工厂供电控制系统设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业工厂供电控制系统设计摘要工厂供电系统就是将电力系统的电能降压再分配电能到各个厂房或车间中去，它由工厂降压变电所，高压配电线路，车间变电所，低压配电线路及用电设备组成。工厂总降压变电所及配电系统设计，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，经济技术的分配电能问题。其基本内容有以下几方面：车间负荷计算以及无功功率补偿，导线类型选择,变配电所位置的电气设计和所址选择,短路电流的计算及继电保护,电气设备的选择,车间变电所位置和变压器数量、容量、类型的选择等。关键词：电气设备；功率因数；供电半径 第一章绪论1.1工厂供电的含义和要求含义工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。众所周知，电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，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。1.2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》、GB50053-94《10kv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；必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节约有色金属等技术经济政策。2） 安全可靠、先进合理；应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。3） 近期为主、考虑发展；应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。4） 全局出发、统筹兼顾。按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。1.3工厂负荷性质按GB50052-5《供配电系统设计规范》规定，根据电力系统对供电可靠性的要求及中断供电在政治经济上所造成的损失或影响程度，电力负荷分为以下三级：一级负荷中断供电将造成人身伤亡；中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如：重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等；中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。二级负荷中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。三级负荷不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。对一级负荷一律应由两个独立电源供电。二级负荷较重要的电力负荷对该类负荷供电的中断，将造成工农业大量减产、工矿交通运输停顿、生产率下降以及市人民正常生活和业务活动遭受重大影响等。一般大型工厂企业、科研院校等都属于二级负荷。三级负荷不属于上述一、二级的其他电力负荷，如附属企业、附属车间和某些非生产性场所中不重要的电力负荷等。1.4工厂供配电系统工厂供配电系统由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。工厂电源进线电压为35KV，先经工厂总降压变电所（一次降压）降为6—10KV的高压配电电压，然后经过车间变电所，降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V。由于电源进线线路较长因而发生故障和停电的机会较多、并且变电所的变压器不需经常切换。所以，总降压变电所一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图。如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS101、QS102先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷的工厂。二次降压的一次侧采用高压式放射式接线，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其他负荷，这种接线方式简捷，操作维护方便，保护简单，便于实现自动化。图1-1大中型工厂供电系统主接线示意图1.5供电半径供电半径就是从电源点开始到其供电的最远的负荷点之间的线路的距离，供电半径指供电线路物理距离，而不是空间距离。低压供电半径指从配电变压器到最远负荷点的线路的距离，而不是空间距离。城区中压线路供电半径不宜大于3公里，近郊不宜大于6公里。因电网条件不能满足供电半径要求时，应采取保证客户端电压质量的技术措施。0.4千伏线路供电半径在市区不宜大于300米。近郊地区不宜大于500米。接户线长度不宜超过20米，不能满足时应采取保证客户端电压质量的技术措施。供电半径是电气竖井设置的位置及数量最重要的参数。250米为低压的供电半径,考虑50米的室内配电线路,取200米为低压的供电半径,当超过250米时,每100米加大一级电缆。低压配电半径200米左右指的是变电所（二次为380伏）的供电半径，楼内竖井一般以800平方左右设一个，末端箱的配电半径一般30~50米。供电半径取决于以下2个因素的影响：1）电压等级（电压等级越高，供电半径相对较大）2）用户终端密集度（即：电力负载越多，供电半径越小）同种电压等级输电中，电压跌落情况小，那么供电半径就大。