2 用户供电系统.ppt

内容提要 本章介绍了用户供电系统的电力负荷与负荷计算 介绍了供电电压以及电源的选择 还介绍了配电系统的设计 最后简单介绍了供电系统的电能节约与电能质量控制 第2章用户供电系统 用户供电系统的基本设计目标是为各电力用户的生产活动和人民生活提供一个安全 可靠 合理 优质的供电环境 电气设计的基本要素包括 电力负荷及其计算 供电电压的选择与调整 电源 包括备用电源和应急电源 的选择 配电系统 包括变电所和配电网 的设计 供电系统的电能节约与电能质量控制 第2章用户供电系统 第一节电力负荷与负荷计算第二节供电电压与电源的选择第三节用户变电所第四节变电所的电气主接线第五节变电所的二次接线第六节高低压配电网第七节用户供电系统的电能损耗与节约第八节供电系统的方案比较 第一节计算负荷的意义及计算目的 负荷计算 求计算负荷的工作 计算负荷 根据已知的工厂的用电设备安装容量确定的 预期不变的最大假想负荷 计算负荷是设计时作为选择工厂电力系统供电线路的导线截面 变压器容量 开关电器及互感器等的额定参数的依据 工业企业在运行中的各种用电设备 负荷会时大时小变化 但不应超过其额定容量 且各台用电设备的最大负荷一般不会在同一时间出现 显然全厂的最大负荷总是比全厂各种用电设备额定容量的总和小 过去几十年中 我国沿用的电力负荷计算方法 其结果偏大 不少工厂企业投产3 5年后 在已达到其正常产量的条件下 变压器负载率仍不足50 这就意味着 1 变压器安装容量被积压50 一60 2 有色金属耗量增加75 一100 3 变压器损耗增加 1 设备安装容量设备安装容量PN 亦称设备功率 是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率PE 但是 用电设备往往因工作性质不同而具有不同的运行工作制 这时 从供电安全和经济性两方面来考虑 应按设备铭牌功率予以折算 用电设备的工作制可以分为 连续运行工作制短时运行工作制断续周期工作制 连续运行工作制 短期运行工作制 断续周期工作制 能长期连续运行 每次连续工作时间超过8小时 运行时负荷比较稳定 在计算其设备容量时 直接查取其铭牌上的额定容量 这类设备的工作时间较短 停歇时间较长 在计算其设备容量时 一般不考虑短时工作制的用电设备 容量相对较小时 这类设备的工作呈周期性 时而工作时而停歇 如此反复 且工作时间与停歇时间有一定比例 为表征断续周期的特点 用整个工作周期里的工作时间与全周期时间之比 即用负荷持续率 FC 表示 tg一工作时间 tx一停歇时间 tg tx一整个周期时间 不应超过10min 对于这类用电设备 在参与负荷计算时 从发热的观点来看 需将铭牌功率按照下式换算成FC 100 时的额定持续功率 对于电动机 对于电焊变压器 FC 铭牌负荷持续率 PE SE 换算前铭牌额定功率 kw 或 视在功率kV A PN M SN 换算后的设备安装容量 2 用电设备在生产期间的投入运行有很大的随机性 但各种类型的工厂都有其本身的生产规律 所以 从整体来看 用电也必然存在一定的规律性 这就有可能利用已经投运工厂的设备安装容量和实际用电情况的大量资料进行统计 分析 求出相关系数 以便在设计相同类型工厂时参考利用 按工作制分类 换算功率 按用电设备工作特性分组 3 负荷与负荷曲线电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率 包括有功功率 无功功率和视在功率 在生产过程中 由于生产过程的变化或用电设备使用上的随机性 实际负荷都是随着时间而变化的 电力负荷随时间变化的曲线称为负荷曲线 负荷曲线 电力负荷的变化规律 记录电力负荷变化的时间间隔 负荷变化规律不同得到的曲线亦不同 同一变化规律的负荷 记录负荷变化的间隔不同 得到的曲线亦不同 根据负荷曲线绘制的时间长度分类 工作班负荷曲线 8小时工作班内的负荷曲线 日负荷曲线 表示在一天中一定时间间隔 t内的平均负荷随时间的变化情况 周负荷曲线 月负荷曲线 年负荷曲线 表示全年负荷变动与负荷持续时间关系的曲线 是由不同季节典型日负荷曲线推算而来的 a 日有功负荷曲线b 年有功负荷曲线 图2 1日负荷曲线与年负荷曲线 P30 对于某一种类型的用电设备组 以30min为时间间隔 在其最大负荷工作班测定的负荷曲线 称为该用电设备组的典型负荷曲线 其最大值定义为P30 Pc 计算负荷 Pm Pmax 以30min为时间间隔求出的最大平均负荷 4 平均负荷 最大负荷 有效负荷与计算负荷 1 平均负荷Pav 指电力负荷在一段时间内的平均值 2 最大负荷Pmax 是指一年中典型日负荷曲线中的最大负荷 记作Pmax或P30 3 有效负荷Pe 指由典型工作班负荷曲线 工作班时间为T 按下式计算所得的有效值 4 计算负荷Pc 是为方便工程设计而假想的一个等效负荷 系统实际运行中该负荷是不存在的 电力用户的实际负荷并不等于用户中所有用电设备额定功率之和 因为 并非所有的用电设备都同时投入运行 并非所有的用电设备都能工作在额定状态 并非所有的用电设备的功率因数都相同 用电设备的效率不完全相同 配电设备亦有功率损耗等 在供电系统设计中 考虑上述因素后就需要确定一个最大的 恒定不变的等效负荷来代替实际变化的真实负荷 作为工程设计的依据 该最大的 恒定不变的等效负荷 假想负荷 在供电系统工程设计中称为计算负荷 