机械加工工厂供配电系统设计

　　摘要

　　随着工业电气自动化技术的发展、工厂用电量的迅速增长,工厂对电能的质量、供电的可靠性以及技术经济指标等的要求也日益提高,一个安全可靠而又经济的供配电系统,对于任何一个工业企业单位都十分的重要.供配电系统设计是否完善,不仅影响工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属的消耗量,而且直接关系到工厂是否能够安全生产.本次供配电设计旨在针对机械加工工厂,根据机械加工工厂的负荷特性,设计一个安全、可靠、经济的供配电系统.

　　根据泰安某机械加工厂的负荷类型、工作制度、供电电源、功率因数、电价和自然条件等因素,以及机加工、焊接、装配等各车间的用电情况,计算工厂的用电负荷,确定机加工车间1、锻工车间2、配料车间3、冷加工车间4、模具车间5、热处理车间7、高压泵房8、空压站煤气站等9均为I类负荷,装配车间6为III类负荷.供电方案采用工作电源35 kV,备用电源10 kV.

　　35kV架空线路过电流保护采用三个电流互感器接成全星型接线方式,继电器采用DL-21C,流过保护装置一次侧动作电流为756.88A,线路采用进行距离保护I、II段.主变压器电流差动保护的整定按躲过最大不平衡电流1.183kA整定.

　　35kV架空线路在变电所进线端架空避雷线,并在避雷线两端处的线路上装管型避雷器.总降压变电所采用独立避雷针,避雷针与变电所的距离为Sk≥0.3Rch+0.1hx,Sd≥0.3Rch,.10 kv备用电源进线、10 kV馈电线和10 kv母线装设阀式避雷器FZ-10,防止雷电波侵入.照明供电采用车间380 V/220V配电源,照明供电网由馈线、干线和支线构成总屏箱、分配电箱及终端用户的三级供电格局.

　　关键词:计算负荷,短路电流,变电所,继电保护

　　Abstract

　　Along with the development of industrial electrical automation technology ofelectricity,factory of rapid growth,Plant for electric power quality,supply reliability andthe technical and economic indicators are increasing demands.a safe and reliable andeconomic power supply and distribution system,for any industry enterprise unit is veryimportant.Power supply system design is perfect,not only affects the basic constructioni nvestm ent,factory operation cost and non-ferrous metal consumption,and directlyrelated to the factory whether production carl be safe.The power-supply design ofmechanical processing factory,aimed at according to mechanical processing factory loadcharacteristics,design a safe,reliable,economic power supply system.

　　According to a mechanical processing plant Taian load type,working system,powersupply,power factor,electricity and natural conditions and SO Oil,as well as themachining,welding and assembly,etc as the workshop electricity situation,calculate thefactory power load,determine the machining workshop 1,blacksmith'S workshop 2,batchplant 3,cold shop 4,5 of the mould workshop,heat treatment workshop 7,hi曲pressurepump room 8,air compressor station gas station etc nine are class I load.assemblyworkshop for III class load.Power supply scheme adopts the work 35 kV power supply,standby power 1 0 kV.

　　35 kv overhead pass by current protection using three current transformer joint fulfillstar connection mode,relay the DL一21 c,through protection A side current action for756.88 A,line on the distance protection I,II section.The main transformeldifferential protection current setting according to avoid maximum unbalance currentsetting.namely=1.183 kA.

　　35 kv overhead line in the substation into terminal overhead ground wire,and in theground wire ends in line jacket pipe type arrester.T0tal step-down transformer substationadopt independent lightning rod,lightning rod and the distance ofthe substation,.1 0 kVstandb3'power into line,1 0 kV feeder and 1 0 kV bus instalment valve type arrester FZ.10,prevent thunder electric wave invasion.Lighting power supply using workshop with3 80 V|220 Vpower supply,lighring supply network by feeder,trunk and branch constitute a total screen box,distribution electrical box and terminal user level 3powersupply pattern.

