电气电子毕业设计218小型冶金实验工厂供电系统设计
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1 工厂供电课程设计 报告 设计题目： 小型冶金实验工厂供电系统设计 所在学院： 信息科学与工程学院 专业班级： 自动化 000000000 班 学生姓名： 000000000000000000 学生学号： 000000000000000000 指导老师： 000000000000000000 完成日期： 2007 年 9 月 3 日 nts 2 目 录 前言 . 1 一 负荷计算和无功功率计算和补偿 . 3 1.1 负荷计算 . 3 1.2 无功功率补偿 . 4 二 选择 变电所 主 变压器 台数、容量类型 . 5 2.1 主变压器台数的选择 . 5 2.2 变电所主变压器容量的选择 . 5 三 高、低压电力网 导线 型号及截面 的选择 . 6 3.1 高压电力网导线型号及截面选择 . 7 3.2 10KV 进厂开关站的母线选择 . 8 3.3 各车间进线的截面面积 . 8 四 互感器的选择 . 8 4.1 电压互感器选择 . 9 4.2 电流互感器选择 . 9 五 短路电流计算 . 9 六 主接线方案的选择 . 11 七 一次元件的选择和校验 . 13 八 设计总结 . 14 附表 . 15 参考文献 . 18 附图 . 19 nts 3 前 言 本设计是工厂供电课程一个重要的实践性教学环节。通过该课程设计可以巩固本课程理论知识，了解变电所设计的基本方法和变电所电能分配的各种实际问题，从而培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对电力工业的有关政策、方针、技术规程有一定的了解，在计算绘图、编号、设计说明书等方面得到训练。 工厂供电系统设计包括 全厂总降压变电所及配电系统设计， 它 是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠，经 济的分配电能 问题 。基本内容有 ：负荷计算和无功功率计算和补偿；高、低电力网的导线型号及截面选择；变电所主变压器台数、容量类型；变电所主接线方案的设计；短路电流的计算；变电所一次设备的选择和校验；变电所高、低压线路的选择、变电所二次回路方案选择及继电保护的整定；防雷和接地装置的确定以及低压干线、支线上的熔丝及型号。 工厂供电工作要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 安全、可靠、优质和经济这四个 基本要求 。它的设计还要 遵 循以下原则 ： 遵守规程、执行政策；安全可靠、先进合理；近期为主、考虑发展；全局出发、统筹兼顾。 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。 设计题目为 某小型冶金实验工厂供电系统设计 ，要根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并按照安全可靠，技术先进，经济合理的要求，确定变电所的位置与形式，确定主变电所的台数，分厂变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案及高低压设备和进出线。最后按要求写出设计说明书，绘制设计图样。具 体内容主要有以nts 4 下几点： 1、按照工艺、公用设计所提供的资料，计算该厂高低压侧的计算负荷以及确定为提高功率因数所需的补偿容量； 2、根据车间环境及计算负荷数字，选择变压器的台数和容量； 3、选择和确定小型冶金实验工厂供电系统（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、选择高压电气设备及配电网路载流导体的截面，必要时，并需进行短路条件下动稳定及热稳定的校验； 5、选择高低压供电系统的一次元件（包括校验）。 2007-9-3 nts 5 一、负荷计算和无功功率计算和补偿 1.1 负荷计算 全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。 计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性 的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用 30 分钟的最大平均负荷作为按发热条件选 择电器或导体的依据。 负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。本设计采用需要系数法确定。 