电气工程及其自动化课程设计

1、1 前言1.1 工厂供电的意义和要求 工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成

2、本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：（1）安全: 在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。（2）可靠: 应满足电能用户对供电可靠性

3、的要求。（3）优质: 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求（4）经济: 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。1.2 工厂供电设计的一般原则按照国家标准GB50052-95 供配电系统设计规范、GB50053-94 10kv及以下设计规范、GB50054-95 低压配电设计规范等的规定，进行工厂供电设计必须遵循以下原则：（1） 遵守规程、执行政策；（2） 安全可靠、先进合理；（3） 近期为主、考虑发展；（4） 全局出发、统筹兼顾。

4、2 负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算1)单组用电设备计算负荷的计算式: 有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算负荷 计算电流2)单组用电设备计算负荷的计算式： 有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算负荷 计算电流3）各厂房和生活区的负荷计算如表2.1表2.1 机械厂负荷计算表编号名称类别设备容量需要系数计 算 负 荷1铸造车间动力3000.370.681.08111.0119.7163.2248.0照明7.80.81.006.20.06.228.4小计307.8117.2119.7167.5254.52锻压车间动力2800.250.631.2370.086.3111.1168.8照明70.8

5、1.005.60.05.625.5小计28775.686.3114.7174.33金工车间动力3000.250.631.2375.092.5119.0180.9照明90.81.007.20.07.232.7小计30982.292.5123.7188.04工具车间动力3400.30.631.23102.0125.7161.9246.0照明7.80.81.006.20.06.228.4小计347.8108.2125.7165.9252.05电镀车间动力1750.50.750.8887.577.2116.7177.3照明80.81.06.40.06.429.1小计28393.977.2121.618

6、4.76热处理车间动力1450.50.750.8872.563.996.7146.9照明7.50.81.006.00.06.027.3小计152.578.563.995.1144.47装配车间动力1500.350.71.0252.553.675.0114.0照明7.80.81.006.20.06.228.4小计157.858.753.679.5120.8166.4机修车间动力1550.250.651.1638.845.359.690.6照明3.50.81.002.80.02.812.7小计158.541.645.361.593.59锅炉房动力750.50.750.8837.533.150.07

7、6.0照明1.50.81.001.20.01.25.5小计76.538.733.150.977.410仓库动力200.350.850.617.04.38.212.5照明1.50.81.001.20.01.25.5小计21.58.24.39.314.111生活区照明3200.750.950.33240.078.9252.6383.9总计（380V侧）动力1940957.87793.65照明381.4计入=0.8=0.850.75766.29674.601020.931549.782.2 无功功率补偿 由表2.1可知，该厂380V侧最大负荷是的功率因数只有0.75.而供电部门要求该厂10KV进线侧

8、最大负荷是功率因数不应该低于0.91。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380V侧最大负荷是功率因素应稍大于0.91，暂取0.91来计算380V侧所需无功功率补偿容量：故选PGJ1型低压自动补偿屏，并联电容器为BW0.4-12-3型，采用其方案1（主屏）1台与方案3（辅屏）4台相组合，总共容量725=360kvar。因此无功补偿后工厂380V侧和10KV侧的负荷计算如表2.2所示。表2.1 负荷计算表项 目计算负荷380V侧补偿前负荷0.75766.29674.601020.931549.78380V侧无功补偿容量-360380V侧补偿后负荷0.935766.29314.6828.4

9、1258.6主变压器功率损耗125010kV侧负荷总计0.91778.3364.6859503 变电所位置和型式的选择变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按功率矩法来确定，计算公式为式（3.1）和（3.2）。变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心.工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定.即在工厂平面图的下边和左侧,任作一直角坐标的X轴和Y轴,测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置,例如P1(x1,y1) 、P2(x2,y2) 、P3(x3,y3)等.而工厂的负荷中心设在P(x,y),P为P1+P2+P3+=Pi.因此仿照力学中计算重心的力矩方程,可得负荷中心的坐标: (3.1) (3.2

10、) 图3.1 XX机械厂总平面图 按比例K在工厂平面图中测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置表3.1所示表3.1 负荷点的坐标位置表坐标轴12345678910生活区X()0.980.980.983.33.33.33.37.256.769.6Y()4.32.751.164.32.751.14.33.11.57.1由计算结果可知，x=2.6 y=2.4工厂的负荷中心在6号厂房的西南角。考虑的方便进出线及周围环境情况，决定在6号厂房的西侧紧靠厂房修建工厂变电所，其型式为附设式。4 变电所主变压器的选择和主结线方案的选择4.1 变电所主变压器的选择 根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考

11、虑有下列两种可供选择的方案：（1）装设一台主变压器型式采用S9型，而容量根据式，选=1000=859kva，即选一台S9-1000/10型低损耗配电变压器。至于工厂二级负荷所需的备用电源，考虑由与邻近单位相联的高压联络线来承担。（2）装设两台主变压器 型号亦采用S9，而每台变压器容量按式和式选择，即=(0.60.7）=（0.60.7）859=515kva601kva且=(167.5+127.5+53.7)=348.7kvr因此选两台S9630/10型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源亦由与邻近单位相联的高压联络线来承担。主变压器的联结组均采用Yyn0。4.2 变压器主接线方案的选择

