制氧厂供配电设计及计算.doc

摘要最近几年随着空分技术的飞速发展，空分设备规模由原来的“几千”等级跃升至“几万”甚至“十万”等级以上。随着空分设备的日趋大型化，空压机、增压膨胀机或氧压机、氮压机的电动机容量也节节攀升。由原来的几千千瓦发展到现在的几万千万（电动机的容量约为空分等级的二分之一，如80000m/h的空分设备，空压机电动机约为40000KW）。电动机的大型化给电气控制、电动机的起动和电网带来巨大的挑战。作为贯穿整个系统的电气技术，其可靠、稳定和安全关系着整套空分设备的安全和稳定，在节能、增效方面有着举足轻重的作用。关键词：空分设备，空压机，大型化，电容目录 一、引言1二、空分制氧厂供配电设计内容及步骤2(一)设计内容及步骤2(二)负荷计算3(三)配电柜台数及开关容量选择4(四)供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设5(五)供配电系统短路电流6(六)改善功率因数装置8(七)继电保护装置10(八)二次接线14(九)厂区照明、防雷22三、结论25参考文献26宜顺论文网www.13LW.com一、 引言众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其他形式的能量转换而来，也易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化，而且现代社会的信息技术和其他高新技术无一不是建立在电能应用的基础之上的。因此电能在现代工业生产及整个国民经济生活。本课题设计是为了一个空分制氧厂的供配电设计。在满足工厂供配电设计中安全、可靠、优质、经济的基本要求的前提下，根据空分设备用电情况和生产工艺要求，进行了负荷计算，通过功率因数的计算，进行无功补偿设计（包括无功补偿容量计算和补偿设备选择、校验），确定了空分制氧厂的供配电方案，通过技术经济比较，确定了供配电系统的主接线形式，选择了配电柜台数和开关容量。按照经济电流密度法，选择了合适的导线和电缆，通过合理设置短路点，进行正确的短路电流计算，进行了主要电气设备的选型和校验。通过上述设计，基本确定了空分制氧厂内部的供配电系统，并且在本设计中，尽可能选择低损耗电气设备，以节约电能。二、 空分制氧厂供配电设计内容及步骤(一) 设计内容及步骤全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，接合国家供电情况，解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题，以制氧厂为例，其基本内容有以下几方面。1、 负荷计算全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。列出负荷计算表、表达计算成果。2、 配电柜台数及开关容量选择参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、开关柜等。3、 供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设根据变各车间用电负额和性质以及与配电室之间的特点和周边环境，确定电缆选型以及敷设方式。4、 供配电系统短路电流计算工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。5、 改善功率因数装置设计按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或产品样本选用所需移相电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。6、 继电保护装置设计继电保护包括：过流、过压、欠压、接地等部分，对于线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电保护和瞬时机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。对于单相接地保护可才用绝缘监视装置，装设在高压母线上。7、 二次接线设计二次接线是发电厂和变配电所电气接线的重要组成部分，是电力系统安全生产，经济运行的可靠保障。二次接线的基本任务是：反应一次设备的运行状况，控制一次设备；当一次设备发生故障时，能将故障部分迅速的退出工作状态，以保持电力系统处于最佳状态。8、 厂区照明、防雷、接地装置设计根据电能表的大小以及线路导线的规格并计算灯具的总功率进行选择。参考本地区气象地质材料，设计防雷、接地装置。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。对接地和接地体做具体的理解。(二) 负荷计算1、 电源进线电压为35KV，先经工厂总降压变电所（一次降压）降为610KV的高压配电电压，然后经过车间变电所，降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V。由于电源进线线路较长因而发生故障和停电的机会较多、并且变电所的变压器不需经常切换。所以，总降压变电所一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主接线图。如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF11，投入QF10（其两侧QS101、QS102先合），即可由WL2恢复对变压器T1的供电。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷的工厂。二次降压的一次侧采用高压式放射式接线，直接向一个车间变电所或高压用电设备供电，沿线不接其他负荷，这种接线方式简捷，操作维护方便，保护简单，便于实现自动化。2、 设备容量的确定 长期工作制和短时工作制的设备容量就是设备的铭牌额定功率，即 断续周期工作制的设备容量是将某负荷持续率下的铭牌额定功率换算到统一的负荷持续率下的功率。常用设备的换算要求如下：a) 压缩机系统要求统一换算到100时的功率，即式中与铭牌额定容量对应的负荷持续率(计算中用小数)；其值为100的负荷持续率(计算中用1)；Cos铭牌规定的功率因数。b) 起重机设备要求统一换算到25时的额定功率，即式中其值为25的负荷持续率(用0.25计算)。 