本厂既有三相动力负荷又有单相照明负荷，但由于单相设备的设备功率小于计算范围内三相负荷设备功率的 15%，按三相平衡负荷计算，不必换算。 主要计算公式有： 有功功率： Ndc PKP 无功功率 ： tancc PQ 视在功率 ： cos/cc PS 计算电流 ： Ncc USI 3/ 各用电车间负荷计算 原始图 表如表 1 示。 各用电车间负荷计算结果如下表 2 所示。 根据表 2 可算出： nts 6 KWPci 8.820 var91.577 KQ ci K V AQPS cicici 8.100391.5778.820)()( 2222 KAUSI Ncici 53.13/ 817.08.1003/8.820/c o s cici SP 全厂计算负荷如下，这里取 90.0. pK， 95.0. qK，则： KWKWPKP cipc 72.7388.820*90.0 v a r5 4 991.5 7 7*95.0 KKWQKQ ciqc K V AQPS ccc 38.92054972.738 2222 kAUSI Ncc 398.13/ 80.038.9 2 0/72.7 3 8/c o s cc SP 1.2 功率补偿 由于本设计中要求 COS0.85,而由上面计算可知 COS=0.800.85，因此需要进行无功补偿。综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。可选用 BWF6.3-100-1W 型的电容器，其额定电容为 2.89F Qc = 738.72（ tan（ arc cos0.80） tan（ arc cos0.9） ） Kvar =196.26Kvar 取 Qc=200 Kvar 因此，其电容器的个数为： n = Qc/qC = 200/100 =2 而由于电容器是单相的，所以应为 3 的倍数，取 3 个正好 无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为： kWPc 72.738 K v aQ c 349200549 nts 7 k V AS c 817)200549(72.738 22 kAUSI Ncc 24.13/ 变压器的功率损耗为： kWk V ASP NTT 34.16817*02.002.0 k V Ak V ASQ NTT 53.73817*09.009.0 变电所高压侧计算负荷为： kWP c 34.9 0 334.768 1 7 K v aQ c 53.42253.73200549 k V AQPS ccc 27.94322 kAUSI Ncc 43.13/ 无功率补偿后，工厂的功率因数为： 95.096.027.943/34.903/c o s cc SP 符合设计要求。 二 、 选择 变电所主 变压器 台数、容量类型 2.1 主变压器台数的选择 由于该厂的负荷 有 二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，采用两 台 变压器 互为备用 ， 正常情况下两台变压器一起向负荷供电。 当一台变压器发 生故障 或 检修时，另一台变压器能对二 、三 级负荷 持 续供电。 2.2 变电所主变压器容量的选择 装设两台主变压器的变电所， 最大负荷达到 90%。考虑工厂的扩建发 展，留 50%的裕量，即 kVAS MAX 142 0 ，选择每台容量为 1600kVA 的10/12507 SL 型变压器，校验其填充系数 。 nts 8 当一台变压器故障时： 79.01250*4.1 14204.1.TNavSS满足要求 在有事故的情况下，过负荷为 %6.13%1 0 01 2 5 01 2 5 01 4 2 0 完全满足备用 两台变压器正常并联工作 %7.56%1001250 21420 符合经济运行规律 因此选 1250 KVA 的变压器二台 。 三 、高、低压电力网 导线 型号及截面 的选择 为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行导线和电缆截面时 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，不应超过其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 nts 9 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。对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。 