化工厂10KV供配电系统设计(兼容)(53页).doc

-化工厂10KV供配电系统设计(兼容)-第 42 页毕 业 设 计题目： 化工厂10KV供配电系统设计 学 生： 张添柱 学 号： 200706010335 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 肖中俊 2011 年 6月 2日陕 西 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书电气与信息工程学院 电气工程及其自动化专业 073 班级 学生：张 添 柱 毕业设计（论文）题目： 化工厂10kV供配电系统设计 完成期限：从 2011 年 12 月 1 日起到 2011 年 6 月 19 日课题的意义及培养目标： 要求根据化工厂所能取得的电源以及化工厂的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变电所的位置与型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案以及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，确定防雷和接地装置，最后要求写出设计说明书，绘出设计图纸。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料：设计的原始数据如下： （1）负荷情况 本工厂多数单位为动力负荷，除了仓库属于三级负荷外，其余单位均属于二级负荷。低压动力为三相380伏，照明为单相220伏，各车间负荷同期系数可取0.85。系统负荷数据如下： 车间编号车间名称负荷类别设备容量kW功率因数1制条车间动力4500.802纺纱车间动力4500.803软水站动力1200.804锻工车间动力450.655织造车间动力3000.806染整车间动力3500.807锅炉房动力1000.758仓库动力600.75（2）供电电源情况 供电电压10KV，供电方位：厂区东北方向大约2km单回路架空进线 计量方式：高供高计 电价： 基本电费 ￥4/KVA，电度费 ￥4/度 扩容费 ￥500/KVA 国库券认购费 ￥400/KVA (510年后归还) 要求cos达到0.95 出口开关短路容量 500MVA （3）气象地质资料 海拔高度：1023米 年最热月：七月 平均温度：22.7 平均最高温度：29.2 极端最高温度：36.4 极端最低温度：36.7 雷暴日：30（日/年） 最热月地下0.8m处土壤平均温度：21 电阻率： 黄土：200·M 沙质粘土：100·M。 （4）资料： 1工厂供电（苏文成） 2 相关电气工程手册 3校区规划和建筑布局图 4高低压电器的配套；包括高低压电器的选型，配套、负荷补偿等 课题的主要任务（需附有技术指标要求）：1.工厂供电的基本知识 2.电力负荷及其计算 3.工厂供电系统 4.短路电流计算及电气设备的选择 5.供电系统的保护及供电自动化 6.节电及功率因数的提高 7.供电系统的电压质量 设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周次设计任务及要求1-3分配任务，了解原始数据，确定设计任务4-6制定设计方案，数据计算7-11选择设备容量、型号，并进行校验12-13作论文前期整理工作并实际论证所做设计的合理性；14-17论文定稿，印制，做答辩准备。学 生： 日期： 指导教师 ： 日期： 教研室主任： 日期： 化工厂10Kv供配电系统设计摘 要对于一个化工厂而言，合理的供配电系统结构对于企业自动化系统的合理、安全、有序的运行起着至关重要的作用。大部分化工厂的车间大部分是一级、二级负荷，如制条车间、纺纱车间等等。一旦出现故障会对企业的运行以及人身安全造成重大的危害。所以就对供配电的安全、可靠、经济等指标提出了更高的要求。首先，对全厂的负荷进行系统计算，为确定供电系统的电力变压器、各种开关电器的容量、电力线路的截面和变电所的所址等提供依据。并且对其进行无功补偿，以减少变压器、电力线路、开关设备的功率损耗，从而减少电器元件的规格，降低它的功率损耗和电压损耗，减少投资；其次,根据本厂的实际情况和经济技术比较电力变压器，确定变电所的所址、类型以及其主接线方案；然后按符合情况系统地对厂区进行设计，为了校验一次设备的短路稳定度，开关电器的断流能力及电流保护装置的灵敏度，整定电流速断保护装置的动作电流，进行短路电流的计算，进而选择了电力线路和高低压电气设备；最后，确定全厂配电系统的防雷接地系统设计。关键词：低压供配电，负荷计算，功率补偿，变压器，继电保护Design of Low-voltage Distribution System in Paper MillsABSTRACTTo a Chemical Plant, a reasonable power supply and distribution structure is very important to the safe running of factory automation system which can assure the security, the order working. The majority of paper mill workshops are the first level or second level of loads, such as articles workshop,spinning workshopand so on, Once faults appear, the breakdown to be able causes the significant harm to enterprise's movement as well as the personal safety. Therefore on to be supplied the power distribution the security, reliably, targets and so on economy to set a higher request.First , Calculate the system to the load of the the whole factory, for confirm electric voltage transformer , various kinds of of electric power system turn on or off capacity of electric apparatus , electric section of circuit and transformer substation location ,etc. offer the basis. Is it have