通用机器厂供配电系统电气设计

课 程 设 计

课 程 工厂供电课程设计 题 目 通用机器厂供配电系统的电气设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师

2014年 11月 23 日

XXXX大学课程设计任务书

课程 工厂供电课程设计 题目 通用机器厂供配电系统的电气设计 专业

姓名 学号

主要内容：

对中小型工厂的供配电系统进行设计，采用10kV供电电源，在金工车间东侧1020m处有一座10kV配电所，先用1km的架空线路，后改为电缆线路至本厂变电所，将6—10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压，然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备。其它各项设计，均应根据本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求进行设计。

参考资料：

[1] 刘介才.工厂供电 [M] ．北京：机械工业出版社，2003.44-48

[2] 王健明，苏文成．供电技术 [M] ．西安：电子工业出版社，2004． [3] 何仰赞，温增银．电力系统分析 [M] ．武汉：华中科技大学出版社，2004． [4] 张桂香．机电类专业毕业设计指南 [M] ．北京：机械工业出版社，2005． [5] 江文，许慧中．供配电技术 [M] ．北京：机械工业出版社，2003． 完成期限 2014.11.17至2014.11.23 指导教师 专业负责人

2014年 11 月 14 日

目 录

1 设计要求 ··················································································· 0 2 工厂负荷计算及配电系统的确定 ····················································· 0

2.1 工厂实际情况的介绍 ···························································· 0 2.2 工厂负荷计算和无功补偿计算 ················································ 2 2.3 主要车间配电系统的确定 ······················································ 4 3 电气设备选择与电器校验 ······························································ 6

3.1 主要电气设备的选择 ···························································· 6 3.2 电器校验 ··········································································· 7 4 继电保护系统的设计 ··································································· 11

4.1 继电保护的选择、整定及计算 ··············································· 11 4.2 防雷与接地 ······································································· 11 5 变电所平面布置设计及设计图样 ···················································· 11

5.1 变配电所平面布置设计 ························································ 11 5.2 设计图样 ·········································································· 12 6结 论 ························································································ 14 参考文献 ····················································································· 15

1 设计要求

（1）根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，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。

（2）确定变电所主变压器的台数与容量、类型。 （3）选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线。 （4）确定二次回路方案。 （5）选择整定继电保护装置。 （6）确定防雷和接地装置。 （7）绘制设计图样。

2 工厂负荷计算及配电系统的确定

2.1 工厂实际情况的介绍

1.本次设计的机器厂厂区平面布置如图2.1所示。

图2.1通用机器厂长区平面图

2.各车间负荷情况见表2-1。

表2-1各车间负荷表

车间 冷作 装配 仓库 户外照明 P/kW 100 80 20 20 Q/kvar 110 90 20 15 最大电动机/kW 30 22 7.5 3.金工车间设备平面布置如图2.2所示。 4.供电电源。

在金工车间东侧1020m处有一座10kV配电所，先用1km的架空线路，后改为电缆线路至本厂变电所，其出口断路器是SN10—10Ⅱ型[4]，此断路器配备有定时限过电流保护和电流速断保护，定时限过电流保护整定的动作时间为1s。

5.气象资料。

年平均气温为23.2℃，年最低气温为2℃，年最热月平均气温为34.6℃

图2.2金工车间设备平面布置图

6.地质资料。

本厂所在地区平均海拔450m。土壤电阻率为100欧姆/米。 7.金工车间设备明细见表2-2。

表2-2金工车间设备明细表

序号 1—3 36 13—36 23—25 32—34 4 5 21 35 6 7 41 42 8 9 10 11 12 17 18 19 20 38 22 37 26 27 30 31 39 40 43 44 45 46 47 48 49 50 铣床 摇臂钻 铣床 铣床 砂轮机 砂轮机 磨床 磨床 磨床 车床 磨床 车床 摇臂钻 龙门刨 铣床 镗床 铣床 桥式起重机 桥式起重机 10+2.8 4.5+1.7+0.6+0.125 7+2.8 7+1.7 3.2 1 7+1.7+0.5 10+2.8+1.5 10+2.8+0.5 10+0.125 14+1+0.6+0.15 20+0.15 10+0.5 75+4.5+1.7+1.7+1+1+0.5 7+1.7 6.5+2.8 7+2.8 11+5+5+2.2 16+5+5+3.5 1 3 4 2 1 2 2 1 2 2 2 1 1 2 3 1 1 1 2 设备名称 车床 设备容量/kW 7+0.125 台数/台 14 全厂照明密度为：12W/m.m

