大型工厂供电系统的设计

摘摘 要要 本设计在对化纤厂进行供配电调研、论证的基础上，完成了化纤厂的负荷计 算、10KV 变配电所主接线设计；还进行了短路计算、电气设备的选择和校验以 及继电保护的选择与整定。在设计的最后对化纤厂的供电系统进行了防雷保护。 此次设计还专门针对化纤厂的机修车间进行了具体的供电线路的设计。 关键词关键词：变电所、负荷、短路、电力设备 II ABSTRACT Based on surveying, studying, expounding and proving, the load calculating of the chemical fibre factory and the design of main electrical connection line in 10KV is completed. At the same time, the short-circuit current, the selection and rectify of electric appliance and the selection and consolidation of protection relays had calculated. At the end of the design, the anti lighting stroke and earthing are fulfilled. In the course of this design, the designs of the supply electricity circuit of the mechanism workshop of the chemical fiber factory have been specially done in detail. Keywords: substation, load, short-circuit, electric appliance. 大型工厂供电系统的设计 目 录 第一章 工厂简介及设计要求1 1.1 研究大型工厂供电系统的背景 1 1.2 工厂供电系统设计的原则 1 1.3 工厂供电系统设计的意义 1 第二章 工厂简介及设计要求3 2.1 工厂生产任务及车间组成 3 2.2 设计依据 3 第三章 负荷计算及功率因数补偿计算.6 3.1 负荷计算 6 3.2 功率因数补偿计算 9 3.3 变压器的选择 .11 第四章 总配电所主接线方案的设计13 4.1 概述 .13 4.2 总配电所主接线的设计 .14 第五章 短路计算16 5.1 概述 .16 5.2 短路计算 .17 第六章 电气设备的选择与校验.21 6.1 概述 .21 6.2 按短路情况校验电器的稳定性 .21 6.3 电气设备的选取 .23 第七章 工厂电力线路的设计.25 7.1 架空线路的设计 .25 7.2 导线截面的选择 .25 第八章 供电系统的保护.31 8.1 概述 .31 IV 8.2 继电保护 .31 8.2 变压器保护 .32 8.4 继电保护的选择与整定 .33 第九章 防雷与接地37 9.1 概述 .37 9.2 防雷与接地 .37 第十章 电气照明40 10.1 合理选择光源 40 10.2 灯具的选择与布置 40 参考文献42 致 谢.43 大型工厂供电系统的设计 1 第一章前 言 1.1 选题背景 随着经国民济的不断发展，世界各国的用电量也随之不断增加，电能已经成 为一种特别重要的能源，电能对国民经济各部门以及人民生活的作用越来越重要， 可以说，国民经济各部门和人民生活已经离不开电能了。合理用电、节约用电的 迫切性和必要性已为人们所认识。科学技术的发展，使用电和节电技术渗透到设 计、运行、制造、管理等部门，其设计面愈来愈宽，内容愈来愈深，与实际联系 也愈来愈密切，这都为培养高质量的供用电人才提出了更高的要求。为了更好的 适应现代工业社会的要求，把自己培养成一个合格的电气工程人员，我们必须尽 可能多的掌握供配电知识、用电知识、节电知识。为了更好的掌握书本知识，为 了更好的把所学知识应用到生产实践，我们必须从教学实际出发，结合国情对工 厂供电，配电的基本原理和实际应用有更深入的了解。因此，我选择大型工厂供 电系统的设计，使我更深入的掌握工厂供配电知识，为将来走上工作岗位打下良 好的基础。 1.2 供电系统设计的原则 工厂供电设计必须遵循国家的各项方针政策，设计方案必须符合国家标准中 的有关规定，同时必须满足以下几项基本要求： 1、 保证工厂生产工艺所要求的供电可靠性； 2、 保证电能质量； 3、 在必要的供电可靠性基础上，力求经济，使供电系统的投资少、运行费用低， 并且尽可能的减少又涩精梳消耗量； 4、 设计中应合理地处理局部与全局、当前与长远的关系，并能适应发展的需要。 1.3 供电系统设计的意义 电能是工业生产的主要动力能源。工厂供电设计的任务是从电力系统取得能 源，经过合理的传输、变换、分配到工厂车间中的每一个用电设备上。随着工业 电气自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能质量、供电可靠性以及 2 技术经济指标等要求也日益提高。供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设 投资、用行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂供电的可靠性和安全生产 上，它与企业的经济效益、设备和人生安全等是密切相关的。 