work compensate to go on to it, in order to reduce voltage transformer , electric circuit , power of the switchgear loss, reduce specification , electric apparatus of component , reduce power of it loss and voltage loss, reduce investment. Second , compare with economic technology the electric voltage transformer according to actual conditions of our factory, confirm the location , type and its main wiring scheme of the transformer substation; Third , According to accord with situation is it design to go on to factory systematically , for check-up one short circuit stability degree of equipment, turn on or off the blanking ability and sensitivity of the electric current protector of the electric apparatus, exactly fix the movement electric current of the broken protector of speed of the electric current, is it short out calculation of electric current to go on , choose electric circuit and high or low prices pigeonhole electric equipment; End , Confirm the whole factory dyke thunder earth , distribution of system design systematically.KEY WORDS: Low-voltage power supply and distribution, Load computation,Power compensation, Transformer, Relay protection目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 工厂供配电系统的特点11.2 国内外发展情况21.3 工厂供电设计的一般原则21.4 工厂供电设计内容及步骤21.5 研究内容、方法及预期成果42 负荷计算及方案设计52.1 负荷计算的概念和方法5负荷计算有关概念5负荷计算的方法52.2 各车间负荷的计算62.3 总负荷的计算72.4 无功功率补偿8功率因数对供电系统的影响8电力线路功率损耗的计算9电力变压器功率损耗的计算9无功补偿容量的计算102.5 变电所主变压器型式和主接线方案的选择312变电所位置的选择12变电所主变压器的型式选择143 短路电流的计算183.1 短路电流计算的一般概述18短路的原因18短路的危害18短路的类型18短路回路参数的计算193.2 短路电流的计算19绘制计算电路19确定基准值20计算短路电路中各元件的电抗标幺值20计算k-1点短路电流的计算20计算k-2点短路电流的计算214 一次设备的选择和校验224.1 10KV侧一次设备的选择校验22断路器、隔离开关的选择和短路稳定度校验22熔断器的校验23电流互感器的短路稳定度校验244.2 380V侧一次设备的选择校验25断路器的短路稳定度校验26熔断器的校验26电流互感器的短路稳定度校验274.3 高低压母线的选择284.4 变电所进出线与邻近单位联络线的选择28高压进线和引入电缆的选择28低压出线的选择29作为备用电源的高压联络线的选择校验305 变电所二次回路的选择与继电保护的整定325.1 高压断路器的操动机构控制与信号回路325.2 变电所的电能计量回路325.3 变电所的测量325.4 变电所的保护装置32继电保护装置的组成33主变压器的继电保护装置9346 电气安全、防雷和接地376.1 电气安全37电气安全的含义和重要性37电气安全措施37电气防火和防爆376.2 变电所的防雷保护38过电压及雷电概述38防雷设备39变电所的防雷措施396.2.4 直击雷防护39雷电侵入波的防护406.3 变电所公共接地装置的设计40接地概述41接地类型41接地电阻的要求42接地装置的设计43小结44致 谢45参 考 文 献46附 录471 绪论1.1 工厂供配电系统的特点工厂供电【1】，即指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电.电能是现代工业生产的主要能源和核心动力。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。在企业工厂里，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。可见，做好工厂供电工作对于发展工业自动化生产，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，并确实做好节能环保工作，就必须达到以下基本要求【13】：（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。工厂供电系统是电力系统的主要组成部分，它是电能的主要用户，根据几个国家的统计，工厂用电量约占全国发电量的50%甚至70%以上。工厂变电所是终端降压变电所。决定工厂用户供电质量的指标【4】为:电压、频率、可靠性。工厂供配电系统和电力系统不同，它主要反映工厂用户的特点和要求。如工厂的电力负荷如何计算；怎样实现电能的合理利用和节约；减少用电面积的新型变电所结构；大型及特种设备的供电问题；厂内采用集中控制和调度技术的合理性问题等等，这些问题有的对电力系统的安全和经济运行关系密切，有的则为了保证用户高质量用电。1.2 国内外发展情况【12】目前，我国的电力网正进行大规模的改造，与此相应，城乡变电所也必须进行更新换代，我国电力网的现实情况是常规变电所依然存在，小型变电所、微机监测变电所、综合自动化变电所相继出现，并取得了迅猛的发展。 随着改革的不断深化，各电力部门对变电所设计水平的要求将越来越高。