电力系统课程设计

1、中北大学电力系统课程设计说明书1 引言1.1 概述 我国是人均资源比较缺乏的，在这种情况下我们在节约能源的同时更要合理分配有限的资源，同时也要求我们在进行工厂供配电设计过程中必须遵守国家法律、标准和规范，执行国家有关方针、政策，包括节约能源，节约有色金属等经济政策，与此同时还要做到人身安全和设备安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进合理设计时应考虑低耗能优性能的电气产品。 电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传送和运行等要求而设计的、表明高压电气设备之间相互连接关系的传送电能的电路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。它们的连接方

2、式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。一般在研究主接线方案和运行方式时，为了清晰和方便，通常将三相电路图描绘成单线图。在绘制主接线全图时，将互感器、避雷器、电容器、中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来。 对一个电厂而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。它的接线方式能反映正常和事故情况下的供送电情况。电气主接线又称电气一次接线图。1.2 工厂供电的意义和要求 工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。电

3、能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。 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

4、的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。 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，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。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，就必须达到以下基本要求：（1） 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。（2） 可靠: 应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3） 优质: 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求（4）经济: 供电系统的投

5、资要少，运行费用要低，并尽可能地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。1.3 工厂供电设计的一般原则 按照国家标准GB50052-95供配电系统设计规范、GB50053-9410kv及以下设计规范、GB50054-95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） 遵守规程、执行政策；（2） 安全可靠、先进合理；（3） 近期为主、考虑发展；（4） 全局出发、统筹兼顾。2 工厂供电的设计的基本内容2.1 工厂变配电所设计的主要内容1 负荷计算及无功功率补偿

6、的计算；2 变配电所所址和型式的选定；3 变配电所主变压器台数，容量及类型的选择；4 变配电所主接线方案的确定；5 短路电流的计算；6 变配电所一次设备的选择；7 变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定；8 变配电所防雷保护与接地装置的设计；9 编写设计说明书及主要设备材料清单；10 绘制编配电所主接线图，平面及必要的剖面图，二次回路图及其他施工图纸。2.2 工厂高压配电线路设计的主要内容1 工厂高压配电系统方案的确定；2 高压配电线路负荷的计算；3 高压配电线路导线和电缆的选择；4 架空线杆位的确定及电杆，金具，绝缘子的选择，对电缆线路来说，则为电缆敷设方式的选择和设计；5 防

7、雷装置与接地保护的设计；6 编写说明书及主要设备清单；7 绘制高压系统配电图，平面布线图，电杆总装图及其他施工图纸。2.3 车间低压配电线路设计的主要内容1 车间低压配电系统方案的确定；2 低压配电线路的负荷计算；3 低压配电线路的导线和电缆的选择；4 低压配电控制和保护装置的选择；5 低压配电系统接地装置的设计；6 编写说明书及主要设备的清单；7 绘制车间低压配电系统图，平面布线图及其他施工图纸。3 Auto CAD在工厂供电设计中的应用3.1 Auto CAD相关介绍 Auto CAD是由美国Auto desk公司开发的通用计算机辅助绘图与软件设计的工具。是一个交互式绘图软件，用于二维，三

8、维设计绘图的系统的工具，用户可用它来创建，浏览，管理，打印，输出，共享及准确复用富含信息的设计图形。其特点有：1 具有完善的图形绘制功能；2 具有强大的图形编辑功能；3 可以采用多种方式进行二次开发或用户制定；4 可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力；5 支持多种硬件设备；6 支持多种操作平台；7 具有通用性，易用性，使用于各类用户。3.2 电力工程中的CAD技术的应用1 电力设计中经常需要用到一系列数据资料，如设计手册或设计规范中的数表图表，这些数据通常由人工查询和处理；2 利用高级语言编程，进行各种机械计算和强度计算，电力系统潮流计算，绘制各种导线和曲线等；3 采用CAD绘制

9、电力设计中各种二维，三维工程图纸，如电力系统接线图，平面布置图，配电装置断面图等。3.3 Auto CAD的基本操作 在本次设计过程中，主要采用CAD强大的二维图形设计能力，灵活运用各种平面图形绘制命令和图形编辑标注命令。在此设计中主要使用CAD绘制电力系统主接线图。 绘制大型图样一般经过以下步骤：1.运用基本的图形绘制命令，画出各元件，并整合为图块保存；2.分别调用各分图块，并用连接线连接，调整位置，大小使图形美观，整齐；3.进行各种标注说明；4.对图形进行检查修改。4 负荷计算和无功功率补偿4.1 负荷计算方法和选择标准 在工程中常用需要系数法和二项式法来计算用电负荷。 其中需要系数法计算

