机械加工车间低压配电系统及车间变电所设计介绍

摘摘 要要 本设计是机械厂机加工车间的低压配电系统及车间变电所供电系统 本文首先进行了负荷 计算 根据功率因数的要求在低压母线侧进行无功补偿 进而确定对主变器容量 台数 从经 济和可靠性出发确定主接线方案 其次 通过短路电流计算出最大运行方式和最小运行方式下 的短路电流 确定导线型号及各种电气设备 最后根据本厂对继电保护要求 确定相关的保护 方案和二次回路方案 本设计采用需用系数法进行负荷计算 无功功率补偿采用低压侧电容并联补偿方法 这种 方法能补偿低压侧以前的无功功率 经济效益比较好 根据机械加工车间用电特点和需求 主 接线方案采用了高压侧无母线 低压侧单母线分段的主接线方案 根据干式变压器与油浸变压 器在经济和安装条件对比 选择两台 SC9 500 10 系列干式变压器 在仔细研究各负荷的实际数据 并严格按照国家规定 依照以上设计步骤设计本供电系统 设计方案 以到达提高生产效益的目的 关键词 低压配电系统 负荷计算 主接线 变电所 短路计算 目目 录录 1 绪论 1 1 1 设计背景 目的及意义 1 1 2 设计内容 1 1 3 设计原则 1 2 负荷计算及无功补偿 2 2 1 负荷计算 2 2 1 1 负荷计算的方法及其适用范围 2 2 1 2 需用系数法 2 2 1 3 负荷确定 4 2 2 无功功率补偿 5 2 2 1 无功功率补偿概念 5 2 2 2 无功补偿提高功率因数的意义 5 2 3 无功补偿容量计算 6 2 3 1 无功功率补偿方式选择 6 2 3 2 无功补偿容量的确定 8 2 3 3 补偿容量计算 9 3 变电所主接线方案设计及变压器选择 10 3 1 变电所主变压器台数与容量选择 10 3 1 1 选择主变压器台数时应考虑下列原则 10 3 1 2 主变压器的确定 11 3 2 总配变电所的主接线方案比较选择 12 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 0 1 1 绪论绪论 1 11 1 设计背景 目的及意义设计背景 目的及意义 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 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 因此 如何正确地计算选择各级变电站的变压器容量及其它主要电气设备 这是保证 企业安全可靠供电的重要前提 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 家经济建设具有十分重要的战略意义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 根据该工厂的规模 负荷情况 供电条件 技术要求 自然条件 设计其总配变电所及配电系统 1 21 2 设计内容设计内容 根据任务书的要求 本设计主要有以下内容 1 车间的负荷计算及无功功率补偿 2 总配电所位置和型式的选择 3 变电所主变压器台数和容量 类型的选择 4 变电所主结线方案的设计 5 短路电流的计算 并进行一次设备的选择与校验 6 选择车间变电所高低压进出线 7 选择电源进线的二次回路方案及整定继电保护 8 车间防雷保护和接地装置的设计 9 确定车间低压配电系统布线方案 10 选择低压配电系统导线及控制保护设备 1 31 3 设计原则设计原则 按照国家标准 工业与民用供配电系统设计规范 10KV 及以下变电所设计规范 及 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 必须遵循有关国家标准 认真执行国家的技术经济政策 并应作到保障人身和 设备安全 供电可靠 电能质量合格 技术先进和合理 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 1 2 应根据工程特点 规模和发展规划 正确处理近期和远期发展的关系 作到远 近期结合 以近期为主 适当考虑扩建的可能 3 必须从全局出发 统筹兼顾 按照负荷性质 用电容量 工程特点和地区供电 条件 合理确定设计方案 满足供电要求 4 应注意执行节约能源 节约有色金属和 以铝代铜 等技术政策 2 2 负荷计算及无功补偿负荷计算及无功补偿 2 12 1 负荷计算负荷计算 2 1 12 1 1 负荷计算的方法及其适用范围负荷计算的方法及其适用范围 电力负荷计算方法包括 利用系数法 需要系数法 二项式系数法 我国一般使用需要 系数法和二项式系数法 如表 2 1 负荷计算方法及适用范围 表 2 1 负荷计算的方法及其适用范围 序号计算方法适用范围 需求系数法 当用电设备台数较多 