某工厂变电所设计

1 第一章 绪论 1.1.1 机械工厂供电的意义和特点 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。 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，并做好节能工作，就必须达到下列基本要求： 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 可靠 应满足电能用户对供电可靠性即连续供电的要求 优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求 经济 供电系统的投资要省，运行费用要低，并尽可能节约电能和减少有色金属的消耗量 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，既要照顾全局和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适当发展。 机械工厂供电设计是机械行业工程设计的重要组成部分，它的设计质量已引起有关部门的关注。对设计单位的选择应参照国际贯例，采取招、投标的方式。对设计单位的专业技术水平以及 2 声誉和资历等都应成为能否 承担设计任务的重要条件。设计部门的专业技术水平以及设计的标准化、规范化和发展规划都与机械下程项目的成功、合理、安全、经济密切相关。 1.1.2 本工厂负荷性质 本厂除空压站，煤气站部分设备为二级负荷外，其余均为三级负荷。关于负荷性质，按GB50052-5供配电系统设计规范规定，根据电力负荷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或影响程度，电力负荷分为以下三级： 一级负荷 中断供电将造成人身伤亡者；中断供电将在政治上，经济上造成重大损失，例如重要的交通枢纽，重要通信枢纽，重要宾馆，大型的体 育场，经常用与国际活动的大量人员集中的公共场合等用电单位中重要的电力负荷。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，以及特别重要的场所的不允许中断供电的负荷，应重视为特别重要的负荷。 二级负荷 中断供电将在政治，经济上造成较大损失者，例如主要设备损坏，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；中断供电将影响重要用电单位的正常工作者，例如交通枢纽，用电枢纽，通信枢纽等用电单位中重要的电力负荷以及中断供电造成大型影剧院，大型商场等较多人员集中的公共场所秩序混乱者。 三级负荷 不属于一级负荷和二级负荷的电力负荷。 本机械厂为机械制造工厂，所以要求用两回路供电，供电变压器也应有两太（这两台变压器不一定在同一变压所）。在其中一回路或一台变压器发生故障时，不至于断电。 1.1.3 工厂供电系统总述 工厂供电系统是由工厂总降压变电所（高压变电所），高压配电线路，车间变电所，低压配电线路及用电设备组成。一般中型工厂的电源是 610kV。电能先经高压配电所，有高压配电线路将电能分送至各个车间变电所。车间变电所内装设有电力变压器，将 610kV 的高压降为一般低压用电设备所需的电压 ，通常降为 220/380V（ 220V 为三相电路相电压， 380V 为其线电压）。如果工厂有 610kV 的高压用电设备，则由高压配电所直接对其配电。 图是一个比较典型的中型工厂供电的简图。该简图只用一根线来表示三相线路，即绘成单线图的形式，而且该图除母线分段开关和低压联络线上装设的开关外未绘出其他开关电器。 3 从上图可看出，该厂是典型的“单母线分段制”。在任一电源进线发生故障或进行检修而被切除后，可以利用闭合母线分段开关，由另一条电源进线对整个配电所（特别是其中的重要负荷）进行配电，从而提高了供电的可靠性。 这类接线的配电所通常的运行方式是；母线分段开关闭合，整个配电所由一条电源进线作为备用。工作电源通常来自公共电网（电力系统）。而备用电源通常通过联络线来自邻近单位的变，配电所。 上图所示高压配电所有四条高压配电出线，供电给三个车间变电所，其中 1 车间变电所和 3号车间变电所各装有一台配电变压器，而 2 号车间变电所装有 两台，并分别有两段母线供电，其低压侧有采用单母线分段制，因此对重要的低压用电设备可由两段母线交叉供电，各车间变电所的低压侧，均设有低压联络线相互连接，以提高供电系统运行的可靠性和灵活性。此外，该高压配电所还有一条高压配电线，直接供给一组高压电动机；另有一条高压线，直接与一组高压并联电容器相连。 3 号车间变电所低压母线上也连接一组低压并联电容器。这些并联电容器都是用来补偿无功功率提高功率因数的。 