機械加工車間低壓配電系統(tǒng)及車間變電所設計

1、摘 要本設計是機械廠機加工車間的低壓配電系統(tǒng)及車間變電所供電系統(tǒng)。本文首先進行了負荷計算，根據(jù)功率因數(shù)的要求在低壓母線側進行無功補償，進而確定對主變器容量、臺數(shù)，從經(jīng)濟和可靠性出發(fā)確定主接線方案。其次，通過短路電流計算出最大運行方式和最小運行方式下的短路電流，確定導線型號及各種電氣設備。最后根據(jù)本廠對繼電保護要求，確定相關的保護方案和二次回路方案。本設計采用需用系數(shù)法進行負荷計算，無功功率補償采用低壓側電容并聯(lián)補償方法，這種方法能補償?shù)蛪簜纫郧暗臒o功功率、經(jīng)濟效益比較好。根據(jù)機械加工車間用電特點和需求，主接線方案采用了高壓側無母線、低壓側單母線分段的主接線方案。根據(jù)干式變壓器與油浸變壓器在經(jīng)濟

2、和安裝條件對比，選擇兩臺SC9-500/10系列干式變壓器。在仔細研究各負荷的實際數(shù)據(jù)，并嚴格按照國家規(guī)定，依照以上設計步驟設計本供電系統(tǒng)設計方案，以到達提高生產(chǎn)效益的目的。關鍵詞：低壓配電系統(tǒng)；負荷計算；主接線；變電所；短路計算 目 錄1 緒論11.1 設計背景、目的及意義 11.2 設計內容 11.3 設計原則 12 負荷計算及無功補償 22.1 負荷計算 22.1.1 負荷計算的方法及其適用范圍 22.1.2 需用系數(shù)法 22.1.3 負荷確定 42.2 無功功率補償 52.2.1 無功功率補償概念 52.2.2 無功補償提高功率因數(shù)的意義 52.3 無功補償容量計算 62.3.1 無功

3、功率補償方式選擇 62.3.2 無功補償容量的確定 82.3.3 補償容量計算 93 變電所主接線方案設計及變壓器選擇 103.1 變電所主變壓器臺數(shù)與容量選擇 103.1.1 選擇主變壓器臺數(shù)時應考慮下列原則 103.1.2 主變壓器的確定 113.2 總配變電所的主接線方案比較選擇 121 緒論1.1 設計背景、目的及意義在工廠里，電能雖然是工業(yè)生產(chǎn)的主要能源和動力，但是它在產(chǎn)品成本中所占的比重一般很?。ǔ娀I(yè)外）。電能在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性，并不在于它在產(chǎn)品成本中或投資總額中所占的比重多少，而在于工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)電氣化以后可以大大增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質量，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，減輕工

4、人的勞動強度，改善工人的勞動條件，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。從另一方面來說，如果工廠的電能供應突然中斷，則對工業(yè)生產(chǎn)可能造成嚴重的后果。因此，如何正確地計算選擇各級變電站的變壓器容量及其它主要電氣設備，這是保證企業(yè)安全可靠供電的重要前提。做好工廠供電工作對于發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，具有十分重要的意義。由于能源節(jié)約是工廠供電工作的一個重要方面，而能源節(jié)約對于國家經(jīng)濟建設具有十分重要的戰(zhàn)略意義工廠供電工作要很好地為工業(yè)生產(chǎn)服務，切實保證工廠生產(chǎn)和生活用電的需要，并做好節(jié)能工作。根據(jù)該工廠的規(guī)模、負荷情況、供電條件、技術要求、自然條件，設計其總配變電所及配電系統(tǒng)。1.2 設計內容 根據(jù)任務書的

5、要求，本設計主要有以下內容：（1） 車間的負荷計算及無功功率補償；（2） 總配電所位置和型式的選擇；（3） 變電所主變壓器臺數(shù)和容量、類型的選擇；（4） 變電所主結線方案的設計；（5） 短路電流的計算，并進行一次設備的選擇與校驗；（6） 選擇車間變電所高低壓進出線；（7） 選擇電源進線的二次回路方案及整定繼電保護；（8） 車間防雷保護和接地裝置的設計；（9） 確定車間低壓配電系統(tǒng)布線方案；（10）選擇低壓配電系統(tǒng)導線及控制保護設備。1.3 設計原則按照國家標準工業(yè)與民用供配電系統(tǒng)設計規(guī)范、10KV及以下變電所設計規(guī)范及低壓配電設計規(guī)范等的規(guī)定，進行工廠供電設計必須遵循以下原則：（1） 必須遵循