各台设备容量相差不太悬殊时 特别 在确定车间和工厂的计算负荷时 宜于采用 二项式法 当用电设备台数较少 有的设备相差悬殊时 特别在确定干 线和分支线的计算负荷时 宜于采用 所以本设计中用需要系数法计算机加工车间的负荷 2 1 22 1 2 需用系数法需用系数法 用电设备组的计算负荷 是指用电设备级从供电系统中取用的半小时最大负荷 设 30 P 用电设备组的设备容量为 它指用电设备组所有设备 不含备用设备 的额定容量之和 e P 由于用电设备组的设备实际上不一定都同时运行 运行的设备也不可能都同时满负荷 同 时设备本身存在有功率损耗 因此 用电设备组的有功计算负荷应为 le ELP KK P 30 其中 为设备组的同时系数 即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备 K 容量之比 为设备的负荷系数 即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之 LK 比 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 为 e L 配电线的平均效率 即配电线路在最大负荷时的末端功率与首端功率之比 令 称为需要系数 dLeL KKK Kd 1 单组设备计算负荷 当分组后同一组中设备台数 3 台时 计算负荷应考虑其需要系数 即 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 2 n i Md PKP 1 30 2 30 2 3030 QPS tan 3030 PQ N U S I 3 30 30 式中 总设备功率 单位 kW M P Kd 需用系数 计算有功功率 单位为 kW 30 P 计算无功功率 单位 kvar 30 Q 计算视在功率 单位 kVA 30 S 功率因数角的正切值tan 电气设备额定电压 单位 kV N U 计算电流 单位 A 30 I 当每组电气设备台数3 时 考虑其同时使用率非常高 将需用系数取为 1 其余计算 与上式公式相同 2 多组设备的计算负荷 当供电范围内有多个性质不同的电气设备组时 先将每一组都按上述步骤计算在各自 负荷曲线上不可能同时出现 以一个同时系数来表达这种不同时率 因此其计算负荷为 3030 PKP P 3030 QKQ q 2 30 2 3030 QPS N U S I 3 30 30 式中 有功同时系数 对于用电设备组计算负荷直接相加 取值范围一般 P K pK 都在 0 8 0 9 对于车间干线计算负荷直接相加 取值范围一般在pK 0 85 0 95 无功同时系数 对于用电设备组计算负荷直接相加 取值范围一般K qK q 都在 0 90 0 95 对于车间干线计算负荷直接相加 取值范围一K q 般在 0 93 0 97 3 吊车电动机组 对于吊车电动机容量要求统一换算到 因此可得换算后的设备容量为 25 NMe PP 2 式中 为吊车电动机的铭牌容量 为与对应的负荷持续率 为其值等于 25 M P N M P 25 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 3 的负荷持续率 2 1 32 1 3 负荷确定负荷确定 根据利用系数法机械加厂负荷计算如表 2 2 所示为机加工厂各车间负荷计算表 机加 工一车间详细负荷计算见附录一 表 2 2 机加工厂负荷计算表 设备容量计算负荷序 号 车间名称供电回路代号 KWP30 KWQ30 KvarS30 KVAI30 A NO 1 供电回路131 4526 2945 4852 5379 91 NO 2 供电回路8962 3062 394 77 NO 3 供电回路160 7132 1455 6164 2397 7 0 机加工一 车间 NO 4 供电回路1080812 15 NO 1 供电回路15546 554 471 57 108 73 NO 2 供电回路1203642 155 39 84 16 1 机加工二 车间 NO 3 照明回路10808 00 12 15 NO 4 供电回路1606465 391 43 138 92 NO 5 供电回路1405657 179 98 121 51 NO 6 供电回路1807273 4102 82 156 22 2铸造车间 NO 7 照明回路86 406 40 9 72 NO 8 供电回路1504589 199 82 151 66 NO 9 供电回15 171 91 3铆焊车间 NO 10 照明回路 75 605 60 8 51 续表 2 2 NO 11 供电回路 150457890 05 136 82 NO 12 供电回路 146446578 49 119 26 4 