c) 变压器组设备容量是指在额定功率下的有功功率，即式中电炉变压器的额定容量；Cos 电炉变压器的额定功率因数。 3、 在实际工程设计中，为了私人一目了然，便于审核，常采用计算表格的形式，如：取Kp = 0.95; Kq = 0.97根据上表可算出：P30i = 7485.7kW; Q30i = 4798kvar则 P30 = KPP30i = 0.957485.7kW = 7111kWQ30 = KqQ30i = 0.974798.4kvar = 4654kvarS30 = 8499KVA I30 = S30/ UN 140 ACos= P30/S30 = 7111/84990.84序号车间名称设备用量（KW）计算负荷变压器容量P30 (KW)Q30 (Kvar)S30 (KV.A)1低压配电室246.5172.6129.4215.81*4002软启动室338.2236.8177.62963空压机3704.62963.71837.53486.74氮压机142.610780.2133.81*4005膨胀机320.9208.6156.5278.16水泵6753.647.268.77氧压机2377.4951190.29708分子筛607534.2470.1712.31*4009起重设备368257.6193.232210冷冻机（1）561392.7345.6523.611冷冻机（2，3）1122785.4691.11047.21*40012冷却塔450315236.2393.813照明用电634.4507.5243.6243.6(三) 配电柜台数及开关容量选择高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置，在发电厂和变配电所中作为控制和保护发电机、变压器和高压线路之用，也可作为大型高压开关设备、保护电器、监视仪表和母线、绝缘子等。高压开关柜有固定式和手车式两大类型。由于本设计是10KV电源进线，则可选用较为经济的固定式高压开关柜，这里选择KYN-12型以20000M3/h空分为例,主要电器设备参考外型尺寸如下:设备种类设备名称数量高mm宽mm深mm备注高压柜进线22300100015002000AKYN28-12VS1-1231.5KA母联12000A变压器48001250A互感器2空压机2氧压机2氮压机2补偿电容210/0.1KV低压柜进线2220010008004000AGGD母联1800MCC13循环水系统低压柜进线2220010002000A母联1800MCC7调功器柜32200800600直流屏22200800600DC220V 100Ah补偿电容柜62500105015001200KVA*2变压器22000KVA21000KVA软起动器空压机、氧压机、氮压机共用1(套)230024001070变压器260012001200控制柜230080015001250A切换柜230080015001250A切换柜230080015001250A切换柜(四) 供配电系统的设计及电缆、电线的选型与敷设1、 电缆、电线的选型一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件来选择截面，再校验电压损耗和机械强度。对长距离大电流及35KV以上的高压线路，则可先按经济电流密度确定经济截面，再校验其它条件。简单选型对照表导线和电缆的经济电流密度 单位：A/mm线路类型导线材质年最大有功负荷利用小时3000h以下3000-5000h5000h以上架空线路铜3.002.251.75铝1.651.150.90电缆线路铜2.502.252.00铝1.921,731.542、 架空线路的敷设架空线路长期露天运行，受环境和气候影响会发生断线、污染等故障。为确保线路长期安全运行，必须按相关规定敷设并经常性的巡视和检查，以便及时消除设备隐患。架空线路的敷设以及电杆尺寸应满足下面四个要求： 不同电压等级线路的档柜（也成跨柜，即同一线路上相邻两电杆中心线之间的距离）不同。一般380V线路档柜为5060m，610KV线路档距为80120m。 同杆导线的线距与线路电压等级及档距等因数有关。380V线路线距约0.30.5m，10V线路线距约0.61m。 弧垂（架空导线最低点与悬挂点间的垂直距离）要根据档距、导线型号与截面积、导线所受拉力及气温条件等决定。垂弧过大易碰线；过小易造成断线或倒杆。 线距（导线最低点到地面或导线任意点到其他目标物的最小垂直距离）需遵循有关手册规定。3、 电缆线路的敷设电缆线路与架空线路相比，具有成本高，投资大，维修不便等缺点，但是它具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点，特别是在有腐蚀性气体和易燃、易爆场所，不宜架设架空线路时，只有敷设电缆线路。（由于架空与电缆线路相比有较多的优点，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等，所以架空线路在一般工厂中应用相当广泛。由于本厂的地形不复杂，按经济性及可操作性来选择，故高压供电线路选择为架空线。）(五) 供配电系统短路电流本设计采用标幺值法进行短路计算1、 在最小运行方式下：绘制等效电路如图4-1，图上标出各元件的序号和电抗标幺值，并标出短路计算点。 图4-1 等效电路 确定基准值取Sd =100MVA,UC1=60KV,UC2=10.5KV而Id1 = Sd /U C1 =100MVA/(60KV) =0.96KAId2 = Sd /UC2 =100MVA/(10.5KV) =505KA 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值电力系统（SOC = 310MVA）X1*=100KVA/310=0.32架空线路（XO = 0.4/km）X2*=0.44100/ 10.52=1.52电力变压器（UK% = 7.5）X3*=UK%Sd/100SN =7.5100103/(1005700) =1.32 求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值X*(K-1)= X1*X2*=0.32+1.52=1.84三相短路电流周期分量有效值IK-1(3) =Id1/X*(K-1)= 0.96/1.84 =0.52其他三相短路电流I(3) =I(3) =Ik-1 (3) =0.52KAish(3) = 2.550.52KA =1.33KAIsh(3) = 1.510.52 KA=0.79KA三相短路容量Sk-1(3) = Sd/X*(k-1) =100MVA/1.84=54.3 求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值X*(K-2) = X1*X2*X3*/X4* =0.32+1.52+1.32/2=2.5三相短路电流周期分量有效值IK-2(3) = Id2/X*(K-2) = 505KA/2.5 = 202KA其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-2(3) = 202KAish(3) = 1.84202KA =372KAIsh(3) =1.09202KA = 220KA三相短路容量Sk-2(3) = Sd/X*(k-1) = 100MVA/2.5 = 40MVA2、 在最大运行方式下：绘制等效电路如图4-2，图上标出短路计算点。图4-2 等效电路 确定基准值取 Sd = 1000MVA,UC1=60KV,UC2= 0.5KV而 Id1 = Sd /UC1=1000MVA/(60KV) =9.6Id2 = Sd /UC2 =1000MVA/(10.5KV)=55KA 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值电力系统（SOC = 1338MVA）X1*=1000/1338=0.75架空线路（XO = 0.4/km）X2* = 0.441000/602 =0.45电力变压器（UK% = 4.5）X3* = X4* = UK%Sd/100SN = 4.51000103/(1005700) = 13.2 求k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值X*(K-1) = X1*X2* = 0.75+0.45=1.2三相短路电流周期分量有效值IK-1(3) = Id1/ X*(K-1)= 9.6KA/1.2 =8KA其它三相短路电流I(3) =I(3)=Ik-1(3)=8KAish(3) =2.558KA=20.4KAIsh(3) =1.51X*(K-1)8KA =12.1KA三相短路容量Sk-1(3) =Sd/X*(k-1)=1000/1.2=833MVA 求k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值X*(K-2)=X1*X2*X3*X4* = 0.750.4513.2/2=7.8三相短路电流周期分量有效值IK-2(3) =Id2/X*(K-2) =55KA/7.8=7.05KA其他三相短路电流I(3) = I(3) = Ik-2(3) =7.05KAish(3)=2.557.05KA=17.98KAIsh(3)=1.517.05KA= 10.65KA三相短路容量Sk-2(3)=Sd/X*(k-2)=1000/7.05=141.8MVA3、 短路电流计算结果： 最大运行方式三相短路电流/KA三相短路容量/MVAIK(3)I(3)I(3) ish（3）Ish（3）SK(3)K-1点88820.412.1833K-2点7.057.057.0517.9810.65141.8 最小运行方式三相短路电流/KA三相短路容量/MVAIK(3)I(3)I(3) ish（3）Ish（3）SK(3)K-1点0.520.520.521.330.7954.3K-2点20220220237222040(六) 改善功率因数装置1、 工厂的功率因数 瞬时功率因数 瞬时功率因数可由功率因数表(相位表)直接测量，亦可由功率表、电流表和电压表的读数按下式求出(间接测量)：瞬时功率因数用来了解和分析工厂或设备在生产过程中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。 平均功率因数 平均功率因数亦称加权平均功率因数，按下式计算：式中，为某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出；为某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出。 最大负荷时的功率因数 最大负荷时功率因数指在年最大负荷(即计算负荷)时的功率因数，按下式计算：2、 无功功率补偿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，则需考虑人工无功功率补偿。功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系如下：无功功率补偿原理图上图表示功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系。假设功率因数有1提高到2，这时在用户需用的有功功率 不变的条件下，无功功率将由1减小到2，视在功率将由1减小到2。相应地负荷电流 也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，既节约了电能，又提高了电压质量，而且可选较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因数对供电系统大有好处。由上图可知，要使功率因数由1提高到2，必须装设无功补偿装置（并联电容器），其容量为：Q 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 来确定电容器的个数，即：n=Qc/qc由于本设计中要求Cos0.9,而由上面计算可知Cos=0.841.5WL2过电流保护整定满足要求。速断保护：Ike(2)=3.32*103*10/35=948.57Iop.KA=Kel.Kw/Ki*Ike(2)=1.3*1/30*948357=41.1A速断电流倍数整定为nqb=41.1A/10A=4.11整定动作倍数4.11倍，Iopl（qb）=4.11*270=1109.7A灵敏度校验：Ks=Ik.min(2)/Iopl=4.36*0.87*103/1109.7=3.421.5WL2过电流速断保护整定满足要求。