某工厂供配电系统设计设计

湖南理工职业技术学院

工厂供配电技术课程设计

题目：某工厂供配电系统的电气设计

年级专业：风能工程系机电1132班

学生姓名：龙博

指导老师：卢永辉

2015年06月15日

工厂供电，是指工厂所需的电能的供应与分配，也称工厂配电。

众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既能易于由其他形式的能量转换而来，而易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化，而且现代社会的信息技术和其他高新技术无疑不是建立在电能应用的基础之上的。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。

本论文设计首先计算电力负荷和变压器的台数、容量；利用所学的知识确定变电所的位置。计算出短路电流的大小，选出不同型号的变压器，进而确定变压器的连接组别，画出必要的变电所主接线图。

关键词：主接线图、短路电流、电力负荷、变压器

第1章前言 (4)

第2章设计任务 (5)

2.1 原始资料 (5)

2.2 工厂平面图 (5)

2.3 工厂供电电源 (5)

2.4 工厂负荷情况 (6)

2.5 设计要求 (7)

第3章全厂负荷计算和无功功率补偿 (8)

3.1 负荷计算 (8)

3.2 无功功率补偿 (11)

第4章变电所高压电器设备选型 (12)

4.1 主变压器的选择 (12)

4.2 各个车间变压器的选择 (12)

4.3 10KV架空线的选择 (13)

第5章短路电流的计算 (14)

5.1 短路的基本概念 (14)

5.2 短路的原 (14)

5.3 短路的后果 (14)

5.4 短路的形成 (15)

5.5 三相短路电流计算的目的 (15)

5.6 短路电流的计算 (15)

5.7 电费的计算 (16)

第6章变电所的设备选择与校验 (17)

6.1 10KV侧设备的选择和校验 (17)

6．1．1 一次设备的选择 (17)

6.2 二次设备的选择 (19)

6.3 10KV侧设备的选择 (19)

第7章主变压器继电保护 (23)

7.1 继电保护装置的概念 (23)

7.2 保护作用 (23)

7.3 保护装置及整定计算 (23)

第8章防雷保护和接地装置的设计 (25)

8.1 防雷保护 (25)

8.1.1 直击雷的过电压保护 (25)

8.1.2 雷电侵入波的防 (25)

8.2 接地装置 (25)

参考文献 (27)

致谢 (28)

附录一主接线图 (29)

第1章前言

工厂供电，是指工厂所需的电能的供应与分配，也称工厂配电。

众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既能易于由其他形式的能量转换而来，而易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化，而且现代社会的信息技术和其他高新技术无疑不是建立在电能应用的基础之上的。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。例如在机械工业中，电费开支仅占产品成本的5%左右。从投资额来看，一般机械工厂在供电设备上的投资，也仅占总投资的5%左右。因此电能在工业生产中的重要性，并不能在于他在产品成本中或者投资总额中所占的比重多少，而是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。

工厂供电工作要很好地位工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电需要，并做好节能和环保工作，就必须达到以下几点要求：

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即连续供电的要求

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，并近可能滴节约电能和减少有色金属消耗量。

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，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。例如计划用电问题，就不能至考虑一个单位的局部利益，更要有全局观点。

第2章设计任务

2.1 原始资料

2.2 工厂平面图

2.3 工厂供电电源

按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，本厂可由附近一条10KV的功用电源干线取得电源。该干线走向参看工厂总平面图。为满足工厂耳机负荷的要求，可采用高压联络线有邻近的单位取得备用电源。已知与本厂高压侧有电气联系的驾控线路总长度为80KM，电缆线路总长度为25KM；工厂要求的功率因数在0.6以上。

2.4 工厂负荷情况

本厂多数车间为三班制，年最大负荷利用小时数4600小时，日最大负荷持续时间为6小时。该厂处铸造车间、电镀车间和锅炉房属二级负荷外，其余均属三级负荷。全厂的负荷表如下：