实际负荷 真实存在 随机变化的 计算负荷 假想最大的 恒定不变的等效负荷 假想负荷于实际负荷之间的关系 等效含义 根据计算负荷所选择的配电设备 在实际负荷长期作用下 其温升不超过配电设备在规定使用年限内所允许的最高温升 即 用电设备在实际运行中对配电设备所产生的最大热效应与计算负荷 等效负荷 产生的热效应相同 计算负荷是供电系统结构设计 导线及变压器等配电设备参数选择的依据 从发热的角度分析 计算负荷在数值上等于用户典型日负荷曲线中的30min最大平均负荷P30 第二节确定计算负荷的系数 一 需要系数Kd定义为用电设备组的最大负荷与该设备组的总安装容量之比 Pc 负荷曲线最大有功负荷 PN 设备总额定容量 二 利用系数Kx定义为用电设备组在最大负荷工作班内消耗的平均负荷与该设备组的总安装容量之比 Pav 用电设备组在最大负荷工作班消耗的平均功率 PN 该用电设备组的总额定容量 Wi t时间内的电能消耗量 即 t时间内负荷曲线限定的面积 Wi Pi t 三 形状系数Kz定义为有效负荷与平均负荷之比 形状系数与负荷的平稳程度有关 Pe 负荷的有效值 1 形状系数值与单位时间 t内用电设备的耗电量有关 与最大负荷值出现的时间无关 2 形状系数的最小值为1 这时负荷曲线为一与横坐标平行的直线 3 负荷愈不平稳 Kz值愈大 当负荷曲线无间断时 1 Kz 1 5 一般情况Kz值在1 05 1 25之间 计算Pe值时取Kz 1 15 四 附加系数KfPm 负荷曲线上出现的 以 t作为时间间隔的最大平均负荷 当 t 30min时 Pm P30 附加系数Kf的含义是考虑了总容量相同 用电设备组相同 但其组成容量不同 台数不相同 Pm超过Pav的倍数 因此附加系数与设备台数和利用系数有关 最大负荷工作班平均负荷Pav 附加负荷Pf 最大平均负荷Pm之间的关系 为了进行分析比较 从导体发热的角度出发 不同容量的用电设备需归算为同一容量的用电设备 于是可得到其等效台数neq为 Pi 用电设备组中每台用电设备的额定功率 图2 4为 t为30min的Kf f n Kx 曲线 横坐标为neq 根据不同类型用电设备组Kx可以查出Kf 例两组用电设备均为一般工作制小批量生产金属切削机床 总额定功率为180kW 第一组单台额定功率相等 每台为4 5kW 第二组为30kW 4 20kW 1 10kW 2 5kW 4 试求Pm 解 对于一般工作制小批量生产金属切割机床 Kx 0 10 0 12 附录表 取Kx 0 12 于是 Pav KxPN 0 12X180kW 21 6kW对于第一组 neq n 180 4 5 40台 根据Kx查图2 4曲线 Kf 1 4 Pm 1 4 21 6kW 30 24kW对于第二组 取neq 8台 查曲线Kf 2 6 Pm 2 6 21 6kW 56 16kW 五 年最大负荷利用小时数TmaxTmax是这样一个假想时间 电力负荷按照最大负荷Pmax持续运行Tmax时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa 图2 2年负荷曲线和年最大负荷利用小时数 六 负荷系数负荷系数是指平均负荷与最大负荷之比 它反映了负荷的平稳程度 负荷越平稳 则负荷系数越大 教材给出了工业企业和智能建筑的负荷系数供参考 第三节求计算负荷的方法 一 计算负荷的估算法1 单位产品耗电量法若已知某企业的产品和产量 查表可得该产品的单位产品耗电量 和该类工厂的年最大负荷利用小时数Tmax 进而按下式求出企业年电能需要量Wa和计算负荷Pc 2 负荷密度已知建筑面积A m2 并查表得到同类建筑的负荷密度指标 W m2 则计算负荷Pc可按下式求得 二 求计算负荷的方法负荷计算 根据工艺和建筑设计等部门提供的用电设备及其安装容量确定计算负荷的工作 负荷计算的理论依据 相似性原理 即性质相同 功能相近的用电设备组 生产车间或电力用户 其负荷曲线应相似 其负荷曲线的特征参数值 负荷系数 利用系数 需要系数 最大有功负荷利用时数等 应相近 负荷计算方法 需要系数法 形状系数法 附加系数法 二项式法 单台用电设备的计算负荷考虑到设备可能在额定工况下运行 单台用电设备的计算负荷就取设备的安装容量 PN 用电设备的安装容量 kW tan 用电设备铭牌功率因数角的正切值 UN 设备的额定电压 kV Pc 有功计算负荷 kW Qc 无功计算负荷 kvar Sc 视在计算负荷 kVA Ic 计算电流 A 对于单台电动机 对于某些设备 考虑到设备的运行效率 NPN M 电机额定功率 kw N 电机额定负荷下的效率 对于单个白炽灯 单台电热设备 电炉变压器等 设备额定容量就作为计算负荷 对单台反复短时工作制的设备 其设备容量作为计算负荷 不过对于吊车 电焊机 如果FC 100 则应相应地换算为100 时的设备容量 二 用电设备组的负荷计算1 需要系数法适用于用电设备台数较多 设备容量差别不大的场合 计算原则 从负荷末端逐级推向电源端计算 需要系数法计算简单 适用面广 需要系数数据齐全等特点 在用户供电系统设计中应用广泛 尤其适用于变 配 电所的负荷计算 用需要系数法求计算负荷的具体步骤如下 1 在计算范围内 变电所 将用电设备分组 求各设备组额定容量PNi 2 查出各组用电设备相应的需要系数及对应的功率因数 则Pc i Kd iPN iQc