)?I?(3)(3)?2.55I?? ish(3)(3)?1.51I?? Ish8.3 标幺值法计算电路短路电流

8.3.1 短路计算电路

10KV ?0=0.4Ω/km l=5km xS9-1250/35 380V S9-4000/35 LGJ-150，l=1.5km 去轧钢车间 Soc=400MVA 35KV K-1 K-1 K-2

8.3.2 确定短路计算基准值

取Sd?100MVA

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取UC1?10.5KV 则 Id1?Sd/3UC1=100MVA/?3?10.5KV?=5.50KA 取UC2?0.4KV 则 Id2?Sd/3UC2=100MVA/?3?0.4KV?=144.3KA

8.3.3 计算短路电路中某个元件的电抗标幺值

电力系统:

已知电力系统出口断路器的遮断容量Soc=400MVA， 故X1?=100MVA/400MVA=0.25 架空线路:

X2?x0l?SdU2c?(0.4?5)??100MVA(35kV)2?0.16

又LGJ-150的线路电抗x0?0.36?/km，而线路长1.5km， X4??x0l电力变压器

查表得：S9-4000变压器的短路电压百分值Uk%=4.5

S9-1350变压器的短路电压百分值Uk%=5.5，

故

X3??SdU2c?(0.36?1.5)??100MVA(10.5kV)2?0.5

Uk%Sd100SNUk%Sd100SN?5.51004.5100?100MVA4000kVA100MVA1250kVA=1.38

X5????=3.6

式中，SN为变压器的额定容量

因此绘制短路计算等效电路如图8.1所示。

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X *1X *21.38 X3 *X *4X5 去轧钢车间 K-1 K-2 *Soc=400MVA 1.38

图8.1 短路计算等效电路

1. k-1点（10.5kV侧）的相关计算 总电抗标幺值

?****

X?(k?1)?X1?X2?X3?X4=0.25+0.16+1.38/2+0.5=1.6 三相短路电流周期分量有效值

Ik?1?*Id1X*?(k?1)?5.5kA1.6?3.44kA

其他短路电流

I''(3)?I?(3)?Ik?1?3.44kA''(3)(3)

ish?2.55IIsh?1.51I(3)(3)?2.55?3.44kA?8.76kA ?1.51?3.44kA?5.19kA''(3)

三相短路容量

Sk?1?(3)SdX*?(k?1)?100MVA1.6?62.5MVA

2. k-2点（0.4kV侧）的相关计算 总电抗标幺值

X?(k?2)?X1?X2?X3?X4?X5=1.6+3.6=5.2 （5-12）

?***** 三相短路电流周期分量有效值

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Ik?2?*Id2X?(k?2)*?144.3kA5.2?27.75kA （5-13）

其他短路电流

I''(3)?I?(3)?Ik?2?27.75kA''(3)(3) （5-14）

（5-15） （5-16）

ish?2.55IIsh?1.51I(3)(3)?2.55?27.75kA?70.8kA ?1.51?27.75kA?41.9kA

''(3)三相短路容量

Sk?2?(3)SdX*?(k?2)?100MVA5.2?19.23MVA （5-17）

以上短路计算结果综合图表8.1所示。

表8.1 短路计算结果 三相短路电流 短路计算点 Ik (3)三相短路容量/MVA ish (3)I''(3) I?(3) Ish (3)Sk (3)k-1 k-2

3.44 27.75

3.44 27.75 3.44 27.75 8.76 70.8 5.19 41.9 62.5 19.23 第九章 高低压供电系统一次元件的选择与校验

工厂供配电系统中担负输送、变换和分配电能任务的电路，称为“主电路”，也叫“一次电路”。

一次电路中的所有电气设备，称为“一次设备”或“一次元件”

9.1 电气设备选择的一般条件

9.1.1 按正常运行条件选择

电气设备按正常工作条件选择，就是要考虑装置地点的环境条件和电气

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要求。环境条件是指电气装置所处的位置特征；电气要求是指对设备的电压、电流、频率（一般为50HZ）等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑其断流能力。

（1）考虑所选设备的工作环境。如户内、户外、防腐蚀、防暴、防尘、防火等要求，以及沿海或是湿热地域的特点 。

（2）所选设备的额定电压UN,et应不低于安装地点电网的额定电压UN，即 UN,et≥UN 一般设备的电压设计值满足1.1UN,et，因而可在1.1UN,et下安全工作。 （3）设备的额定电流IN是指在额定周围环境温度下，设备的长期允许电流。IN应不小于通过设备的计算电流I30，即

IN≥I30 （4）设备的最大开断电流应不小于它可能开断的最大电流，即

Ibr?Ik(3)