6、有關國家標準，認真執(zhí)行國家的技術經(jīng)濟政策，并應作到保障人身和設備安全，供電可靠，電能質量合格，技術先進和合理。（2） 應根據(jù)工程特點、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，正確處理近期和遠期發(fā)展的關系，作到遠、近期結合，以近期為主，適當考慮擴建的可能。（3） 必須從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，按照負荷性質、用電容量、工程特點和地區(qū)供電條件，合理確定設計方案，滿足供電要求。（4） 應注意執(zhí)行節(jié)約能源、節(jié)約有色金屬和“以鋁代銅”等技術政策。2 負荷計算及無功補償2.1 負荷計算2.1.1 負荷計算的方法及其適用范圍電力負荷計算方法包括:利用系數(shù)法、需要系數(shù)法、二項式系數(shù)法。我國一般使用需要系數(shù)法和二項式系數(shù)法，如表2.1負荷計

7、算方法及適用范圍。表 2.1 負荷計算的方法及其適用范圍序號計算方法適用范圍需求系數(shù)法當用電設備臺數(shù)較多、各臺設備容量相差不太懸殊時，特別在確定車間和工廠的計算負荷時，宜于采用二項式法當用電設備臺數(shù)較少、有的設備相差懸殊時，特別在確定干線和分支線的計算負荷時，宜于采用所以本設計中用需要系數(shù)法計算機加工車間的負荷。2.1.2 需用系數(shù)法用電設備組的計算負荷，是指用電設備級從供電系統(tǒng)中取用的半小時最大負荷,設用電設備組的設備容量為，它指用電設備組所有設備(不含備用設備)的額定容量之和。由于用電設備組的設備實際上不一定都同時運行，運行的設備也不可能都同時滿負荷，同時設備本身存在有功率損耗，因此，用電

8、設備組的有功計算負荷應為：其中，為設備組的同時系數(shù)，即設備組在最大負荷時運行的設備容量與全部設備容量之比；為設備的負荷系數(shù)，即設備組在最大負荷時的輸出功率與運行的設備容量之比：為設備組的平均效率，即設備組在最大負荷時的輸出功率與取用功率之比；為配電線的平均效率，即配電線路在最大負荷時的末端功率與首端功率之比。令，稱為需要系數(shù)（1）單組設備計算負荷 當分組后同一組中設備臺數(shù)>3臺時，計算負荷應考慮其需要系數(shù)，即：式中 總設備功率，單位kW Kd 需用系數(shù) 計算有功功率，單位為kW 計算無功功率，單位kvar 計算視在功率，單位kVA 功率因數(shù)角的正切值 電氣設備額定電壓，單位kV 計算電流

9、，單位A當每組電氣設備臺數(shù)3時，考慮其同時使用率非常高，將需用系數(shù)取為1，其余計算與上式公式相同（2）多組設備的計算負荷當供電范圍內有多個性質不同的電氣設備組時，先將每一組都按上述步驟計算在各自負荷曲線上不可能同時出現(xiàn)，以一個同時系數(shù)來表達這種不同時率，因此其計算負荷為：式中 有功同時系數(shù)，對于用電設備組計算負荷直接相加， 取值范圍一般都在0.80.9；對于車間干線計算負荷直接相加，取值范圍一般在0.850.95。無功同時系數(shù)，對于用電設備組計算負荷直接相加,取值范圍一般都在0.900.95；對于車間干線計算負荷直接相加，取值范圍一般在0.930.97。（3）吊車電動機組 對于吊車電動機容量要

10、求統(tǒng)一換算到，因此可得換算后的設備容量為式中，為吊車電動機的銘牌容量；為與對應的負荷持續(xù)率；為其值等于25%的負荷持續(xù)率。2.1.3 負荷確定 根據(jù)利用系數(shù)法機械加廠負荷計算如表2.2所示為機加工廠各車間負荷計算表。機加工一車間詳細負荷計算見附錄一。表2.2 機加工廠負荷計算表序號車間名稱供電回路代號設備容量計算負荷KWP30/KWQ30/KvarS30/KVAI30/A0機加工一車間NO.1 供電回路131.4526.2945.4852.5379.91NO.2 供電回路8962.3062.394.77NO.3 供電回路160.7132.1455.6164.2397.7NO.4 供電回路108