i Pc itan iPc PciQc Qci 3 用需要系数法求车间或全厂计算负荷时 应从负荷端逐级算向电源端 而且需要在各级配电点乘以同期系数K 求变电所低压母线上的计算负荷 在配电点应乘以同期系数 其值参考P14表2 4 Sc 2是选择低压变电所变压器T2容量的依据 在初步设计时 变压器的功耗可按下式近似估算 低压变电所高压侧的计算负荷等于低压母线上的计算负荷与变压器T2功率损耗之和 总降变电所低压母线上的计算负荷 通常可忽略高压配电线路上的功率损耗 Sc 1是选择总降变电所主变压器T1容量的依据 总降变电所高压侧 用户供电系统进线端 计算负荷 总降变电所高压侧 用户供电系统进线端 计算负荷是选择进线导线和向电力部们申请用电的依据 a b c d Pci Qci K a K b 车间变电所 总降变电所 2 形状系数法 1 将用电设备分组 求出各用电设备组的总安装容量 2 查出各用电设备组的利用系数及对应的功率因数 计算平均负荷 3 根据负荷的平稳程度 适当选择形状系数Kz的值 一般情况下可取Kz 1 15 按下式估计计算负荷 3 附加系数法1 相同于形状系数法1 2 分组 求Pav 2 求出上述用电设备组的加权利用系数 3 求出上述用电设备组的等效台数neq 4 查曲线Kf f Kx neq 5 利用Pc PM KfPav Qc QM KfQav 求出计算负荷的有功功率及相应的计算负荷的无功功率 三 单相用电设备计算负荷的确定 单相用电设备换算为三相等效设备容量的方法如下 1 单相设备接于相电压时 可将三相线路中单相用电设备容量最大一相的负荷乘以3作为三相等效设备容量 Pn eq 3Pn maxPn eq 三相等效设备容量 kW Pn max 最大负荷相的单相设备容量 kW 2 单相设备接于线电压时 可参考P15式 2 20 及表2 5进行计算 求计算负荷的方法小结 需要系数法 形状系数法 附加系数法 单相负荷换算为三相等效负荷 第四节工厂供电系统功率因数的确定 功率因数反映了用电负荷的性质 1时 用电负荷为纯阻性负荷 仅吸收有功功率 1时 感性 容性负荷 吸收有功功率 吸收无功功率 供配电系统设计规范 的规定 高压供电用户的功率因数应不小于0 9 低压供电用户的功率因数应不小于0 85 1 供电系统设计阶段应用的功率因数 测定Wi 某组用电设备在最大负荷工作班内的有功电能消耗量 Vi 含义同Wi 但为无功电能消耗量 2 多组用电设备或全厂自然功率因数 测定计算自然功率因数正切的均权平均值 初步设计时 可以根据计算负荷按下式计算 补偿前的功率因数 补偿后的功率因数 Pc 工厂的有功计算负荷 kw Qc 工厂的无功计算负荷 kvar n n 年平均有功 无功负荷系数 n值一般取0 7 0 75 n值一般取0 76 0 82QB 无功功率补偿容量 kvar 4 初步设计时 确定补偿容量 QB Pav tan 1 tan 2 QB Pc tan 1 tan 2 1 2 补偿前后功率因数角 考虑到提高自然功率因数的可能 使补偿装置容量能够减少的系数0 8 0 9 Pav 设计时求得的平均负荷 kw Pc 设计时求得的计算负荷 kw 第五节供电系统功率因数的改善 提高 一 工厂供电系统中常用的功率因数 功率因数反映了用电负荷的性质 供配电系统设计规范 的规定 高压供电用户的功率因数应不小于0 9 低压供电用户的功率因数应不小于0 85 按照无功补偿前后划分 功率因数分为自然功率因数和总功率因数 按照功率因数的测算方法来分 有瞬时功率因数和平均功率因数 瞬时功率因数某一工频周期的功率因数 即 P 功率表的读数 kw U 电压表的读数 kv I 电流表朗读数 A 2 平均功率因数一段时间内功率因数的平均值 对于已经运行的用户负荷 一般是通过测定用户在一段时间内的有功电能和无功电能由下式计算 式中W 用电设备组在计量时段内的有功电能消耗量 V 用电设备组在计量时段内的无功电能消耗量 3 自然功率因数凡未装设人工补偿装置时的功率因数称为自然功率因数 自然功率因数有瞬时值和平均值两种 4 总功率因数设置人工补偿装置后的功率因数称总功率因数 有瞬时值和平均值 二 功率因数对供电系统的影响有功恒定 无功增大 功率因数降低1 系统中输送的总电流增加 2 设备及供电线路的有功功率损耗增大 3 供电系统中的电压损失增加 使得调压困难 4 无功电流增大对发电设备的影响 三 提高功率因数的方法1 提高自然功率因数不添置任何补偿设备 采取措施减少供电系统中无功功率的需要量 不需要增加投资 是最经济的提高功率因数的方法 合理选择感应电动机的容量 2 合理安排工艺减少电动机的空载或轻载运行 3 保证电动机的检修质量 4 合理选择变压器的容量 2 功率因数的人工补偿补偿容量的确定 Wm max 最大负荷月的有功电能消耗量 kw h tm gz 最大负荷月的工作小时数 h tan 1 自然加权平均功率因数的正切值 tan 2 供电局规定功率因数提高值的正切 补偿容量的确定 在新建用户的设计阶段 无功功率补偿前的自然平均功率因数可按下式确定 式中Pc 用电设备或用电设备组的有功计算负荷 Qc 用电设备或用电设备组的无功计算负荷 用电设备组的有功负荷系数 用电设备组的无功负荷系数 采用固定补偿装置 无功补偿容量可按下式确定 采用分组自动投切的补偿装置时 补偿容量可确定为 补偿后的总功率因数为 