现在除了个别大型工业联合企业有自备电厂外，绝大多数工厂都是从国家电 力系统取得电能的。因此，工厂工业负荷是电力系统的主要用户，工厂供电系统 也是电力系统的一个组成部分，保证企业安全供电和经济运行，不仅关系到企业 的利益、也关系到电力系统安全和经济运行以及合理利用能源.随着经济建设突飞 猛进和人民生活水平的日益提高, 城市配电网正日益面临着提高供电可靠性的迫 切要求。拔地而起的高楼大厦、办公设施的现代化、生活用品的电气化以及生产 过程的自动化都无法忍受任何理由的哪怕是很短时间 的停电.因为即便是很短时 间的停电都会给工厂和企业带来重大的损失。工厂工业 负荷是电力系统的主要用 户,合理的工厂供电系统的设计,不仅可以保证企业的安全合理供电和经济运行,也 有利于电力系统的安全经济运行,最大限度的节约能源。所以工厂供电的可靠性和 安全性就显得非常重要了。工厂供电设计对国民经济各部门以及人民生活都有极 其重要的意义。 大型工厂供电系统的设计 3 第二章 工厂简介及设计要求 2.1 工厂生产任务及车间组成 2.1.1 生产规模及产品规格 本厂规模为万锭精梳化纤毛织染整联合厂。生产化纤产品，全年生产能力为 230 万米，其中厚织物占 50%，中厚织物占 30%，薄织物占 20%，全部产品中以晴 纶为主体的混纺物占 60%，以涤纶为主体的混纺物为 40%。 2.2.2 车间组成及布置 本厂设有一个主厂房，其中有制条车间、纺纱车间、织造车间、染整车间等 四个生产车间，设备选型全部采用我国最新定型设备。除上述车间外，还有辅助 车间及其它设施，详见全厂总平面布置图（图 1）。 2.2 设计依据 2.2.1 工厂总平面布置图：(如下图所示) 4 2.2.2 供用电协议 本厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下： (1)电业部门某 35/10 千伏变电所，用 10 千伏双回架空线路向本厂供电，该 所在厂南侧 1.0 公里； (2)该变电所千伏配出线路定时限过流保护装置的整定时间为 1.5 秒，要求配 电所不大于 1.0 秒； (3)在总配变电所 10 千伏则计量； (4)要求本厂的功率因数值在 0.9 以上。 (5)配电系统技术数据： 变电所 10 千伏母线短路数据为 运 行 方 式电源 10 千伏母线短路容量说 明 系统最大运行方式时S(3)dmax=187 兆伏安系统为无限大容量 大型工厂供电系统的设计 5 系统最小运行方式时S(3)dmin=107 兆伏安 供电系统如图 2 所示： 2.2.3 本厂的负荷性质 生产车间为三班制，部分车间为单班或两班制。全年为 306 个工作日，年最 大负荷利用时数 6000 小时。属于二级负荷。 2.2.4 本厂自然条件 一、气象条件：一、气象条件： （1） 最热月平均最高温度为 30C。 （2） 土壤中 0.7-1 米深处一年中最热月平均温度为 20C。 （3） 年雷暴日为 31 天。 （4） 土壤冻结深度为 1.10 米。 （5） 主导风向夏季为南风。 二、二、 地质及水文条件：地质及水文条件： 6 根据工程地质勘探资料获悉，厂区地址原为耕地，地势平坦，地层以砂质 粘土为主，地质条件较好，地下水位为 2.85.3 米。地耐压力为 20 吨/平方米。 第三章 负荷计算及功率因数补偿计算 3.1 负荷计算 3.1.1 负荷计算的意义 负荷计算是根据已知工厂的用电设备安装容量来确定预期不变的最大假想负 荷。它是按发热条件选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关 电器及互感器等的额定参数的依据，所以非常重要。如估算过高，将增加供电设 备的容量，使工厂电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。特 别是由于工厂企业是国家电力的主要用户，以不合理的工厂电力需要量作为基础 的国家电力系统的建设，将给整个国民经济建设带来很大的危害。但是如果估算 过低，又会使工厂投入生产后，供电系统的线路及电器设备由于承担不了实际负 大型工厂供电系统的设计 7 荷电流而过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供 电系统的正常可靠运行。因此，我们在设计时必须认真确定。 3.1.2 负荷计算的方法 常用负荷计算的方法：(1)需要系数法(2)二项式系数法(3)形状系数法。 在此次选择的设计中，设备台数较多，各台设备容量相差不太悬殊，所以考 虑采用需要系数法。 需要系数法的主要步骤： (1)将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量。 (2)查出各组用电设备相应需要系数及对应的功率因数。 (3)用需要系数法求车间或全厂的计算负荷时，需要在各级配电点乘以同期系 数 K。 需要系数法的计算过程：先从用电端起逐级往电源方向计算，即：首先按需 要系数法求得各车间低压侧有功及无功计算负荷，加上本车间变电所的变压器有 功及无功功率损耗，即得车间变电所高压侧计算负荷；其次是将全厂各车间高压 则负荷相加同时加上厂区配电线路的功率损耗，再乘以同时系数。