　　Keywords:Computational load,Short circuit current,Substation,relay protection

　　目录

　　1 引言………………………………………………………………4

　　1.1 工厂供配电系统………………………………………………………………………4

　　1.2 工厂供配电系统设计…………………………………………………………………5

　　1.3 本章小结………………………………………………………………………………5

　　2 工厂电力负荷与短路电流计算…………………………………………6

　　2.1 设计的基础资料………………………………………………………………………6

　　2.2 全厂各车间负荷分布及其计算负荷…………………………………………………7

　　2.3 全厂无功补偿………………………………………………………………………10

　　2.4 短路电流计算………………………………………………………………………10

　　2.5 利用标幺值法计算…………………………………………………………………12

　　2.6 三相短路电流计算…………………………………………………………………12

　　2.7 本章小结……………………………………………………………………………13

　　3 变电所及其一次系统设计……………………………………………………………14

　　3.1 供电电压的选择……………………………………………………………………14

　　3.2 供电方案的经济技术比较……………………………………………………………14

　　3.2.1 三方案的优缺点扼要分析…………………………………………………………14

　　3.2.2 三方案的技术经济指标比较………………………………………………………15

　　3.3 变电所设计……………………………………………………………………………20

　　3.3.1 总降压变电所的位置选择及要求…………………………………………………20

　　3·3.2 总降压变电所电气主接线的选择………………………………………………20

　　3.3.3 车间变电所位置及其变压器选择…………………………………………………22

　　3.3.4 变电所的平面布置设计……………………………………………………………22

　　3.4 电气设备选择…………………………………………………………………………24

　　3.4.1 工厂电气设备选择的准则………………………………………………………24

　　3.4.2 高压电气设备的选择……………………………………………………………25

　　3.5 本章小结……………………………………………………………………………28

　　4 继榭的选择与整定……………………………………………………………29

　　4.1 继电保护的任务及基本要求…………………………………………………………29

　　4.2 35kV架空线路继电保护整定………………………………………………………29

　　4·3 总降压变电所的保护及整定………………………………………………………30

　　4.4 10kV馈电线路保护整定…………………………………………………………32

　　4.5 其他保护……………………………………………………………………………33

　　4.6 继电保护的二次接线………………………………………………………………33

　　4.7 本章小结……………………………………………………………………………35

　　5 防雷接地及照明设计………………………………………………36

　　5.1 防雷与接地的意义…………………………………………………………………36

　　5.2 防雷保护……………………………………………………………………………36

　　5.2.1 35kV架空线路进线端保护………………………………………………………36

　　5.2.2 总降压变电所的避雷针设计……………………………………………………36

　　5.2.3 其他防雷保护………………………………………………………………………37

　　5.3 总降压变电所接地装置设计………………………………………………………37

　　5.4 照明器的布置及照度计算…………………………………………………………38

　　5.4.1 工厂照明器的布置…………………………………………………………………38

　　5.4.2 照度计算……………………………………………………………………………38

　　5.5 照明配电系统设计……………………………………………………………………39

　　5.6 本章小结……………………………………………………………………………39

　　6 结论………………………………………………………………41

　　参考文献…………………………………………………………42

　　致谢…………………………………………………………45

　　1引言

　　1.1工厂供配电系统

　　工厂供配电系统是由工厂总降压变电所(高压配电所),高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成,供电电压一般总是等于或高于用电电压.因此,在很多供配电系统中都需要进行电压等级变换,这就形成了供配电系统不同的电压层次结构.工厂供配电系统按电压层次可划分为以下几类:

　　(1)二次降压的供配电系统

　　对于一些大中型工厂,供配电电压一般为110kV或35kV,经总降压变电所降为10kV电压后,送至各变配电所降为380V/220V,然后由低压配电线路将电能分送给低压用电设备使用.变配电所也可以直接向10kV用电设备配电;

　　(2)一次降压的供配电系统

　　对于一些中小型工厂,供电电压一般为10kV,经变配电所降为380V/220V后向低压配电设备供电.对于适合高压深入负荷中心的工厂,也可以采用35kV/0.38kV的降压变压器供电;

　　(3)低压直供的供配电系统

　　小型工厂直接采用市电380V/220V,无变电环节.

　　下图是一个比较典型的大中型工厂供配电系统的示意图.

　　1.2工厂供配电系统设计

　　供配电系统的设计应包括一次系统的供电负荷、电压等级、系统结构、变配电站站内设备、供配电线缆等的分析、选择与设计:还应包括二次系统的保护、计量、测量、控制、通信及操作电源等设备及参数的设计、选择、整定;系统设计方案应使安全、可靠、优质与经济四大目标得到综合平衡.