补偿容量的确定 补偿后计算负荷的计算 3 确定电容器的个数 补偿后总的无功计算负荷为 补偿后的视在计算负荷为 2 补偿装置的选择静电电容器 国产的BW系列 电容补偿屏 PGJ系列 电容补偿柜 KGRZ PGJ系列静电电容补偿屏 用于工矿企业变电所和车间的交流50Hz 电压380V及以下 主变压器容量10000KVA及以下三相电力系统中 它自动改善电网的功率因数 PGJ系列补偿屏可与PGL系列低压配电屏配套使用 也可以单独使用 屏内装设无功功率自动补偿控制器一台 采用循环投切的方式进行工作 并根据电网感性无功功率的多少 以10 20s可调的时间间隔 自动投切并联电容器 使电网的无功消耗保持在最低状态 从而提高电网电压质量 减少输配电系统和变压器的损耗 KGRZ系列高压电容补偿柜 适用于交流 50Hz 电压3 6 10kV网络中 设置接地 过压 过流保护 有效保护电容器组正常运行 技术特点 1 机旁和集中控制方式 2 对电容器组采用接地 过压 过流的保护方式 当出现其中任一故障时真空接触器跳闸 切断电容器组 信号继电器掉牌指示 铃声报警 并输出集中控制信号 3 采用避雷器保护 使电容器组免受大气过电压的损坏 4 切除电容器组后 采用电压互感器放电或电压互感器与电容器内置电阻共同放电 可使电容器组的剩余电压迅速降为75V以下 静电电容器特点 1 适应温度周围空气极限温度 40 40 2 电网电压 电压升高 有功功率损失增加 致使电介质击穿 电压降低 电容器的输出功率下降 使电网所需无功功率加大 进一步使电压质量变坏 3 电压的频率对静电电容器的输出影响 频率高输出变大 频率低输出变小 4 安全 电容器要求断开后能自行放电 放电的方法 并联电阻 数值应使其在正常运行时功率损耗很小 利用白炽灯放电 6只220v 15 25w白炽灯泡联结成星形 电压互感器作为放电电阻 高压电容器 电动机作为放电电阻 电容器与电动机直接连接 5 补偿电容器的容抗与供电系统阻抗的配合应用传统的 以正弦电流与电压为理论基础的无功功率补偿概念 已不能完全满足选择补偿装置的要求 静电电容器能改变系统的频率特性 可能在1000Hz以下的频率范围内发生谐振 损坏电容器 3 静电电容器的补偿方式及安装位置 个别补偿 就地补偿 分组补偿 分组集中补偿 集中补偿 个别补偿 就地补偿 图a 分组补偿 分组集中补偿 图b 集中补偿 图c d e 4 补偿电容器的接线和功率调节单相电容器的额定电压与电网额定电压相同时 电容器按 联结 电容器的额定电压低于电网额定电压 电容器按Y联结 将同样的电容器按 联结时其补偿容量是Y联结时的3倍 4 补偿电容器的接线和功率调节电容器投入 电容器运行中 一组电容器工作 另一组电容器投入 要注意防止暂态过程中的冲击电流 容量愈大 冲击电流也愈大 电容器切断 两组并联工作的静电电容器组 当断开其中一组 如果感抗较小 会在电容器组端点上产生2 5倍以上相电压幅值的过电压 改善的方法 在电容器组的回路中采用附加电阻和感抗的措施 以减少冲击电流和过电压 4 补偿电容器的接线和功率调节调节特性 阶梯形 投切并不频繁 对投切时间长短的要求也不严格 补偿功率的调节方式 手动 自动 根据变电站综合自动化系统的控制方式进行调节 供电系统负荷计算示例某用户供电系统结构和负荷数据如图所示 按照需要系数法 各级负荷计算如下 负荷计算示例图 1 用电设备组的负荷计算通风机PN 29kW 查表得Kd 0 85和tg 0 75 则 高频加热设备 PN 80kW 查表得Kd 0 6和tg 1 02 则 机加工车间冷加工机床 PN 50kW 查表Kd 0 16tan 1 73 热加工机床 PN 92kW 查表Kd 0 25tan 1 33 于是 点焊机PN 90kW 查表得Kd 0 35和tan 1 33 于是 2 1 变电所低压侧计算负荷取1 变电所各组负荷的同期系数为 K 0 90 于是 3 低压集中补偿容量的计算采用电容器分组自动投切的低压集中补偿方式 设补偿后功率因数为cos 0 93 则 补偿后变压器低压侧计算负荷为 108kW j30kvar Sc 112kVA 4 变电所高压侧计算负荷1 变电所变压器损耗按下式估算 则1 变电所高压侧计算负荷为 5 全厂总计算负荷取全厂负荷的同期系数为 K 0 90 于是 第二节供电电压与电源的选择 图2 7用户供电系统结构框图1 总降压变电所2 配电所3 10 6 kV变电所4 高压用电设备 供电系统的设计主要应解决好如下的问题 1 电力负荷及其计算 2 电压的选择 3 变电所的设置和布局 变压器数量和容量的确定 4 变电所接线方式及高低压配电网的配电方式 5 高低压配电网的结构 6 供电系统的电能节约与电能质量控制 线路电压损失是影响用户供电系统电压质量的主要因素 供电电压的选择主要取决于负荷大小 供电距离和用电设备特性 用户所在地区供电条件也会制约电压的选择一 线路电压损失由于线路存在阻抗 当输送一定负荷时 线路首末端将存在电压之差 线路首末端电压的相量差称为线路中的电压降 线路首末端电压的幅值差称为线路中的电压损失 下图a所示为末端有一集中负荷的线路AB 以末端相电压为基准 作出一相的电压相量图如图b所示 根据定义 线路AB的电压降为 对于用户供电系统 由于线路首末端电压相角差小 在讨论电压对用户电气设备的实际影响时 往往只考虑电压幅值的大小 