11、0812.151機加工二車間NO.1 供電回路15546.554.471.57 108.73 NO.2 供電回路1203642.155.39 84.16 NO.3 照明回路10808.00 12.15 2鑄造車間NO.4 供電回路1606465.391.43 138.92 NO.5 供電回路1405657.179.98 121.51 NO.6 供電回路1807273.4102.82 156.22 NO.7 照明回路86.406.40 9.72 3鉚焊車間NO.8 供電回路1504589.199.82 151.66 NO.9 供電回15 171.91 NO.10 照明回

12、路75.605.60 8.51 續(xù)表2.24電修車間NO.11 供電回路150457890.05 136.82 NO.12 供電回路146446578.49 119.26 NO.13 照明回路10808.00 12.15 總計1797.16616.23726.49952.64 937.37 變壓器低壓側總計算負荷585.42 704.70 916.14 1393.58 2.2 無功功率補償2.2.1 無功功率補償概念近年來，隨著我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展，大范圍的高壓輸電網(wǎng)絡逐漸形成，同時對電網(wǎng)無功功率的要求也日益嚴格。無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質量、降低電網(wǎng)損耗以及保證其安全運

13、行所不可缺少的部分。電網(wǎng)無功功率不平衡將導致系統(tǒng)電壓的巨大波動，嚴重時會導致用電設備的損壞，出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞事故。因此無功功率對電力系統(tǒng)是十分重要的。無功功率補償?shù)幕驹硎牵喊丫哂腥菪怨β守摵傻难b置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；而感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量，能量在兩種負荷之間互相交換。這樣，感性負荷所吸收的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償?shù)幕驹怼?.2.2 無功補償提高功率因數(shù)的意義（一）改善設備的利用率因為功率因數(shù)還可以表示成下述形式：其中線電壓（KV）；線電流（A）?？梢?，在一定的電壓和

14、電流下提高，其輸出的有功功率越大，因此改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設備潛力，提高設備利用率的有效方法。（二）提高功率因數(shù)可減少電壓損失因為電力網(wǎng)的電壓損失可借下式求出：可以看出，影響的因素有四個：線路的有功功率P，無功功率Q，電阻R和電抗X。如果采用容抗為Xc的電容來補償，則電壓損失為故采用補償電容器提高功率因數(shù)后，電壓損失U減少，改善了電壓質量。（三）減少線路損失當線路通過電流I時，其有功損耗為：線路有功損失P與成反比越高P越?。ㄋ模┨岣唠娏W(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率成下述關系可見，在傳輸一定有功功率P的條件下, 越高,所需視在功率越小。（五）減少用戶開支，降低生產(chǎn)成本（六）減小供電設備容量，

15、節(jié)省電網(wǎng)投資2.3 無功補償容量計算2.3.1 無功功率補償方式選擇無功功率補償?shù)姆椒ê芏?，采用電力電容器，或采用具有容性負荷的裝置進行補償。1、利用過激磁的同步電動機，改善用電的功率因數(shù)，但設備復雜，造價高，只適于在具有大功率拖動裝置時采用。2、利用調相機做無功功率電源，這種裝置調整性能好，在電力系統(tǒng)故障情況下，也能維持系統(tǒng)電壓水平，可提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，但造價高，投資大，損耗也較高。每kvar無功的損耗約為1.85.5%，運行維護技術較復雜，宜裝設在電力系統(tǒng)的中樞變電所，一般用戶很少應用。3、異步電動機同步化。這種方法有一定的效果，但自身損耗大，每kvar無功功率的損耗約為419%，

16、一般都不采用。4、電力電容器作為補償裝置，具有安裝方便、建設周期短、造價低、運行維護簡便、自身損耗?。縦var功功率損耗約為0.30.4%以下）等優(yōu)點，是當前國內外廣泛采用的補償方法。這種方法的缺點是電力電容器使用壽命較短。電力電容器作為補償裝置有兩種方法：串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。a、 串聯(lián)補償是把是容器直接串聯(lián)到高壓輸電線路上，以改善輸電線路參數(shù)，降低電壓損失，提高其輸送能力，降低線路損耗。這種補償方法的電容器稱作串聯(lián)電容器，應用于高壓遠距離輸電線路上，用電單位很少采用。b、 并聯(lián)補償是把電容器直接與被補償設備并接到同一電路上，以提高功率因數(shù)。這種補償方法所用的電容器稱作并聯(lián)電容器，用電企業(yè)都

