纺织厂10kV供配电毕业设计论文

纺织厂10kv供配电设计

摘要

随着工厂自动化程度的提高，合理的工厂供电系统变得越来越重要，不仅可以保证工厂的正常生产，还能大大的节约电能降低产品的成本，提高生产效率。

本设计为纺织厂供配电系统设计，主要包括电力负荷计算、变电站主接线的设计、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以及变电站继电保护规划设计和防雷与接地。

同时在设计中采用并联电容器的方法来补偿无功功率，以减少供电系统的电能损耗和电压损失，同时提高了供电电压的质量。从而使整个供电系统更具有其可靠性和灵活性。

关键词：电源进线短路计算电气设备选择继电保护

10kV Power Distribution Design of Textile Factory

ABSTRACT

With the development of factory automation，power supply system becomes more and more important. It not only can guarantee normal production of the factory ,but also reduce the cost of the products, save the electrical energy and increase productivity.

The paper is about the design of the supply and distribution system of a textile factory .It mainly includes the load calculation, the design of substation bus, the design of the inlet line and the high voltage distribution line, short circuit calculation, high and low voltage electrical equipment selection, the layout of the relay protection and the design of the lightning-protection and grounding.

At the same time the design uses shunt capacitor to compensation reactive power to decrease energy losses and voltage losses in the power supply system.It can also improve the quality of the power supply voltage. So the whole design of the power supply system becomes more reliability and flexibility.

KEY WORDS:power system，short circuit calculation，electrical equipment，relay protection

目录

前言 (1)

第1章负荷计算 (3)

1.1 电力负荷计算的内容 (3)

1.2 电力负荷的表达式 (3)

P (3)

1.2.1 年最大负荷max

1.2.2 平均消耗的功率av P (3)

1.2.3 负荷系数 (4)

1.2.4 单个三相用电设备组的计算负荷 (4)

1.2.5 多组用电设备计算负荷的确定 (5)

1.3 负荷计算 (6)

1.4 变电所变压器的选择 (12)

第2章无功补偿 (14)

2.1无功补偿方案设计 (14)

2.1.1提高功率因数的意义 (14)

2.1.2补偿装置的确定 (14)

2.2无功补偿容量计算 (15)

第3章变电站主接线的设计 (17)

3.1 主接线的基本要求 (17)

3.2 主接线的选择 (17)

3.2.1 单母线接线方式 (17)

3.2.2 单母线分段 (18)

第4章电源进线及工厂高压配电线路的设计 (19)

4.1 变电所进出线及与邻近单位联络线的选择 (19)

4.1.1 10kV高压进线的选择校验 (19)

4.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验. 19

4.1.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验 (20)

4.2 0.4kV低压出线的选择 (21)

第5章短路计算 (22)

5.1 短路电流计算的目的 (22)

5.2 短路电流计算的方法 (22)

5.2.1 短路计算 (23)

5.2.2 计算短路电路中各元件的电抗标幺值 (23)

5.2.3 K-1点短路计算 (24)

5.2.4 K-2点短路计算 (24)

5.2.5 K-3点短路计算 (25)

5.2.6 K-4点短路计算 (25)

5.2.7 K-5点短路计算 (26)

5.2.8 K-6点短路计算 (26)

第6章高低压电气设备选择 (28)

6.1 一次设备选择与校验的条件和项目 (28)

6.2 按正常工作条件选择 (28)

6.3 短路条件校验 (28)

6.3.1 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验. 28

6.3.2 电流互感器的短路稳定度校验 (30)

6.4 熔断器和熔体的选择校验 (31)

6.5 高压互感器的选择与校验 (32)

6.6 0.4kV侧一次设备的选择 (33)

6.6.1 NO.1 车间变电所 (33)

6.6.2 N0.2 车间变电所 (33)

6.6.3 N0.3 车间变电所 (34)

6.6.4 N0.4 车间变电所 (34)

6.6.5 N0.5 车间变电所 (34)

第7章防雷与接地设计 (36)

7.1 变电所的防雷保护 (36)

7.1.1 直击雷防护 (36)

7.1.2 雷电侵入波的防护 (36)

7.2 变电所公共接地装置的设计 (36)

7.2.1 接地电阻的要求 (37)

7.2.2 接地装置的设计 (37)

结论 (38)

谢辞 (39)

参考文献 (40)

附录 (41)

附录1电气总接线图 (41)

附录2纺织厂原始资料 (42)

外文资料翻译 (43)

前言

本设计为电气工程及其自动化专业的毕业设计，以供电技术为主线，综合考查学生对本专业各科知识的掌握程度，培养对本专业各科知识进行综合运用的能力，同时也检验了本专业学习四年以来的成果。

