《某通用机械厂10kV配电系统设计》.doc

编 号： 审定成绩： 沈阳理工大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：某通用机械厂10kV配电系统设计学 院 名 称 ：信息科学与工程学 生 姓 名 ：专 业 ：自动化班 级 ：05030103学 号 ：指 导 教 师 ：苑薇薇答辩组 负责人 ： 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，解决对各个部门的安全可靠，经济技术的分配问题。本厂是由两路10kV的电缆进线，通过母线及高压开关柜将电能馈送到5个变电所的系统。其基本内容有以下几个方面：变配电所位置的确定，变电所及全厂的负荷计算，无功功率补偿，短路电流计算，配电系统的接线方式和高压配电所的主接线图设计，电气设备的选择，母线以及各馈电线的选择及校验等。关键词：配电；无功功率补偿；短路电流；变电所ABSTRACTPower system of the factory is to step down power and then to distribute the power to the factories and workshops. It consists of step-down substation plant, high pressure distribution lines, substation plant, low-voltage distribution lines and electric equipment. The total step-down substation plant and design of distribution system, which is to resolve the security and the distribution of economic and technological problems, is based on the number and nature of each workshop, the production process on the load requirements, and as well as, the load distribution. The factory is a system, with 2 entrance cables of 10kv, distributing the electricity to 5 substations through bus and high voltage switchgear. The basic contents are as follows: decision on the location of the substation and distribution station, load estimation of the substation and the entire factory, reactive power compensation, short-circuit current calculation, the connection mode of distribution system, main wiring graph design of high voltage distribution station, choice of the electric equipment, choice and check of bus and other wires.Keywords：Distribution ；Reactive power compensation ；Short-circuit current ；Substation目 录绪论11 负荷计算及无功功率补偿41.1 负荷计算41.1.1 概述41.1.2 按需要系数法确定计算负荷51.1.3 工厂的功率因数71.2 No.1车间变电所81.2.1 No.1车间变电所内各车间负荷81.2.2 No.1车间变电所负荷及无功功率补偿81.3 No.2车间变电所101.3.1 No.2车间变电所内各车间负荷101.3.2 No.2车间变电所负荷及无功功率补偿111.4 No.3车间变电所121.4.1 No.3车间变电所内各车间负荷121.4.2 No.3车间变电所负荷及无功功率补偿131.5 No.4车间变电所141.5.1 No.4车间变电所内各车间负荷141.5.2 No.4车间变电所负荷及无功功率补偿141.6 No.5车间变电所161.6.1 No.5车间变电所内各车间负荷161.6.2 No.5车间变电所负荷及无功功率补偿181.7 全厂总负荷及无功功率补偿192 无功功率补偿222.1 无功补偿后的工厂计算负荷232.2 无功功率补偿方案的确定及实施232.2.1 车间变电所的无功功率补偿232.2.2 母线上的无功功率补偿243 短路电流计算263.1 短路电流介绍263.2 用标幺制法进行短路计算263.3 短路电流计算283.3.1 k1点的短路电流283.3.2 母线上k2点的短路电流293.3.3 k37点短路电流303.3.4 k8点的短路电流304 导线选择324.1 概述324.1.1 电缆的选择324.1.2 导线和电缆截面选择计算的条件324.1.3 按发热条件选择导线和电缆的截面334.1.4 线路电压损耗的计算344.1.5 按允许电压损耗选择、校验导线截面364.1.6 母线的选择方法374.2 导线选择384.2.1 10kV进线选择384.2.2 母线导线选择394.2.3 馈给1号变电所的线路选择394.2.4 馈给2号变电所的线路选择414.2.5 馈给3号变电所的线路选择424.2.6 