便得出工厂总 降压变电所低压侧计算负荷；然后再考虑无功功率的影响和总降压变电所主变压 器的功率损耗，其总和就是全厂计算负荷。 需要系数法的计算公式 计算负荷计算公式适用条件 有功（K w） ed pKP 30 无功（Kvar） tan 3030 PQ 视在（KVA） cos/ 3030 PS 电流（A） N USI3/ 3030 已知三相用电设备组或 用电单位（工厂、车间） 的设备容量及功率因数， 求其计算负荷。 计算负荷计算公式适用条件 8 有功（K w） Ip pKP .3030 无功（Kvar） ip PKQ .3030 视在（KVA） 2 30 2 3030 QPS 电流（A） N USI3/ 3030 已求出各设备组或各单 位的有功和无功计算负 荷后，求总的计算负荷。 设备组或单位的设备容量，不记备用设备容量。 E p 设备额定电压。 e U 需要系数 d K 有功和无功符荷同时系数。 qp KK 设备组的有功和无功计算负荷。 iiP KP .30.30 （1）对反复短时工作制设备，其容量必须按规定的负荷持续率进行换算 （2）用电设备组、车间和工厂的需要系数参见有关表格。 （3）由设备组计算车间配电干线时，可取：K=0.850.95,K=0.9 P q 0.95。 3.1.3 全厂各车间电气设备及车间变电所负荷计算表 计算负荷 序 号 用电或车 间单位名 称(千瓦) 设备 容量 KXCOSTgPjs (千瓦) Qs (千乏) Sjs (千伏安) 备 注 K (1) NO1变电所变电所 1制条车间3400.80.80.75272204340 2纺纱车间3400.80.80.75272204340 3软水站86.10.650.80.7555.9741.9869.96 大型工厂供电系统的设计 9 4锻工车间36.90.30.651.1711.0712.9517.03 5机修车间296.20.30.51.7388.86153.7177.7 6 托儿所 幼儿园 12.80.60.61.337.6810.2112.8 7仓 库37.960.30.51.1711.3913.3322.78 0.9 8小 计10353.384.196.89647.1576.16866.43 (2)NO2变电所变电所 1织造车间5250.80.80.75420315525 2染整车间4900.80.80.75392294490 3 浴 室 理发室 1.880.81-1.504-1.504 4食 堂20.630.750.80.7515.4711.619.34 5独身宿舍200.81-16-16 6小 计951.83.563.962.03760.48558.54946.62 (3)NO3变电所变电所 1锅炉房1510.750.80.75113.384.94141.56 2水泵房1180.750.80.7588.566.375110.625 3化验室500.750.80.7537.528.12546.875 4卸油泵房280.750.80.752115.7526.25 6小 计312.32.72.882.7234.2175.67292.79 3.2 功率因数补偿计算 3.2.1 功率因数对供电系统的影响 在工厂供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性。这些设备不仅需 要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所必需 的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电 系统的功率因数。因此，功率因数是衡量工厂供电系统电能利用程度及电器设备 使用状况的一个具有代表性的重要指标。 10 功率因数的降低产生的不良影响：(1)系统中输送的总电流增加，使得供电系 统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，从而使工厂内部的启 动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，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；(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， 就使的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，使发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁 电流，从而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。 无功功率对电力系统及工厂内部的供电系统都有不良的影响。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地提高了 功率因数。 3.2.2 功率因数的补偿 供电单位在工厂进行初步设计时对功率因数都要提出一定的要求，它是根据 工厂电源进线、电力系统发电厂的相对位置以及工厂负荷的容量决定的。根据 全国供用电规则的规定，本设计要求用户的功率因数。 9 . 0cos 供电单位对工厂功率因数这样高的要求，仅仅依靠提高自然功率因数的办法， 一般不能满足要求。因此，工厂便需要装设无功补偿装置，对功率因数进行人工 补偿。 