工厂供电期末大作业-某工厂电气部分设计.doc

大作业专用纸 工厂供电期末大作业某工厂供电系统电气部分设计系 部 电气与信息工程学院 专 业 建筑电气与智能化 年 级 学生姓名 学 号 指导教师 目录摘要I前言1第一章 工厂供电概述21.1 工厂供电的意义21.2 工厂供电的要求21.3 供电系统设计的原则3第二章 负荷计算及功率因数补偿计算32.1 电力负荷计算32.1.1 电力负荷的概念32.1.2 电力负荷的分级42.1.3 负荷计算的方法42.1.4 全车间负荷计算52.2 功率因数补偿计算62.2.1 功率因数对工厂供电的影响6第三章 变压器的选择及其电气主接线83.1 变压器的选择83.1.1 电力变压器及其分类83.1.2 变压器台数和容量的选择93.1.3变电所主变压器形式93.2总配电所主接线的设计103.1.1概况103.1.2主结线的设计113.2.4 对电气主结线的基本要求113.2.5主接线图12第四章 短路计算124.1短路形式124.2 短路计算134.2.1计算短路电路中各元器件的电抗和总电抗13第五章 主要设备164.1 概述164.2 电气设备的选取16结论17参考文献18附录19总结与体会22某工厂供电系统电气部分设计摘要本文从工程应用实际要求出发，对某车间供电系统进行设计。对车间用电单位进行负荷计算。对在工厂变电所设计中的若干问题：设备的计算负荷、功率补偿、三相短路分析、短路电流计算、设备的选择与校验、变压器的继电保护、变电所的过电压保护等方面的设计进行了陈述，并对供电主接线结构进行了阐述。该工厂变电所采用10kV单电源进线，选用一台300kVA的主变压器，对变压器进行了过电流、电流速断保护。在对供电系统短路计算的基础上，进行了设备的选择设计。关键字：工厂供配电；负荷计算；短路电流；继电保护；防雷与接地 22 前言工厂是工业生产的主要动力能源。工厂供电设计的任务是从电力系统取得电源，经过合理的传输，变换，分配到工厂车间中的每一个用电设备上。随着工业电气自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能的质量，供电的可靠行以及技术经济指标等的要求也日益提高。供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设投资，运行费用和有色金属的消耗量，而且也反映到工厂供电的可靠性和工厂的安全生产上，他与企业的经济效益，设备和人身安全等是密切相关的。供电设计的任务是从厂区以外的电网取得电源，并通过厂内的变配电中心分配到下厂的各个供电点。它是工程建设施下的依抓，也是日后进行验收及运行维修的依据。供电设计首先要确定供电系统并进行用电负荷计算，然后将设计的供电系统图及用电容量向供电部门申请。申请用电容量的大小应满足生产需要，也要考虑到节省投资和节约能源，这就要求设计者对对工艺专业和公用专业用电负荷系数有足够的把握。在设计计算中除了查找资料外，还必须借助于设计者在实践中长期积累的经验数据。由于机械工厂车间组成类型多，产品、工艺日新月异，对供电要求各不相同，非专业设计院或个体设计者一不了解机械生产工艺和生产规律，要作出好的设计，相对来说要困难些。比如机加工车间，从设备明细表中看出用电电量颇大，大小设备用电量相差较大，用电特点是短时下作制的设备多，机加工设备辅助传动电机一般仅工作几秒钟，而停歇时间却达几分钟、甚至几小时。在作负荷计算时对设备下作时间要了解,并把不同的用电设备按组划分确定其计算功率。 第一章 工厂供电概述1.1 工厂供电的意义 工厂供电是指工厂用电设备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和人们生活的主要能源和动力。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力以供应用；电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节、测量，有利于实现生产过程自动化。现代社会的信息技术和其他高新技术都是建立在电能应用的基础之上的。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，但是电能消耗在产品成品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，一般机械工程在供电设备上的投资，也进展总投资的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，如果供电突然中断，则对工业生产可能产生严重后果。