根据设计经验，一般 10KV 及以下高 压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。低压照明线路，因其对电压水平要求较高，因此通常先按允许电压损耗进行选择，再校验发热条件和机械强度。对长距离 、 大电流及 35KV 以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。架空进线的选择按发热条件选择导线截面 。 按发热条件选择三相线路中的相线截面 A时，应使其允许载流量alI不小于通过相线的计算电流cI，即：al cII。另外导体允许的载流量与环境温度有关，环境温度不同时，则导体的允许载流量就乘以温度校正系数 K， al oal oK ， Ial = I al 1212 式中 Ial 在介质温度为 1时，电缆允许通过的电流； Ial 手册查出的，相对应 1的允许的电流； 2 不同电压等级电缆的最高允许温度。 3.1 高压电力网导线型号及截面选择 选择架空线，根据原始资料中给出的最热月平均最高温度为 。C35 ，查表铝芯纸绝缘电缆敷设在空气中的长期允许电流表，得 602 ， 351 ，251 ， al oal oK =0.85，比如变压器 1 到开关站母线之间这段导线的选择方法如下： ）（ 130I =15.3，选择截面 16mm 的导线， Ial=60，根据nts 10 Ial = I al 1212 =51A 15.3，所以满足要求。当计算出短路电流时还要进行热稳定校验，这部分内容放到短路电流计算之后介绍。根据以上方法选择出的都是按发热选择出的导线，所 有结果如表 3 所示 。 因为高压侧电流较小，查表 10KV 所对应导线截面最小为 16mm，允许的电流为 60A，乘以温度校验系数后为 51A，都大于高压侧的最大电流，所以都选择 16mm，满足要求。 3.2 10KV 进厂开关站的母线选择 根据补偿后总的容量 30S= 2230 )( Bc QQP =796.7Kvar，可得 I=46A， 查 LMY 型涂漆硬铝母线的主要技术数据表，选择 LMY 3（ 253）。 3.3 各车间进线的截面面积 该段进线主要是车间变压器 到各个车间的主线，在此采用铝芯电缆架设， 根据以上条件可以用发热条件来选择导线截面。 这里利用发热条件来选择导 线截面，根据 气象资料显示最热月平均最高温度 35oC ，即公式中的环境温度 35oo C ，可得 8 0 3 5 0 . 8 28 0 2 5a l oa l oK ， /al cI I K可以直接对 25 度查表 从而得到 铝芯 截面 ， 如表 4 所示。 四 电流互感器，电压互感器的选择 互感器主要的功能有： 1、 用 来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘 ； 2、 用来扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围。 在设计中主要考虑主线路上重要电压电流的测量，及掌握电能的运转情nts 11 况，因此需加入互感器对其进行测量，如变压器的高低压两侧就需加互感器。 4.1 电压互感器的选择 该设计方案中考虑在车间变电所的高压侧加电压互感器，车间变电所高压侧额定电压为 10Kv，查工厂常用电气设备手册可选择互感的型号为JDZ8-10G，如表 5 所示。 4.2 电流互感器的选择 电流互感器一般在每个变电所的高压侧都需要，在本工厂 供电系统中有多 个变电所，因此需要选择 12 种型号的电流互感器。根据电流等级来选择电流互感器。 查工厂常用电气设备手册可选择电流互感 器 如下 ，可得各个电流互感器的型号如表 6 所示。 五 短路电流计算 短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保 护装置的整定计算。短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位 制法）和标幺制法（又称相对单位制法） ，工程上一般选择标么值法计算， 这里采用标幺值法计算短路电流。 选择基准容量jS和基准电压 jU： 100jS M VA， 1.05jNUU， /( 3 )j j jI S U。 