供用电工程课程设计

1 电力负荷及计算1.1电力负荷计算的内容和目的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。尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。1.2负荷的确定本设计是为某纺织厂设计一座高压配电所，该纺织厂主要生产化纤产品，大部分车间为三班制，少数车间为两班或一班制。该厂有二级负荷和三级负荷。二级负荷也属于重要负荷，供电变压器可由一台或者两台变压器。当只有一台变压器的时候可采用高压联络线由邻近的单位取得备用电源以满足二级负荷的要求，工厂不致中断供电。只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回路10kV及以上的专用架空线路供电。这是考虑架空线发生故障时易于发现且易于检查和修复。当采用电缆线路时，必须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承受全部二级负荷。该纺织厂中锻工车间、纺纱车间、软水站是二级负荷，其余均为三级负荷。工厂负荷计算及无功补偿（1）.有功计算负荷： （1-1）（2）.无功计算负荷： （1-2）（3）.视在功率负荷： （1-3） （4）.计算负荷： （1-4） 而在NO.1车间里的合计中： （1-5） 因为变压器上有功率损耗，所以计算高压配电线路的计算负荷应该是该线路所供车间变电所低压侧计算负荷加上变压器的功率损耗。故：（1）. （1-6）（2）. （1-7）（3）. （1-8）（4）. 总的计算电流为 （1-9）根据上面公式进行负荷计算有功损耗： 无功损耗： （1-10）NO.1： NO.2： 高压母线上所有高压配电线路计算负荷之和 ： =0.78根据计算可得表1-1表1-1 工厂负荷统计表车间名称设备容量(Kw)需要系数功率因素计算负荷（kW）（kW）（kW）（A/KA）NO.1车变锻工车间380.20.651.177.68.89211.692纺纱车间3500.80.80.7528021035制条车间3500.80.80.75280210350软水站880.650.80.7557.242.971.5合计826624.8471.792782.921.19损耗11.7446.978高压侧合计826636.8518.79821.1547.71NO.2车变织工车间4500.80.80.75360270450染工车间4000.80.80.75320240400食堂400.750.80.753022.537.5合计890710532.5887.51.35I13.353.25高压侧合计890723.3585.75930.153.745变电所高压侧的，取。电压侧需要的并联电容器容量为： 根据各种数据，我选定并联电容器的型号为：所以 个数应该是3的倍数，所以在低压侧得并联18个型号为的电容器。 说明实际中并联电容器的容量为： 表1-2 无功补偿对照表项目(kW)(kvar)(Kw)(A)10KV补偿前负荷0.781359.451101.541751.6101.110KV侧无功补偿容量-54010KV侧补偿后容量0.911359.45561.541501.686.72 变电站主接线的设计主接线又称一次接线或主电路。电气主接线是由各种主要电气设备，按一定顺序连接而成的一个接受和分配电能的总电路。由于交流供电系统通常是三相对称的，故在主接线图中，一般用一根线来表示三相电路，仅在个别三相设备不对称或需进一步说明的地方，部分地用三条线表示，这样就将三相电路图绘成了单线图。为使看图容易起见，图上只绘出系统的主要元件及相互间的连接。2.1单母线主接线母线也称汇流排，即汇集和分配电能的硬导线。设置母线可以方便地把电源 图2-1 单母线接线 图2-2 单母线分段接线进线和多路引出线通过开关电器连接在一起，以保证供电的可靠性和灵活性。 在主接线中，断路器是电力系统的主开关；隔离开关的功能主要是隔离高压电源，以保证其它设备和线路的安全检修。例如，固定式开关柜中的断路器工作一段时间需要检修时，在断路器断开电路的情况下，拉开隔离开关；恢复供电时，应先合隔离开关，然后合断路器。这就是隔离开关与断路器配合操作的原则。由于隔离开关无灭弧装置，断流能力差，所以不能带负荷操作。如图3-1所示。2.2 单母线分段单母线分段接线是采用断路器（或隔离开关）将母线分段，通常是分成两段，如图3-2所示。母线分段后可进行分段检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器QF1在继电保护作用下自动将故障段迅速切除，从而保证了正常母线段不间断供电和不致使重要用户停电。