现在所设计的常规变电所最突出的问题是设备落后，结构不合理，占地多，投资大，损耗高，效率低，尤其是在一次开关和二次设备造型问题上，基本停留在5060年代的水平上，从发展的观点来看，将越来越不适应我国城市和农村发展的要求。国民经济不断发展，对电力能源需求也不断增大，致使变电所数量增加，电压等级提高，供电范围扩大及输配电容量增大，采用传统的变电站一次及二次设备已越来越难以满足变电站安全及经济运行，少人值班或者无人值班的要求。分级保护和常规保护相比，增加了人机对话功能，自控功能，通信功能和实时时钟等功能，因此如果通过电力监控综合自动化系统，可以使变电站内值班人员或调度中心的人员及时掌握变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，并迅速进行处理，达到供电系统的管理科学化、规范化、并且还可以做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势。1.3 工厂供电设计的一般原则【3】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。必须从全局出发，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。1.4 工厂供电设计内容及步骤【3】工厂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，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面：（1）负荷计算工厂变电所的负荷计算，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，从而求出工厂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。（2）工厂变电所变压器的台数及容量选择参考电源进线方向，综合考虑设置工厂变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。（3）工厂变电所主接线设计根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。（4）工厂供、配电系统短路电流计算工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。（5）改善功率因数装置设计按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或厂品样本选用所需移相电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。（6）变电所高、低压侧设备选择参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验。用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。（7）继电保护及二次结线设计为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。（8）变电所防雷装置设计参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地电阻计算。（9）工厂变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。1.5 研究内容、方法及预期成果通过对工厂供电，发电厂电气部分，变电站综合自动化技术及电力系统继电保护的学习，运用所学知识设计一套化工厂10KV总降压变电所系统。方法：通过学习有关知识选择一个进行化工厂10KV总降压变电所系统的设计并与实践相结合的方法。先学习有关供配电系统设计的知识，通过网络和书籍查阅资料获取相关更多的知识，了解设计的整体轮廓；然后通过对负荷的计算选择总供配电方案，选择电气设备和设计继电保护的各种方案，使用AUTOCAD进行绘图设计，完成总供配电设计图，再分析实际的工程供配电系统，相比较后看所设计的系统是否合理。 通过本系统的设计实践，熟悉化工厂变电所的原理及功能，熟悉变电所的工作过程，巩固以前所学的相关知识，充分运用所学的工厂供，发电厂电气部分，电力系统继电保护，变电站综合自动化技术，AutoCAD制图等专业知识，设计一套完整的化工厂10KV总降压变电所系统，并且画出CAD电气系统图纸，以满足实际需要，使所学的专业课及专业基础课的知识由理论转向实践。电力行业对电的浪费大，这就更要求我们增强各个环节的利用率，以提高整个系统对电的总利用程度。经过一次完整的设计学习及锻炼，提前较好的认识变电所的工作原理，锻炼工程实践，方案制定和软件制图的能力，为毕业进入企业奠定良好基础。2 负荷计算及方案设计2.1 负荷计算的概念和方法 负荷计算有关概念（1） 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。（2） 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)电力负荷等级是供电设计的重要依据, 它直接反映了电力负荷对供电可靠性要求的程度。电力负荷总共分为三级，及一级负荷、二级负荷和三级负荷。 负荷计算的方法目前，负荷计算的方法主要有：需用系数法、二项式法、利用系数法、“ABC”法等。本设计采用需要系数法确定。需要系数法是在大量的测量与统计的基础上，给出各类负荷的需用系数和同时系数，然后把设备功率乘以需用系数和同时系数，直接求出计算负荷。这种方法山于简单易行，在供电设计中被普遍采用。但是，当用电设备台数少而功率相差悬殊时，其计算结果往往偏小，因而这种方法只适用于整个工程的负荷计算。需要系数法计算主要计算公式有：（1）单组用电设备组的计算负荷【10】 （21） （22） （23） （24）式中 为需要系数为设备容量为设备功率因数角的正切值（2）多组用电设备组的计算负荷【11】应考虑各用电设备组的最大负荷不一定同时出现 （25） （26） （27） （28）式中 为该用电设备组各设备容量之和(KW)为用电设备的额定线电压（KV）为该用电设备组的功率因数角的正切值为改用电设备组的需要系数。