用标幺值法计算短路电流的公式如下： 三相短路电流周期分量有效值： */k Z jI I I X 三相短路容量： */kjS S X nts 12 电源的电抗标幺值计算： /s j kX S S （ kS 为出口容量或遮断容量） 电力变压器的电抗标幺值： * % / (1 0 0 )T k j N TX u S S ggg 注： %ku：变压器短路电压比 NTSg：变压器额定容量 电力输电线路电抗标幺值： *2/W L o j jX X l S U gg （ oX ：线路单位长度电抗 l：线路长度） 对于高压供电系统：冲击电流 2.55sh ZiI有效值 1.51sh ZII对于低压供电系统：冲击电流 1.84sh ZiI有效值 1.09sh ZII设七个车间对应的变压器分别为 1# 7#,车间 I 高压侧的变压器为 8#, 所对应的短路点分别为 k1-k9,10kv 的进线端的短路点为 k0。计算过程 如下： 1.选择基准容量 Sj =100MVA, Uj =1.05UN , Ij = USjj3K81 : Uj =1.05UN =0.4kv, Ij = USjj3=144.3kA K9 : Uj =1.05UN =6.3kv, Ij = USjj3=9.16kA K0 : Uj =1.05UN =10.5kv, Ij = USjj3=5.5kA nts 13 2.计 算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 画出等效电路图如下： 1）电力系统（ SOC = 200MVA） X1* = Sj/SOC=100MVA/200 MVA = 0.5 2）架空线路（ XO = 0.46/km） X2* = XlSj /Uavl2=2.3 3）电力变压器 X3* = UK%Sd/100SN 根据 已经 选择的变压器型号确定 SN 计算 出 X3*，最后的短路电流 计算 结果如表 7 所示 。 六 主接线方案的选择 10KV直接从地区变电多接到厂区，经过各车间变电所降压后直接使用。 1、 二车间有 50KV的二级负荷， 装有二台 160KvA 容量变压器，因 此选择高低压侧均为单母线分段的变电所主接线图设计，接线图如 图一 ： 这种变电所的两段高压母线，在正常时可以接通运行，也可以分段运行。 任一台主变压器或任一路电源进线停电检修或发生故障时，通过切换操作，均 可迅速恢复整个变电所的供电，因此供电可靠性相当高，供一，二级负荷。 2、 其余三级负荷车间变电所。 其他车间均为三级负荷 ，要求不是很高，均 用一个变压器，因此设计主接线图可按 10Kv 低压变电所设计，只装有一台主变 压器的小型变电所，采用高压侧负荷开关熔断器的变电所主接线图如 图二 ： nts 14 图一 图二 nts 15 都为 10KV 进线，在断路器下少一熔断器 FU。 由于负荷开关和负荷型跌开式熔断器能带负荷操作，也不存在带负荷拉闸 的危险。但在发生短路故障时，只能是熔断器熔断，因此这种主接线仍然存在 着在排除短路故障时恢复供电的时间较长的缺点，供电可靠仍然不高。适合三 级负荷变电所。 七 变电所一次设备的选择与校验 一次电路中所有的设备称一次设备。包括：变换设备、控制设备、保护设备、补偿设备、成套设备。 各种电气设备的功能尽管不同，但都在供电系统中工作，所以在选择时必然有相同的基本要求。在正常工作时，必须保证工作安全可靠、运行维护方便，投资经济合理。在短路情况下，能满足力稳定和热稳定的要求。 高压设备选择的一般要求必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下的工作要求，同时设备应工作安全可靠，运行方便，投资经济合理。高压刀开关柜的选择应满足变电所一次电路图的要求，并 通过 各方案经济比较优选出 开关柜型号及一次接线方案编号，同时确定其中所有一次设备的型号规格。工厂变电所高压开关柜母线宜采用 LMY 型硬母线 。 各设备选择和校验的主要依据如下： 1断路器：高压断路器的额定遮断容量必须大于或等于其安装处的短路容量，其额定的断流能力必须大于或等于其安装处的短路电流。 2隔离开关： 隔离高压电源、保证设备和线路的安全检修。断开后有明 显 的断开间隙，没有专门的灭弧装置，不允许带负荷操作，可以通断不超过 2A 的空载变压器、电容电流不超过 5A 的空载线路，与高压断路器配合使用。 3电流互感器： 按下面的 公式进行动热稳定校验（esK为动稳定倍数，tK热稳定倍数）：动稳定：12es N shK I ig热稳定： 2 ( 3 ) 2()t iN im aK I t I t4电压互感器： 电压互感器的准确度和二次侧负荷就满足下式关系： nts 16 222 1 ( c o s ) ( s i n )nN T V i i i iiS S S S g八 设计总结 课程设计很快就结束了，刚刚拿到题目时简直是一头雾水， 感觉无从着手。不过，课程设计毕竟是一种实践性质的课程。随着与同学们的共同讨论和自己不断的摸索，最终还是渐入佳境，基本上达到了理解题目要求的地步。这次课程设计，我的题目是关于 小型冶金实验工厂供电系统的设计。