补偿容量可按下式确定： 302130 .)tan(tanPqPQ CC CC qQn 式中 补偿前自然平均功率因数对应的正切值；1 tan 1 cos 补偿后自然平均功率因数对应的正切值；2 tan 2 cos 补偿率 C q kWk var/ 设计时求得的平均负荷，单位为 ； 30 P KW 单个电容器的容量 C q vark 并联电容器的个数n 补偿前各变电所功率因数如下表所示： 大型工厂供电系统的设计 11 序 号NO.1NO.2NO.3 COS0.660.790.8 设计中考虑到经济实用的原则采用低压集中补偿方式，其特点是能补偿低压母 线以前的无功功率，可是变压器的无功功率得到补偿，从而有可能建交变压器容 量，且运行维护也较方便。适用于中小型工厂或车间变电所低压侧基本无功功率 的补偿。 并联电容器采用我国生产的 BW 0.4143 系列静电电容器，其单台静电电 容器能够发出的无功功率少，=14 ，容易组成所需的补偿容量，并且 C qvark 安装拆卸方便，对于放电电阻采用 6 只 220V 25W 白炽灯泡星形连接，即可满足 要求，但必须注意以下特点：(1)静电电容器的周围空气极限温度是-4040， 因此电容器室应有良好的通风，当周围空气温度达到 35 时，应将电容器从电网中 切除；(2)电容器对电压较敏感，运行时要严格监视其电压；(3)电容器从电网上 切除时，电容器上有残余电量，危及工作人员安全，必须加接放电电阻。 经查表得，根据以上公式求得各变电所所需的电容器个数，列于下表： C q NO.1NO.2NO.3 C q 0.710.380.33 C Q459.428977.3 n33216 补偿后各变电所的计算负荷如下表所示： 计算负荷 序 号 有功（千瓦）无功（千乏）视在（千伏安） 功率因数 COS NO.1647.07275.65703.340.92 NO.2760.48323.96826.610.92 12 NO.3234.2399.78254.600.92 3.3 变压器的选择 3.3.1 变压器台数的确定 工厂总降压变电所变压器的容量与于台数的选择在很大程度上取决于负荷的 大小及对供电可靠性的要求，同时应考虑工厂发展规划等因素并于电气主结线的 选择统筹安排，应力求变电所的电气主结线简单，运行方便，供电可靠，节约电 能与减少投资。变压器台数多则供电可靠性高，但设备投资也大，运行费用也要 增加。因此，在能满足可靠性要求时，变压器台数越少越好，对不重要负荷供电 的变电所或能取得低压备用电源的一级负荷供电时，皆选用一台变压器。 设计中由于工厂属于二级负荷，且各变电所总计算负荷均小于 1250 KVA，所 以各变电所变压器都只选用一台就可以了。 3.3.2 变压器容量的选择 当选用一台变压器的时候，容量的选择应遵循下面的公式： 30. SS TN 单台变压器容量 TN S . 变电所总的计算负荷 30 S 3.3.3 变压器损耗 SL 等型低损耗变压器的功率损耗可按下列简化公式近似计算： 有功（KW） TNT SP . 015 . 0 无功（Kvar） TNT SQ . 06 . 0 根据以上选择条件选出各变电所变压器，见下表： 变压器损耗 序号变压器型号 变压器 容量 （KVA） 变压器 联结组别 变压器 阻抗电压 % 有功损耗 (千瓦) 无功损耗 （千乏） NO.1SJL1800/10800Y/Y0125.51248 大型工厂供电系统的设计 13 NO.2 SJL1 1000/10 1000Y/Y0125.51560 NO.3SJL1315/10315Y/Y01244.72518.9 全厂总负荷见下表： 计算负荷项目 有功（千瓦）无功（千乏）视在（千伏安） 总计1472.77629.451601.64 这时全厂的功率因数小于 0.9。由于题目要求本厂的功率因数值在 0.9 以上， 所以再进行一次高压集中补偿，将功率因数补偿到 0.94。经查表得 ,Qc=0.261472.77=382.9 kvar。选用 BW 0.4-14-3 电容器，其 26 . 0 C q 容量为 14 kvar。N=27 经过这次补偿后全厂负荷如下表所示： 计算负荷 项目 有功（千瓦）无功（千乏）视在（千伏安） 全厂负荷总计1472.77246.551493.3 3.3.4 高低压电容器柜的选择 高低压电容器柜分可自动调节的和不可自动调节的两大类。在负荷或电压昼 夜变动较大的情况下，低压电容器组尽可能地采用自动调节装置。 3.4.5 电能需求量的计算 工厂年有功电能消耗量 aa TaPW 30 工厂年无功电能消耗量 ara TaQW 30 因为本工厂为三班制，经查表得 当S 时6000T 8 . 0 85 . 0 ).(7069296600077.14728 . 0HKWWa ).(3021360600045.6298 . 0HKVarWra 第四章 总配电所主结线方案的设计 4.1 概述 配电所在大中型工厂中的作用是厂内电能的中转站，它的位置应当尽量地接 近负荷中心 ，经常是配电所与车间变电所设在一起。每个配电所的馈电线路一般 14 不少于 45 回，配电所一般为单母线制，根据负荷的类型及进出线回路数可考虑 将母线分段。 配电所的进出线回路数与用户的可靠性要求和传送的功率大小有关。配电所 的进线可以采用负荷开关或断路器。负荷开关断流能力小，且不能实现供电系统 的自动化。 