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，甚至可能发生人身伤亡事故，给国家和人民带来经济上甚至生态环境上或政治上的重大损失。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。1.2 工厂供电的要求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要，并做好节能和环保工作，就必须达到下列基本要求：（1） 安全 在电能的供应、分配和使用中，要注意环境保护，特别要防止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即连续供电的要求。（3） 优质 应满足电能用户对电压和频率等的质量要求。（4） 经济 供电系统的投资要省，运行费用要低，并尽可能地节约电能和有色金属消耗量。此外，在供电工作中，应合理的处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。例如计划用电和环境保护等问题，就不能只考虑一个单位的局部利益。1.3 供电系统设计的原则工厂供电设计必须遵循国家的各项方针政策，设计方案必须符合国家标准中的有关规定，同时必须满足以下几项基本要求：（1） 保证工厂生产工艺所要求的供电可靠性；（2） 保证电能质量；（3） 在必要的供电可靠性基础上，力求经济，使供电系统的投资少、运行费用低，并且尽可能的减少又涩精梳消耗量；（4） 设计中应合理地处理局部与全局、当前与长远的关系，并能适应发展的需要第二章 负荷计算及功率因数补偿计算2.1 电力负荷计算2.1.1 电力负荷的概念 电力负荷又称电力负载，有两种含义：1. 电力负荷指耗用电能的用电设备或用电单位（用户），比如重要负荷、动力负荷、照明负荷等。2. 电力负荷指用电设备或用电单位所耗用的电功率或电流大小，比如轻负荷（轻载）、重负荷（重载）、空负荷（空载、无载）、满负荷（满载）等。电力负荷的具体含义，视其使用的具体场合而定。2.1.2 电力负荷的分级 电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成的损失及影响的程度分为一级、二级、三级负荷。独立于正常电源的发电机组，供电网络中独立于正常的专用馈电线路，以及蓄电池和干电池可作为应急电源。二级负荷的供电系统，应由两线路供电。必要时采用不间断电源（UPS）。1.一级负荷一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；或将在政治上，经济上造成重大损失者；或中断将影响有重大政治经济意义的用电单位的正常工作者。2.二级负荷二级负荷为中断供电将在政治上，经济上产生较大损失的负荷，如主要设备损坏，大量产品报废等；或中断供电将影响重要的用电单位正常的工作负荷，如交通枢纽、通信枢纽等；或中断供电将造成秩序混乱的负荷等。3.三级负荷三级负荷为一般电力负荷，不属于前两级负荷者。对供电无特殊要求。2.1.3 负荷计算的方法常用负荷计算的方法：(1)需要系数法(2)二项式系数法(3)形状系数法。在此次选择的设计中，设备台数较多，各台设备容量相差不太悬殊，所以考虑采用需要系数法。需要系数法的主要步骤：(1)将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量。(2)查出各组用电设备相应需要系数及对应的功率因数。(3)用需要系数法求车间或全厂的计算负荷时，需要在各级配电点乘以同期系数K。需要系数法的计算过程：先从用电端起逐级往电源方向计算，即：首先按需要系数法求得各车间低压侧有功及无功计算负荷，加上本车间变电所的变压器有功及无功功率损耗，即得车间变电所高压侧计算负荷；其次是将全厂各车间高压则负荷相加同时加上厂区配电线路的功率损耗，再乘以同时系数。便得出工厂总降压变电所低压侧计算负荷；然后再考虑无功功率的影响和总降压变电所主变压器的功率损耗，其总和就是全厂计算负荷。需要系数法的计算公式：计算负荷计算公式适用条件有功（K w）已知三相用电设备组或用电单位（工厂、车间）的设备容量及功率因数，求其计算负荷。无功（Kvar）tan视在（KVA）电流（A）计算负荷计算公式适用条件有功（K w）已求出各设备组或各单位的有功和无功计算负荷后，求总的计算负荷。无功（Kvar）视在（KVA）电流（A）设备组或单位的设备容量，不记备用设备容量。设备额定电压。需要系数有功和无功符荷同时系数。设备组的有功和无功计算负荷。（1）对反复短时工作制设备，其容量必须按规定的负荷持续率进行换算（2）用电设备组、车间和工厂的需要系数参见有关表格。