4 对于大型工厂及某些进线电压为 35kV 几以上的中型工厂，通常经过两次降压，也就是电源进厂以后，先经总电压变电所，其中装有较大容量的电力变压器，将 35kV 及以上的电源电压降为 610kV 的配电电压，然后通过 610kV 高压配电线将电能送到各个车间变电所，也有的经高压配电所在送到车间变电所，最后经车间变电所的配 电变压器降为一般低压设备所需的电压。其系统简图如下图所示。 有的 35kV 进线的工厂，只经一次降压，既 35kV 线路直接引入靠近负荷中心的车间变电所，经车间变电所的变压器直接降为低压用电设备所需的电压，如图所示。这种供电方式，称为高压深入负荷中心的直配方式。这种直配方式，可省去一级中间变压，从而简化的供电系统，节约的有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量。然而这要根据厂区的环境条件是否满足 35kV架空线路深入负荷中心的“安全走廊”而定，否则不宜采用，以确保供电安全。 5 由以上分析可知，配电所的任务 是接受电能和分配电能，不改变电压，而变电所的任务是接受电能，变换电压和分配电能。以上所讲变，配电所中的母线，有称汇流线，其任务是汇集电能和分配电能。以上所讲的工厂供电系统，是指从电源进线进厂起到高低压用电设备进线端止的整个电路系统，包括厂内的变，配电所和所有高低压配电线路。 1.1.4 计算机辅助设计 (CAD)在供电系统中的应用 计算机辅助设计 (CAD)已应用于供电系统，并取得一些可喜成果 . 用 CAD 技术进行系统分析，并应用于实践，旨在推动 CAD 技术在工业等各个领域中的应用 . 1 供电 CAD 系统的分析 供电系统 CAD，目前主要用来进行各种参数计算，方案的比较确定，装置、设备的选择，绘图及数据处理等 .因此，从用户的角度来看，作为一个满意的供电的 CAD 系统，一般应该有以下的性能品质 . 1、灵活性即具有各种灵活的输人方式和输出方式，以满足用户的要求 . 2、交互性即具有最方便的人机对话功能，对话简单易行，使不同水平的用户易于掌握应用 . 3、可靠性即系统工作的不间断性 . 4、可扩展性即系统能较容易地进行功能的扩充和完善 5、可维护性即系统运行中维护方便，操作简便等 . 1.1.5 工厂配电电压的选择 （一）工厂供电的选择 工厂供电电压的选择，主要取决于当地电网的供电电压等级，同时也要考虑工厂用电设备的电压，容量和供电距离等因素。由于同样的配送功率和输送距离条件下，配电电压越高，线路电流越小，因而线路采用的导线或电缆截面越小，从而可以减少线路的初投资和有色金属消耗量且可减少线路的电能损耗的电压损耗。下表示出各级电压线路合理的输送功率和输送距离，供参考。 表：各级电力线路合理的输送功率和输送距离 线路电压 线路结构 输出功率 /kW 输出距离 /km 0.38 架空线 100 0.25 0.38 电缆线 175 0.35 6 架空线 1000 10 6 电缆线 3000 8 10 架空线 2000 620 10 电缆线 5000 10 35 架空线 200010000 2050 66 架空线 350030000 30100 110 架空线 1000050000 50150 220 架空线 100000500000 100300 6 （二）工厂高压配电电压的选择 工厂高压配电电压的选择，主要取决于工厂高压用电设备的电压及其 容量，数量等因素。工厂采用的高压配电电压通常为 10kV。如果工厂拥有相当数量的 6kV 用电设备，或者供电电源电压就是 6kV，则可考虑采用 6kV 电压作为工厂的高压配电电压。如果不是上述情况， 6kV 用电设备数量不多，则应选择 10kV 作为工厂的高压配电电压，而 6kV 高压设备则可通过专用的 10/6 3kV的变压器单独供电。 如果当地的电源电压为 35kV，而厂区环境条件又允许采用 35kV 架空线路和较经济的 35kV设备时，则可考虑采用 35kV 作为高压配电电压深入工厂各车间负荷中心，并经车间变电所直接降为低压用电设备所需的 电压。这种高压深入负荷中心的直配方式，可以省去一级中间变压，大大简化供电系统接线，节约有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量，因此有一定的推广价值。但必须考虑厂区要有满足 35kV 架空线路深入负荷中心的“安全走廊”，以确保安全。 （三）工厂低压配电电压的选择 工厂的低压配电电压，一般采用 220/380V，其中线电压 380V 接三相动力设备和 380V 的单相设备，相电压 220V 接一般照明灯具和其他 220V 的单相设备。但某些场合宜采用 660V 甚至更高的 1140V 作为低压配电电压。例如矿井下，由于负荷中心往往离 变电所较远，因此为保证负荷端的电压水平而采用比 380V 更高的电压配电。