2.2 工厂负荷计算和无功补偿计算

根据工艺设计提供的各厂房电力负荷清单，全厂都是三级负荷。按需要系数法分别计算出各厂房及全厂的计算负荷。注意，用电设备的总容量Pe值不含备用设备容量。

2.2.1金工车间负荷计算

1．金属切削机床组设备容量

Pe=（7.125×14+12.8+6.925×3+9.8×4+8.7×2+3.2+1×2+9.2×2+14.3+13.3×2+10.125×2+15.75×2+63+38.7+20.15+10.5+85.4×2+8.7×3+9.3+9.8）kW =653.525kW 对于大批生产的金属冷加工机床电动机，其需要系数：

Kd=0.18—0.25取0.25cos=0.5，tan=1.73 有功计算负荷：P30=KdPe=（0.25×653.525）kW=163.38kW 无功计算负荷：Q30=P30tan=（163.38×1.73）kVA=282.65kVA 2.桥式起重机容量

Pe=PN=（23.2+29.5×2）kW=82.2kW

对于锅炉房和机加、机修、装配等类车间的吊车，其需要系数：

Kd=0.1—0.15（取0.15），tan=1.73,cos=0.5 有功计算负荷：P30=KdPe=（0.15×82.2）kW=12.33kW 无功计算负荷：Q30=P30tan=（12.33×1.73）kVA=21.33kVA

3.金工车间照明

车间面积：60×24=1440（m2）

设备容量：Pe=（12×1440）W=17280W=17.28kW

对于生产厂房及办公室、阅览室、实验室照明，其需要系数：

Kd=0.8—1取1，tan=0,cos=1.0（tan和cos的值均为白炽灯照明数据） 有功计算负荷：P30=KdPe=（1×17.28）kW=17.28kW 无功计算负荷：Q30=P30tan=（17.28×0）kVA=0 kVA 2.2.2全厂总负荷

1．变压器低压侧：

有功计算负荷：P302=0.95P30

=0.95×（163.38+12.33+17.28+100+80+20+20）kW =392.34kW

无功计算负荷：Q302=0.97Q30

=0.97×（282.65+21.33+110+90+20+15）kVA =522.81kVA

视在计算负荷：S302=392.342522.812kVA=653.65kVA 功率因数：cos2=P302/Q302=392.34/653.65=0.6

SL7型变压器属于低损耗电力变压器，其功率损耗可按简化公式计算。 有功损耗：PT0.015S302=（0.015×653.65）kW=9.81kW 无功损耗：QT0.06S302=（0.06×653.65）kVA=39.22kVA 2．变压器高压侧： 有功计算负荷：P301=P+PT=（392.34+9.81）kW=402.15kW

302无功计算负荷：Q301=Q302+QT=（522.81+39.22）kVA=562.03kVA 视在计算负荷：S301=402.152562.032kVA=691.09kVA 功率因数：cos1=P301/S301=402.15/691.09=0.58 3．无功功率的补偿。

由于要求工厂变电所高压侧的功率因数不得低于0.9，而目前只有0.58，因此，需进行无功功率的补偿。

提高功率因数的方法分为改善自然功率因数和安装人工补偿装置两种。安装人工补偿装置的方法既简单见效又快，因此，这里采用在低压母线装设电容屏的方法来提高功率因数[5]。考虑到变压器无功功率补偿损耗远大于有功功率损耗。一般Qt=（4-5）PT,因此在低压补偿时，低压侧补偿后的功率略高于0.9，这里取cos=0.92。而补偿前低压侧的功率因数只有0.6，由此可得低压电容屏的容量为：