（3）由设备组计算车间配电干线时，可取：K=0.850.95,K=0.90.95。车间线路380V名称数量功率金属切削机床电动机2050kw通风机23kw电阻炉12kw2.1.4 全车间负荷计算（1）金属切削机床组 查附录表1，取Kd=0.2，cos=0.5，tan=1.73，故 =0.250kW=10kW =10kW1.73=17.3kvar（2）通风机组 查附录表1，取Kd=0.8，cos=0.8，tan=0.75，故 =0.83kW=2.4kW =2.4kW0.75=1.8kvar（3）电阻炉 查附录表1，取Kd=0.7，cos=1，tan=0，故 =0.72kW=1.4k=0 因此380V线路上的总计算负荷为（取K=0.95,K=0.97） P30=0.95（10+2.4+1.4）kW=13.1kW Q30=0.97（17.3+1.8）kvar=18.5 kvar S30= kV.A=22.7 I30 Cos= 0.58表1 电力负荷计算表序号设备名称台数n容量Pe/kW需要系数Kdcostan计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1切削机床20500.20.51.731017.32通风机230.80.80.752.41.83电阻炉120.7101.40车间总计235513.819.1取K=0.95,K=0.9713.118.522.734.52.2 功率因数补偿计算2.2.1 功率因数对工厂供电的影响 工厂中由于有大量的电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负荷，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。 功率因数的降低产生的不良影响：(1)系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，从而使工厂内部的启动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用；(2)由于无功功率的增大而引起的总电流的增加，使得设备及供电线路的有功功率损耗相应地增大；(3)由于供电系统中的电压损失正比于系统中流过的电流，因此总电流增大，就使的供电系统中的电压损失增加，使得调压困难；(4)对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，使发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁电流，从而使转子绕组的温升超过允许范围，为了保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达到预定的出力。无功功率对电力系统及工厂内部的供电系统都有不良的影响。因此，供电单位和工厂内部都有降低无功功率需要量的要求，无功功率的减少就相应地提高了功率因数2.2.2 功率因数的补偿 供电单位在工厂进行初步设计时对功率因数都要提出一定的要求，它是根据工厂电源进线、电力系统发电厂的相对位置以及工厂负荷的容量决定的。根据全国供用电规则的规定，本设计要求用户的功率因数。而由上面计算可知Cos=0.580.9因此需要进行无功补偿。补偿容量可按下式确定：Qc= Q30Q30= P30（tantan）补偿前自然平均功率因数对应的正切值；补偿后自然平均功率因数对应的正切值；补偿率设计时求得的平均负荷，单位为 ； 单个电容器的容量 并联电容器的个数Q30 =13.1(tan arccos0.58-tan arccos0.95)kvar=1.0413.1=13.62kvarQc=13.62kvar无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：S30 = =14.2kVA因此补偿后变压器容量可选为30kVA（参看附录表2）变压器功率损耗为： PT0.01 S30 =0.0114.2=0.142kW QT0.05 S30 =0.0514.2=0.71kvar变电所高压侧的计算负荷为： P30（1） =13.1+0.142=13.242kW Q30（1） =(19.1-13.62)+0.71=6.19kvar S30 =14.62kVA无功补偿后，车间的功率因数（最大负荷时）为： cos= P30（1）/ S30（1）=13.242/14.62=0.9050.9因此符合本设计要求。