馈给4号变电所的线路选择424.2.7 馈给5号变电所的线路选择435 配电系统接线方式及变配电所的主接线图445.1 配电系统的接线方式445.2 变配电所的主接线图446 高压一次设备选择476.1 设备介绍476.1.1 概述476.1.2 高压一次设备介绍476.1.3 高压一次设备选择条件486.2 设备选择496.2.1 高压开关柜No.101496.2.2 高压开关柜No.102506.2.3 高压开关柜No.103526.2.4 高压开关柜No.104526.2.5 其它高压开关柜的选择536.2.6 1号变电所变压器选择54结论55致谢56参考文献57附录A58附录B631 负荷计算及无功功率补偿1.1 负荷计算1.1.1 概述1.1.2 按需要系数法确定计算负荷(1) 需要系数法的基本公式 图1.1 用电设备组的计算负荷说明需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为 (1.3)在求出有功计算负荷后，可按下列各式分别求出其余的计算负荷。无功计算负荷为 (1.4)式中，为对应于用电设备组的正切值。视在计算负荷为 (1.5)式中，为用电设备组的平均功率因数。计算电流为 (1.6)式中，为用电设备组的额定电压。负荷计算中常用单位：有功功率为“千瓦”(kW)，无功功率为“千乏”(kvar)，视在功率为“千伏安”(kV·A)，电流为“安”(A)，电压为“千伏”(kV)。(2) 多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电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素。因此在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数和：总的有功计算负荷为 (1.7)总的无功计算负荷为 (1.8)总的视在计算负荷为 (1.9)总的计算电流为 (1.10)注意：由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组视在计算负荷或计算电流之和来计算，总的视在计算负荷也不能按式(1.5)计算。1.1.3 工厂的功率因数最大负荷时的功率因数就是负荷计算中按有功计算负荷和视在计算负荷计算而得的功率因数，即 (1.11)供电营业规则规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100kV·A及以上高压供电用户功率因数为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上。农业用电，功率因数为0.80.凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电企业可以拒绝供电。对已送电的用户，供电企业应督促和帮助用户采取措施，提高功率因数。对在规定期限内仍未采取措施达到上述要求的用户，供电企业可以终止或限制供电。”1.2 No.1车间变电所1.2.1 No.1车间变电所内各车间负荷热处理车间： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 工具车间 ： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 机修车间 ： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 冲焊车间： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 1.2.2 No.1车间变电所负荷及无功功率补偿按需要系数法计算No.1车间变电所的负荷取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数：由于要求变电所的功率因数不得低于0.85，而目前只有0.67，因此需要进行无功功率的补偿。在低压母线装设电容屏，考虑到变压器的无功功率补偿远大于有功功率损耗，因此在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.85。这里取0.86，而补偿前低压侧的功率因数只有0.67，由此可得低压电容屏的容量：取无功功率补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：无功功率补偿后的视在计算负荷：变压器的功率损耗：变电所高压侧的计算负荷：有功计算负荷： 无功计算负荷：视在计算负荷：功率因数：这一功率因数正好满足要求计算电流： NO.1车间变电所的计算负荷及无功功率补偿见表1.1表1.1 No.1车间变电所计算负荷及补偿No.1车间变电所设备容量Pe/kW需要系数Kd计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1 热处理间8500.60.71.02510520.2728.572 工具车间470.30.651.1714.116.5021.693 机修车间1450.250.651.1736.2542.4155.774 冲焊车间1890.30.51.7356.798.09113.4小计0.67586.2656.88880.41补偿Qc-336-补偿后586.2320.88668.28损耗10.0240.1高压侧0.855596.22360.98696.9840.241.3 No.2车间变电所1.3.1 No.2车间变电所内各车间负荷机加1车间:需要系数: ，有功计算负荷：无功功率计算：视在负荷计算：机加2车间:需要系数： ，装配车间：需要系数：，1.3.2 No.2车间变电所负荷及无功功率补偿取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数： 由于要求变电所的功率因数不得低于0.85，而目前只有0.67，因此需要进行无功功率的补偿。