两段母线同时故障的几率很小，可以不予考虑。在供电可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段（QS1），任一段母线发生故障时，将造成两段母线同时停电，在判断故障后，拉开分段隔离开关QS1，完好段即可恢复供电。由上可知，单母线分段便于分段检修母线减小母线故障影响范围，提高供电的可靠性和灵活性。变电所主变压器容量的选择该工厂引用10kV进线，下分2个车间变电所，每个变电所都可以采用一台或者两台变压器。从技术指标，两台变压器的方案略微优于一台变压器。从经济指标来看，一台变压器的方案远优于两台变压器的方案。所以这里每个车间变电所选一台变压器的方案。根据负荷计算确定个车间变电所变压器型号。NO.1 车间变电所： NO.2 车间变电所： 电气总接粗略线图见附录1所示3 电源进线及工厂高压配电线路的设计3.1 变电所进出线及与邻近单位联络线的选择3.1.1 10kV高压进线的选择校验 采用LJ型铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。 1）按发热条件选择 由查表初选LJ-35，其35C时的满足发热条件。2）校验机械强度 查表得 最小允许截面，因此按发热条件的LJ-35满足机械强度要求。3.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。1）按发热条件选择 由及土壤温度得初选截面为的交联电缆，因该型电缆最小芯线截面积为，故选为，其115.4A，满足发热条件。2）校验短路热稳定 按式计算满足短路热稳定的最小截面 =25C值由表查得；按终端变电所保护动作时间0.5s，加断路器短路时间0.2s，再加0.05s计，故。因此YJL22-10000-325电缆满足短路热稳定条件。3.1.3作为备用电源的高压联络线的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距2km的邻近单位变电所的10kv母线相联。（1）按发热条件选择 工厂二级负荷容量共821.15kVA，而最热月土壤平均温度为25C，一次查表，初选缆芯截面为的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（该型电缆最小芯线截面积为），其，满足发热条件。（2）校验电压损耗 由表可查得缆芯为铝芯电缆的（缆芯温度按80C计），而二级负荷的，线路长度按2km计，因此 （3）短路热稳定校验 由前述引入电缆的短路热稳定性校验，可知缆芯的交联电缆是满足短路热稳定要求的。3.2 380V低压出线的选择的馈电给各车间用VLV22型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆。 4 短路电流计算4.1短路电流计算的目的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。进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺制法（又称相对单位制法）。本设计采用标幺制法进行计算。4.2短路电流计算的方法 图4-1 系统等效电路图4.2.1 设，即高压侧,低压侧，则 4.2.2 计算短路电路中各元件的电抗标幺值（1） 电力系统 ，故 （2）架空线路 由资料得LJ-35的，而线路长，故 （3）电力变压器 查表得变压器T1 ， 变压器T2 因此绘短路计算等效电路如图4-2 图4-2 等效阻抗图4.2.3计算k-1点（10.5kV侧）的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)总电抗标幺值 (2)三相短路电流周期分量有效值 (3)其他短路电流 (4)三相短路容量： 4.2.4求K-2点（0.4kV）的短路电路和总电抗及三相短路电流和短路容量(1)总电抗标幺值 (2)三相短路电流周期分量有效值 (3)其他短路电流 (4)三相短路容量： 4.2.5求K-3点（0.4kV）的短路电路和总电抗及三相短路电流和短路容量(1)总电抗标幺值 (2)三相短路电流周期分量有效值 (3)其他短路电流 (4)三相短路容量： 通过计算得表4-1表4-1 短路点数据统计表短路计算点三相短路电流/KA三相短路容量1.961.961.965.02.9635.719.719.719.736.221.513.719.719.719.736.221.513.75 高低压电气设备选择5.1一次设备选择与校验的条件和项目为保证一次设备安全可靠的运行，必须按下列条件选择和校验：1） 按正常工作条件包括电压、电流、频率及开断电流等选择。2） 按短路条件包括动动稳定性和热稳定性进行校验。