2.2 各车间负荷的计算制条车间：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.75=*=0.8*450=360KW=* tan=360*0.75=270Kvar=/cos=360/0.8=450KVA =/()=450/(1.732*380)=684A纺纱车间：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.75=*=0.8*450=360KW=* tan=360*0.75=270Kvar=/cos=360/0.8=450KVA =/()=450/(1.732*380)=684A软水站：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.75=*=0.65*120=78KW=* tan=78*0.75=585Kvar=/cos=78/0.8=97.5KVA =/()=97.5/(1.732*380)=148A锻工车间：动力负荷：tan=tan(arccos)=1.17=*=0.2*45=9KW=* tan=9*1.17=10.53Kvar=/cos=9/0.65=13.846KVA =/()=13.846/(1.732*380)=21A织造车间：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.75=*=0.8*300=240KW=* tan=240*0.75=180Kvar=/cos=240/0.8=300KVA =/()=300/(1.732*380)=456A染整车间：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.75=*=0.8*350=280KW=* tan=280*0.75=210Kvar=/cos=280/0.8=350KVA =/()=350/(1.732*380)=532A锅炉房：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.88=*=0.75*100=75KW=* tan=75*0.88=66Kvar=/cos=75/0.75=100KVA =/()=100/(1.732*380)=152A仓库：动力负荷：tan=tan(arccos)=0.88=*=0.3*60=18.0KW=* tan=18*0.88=15.84Kvar=/cos=18/0.75=24.0KVA =/()=24/(1.732*380)=36.5A2.3 总负荷的计算【10】【23】各个车间之和： =1420KW =1607.37Kvar由于各车间负荷同期系数可取0.85，即=0.85 =0.85则实际有： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)表2-1 化工厂计算负荷车间编号车间名称类别设备容量Pe/KW需要系数Kdcostan计 算 负 荷/KW/Kvar/KVA/A1制条车间动力4500.80.80.753602704506842纺纱车间动力4500.80.80.753602704506843软水站动力1200.650.80.757858597.51484锻工车间动力450.20.651.17910.5313.846215织造车间动力3000.80.80.752401803004566染整车间动力3500.80.80.752802103505327锅炉房动力1000.750.750.8875661001528仓库动力600.30.750.8818.015.8424.036总负荷0.6612071366.2651823.0552769.92.4 无功功率补偿2.4.1 功率因数对供电系统的影响【3】当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大，即供电系统的功率因数降低将会引起：(1) 系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电器元件容量增大，从而使工厂内部的起动控制设备、测量仪器等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。(2) 由于无功功率的增大而引起的总电流的增加，使得设备及供电线路的有功功率损耗相应地增大。通常可用系数来反应由于输送无功功率的变化而引起的线路上有功功率损耗的变化量，因此，系统中总的有功功率损耗就可用下时表示： (2-14)(3) 由于供电系统中的电压损失正比于系统中流过的电流，因此总电流增大，就使得供电系统中的电压损失增加，使得调压困难。(4) 对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁电流，则使转子绕组的温升超过允许范围，为了保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达到预定的出力。此外原动机的出力是以有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，导致原动机的出力相对降低。无功功率对电力系统及工厂内部的供电系统都有及不良的影响。因此，供电单位和工厂内部都有降低无功功率需要量的要求，无功功率的减少就相应的提高了功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费，因此功率因数的高低也是供电系统的一项重要的经济指标。2.4.2 电力线路功率损耗的计算【5】(1) 有功功率损耗的计算公式: （2-15）式中 线路的计算电流线路的电阻（每相值）(2) 无功功率损耗的计算公式: （216）式中 线路的电抗（每相值）对于小工厂来说，线路不长，其功率损耗相对较小，一般可不予计算，因此此次线路损耗不计。2.4.3 电力变压器功率损耗的计算【7】（1）有功功率损耗的计算公式: （217）式中 变压器的空载损耗 变压器的短路损耗（负载损耗） 变压器的负荷率，,这里为变压器额定容量，为变压器计算负荷对于610KV的低损耗配电变压器，有功损耗可按下列简化公式计算： （218）（2）无功功率损耗的计算公式: （219）式中 变压器的空载电流百分值 变压器的短路电压（阻抗电压）百分值对于610KV的低损耗配电变压器，有功损耗可按下列简化公式计算： （220）2.4.4 无功补偿容量的计算13功率因数太低将会给配电系统带来电能损耗增加，电压损失增大和供电设备利用效率降低等不良影响。正是如此，要求电力用户功率达到一定数值，低于此值时就必须进行补偿，国家标准GB/T3485-1998<<评价企业合理用电技术导则中规定：“在企业最大负荷时的功率因数应不低于0.9，凡功率因数未达到上述规定的，应该在负荷侧合理装置集中与就地无功补偿设备”。由于本设计中上级要求功率因数COS0.95就可满足要求，,而由上面计算可知COS=0.69<0.95，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低压集中补偿。低压集中补偿是指将低压电容器组集中装设在车间变电所的低压母线上。该补偿方式只能补偿车间变电所低压母线前变压器和高压配电线路及电力系统的无功功率，对变电所低压母线后的设备则不起补偿作用。功率补偿采用低压电容器集中补偿结构，电气图如图21：图2-1 功率补偿电路由表2-1可知，该厂380