2.5 设计要求

1、计算电力负荷和无功功率补偿、短路电流的大小

2、掌握变电设计的一般原则、步骤和方法

3、掌握CAD绘图软件

4、选择10KV供电线路和高低压电器设备选择

5、草拟全厂供电系统图

第3章 全厂负荷计算和无功功率补偿

3.1 负荷计算

我们在计算全厂负荷时，由于热处理车间、装配车间、机修车间、锅炉房、仓库动力、照明容量小，从每个车间的变压器和全厂的平面图可以把这五个地方看成一个地方，其余都是两个车间看成一个车间，则我们可以把全厂的平面简化如图所示：

采用需要系数法对各个车间进行计算，应该将照明的和动力部分分开算集体的情况如下：

（1）、铸造车间、锻压车间 A 、 动力电路：

P (30)=P 1(e)K 1(d)+ P 2(e)K 2(d)=300X0.3+350X0.3kw=195kw Q (30)= 302302P S =947.17 kar

S 1(30)=P 1/cos Θ+ P 2/cos Θ=(300/0.70)+(350/0.65)=967.03kvA I (30)= S (30)/ 3Un=967.03/ 3 X0.38=1469.65A B 、照明电路：

P （30）=P 3(e)K 3(d)+ P 4(e)K 4(d)=6X0.8+8X0.7=10.4KW Q (30)= 302302P S -=9.8 kar

S 2(30)= P 3/cos Θ+ P 4/cos Θ= (6/1.0)+(8/1.0)=14KVA I (30)= S (30)/ 3Un =14/3X0.38=24.13A 则铸造车间、锻压车间:

S (30)= S 1(30)+ S 2(30)=14+967.03=981.03KVA (2)、金工车间、工具车间 A 、动力电路：

P (30)= P 5(e)K 5(d)+ P 6(e)K 6(d)=400X0.2+360X0.3=188 KW Q (30)= 302302P S -=1200.75 kar

S 3(30)= P5/cos Θ+ P6/cos Θ=(400/0.65)+(360/0.6)=1215.38 KVA I (30)= S (30)/ 3Un =1215.38/3X0.38=1847.08A B 、照明电路：

P (30)= P 7(e)K 7(d)+ P 8(e)K 8(d)=10X0.8+7X0.9=14.3 KW Q (30)= 302302P S -=10.57 kar

S 4(30)= P7/cos Θ+ P8/cos Θ=(10/1.0)+(7/0.9)=17.78 KVA I (30) = S (30)/ 3Un =17.78/3X0.38=27.02A 则金工车间、工具车间：

S (30)= S 3(30)+ S 4(30)=17.78+1215.38=1233.16KVA （3）、生活区、电镀车间 A 、动力电路：

P (30)= P 9(e)K 9(d) =250X0.5=125KW Q (30)= 302302P S -=286.4kar S (30)= P 9/cos Θ=250/0.8=312.5 KVA

I (30) = S (30)/ 3Un =312.5/3X0.38=474.92A B 、照明电路：

P (30)= P 10(e)K 10(d)+ P11(e)K 11(d)=5X0.8+350X0.7=249 KW Q (30)= 302302P S -=298.72 kar

S (30)= P 10/cos Θ+ P 11/cos Θ=(5/1.0)+(350/0.9)=388.89 KVA I (30) = S (30)/ 3Un =388.89/3 X0.38=591.02A 则电镀车间、生活区：S(30)=312.5+388.89=701.39KVA （4）、热处理车间、装配车间、机修车间、锅炉房、仓库 A 、动力电路：

P (30)=P 12(e)K 12(d)+P 13(e)K 13(d)+P 14(e)K 14(d)+P 15(e)K 15(d)+P 16(e)K 16(d)=150X0.6+180X0.3+160X0.2+50X0.7+20X0.4=219KW Q (30)= 302302P S -=759.55 kar