虽然一个学期的供电课程学完了，但具体到做实际的设计还是遇到了许多单靠自己无法解决的问题。有些需要的知识从课本上是找不到的，还有些光靠看而不去花大工夫去动笔、动脑是根本不行的，因为设计的过程中有许多都是需要进行大量计算才能得出结果的。总结这次课程设计，虽然时间只有一周，但收获还是有的。主要有以下几点： 1要 虚心请教，多讨论。供电的课程设计涉及的问题很多，知识点也很多，当然就不可避免地遇到了好多问题。和同学的讨论，一方面加深了对知识的理解，更有助于问题的解决，最终是很有裨益的。 2做事情，且忌眼高手低。设计从理论上来讲是非常简单的，甚至不出一天，就能把所需要的框架写出来。但这毕竟是个实践性质的题目，因此各个方面的设计就必须要考虑实际的问题。因此做任何有关理论与实践相结合的课题，务必要有克服各种各样问题的思想准备，绝对不能轻视和大意。 3通过这次设计，我还积累了一定的做设计的经验和教训。做设计前，一定先要全盘 的考虑问题，而后再逐步地分解问题，各个击破。另外要多查相关的资料，多了解相关的内容，这样才能保证设计的完美性。 总之由于时间的紧迫，感觉有好多地方都可以做更好地改善，当然从另一个侧面也反映出自身掌握知识不足的缺陷。因此很有必要从这次的设计中吸取经验教训，干什么事情都得有个准备，首先打牢知识基础，这样才有可能做出更好的成绩来。 nts 17 表一 原始数据材料 序号 用电设备名称 数量 （台） 单台设备额定参数 Kx 备注 Pe(KW) Ie(A) cos Kp Kx/cos 一 车间 中频感应电炉低压电气 设备容量 Pe =200KW 125 =0.91 0.88 6.5 指其中最大一台 中频感应发电机组Ve=6KV 2 250 27 2 降压起动 二 车间 （全部为低压负荷） Pjs=160KW cos=0.8 内含二级负荷50KW 三 车间 （全部为低压负荷） Pjs=85KW cos=0.65 四 车间 （全部为低压负荷） Pjs=200KW cos=0.85 五 车间 （全部为低压负荷） Pjs=100KW cos=0.8 六 车间 （全部为低压负荷） 0.9/0.9 Pjs=20KW cos=0.65 七 全场照明 Pe =40KW 0.9/0.9 nts 18 表二 各车间计算负荷 序号 30P （ KW） 30Q (Kvar) 30S (kvA) 30I (A) 车间一 219.78 118.62 249.75 379.47 车间二 160 120 200 303.88 车间三 85 99.45 130.77 198.69 车间四 200 124 235.29 357.5 车间五 100 75 125 189.92 车间六 20 23.4 30.77 46.75 车间七 36 17.44 40 60.78 表三 高压侧电缆截面 序号 ）（ 130I alI 电缆型号 导线截面（ mm） 车间 1 15.3 51 WZR-YJLY 1 16 车间 2 12.5 51 WZR-YJLY 2 16 车间 3 8 51 WZR-YJLY 1 16 车间 4 14.6 51 WZR-YJLY 1 16 车间 5 7.8 51 WZR-YJLY 1 16 车间 6 1.9 51 WZR-YJLY 1 16 车间 7 2.5 51 WZR-YJLY 1 16 车间高压部分 27 51 WZR-YJLY 116 表四 各车间进线的截面 序号 30(2)S（ KVA） )2(30I（ A）干线电流 截面电流 /al cI I K 电缆线型号 查表电缆截面 2mm 车间 1 249.75 379.6 452.9 WZR-YJLY 1 150 车间 2 188.26 286.1 328.9 WZR-YJLY 1 95 车间 3 100.01 152 185.4 WZR-YJLY 1 50 车间 4 235.29 357.6 436.1 WZR-YJLY 1 150 车间 5 117.66 178.8 218 WZR-YJLY 1 50 车间 6 23.53 35.8 43.7 WZR-YJLY 1 10 车间 7 40 60.8 74.1 WZR-YJLY 1 10 表五 电压互感器选择 变电所 互感器型号 额定频率（ Hz） 电压比（ V） 准确级 额定绝缘水平（ kv） 车间变电所 JDZ8-10G 50 10000/100 0.2/0.5/1.0 40.5/95/200 nts 19 表六 电流互感器选择 变电所 类别 额定电流（ A） 电流互感器一次电流（ A） 电流互感器的型号 车间一变电所 高压侧 15.3 20（ 20/5） L
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