配电所设计的一般原则并结合工厂实际归纳如下： 一、安全性：一、安全性： （1） 在高压断路器的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装设高压隔离 开关； （2） 在低压断路器（自动开关）的电源侧及可能反馈电能的另一侧，必须装 设低压刀开关； （3） 在装设高压熔断器-负荷开关的出线柜母线侧，必须装高压隔离开关； （4） 配电所高压母线上及架空线末端，必须装设避雷器。装于母线上的避 雷器应与电压互感器共用一组隔离开关，线路上的避雷器前不必再装隔 离开关。 二、二、 可靠性：可靠性： （1） 配电所的主结线方案必须与其负荷级别相一致。对二级负荷，应有两回 路或者一回专用架空线路供电； （2） 接于公共干线上的（即采用树干式供电的）配电所电源进线首端，应 装设带有短路保护的开关设备； （3） 对于一般生产区的车间变电所，宜由工厂总变配电所采用放射式高压 配电，以确保供电可靠性，但对辅助生产区及生活区的变电所，可采用 树干式配电； （4） 变电所低压侧（电压 380V）的总开关，宜采用低压断路器。当有继电 保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和低压分段开关均采用低压 断路器。 三、三、 灵活性灵活性: : （1） 配电所采用单母线和单母线分段结线； （2） 主结线方案应于主变压器运行要求相实应。 四、四、 经济性经济性: : 大型工厂供电系统的设计 15 （1） 由于工厂所选用的都是安全可靠且经济美观的成套的配电装置，故柜型 一般采用固定式； （2） 工厂电源进线上装设专用的计量柜，其互感器只供记费的电度表用。 4.2 总配电所主结线的设计 电气主结线是变电所的主要电路，它明确表示了变（配）电所电能接受与分 配的主要关系，是变（配）电所运行，操作的主要依据。在设计中，主结线的拟 定对电气设备选择，配电装置布置，保护和控制测量的设计，建设投资以及变电 所运行的可靠性，灵活性及经济性等都有密切关系，所以主结线的选择是供电系 统设计中一项综合性的重要环节。 在三相对称情况下，电气主结线图通常以单线图表示，图上所有电器元件均 用统一规定的图形符号表示。 4.2.1 配电所（即车间变电所）的位置的确定 (1) 变配电所位址选择的一般原则：尽量靠近负荷中心、靠近电源侧、进出 线方便、设备运输方便、有扩建和发展的余地。 (2) 由于工厂厂区供电来自总配电所，为经济起见：高压配电所采用室内型 独立式；车间变电所采用室内型附设式（外附）。变电所采用附设式， 不占或少占建筑面积，建筑费用和维护费用也较低。 根据上述条件，本设计中把配电所的位置选在制条车间和纺纱车间的中间处。 4.2.2 对电气主结线的基本要求 （1） 根据用电负荷的要求，保证供电的可靠性； （2） 电气主结线应具有一定的运行灵活性； （3） 结线简单，运行方便； （4） 结合工厂发展规划，留有扩建余地。 设计中为了保证对本厂二级负荷可靠供电，总配电所采用两回路供电，装设 两台主变压器的桥式结线，桥式结线提高了线路运行灵活性，增强了供电可靠性。 根据上述方案，可决定总配电所采用下图所示的电气主结线，其特点如下： （1）变压器高压侧设有少油式断路器，便于配电所的控制、运行、维修； （2）10KV 侧采用单母线分段结线，用 10 千伏少油式断路器将母线分成两 16 段； （3）各车间的一级负荷都由两段母线供电，以保证供电可靠性； （4）根据规定，备用电源只有在主电源停止运行及主变压器故障或检修时 才能 投入，因此备用电源进线开关在正常时是断开的，而高压侧的分段断路 器在正常时是闭和的； （5）在母线侧，工作电源与备用电源之间设有备用电源自动投入装置（BZT）， 当工作电源因故障而断开时，备用电源会自动投入； （6）当主电源发生故障时，变电所的操作电源来自备用电源断路器前的所有 变压器； 4.2.3 主接线图 大型工厂供电系统的设计 17 第第五五章 短路计算 5.1 概述 工厂供电系统要求正常地不间断地对用电符合供电，以保证工厂生产和生活 的正常进行。但是由于各种原因，也难免出现故障，而使系统的正常运行遭到破 坏。系统中最常见的故障就是短路。短路就是不同电位的导电部分之间的短接。 造成短路的主要原因，是电气设备载流部分的绝缘损坏。这种损坏可能是由于设 备长期运行、绝缘老化，或由于设备本身不合格、绝缘强度不够而被正常电压击 穿，或设备绝缘正常而被过电压击穿，或者是设备绝缘受到外力损伤而造成短路。 在供电系统的设计与运行中，不仅要考虑正常工作状态，还要考虑可能发生的故 障以及不正常运行情况。对供电系统危害最大的是短路故障。短路电流将引起电 动力效应和发热效应以及电压的降低等。因此短路电流是电气主结线的方案比较、 电气设备及载流导体的选择、接地计算以及继电保护选择和整定的基础。 由于短路后，电路的阻抗比正常运行时电路的阻抗小的多，所以短路电流比 正常电流一般要大几十倍甚至几百倍。在大的电力系统中，短路电流可达几万安 培甚至几十万安培。这样大的短路电流对供电系统将产生极大的危害： （1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路 中的其它元件损坏； （2）短路时电压要骤降，严重影响电气设备的正常运行； （3）短路时要造成停电事故，而且越靠近电源，短路引起的停电的范围越大， 给国民经济造成的损失也越大； （4）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失 去同步，造成系统解列； （5）但相对地短路，其电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通讯线路， 信号系统及电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动 作。 