在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.85。这里取0.86，而补偿前低压侧的功率因数只有0.64，由此可得低压电容屏的容量：取无功功率补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：无功功率补偿后的视在计算负荷：变压器的功率损耗：变电所高压侧的计算负荷：有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷：功率因数：这一功率因数正好满足要求计算电流： NO.2车间变电所计算负荷及无功功率补偿见表1.2表1.2 No.2车间变电所计算负荷及补偿No.2车间变电所设备容量Pe/kW需要系数Kd计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1 机加1车间7300.30.651.17219256.23336.922 机加2车间9000.30.651.17270315.9415.383 装配车间2100.30.651.17637.7196.92小计0.64524.4626.46880.41补偿Qc-336补偿后524.4290.46599.478损耗8.9935.97高压侧0.853533.39326.43625.3536.11.4 No.3车间变电所1.4.1 No.3车间变电所内各车间负荷铸造车间需要系数，有功计算负荷：无功功率计算：视在负荷计算：1.4.2 No.3车间变电所负荷及无功功率补偿取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数： 由于要求变电所的功率因数不得低于0.85，而目前只有0.69，因此需要进行无功功率的补偿。在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.85。这里取0.86，而补偿前低压侧的功率因数只有0.69，由此可得低压电容屏的容量：取无功功率补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：无功功率补偿后的视在计算负荷：变压器的功率损耗：变电所高压侧的计算负荷：有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷：功率因数：这一功率因数正好满足要求计算电流：NO.3车间变电所计算负荷及无功功率补偿见表1.3表1.3 No.3车间变电所计算负荷及无功功率补偿No.3车间变电所设备容量Pe/kW需要系数Kd计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1 机加1车间16120.40.71.02644.8657.70921.14小计0.69612.56637.97884.44补偿Qc-336补偿后612.56301.97682.95损耗10.2440.98高压侧0.876622.8342.95710.9841.051.5 No.4车间变电所1.5.1 No.4车间变电所内各车间负荷铸造车间需要系数，有功计算负荷：无功功率计算：视在负荷计算：1.5.2 No.4车间变电所负荷及无功功率补偿取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数：由于要求变电所的功率因数不得低于0.85，而目前只有0.69，因此需要进行无功功率的补偿。在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.85。这里取0.86，而补偿前低压侧的功率因数只有0.69，由此可得低压电容屏的容量：取补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：补偿后的视在计算负荷：变压器的功率损耗：变电所高压侧的计算负荷：有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷：功率因数： 这一功率因数正好满足要求计算电流：NO.4车间变电所计算负荷及无功功率补偿见表1.41.6 No.5车间变电所1.6.1 No.5车间变电所内各车间负荷锅炉房： 表1.4 No.4车间变电所计算负荷及无功功率补偿No.3车间变电所设备容量Pe/kW需要系数Kd计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1 熔化车间12880.60.71.02772.8788.261104小计0.69734.16764.611060补偿Qc-364补偿后-734.16400.61836.35损耗12.5550.18高压侧0.856746.71450.79872.2350.36需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 空压站： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 锻工车间： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 产品试验室： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 理化试验室： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 厂区照明： 需要系数： 有功计算负荷： 