电修车间 NO 13 照明回路 10808 00 12 15 总计 1797 16 616 23726 49952 64 937 37 变压器低压侧总计算负荷 585 42 704 70 916 14 1393 58 2 22 2 无功功率补偿无功功率补偿 2 2 12 2 1 无功功率补偿概念无功功率补偿概念 近年来 随着我国电力工业的不断发展 大范围的高压输电网络逐渐形成 同时对电 网无功功率的要求也日益严格 无功电源如同有功电源一样 是保证电力系统电能质量 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 4 降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分 电网无功功率不平衡将导致系统电 压的巨大波动 严重时会导致用电设备的损坏 出现系统电压崩溃和稳定破坏事故 因此 无功功率对电力系统是十分重要的 无功功率补偿的基本原理是 把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在 同一电路 当容性负荷释放能量时 感性负荷吸收能量 而感性负荷释放能量时 容性负 荷却在吸收能量 能量在两种负荷之间互相交换 这样 感性负荷所吸收的无功功率可由 容性负荷输出的无功功率中得到补偿 这就是无功功率补偿的基本原理 2 2 22 2 2 无功补偿提高功率因数的意义无功补偿提高功率因数的意义 一 改善设备的利用率 因为功率因数还可以表示成下述形式 UIPSP cos 其中 线电压 KV 线电流 A UI 可见 在一定的电压和电流下提高 其输出的有功功率越大 因此改善功率因 cos 数是充分发挥设备潜力 提高设备利用率的有效方法 二 提高功率因数可减少电压损失 因为电力网的电压损失可借下式求出 U QXPR U 可以看出 影响的因素有四个 线路的有功功率 P 无功功率 Q 电阻 R 和电抗 X 如果采用容抗为 Xc 的电容来补偿 则电压损失为 UXXQPRU C 故采用补偿电容器提高功率因数后 电压损失 U 减少 改善了电压质量 三 减少线路损失 当线路通过电流 I 时 其有功损耗为 22 32 103 COSU RP P 线路有功损失 P 与成反比越高 P 越小 2 COS cos 四 提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率成下述关系 SCOSP 可见 在传输一定有功功率 P 的条件下 越高 所需视在功率越小 cos 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 5 五 减少用户开支 降低生产成本 六 减小供电设备容量 节省电网投资 2 32 3 无功补偿容量计算无功补偿容量计算 2 3 12 3 1 无功功率补偿方式选择无功功率补偿方式选择 无功功率补偿的方法很多 采用电力电容器 或采用具有容性负荷的装置进行补偿 1 利用过激磁的同步电动机 改善用电的功率因数 但设备复杂 造价高 只适于在具有 大功率拖动装置时采用 2 利用调相机做无功功率电源 这种装置调整性能好 在电力系统故障情况下 也能维持 系统电压水平 可提高电力系统运行的稳定性 但造价高 投资大 损耗也较高 每 kvar 无功的损耗约为 1 8 5 5 运行维护技术较复杂 宜装设在电力系统的中枢变电所 一 般用户很少应用 3 异步电动机同步化 这种方法有一定的效果 但自身损耗大 每 kvar 无功功率的损耗 约为 4 19 一般都不采用 4 电力电容器作为补偿装置 具有安装方便 建设周期短 造价低 运行维护简便 自身 损耗小 每 kvar 功功率损耗约为 0 3 0 4 以下 等优点 是当前国内外广泛采用的补偿 方法 这种方法的缺点是电力电容器使用寿命较短 电力电容器作为补偿装置有两种方法 串联补偿和并联补偿 a 串联补偿是把是容器直接串联到高压输电线路上 以改善输电线路参数 降低电压损 失 提高其输送能力 降低线路损耗 这种补偿方法的电容器称作串联电容器 应用 于高压远距离输电线路上 用电单位很少采用 b 并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上 以提高功率因数 这种补 偿方法所用的电容器称作并联电容器 用电企业都是采用这种补偿方法 由于并联电容补偿方式运行维护方便安全 且便于安装 能耗低 投资省 因此本设 计采用并联电容进行无功补偿 并联电容的补偿方式有可分为三种方法如表 2 3 所示 表 2 3 并联电容无功补偿三种方法 补偿方式装设地点原理电路主要特点适应范围 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 