由此可见，短路的后果时非常严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路 的一切因素。同时需要进行短路电流计算，以便正确地选择电气设备，使电气设 备具有足够的动稳定性和热稳定，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损 18 坏。为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限 制短路电流的元件等，也必须计算短路电流。 5.2 短路计算 5.2.1 短路的形式 在三相系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。 电力系统中，发生单相短路的可能性最大，但三相短路的短路电流最大，造成的 危害也最严重。为了使电力系统总的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地 工作，因此作为选择校验电气设备的短路计算中，以最严重的三相短路计算为主。 5.2.2 短路计算 对于工厂供电系统，短路电流的计算一般采用近似的方法，计算中假定： （1）供电电源是无限大功率系统； （2）认为短路回路的元件的电抗为常数； （3）元件的电阻，一般略去不计，只有在短路电阻中总电阻 R 大于总电抗 的三分之一时才考虑电阻，否则认为 z=x。 短路计算常用的两种方法是:有名值法和标么值法。本设计中用有名值法进行 短路计算。根据题目给定条件可知电力系统出口断路器的断流容量最大为 187MVA。根据主结线图绘制如下的短路计算电路图：（以 NO.2 变电所为例） K-1 变压器 K-2 电力系统 架空线（1 公里） SL1000 187MVA 架空线（0.5 公里） （1） （2） （3） （4） （短路计算电路图） 5.2.3 求 k-1 点的三相短路电流和短路容量（Uc1=10.5KV） (1) 计算短路电路中各元件的电抗及总电抗： 经查表得架空线路的电抗 : 高 压低 压 kmX/38 . 0 0 km/32 . 0 0 X 1) 电力系统的电抗： G G 大型工厂供电系统的设计 19 59 . 0 187/) 5 . 10(/ 2 2 11 MVAKVSUX OCC 2) 架空线路的电抗： 38 . 0 138 . 0 02 LXX 3) 绘制 K1 点的等效电路如下图： k1 图图图图图 4） 总电抗： 97 . 0 38 . 0 59 . 0 21)1( XXX K (1) k1 点的三相短路电路电流和短路容量： 1） 相短路电流分量有效值： KAKVXUI KCK 25 . 6 )97 . 0 3/( 5 . 103/ )1(1 )3( 1 2） 三相次暂态电流和短路稳态电流： KAIII K 25 . 6 )3( 1 )3( )3( “ 3） 三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值： 在高压系统中短路冲击系数8 . 1 sh K 所以 短路冲击电流： KAKAIKi shsh 91.1525. 655. 22 )3“()3( KAKAIIKI shsh 44 . 9 25 . 6 51 . 1 51 . 1 ) 1(21 )3“()3“(2)3( 5)三相短路容量： MVAKAKVIUS shCk 17244 . 9 5 . 1033 )3( 1 )3( 1 5.2.4 k2 电的短路电流和短路容量（Uc2=0.4KV） （1） 计算电路中各元件的电抗及总阻抗： 1） 电力系统的电抗： 32 2 2 1 1086 . 0 187/)4 . 0(/MVAKVSUX OCC 20 2） 高压架空线的电抗： 322 120 2 1055 . 0 ) 5 . 10/4 . 0(138 . 0 )/( CC UULXX 3） 低压架空线的电抗： 322 120 3 1023 . 0 ) 5 . 10/4 . 0(5 . 032 . 0 )/( CC UULXX 4） 电力变压器的电抗： 5 . 5% K U X4=UK%/100 UC22=5.5/100 (0.4KV)2/1000KVA= 3 108 . 8 5) 绘制 k2 点的等效电路图： （等效电路图） 5）求线路的总阻抗： 4 3 2 1)2( XXXXX K 3333 108 . 81023 . 0 1055 . 0 1086 . 0 01044 . 0 （2） 算 k2 点的三相短路电流和短路容量： 1）三相短路电流同周期分量有效值： KAXUI KCK 12.22)01044 . 0 3/(4 . 03/ )2(2 )3( 2 2）三相次暂态短路电流及短路稳态电流： KAIII K 12.22 )3( 2 )3()3“( 3）三相冲击电流及第一个周期短路全电流： 在低压系统中短路冲击系数3 . 1 sh K 所以 KAIKi shsh 7 . 4012.2284 . 