采用 660V 或 1140V（只用于矿井下）电压配电，较之采用 380V 配电，不仅可以减少线路的电压损耗，提高负荷端的电压水平，而且能减少线路的电能损耗，降低线路的有色金属消耗量和初投资，增大配电范围，提高供电能力，减少变电点，简化供配电系统。因此提高低压配电电压有明显的经济效益，是节电的有效措施之一，这在世界各国已成为发展的趋势。但是将 380V 升高为 660V，需电器制造部门全面配合。我国现在采用 660V电压的工业，尚只限于采矿，石油和化工等少 数部门。至于 220V 电压，现在规定不作为低压三相配电电压，而只作为单相配电电压和单相用电设备的额定电压。 1.1.6 ABC法简述 我国工厂设计工作者提出 ABC法求计算负荷，其特点是： 1 运用概率论的基本原则找出计算负荷与设备容量之间的关系； 2 利用单元功率的概念和 AB列表法，将繁杂的功率运算简化为台数的运算，使运算简单准确，适宜工厂设计利用。 利用 ABC求计算负荷的公式为 7 30 ( 2 )dP D K A C A B 式子中 D 单台等值 功率（ kW）， D 可取任意值，一般取 D=3kW； dK 该组用电设备的利用系数 A=1miii nKB=1 1 2 3 . . . ( 1 ) m iiiKn ABC法也把计算负荷看作是平均负荷 P 与计算负荷对平均负荷参差值的叠加，但它对这个参差值的估算，是由设备的容量总平方和的方根 21miii np表征的，该方根随设备台数 N 和设备的容量 P 而变化，容量值越大，对 方根的影响越大，如一台 100kW 的设备，就相当于 3KW 的设备 1100 台，这一点是符合负荷变化的实际的。 ABC法适用于连续工作制，短时，反复短时工作制类设备，只要一组设备的利用系数明确，就可方便的确定它的计算负荷 P，与此同时，还可得出平均功率，有效功率，前者可用来计算电能需要和确定功率因数补偿装置等。后者可用来计算电能损耗。整个运算可在一次列表中完成。通过所列表格，可以求出车间主干线，变电所，配电所，全尝等各级配电点的负荷，各级运算中不必乘以同期系数，计算本身也和方便，只需对设备台数进行简单的加法，不牵 涉到设备容量的繁琐计算，因而节约了时间。 ABC法的另一特点，就是它的基本计算系数是最大负荷班的平均系数，该系数的数值确定，易于通过实测取得，因而使本方法具有使用价值。 第二章 设计的基础材料及方案论证 2.1.1 设计总基础资料 （ 1）厂区平面布置图 8 仓 库仓 库锻 工 车 间三 车 间锅炉房空气站仓 库一 车 间二 车 间工 具 机 修3 5 k V电 源 进 线1 0 k V备 用 电 源 进 线煤 气 站表：本厂产品及单耗 产品类型 单位 数量（套） 单位重量 （ kg/套） 每公斤重耗电量kwh/kg 耗电量 （ kwh） 特大型 中型 小型 共计 套 套 套 5000 20万 10万 200 20 0.5 1 5 10 100 万 2000 万 50 万 2150 万 （ 2）负荷类型及大小 配电计点名称 设备台数 n 设备容量 /kw 计算有功功率 /kw 计算无功功率 /kw 计算视在功率 kw 计算电流 /A 一车间 70 1419 470 183 506 770 二车间 177 2223 612 416 744 1130 三车间 37 1755 920 276 957 1452 工具 ,机修车间 81 1289 496 129 510 775 空气站煤气站 45 1266 854 168 872 1374 全厂总负荷 604 10463 4087 1659 4485 6811 配电计点名称 功率因数cos tg 平均有功功率 kw 平均无功功率/kvar 有功功率损耗 /kw 无功功率损耗 /kw 变压器容量 /(kv A) 一车间 0.93 0.39 354 138 10 50 630 二车间 0.82 0.68 512 348 15 74 800 9 三车间 0.96 0.3 632 190 19 96 1000 工具 ,机修车间 0.92 0.26 400 104 10 51 630 空气站煤气站 0.98 0.5 633 125 17 87 1000 全厂总负荷 3159 1325 89 447.6 5000 本厂除动力站，房部分设备为二级负荷外，其余均为三级负荷 （ 3）工厂为二班制 全年工厂工作小时数为 4500 小时，最大负荷利用小时数： Tmax=4000小时。年耗电量约为 2015 万 kWh（有效生产时间为 10 个月） （ 4）电源 工厂东北方向 6 公里处有新建地区降压变电所， 110/35/10kV， 1 25MVA 变压器一台作为工厂的主电源，允许用 35kV 或 10kV 中的 一种电压，以一回架空线向工厂供电。 