1. 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。除某些特殊的大型工业企业带有自备发电站以外，工厂都是由电力系统的终端降压变配电所，即总降（配）变电所提供电能。总降（配）变电所、供电线路和用电设备构成了一个完整的工厂供电系统。供电系统一旦确定，就决定了用户内部用电负荷的供电可靠性和供电质量。电能易于转换，易于传输，分配简单经济，便于调节、控制和测量等特点，使得电能成为了工业生产的主要能源。能否保证供电的可靠性和电能质量直接影响到工业生产能否正常进行，能否做到合理用电、节约用电、高质量用电成为决定工厂生产力和企业效益的重要因素。因此，设计符合工厂具体负荷情况的供电系统是工业生产的必备条件。

做好工厂供电工作对发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。工厂企业是国家电力的主要用户，完善工厂供电系统的配置对节约能源、支援国家经济建设也有很大的促进作用。为了使工厂供电工作能够切实为工业生产服务，要求做到以下几点：

（1）安全在电能的供应、分配和使用过程中，不应发生人身事故和设备事故。

（2）可靠不同级别的负荷对供电可靠性的要求不同，工厂供电系统必须满足相应负荷的要求。

（3）优质供电系统提供的电能应该满足电力用户对电压、频率等电能质量的要求。

（4）经济在保证供电可靠性的情况下，供电系统的投资要尽量少，运行费用要尽量低，并尽可能的节约电能和减少有色金属的消

耗量。

2. 工厂供电设计的一般原则

工厂供电设计必须以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程的实际情况进行。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》、

GV50054-95《低压配电设计规范》、《全国通用建筑标准设计.电气装置标准图集》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；

必须遵守国家有关规定及标准，执行国家有关方针和政策，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，综合考虑，确定合理的设计方案。

3. 设计的内容及步骤

工厂供电系统的设计是根据电力用户所处地理环境、生产工艺对负荷的要求、各个车间的负荷数量和性质、负荷布局以及地区供电条件进行的。要求设计成果能应用于生产实际，能够让该供电系统安全、可靠、经济的分配电能，满足工业生产的需要。设计的具体步骤如下：

（1）按照厂区用电设备的资料和其他具体情况，计算负荷。

（2）根据负荷等级和计算负荷，选定供电电源、电压等级和供电方式。

（3）根据环境和计算负荷，选择变电所的位置、变压器数量和容量。

（4）为变配电所选择安全、可靠、灵活、经济的主接线，选择合理的户外高压配电方案。

（5）用标幺值进行短路电流的计算。

（6）根据短路电流的计算结果，按照正常工作条件、短路时的工作条件、电气设备自身特点进行电气设备的选择和校验，用主接线图表达设计成果。

（7）主变压器和馈线电路保护装置的设计及整定，包括保护方式的确认、保护值的整定、保护装置的选择以及灵敏度校验。

（8）变电所的防雷和接地设计，总降的电照设计。

（9）需要核算建设所需器材与总投资。

第1章 负荷计算

1.1 电力负荷计算的内容

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。

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 电力负荷的表达式

电力负荷根据其对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度，可分为三级：一级负荷、二级负荷、三级负荷。

1.2.1 年最大负荷max P

就是全年中负荷最大的工作班内消耗电能最多的半小时平均负荷

30P 。年最大负荷利用小时max T ，是假设电力负荷按年最大符合max P 持续运行时，在次时间max T 内电力负荷所好用的电能恰与电力负荷全年实际所耗用的电能相等。按下式计算：

max T ＝

max

P W p （h ）

m

Q W T q max (=

无功）（h ） (1-1)

其中W —为全年消耗的电量（h kvar 或h k ??W ） P W —有功电量 q W —无功电量

1.2.2 平均消耗的功率av P

av P 就是电力负荷在一定时间t 内平均消耗的功率，即：

av P ＝

t

W P

（kW ） (1-2) 年平均负荷av P ，就是电力负荷全年平均耗用的功率，t 取8760（h ），即：

av P ＝

8760

a

W (1-3)

1.2.3 负荷系数

最大工作班内，平均负荷与最大负荷之比，称为负荷系数。用α、β分别表示有功、无功负荷系数，其关系式为：

m av P P =

α m

av Q Q

=β (1-4)

1.2.4 单个三相用电设备组的计算负荷

需要系数法确定三相用电设备组计算负荷：

在供配电系统设计和运行中，常使用需要系数d K ，其定义为：

e

m

d P P K =

(1-5) 式中 m P —用电设备组负荷曲线上最大的有功负荷（kW ）； e P —用电设备组设备容量（kW ）； 其物理意义为：

1

1r L

d K K K ηη∑=

（1-6)

∑K —同期系数。L K —负荷系数。1η—线路供电率。 1r η—用电设备在实际运行功率时的效率。1r η＜1。 用电设备组有功计算负荷：

c P ＝e

d P K (kW ) (1-7)