17、是采用這種補償方法。由于并聯(lián)電容補償方式運行維護方便安全，且便于安裝，能耗低，投資省，因此本設計采用并聯(lián)電容進行無功補償。并聯(lián)電容的補償方式有可分為三種方法如表2.3所示：表2.3 并聯(lián)電容無功補償三種方法補償方式裝設地點原理電路主要特點適應范圍高壓集中補償接變電所6-10KV高壓母線，其電容柜一般裝設在單獨的高壓電容室內初步投資少，運行維護方便，但只能補償高壓母線以前的無功功率適于、中型工廠變配電所做高壓無功補償?shù)蛪杭醒a償接變電所低壓母線，其電容器柜裝設在低壓配電室內能補償?shù)蛪耗妇€以前的無功功率，可使變壓器的無功功率得到補償。從而有可能減小變壓器容量。且運行維護方便適于中、小型工廠或車間變

18、電所做低壓側基本無功補償續(xù)表2.3單獨就地補償裝設在用電設備附近，與用電設備并聯(lián)補償范圍最大，補償效果最好?？煽s小配電線路截面，減小有色金屬消耗能。但電容的利用率不高，且初投資高和維護費用較大適于負荷相當平穩(wěn)且長時間使用的大容量用電設備，及容量雖小但數(shù)量多的用電設備所以根據(jù)本設計的要求選擇采用低壓集中補償?shù)姆椒ā?.3.2 無功補償容量的確定（1）按提高功率因數(shù)確定補償容量 采用一組固定補償電容器時，補償容量按下式計算，但在負荷較輕時不應發(fā)生過補償。式中、 補償裝置安裝點負荷的平均有功功率； 補償前的平均功率因數(shù)的正切值；補償后希望達到的平均功率因數(shù)的正切值。采用分組自動投切的電容器組補償時，

19、補償容量按下式計算。式中、-最大有功負荷。（2）按抑制電壓波動和閃變確定補償容量式中、負荷無功功率的最大變化量； 允許補償后的最大電壓變動； 補償安裝點的短路容量。通過兩個方案比較，此設計選擇低壓側集中補償?shù)姆椒?。在該設計中希望無功補償后功率因數(shù)不小于0.9，在前面負荷計算中已經(jīng)求出了每個車變的和補償前各車變的平均功率因數(shù)，則在計算無功補償容量選擇低壓集中補償方式，同時采用分組自動投切的電容器組補償。2.3.3 補償容量計算（1）補償前的變壓器容量和功率因數(shù)變壓器低壓側的視在計算負荷為主變壓器容量選擇條件為 ，因此未進行無功補償時，主變壓器容量應選容量為630 kV·A的變壓器兩臺。

20、這時變電所低壓側的功率因數(shù)為（2）無功補償容量按規(guī)定，變電所高壓側的cos0.9，考慮到變壓器本身的無功功率損耗Q遠大于其有功功率損耗P，一般Q=(45)P，因此在變壓器低壓側進行無功補償時，低壓側補償后的功率因數(shù)應略高于0.90 ，這里取cos=0.92 。 要使低壓側功率因數(shù)由063提高到092，低壓側需裝設的并聯(lián)電容器容量為取 Q=480kvar（3） 補償后變壓器的容量和功率因數(shù)補償后變電所低壓側的視在計算負荷為因此每臺主變壓器容量可改選為500 kV·A。比補償前容量減少130 kV·A。變壓器的功率損耗為變電所高壓側的計算負荷為無功功率補償，工廠的功率因數(shù)為這一

21、功率因數(shù)滿足規(guī)定（0.90）要求。(4) 無功補償前后比較(5)補償裝置的選擇本設計選用的并聯(lián)電容器的型號為CLMD 53低壓并聯(lián)電容器，其技術參數(shù)如表2.4所示。表2.4 CLMD 53低壓并聯(lián)電容器主要技術數(shù)據(jù)產(chǎn)品型號額定電壓/標稱容量/頻率/組數(shù)每組個數(shù)CLMD 530.43040283 變電所主接線方案設計及變壓器選擇3.1 變電所主變壓器臺數(shù)與容量選擇3.1.1選擇主變壓器臺數(shù)時應考慮下列原則（1）應滿足用電負荷對供電可靠性的要求。對供有大量一、二級負荷的變電所，應采用兩臺變壓器，當一臺發(fā)生故障或檢修時，另一臺可以對負荷持續(xù)供電。對只有二級負荷的變電所也可以只采用一臺變壓器，但必須有