12、按上面考虑的两种主变压器方案可设计下列两种主接线方案：（1）装设一台主变压器的主接线方案，如图4.1所示 （2）装设两台主变压器的主接线方案，如图4.2所示 图4.1 装设一台主变压器的主结线方案 图4.2 装设两台主变压器的主结线方案4.3 两种主结线方案的技术经济比较 如表4.1所示。表4.1 两种主接线方案的比较比较项目装设一台主变的方案装设两台主变的方案技术指标供电安全性满足要求满足要求供电可靠性基本满足要求满足要求供电质量由于一台主变，电压损耗较大由于两台主变并列，电压损耗小灵活方便性只一台主变，灵活性稍差由于有两台主变，灵活性较好扩建适应性稍差一些更好一些经济指标电力变压器的综合投

13、资由手册查得S91000单价为15.1万元，而由手册查得变压器综合投资约为其单价的2倍，因此其综合投资为215.1万元=30.2万元由手册查得S9630单价为10.5万元，因此两台综合投资为410.5万元=42万元，比一台变压器多投资11.8万元高压开关柜（含计量柜）的综合投资额查手册得 GGA（F）型柜按每台3.5万元计，查手册得其综合投资按设备价1.5倍计，因此其综合投资约为41.53.5=21万元本方案采用6台GGA（F）柜，其综合投资额约为61.53.5=31.5万元，比一台主变的方案多投资10.5万元电力变压器和高压开关柜的年运行费参照手册计算，主变和高压开关柜的折算和维修管理费每年

14、为4.893万元（其余略）主变和高压开关柜的折旧费和维修管理费每年为7.067万元，比一台主变的方案多耗2.174万元供电贴费按800元/KVA计，贴费为10000.08=80万元贴费为26300.08万元=100.8万元，比一台主变的方案多交20.8万元 从表4.1可以看出，按技术指标，装设两台主变的主接线方案略优于装设一台主变的主接线方案。5 短路电流的计算5.1 绘制计算电路 如图5.1所示图5.1 短路计算电路5.2 确定短路计算基准值设，即高压侧，低压侧，则 5.3 计算短路电路中各元件的电抗标幺值（1) 电力系统 已知=500MVA,故=100MVA/500MVA=0.2（2) 架

15、空线路 LJ-120的=0.35/km，而线长12km故=(0.3512)=3.8（3) 电力变压器 %=4.5,故=4.5因此绘短路计算等效电路如图5.3所示图5.3 等效电路5.4 10KV侧三相短路电流和短路容量（1) 总电抗的标幺值 =0.2+3.8=4.0（2) 三相短路电流周期分量有效值=1.38KA（3) 短路次暂态短路电流=1.38KA（4) 短路稳态电流 =1.38KA（5) 短路冲击电流 =2.551.38KA=3.52KA（6) 短路后第一个周期的短路电流有效值=1.511.38KA=2.08KA（7) 三项短路容量 =25MVA5.5 380KV侧三相短路电流和短路容量

16、（1） 总电抗的标幺值 =0.2+3.8+4.5=8.5（2） 三相短路电流周期分量有效值=16.9KA（3） 短路次暂态短路电流=16.9KA（4） 短路稳态电流 =16.9KA（5） 短路冲击电流 =1.8416.9KA=31.2KA（6） 短路后第一个周期的短路电流有效值=1.0916.9KA=18.4KA（7） 三项短路容量 =11.8MVA以上计算结果综合如表5.1表5.1 短路的计算结果短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk-11.381.381.383.522.0825l-216.916.916.931.218.411.86 变电所一次设备的选择校验6.1 10kV侧

17、一次设备的选择校验 如表6.1所示表6.1 10kV侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据1057.71.383.522.86一次设备型号规格额定参数高压少油断路器SN10-10I/63010kV630A16kA40kA512高压隔离开关GN-10/20010kV200A25.5Ka500高压熔断器RN2-1010kV0.5A50kA电压互感器JDJ-1010/0.1kV电压互感器JDZJ-10电流互感器LQJ-1010Kv100/5A31.8Ka81二次负荷0.6避雷器FS4-1010kV户 外 式 高 压隔离开关GW4-1

18、5G/20012kV400A25Kv500表6.1所选一次设备均满足要求。6.2 380V侧一次设备的选择校验 如表6.2所示。表6.2 380V侧一次设备的选择校验选择校验项目电 压电 流断 流能 力动 稳定 度热 稳定 度其 他装置地点条件参数数据3801258.616.931.2199.7一次设备型号规格额定参数低压断路器DW15-1500/3D380V1500A40kV低压断路器DZ20-630380V630A30kA低压断路器DZ20-200380V200A25kA低压刀开关HD13-1500/30380V1500A电流互感器LMZJ1-0.5500V1500/5A电流互感器LMZ1