相比较来说：在同能负载情况下，10kV的供电半径要比6kV的供电半径大。在统一电压等级下，城市或工业区的供电半径要比郊区的供电半径小。三相供电时，铜线和铝线的最大合理供电半径计算公式（J为经济电流密度）：Lst=1.79×85×11.65/j=1773/jmLsl=1.79×50×11.65/j=1042/jm铜线和铝线最大合理供电半径计算公式如下。Ldt=4.55×14×13.91/j=885/jm(11)Ldl=4.55×8.3×13.91/j=525/jm(12)选定经济截面后，其最大合理供电半径，三相都大于0.5km，单相基本为三四百米，因此单纯规定不大于0.5km，对于三相来说是“精力过剩”，对单相来说则“力不从心”。1.6功率因数功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分比.在电力网的运行中,我们所希望的是功率因数越大越好,若能做到这一点,则电路中的视在功率大部分用来供给有功功率,以减少无功功率的消耗.用户功率因数的高低,对于电力系统发、供用电设备的充分利用，有着显著的影响。影响功率因数的主要因素：功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中 ，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能提高。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备：异步电动机的定子转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。第二章工厂供电设计内容2.1变配电所设计无论工厂总降压变电所或车间变电所，设计的内容都基本相同。工厂高雅配电所，则除了没有主变压器的选择外，其余的设计内容也与变电所设计基本相同。变配电所的设计内容应包括：变配电所复核的计算和无功功率的补偿，变配电所所址的选择，变电所主变压器台数和容量、型式的确定，变配电所主结线方案的选择，进出线的选择，短路计算及开关设备的选择，二次回路方案的确定及继电保护的选择与整定，防雷保护欲接地和接零的设计，变配电所电气照明的设计等。最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制变配电所主电路图、平剖面图、二次回路及其它施工图纸。2.2配电线路的设计工厂配电线路设计分厂区配电线路设计和车间配电线路设计。厂区配电线路设计，包括厂区高压供配电线路设计及车间外部低压配电线路设计。其设计能容应包括：配电线路路径及线路结构型式的确定，负荷的计算，导线或电缆及配电设备和保护设备的选择，架空线路杆位的确定及电杆与绝缘子、金具的选择，防雷保护与接地和接零的设计、最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制厂区配电线路系统图和平面图、电杆总装图及其它施工图纸。车间配电线路设计，包括车间配电线路布线方案的确定、负荷的计算、线路导线及配电设备和保护设备的选择、线路敷设设计等。最后也需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制车间配电线路系统图、平面及其它施工图纸。2.3电气照明设计工厂电气照明设计，包括厂区室外照明系统设计和车间（建筑）内照明系统设计。无论是厂区室外照明设计还是车间内照明设计，其内容均应包括：照明光源和灯具的选择，灯具布置方案的确定和照度的计算，照明负荷计算及导线的选择，保护与控制设备的选择等。最后编制设计说明书、设备材料清单及工程概算，绘制照明系统图，平面图及其它施工图纸。2.4电力线路接线及敷设方式2.4.1电力线路的接线方式工厂的高低压电路的线路基本接线方式有放射式、树干式和环形等基本接线方式。以高压为例。1.放射式高压放射式接线是指工厂变配电所高压母线上引出的一回路，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，这种接线方式简捷，操作维护方便，保护简单，便于实现自动化。但是高压开关设备用的多，投资高，线路故障自检修时，又该线路供电的负荷要停电，为提高可靠性，根据情况可增加备用线路，如图2-1为放射式线路供电。图2-1放射式线路2.树干式高压树干式接线是指由工厂变配电所高压母线上引出的每路高压配电干线上，沿线分接了几个车间变电所或负荷点的接线方式，这种接线从变配电所引出的线路少，高压开关设备相应用的少。配电干线少可以节约有色金属，但供电可靠性差，干线故障或检修将引起干线上的全部用户停电，为提高供电可靠性同样可以采用增加备用的方法，如图2-2为树干式接线图。图2-2树干式接线图3.放射式从工厂供电系统而言，高压环式其实就是树干式界限的改进，两路树干式线路连接起来就构成了环式接线。这种接线运行灵活，供电可靠性高。当干线上任何地方发生故障时，只要找出故障段，拉开其两端的隔离开关，把故障段切除后，全部线路可以恢复供电。由于闭环运行时继电保护整定比较复杂，所以运行时均采用开环运行方式。2.4.2线路敷设1.架空线路的敷设工厂架空线路长期漏天运行，受环境和气候影响会发生断线、污染等故障。为确保线路长期安全运行，必须按相关规定敷设并经常性的巡视和检查，以便及时消除设备隐患。架空线路的敷设以及电杆尺寸应满足下面四个要求：1)不同电压等级线路的档柜（也成跨柜，即同一线路上相邻两电杆中心线之间的距离）不同。一般380V线路档柜为50～60m，6～10KV线路档距为80～120m。2)同杆导线的线距与线路电压等级及档距等因数有关。