6 高压集 中补偿 接变电所 6 10KV 高 压母线 其电容柜 一般装设 在单独的 高压电容 室内 初步投资少 运行维护方 便 但只能 补偿高压母 线以前的无 功功率 适于 中型 工厂变配电 所做高压无 功补偿 低压集 中补偿 接变电所 低压母线 其电容器 柜装设在 低压配电 室内 能补偿低压 母线以前的 无功功率 可使变压器 的无功功率 得到补偿 从而有可能 减小变压器 容量 且运 行维护方便 适于中 小 型工厂或车 间变电所做 低压侧基本 无功补偿 续表 2 3 单独就 地补偿 装设在用 电设备附 近 与用 电设备并 联 补偿范围最 大 补偿效 果最好 可 缩小配电线 路截面 减 小有色金属 消耗能 但 电容的利用 率不高 且 初投资高和 维护费用较 大 适于负荷相 当平稳且长 时间使用的 大容量用电 设备 及容 量虽小但数 量多的用电 设备 所以根据本设计的要求选择采用低压集中补偿的方法 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 7 2 3 22 3 2 无功补偿容量的确定无功补偿容量的确定 1 按提高功率因数确定补偿容量 采用一组固定补偿电容器时 补偿容量按下式计算 但在负荷较轻时不应发生过补偿 12 tantan Bav QP 式中 补偿装置安装点负荷的平均有功功率 av P 补偿前的平均功率因数的正切值 1 tan 补偿后希望达到的平均功率因数的正切值 2 tan 采用分组自动投切的电容器组补偿时 补偿容量按下式计算 0123 tantan B QP 式中 最大有功负荷 30 P 2 按抑制电压波动和闪变确定补偿容量 30limBk QQdS 式中 负荷无功功率的最大变化量 30 Q 允许补偿后的最大电压变动 lim d 补偿安装点的短路容量 k S 通过两个方案比较 此设计选择低压侧集中补偿的方法 在该设计中希望无功补偿后 功率因数不小于 0 9 在前面负荷计算中已经求出了每个车变的和补偿前各车变cos 30 P 的平均功率因数 则在计算无功补偿容量选择低压集中补偿方式 同时采用分组自 1 cos 动投切的电容器组补偿 2 3 32 3 3 补偿容量计算补偿容量计算 1 补偿前的变压器容量和功率因数 变压器低压侧的视在计算负荷为 AKVAKVS 14 916 7 70442 585 22 1 30 主变压器容量选择条件为 因此未进行无功补偿时 主变压器容量应选容量 30 SS TN 为 630 kV A 的变压器两台 这时变电所低压侧的功率因数为 639 014 916 42 585cos 2 2 无功补偿容量按规定 变电所高压侧的 cos0 9 考虑到变压器本身的无功功率 损耗 Q 远大于其有功功率损耗 P 一般 Q 4 5 P 因此在变压器低压侧进 TTTT 行无功补偿时 低压侧补偿后的功率因数应略高于 0 90 这里取cos 0 92 要使低压侧功率因数由 0 63 提高到 0 92 低压侧需装设的并联电容器容量为 var31 455 92 0 arccostan639 0 arccos tan42 585kQC 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 8 取 Q 480kvar c 3 补偿后变压器的容量和功率因数 补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为 AKVAKVS 1 627 480 7 704 42 585 22 2 30 因此每台主变压器容量可改选为 500 kV A 比补偿前容量减少 130 kV A 变压器的功率损耗为 KWSQ KWSP T T 626 37 1 62706 0 06 0 41 9 1 627015 0 015 0 2 30 2 30 变电所高压侧的计算负荷为 AKVAKVS KKKQ KWKWKWP 1 650 33 26283 594 var33 262var63 37var 4807 704 83 59441 9 42 585 22 1 30 1 30 1 30 无功功率补偿 工厂的功率因数为 915 0 1 650 8 594 cos 1 30 1 30 SP 这一功率因数满足规定 0 90 要求 4 无功补偿前后比较 AKVAKVAKVSS TN TN 130 500 630 5 补偿装置的选择 本设计选用的并联电容器的型号为 CLMD 53 低压并联电容器 其技术参数如表 2 4 所 示 表 2 4 CLMD 53 低压并联电容器主要技术数据 产品型号 额定电压 kV 标称容量 vark 频率 HZ组数每组个数 CLMD 530 4304028 3 3 