22、備用電源。（2）對季節(jié)性負荷或晝夜負荷變動較大而采用經(jīng)濟運行方式的變電所，也可考慮用兩臺變壓器。（3）除上述兩種情況外，一般車間變電所宜采用一臺變壓器。但負荷集中且容量相當大的變電所，雖為三級負荷，也可以采用兩臺以上變壓器。（4）在確定變電所主變壓器臺數(shù)時，要考慮負荷的發(fā)展，留有一定的余地。1 只裝一臺主變壓器的變電所主變壓器容量應滿足全部用電設備總計算負荷的需要，即2 裝有兩臺主變壓器的變電所每臺變壓器的容量應滿足以下兩個條件：（1）任一臺變壓器單獨運行時，宜滿足總計算負荷的60%70%的需要，即 （2）任一臺變壓器單獨運行時，應滿足全部一、二級負荷的需要，即3 車間變電所主變壓器的臺數(shù)容量

23、上限車間變電所主變壓器的單臺容量，一般不宜大于1000（或1250）.一方面是受低壓開關電器斷流能力和短路穩(wěn)定度要求的限制，另一方面可以減少低壓配電線路的電路損耗、電壓損耗和有色金屬消耗量。3.1.2 主變壓器的確定（一） 供電電源條件:1) 電源由10KV總降壓變電所采用電纜線路受電,電線路長300m.線路阻抗為0.38。2) 工廠總降壓變電所10KV母線上的短路容量按200MVA計。3) 工廠總降壓變電所10KV配電出線定時限過流保護裝置的整定時間top=2s。4) 要求車間變電所最大負荷時功率因數(shù)不得低于0.9。（二）根據(jù)本廠屬于二級負荷和前面視在功率的計算，再根據(jù)選擇主變壓器的原則，在

24、安全可靠供電的情況下從經(jīng)濟角度考慮本設計中選擇兩臺變壓器給該車間進行供電。根據(jù)補償后一次側容量為650.1 kV·A,考慮百分之15%的余量后總容量為,變壓器容量,因此選擇其額定容 量為500 kV。變壓器按冷卻方式分類可分為：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發(fā)冷卻）變壓器。由于氟化物變壓器對環(huán)境有污染所以不做考慮。如表3.1所示為干式變壓器和油浸變壓器對比表。表3.1 干式變壓器和油浸變壓器對比項目干式變壓器油浸變壓器特點1.高低壓線圈采用F 級絕緣材料（長期耐熱180）；2.線圈環(huán)氧澆注，器身緊固，抗短路能力特強；節(jié)能。3.低壓為箔繞組抗短路能力強；4.防潮能力

25、強；5.長期運行免維護；6.散熱性能好能承受一定的濕度，對環(huán)境要求不高油浸式變壓器的繞組是浸在變壓器油中的，絕緣介質就是油，冷卻方式有自冷、風冷和強迫油循環(huán)冷卻，其優(yōu)點是冷卻效果好，可以滿足大容量，瓦斯繼電器可以及時反映出繞組的故障，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，不足之處是得經(jīng)常巡視，關注油位的變化，缺了油是件很危險的事情，變壓器油隨著時間失去功效；需要防止變壓器油的滲漏；不適宜在地下室及消防要求高的區(qū)域安裝。投入成本高成本為干變的60%，運行場所任何場所室外運行成本長期運行免維護需要經(jīng)常性的維護，由于該變壓器每1.5 年-2 年需要更換冷卻油壽命20根據(jù)GB/T17468-1998電力變壓器選用導則及

26、由任務書可知變壓器安裝地點在室內，本設計選擇干式變壓器。如表3.2所示 為SC9-500/10樹脂澆注干式變壓器型號參數(shù)。表3.2 SC9-500/10樹脂澆注干式變壓器型號參數(shù)型號額定容量(kVA)額定電壓空載損耗(KW)負載損耗(KW)空載電流(%)阻抗電壓(%)連接組標號一次(KV)二次 (KV)SC9-500/10 500 100.40.904.501.2 4Y,yn03.2 總配變電所的主接線方案比較選擇本設計有兩臺變壓器的小型變電所。根據(jù)本車間的情況，負荷量不大，但屬于二級負荷，可靠性要求較高，有10KV高壓電來進線供電；根據(jù)上面的設計原則和要求有兩種方案可進行選擇比較，其設計比較如下：方案一：高壓側無母線、低壓側單母線分段的雙臺變壓器變電所主接線方式。如圖3.3所示。圖3.3 高壓