1、 电容器2、 变压器3、 电压互感器(八) 二次接线对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工厂，通常是先经工厂总降压变电所降为610KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。总降压变电所主接线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。主接线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。1、一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。2、 一次侧采用外桥式接线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种主接线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。但与内桥式接线适用的场合有所不同。这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。当一次电源电网采用环行接线时，也宜于采用这种接线。3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所，这种主接线方式兼有上述两种桥式接线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所。4、 一、二次侧均采用双母线的总降压变电所，采用双母线接线较之采用单母线接线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线接线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用于电力系统的枢纽变电所。本次设计的制氧厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较长（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。采用主接线一次侧采用内桥式接线，二次侧采用单母线分段的总降压主接线，如下图所示： 单母线分段接线图 内桥式接线图1、 高压系统一次接线图2、 低压系统一次接线图13、 低压系统一次接线图24、 低压进线二次接线图15、 低压进线二次接线图26、 低压母联7、 备用电源(九) 厂区照明、防雷1、 照明 正常照明电源在要求较高的场所，宜与电力负荷分设变压器供电；生产厂房的正常照明线路，应与电力线路分开；当照明与动力负荷共用变压器，且车间变电所低压侧采用放射式配电时，车间照明电源应接自低压配电屏的照明回路上。 电压在36V及以下的局部照明和检修照明电源，宜由固定式降压变压器供电；降压变压器的电源侧应有短路保护，严禁采用自耦降压变压器供电，接地应符合现行国家标准工业与民用电力装置的接地设计规范的规定。 重要工作场所如总降压站、中央控制室等可采用应急灯作为应急照明。连续生产的主要生产车间如主厂房、膨胀机房、循环水泵房、消防泵房等可采用动力与照明双电源切换。 根据道路和场所的特点及照明要求确定照明方案。国家规范中道路照明灯具的布置可分为单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种基本方法。采用常规照明方式时，应根据道路横断面形式、宽度及照明要求进行选择，并应符合下列要求：a) 灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的四分之一灯具的仰角不宜超过15度b) 灯具的布置方式、安装高度和间距根据具体距离计算后确定。2、 防雷保护 架空线路的防雷措施a) 架设避雷线 这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV及以上的架空线路上才沿全线装设。35KV的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。而10KV及以下的线路上一般不装设避雷线。b) 提高线路本身的绝缘水平 在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10KV及以下架空线路防雷的基本措施。c) 利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 由于310KV的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。d) 装设自动重合闸装置 线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。如果采用一次ARD，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。e) 个别绝缘薄弱地点加装避雷器 对架空线路上个别绝缘薄弱地点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。 变配电所的防雷措施a) 装设避雷针：室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。b) 高压侧装设避雷器：这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。阀式避雷器至310KV主变压器的最大电气距离如下表：雷雨季节经常运行的进线路数123=4避雷器至主变压器的最大电气距离/m15232730c) 避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。d) 低压侧装设避雷器 这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。当变压器低压侧中性点不接地时（如IT系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。 电气系统接地电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装置正常运行情况下是不载流