　　除此之外,进行供配电系统设计还需要表1.1所示的多方面数据,包括防雷、接地及站内照明等多项内容.

　　1.3本章小结

　　本章介绍了工厂供配电系统的基本组成、供电电压层次结构和供电系统的分类,对供配电设计所需的基本要求、基本数据等进行了说明.

　　2工厂电力负荷与短路电流计算

　　2.1设计的基础资料
 

　　(1)负荷类型

　　本机械加工工厂绝大部分用电设备均属长期连续负荷,要求不间断供电.停电时间超过两分钟将造成产品报废:全厂停电将造成严重经济损失,故主要车间及辅助设施均为I类负荷.其他为III类负荷,详情请看表2.2.

　　(2)本厂为二班制

　　工厂全年工作小时数t为4500小时,有效生产时间为10个月,最大负荷利用小时数:Tmax=4000小时.当功率因数为0.9时,最大负荷年损耗小时r=2400.本厂年耗电量约为2950万kWh.

　　(3)供电电源情况

　　按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定,本厂可由附近公用电源干线取得工作电源.工厂西北方向5 krn处一地区降压变电所,110 kV/35 kV/10 kV,1×31.5MVA变压器两台作为工厂的主电源,允许用35 kV或10 kV中的一种电压,以一回架空线向工厂供电.110 kV母线的最大三相短路容量为1800 MV.A,最小三相短路容量为1000 MV·A,其短路电压U高-中=10.5%,U高-低=17%,U低-中=6%.工厂备用电源由正北方向其他工厂引入35 kV或10 kV线缆作为备用电源,距离3 km,只在该工厂主电源发生故障或检修时提供照明及部分重要负荷用电,输送容量必须保证厂内I类负荷正常工作.已知与本厂高压侧有电气联系的架空线路总长度为100 km,电缆线路总长度为10 km.图2.1为厂区平面布置图和电力系统与本厂联接示意图.

　　(4)功率因数

　　供电部门对功率因数的要求,当以35 kV供电时,cosF=0.85:10 kV供电时,cosF=0.9.

　　(5)电价计算 供电部门实行两部电价制.

　　基本电价:按变压器安装容量每1 kV·A,4元/月计费;

　　电度电价: 35 kV时,13=0.5元/kWh;10 kV时,g=0.55元/kWh.

　　另外,线路的功率损失在发电厂引起的附加投资按1000元/kW计算.

　　厂区内低压配电线路允许电压损失(%)

　　(6)工厂的自然条件

　　本厂所在地区年平均温度为20℃,年最冷月平均气温为-1.4℃,年最热月平均气温为27.4℃,年最热月地下0.8m处平均温度为20℃.当地主导风向为南风,年雷暴日数为24.2天.本厂所在地区平均海拔高度为51.6 m,厂区地势平坦,地层以砂质粘土为主,地下水位为2.8m.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　6结论

　　本文对一个机械加工工厂的供配电系统进行了设计,涵盖负荷的计算、无功补偿的计算、电气主接线的选择、变电所的平面布置、短路电流计算、电气设备的选择、继电保护装置的选择整定、防雷接地的设计及照明等内容.通过本次设计,使我对供配电系统有了更全面的认识,对所学知识也有了更深刻的理解.本文具体的设计工作有以下几点:

　　首先,采用了需要系数法对本厂各车间的负荷进行了负荷计算.为机加工车间1供电的车间变电所A的10 Kv侧计算负荷分别为1920 kW、1190.4 kvar、2259.08kVA、1 30.43 A;锻工车间2和配料车间3共用的车间变电所B的1 0 Kv侧计算负荷分别为864.5 kW、1149.79 kvar、1440.83 kVA、83.19A;冷加工车间4和模具车间5共用的车间变电所C的10 Kv侧计算负荷分别为304 kW、429.32 kvar、526.05 kVA、30.37A:装配车间6的车间变电所D的10 Kv侧计算负荷分别为1785 kW、1338.75kvar、2231.25 kVA、128.82 A;热处理车间7和高压泵房8共用的车间变电所E的10 Kv侧计算负荷分别为1382.25 kW、1347.91 kvar、1930.67 kVA、111.47A.并针对功率因数低于供电部门要求的情况,进行了无功补偿设计,10 kV侧补偿前负荷cosF=O.744,补偿-3600kvar后,cosF=0.925,使总的视在计算负荷减小,降低了本厂的初投资,减少了本厂的电费开支,从而使本厂的设计更加经济实惠.