木工车间： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 备料库： 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： 中央计量室 需要系数： ，有功计算负荷： 无功计算负荷： 视在计算负荷： NO.4车间变电所计算负荷及无功功率补偿见表1.41.6.2 No.5车间变电所负荷及无功功率补偿按需要系数法计算No.5车间变电所的负荷取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷：无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数：由于要求变电所的功率因数不得低于0.85，而目前只有0.74，因此需要进行无功功率的补偿。在低压母线装设电容屏，考虑到变压器的无功功率补偿远大于有功功率损耗，因此在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.85。这里取0.86，而补偿前低压侧的功率因数只有0.74，由此可得低压电容屏的容量：取无功功率补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：无功功率补偿后的视在计算负荷：变压器的功率损耗：变电所高压侧的计算负荷：有功计算负荷： 无功计算负荷：视在计算负荷：功率因数：这一功率因数正好满足要求计算电流： NO.5车间变电所计算负荷及无功功率补偿见表1.51.7 全厂总负荷及无功功率补偿取有功同时系数，取无功同时系数有功计算负荷： 无功计算负荷：视在计算负荷： 功率因数：由于要求工厂的功率因数不得低于0.9，而目前只有0.86，因此需要进行无功功率的补偿。在低压补偿时低压侧补偿后的功率因数略高于0.9。这里取0.92，而补偿前低压侧的功率因数只有0.86，由此可得低压电容屏的容量：表1.5 No.5车间变电所计算负荷及无功功率补偿No.5车间变电所设备容量Pe/kW需要系数Kd计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/A1 锅炉房700.750.80.7552.539.3865.632 空压站200.850.80.751712.7521.253 锻工车间3800.30.651.17114133.38175.384 产品试验室1500.60.80.759067.5112.55 理化试验室600.60.80.753627456 厂区照明201207 木工车间530.350.61.3318.5524.6730.928 备料库500.30.651.171517.5523.089 中央计量室100.60.80.7564.57.5小计0.74350.6316.92472.61补偿Qc-140补偿后350.6176.92392.71损耗5.8923.56高压侧0.87356.49200.4840920.58取无功功率补偿后变电所低压侧有功功率不变，无功功率计算负荷：无功功率补偿后的视在计算负荷：功率因数：这一功率因数正好满足要求计算电流： 全厂计算负荷及无功功率补偿见表1.6表1.6 全厂计算负荷以及补偿通用机械厂功率因数计算负荷P30/kWQ30/kvarS30/kVAI30/ANo.1车间变电所0.855596.22360.98696.9840.24No.2车间变电所0.853533.39326.43625.3536.1No.3车间变电所0.876622.8342.95710.9841.05No.4车间变电所0.856746.71450.79872.2350.36No.5车间变电所0.87356.49200.4840920.58小计0.862712.831631.183165.47补偿Qc-500补偿后0.9232712.831131.182939.22169.72 无功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，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，尚达不到规定的功率因数要求时，则考虑人工补偿。要使功率因数由提高到，必须装设备的无功补偿装置（通常采用并联电容器）容量为 或 式中，称为无功补偿率，或比补偿容量。这无功补偿率，是表示要使1kW的有功功率由提高到所需要的无功补偿容量kvar值，其单位为 “kvarkW”。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个数：2.1 无功补偿后的工厂计算负荷工厂（或车间）装设了无功补偿装置后，则在确定补偿装置地点以前的总计算负荷时，应扣除无功功率补偿的容量，即总的无功计算负荷为无功功率补偿后总的视在计算负荷为由上式可以看出，在变电所低压侧装设了无功补偿装置以后，由于低压侧总的视在计算负荷减小，从而可使变电所主变压器的容量选得小一些。2.2 无功功率补偿方案的确定及实施本配电系统对5个车间变电所进行配电，因此选用各处同时补偿的方法，即每个车间变电所进行补偿最后在母线上再进行一次补偿。2.2.1 车间变电所的无功功率补偿型无功功率自动补偿屏适于变压器容量1001000kVA的三相交流50Hz、电压380V的电网中作为自动补偿无功功率之用。补偿屏可与型低压配电屏配套使用，也可单独使用。本型补偿屏为双面维护的产品，屏内装有ZKW型无功功率自动补偿控制器一台，控制采用6或8步循环投切的方式进行工作，并根据电网负荷消耗的无功量的多少以10s120s可调的时间间隔自动地控制并联电容器组的投切动作，使电网无功消耗保持到最低状态，从而提高电网电压质量，减少供配电系统和变压器的损耗。本产品各地生产型屏的工厂均可生产和供应。