S (30)= P 12/cos Θ+P 13/cos Θ+P 14/cos Θ+ P 15/cos Θ+P 16/cos Θ=(160/0.80)+(180/0.70)+(160/0.65)+(50/0.80)+(20/0.8)=790.79 KVA I(30) = S(30)/ 3Un =790.79/3X0.38=1201.8A B 、照明电路：

P (30)=P 12(e)K 12(d)+P 13(e)K 13(d)+P 14(e)K 14(d)+P 15(e)K 15(d)+P 16(e)K 16(d)=5X0.8+6X0.8+4X0.8+1X0.8+1X0.8=15.6KW

Q (30)= 302302P S -=6.76 kar

S (30)= P 12/cos Θ+P 13/cos Θ+P 14/cos Θ+ P 15/cos Θ+P 16/cos Θ=(5/1.0)+6/1.0)+(4/1.0)+(1/1.0)+(1/1.0)=17 KVA I (30) = S (30)/ 3Un =17/3X0.38=25.83A

则热处理车间、装配车间、机修车间、锅炉房、仓库： S (30)=17+790.79=817.79KVA

取全厂的系数同时为K (p)=0.9 K (q)=0.95 则全厂计算负荷为： P (30)=195+10.4+188+14.3+125+249+219+15.6=1016.3 KW

Q (30)=947.17+9.8+1200.75+1.57+286.4+298.72+759.55+6.76=3510.72 kar

S (30) =302302P S =3654.86 KVA I (30) =3654.86/3X0.38=5554.5A

3.2无功功率补偿

以上结果可得变压器低压侧的视在计算负荷为：S (30) =3654.86 KVA 这时的功率因素为：cos@= P (30)/ Q (30)=1016.3/3654.86=0.27远小于0.9，因此要进行无功功率补偿。由于电压器的无功消耗大于有功消耗，所以在计算无功功率补偿时候取 cos Θ=0.92，这样我们无功补偿的Q （c ）为：Q （c ）=1016.3[tan(arccos0.27)-tan(arccos0.92)]=3201.3 Kvar 则取Q （c ）=3300Kvar ，采用33个BWF10.5/100/1并联电容器进行补偿，总共容量：100KvarX33=3300Kvar

(1) 、补偿后的变压所的低压侧视在计算负荷为：

S (30) =1016.3X1016.3+（3510.72-3300）X 72.210=1037.9KVA 电流：I (30)=1037.9/3X0.38=1577.36A （2）、变压所的功率损耗为：

△P (r)=0.015 S (30)=0.015X1037.9=15.57Kvar △Q (r) =0.06 S (30)=0.06X1037.9=62.274 Kvar （3）、变电所的高压侧的计算负荷为：

P (30)=195+10.4+188+14.3+125+249+219+15.6=1016.3 KW Q (30)=3510.72-3300=210.72 kar S (30) =1038.33 KVA

I (30)=1038.33/3X0.38=1578A

( 4 )、补偿后的功率因素：cos Θ= P (30)/ S (30)= 1016.3/1038.33=0.979（大于0.9）符合要求

第4章变电所高压电器设备选型

4.1主变压器的选择

年损耗的电量的计算

年有功电能消耗量及年无功电能消耗量可由下计算得到

（1）年有功电能消耗量：W(pa)=ap（30）T（a）

（2）年无功电能消耗量：W(pa)=βQ (30) T（a）

结合本工厂的情况，年负荷利用小时数T（a）=4600小时，取年平均用功负荷系数α= 0.72 年平均无功负荷系数β=0.78 由此可得本厂：

（1）年有功电能消耗量：

W(pa)=0.72X1016.3X4600=3365985.6KW/h

（2）年无功电能消耗量：

W(pa)=0.78X1038.33X4600=3725528.04KW/h

全工厂的实在计算负荷和全工厂要求上看，该厂负荷属于二级负荷，故该工厂变压器的容量：S(nt)≥0.7X1037.9=756.53KVA

所以我们选1000KVA的变压器容量S9-1000/10型配电变压器，采用Yyn0.