1 2 )3“()3( 大型工厂供电系统的设计 21 KAIKI shsh 11.2412.2209 . 1 ) 1(21 )3“(23 4）相短路容量： MVAIUS shCk 7 . 1611.244 . 033 )3( 2 )3( 2 5.2.55.2.5 短路计算结果短路计算结果：（见下表） 短路电流 (KA) 短路容量 （MVA） 短路 计算点 )3( k I )3“( I )3( I )3( sh i )3( sh I )3( k S K16.256.256.2515.919.44172 K222.1222.1222.1240.724.1116.7 22 第六章 主要电气设备的选择与校验 6.1 概述 工厂总降压配电所的各种高压电气设备，主要指 6-10KV 以上的断路器，隔离 开关，负荷开关，熔断器，互感器，电抗器，母线，电缆等。这些电气设备要能 可靠的工作，必须按正常工作条件进行选取，并且按短路情况进行校验。 所谓的正常工作条件是指： （1） 电器的额定电压不应小于所在回路的工作电压。 e U （2） 电器的额定电流不应小于该回路的最大长期工作电流。 e I max I （3） 选择电器时应考虑设备的装设地点，即按工作环境，运行条件和要求， 选择设备的型号规格，如屋内或屋外设备，防爆型或普通型，如工作环境污 染严重，应加强绝缘的电器，电路操作频繁时应选取胜任频繁操作的真空断 路器而不应选取不适于频繁操作的少油断路器。 6.2 按短路情况校验电器的稳定性 6.2.1 短路热稳定校验 短路热稳定校验就是要求所选的电器，当短路电流通过它时，其最高温 度不应超过制造厂规定的短路时发热允许温度，即： RtIRtI tj 22 或 tItI tj 22 式中 短路电流所产生的热量； j RtI 2 电器在短路时的允许发热量,制造厂通常以 t 秒（通RtIt2 常为 1，4，5 秒）内通过的电流所产生的热量表 t I 示； 短路延续时间，秒； j t 秒05 . 0 dj tt =秒05 . 0 fdb tt 式中 短路延续时间，秒； d t 主保护动作时间，秒； b t 大型工厂供电系统的设计 23 断路器分闸时间，秒。 fd t 如果缺乏断路器分闸时间数据，当主保护为速动时，短路电流可取下列数据； 对于快速及中速短路器，=0.15 秒。 d t 对于低速断路器=0.2 秒。 d t 此外，当1 秒时，可认为= d t d t j t 6.2.2 动力稳定校验 电动力稳定是指电器承受短路电流引起机械效应的能力，在校验时，用短路 电流的最大幅值与制造厂规定的最大允许电流进行比较 即 max iich 或 max IIch 式中 短路冲击电流及其有效值； chch Ii , 电器极限通过电流的最大值及有效值。 maxmax,I i 对于下列情况，可不进行短路校验： (1) 用熔断器保护的电器和导体可不校验热稳定。除有限流作用的熔断器保护 电路，电器和裸导体的动稳定仍应校验。 (2) 装设在电压互感器回路内的电器和裸导线可不校验动、热稳定。 (3) 架空线可不校验动、热稳定。 (4) 在非重要用电场所的导体，当变压器容量在 1250KVA 以下，高压侧电压 为 10KV 以下，且不致因短路故障损坏导体而产生严重后果者，可不校验 动、热稳定。 6.2.3 选择电气设备时应校验的项目 短路稳定度校验序 号 设备 名称 电压 KV 电流 A 断流能力 动稳定热稳定 1高压断路器 2高压负荷开关 3高压隔离开关 4熔断器 5电流互感器 6电压互感器 24 7套管绝缘子 应满足的条件 装置 e P 地的 E P 设 av I 备的计 算电流 设备的 max开断 I max可能开断 I 按三相短 路冲击电 流校验 按三相短路 稳态电流校 验 备注 （1） 表中“”表示必须校验，“”表示不要校验； （2） 选择变电所高压侧的设备和导体时，其计算电流应取主变压器高 压侧额定电流； （3） 对高压断路器，其最大开断电流应不小于实际开断时间。 6.3 电气设备的选取 6.3.1 主要电气设备介绍 断路器是供电系统中最重要的电气设备之一。它能在有负荷情况下接通和断 开电路，当系统发生短路故障时，能迅速切断短路电流。这里选择少油式户外型 断路器。 电压互感器是测量高压用的。其一次绕组与高压电路并联，额定电压与电路 电压同一等级，二次绕组额定电压均为 100V；电流互感器的一次线圈匝数很少， 导线相当粗，其二次线圈很细，匝数相当多。工作时，一次线圈于一次线路中， 而二次线圈则与仪表、继电器等的电流线圈串联成闭和回路。本厂选用的 LFZB6- 10 型电流互感器适用于 10KV 及以下的线路中作为测量和继电保护用。 隔离开关的主要用途是在检修高压电器时，将被修理的设备与其他带电部分 可靠地断开，并构成明显的断开点，以保证修理时的安全。在一定条件下，允许 用隔离开关接通或隔开小功率电路，如容量不大得空载变压器或电压互感器。 6.3.2 电气设备的选取 根据短路电流的计算结果，按正常工作条件选择和按短路情况校验确定的变 电所高低压电气设备如下： (1)10KV 侧设备 高压断路器 隔离 开关 电压 互感器 电流 互感器 避雷器 设 数 备 据 ZN310 GN10/200JDZ-10LQJ-10FZ-10 大型工厂供电系统的设计 25 Us=10KV10KV10KV10KV10KV10KV I30=57.7A600A200A KAIk25 . 