10、公式如下：对于单组用电设备： 有功计算负荷：（为该设备的需要系数） 无功计算负荷：视在计算负荷： 计算电流：(为该设备的额定电压)而二项式法计算负荷如下：对于单组用电设备： 有功计算负荷：= 无功计算负荷：=tg 视在计算负荷：= 计算电流：=具体的用电设备计算时，我们遵循以下原则： 1 当用电设备台数多，各台设备容量相差不甚悬殊时，通常采用需要系数法计算； 2 当用电设备台数少，而容量相差悬殊时，宜采用二项式法计算。 经过以上论述并结合本次设计负荷情况，宜选用需要系数法进行负荷计算。4.2 机械厂负荷计算结果 机械厂负荷计算见表1编号名称类别设备容量需要系数计 算 负 荷1铸造车间动力350

11、0.320.691.05112117.6照明70.791.005.530小计357117.53117.6166.3252.72锻压车间动力3500.300.641.20105126照明80.741.005.920小计358110.92126167.92553金工车间动力3800.270.611.30102.6133.4照明60.81.004.80小计386107.4133.4171.3260.24工具车间动力3800.290.621.27110.2140照明50.811.004.050小计385114.25140180.7274.55电镀车间动力210 0.40.720.968480.6照明6

12、0.801.004.80小计21688.880.6119.9182.26热处理车动力1900.470.750.8889.378.6照明70.731.005.110小计19794.4178.6122.8186.67装配车间动力1200.340.691.0540.842.8照明50.771.003.850小计12544.6542.861.9948机修车间动力1300.240.681.0831.233.7照明30.711.002.130小计133 33.3333.747.4729锅炉房动力900.730.750.8865.757.8照明20.731.001.460小计9267.1657.889135

13、10仓库动力180.330.810.725.944.3照明10.811.000.810小计196.754.3812.211生活区照明3750.750.940.36281.25101.3298.9454.1总计（380V）侧动力22181066.5961.1照明425计入=0.9=0.950.74959.9870.31295.71968.6 表14.3 无功功率补偿由表1可知，该厂380V侧最大负荷是的功率因数只有0.74，而供电部门要求该厂10KV进线侧最大负荷是功率因数不应该低于0.93。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷是功率因素应稍大于0.93，暂取0.93来

14、计算380V侧所需无功功率补偿容量：选择BWF10.5-50-1W型电容器，所需电容器个数为取12=n，则实际补偿容量为补偿后变电所低压侧视在计算负荷为AkVAkVQQPSC×=×-=-+=0.921)6003.870(9.959)(2223023030' 选择S9-1000/10型、35/3.15kv的变压器，其技术数如下7,0.1,15.12,44.1000000=D=DkkUIkWPkWP92.010000.921=b变压器的负荷率为kWkWPPPkT75.1115.1292.044.1220=´+=D+D=Db则变压器的功率损耗为var4.69va

15、r)792.00.1(1001000)(100200200kkUISQkNT=´+´=+=DbkWkWkWPPPT65.97175.119.95930)1(30=+=D+=变压器高压侧计算负荷为AkVAkVQPS×=×+=+=3.10297.33965.971222)1(302)1(30)1(30var7.339var4.69var)6003.870('30)1(30kkkQQQT=+-=D+=则工厂进线处的功率因数为5 变电所位置和型式的选择 变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心.工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定.即在工厂平面图的下边和左侧,

16、任作一直角坐标的X轴和Y轴,测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置,例如P1(x1,y1) 、P2(x2,y2) 、P3(x3,y3)等.而工厂的负荷中心设在P(x,y),P为P1+P2+P3+=Pi.因此仿照力学中计算重心的力矩方程,可得负荷中心的坐标: 来确定x，y的值。坐标轴12345678910生活区X()0.980.980.983.33.33.33.37.256.769.6Y()4.32.751.164.32.751.14.33.11.57.1由计算结果可知，x=4.2,y=5.4工厂的负荷中心在3号厂房的东北角.考虑的方便进出线及周围环境情况，决定在6号厂房的西侧紧靠厂房修建工厂变电所

17、，其型式为附设式。6 变电所主变压器的选择和主结线方案的选择6.1 变电所主变压器的选择 变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷；季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器。装设一台主变压器，型号采用S9型，而容量根据式选，即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由于领进单位相联的高压联络线来承担。装设两台主变压器，型号亦采用S9型，而每台变压器容量按式和选择，即 因此选两台S9

18、1000/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由与邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均采用Yyn0。本厂的气象资料（年平均气温为），所选变压器的实际容量也满足使用要求，同时又考虑到未来510年的负荷发展，初步取，选用两台S91000/10型变压器，至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由邻近单位相联的高压联络线来承担。6.2 变电所主接线方案的选择 按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：（1） 装设一台主变压器的主接线方案，如图1所示： （2）装设两台主变压器的主接线方案，如图2所示：图1 装设一台主变压器的主结线方案 图2 装设两台主变压器的主结线