QC=P'（tan-tan） 302=392.34tanarccos0.6tanarccos0.92kVA=355.76kVA 取QC=360kVA。

4．补偿后变压器容量和功率因数： 补偿后变电所低压侧的视在计算负荷：

2'392.34522.81360kVA=424.78kVA S30=22主变压器的功率损耗： ''PT0.015S3020.015424.78kW6.37kW

''QT0.06S3020.06424.78kVA25.49kVA

变压器高压侧的计算负荷：

'有功计算负荷：P301392.346.37kW398.7kW

'无功计算负荷：Q301522.8136025.49kVA188.3kVA '22视在计算负荷：S301398.7188.3kVA=440.9kVA

''功率因数：cos'=P301/S301398.7/440.940.904

功率因数满足要求。

''计算电流：I301S301/3UN440.94kVA/310kV25.46A

全厂变电所负荷计算如表2-3所示。

2.3 主要车间配电系统的确定

工厂的低压配电线路有放射式、树干式和环行三种基本结线方式。 放射式结线的特点是：其引出线发生故障是互不影响，供电可靠性较高，而且便于装设自动装置。但有色金属消耗量较多，采用的开关设备也较多。放射式结线方式多用于设备容量大或供电可靠性要求较高的设备供电。而树干式结线的特点正好与放射式结线相反。很适于供电给容量较小而分布较均匀的用电设备。环行结线供电可靠性较高，但其保护装置及整定配合比较复杂[6]。因此，根据金工车间的具体情况，本系统采用放射式和树干式组合的结线方式，能满足生产要求。

表2-3 全厂变电所负荷计算表

设备名称 金工车间冷加工机床 起重机 车间照明 小计 冷作车间 装配车间 仓库 户外照明 小计 变电所低压负荷取 Kp=0.95 Kq=0.97 补偿电容 补偿后低压负荷 120 台数/ 台 117 3 Pe/ kW 654.53 82.2 17.28 Kd 0.25 0.15 1 cos tan 0.5 0.5 1 1.73 1.73 0 P30/ kW 163.38 12.33 17.28 192.99 100 80 20 20 220 392.34 Q30/ kVA 282.65 21.33 0 303.98 110 90 20 15 235 522.81 S30/ kVA 653.65 392.34 -360 162.81 424.78 配电设计方案1如图2.3所示。配电设计方案2如图2.4所示。 方案比较：

1．方案1和方案2对金工车间的供电都是可行且都能达到目的。

2．方案1和方案2中，方案1中的干线⑤⑥⑧③和方案2中的干线⑤⑥⑦③是同样的。对功率较大的靠近变电所的设备采用放射性供电，放射式线路之间互

不影响，因此供电可靠性较高。

3．方案1中的干线①跨过20多米把设备10、11、12连接，电能损耗大，金属损耗多，这样既不经济，供电也不可靠[7]。而方案2中，设备1—9由一干线树干式供电，能减少线路的有色金属消耗量，采用的高压开关数量少，投资少，能弥补以上的缺点。

图2.3金工车间配电方案1

图2.4金工车间配电方案2

4．方案1中的干线②供电范围中，包括功率较大的设备30和29。由于其他设备功率小，这样起动电流大，供电不可靠。方案2中干线②只对13—21、31只对小功率的设备供电，功率平衡，供电可靠性相对提高。大功率设备30、29直接采用放射式供电。

5．方案1中，三台桥式起重机用同一干线⑦，采用树干式供电，若有一台起重机出故障，则三台起重机均不能使用，供电可靠性极差。而对于方案2中，用干线10、11对起重设备49、50和48供电，若一台起重机出故障，至少还有一台

起重机可工作。这样，供电可靠性就提高了。

6．方案2中的干线④把22—27、32—38及10—12的设备采用树干式供电，减少电能损耗，减短导线长度。从经济上看，节省开支，且不影响供电可靠性。

结论：经以上比较，从经济性、供电可靠性两方面考虑，方案2比方案1好。因此采用方案2对金工车间供电。

3 电气设备选择与电器校验

3.1 主要电气设备的选择

3.1.1变压器的选择

对于SL7-630kVA变压器，考虑本地年平均气温为23.2℃，即年平均气温不等于20℃，则变压器的实际容量应计入一个温度校正系数K[8]。对室内变压器，其实际容量为