6 )3( 8.7KA KAish91.15 )3( 22KA25KA24.5KA ima tI 2)3( )2 . 02(25 . 6 2 94.85 38.15127 . 8 2 结 论满 足满 足满 足满 足满 足 (2) 0.4KV 侧设备 低压断路器低压负荷开关电流互感器设 数 备 据 DW10-1500/3HK1-60/3LAJ-10 Us=0.4KV380V380V380V I30=1443.4A1500A1500A1500/5 KAIh12.22 )3( 7 . 40 )3( sh i 5 . 112.22 22 j tI94.733 26 第七章 工厂电力线路的设计 7.1 架空线路的设计 由于架空线路与电缆线路相比有较多优点，如成本低，投资少，安装容易， 维护和检修方便，易于发现和排除故障。根据本厂的情况，在本设计中，所有进 出线全部采用架空线的方式。 架空线路有以下主要元件组成：导线、电杆、绝缘子和线路金属等。为了防 雷，有的架空线路上还架设有避雷器（架空地线）。为了加强电杆的稳定性，有 的电杆还安装有拉线或扳桩。 架空线路一般都采用裸导线，裸导线按其结构分，有单股线和多股绞线，工 厂中一般都用绞线。绞线又有铜绞线、铝绞线和钢心铝绞线。本次次设计中的架 空线路基本上选用了铝绞线。根据机械强度的要求，一般规定架空裸导线最小截 面如下表所示： 最小允许截面 /mm 导线种类高压（至 10KV） 低 压 备 注 铝及铝合金线3516 钢芯铝线2516 与铁路交叉跨越 时应为 35mm2 架空线路在进行铺设时，要严格遵守有关技术规程的规定。整个施工过程中， 要重视安全教育采取有效的安全措施，特别是立杆、组装和架线时，更要注意人 身安全，防止发生事故。竣工后，要按照规定的手续进行检查和实验，确保工程 质量。 选择架空线路的路径时，应考虑以下原则： （1）路径要短，转角要少； （2）交通运输方便，便于施工架设和维护； （3）尽量避开河洼河雨水冲刷地带及易撞、易燃、易爆等危险的场所； （4）不应引起机耕、交通和人行困难； 大型工厂供电系统的设计 27 （5）应与建筑物保持一定的安全距离； （6）应与工厂和城镇的规划协调配合，并适当考虑今后的发展。 7.2 导线截面的选择 7.2.1 概述 为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线和电缆时必须 满足下列条件： (1) 发热条件：导线和电缆包括母线在通过正常最大负荷电流时产生发热温 度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。 (2) 电压损耗条件：导线和电缆在通过最大负荷电流时产生的电压损耗，不 应超过正常运行时允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不 进行电压损耗校验。 (3) 经济电流密度：高压线路及特大电流的低压线路，一般应按规定的经济 电流密度选择导线和电缆的截面，以使线路的年运行费用接近最小，节 约电能和有色金属。但对工厂内的很短的 10KV 及以下的高压线路和睦 线，可不按经济电流密度选择。 (4) 机械强度：导线的截面不应不小于最小允许截面。 7.2.2 按发热条件选择车间进线（以 NO.2 变电所为例） 按发热条件选择三相线路中的相线截面时，应使其允许载流量不小于通过 al I 相线的计算电流，即： 30 I 30 IIal 所谓导线的允许载流量，就是在规定的环境温度条件下，导线能够连续承受 而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。 N UPI3/ 3030 1)NO.2 变电所各车间负荷及计算电流如下表所示： 车 间车间负荷（KW）计算电流 (A) 纺织车间525797.7 染整车间490744.5 浴室、理发室1.5042.3 食堂19.3429.4 独身宿舍1624.3 28 （注：UN=380V） 2) 根据计算电流选择导线截面及其载流量（见下表）： 车 间 导线型号 （铝绞线） 导线截面 （mm2） 导线数量 （根） 允许载 流量 (A) 结论 纺织车间LJ185 型1852440 2合格 染整车间LJ1851852440 2合格 浴室、理发室LJ35351150合格 食堂LJ35351150合格 独身宿舍LJ35351150合格 7.2.3 380V 侧低压母线的选择 1) 各车间变电所计算电流计算如下 序号车间负荷（KW）计算电流 (A) NO.1703.341068.6 NO.2826.611256 NO.3254.6386.8 （注：UN=380V） 2)根据计算电流选择母线截面及其载流量（见下表）： 序号导线型号 导线截面 （mm2） 导线数量 （根） 允许载流量 (A) 结论 NO.1矩形铝母线 80 864011155合格 NO.2矩形铝母线 100 880011425合格 NO.3矩形铝母线 40 81601425合格 7.2.4 10KV 高压配电出线的选择 10KV 高压配电出线的选择应按经济电流密度来选择。 (1) 高压配电进出线截面选择校验的步骤与方法如下表所示： 序号选择校验项目选择校验方法与要求 1 按经济电流密度选择（较 短的高压线路可不按此选 择） 线查处经济电流密度，再按下式计算经济 ec j 截面： ，然后选以接近于的标准截 ecec jIA/