根据第1章负荷计算中的结果确定1号车间变电所的功率因数为0.67，若提高到0.85则需要补偿的容量为322.4kvar，因此选择一块主屏PGJ1A1和两块辅屏PGJ1A3.。屏的外型尺寸为宽900mm，深600mm，高2140mm，单台柜内电容器数是8个，总容量336kvar，共8步，每步投入容量42kvar。补偿后的功率因数为0.855。2号车间变电所的功率因数为0.64，若提高到0.85则需要补偿的容量为319.88kvar，因此选择一块主屏PGJ1A1和两块辅屏PGJ1A3.。屏的外型尺寸为宽900mm，深600mm，高2140mm，单台柜内电容器数是8个，总容量336kvar，共8步，每步投入容量42kvar。补偿后的功率因数为0.853。3号车间变电所的功率因数为0.69，若提高到0.85则需要补偿的容量为294.03kvar，因此选择一块主屏PGJ1A1和两块辅屏PGJ1A3.。屏的外型尺寸为宽900mm，深600mm，高2140mm，单台柜内电容器数是8个，总容量336kvar，共8步，每步投入容量42kvar。补偿后的功率因数为0.876。4号车间变电所的功率因数为0.69，若提高到0.85则需要补偿的容量为352.4kvar， 因此选择一块主屏PGJ1A2和两块辅屏PGJ1A3.。屏的外型尺寸为宽1100mm，深600mm，高2140mm，单台柜内电容器数是8个，总容量364kvar，共8步，每步投入容量42kvar。补偿后的功率因数为0.856.5号车间变电所的功率因数为0.74，若提高到0.85则需要补偿的容量为108.69kvar， 因此选择一块主屏PGJ1A1。屏的外型尺寸为宽1100mm，深600mm，高2140mm，单台柜内电容器数是8个，总容量112kvar，共8步，每步投入容量14kvar。补偿后功率因数为0.87。2.2.2 母线上的无功功率补偿TBB型并联补偿成套装置适于三相交流50Hz、电压610kV电网中作为提高功率因数和调整电网电压之用。TBB型装置由开关柜、电抗器、进线柜和电容器柜等部分组成，柜体与GG1A型或GFC型开关柜基本相同。生产厂有北京电力电容器厂、无锡电力电容器厂、桂林电力电容器厂、锦州电力电容器厂等。根据第1章负荷计算中的结果确定母线上的功率因数为0.86若提高到0.90则所需要补偿的容量为461.18kvar，因此选择TBB10.575025型号的补偿柜，但是因为需要补偿的容量为461.18kvar，如果补偿750kvar由可能造成过补或浪费，所以只用其中20台电容器，所以补偿的总容量为500kvar。所以补偿柜的总标称容量为500kvar，额定电压为10.5kV，单台标称容量为25kvar，频率为50HZ，外型尺寸（宽×深×高）为2400mm×1470mm×3300mm。补偿后的功率因数为0.923。全厂无功功率补偿方案见表2.1。表2.1 全厂无功功率补偿方案无功功率补偿补偿前的功率因数需要补偿量（kvar）应补偿到功率因数补偿方案补偿容量（kvar）补偿后的功率因数1号车间变电所0.67322.40.851块主屏PGJ1A12块辅屏PGJ1A33360.8552号车间变电所0.64319.880.851块主屏PGJ1A12块辅屏PGJ1A33360.8533号车间变电所0.69294.030.851块主屏PGJ1A12块辅屏PGJ1A33360.8764号车间变电所0.69352.40.851块主屏PGJ1A22块辅屏PGJ1A33640.8565号车间变电所0.74108.690.851块主屏PGJ1A11120.87母线0.86461.180.90TBB10.5750255000.9233 短路电流计算3.1 短路电流介绍3.2 用标幺制法进行短路计算标幺制法（method system in per-unit），即相对单位制法，因其短路计算中的有关物理量是采用标幺值即相对单位而得名。任一物理量的标幺值，为该物理量的实际值A与所选定的基准值Ad的比值，即 （3.1）按标幺制法进行短路计算时，一般是先选定基准容量Sd和基准电压Ud。基准容量，工程设计中通常取Sd=100MV·A。基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压，即Ud=UC。选定了基准容量Sd和基准电压Ud以后，基准电流Id按下式计算： （3.2）基准电抗Xd则按下式计算： （3.3）各主要元件的电抗标幺值的计算（取Sd=100MV·A，Ud=UC）：（1） 电力系统的电抗标幺值 （3.4）（2） 电力变压器的电抗标幺值 （3.5）（3） 电力线路的电抗标幺值 （3.6）短路电路中各主要元件的电抗标幺值求出以后，即可利用其等效电路图进行电路简化，计算其总电抗标幺值。由于各元件电抗均采用标幺值，与短路计算点的电压无关，因此无需进行电压换算，这也是标幺值法较之欧姆法优越之处。也由于标幺值具有相对值的特性，与短路计算点电压无关，因此工程上的通用计算图表往往都按标幺值进行编制。无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值按下式计算： （3.7）由此可求得三相短路电流周期分量有效值为 （3.8）求得后，即可利用前面的公式求出、等。三相短路容量的计算公式为 （3.9）3.3 短路电流计算根据设计的主接线图，需要求出的短路点有8个，分别用k-18来表示，如图3.1：图3.1 短路电流的计算点3.3.1 k1点的短路电流根据上面选取基准容量Sd=100MV·A，基准电压Ud=UC=10.5kV，Soc=200 MV·A。基准电流 电力系统的电抗标幺值 电缆线路（取电缆线路的平均电抗，线路长1.5km） 总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其它短路电流