4.2各个车间变压器的选择

（1）铸造车间、锻压车间变压器容量：

S(nt)≥0.7X981.03=686.72KVA

选择S9/800/10型号低损耗配电变压器，连接组别采用Yyn0

（2）金工车间、工具车间变压器容量：

S(nt)≥0.7X1233.16=863.212KVA

选择S9/1000/10型号低损耗配电变压器，连接组别采用Yyn0

（3）电镀车间、生活区变压器容量：

S(nt)≥0.7X701.39=490.97KVA

选择S9/600/10型号低损耗配电变压器，连接组别采用Yyn0

（4）热处理车间、装配车间、机修车间、锅炉房、仓库变压器容量：

S(nt)≥0.7X817.79=572.KVA

选择S9/600/10型号低损耗配电变压器，连接组别采用Yyn0

4.3 10KV架空线的选择

本厂有附近一条10KV公用电源干线取得电源，所以按照寂静电流密度选择导线截面积，线路在正常工作时的最大功罪电流为：

Ig=1038.33/3X10=59.95A

该工厂为三班制，全年最大负荷利用小时数位4600小时，属于三级负荷。其钢芯铝线电流密度J=0.9 所以导线截面面积：

Sj=Ig/J=59.95/0.9=66.11mm2

由于线路长久使用，应该选择截面面积为70mm2的刚芯铝线，所以10KV架空线为LGJ/70的导线

查表的LGJ/70型裸导线的允许电流Iy=275A(25℃)、Iy=228A(35℃) 、Iy=222A(40℃)

第5章短路电流的计算

5.1 短路的基本概念

短路是指电源通向用电设备的导线不经过负载而相互直接连接的状态，也称为短路状态。

5.2 短路的原因

造成短路主要原因有：

1、电气设备绝缘损坏这种损害可能是由于设备长气运行、绝缘老化造成的；也肯能是设备本身质量低劣、绝缘强度不够而被正常电压击穿；或者设备质量合格、绝缘合乎要求而被过电压击穿；或者由于设备绝缘守到了外力损伤而造成的。

2、有关人员误操作这种情况大多数是由于操作人员违反安全操作规程而发生的，例如带负荷拉闸，或者误将电压设备接入较高压的电路中而造成的击穿短路。

3、鸟兽为害事故鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，从而导致短路。

5.3 短路的后果

短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大的多。在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安，如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害：

1、短路时要产生很大的点动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏，甚至引起火灾事故。

2、短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。

3、短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源停电范围越大，造成的损失也越大。

4、严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步造成系统解列。

5、不对称短路包括单相和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变电磁场，

对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。

由此可见，为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件等，也必须计算短路电流。

5.4 短路的形成

在三相系统中，短路的形式有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路等，其中两相接地短路，实质是两相短路。

按短路的对称性来分，三相短路属对称性短路，其他形式短路均为不对称短路。

电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。但是一般情况下，特别是原理电源（发电机）的工厂供电系统中，三相短路电流最大，因此他造成的危害也最为严重。为了是电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择和校验电器设备用的短路计算中，以三相短路计算为主。实际上不对称短路也可以按对称分量法将不对称的短路电流分解为对称的正序、负序和零序分量，然后对称量来分析和计算，所以对称的三相的三相短路分析计算也是不对称短路分析计算的基础。

5.5 三相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为了保证电力系统安全运行，选择电气设备时，要用流过该设备的最大短路电流进行热稳定校验和动稳定校验，以保证设备在运行中能够经受住突发短路引起的发热和点动力的巨大冲击。

5.6 短路电流的计算

计算短路电流的方法有欧姆法和标幺值法，这里用的是标幺值法。

本工厂的供电系统简图如下图所示。采用一路电源供线，一路本厂馈电变电站经LGJ/70架空线（系统按∞电源计）。

本电厂的供电简略图如下：

5、7 电费计算

本厂与当地供电部门达成协议，在本厂变电所高压侧计量电能，设专用计量柜，按两部电费交电费。每月基本电费按主变压器容量计为18元/KVA，动力电费为0.20元/kwh，照明电费为0.500元/kwh。工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.90.此外，电力用户需按新装变压器容量计算，一次性地向供电部门交供电贴费：6~10KV为800元/KVA。