用电设备的无功计算负荷：

c Q ＝c P φtan （kvar ） (1-8)

用电设备组的视在计算负荷为：

c S ＝

φ

cos c P =22

c c Q P +（kVA ） (1-9) 用电设备组的计算电流为：

c I ＝

N

c U S 3（A ） (1-10)

按二项式发确定三相用电设备组计算负荷. 同一工作制单组用电设备

有功计算负荷为 x e c cP bP P += 无功计算负荷为 c Q ＝c P φtan （kvar ）

式中 b 、c —为二项式系数，对于不同类型的设备取值不同。

1.2.5 多组用电设备计算负荷的确定

确定拥有多组设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因数。因此在确定多组用电设备时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别记入一个同期系数

∑p K 和∑q K 。

对车间干线取： ∑p K ＝0.85～0.95

∑q K ＝0.90～0.97

对低压母线，分两种情况

由用电设备组计算负荷直接相加来计算时，取：

∑p K ＝0.80～0.90

∑q K ＝0.85～0.95

由车间干线计算负荷直接相加来计算时，取：

∑p K ＝0.90～0.95

∑q K ＝0.93～0.97

需要系数法确定计算负荷 总的有功计算负荷为

))((1

kW P K K P ei di m

i

C ∑=∑

= (1-11) 总的无功计算负荷为

))(tan (1

kwar P K K Q ei di m

i

C φ∑=∑

= (1-12)

则视在计算负荷为 2

2c

c c Q P S +=(kV (1-13)

总的计算电流为 )(3A U S I N

C

C =

(1-1

4)

工厂的计算负荷，应该是在高压母线上所有高压配电线路计算负荷之和，在乘以一个同时系数。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，……如此逐级计算即可求得供电系统所有元件的计算负荷。但对一般工厂供电系统来说，由于高低压配电线路一般不很长，其损耗较小，因此在确定其计算负荷时往往不计线路损耗。

在负荷计算中，电力变压器的功率损耗可按下列简化公式近似计算： 有功损耗： )(015.0kW S P T N T ?≈?

无功损耗： var)(06.0k S Q T N T ?≈?

1.3 负荷计算

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。该厂有二级负荷这三级负荷。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：e d C P K P ?= （1-17）

（2）无功计算负荷： φtan P Q C C ?= （1-18） （3）视在功率负荷：φ

cos c

c P S =

（1-19）

（4）计算负荷： N

c c U S I 3=

（1-20）

而在NO.1车间里的合计中：...21++=c c c P P P

...21++=c c c Q Q Q

2

2c c c Q P S += （1-21）

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总c P '应该是该线路所供车间变电所低压侧计算负荷总c P 加上变压器的功率损耗。

故：

（1）T P P P ?+=c '

c （1-22） （2）T c c Q Q Q ?+='

（1-23） （3）2

'

2

''

c c

c Q P S += （1-24）

（4）总的计算电流为 N

c c U S I 3'

= （1-25）

根据上面公式进行负荷计算

有功损耗： c T S P 015.0≈? 无功损耗： c T S Q 06.0≈? （1-26）

NO.1： 8.624=c P 792.471=c Q 92.782=c S

19.1380

392.7823=?=

=

n

c c U S I

74.1195.782015.0015.0=?==?C T S P

51.63674.118.624'

=+=?+=T c c P P P 978.4692.78206.006.0=?==?c T S Q 79.518978.4680.471'=+=?+=T c c Q Q Q

='c

S 2279.51851.636+='+'c c Q P =821.15 A U S I N

c

c 41.4710

315.8213'

'

=?=

=

NO.2： 7.116=c P 011.196=c Q 121.228=c S

35.0380

3121.2283=?=

=

N

c C U S I

422.3121.228015.0015.0=?==?c T S P

122.120422.37.116'

=+=?+=T c c P P P 69.13121.22806.006.0=?==?c T S Q 701.21269.13011.196'

=+=?+=T c c Q Q Q 277.244701.212122.120222

'2

''

=+=+=c c c Q P S

10.1410

3277.2443'

'=?=

=

N

c

c U S I

NO.3： 710=c P 5..532=c Q 5.887=c S

35.1380

35.8873=?=

=

N

c c U S I

3.135.887015.0015.0=?==?c T S P 3.7233.13710'

=+=?+=T c c P P P 25.535.88706.006.0=?==?c T S Q 75.58525.535.532'

=+=?+=T c c Q Q Q 9.93075.5853.723222

'2

''=+=+=c

c c Q P S

745.5310

39.9303'

'

=?=

=

N

c

c U S I

NO.4： 5.262=c P 875.196=c Q 125.328=c S

5.0380

3125.3283=?==

N

c c U S I

922.4125.328015.0015.0=?==?c T S P 422.267922.45.262'

=+=?+=T c c P P P 6875.19125.32806.006.0=?==?c T S Q 56.2166875.19875.196'