2023.220STKSN0.920.avSN0.92630kVA559.44kVA

100100559.44kVA大于424.78kVA，因此，变压器的选择满足要求。 3.1.2低压补偿柜的选择

本系统拟采用无功功率自动补偿屏，装在变电所低压母线侧集中补偿。 选用总电容容量为360kVA。电容屏型号选：PGJ1—2一台，PGJ1—3三台。 3.1.3低压配电屏的选择

根据前面所确定的车间配电系统及多路额定电流，本设计选用固定式低压配电屏PGL2型，因为该厂为三级负荷，选用PGL2型即可满足要求[9]。若要更可靠，则可选用抽屉式GCK或多米诺。 3.1.4高压开关柜的选择

本次设计中，确定用630kVA的变压器把10kV的高压降到动力设备所需要的电压0.4kV。若有重要负荷，可靠性要求较高，则可选用手车式开关柜，如JYN、KYN。本厂都是动力设备，无重要负荷，因此，变电所可采用固定式开关柜。这里选用GG—1A（F）--03，此柜装有GN19—10型隔离开关1个，隔离高压电流，以保证其他电气设备的安全检修。SN10--10Ⅱ/630—500型少油断路器1个[10]，可以通断线路正常的负荷电流，也可以进行短路保护。GG—1A（F）--03除备有以上两种开关外，还有LQJ—10型电流互感器2个，分别接仪表和继电器，以满足测量和保护的不同要求。

3.2 电器校验

3.2.1高压电器的校验

高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

选择好高压开关柜和柜内的高压设备后，可对选用的电器设备进行校验。 1.短路电流的计算

要校验高压电器，必须先对线路进行短路计算。 画短路计算电路图如图3.1所示。

图3.1短路计算电路图

画出短路等效电路图如图3.2所示。

图3.2短路等效电路图

c1（1）求k—1点的三相短路电流和短路容量（U=10.5kV）；

1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗：

电力系统的电抗：X1Uc21/Soc=10.52/500=0221 式中Uc1--短路点的短路计算电压，单位为kV；

Soc--系统出口断路器的断流容量，单位为MVA。根据题目给出的出口断路器型号SN10--10II，查相关手册或样本可得。

架空线路的电抗：X0=0.38/km，又已知L=1km，因此

X2=X0L=0.381=0.38

电缆线路的电抗：X0=0.08/km，又已知L1=0.02km， 因此X3=X0L1=0.080.02=0.0016 计算总电抗：X

k1==X1+X2+X3=（0.221+0.38+0.0016）=0.603

2)计算k—1点的三相短路电流和短路容量

三相短路电流周期分量有效值：

3Ik1=UC1/3Xk1=10.5/（30.603）kA=10.06kA

三相次暂态短路电流和短路稳态电流：

I''3k1=I33=Ik1=10.06A K1三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值：

3''3ish=2.25Ik1=2.2510.06kA25.65kA k13''3Ish=1.51Ik1=1.5110.06kA=15.19A k13三相短路容量：Sk313Uc1Ik1310.5kV10.06kA182.96MVA