380V线路线距约0.3～0.5m，10V线路线距约0.6～1m。3)弧垂（架空导线最低点与悬挂点间的垂直距离）要根据档距、导线型号与截面积、导线所受拉力及气温条件等决定。垂弧过大易碰线；过小易造成断线或倒杆。4)线距（导线最低点到地面或导线任意点到其他目标物的最小垂直距离）需遵循有关手册规定。2.电缆线路的敷设电缆线路与架空线路相比，具有成本高，投资大，维修不便等缺点，但是它具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点，特别是在有腐蚀性气体和易燃、易爆场所，不宜架设架空线路时，只有敷设电缆线路。（由于架空与电缆线路相比有较多的优点，如成本低、投资少，安装容易，维护和检修方便，易于发现和排除故障等，所以架空线路在一般工厂中应用相当广泛。由于本厂的地形不复杂，按经济性及可操作性来选择，故高压供电线路选择为架空线。）第三章负荷计算及功率补偿3.1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。列出负荷计算表、表达计算成果。3.2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。3.3负荷计算的方法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。主要计算公式有：有功功率：P30=Pe·Kd无功功率:Q30=P30·tgφ视在功率:S3O=P30/Cosφ计算电流:I30=S30/3UN车间项目车间变电所1234生活区负荷（kw）360750380750145功率因数cos0.720.640.670.851负荷类型一一二二三二次侧电压38038010000380380最大负荷利用小时数250035003500550018003.4各用电车间负荷计算表3-1按照原始数据资料，负荷数据如下：一年按365天计算。T=365*24=8760hP30=K*PQ30=P30*tan=P30*S30=3.4.1车间一的计算负荷有功计算负荷：P30=0.95360=182.4kw无功计算负荷：Q30=P30tan=182.4=176kvar视在计算负荷：KV·A计算电流：I30===385.5A按照规定，变电所高压侧的≥0.9，考虑到变压器本身的无功功率损耗△QT远大于其有功功率损耗△PT，一半△QT=(4～5)△PT，因此在变压器的低压侧进行无功补偿时，低压侧的功率因数应略高于0.90，这里取’=0.92。要使低压侧功率因数由0.72提高到0.92，低压侧需装设的并联电容器容量为：QC=182.4×(tanarccos0.72－tanarccos0.92)＝98.23kvar取QC=110kvar补偿后的变压器容量和功率因数：S’30(2)==193.79KV·A因此变压器的容量可以从选250KV·A。 型号：S9-250/10变压器的损耗：△PT=0.015×S’30(2)=2.91kw△QT=0.06×S’30(2)=11.64kvar高压侧的计算负荷：P’30(1)=P30+△PT=182.4+2.91=185.356KWQ’30(1)=Q30－QC+△QT=176－110+11.64=77.64kvarS’30(1)==200.96KV·A补偿后的功率因数：’=×100%=0.9187>0.9这一功率因数满足要求。3.4.2车间二的计算负荷根据车间一的步骤，计算车间二的数据如下：有功计算负荷：P30=0.95750=450.4kw无功计算负荷：Q30=P30tan=450.4=540.7kvar视在计算负荷：KV·A计算电流：I30===1069.2AQC=450.4×(tanarccos0.64－tanarccos0.92)＝332.7kvar先取QC=340kvar，经过计算后，功率因数达不到0.9。说明了补偿不够，要加大补偿容量。取QC=350kvar时，S’30(2)==489.1KV·A因此变压器的容量可以从选630KV·A。 型号：S9-630/10变压器的损耗：△PT=0.015×S’30(2)=7.337kw△QT=0.06×S’30(2)=29.35kvar高压侧的计算负荷：P’30(1)=P30+△PT=457.737KWQ’30(1)=Q30－QC+△QT=540.7－350+29.35=220.05kvarS’30(1)==507.9KV·A补偿后的功率因数：’=×100%=0.901>0.9这一功率因数满足要求。3.4.3车间四计算负荷有功计算负荷：P30=0.95750=564.6kw无功计算负荷：Q30=P30tan=564.6=349.9kvar视在计算负荷：KV·A计算电流：I30===1009.2AQC=564.6×(tanarccos0.85－tanarccos0.92)＝109.4kvar取QC=115kvar时，S’30(2)==611.5KV·A因此变压器的容量可以从选800KV·A。 型号：S9-800/10变压器的损耗：△PT=0.015×S’30(2)=9.173kw△QT=0.06×S’30(2)=36.69kvar高压侧的计算负荷：P’30(1)=P30+△PT=564.6+9.173=573.8KWQ’30(1)=Q30－QC+△QT=349.9－115+36.69=271.59kvarS’30(1)==634.8KV·A补偿后的功率因数：’=×100%=0.904>0.9这一功率因数满足要求。3.4.5生活区的计算负荷有功计算负荷：P30=0.95145=62.44kw无功计算负荷：Q30=P30tan=62.44=0kvar视在计算负荷：KV·A计算电流：I30===94.88A由于生活区的功率因数已经为1了，所以不需要再在变压器的低压侧安装电容补偿。