=+=?+=T c c Q Q Q 11.34456.216422.267222

'2

''=+=+=c

c c Q P S

87.1910

311.3443'

'

=?=

=

N

c

c U S I

NO.5： 210=c P 8.100=c Q 94.232=c S

35.0380

394.2323=?=

=

N

c c U S I

49.394.232015.0015.0=?==?c T S P 49.21349.3210=+=?+='T c c P P P 98.1394.23206.006.0=?==?c T S Q 78.11498.138.100'

=+=?+=T c c Q Q Q 39.24278.11449.213222

'2

''=+=+=c

c c Q P S

99.1310

339.2423'

'

=?=

=

N

c

c U S I

高压母线上所有高压配电线路计算负荷之和： 54321'

NO NO NO NO NO c P P P P P P ++++=∑

484

.196049.213422.2673.723122.12015.636=++++=

54321'NO NO NO NO NO c

Q Q Q Q Q Q

++++=∑

58

.164878.11456.21675.585701.212.79.518=++++=

∑∑∑+=

2

'2''

c

c c Q P S

8.14710

351.25613=?='='N

c

c

U S I

∑∑'=

c

c

S

P )

2(cos ?51.2561484.1960=

=0.77

根据计算可得表1-1

表1-1工厂负荷统计表

1.4 变电所变压器的选择

1．变压器的容量选择：

（1）变压器的容量首先要满足在计算负荷下，变压器能够长期可靠运行。对于单台变压器SNT ≥SC ，对于两台并列运行的变压器SNT1+SNT2≥SC ，SNT1≥SC Ⅰ+SC Ⅱ， SNT2≥SC Ⅰ+SC Ⅱ，式中SC Ⅰ、SC Ⅱ--分别为负荷SC 中一级和二级负荷的容量；SNT1、SNT2—分别为并列运行的两台变压器的额定容量。

（2）为适用工厂发展和调整的需要，变压器容量还应留有一定的裕量。 （3）所选方案要满足变压器经济运行的条件。

暗备用方式运行时，变压器的容量为70%S ﹥50%S ，满足条件1、2；其负荷率为50%S/70%S ≈70%,负荷率大于68%，满足条件3。暗备用方式投资省，能耗小，故应用广泛。

2．变压器调压方式选择

视负荷大小、可靠性要求、电压质量要求而定，一般车间变电所不使用有载调压变压器。

3．变压器相数的选择 一般选择三相变压器。 4．变压器台数的选择

该工厂引用10kV 进线，下分五个车间变电所，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。

5．变压器型号的选择

根据负荷计算结果表1-1确定各车间变电所变压器型号。 NO.1 车间变电所： )6(10/10009-S NO.2 车间变电所： )6(10/2509-S NO.3 车间变电所： )6(10/10009-S NO.4 车间变电所： )6(10/4009-S NO.5 车间变电所： )6(10/2509-S

所选的S9型电力变压器采用无激磁调压，调压范围是±5%，足以保证电压质量。

表1-2 变压器型号一览表

第2章无功补偿

2.1无功补偿方案设计

2.1.1提高功率因数的意义

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。

为了保证供电质量和节能，充分利用电力系统中发配电设备的容量，减小供电线路的截面，减小电网的功率损耗、电能损耗，减小线路的电压损失，必须提高用电单位的功率因数，则需考虑增设无功功率补偿装置。

2.1.2补偿装置的确定

无功补偿装置包括系统中的并联电容器，串联电容器，并联电抗器，同步调相机和静止无功补偿装置等。其中并联电容器补偿装置时无功负荷的主要电源之一。它具有投资省，装设地点不受自然条件限制，运行简便可靠等优点。故一般首先考虑装设并联电容器。由于它没有旋转部件，维护较为方便，为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷变化，分组投入或切除。

本次设计为10kV，从补偿装置的维护和性能的角度来考虑，就选用并联电容器装置。

2.2无功补偿容量计算

c P c

Q 'c

Q C

S C

S '

图1-1 无功补偿向量图

图1-1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φcos 提高到φ'co s

，这时在用户需用的有功功率c P 不变的条件下，无功功率将由x Q 减小到c

Q '，视在功率将由c S 减小到c S '。相应地负荷电流c I 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。

由图可知，要使功率因数由φcos 提高到φ'co s ，必须装设无功补偿装置（并联电容器），其容量为：

c q av av c P P Q ?=-=)tan (tan 21?? (1-15)

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c q 来确定电容器的个数，即：

c

c

q Q n =

(1-16) 变电所高压侧的9.0co s ≥?，取9.0co s =?。需在低压侧并联电容器的容量为：

c av C q P Q ?∑= 371.0484.1960?= 34.727=

根据各种数据，我选定并联电容器的型号为：BWF10.5-30-1