根据定义 线路AB的电压损失为 由于用户供电系统内输电线路首末端电压相角差较小 电压损失 即为电压降的模 近似等于电压降的实部 即 电压损失常用电压损失实际值对电网额定电压的百分数来表示 由于用户供电系统输电距离短 可以认为UB UN 则有 电压损失的计算 或 线路首末端总电压损失计算如下 如果各段导线的截面是相同的 则 式中r0 x0 分别是导线的单位长度电阻和电抗值 上式说明 输送功率与输送距离的乘积决定着线路上的电压损失 常称其为负荷距 它是判断电压质量的重要技术指标 二 电压与负荷容量和输送距离的关系受导线截面的限制和线路电压损失的要求 每一标称电压下线路的输电能力是有限的 线路电压损失一般应不大于5 在不同电压下线路的输送容量和输送距离请参考P21表2 6 1 对一定截面的导线 设在满足经济性条件下其可承载的最大电流为Imax 则其可输送的最大功率为 对截面为240mm2的铝心架空线而言 在满足经济性条件下其可承载的最大电流约为2l6A 设负荷功率因数cos 0 8 则在10kV电压下可输送的最大功率为 2993kW 2 按线路电压损失要求 一般不应大干5 在额定电压下 对某一截面导线的负荷矩限制如下 对截面为240mm2的铝心架空线 线间几何均距为1m 设负荷功率因数cos 0 8 则在10kV电压下的最大负荷距要求为 最大负荷下的传输距离为 三 电压的选择用户供电系统的电压等级应符合电力系统的额定电压 1 供电电压的选择2 高压配电电压的选择3 低压配电电压的选择 四 电源的选择供电电源应满足用电负荷的对供电可靠性的要求 可靠性即根据用电负荷的性质和突然中断其供电在政治或经济上造成损失或影响的程度对用电设备提出的不允许中断供电的要求 1 负荷等级按照用电负荷对供电可靠性的要求 即中断供电对人身生命 生产安全造成的危害及对经济影响的程度 用电负荷分为下列三级 一级负荷 关键负荷 二级负荷 重要负荷 三级负荷 一般负荷 2 电源及其选择电力用户可由多种电源供电 以满足不同设备对电力和供电可靠性的需要 各级用电负荷的供电电源和供电方式 应根据负荷对供电可靠性的要求和地区供电条件 按下列原则确定 一级负荷应由两个独立电源供电 有特殊要求的一级负荷 两个独立电源应来自两个不同的地点 二级负荷应由两回线路供电 当一回线路故障时 通过在配电装置内切换 不影响另一回线路供电 三级负荷对供电方式无特殊要求 在不增加投资或经济允许的情况下 也应尽量提高供电可靠性 第三节用户变电所 图2 7用户供电系统结构框图1 总降压变电所2 配电所3 10 6 kV变电所4 高压用电设备 用户变电所是用户供电系统的主要组成部分 其作用是向用户分配电能并进行控制 一 变 配 电所的作用与组成 降压变压器是用户变电所的最重要的设备 高低压开关 供配电线路和测量保护设备等是变电所中的主要电气设备 实现着电能的控制与分配和供电系统的监视与保护 用户变 配 电所设计的基本要求 安全 可靠 合理 经济 二 变电所的设置1 总降压变电所或总配电所当用户供电电压为35kV及以上时 一般应考虑设置总降压变电所 总降压变电所可以设置1 2台总降压变压器 2 10 6 kV变电所 低压变电所 10 6 kV变电所数量 容量以及位置的设置主要取决于车间 或小区 负荷的大小 负荷分布之间的距离 各生产车间之间工艺联动要求以及经济效果 10 6 kV变电所一般设置1 2台变压器 三 变电所位置的确定1 总降压变电所或总配电所总降压变电所的位置应量靠近负荷中心 总配变电所的位置应量靠近电源的进线端 减少有色金属耗量和线路功率及电能损耗 还应考虑变电所周围的环境 进出线的方便和变电所电气设备运输的方便 方法 在确定负荷中心时 通常画出负荷指示图 如下图 大致确定负荷中心 图2 8负荷指示图注 1 圆中带斜线者为动力负荷 不带斜线者为照明负荷2 分线值为示例 分子为动力负荷 分母为照明负荷 方法 2 通过计算求取确定负荷中心坐标 图2 9 按有色金属消耗量最少的条件求取 按功率损耗最小的条件求取 或按照以上两个条件求取 图2 9负荷分布示意图 2 10 6 kV变电所10 6 kV 低压 变电所的位置应量靠近负荷中心 一般10 6 kV变电所类型主要有 独立变电所附设变电所 图2 10 箱式变电所地下变电所 干式变压器 油浸变压器 四 变压器的选择为了降低电能损耗 变压器应首选低损耗节能型 当用户内配电电压偏差不能满足要求时 总降压变压器可选用有载调压变压器 1 变压器的过负荷能力变压器的负荷能力 额定容量 变压器的绕组绝缘在长期使用后 虽然电气强度没有显著变化 但机械强度却逐渐降低 绕组工作温度越高 绝缘的机械强度与电气强度的损伤老化越剧烈 试验表明 当变压器绕组工作温度为950C时 变压器的工作年限为20年 当变压器绕组工作温度为1450C时 变压器的工作年限为三个月 目前我国变压器的设计 制造是以在规定的环境温度条件下 运行时周围最高空气温度400C 最高日平均气温300C 正常使用年限20年左右为依据的 实际运行 负荷变化 运行环境温度达不到设计规定的条件 设计时容量选择一般均有余量 变压器的正常过负荷能力 根据变压器设计标准和实际运行情况 变压器是具有过负荷潜能的 变压器的过负荷分为正常过负荷和事故过负荷两种 依变压器日负荷的不足 决定的过负荷能力 填充系数 Sav Smax 依据变压器夏季的欠负荷决定冬季的过负荷 