第三章 变压器的选择及其电气主接线3.1 变压器的选择3.1.1 电力变压器及其分类电力变压器是变电所中最关键的一次设备，其主要功能是将电力系统的电能电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。常用变压器的种类，在中低压供配电系统中，常用的电力变压器有如下几种分类方式：按相数分类：有三相电力变压器和单相电力变压器。大多数场合使用三相电力变压器，在一些低压单相负载较多的场合，也使用单相变压器。按绕组导电材料分类：有铜绕组变压器和铝绕组变压器，目前一般采用铜绕组变压器。按绝缘介质分类：有油浸式变压器和干式变压器两大类。按绕组联结组别分类：有Yyn0和Dyn11两种。3.1.2 变压器台数和容量的选择1、选择主变压器台数应考虑下列原则:1)三级负荷一般设一台变压器，但考虑现有开关设备开断容量的限制，所选单台变压器的容量一般不大于1250kVA；当用电负荷所需的变压器容量大于1250kVA时，通常应采用两台或更多台变压器。2)当季节性或昼夜性的负荷较多时，可将这些负荷采用单独的变压器供电，以便这些负荷不投入使用时，切除相应的供电变压器，减少空载损耗。3)当有较大的冲击性负荷时，为避免对其他负荷供电质量的影响，可单独设变压器对其供电。4)当有大量一、二级负荷时，为保证供电可靠性，应设两台或多台变压器。以起到相互备用的作用。5)在确定变电所住变压器台数时，应考虑负荷的发展，留有一定的余量2、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SN.T应满足全部用电设备总计算负荷S30的需求，即SN.T.S30 2)装有两台主变压器的变电所，每台变压器的容量SN.T应该同时满足以下两个条件：a.任一台变压器单独运行时，宜满足总的计算负荷S30的大约60%-70%的需要，即SN.T=(0.60.7)S30 b.任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷S30（+）的要求。即+P SN.TS30（+）由于S30（1） =22.7 kVA因为该车间是二级负荷，所以按要求2选变压器。ST.(0.60.7) 22.7=(13.6215.89)kVA.STS30（+）所以选30kVA的变压器2台。3.1.3变电所主变压器形式 由本设计的变电所为独立式、封闭建筑，故采用油浸式变压器3.2总配电所主接线的设计3.1.1概况电气主接线图即主电路图，是表示供电系统中电能输送和分配线路的电路图，亦称一次电路图。它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。电气主接线应满足可靠性、灵活性和经济性三方面：可靠性：为了向用户供应持续、优质的电力，电气主接线首先必须满足这一可靠性的要求。主接线的可靠性的衡量标准是运行实践，要充分地做好调研工作，力求避免决策失误，鉴于进行可靠的定量计算分析的基础数据尚不完善的情况，充分做好调查研究工作显的尤为重要。为了提高主接线的可靠性，选用运行可靠性高的设备是条捷径，这就要兼顾可靠性和经济性两方面，做出切合实际的决定。灵活性：电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。经济性:由于工厂所选用的都是安全可靠且经济美观的成套的配电装置，故柜型一般采用固定式。工厂电源进线上装设专用的计量柜，其互感器只供记费的电度表用3.1.2主结线的设计电气主结线是变电所的主要电路，它明确表示了变（配）电所电能接受与分配的主要关系，是变（配）电所运行，操作的主要依据。在设计中，主结线的拟定对电气设备选择，配电装置布置，保护和控制测量的设计，建设投资以及变电所运行的可靠性，灵活性及经济性等都有密切关系，所以主结线的选择是供电系统设计中一项综合性的重要环节。在三相对称情况下，电气主结线图通常以单线图表示，图上所有电器元件均用统一规定的图形符号表示。3.2.3配电所（即车间变电所）的位置的确定(1) 变配电所位址选择的一般原则：尽量靠近负荷中心、靠近电源侧、进出线方便、设备运输方便、有扩建和发展的余地。(2) 由于工厂厂区供电来自总配电所，为经济起见：高压配电所采用室内型独立式；车间变电所采用室内型附设式（外附）。变电所采用附设式，不占或少占建筑面积，建筑费用和维护费用也较低。根据上述条件，本设计中把配电所的位置选在制条车间和纺纱车间的中间处。3.2.4 对电气主结线的基本要求（1）根据用电负荷的要求，保证供电的可靠性；（2）电气主结线应具有一定的运行灵活性；（3）结线简单，运行方便；（4）结合工厂发展规划，留有扩建余地。