3） 考虑电气设备运行的环境条件如温度、湿度、海拔高度以及有无防尘、防腐、放火、防暴等要求4） 按各类设备不同的特点和要求如断路器的操作性能、互感器的二次负荷和准确度级等进行选择。5.2 按正常工作条件选择1）按工作电压选择 设备的额定电压。一般不应小于所在系统的额定电压。即 （5-1） 2）按工作电流选择 设备的额定电流不应小于所在电路的计算电流即 （5-2）3)按断流能力选择 设备的额定开断电流或断流容量。对分断短路电流的设备（如断路器）来说，不应小于它可能分断的最大短路电流的有效值或短路容量，即 或 （5-3）5.3 短路条件校验5.3.1 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 （1）动稳定性校验条件 或 （5-4）式中 、开关的极限通过电流（又称动稳定电流）峰值和有效值，单位为kA； 、开关所在处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值（单位kA）（2）热稳定校验条件 （5-5）式中 开关的热稳定电流有效值，单位为kA。 t开关的热稳定试验时间，单位为s； 开关所在处的三相短路稳态电流，单位为kA。 短路发热假想时间，单位为s。短路发热假想时间一般按下式计算： （5-6）在无限大容量系统中，由于，因此 （5-7）式中 短路持续时间，采用该电路主保护的动作时间加对应的断路器全分闸时间。当时，。 低速断路器（如油断路器），其全分闸时间取0.2s；高速断路器（如真空断路器），其全分闸时间取0.1s。 根据上述条件 10KV侧初步选择高压少油断路器SN10-10I/630，该型号断路器的主要技术参数如表6-1表5-1 SN10-10I/630参数表型号额定电流额定开断电流/KA额定断流容量/MVA极限通过电流峰值/kA热稳定电流/kASN10-10I/630630A163004016（2） 动稳定性校验 热稳定性校验所以该型号断路器满足热稳定性和动稳定性根据上述条件10kV侧选择高压隔离开关该型号的隔离开关的主要参数如表5-2表5-2 参数表型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流峰值/KA热稳定电流/kA102004010（5s）动稳定性校验 热稳定性校验所以该型号满足热稳定性和动稳定性户外隔离开关选择GW4-12/400该型号隔离开关的主要参数如表6-3表5-3 GW4-12/400参数表型号额定电压/kV额定电流/A动稳定电流峰值/kA热稳定电流/kAGW4-12/400124002510 动稳定性校验 热稳定性校验所以该型号满足热稳定性和动稳定性5.3.2电流互感器的短路稳定度校验（1）动稳定性校验条件 或 (5-8)式中电流互感器的动稳定电流，单位为kA； 电流互感器的一次额定电流 单位为A； 电流互感器的动稳定电流倍数；（2） 热稳定性校验条件或 (5-8)式中 电流互感器的热稳定电流，单位为kA； t电流互感器的热稳定试验时间，单位为s； 电流互感器的热稳定电流倍数（对）；根据上述条件初步选定高压电流互感器LQJ-10该型号高压电流互感器的主要参数如下表5-4表5-4 LQJ-10参数表 型号额定电压/kA额定电流/A额定二次负荷/10%误差时一次电流倍数1s热稳定倍数动稳定性倍数一次二次0.513LQJ-10105-10050.40.40.66（0.5，1级）10（3级）90225150-40075100 动稳定性校验 热稳定性校验满足热稳定性和动稳定性5.4 熔断器和熔体的选择校验 该熔断器是保护电压互感器的一般选择 不必校验 所以选择RN2-10。5.5 高压互感器的选择与校验 电压互感器应按装设地点条件及一次电压、二次电压（一般为100v）、准确度级等进行选择电压互感器满足准确度要求的条件也决定于二次负荷，即其二次负荷按下式计算 (5-10)对于每个变压器均要装设一个电压互感器对于一号变电所故选择JDZJ-10 负荷条件 其它变电计算完全相同都选择JDZJ-10型电压互感器。根据上述选型得出10kV侧一次设备表如表5-55.6 380V侧一次设备的选择5.61 NO.1 车间变电所380V侧负荷总电流为1247.6A，所以选择低压断路器DW15-1500，低压刀开关HD13-1500/30，选择电流互感器LMZJ1-0.5(电流比为1500/5) 均满足负荷电流的要求。该车间变电所下属锻工车间、纺纱车间、制条车间、软水站。锻工车间出线的最大负荷电流为17.66A，故选择低压电流互感器LMZ1-0.5（电流比为20/5），低压断路器DZ20-100/3。 纺纱车间出线的最大负荷电流为531.7A，故选择低压电流互感器LMZJ1-0.5（电流比为600/5），低压断路器DZ20-630/3。 