35kV厕系统的最大三相短路容量为 1000MV A，最小三相短路容量为 500 MV A。 备用电源 此外，由正北方向其他工厂引入 10kV 电缆作为备用电源，平时不准投入，只在该工厂主电源发生故障或检修时提供照明及部分重要负荷用电，输送容量不得超过全厂计算负荷的20%。 （ 5）功率因数 供电部门对功率因数的要求为当以 35kV 供电时， cos 0.85。 （ 6）电价计算 供电部门实行两部电价制。 1 基本电价：按变压器安装容量每 1kV A， 6 元 /月计费； 2 电度电价：供电电压为 35kV 时， =0.5 元 /（ kWh）；供电电压为 10kV 时， =0.55 元（ kWh）。附加投资：线路的功率损失在发电厂引起的附加投资按 1000 元 /kW 计算 （ 7）工厂的自然条件 本厂所在地区年最高气温为 38Co ，年平均温度为 23Co ，年最低气温为 -8Co ，年最热月最高气温为 33Co ，年最热月平均气温为 36Co ，年最热月地下 0.8m 处平均温度为 35Co 。当地主导风向为东北风，年雷暴日数为 20。本厂所在地区平均海拔高度为500m，地层以砂粘土为主，地下水位为 2m。 2.1.2 供电方案论证 由于本地区仅能提供 35kV 或 10kV 中的一种电压，所以将两种电压的优缺点扼要分析如下： （一） 35KV 与 10KV 供电特点 方案一：采用 35kV 电压供电的特点 1 供电电压较高，线路的功率损耗及电能损耗小，年运行费用低； 2 电 压损失小，调压问题容易解决； 3 对 cos 的要求较低，可以减少提高功率因数补偿设备的投资； 10 4 需建设总降压变电所，工厂供电设备便于集中控制管理，易于实现自动化，但要多占一定的土地面积； 5 根据运行统计数据， 35kV 架空线路的故障比 10kV 架空线路的故障低一半，因而供电的可靠性高； 6 有利于工厂的进一步扩展 方案二：采用 10kV 电压供电的特点 1 不需要投资建设工厂总降压变电所，并少占土地面积； 2 工厂内不装设主变压器，可简化接线，便于运行操作； 3 减轻维护工作量，减少管理人员； 4 供电电压较 35kV 低，会增加 线路的功率损耗和电能损耗，线路的电压损失也会增大 5 要求 cos 的值高，要增加补偿设备的投资 6 线路的故障比 35kV 的高，即供电可靠性不如 35kV。 （二）经济技术指标的比较 方案一：正常运行时以 35kV 单回路架空线供电，由邻厂 10kV 电缆线路作为备用电源。根据全厂计算负荷情况， S30=4485kV A，而只有少数的负荷为二级负荷，大多数为三级负荷，故拟厂内总降压变电所装设一台容量为 5000 kV A 的变压器，型号为 SJL1-5000/35 型，电压为 35/10kV，查产品样本，其有关技术参数为： P0=6.9kW, Pk=45KW,UK%=7,I0%=1.1 变压器的功率损耗为 : 有功功率损耗为： PT P0+ P（NSS30 ）2= 6.9+45 (44855000)2=43.1kW 无功功率损耗为： QT Q0+ QN（NSS30 ）2= SN100%OI+100%KU(NSS30 ）2 = 21 . 1 7 4 4 8 55 0 0 0 ( ) 3 3 6 . 6 v a r1 0 0 1 0 0 5 0 0 0 k 35kV 线路功率等于全厂计算负荷与变压器功率损耗之和。 P 30=P30+ PT=4087+43.1=4130.1kV Q 30=Q30+ QT=1659+336.6=1995.6kV 2 23 0 3 0 3 0S P Q= 224 1 3 0 . 1 1 9 9 5 . 6 4 5 8 7 v a rk 11 cos .= P 30/ S 30 = 4130.1 0.904587 I 30= S 30/ 3 UN= 4 5 8 7 / 3 3 5 7 5 . 6 7 A 考虑本厂负荷的增长是逐渐的，为了节约有色金属消耗量，按允许发热条件选择导线截面，而未采用经济电流密度选择导线截面。查有关手册或产品样本，选择钢芯铝铰线 LGJ-35 ，起允许电流为 170A I 30=75.67A 满足要求。该导线单位长度电阻 R0=0.85 /km ,单位长度电抗 X0 = 0.36 /km。 查有关设计手册，经过计算， 35kV 供电的投资费 用 Z1见表，年运行费用 F1见表 表 35kV 的投资费用 项 目 说 明 单价（万元） 数 量 费用（万元） 线路综合投资 LGJ-35 1.2万元 /km 6km 7.2 变压器综合投资 SJL-5000/35 10 万 1 台 10 35kV 断路器 SW2-35/1000 2.1 万 1 台 2.8 避雷器及电压互感 JDJJ-35+FZ-35 0.9 万 各 1台 1.3 附加投资 230 03 TI R l P1000