本设计中，一二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主接线图，这种接线兼有内桥式和外桥式两种接线的运行灵活性的优点，但所有高压开关设备较多，投资较大，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出先较多的总电压变电所。3.2.5主接线图第四章 短路计算4.1短路形式在三相系统中，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，但三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。为了使电力系统总的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择校验电气设备的短路计算中，以最严重的三相短路计算为主。4.2 短路计算对于工厂供电系统，短路电流的计算一般采用近似的方法，计算中假定：（1）供电电源是无限大功率系统；（2）认为短路回路的元件的电抗为常数；（3）元件的电阻，一般略去不计，只有在短路电阻中总电阻R大于总电抗的三分之一时才考虑电阻，否则认为z=x。短路计算常用的两种方法是:有欧姆法和标么值法。本设计中用欧姆法进行短路计算。根据主结线图绘制如下的短路计算电路图：4.2.1计算短路电路中各元器件的电抗和总电抗 （1） 电力系统的电抗：由附录3可看SN10-10型断路器的断流容量Soc =500MVAX1 =0.22 （2） 架空线路电抗：由下表得X0 =0.35/km 电力线路每相的单位长度电抗平均值 （单位：/km）线路结构线路电压220V/380V610kV35kV架空线路0.320.350.40电视线路0.0660.080.12 X2 = X0 l=0.35（/km）5km=1.75 X3 = X0 l=0.35（/km）5km=1.75 （3） 绘k-1点短路图，图上标各元件序号（分子），电抗值（分母）总电抗：=1.971/2=0.985三相短路电流和短路电容 a 三相短路电流周期分量有效值为 b 三相短路次暂态电流和稳态电流有效值为 c 三相短路冲击电流及其有效值为 d 三相短路容量为 （4）k-2点的短路电流和短路容量 a 电力系统的电抗为 = / Soc =/ 500MVA= b 架空电路的电抗为 = c 电力变压器的电抗：由附表4查的=4 因此= UK%UC22/100SN =4/100/30= d 绘k-2 = 三相短路电流和短路电容 a 三相短路电流周期分量有效值 )=149.96kA b 三相短路次暂态冲击电流及其有效值 c 三相短路冲击电流及其有效值 d 三相短路容量 短路计算表短路计算点三相短路电流/kA三相短路电容/MVAk-16.156.156.1515.689.29111.85k-2149.96149.96149.96275.93163.46103.90 第五章 主要设备4.1 概述工厂总降压配电所的各种高压电气设备，主要指6-10KV以上的断路器，隔离开关，负荷开关，熔断器，互感器，电抗器，母线，电缆等。这些电气设备要能可靠的工作，必须按正常工作条件进行选取，并且按短路情况进行校验。所谓的正常工作条件是指：（1） 电器的额定电压不应小于所在回路的工作电压。（2） 电器的额定电流不应小于该回路的最大长期工作电流。（3） 选择电器时应考虑设备的装设地点，即按工作环境，运行条件和要求，选择设备的型号规格，如屋内或屋外设备，防爆型或普通型，如工作环境污染严重，应加强绝缘的电器，电路操作频繁时应选取胜任频繁操作的真空断路器而不应选取不适于频繁操作的少油断路器。4.2 电气设备的选取(1)10KV侧设备设 数 备据高压断路器隔离开关SN1010/630 GN810/400Us=10KV10KV10KVI30=34.5A1000A400A31.5 KA125KA40KA结 论满 足满 足结论本文对某大型工厂供电系统进行了设计，电源采用10kV电源。完成的工作主要包括：（1）负荷计算。在车间负荷计算的基础上，考虑车间变电所变压器的功率损耗。（2）工厂供、配电系统短路电流的计算。按无限容量系统供电进行短路计算，由系统不同运行方式下的短路参数，求出了各点的三相及两相短路电流。（3）工厂总降压变电所主结线设计。根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。（4）一次设备选择。参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择一次设备，如隔离开关、断路器、母