制条车间出线的最大负荷电流为531.7A，故选择低压电流互感器LMZJ1-0.5（电流比为600/5），低压断路器DZ20-630/3。 软水站出线的最大负荷电流为108.6A,故选择低压电流互感器LMZ1-0.5（电流比为150/5）,低压断路器DZ20-200/3。5.62 N0.2 车间变电所380V侧负荷总电流为1413.14。所以选择低压断路器DW15-1500,低压刀开关HD13-1500/30，选择电流互感器LMZJ1-0.5（电流比为1500/5）均满足负荷电流的要求。该车间变电所下属织工车间、染工车间、食堂。织工车间出线的最大负荷电流为683.7A,故选择低压电流互感器LMZJ1-0.5（电流比为700/5）,低压断路器DZ20-1250/3。染工车间出线的最大负荷电流为607.73A,故选择低压电流互感器LMZJ1-0.5（电流比为700/5），低压断路器DZ20-630/3。食堂出线的最大负荷电流为57A，故选择低压电流互感器LMZ1-0.5（电流比为60/5）,低压断路器为DZ20-100/3。表5-5 10kv侧一次设备总览表选择校验项目电压电流断流能力动稳定性热稳定性选择地点条 件参数数据10kV总123.1A1.96kV5.0kV额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630A16kV40kA高压隔离开关10kV200A25.5kA高压熔断器RN2-1010kV0.5A50kA电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010kV100/5A31.8kV81避雷器FS4-1010kV户外隔离开关GW4-12/40012kV400A25kA10*10*5=5006 防雷与接地设计防雷的设备主要有接闪器和避雷器。其中，接闪器就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属称为避雷针。接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。接闪的金属网称为避雷网。避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。6.1 变电所的防雷保护6.1.1 直击雷防护 在变电所屋顶装设避雷针或避雷带，并引出两根接地线与变电所公共接地装置相连。避雷针采用直径20mm的镀锌圆钢，避雷带采用25mm4mm的镀锌扁钢。6.1.2 雷电侵入波的防护1）在10kV电源进线的终端杆上装设FS4-10型阀式避雷器。其引下线采用25mm4mm的镀锌扁钢，下面与公共接地网焊接相连，上面与避雷器接地端螺栓连接。2）在10kV高压配电室内装设GG-1A（F）-54型高压开关柜，其中配有FS4-10型避雷器，靠近主变压器。主变压器主要靠此避雷器来防护雷电侵入波的危害。3）在380V低压架空出线杆上，装设保护间隙，或将其绝缘子的铁脚接地，用以防护沿低压架空线侵入的雷电波。6.2 变电所公共接地装置的设计6.2.1接地电阻的要求本变电所的公共接地装置的接地电阻应满足以下条件： 式中 因此公共接地装置接地电阻应满足6.2.2 接地装置的设计 采用2.5m、的镀锌钢管数，计算初选16根，沿变电所三面均匀布置（变电所前面布置两排），管距5m，垂直打入地下，管顶离地面0.6m。管间用40mm4mm的镀锌扁钢焊接相连。变压器室有两条接地干线、高低压配电室各有一条接地干线与室外公共接地装置焊接相连。接地干线均采用25mm4mm的镀锌扁钢。变电所接地装置平面布置图 接地电阻的验算满足的要求。 结 论本次毕业是对纺织厂供配电系统的设计，通过完成负荷计算 、主接线设计、电源进线及工厂高压配电线路的设计、短路计算、高低压电气设备选择、变电站几点保护和防雷接地，使得一个完成的工厂供配电系统呈现在我们的面前。这一学期的课程设计，由于本人个人水平限制原因，我对这个设计还不是很深入，论文本身还存在诸多欠妥之处，恳请老师给我提出宝贵的意见，只有发现问题面对问题才能解决问题，不足和遗憾不会给我打击指挥更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新方案的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，保持“不放弃努力本是我的任务，在现在的基础上争取更是我的职责。” 致 谢经过两周的忙碌和工作，本次设计已经接近尾声，作为一个本科生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督