19、方案6.3 两种主结线方案的技术经济比较 比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案技 术指标供电安全性满足要求满足要求供电可靠性基本满足要求满足要求供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗小灵活方便性只一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些经济指标电力变压器的综合投资由手册查得S91250单价为8.85万元，而由手册查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为2×8.85万元=17.7万元由手册查得S91000单价为15.1万元，因此两台综合投资为4×15.1万元=60.4万元，比一台变压器多投资42.7万元

20、高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查手册得 GGA（F）型柜按每台3.5万元计，查手册得其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为4×1.5×3.5=21万元本方案采用6台GGA（F）柜，其综合投资额约为6×1.5×3.5=31.5万元，比一台主变的方案多投资10.5万元电力变压器和高压开关柜的年运行费参照手册计算，主变和高压开关柜的折算和维修管理费每年为4.893万元主变和高压开关柜的折旧费和维修管理费每年为7.067万元，比一台主变的方案多耗2.174万元供电贴费按800元/KVA计，贴费为1000×0.08=80万元贴费为2

21、5;630×0.08万元=100.8万元，比一台主变的方案多交20.8万元 表2 从表2可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案，但按经济指标，则装设一台主变的方案远优于装设两台主变的方案，但工厂负荷近期可有较大增长的话，则宜采用装设两台主变的方案。7 短路电流的计算7.1 绘制计算电路 7.2 确定短路计算基准值 设，即高压侧，低压侧，则 7.3 计算短路电路中各元件的电抗标幺值（1）电力系统： 已知，故（2）架空线路： 查表，得LJ-95的，而线路长8km，故（3）电力变压器： 查表，得，故因此绘短路计算等效电路如图3所示 图37.4 10KV

22、侧三相短路电流和短路容量（1）总电抗的标幺值 =（2）三相短路电流周期分量有效值 （3）其他短路电流： 短路冲击电流 短路后第一个周期的短路电流有效值 （4）三相短路容量7.5 计算380V侧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： 短路冲击电流 短路后第一个周期的短路电流有效值 （4）三项短路容量 8 变电所一次设备的选择校验8.1 110kV侧一次设备的选择校验 10kV侧一次设备的选择校验如表3所示。表3 10kV侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据10kV57.

23、7A1.9kA4.845kA3.515一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630A16kA40kA512高压隔离开关GN-10/20010kV200A25.5Ka500高压熔断器RN2-1010kV0.5A50kA电压互感器JDJ-1010/0.1kV电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010Kv100/5A31.8Ka81二次负荷0.6避雷器FS4-1010kV户 外 式 高 压隔离开关GW4-15G/20012kV400A25Kv500表3所选一次设备均满足要求。8.2 380V侧一次设备的选择校验 380V侧一次设备的选择校验如表4所示。表4 3

24、80V侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据3801243.602851.521450.4一次设备型号规格额定参数低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kV低压断路器DZ20-630380V630A30kA低压断路器DZ20-200380V200A25kA低压刀开关HD13-1500/30380V1500A电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A电流互感器LMZ1-0.5500V100/5160/5避雷器-户外隔离开关-表4所选一次设备均满足要求。8.3 高低压母线的选择 参照表，10kV母线选LM

25、Y-3（），即母线尺寸为；380V母线选LMY-3,即母线尺寸为，而中性线母线尺寸为。9 变电所进出线以及邻近单位联络线的选择9.1 10kV高压进线和引入电缆的选择 1.10kv高压进线的选择和校验，采用LJ型铝绞线架空敷设，接往10kv公路干线。 1) 按发热条件选择。由及室外环境温度32，查表得，初选LJ-16，其38时的满足发热条件。 2）校验机械强度。查表得，最小允许截面，因此按发热条件选择的LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。由于此线路很短，不需校验电压损耗。 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

26、设。 1）按发热条件选择,由及土壤温度25，初选缆芯截面为的交联电缆，其，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 按终端变电所保护动作时间1.6s，加断路器断路时间0.2s，再加0.05s,故。 因此YJL22-10000-335电缆满足短路热稳定条件。9.2 380V低压出线的选择1.馈电给1号厂房（铸造车间）的线路，采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铜芯电缆直接埋地敷设。1）按发热条件选择，由及地下0.8m土壤温度，初选缆芯截面，其，满足发热条件。2）校验电压损耗，由工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为100m，的铜芯电缆（按缆芯工作温度计），又1号厂房