如果夏季变压器的最大负荷比变压器的额定容量小p 则冬季允许变压器过负荷p 但最大过负荷量不得超过15 上述两种情况可以综合相加使用 但总的过负荷 户外自然循环油冷变压器 30 SNT 户内变压器 20 SNT 事故急救过负荷 变压器的故障过负荷能力 2 变压器的经济运行变电所的经济运行主要取决于变压器的经济运行 所谓变压器的运行是经济的 是指变压器在运行中传输单位kVA所消耗的有功功率损耗最小 单台变压器的经济运行与变压器的负荷率有关 通常 单台变压器经济运行的负荷率约在70 左右 对于多台 一般为两台 并列运行的变压器也存在经济运行的问题 随着负荷的变化 可以改变运行变压器的台数 以便在不同的负荷区间 总损耗最小 3 变压器数量和容量的选择 1 变压器台数的选择变电所中变压器的台数通常为 1 2 台 2 变压器容量的选择单台变压器的额定容量SNT与计算负荷SC的关系应满足 两台并列运行的变压器则应满足 还应考虑 为适应用户发展和调整的需要 变压器容量应留有15 25 的裕量 满足变压器经济运行条件 两台并列运行的变压器备用方式 一般设有两台变压器的变电所 通常选用两台等容量的变压器 每一台变压器的容量选择根据备用方式而定 明备用一台变压器工作 一台备用 两台变压器均按最大负荷时变压器负荷率为100 考虑 暗备用两台变压器同时运行 正常情况下每台承担全部负荷的50 每台变压器的容量宜按全部最大负荷的70 选择 五 变电所的主要电气设备一次设备 变压器 开关元件 母线 互感器等 二次设备 开关的操作控制 继电保护 测量仪表 信号系统以及通信系统等 变电所主要的一次设备简介 高压断路器正常用来通断负荷电流 线路故障时 在保护装置的作用下用来切断巨大的短路电流 断路器具有良好的灭弧装置和较强的灭弧能力 QF 油断路器 真空断路器 SF6断路器等 附录15 高压断路器技术数据 330KVSF6罐式断路器 负荷开关正常用来通断负荷电流 但不能用来切断线路短路电流 负荷开关只有简易的灭弧装置 必须与高压熔断器配合使用 利用高压熔断器切断短路故障电流 QL 附录16 高压负荷开关技术数据 FN3 12户内负荷开关 适用于交流50Hz 6kV或12kV的网络中 作为开断和闭合负荷电流之用 可用作开断和闭合空载长线 空载变压器及电容器之开关 带有RN3型熔断型的负荷开关可切断短路 作短路保护之用 隔离开关隔离开关没有灭弧装置 仅当电气设备停电检修时 用来隔离电源 以保证检修人员的工作安全 QS 在6 10kv变配电所中 设计规范允许采用隔离开关作为下列设备和线路的正常通断操作开关 电压互感器和避雷器 励磁电流不超过2A的空载变压器电容电流不超过5A的空载线路 感性负荷电流不超过5A的用电设备 如所用变压器等 母线是电源进线到各条馈出线路之间的电气主干线 其作用从电源接收电能和给各馈出线分配电能 熔断器用于切断强大的短路故障电流 FU 附录17 高压熔断器技术数据 避雷器用来抑制架空线路和配电母线上的雷电过电压和操作过电压 以保护电气设备 F 附录18 避雷器技术数据 静电电容器主要用于补偿无功功率 所用变压器主要向变电所内部的动力负荷 照明负荷 继电保护操作电源等提供电力 C 附录26 静电电容器技术数据 T 电流互感器将主回路中的大电流变换为小电流信号 供计量和继电保护用 电流互感器二次测额定电流通常为5A或1A 使用中二次侧不允许开路 0 2级 0 5级 1级 3级 D级等 TA 附录19 电流互感器技术数据 电压互感器将高电压变换为低电压 供计量和继电保护用 TV 电压互感器常用的三种接线方式 两个单相电压互感器联结成V V形 或称开口三角形联结法 常用于中性点不接地系统中 可以测量三相相间电压 也可接电度表或功率表 2 三相三芯式的Y Y0联结法 可测量三相相间电压 也可接电度表和功率表 但不能测量相对地电压 3 三相五芯三绕组电压互感器的Y0 Y0 联结法 二次侧Y0联结法可用来测量线电压 相电压及接电度表和功率表 二次辅助线圈联结成开口三角形 用来测量电路对地绝缘 即测量零序电压值 附录20 电压互感器技术数据 两个单相电压互感器的V V联结法 常用于中性点不接地系统中 可测量三相相间电压 也可接电度表或功率表 b 三相三芯式电压互感器的Y Y0结法 可测量线电压 但不能测量相电压 也可接电度表和功率表 c 三相五芯式电压互感器联结成Y0 Y0 可测量线 相电压 也可接电度表和功率表 还可监测系统对地绝缘 第四节变电所的电气主接线 一 电气主接线及其要求变电所的电气主接线表示电能从电源分配给用电设备的路径 相应的一次电气设备及其联接关系 单线图基本要求安全 可靠 灵活 经济 考虑未来的发展 二 母线制母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式 常用的母线制有 单母线制 单母线分段制 双母线制 双母线分段制双母线加旁路母线制 1 单母线制单母线制如图所示 用于只有一回进线的情况 单母线制的可靠性和灵活性都较低 母线或直接连接于母线上的任一开关发生故障或检修时 全部负荷都将中断供电 单母线制 2 单母线分段制单母线分段制在可靠性和灵活性方面较单母线制有所提高 但缺点是 某分段上的母线或母线隔离开关发生故障或检修时 该段母线的负荷将中断供电 而电源只能通过一回进线供电 