（2）求k—2点的三相短路电流和短路容量（Uc20.4kV）； 1）计算短路电流时各元件的电抗及总电抗

'224UC电力系统的电抗：X12/Soc0.4/5003.210

架空线路的电抗：X'2X0lUc2/Uc1=0.3810.4/10.55.5104 电缆线路的电抗：

'X0lUc2/Uc10.080.020.4/10.52.32106 X32222电力变压器的电：U'42c2K﹪=4.5﹪则

24.50.42k0.0000114k0.0114 X=UK/100U/SN100630'''X3X4总电抗：Xk2X1'X2

=（3.21045.51042.321061.14102） =0.0123

2）计算k—2点的三相短路电流和短路容量

三相短路电流周期分量有效值：

3Ik2Uc2/3X0.4/30.0123kA18.82kA k2三相次暂态短路电流和短路稳态电流：

333I''kII2k218.82kA k2三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值：

3''3ish1.84Ik21.8418.82kA34.63kA 3''3Ish1.09Ik21.0918.82kA20.51kA

三相短路容量：S33UIk2c2k230.4kA18.82kA13.04MVA

3计算结果见表3-14。

表3-14 短路计算表 短路计算 Ik k-1 10.06 3短路电流/kA I''3短路容ish 25.65 3

I 10.06 3Ish 15.19 3量/MVA 182.96 10.06 2.高压开关柜中高压电器的校验

对所选用的高压电器，按各类高压电器的校验项目和条件分别进行校验。 1）GN19—10/400隔离开关的校验见表。

表3-15 GN19—10/400校验表

序号 装置地点及电气条件 项目 1 2 US/kV I30/A 数据 10 25.46 GN19—10T/400 项目 UN/kV IN/A 数据 10 400 结果 合格 合格 GN19—10型隔离开关的UN、Imax、It2t的值可查相关手册或产品样本。

2）SN10--10II/630—500型少油断路器的校验见表。

表3-16 SN10—10Ⅱ/630校验器 序号 装置地点及电气条件 项目 1 2 3 数据 10 25.46 15.19 SN10—10Ⅱ/630—500 项目 UN/kV IN/A Imax/kA 数据 10 630 40 合格 合格 合格 结果

US/kV I30/A Ish/kA 33） LQJ—10型电流互感器的校验见表3-17。

LQJ—10电流互感器的UN与IN值可查相关手册或产品样本。

表3-17 LQJ—10校验表

序号 装置地点及电气条件 项目 1 2 U/kV I30/A 数据 10 25.46 LQJ—10 项目 U/kV IN/A 数据 10 30 合格 合格 结果 3.2.2低压开关柜中低压电器的校验

HD13—1000型刀开关的校验见表3—18。

HD13—1000型刀开关的UN、IN、Imax、It2t的值可查相关手册或产品样本。

表3-18 HD13—1000校验表 序号 装置地点及电气条件 项目 1 2 3 4 数据 0.4 5.4 34.63 2HD13—1000 项目 数据 0.4 1000 60 301.0 2结果 US30/kV /A UNN/kV 合格 合格 合格 合格 III/A 3sh/kA tima/kA2s Imax/kA I322218.821.0 Itt/kAs 5 I

3k2/kA 18.82 Ioc/kA 1000 合格 DW10型低压断路器的校验表。

DW10型断路器的UN、IN、Ioc的值可查相关手册或产品样本。

表3-19 DW10—1000校验表

序号 装置地点及电气条件 项目 1 2 3 数据 0.4 5.4 18.82 DW10—1000 项目 数据 0.4 1000 20 合格 合格 合格 结果 US/kV UNNoc/kV II30/A II/A /kA 3k2/kA 由于高压计量柜是由电力部门统一规定的，所以柜中的设备留给电力部门配置。

3.2.3导线的校验

校验举例如下： 1.2号分干线的检验：

导线明敷设校验：

根据Ial73A,而I3068.08A小于I73A,满足发热要求。

al根据Amin=2.5mm2小于16mm2，满足机械强度要求。 熔断器与导线的配合：RTO—100/80则IN.FE80A，IKalIal1.573A109.5A,则IN.FE小于KalIal 满足配合要求。

穿管的导线的校验：

根据Ial81A，I30=68.08A小于Lal=81A，满足发热要求。 根据Amin=2.5mm2小于35mm2，满足机械强度要求。 KalIal=2.581A=202.5A，则IN.FE小于KalIal 满足配合要求。

例如，干线1的电压损耗校验。

干线1截面为25mm2，cos=0.5，电压损失为0.419﹪Akm，l=70m=0.07km，I30=90.98A。

UK﹪1=0.41990.980.072.67﹪小于5﹪

满足要求。

导线穿管 ：l=6m=0.006km

对于截面为70mm2，cos=0.5，电压损失为0.146﹪Akm，有

UK﹪2=0.41990.980.0060.69﹪

UK﹪1+UK﹪2=2.67﹪+0.69﹪=3.36﹪小于5﹪

al=73A

干线1的电压损耗满足要求。

4 继电保护系统的设计

4.1 继电保护的选择

对于中小型工厂供电系统来说，继电保护以简单经济为宜，因此使用反时限过电流保护。

4.2 防雷与接地

为防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所而危及主变压器等电气设备的绝缘，本次设计在高压开关柜中没有装设避雷器。在10kV架空进线的最后一个电线杆中装设一组HY5W4型避雷器。这种避雷器内部无空腔，不存在内外气体互相渗漏问题，安装运输无破损，可靠性很高。