变电所主接线方案设计及变压器选择变电所主接线方案设计及变压器选择 3 13 1 变电所主变压器台数与容量选择变电所主变压器台数与容量选择 3 1 13 1 1 选择主变压器台数时应考虑下列原则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 应采 用两台变压器 当一台发生故障或检修时 另一台可以对负荷持续供电 对只有二级负荷 的变电所也可以只采用一台变压器 但必须有备用电源 2 对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而采用经济运行方式的变电所 也可考虑用两 台变压器 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 9 3 除上述两种情况外 一般车间变电所宜采用一台变压器 但负荷集中且容量相当 大的变电所 虽为三级负荷 也可以采用两台以上变压器 4 在确定变电所主变压器台数时 要考虑负荷的发展 留有一定的余地 1 只装一台主变压器的变电所 主变压器容量应满足全部用电设备总计算负荷的需要 即 N T S 30 S 30N T SS 2 装有两台主变压器的变电所 每台变压器的容量应满足以下两个条件 N T S 1 任一台变压器单独运行时 宜满足总计算负荷的 60 70 的需要 即 30 S 30 0 60 7 N T SS 2 任一台变压器单独运行时 应满足全部一 二级负荷的需要 即 30 1 2 N T SS 3 车间变电所主变压器的台数容量上限 车间变电所主变压器的单台容量 一般不宜大于 1000 或 1250 一方kV A kV A 面是受低压开关电器断流能力和短路稳定度要求的限制 另一方面可以减少低压配电线路 的电路损耗 电压损耗和有色金属消耗量 3 1 23 1 2 主变压器的确定主变压器的确定 一 供电电源条件 1 电源由 10KV 总降压变电所采用电缆线路受电 电线路长 300m 线路阻抗为 0 38 km 2 工厂总降压变电所 10KV 母线上的短路容量按 200MVA 计 3 工厂总降压变电所 10KV 配电出线定时限过流保护装置的整定时间 top 2s 4 要求车间变电所最大负荷时功率因数不得低于 0 9 二 根据本厂属于二级负荷和前面视在功率的计算 再根据选择主变压器的原则 在安 全可靠供电的情况下从经济角度考虑本设计中选择两台变压器给该车间进行供电 根据补 偿后一次侧容量为 650 1 kV A 考虑百分之 15 的余量后总容量为 变压器容量 因此选AKVS 6 747 1 650 151 30 AKVSS TN 523 448 7 0 6 0 30 择其额定容 量为 500 kV 变压器按冷却方式分类可分为 干式 自冷 变压器 油浸 自冷 变压器 氟化物 蒸发冷却 变压器 由于氟化物变压器对环境有污染所以不做 考虑 如表 3 1 所示为干式变压器和油浸变压器对比表 表 3 1 干式变压器和油浸变压器对比 某机修厂机械加工一车间低压配电系统及车间变电所设计 10 项目干式变压器油浸变压器 特点 1 高低压线圈采用F 级绝缘材料 长期耐热180 2 线圈环氧浇注 器身紧固 抗短 路能力特强 节能 3 低压为箔绕组抗短路能力强 4 防潮能力强 5 长期运行免维护 6 散热性能好能承受一定的湿度 对环境要求不高 油浸式变压器的绕组是浸在变压器油 中的 绝缘介质就是油 冷却方式有 自冷 风冷和强迫油循环冷却 其优 点是冷却效果好 可以满足大容量 瓦斯继电器可以及时反映出绕组的故 障 保证系统的稳定运行 不足之处 是得经常巡视 关注油位的变化 缺 了油是件很危险的事情 变压器油随 着时间失去功效 需要防止变压器油 的渗漏 不适宜在地下室及消防要求 高的区域安装 投入成本高成本为干变的 60 运行场所任何场所室外 运行成本长期运行免维护 需要经常性的维护 由于该变压器每 1 5 年 2 年需要更换冷却油 寿命 20 根据GB T17468 1998 电力变压器选用导则 及由任务书可知变压器安装地点在室内 本设计选择干式变压器 如表3 2所示 为SC9 500 10树脂浇注干式变压器型号参数 表 3 2 SC9 500 10 树脂浇注干式变压器型号参数 额定电压 型号 额定容量 kVA 一次 KV 二次 KV 空载损耗 KW 负载损耗 KW 空载电流 阻抗电压 连接组标 号 SC9 500 10 500 100 40 904 501 2 4Y yn0 3 23 2 总配变电所的主接线方案比较选择总配变电所的主接线方案比较选择 本设计有两台变压器的小型变电所 根据本车间的情况 负荷量不大 但属于二级负 荷 可靠性要求较高 有 10KV 高压电来进线供电 根据上面的设计原则和要求有两种方案