供电功率较低 单母线分段制a 用隔离开关分段b 用断路器分段 3 双母线制双母线制的优点有 轮流检修母线或母线隔离开关 不致引起供电中断 在工作母线发生故障时 备用母线能迅速恢复供电 缺点有 开关数目增多 联锁机构复杂 切换操作繁琐 造价高 对用户供电系统不推荐采用双母线制 双母线制 三 总降压变电所的主接线 线路 变压器组接线方式 1 线路 变压器组接线图示为线路 变压器组的几种典型接线方式 其共同特点是一回电源进线经过一台主降压变压器供电到用户内的配电母线上 线路 变压器组方式 桥形接线方式 RW5 35系列户外高压跌落式熔断器 当用户有两回电源进线时 可采用双回线路 变压器组接线配以单母线分段制 用于对一 二级负荷供电 如图所示 如继电保护和自动装置无要求 母线分段开关可仅设隔离开关 双回线路 变压器组接线方式 2 桥形接线桥形接线分为内桥和外桥两种 其共同特点是在两台变压器一次侧进线处用一桥臂将两回线路相连 桥臂连在进线断路器之内称内桥 连在进线断路器之外称外桥 两种桥形接线都能实现线路和变压器的充分利用 桥形接线可用于给一 二级负荷供电 b 外桥接线 a 内桥接线 四 10 6 kV配电所的主接线1 电源进线方式电源进线的常用接线方式如图 图a适用于外来电源进线或引自总降压变压器的二次侧 用于需带负荷操作或继电保护和自动装置有要求的情况 图b仅设一个隔离开关 适用于专线供电 且继电保护和自动装置无要求的情况 配电所10 6 kV电源进线的接线方式 2 10 6 kV馈出线馈出线的常用接线方式如图所示 配电所10 6 kV馈出线的接线方式 五 10 6 kV变电所的主接线10 6 kV变电所供电线路常采用电缆 典型的主接线如图所示 图a在变压器高压侧不设开关 变压器的操作和保护在总降压变电所或总配电所馈出线处实现 当需要在车间变电所操作空载变压器时 可选用图b或图c所示方案 其中 图b适用于变压器容量不大于630kVA的变电所 由电缆供电的10 6 kV变电所典型主接线 10 6 kV变电所由架空线供电时 其典型方案如图所示 通常 跌落式熔断器安装在变压器室外墙上或架空线终端杆上 由架空线供电的10 6 kV变电所典型主接线 10 6 kV变电所低压馈出线的接线方式如图 图a b c适用于对非频繁操作的线路 动力设备和照明配电箱配电 图d e f用于对由交流接触器操作的电动机 要求频繁操作的用电设备等配电 变电所低压馈出线的典型接线方式 六 变电所主接线的绘制变电所主接线中各支路的开关设备及其联接关系通常作成标准高压开关柜和低压配电屏以供选用 故而主接线图的绘制应与柜 屏的实际布局相对应 绘制变电所主接线图时 所有电气设备均表示处于不带电状态 变电所主接线图应说明 电源电压 电源进线回路数和线路结构 变电所的接线方式和运行方式 高压开关柜和低压配电屏的类型和电路方案 高低压电气设备的型号及规格 各条馈出线的回路编号 名称及容量等 某35kV变电所系统主接线图 10kV变电所低压配电系统图 第五节变电所的二次接线 变电所设有大量二次设备 实现电能的监测与控制 供电系统的监视与保护等 根据测量 控制 保护和信号显示的要求 表示二次设备互连关系的电路称二次接线或二次回路 变电所二次系统与一次系统的关系如图所示 变电所二次系统与一次系统的关系 一 电气测量仪表及测量回路为保证供电系统一次设备安全 可靠 经济的运行 需要在变电所中装设电气测量仪表 用以监视系统的运行情况 一般测量仪表应满足 1 测量精度应满足测量要求 并不受环境温度 湿度和外磁场等外界条件的影响 2 仪表本身消耗的功率应越小越好 3 仪表应有足够的绝缘强度 耐压和短时过载能力 以保证安全运行 4 应有良好的读数装置 6 10kV高压线路电气测量仪表接线原理图 6 10kV母线的电压测量及绝缘监视接线原理图TV 电压互感器S 联锁开关Q 电压切换开关KV 电压继电器KS 信号继电器 二 断路器的操作控制与信号回路 断路器的控制与信号回路一般分为控制保护回路 合闸回路 事故信号回路和预告信号回路等 LW2 Z型控制开关触点表 断路器的控制与信号回路 控制断路器的分合闸过程 1 手动合闸 2 自动合闸 3 手动跳闸 4 自动跳闸 5 闪光电源装置 6 防跳装置 三 信号装置变电所装设的中央信号装置 主要用来示警和显示电气设备的工作状态 以便运行人员及时采取措施 中央信号装置按形式来分有灯光信号和音响信号 按用途分有事故信号 预告信号和位置信号 事故信号系统故障 保护动作跳闸发出的信号 预告信号系统发生异常 但未中断运行的信号 变压器过负荷 中性点不接地系统的单相绝缘损坏 位置信号电气设备的工作状态信号 断路器的分合闸位置 有载调压变压器分接头位置等 变电所的控制 信号 保护及自动装置以及其他二次回路的工作电源称为操作电源 为了保证供电系统的安全可靠运行 操作电源应满足如下基本要求 1 正常情况下 提供信号 保护 自动装置 断路器跳合闸以及其他二次设备的操作控制电源 2 在事故状态下 当电网电压下降甚至消失时 应能提供继电保护跳闸和应急照明电源 避免事故扩大 四 操作电源 变电所中的操作电源有直流电源和交流电源两种 重要用户或变压器总容量超过5000kVA的变电所 宜选用直流操作电源 小型配电所中断路器采用弹簧储能合闸和去分流跳闸的全交流操作方式时 宜选用交流操作电源 单母线直流系统接线图 