3.4.6车间三（高压电机）计算有功计算负荷：P30=0.95380=228.2kw无功计算负荷：Q30=P30tan=228.2=252.8kvar视在计算负荷：KV·A计算电流：I30===19.67A由于此车间的电压是10KV，所以算补偿时应与下一级的负荷之和一起来计算补偿容量。3.5功率补偿工厂中由于有大量的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等感性负荷，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑增设无功功率补偿装置。上图表示功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系。假设功率因数有提高到′，这时在用户需用的有功功率不变的条件下，无功功率将由减小到′，视在功率将由减小到′。相应地负荷电流也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既节约了电能，又提高了电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因数对供电系统大有好处。由上图可知，要使功率因数由提高到′，必须装设无功补偿装置（并联电容器），其容量为：Q在确定了总的补偿容量后，即可根据所选并联电容器的单个容量来确定电容器的个数，即：由于本设计中要求Cosφ≥0.9,而由上面计算可知Cosφ=0.84<0.9，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。Qc=7111×（tanarcCos0.84－tanarcCos0.95）Kvar=2275Kvar取Qc=2300Kvar因此，其电容器的个数为：n=Qc/qC=2300/150=15而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取15个正好。无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：S30（2）′==7538KV·A变压器的功率损耗为：△QT=0.06S30′=0.06*7538=452Kvar△PT=0.015S30′=0.015*7538=113Kw变电所高压侧计算负荷为：P30′=7111+113=7224KwQ30′=(4798-2300)+452=2950KvarS30′==7803KV·A无功率补偿后，工厂的功率因数为：Cosφ′=P30′/S30′=7224/7803=0.9则工厂的功率因数为：cosφ′=P30′/S30′=0.9≥0.9因此，符合本设计的要求。第四章．变电所主变压器台数和容量及主接线方案的选择4.1变电所所址选择的一般原则选择工厂变、配电所的所址，应根据下列要求并且经技术、经济比较后择优确定。1.接近负荷中心；2.进出线方便；3.接近电源侧；4.设备吊装和运输方便；5.不应设在有剧烈振动和高温的场所；6.不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源的下风侧；7.不应设在厕所、浴室或其它经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻；8.不应设在有爆炸危险环境、有火灾危险环境的正上方或正下方；当与有爆炸或火灾危险的建筑物毗连时，应符合现行国家标准GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》；9.不应设在地势低洼和可能积水的场所；10.高压配电所尽量与邻近车间变电所或有大量高压设备的厂房合建在一起。4.2负荷中心的确定利用负荷功率距法确定负荷中心：在工厂平面图的下方和左侧，分别作为一直角坐标的X轴和Y轴，然后测出个车间（建筑）和生活区负荷点的坐标位置，例如P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),P4(x4,y4)，P5(x5,y5)。而工厂的负荷中心假设为P(x,y),其中P=P1+P2+P3+P4+P5；仿照《力学》中计算重心力矩方程，可得负荷中心的坐标。这里必须指出：负荷中心虽然是选择变电所位置的重要因素，但是不是唯一因素。因此负荷中心的计算不必要求十分精确。变配电所的所址，必须全面分析比较后择优选择。各车间和生活变电所的地理位置图，比列：1公分（格）=200米。以此图建立x,y轴坐标：以左下表格边间为坐标原点，可以得出各点坐标大概数字如下：P1（1400，580）P2（380，1900）P3（1800，1600）P4（2600，1200）P5（50，1200）P1=182.4；P2=450.4；P3=228.2；P4=564.6；P5=62.44；=1488.04所以负荷中心的坐标为：P(，)代入数据得：P(1246，576)结语这学期我完成了工厂供电控制系统设计。通过这次毕业设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在这个过程中，我就学会很多，做一件事，要有足够的耐心和信心才可以成功，而且不要气馁。在做毕业设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用画图软件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我通过各种途径查找资料了解了很多课本以外的知识，并且对于其在实际中的应用有了更多的认识。这次毕业设计使我对理论与实际相结合是很重要的有了进一步的了解，只有理论知识是远远不够的，只有把所