供电贴费：主变压器容量为每KVA800元，供电贴费为1000KVA*0.08万元/ KVA =80万元。

月基本电费按主变压器容量计为18元/KVA，故每年电费为1000*18*12=21.6万元。

根据年最大负荷利用小时T可求得：

动力费用：627.5*T*0.2

照明费用：31.3*T*0.5

第6章变电所的设备选择与校验

6.1 10KV侧设备的选择和校验

6．1．1 一次设备的选择

A、断路器

断路器（英文名称：circuit-breaker，circuit breaker）是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。在这里由于10KV除的最高正常工作电流Ig=59.95A，且户外布置。选择断路器为户内少油断路器，型号是：SN3-10I，其主要技术数据如表所示：

SN3-10I断路器技术参数

B、隔离开关

隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备，主要用来断开无负荷电流的电路，隔离电源，在分闸状态时有明显的断开点，以保证其他电气设备的安全检修。在这里由于10KV处的最高正常工作电流为Ig=59.95A，且户内布置。选择的隔离开关型号为：GW2-10G，其主要技术数据如表所示：

GW2-10G断路器技术参数

C、电压互感器

电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。在这里由于互感器用于运行监视，选择准确度为1级，根据电压和工作环境，我们选择的型号为：JD6-10，其技术参数如下：

JD6-10电压互感器技术参数

Ｄ、熔断器

熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体（fuse-link)"。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。这里熔断器是用于保护电压互感器的，由于10KV处的最高电厂工作电流为Ig=59.95A。因此选择高压限流熔断器的型号是：RXW0-10/0.5，其主要技术参数如下表：

RXW0-10/0.5熔断器技术参数

Ｅ、避雷器

避雷器又称：surge arrester，能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。这里根据电压等级和工作环境确定选择磁吹阀式避雷器，型号为：FCZ3-10，其主要技术参数如下：

FCZ3-10避雷器技术参数

6．2二次设备的选择

Ａ、断路器

由于一次侧的电流为Ig=59.95A

，因为二次侧电流和一次侧电流是一样的所以I （2）g=59.95A ，二次侧所以选择是户内型的，型号为：SN10-10/630，其主要技术参数如下：

SN10-10/630断路器技术参数

Ｂ、熔断器

该熔断器用于保护电压互感器，由于10KV 处的最高电厂工作电流为Ig=59.95A 。因此选择高压限流熔断器的型号是：RW0-10/1.5，其主要技术参数如下：

RW0-10/1.5熔断器技术参数

6.３ 10kv 侧的设备选择和校验

1.熔断器

用于10KV侧正常工作时的电流由各个车间按照每个车间的进行计算：

Ａ、铸造车间、锻压车间：正常的工作电流为：Ig=981.3/根号3X10=56.66A，是户内布置的断路器，型号是：SN10-10/1250，其主要技术参数如下：

SN10-10/1250断路器技术参数

B、金工车间、工具车间正常工作电流为：Ig=1233.66/根号3X10=71.23A，是户内布置的断路器，型号是：SNS-10/1000，其主要技术参数如下：

SNS-10/1000断路器技术参数

C、电镀车间、生活区正常的工作电流Ig=701.39/根号3X10=40.49A，是户内布置的断路器，型号是：SN10-10/1250，其主要技术参数如下：

SN10-10/1250断路器技术参数

D、热处理车间、装配车间、机修车间、锅炉房、仓库正常的工作电流Ig=817.79/根号3X10=47.22A，是户内布置的断路器，型号是：SN10-10/1250，其主要技术参数如下：

SN10-10/1250断路器技术参数