直流操作电源用户变电所的直流操作电源多采用单母线接线式 并设有一组储能蓄电池 如图所示 交流电源正常时 整流装置通过直流母线向直流负荷供电 同时向蓄电池浮充电 当交流电源故障消失时 蓄电池通过直流母线向直流负荷供电 直流系统整流设备的交流电源来自于变电所所用变压器 根据对操作电源的可靠性要求和是否采用蓄电池电源 所用变压器可接于不同的位置 如图所示 所用变压器的接线方式 交流操作电源下断路器保护跳闸原理接线图a 直接动作方式b 跳闸线圈去分流方式c 中间继电器去分流方式 交流操作电源比直流操作电源更简单 保护跳闸可以采用直接动作式继电器或跳闸线圈去分流的方式 交流操作电源 交流操作电源交流操作电源从所用变压器 电压互感器或电流互感器获取 所用变压器 电压互感器交流电压型操作电源提供给 信号 控制 断路器的合闸回路 断路器分励脱扣器线圈跳闸回路 电流互感器交流电流型操作电源提供给 断路器电流脱扣器线圈跳闸回路 由于交流操作电源取自于供电系统电压 系统故障 则操作电源消失 故可靠性较低 增设UPS可提高可靠性 第六节高低压配电网 一 配电网的接线方式用户供电系统的配电网主要是10 6 kV高压配电网和380V低压配电网 典型配电方式分为放射式 树干式和环式 1 放射式 a 单回路放射式 b 双回路放射式 c 带有公共备用线路的放射式 2 树干式 优点 变配电所的馈出线回路数少 投资小 结构简单 缺点 可靠性差 线路故障影响范围大 单树干式接线图a 架空线b 电缆 为满足二级负荷的供电要求 可采用图示的双回路树干式 若低压系统加装自动切换的备用联络线 还可提高供电可靠性 双回路树干式接线图 3 环式若将两条树干式配电线路在末端用开关连接起来 就构成环式接线 如图所示 环式接线的供电可靠性较高 运行方式灵活 可用于对二 三级负荷供电 环式接线图 环式配电系统保护装置及整定配合较复杂一般采用开环运行 4 低压配电系统的接线方式 放射式 树干式和链式等 放射式配电适宜对容量较大 负荷性质重要或环境恶劣的车间的用电设备 树干式配电应用于正常环境下 大部分用电设备容量较小又无特殊要求的时候 采用链式配电应用于对某些距供电点较远 彼此相距又很近 容量也很小的次要用电设备 图2 38低压配电系统的接线方式a 放射式配电系统b 树干式配电系统c 链式配电系统 低压配电系统设计中应遵循以下基本原则 低压配电系统应满足用电设备对供电可靠性和电能质量的要求 注意简化接线 操作安全方便 并能适应生产和使用上的变化及设备检修的需要 合理选择配电方式 对于平行的生产流水线上或互为备用的用电设备组 宜由不同的配电母线或线路配电 但对于同一生产线上的用电设备 宜由同一母线或线路配电 对于单相用电设备 应尽量平衡地分配于三相中 为减小干扰 对冲击性负荷宜采用放射式单独配电 二 配电网的结构用户供电系统高低压配电网的结构是架空线和电缆 架空线的主要特点 设备简单 造价低 利用空气绝缘 建造比较容易 故障时易于发现 检修和维护 需占一定的空间 线路纵横交错 占地较大 影响厂区环境美化电缆线路的主要特点 敷设方式相对复杂 造价高 故障时较难寻找故障点 修复工作量大 但埋于地下 不占地面上的空间 易于厂区环境美化 按照供电电压和用户的重要程度 架空线路可分为三级 架空线路的等级 允许的导线最小截面积或直径 导线材料 铜 铜锡合金 青铜 铝 铝合金及钢 铜 导电性能好 抗腐蚀能力强 容易焊接 但因铜价格高 因此在架空线上除了腐蚀性特别严重的地区 一般都不采用铜导线 代号为T 铜绞线的代号为TJ 铝 导电性能比铜差 为保持同样大小的功率损耗 铝线的截面应当是铜线的 1 6 1 65 倍 机械强度低 允许应力小 铝线不耐受碱性和酸性物质的侵蚀 代号为L 铝绞线的代号为LJ 钢芯铝线 为了加强铝线的机械强度 采用多股线绞成 用抗张强度为1200N mm2的钢作为线芯 把铝线绞在芯子外面 作为导线的导电部分 钢的代号为G 钢心铝绞线为LG 根据铝的截面积AL AG钢的截面积比例AL AG 钢心铝绞线分为三类 LG 35kV以上架空线 LGJ 跨越需要高机械强度 LGQ 导线截面大 有足够机械强度 钢心截面小 电缆线路的主要特点 敷设方式相对复杂 造价高 故障时较难寻找故障点 修复工作量大 但埋于地下 不占地面上的空间 易于厂区环境美化 电缆的导电部分和绝缘部分都在一个整体中 所以电缆线路的结构问题实际上就是电缆的敷设方法 电缆户外敷设有三种类型 直接埋地敷设在混凝土管中敷设在电缆沟中 电缆敷设在混凝土管中 电缆敷设在电缆沟中a 户内b 户外c 厂区1 盖板2 电缆支架3 预埋铁件 电缆直接埋地 车间内线路敷设 三 供电线路的电阻和电抗 1 电阻 2 电抗导线电抗与导线的几何尺寸 三相导线的排列方法及相间距离有关 Dav 三相导线的几何均距 r 材料的相对导磁率 有色金属 r 1 在三相电缆中 由于相间距离小 其电抗值远比架空线小 导线的电阻随着截面的增大而显著降低 但电抗值随导线截面积的变化并不显著 在工程设计计算中 一般架空线路x0 0 35 0 4 km电缆线路x0 0 08 km 四 导线截面的选择从导线本身安全的角度出发 导线截面的选择应满足下列要求 导线的机械强度要求 导线的允许最高温度要求 允许载流量 线路允许的电压损失要求 线路运行的经济性 架空导线截面的选择 不同等级的架空线路 应满足最小截面的约束要