27、的，因此按式得：故满足允许电压损耗的要求。3) 短路热稳定度校验，按式计算满足短路热稳定的最小截面 故选缆芯截面为的电缆，即选VLV-22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铜芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择。 2.馈电给2、3、4、5、6、7、8、9号厂房的线路都比10号的小，亦采用VLV-22-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。 3.馈电给10号厂房（仓库）的线路 由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用的聚氯乙烯绝缘的铝芯导线BLV-1000型5根（包括3根相线、一根N线、1根PE线）穿硬塑料管埋地敷设。1）按发热条件选择，由及

28、环境温度（年最热月平均气温）25，相线截面初选，其,满足发热条件。按规定，N线和PE线也都选为，与相线截面相同，即选用塑料导线5根穿内径25mm的硬塑管埋地敷设。2）校验机械强度，最小允许截面积,因此上面所选的导线满足机械强度要求。 3) 校验电压损耗，所穿选管线，估计长40m，因而,又仓库的,因此故满足允许电压损耗的要求。 4 馈电给生活区的线路 采用LJ-185型铝芯橡皮绝缘线架空敷设。1）按发热条件选择 由及室外环境温度为，初选LJ-185,其时的=455A>,，满足发热条件。2）校验机械强度，最小允许截面积，因此LJ-185满足机械强度要求。 3）校验电压损耗，由工厂平面图量得变

29、电所至生活区负荷中心距离约200m，因而其阻抗与BLX-100-1240近似等值的LJ-185的阻抗=，,又生活区的,因此由此看来，对生活区采用一回LJ-185架空线路供电是不行的，为了确保生活用电（照明，家电）的电压质量，决定采用四回LJ-120架空线路对生活区供电，查表可得LJ-120的因此 满足要求，中性线采用LJ-70铝绞线。9.3 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，与相距约2km的邻近单位变配电所的10kV母线相联。 （1）按发热条件选择，工厂二级负荷容量共375.2kVA，,而最热月土壤平均温度为,因此查表初选缆

30、芯截面为的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（注：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25的铝芯电缆的 (缆芯温度按计)，而二级负荷的=375.2kW，=256kvar线路长度按2km计，因此由此可见该电缆满足允许电压损耗要求。 （3）短路热稳定校验，按本变电所高压侧短路校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯的交联电缆是满足短路热稳定要求的。综合以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表5所示。线路名称导线或电缆的型号规格10kV电源进线LJ-35铝绞线（三相三线架空）主变引入电缆YJL22-10000-335交联电缆（直埋）380V低压出

31、线至1号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至2号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至3号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至4号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至5号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至6号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至7号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至8号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至9号厂房VLV22-1000-324

32、0+1120四芯塑料电缆（直埋）至10号厂房BLV10001×4铝芯线5根穿内径25硬塑管至生活区四回路3LJ-120+1LJ-70(三相四线架空)与邻近单位10kV联络线YJL22-10000-325交联电缆（直埋） 表5 进出线和联络线的导线和电缆型号规格10 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定10.1 二次回路1 高压断路器的操动机构控制与信号回路 断路器采用手动操动机构2 变电所的电能计量回路 变电所高压侧装设专用计量柜，装设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能和无功电能，并据以计算每月工厂的平均功率因数，计量柜由上级供电部门加封和管理。3 变电所的测

33、量和绝缘检查回路 变电所高压侧装有电压互感器-避雷器柜，其中电压互感器为3个JDZJ-10型，组成Y/Y.开口三角的结线，用以实现电压测量和绝缘监察。作为备用电源的高压联络线上，装有三相有功电度表，三相无功电度表和电流表，高压进线上，亦装有电流表。 低压侧的动力出线上，均装有有功电度表和无功电度表，低压照明线路上装有三相四线有功电度表。低压并联电容器出线上，装有无功电度表，每一回路均装有电流表，低压母线装有电压表，仪表的准确度等级按规范要求。10.2 变电所保护装置 主变压器的继电保护装置（变压器信号为SCB10-1600/10）1）装设反时限过电流保护，采用GL15型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分流跳闸的操作方式。 a：过电流保护动作电流的整定因此动作电流整定为。 b：过电流保护动作时间的整定由于本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动作时间（10倍动作电流动作时间）可整定为最短的0.5s。 c：过电流保护灵敏系数的校验因此保护器灵敏度系数为满足灵敏度系数1.5的要求。 2）装设电流速断保护，利用GL15的速断装置。 a：速断电流的整定：其中因此速断电流为：速断电流倍数整定 b: 电流速断保护灵敏系数的检验，其中因此其保护灵敏度系数为因此这里装设的电流速断保护的灵敏系数符合要求。11 变压所的防雷保护11.1 变