9.1.2 按短路条件校验

（1）动稳定校验

动稳定校验（电动力稳定）是指导体和电器承受短路电流机械效应的能

(3)力。满足稳定的条件是 imax?ish

(3)或 Imax?Ish

(3)(3)式中，ish、Ish——设备安装地点短路冲击电流的峰值及其有效值；

imax、Imax——设备允许通过的电流峰值及其有效值。

对于下列情况可不校验动稳定或热稳定。

1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热

稳定。

2）电压互感器及其所在回路的裸倒替和电器可不校验动、热稳定，

因短路电流很小。

3）电缆一般均有足够的机械强度，可不校验动稳定。

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（2）热稳定校验

短路电流通过时，电器各部件温度不应超过短路时发热最高允许值，即

(3)2 It2t?I?tima

(3)式中，I?——设备安装地点稳态三相短路电流；

tima——短路电流假想时间； It——电器的热稳定电流； t——电器的热稳定时间。

9.2 高压一次设备的选择

高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

9.2.1 按工作电压选则

设备的额定电压UN?e一般不应小于所在系统的额定电压UN，即UN?e?UN，高压设备的额定电压UN?e应不小于其所在系统的最高电压Umax，即UN?e?Umax。故高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压UN?e=12kV，穿墙套管额定电压

UN?e=11.5kV，熔断器额定电压UN?e=12kV。

9.2.2 按工作电流选择

设备的额定电流IN?e不应小于所在电路的计算电流I30，即IN?e?I30

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9.2.3 按断流能力选择

设备的额定开断电流Ioc或遮断容量Soc，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值Ik(3)或短路容量Sk(3)，即

(3)(3)Ioc?Ik(3)或Soc?Sk

对于分断负荷设备电流的设备来说，则为Ioc?IOL?max，IOL?max为最大负荷电流。

9.2.4 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

imax?ishimax(3)(3)或Imax?Ish

(3)(3)、Imax分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，ish、Ish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

(3)2tima It2t?I?对于上面的分析，如表9.1所示，由它可知所选高压一次设备均满足要求

表9.1 10 kV高压侧一次侧设备的选择校验

选择校验项目 参数 装置地点条件 数据 电压 UN 电流 IN断流能力 Ik (3)动态定度 Ish (3)热稳定度 I?2(3)2其它 ?tima 10kV U50.3A (I(1N?T)) 3.44kA Ioc8.76kA imax3.44?1.8?21.3 2一次设备型号规格 额定参数 高压少油断路器SN10-10/1000 高压隔离开关GN8-10/200 6N?e UN?e It?t 210kV 1000A 31.5 kA - 50 kA 80 kA 31.5?2?1985 25.5 kA - - - 10kV 10kV 200A 0.5A 高压熔断器 41

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RN2-10 电压互感器JDJ-10 电压互感器JDZJ-10 电流互感器LQJ-10 避雷针FS4-10 户外隔离开关GW4-12/400 10310/0.1kV /0.10.1/kV33- - - - - - - - - - - 10kV 10kV 12kV 100/5A - 400A - - - 30.8 kA - 25kA 9.3 变电所低压一次设备的选择

同样根据上面的原则，做出380V低压侧一次设备的选择校验，如表6-2所示，所选数据均满足要求

表9.2 380V低压侧一次设备的选择校验

选择校验项目 装置地参数 点条件 数据 一次设备型号规格 额定参数 低压断路器DW15-3000/3D 低压断路器DW20-630 低压断路器DW20-200 电压 UN 电流 断流 能力 Ik (3)动态 定度 Ish (3)热稳定度 (3)2INI?2?tima 380V U3074.7A IN?e 27.75kA Ioc41.9kA imax27.75?0.8?616N?e It?t 2380V 3000A 40kA - - 380V 630A （大于I30） - - 380V 200A （大于I30） - - 42

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低压断路HD13-1500/30 电流互感器LMZJ1-0.5 电流互感器LMZ1-0.5

380V 1500A - - - 500V 500V 1500/5A 100/5A 160/5A - - - - - - 第十章 防雷和接地装置的确定

10.1 防雷设备

防雷的设备主要有接闪器和避雷器。其中，接闪器就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属称为避雷针。接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。接闪的金属网称为避雷网。

避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。

10.2 防雷措施

1. 架空线路的防雷措施

（1）架设避雷线 这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV及以上的架空线路上才沿全线装设。35KV的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。而10KV及以下的线路上一般不装设避雷线。

（2）提高线路本身的绝缘水平 在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10KV及以下架空线路防雷的基本措施。

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（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 由于3～10KV的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。

（4）装设自动重合闸装置 线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。如果采用一次ARD，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。

（5）个别绝缘薄弱地点加装避雷器 对架空线路上个别绝缘薄弱地点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。

2. 变配电所的防雷措施

（1）装设避雷针 室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。

（2）高压侧装设避雷器 这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。阀式避雷器至3～10KV主变压器的最大电气如下表。

避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。

（3）低压侧装设避雷器 这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。当变压器低压侧中性点不接地时（如IT系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。

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