凡是与架空线路相连的进出线，在入户处的电线杆进行接地，可以达到重复接地的目的，每个电缆头均要接地。

按规定10kV配电装置的构架，变压器的380V侧中性线及外壳，以及380V电气设备的金属外壳等都要接地，其工频接地电阻要求RE小于4。根据土壤电阻率=100/m及RE小于4，因此可采用6根直径50mm的钢管作接地体，用40mm4mm的扁钢连接在距变电所墙脚2m处，打入一排=50mm、长2.5m的钢管接地体。每隔5m打入一根，管间用40mm4mm的扁钢连接。接地体所用材料见表4-1。

5 变电所平面布置设计及设计图样

5.1 变配电所平面布置设计

根据变电所应靠近负荷中心及进出线方便的原则，也考虑到扩建时更换大一级容量变压器的可能，可确定变电所的位置在金工车间的西南角，且在大路旁，这样便于变压器的运行、检修和运输，而且变压器投入运行时线路损耗最小。

本厂的环境温度为月最高平均气温34.6℃，变压器放在室内，根据10kV室内变压器的安装要求[13]，采用附设式电力变压器室布置，并采用窄面推进式布置。同时，储油柜侧向外，便于带电巡视。变压器外壳距门不应小于1.0m，距墙不应小于0.8m。

附设式电力变压器的主结线采用方案2，它的容量是200—630kVA。进线方式

是高压电缆进线，低压母线引出。变压器室结构型式采用敞开式。

根据需要，附设式电力变压器采用右边出线、窄面推进的变压器室。变压器室应避免遭到西晒，因此门应朝南开。

由于在本设计中只采用两台高压开关柜，根据高压开关柜的型号、数量及其安装特点，所以高压室的尺寸可以考虑为4000mm4000mm。其门向外开，宽度为1500mm。

由于低压配电屏有9台，查该产品样本知低压配电屏的尺寸为；宽深高为1000mm600mm2200mm，采用单列布置有9m长，根据长度大于7m时，应设两个安全出口，并应设在柜的两端的原则，出口宽度为800mm，考虑墙的厚度为240mm，所以低压室的长度应考虑11m，该种型号的开关柜其柜后应留1000mm，柜前至少应留有1500mm，为了跟变压器室对齐[14]，低压室宽度可以取4000mm。在配电室的两端各设一个门，且门都向外开，利于紧急情况时，人员外出和处理事故。

5.2 设计图样

1.变电所主结线电路图 主结线电路图如下

图5.1变电所主结线电路图

2.变电所平面布置图 平面布置图如图5.2所示。

图5.2变电所平面布置图

3.变电所A—A剖面图

变电所A—A剖面图如图5.3所示。

图5.3变电所A-A剖面图

1-低压开关柜 2-电缆支架 3-电缆头支架 4-电缆头

5-高压母线支架 6-低压母线支架 7-电力变压器

6 结 论

1．变电所应靠近负荷中心并且要尽量使进出线方便，同时也要考虑到扩建时更换大一级容量变压器的可能，所以本文可确定变电所的位置在金工车间的西南角，且在大路旁，这样便于变压器的运行、检修和运输，而且变压器投入运行时线路损耗最小。

2．由于本厂年均温度过高，变压器应放在室内，10kV室内变压器的安装，应用附设式电力变压器室布置，并采用窄面推进式布置。

3．经研究储油柜侧向外为宜，这样便于带电巡视。

4．进线方式应是高压电缆进线，低压母线引出。变压器室的结构形式应采用敞开式。根据需要，附设式电力变压器采用右边出线、窄面推进的变压器室。

5．变压器室应避免遭到“西晒”，因此门应朝南开。

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