19、-0.5500V100/5160/5避雷器户外隔离开关表6.2所选一次设备均满足要求。6.3 高低压母线的选择 参照表528，10kV母线选LMY-3（），即母线尺寸为；380V母线选LMY-3,即母线尺寸为，而中性线母线尺寸为。7 变电所进出线以及邻近单位联络线的选择7.1 10kV高压进线和引入电缆的选择（1）10kV高压进线的选择校验 采用LJ型铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。1) 按发热条件选择 由及室外环境温度，查表8-36，初选LJ-16，其时的满足发热条件。2）校验机械强度 查表8-34，最小允许截面，因此按发热条件选择的LJ-16不满足机械强度要求，故改选LJ-35。由于

20、此线路很短，不需校验电压损耗。（2）由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆直接埋地敷设。 1）按发热条件选择 由及土壤温度查表8-44，初选缆芯截面为的交联电缆，其，满足发热条件。2）校验短路热稳定 按式计算满足短路热稳定的最小截面式中C值由表5-13差得；按终端变电所保护动作时间0.5s，加断路器断路时间0.2s，再加0.05s计，故。 因此YJL22-10000-325电缆满足短路热稳定条件。7.2 380V低压出线的选择（1）馈电给1号厂房（铸造车间）的线路 采用VLV22-1000型聚氯乙烯绝缘铝芯电缆直接埋地敷设。1）按发热条

21、件选择 由及地下0.8m土壤温度，查表8-43，初选缆芯截面，其，满足发热条件。2）校验电压损耗 由图11-3所示工厂平面图量得变电所至1号厂房距离约为100m，而由表8-42查得的铝芯电缆（按缆芯工作温度计），又1号厂房的=117.2kW，=119.7kvar，因此按式得：故满足允许电压损耗的要求。3) 短路热稳定度校验 按式计算满足短路热稳定的最小截面由于前面按发热条件所选的缆心截面小于，不满足短路热稳定要求，故改选缆芯截面为的电缆，即选的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆，中性线芯按不小于相线芯一半选择。（2）馈电给2、3、4、5、6、7、8、9号厂房的线路 都比10号的小， 亦采用VLV-22

22、-1000-3240+1120的四芯聚氯乙烯绝缘的铝芯电缆直埋敷设。（3）馈电给10号厂房（仓库）的线路 由于仓库就在变电所旁边，而且共一建筑物，因此采用的聚氯乙烯绝缘的铝芯导线BLV-1000型（见表8-30）5根（包括3根相线、一根N线、1根PE线）穿硬塑料管埋地敷设。1）按发热条件选择 由及环境温度（年最热月平均气温），查表8-41，相线截面初选，其,满足发热条件。按规定，N线和PE线也都选为，与相线截面相同，即选用塑料导线5根穿内径25mm的硬塑管埋地敷设。2）校验机械强度 查表8-35，最小允许截面积,因此上面所选的导线满足机械强度要求。3) 校验电压损耗 所穿选管线，估计长44m，

23、而由查8-39查得,又仓库的,因此故满足允许电压损耗的要求。（4）馈电给生活区的线路 采用BLX-1000型铝芯橡皮绝缘线架空敷设。1）按发热条件选择 由及室外环境温度为，查表8-40，初选-1240,其时的=455A,，满足发热条件。2）校验机械强度 查表8-35，最小允许截面积，因此BLX-100-1240满足机械强度要求。 3）校验电压损耗 由图11-3所示工厂平面图量得变电所至生活区负荷中心距离约160m，而由表8-36查得其阻抗与BLX-100-1240近似等值的LJ-185的阻抗=，,又生活区的,因此=30.1V=7.9%=5%不满足允许电压损耗要求。所以采用BLK-1000-11

24、20的三相架空线路，PEN均采用BLK-1000-175绝缘线。7.3 作为备用电源的高压联络线的选择校验 采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆，直接埋地敷设，与相距约2km的邻近单位变配电所的10kV母线相联。（1）按发热条件选择 工厂二级负荷容量共362kVA，362kVA/10=20.9A,而最热月土壤平均温度为,因此查表8-44，初选缆芯截面为的交联聚乙烯绝缘铝芯电缆（注：该型电缆最小芯线截面积为），其,满足发热条件。（2）校验电压损耗 由表8-42可查得缆芯为25的铝芯电缆的 (缆芯温度按计)，而二级负荷的=264.6kW，=242.9kvar线路长度按2km计，因此

25、=87.3V=0.87%=5%由此可见该电缆满足允许电压损耗要求。（3）短路热稳定校验 按本变电所高压侧短路校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯的交联电缆是满足短路热稳定要求的。综合以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表7.1所示。表7.1 型号规格表线路名称导线或电缆的型号规格10kV电源进线LJ-35铝绞线（三相三线架空）主变引入电缆YJL22-10000-325交联电缆（直埋）380V低压出线至1号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至2号厂房VLV22-1000-3240+1120 四芯塑料电缆（直埋）至3号厂房VLV22-1000-3240+1120 四芯塑料电缆（直埋）至4号厂房VLV22-1000-3240+1120四芯塑料电缆（直埋）至5号厂房VLV22-1000-3300+1150四芯塑料电缆（直埋）至6号厂房VLV22-1000-3300+1185四芯塑料电缆（直埋）至7号厂房VLV2