　　其次,对本厂的电气主接线方式及平面布置进行了详细的设计.在电气接线方式的选择上,经过三种方案的技术经济比较,选择35kV进线经一台35/10kV的变压器和一路10kV电源作为备用电源的方案,10kV母线采用单母线接线方式,此方案在技术和经济上都具有较高的优越性.在此基础之上,根据各车间的负荷情况对各车间交电所进行了位置的选择和变压器容量的确定,并对变电所进行了平面布置设计.

　　再次,进行了本厂供配电系统的短路电流计算和电气设备的选择.短路电流计算时,绘制了最大运行方式和最小运行方式下的短路电流计算的等值电路图,采用标幺值法对两种运行方式下的各短路点的短路电流进行了计算.依据其计算结果,进行了各电压等级的电气设备选择,并对其进行热稳定性校验和动稳定校验,最后确定了各电气设备和线缆的具体型号,完善了配电装置的配置.

　　再次,针对本厂一次配电装置的接线形式和所选设备类型,进行了二次继电保护的设计.工厂供配电系统中的继电保护是系统及其设备安全运行的重要保证,是自动、迅速、准确切除故障的重要装置.继电保护装置的动作应具备选择性、可靠性、速动性及灵敏性.运用保护原理对保护装置进行了参数整定,并对其整定值进行了校验,确保了系统的安全运行.35kV架空线路过电流保护采用三个电流互感器接成全星型接线方式,以提高保护动作的灵敏度,继电器采用DL-21C,流过保护装置一次侧动作电流为756.88A, 线路采用进行距离保护I、II段,整定值分别为3.111O,11.014Ω.主变压器电流差动保护的整定按躲过最大不平衡电流整定,即1.183 kA.

　　最后,本文对变电所进行了防雷接地及照明的设计.防雷保护和接地装置是供配电系统安全运行的重要设施.本文在分析了变电站基本资料的基础上,在架空进线端采用了避雷线的方式来防止直击雷的侵害,在变电所内采用了独立避雷针的方法,避雷针与变电所的距离为Sk≥0.3Rch+0.1hx,Sd≥0.3Rch,在母线出采用了避雷器的方式来实现全所的防雷保护.另外,根据本变电所所处位置的土壤电阻率和可用自然接地体的情况,采用直径50mm,长2.5 m的钢管接地体,沿变电所四周,距墙角2.5 m,每隔5 m打入一根埋深O.8m的钢管,各钢管接地体之间用40×4 mm2.的扁钢连接构成一个接地网,对本变电所进行了接地设计,确保了人身及电气设备的安全.最后,本文还对全所的照明系统进行了设计,实现了本所的正常照明和应急照明的功能.

　　本文通过对机械加工工厂供配电系统的设计,我阅读的大量的资料,在结合专业课的基础上,涵盖了供配电系统几乎所有的部分,基本上完成了整个系统的设计工作,使我对所学知识有了更深刻的认识.但是,也有不足的地方,比如有些地方没有深入的进行理论分析,实践方面还比较欠缺等,这些在今后的工作学习中我会积极补充,使自己对整个系统的认识更加健全,并在实践中不断完善自己,做一个专业的合格的系统人.

　　致 谢

　　值此硕士学位论文完稿即将毕业之际,衷心感谢山东农业大学机械与电子工程学院和我的导师李法德教授给予我攻读硕士学位的机会.

　　本论文的研究是在导师李法德教授的悉心指导下完成的.衷心感谢导师所给予的科学指导、耐心教诲及在生活上的关爱和帮助.李老师严谨的治学态度和崇高的师德,渊博的知识,孜孜不倦的敬业精神、宽厚的学者风范使我终生受益匪浅,为我今后的学习和工作树立了良好的榜样.

　　感谢山东农业大学机械与电子工程学院张晓辉院长、谢胜利书记、李汝莘教授、李光提老师、给予的支持与帮助.

　　感谢三年来一起生活、学习和工作过的同学们.在课题的研究过程中,他们提供了各方面的支持和帮助,在此衷心祝愿他们学业有成、万事如意.

　　感谢担任论文评阅和答辩委员会的各位专家、教授对论文的评阅和指证.

　　感谢所有关心和帮助过我的人们.
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