机械加工车间低压配电系统及车间变电所设计

摘要

本设计是机械厂机加工车间的低压配电系统及车间变电所供电系统。本文首先进行了负荷计算，根据功率因数的要求在低压母线侧进行无功补偿，进而确定对主变器容量、台数，从经济和可靠性出发确定主接线方案。其次，通过短路电流计算出最大运行方式和最小运行方式下的短路电流，确定导线型号及各种电气设备。最后根据本厂对继电保护要求，确定相关的保护方案和二次回路方案。

本设计采用需用系数法进行负荷计算，无功功率补偿采用低压侧电容并联补偿方法，这种方法能补偿低压侧以前的无功功率、经济效益比较好。根据机械加工车间用电特点和需求，主接线方案采用了高压侧无母线、低压侧单母线分段的主接线方案。根据干式变压器与油浸变压器在经济和安装条件对比，选择两台SC9-500/10系列干式变压器。

在仔细研究各负荷的实际数据，并严格按照国家规定，依照以上设计步骤设计本供电系统设计方案，以到达提高生产效益的目的。

关键词：低压配电系统；负荷计算；主接线；变电所；短路计算

目录

1 绪论 1

1.1 设计背景、目的及意义 1 1.2 设计内容 1

1.3 设计原则 1

2 负荷计算及无功补偿 2 2.1 负荷计算 2

2.1.1 负荷计算的方法及其适用范围 2

2.1.2 需用系数法 2

2.1.3 负荷确定 4 2.2 无功功率补偿 5

2.2.1 无功功率补偿概念 5

2.2.2 无功补偿提高功率因数的意义 5

2.3 无功补偿容量计算 6

2.3.1 无功功率补偿方式选择 6

2.3.2 无功补偿容量的确定 8

2.3.3 补偿容量计算 9

3 变电所主接线方案设计及变压器选择 10 3.1 变电所主变压器台数与容量选择 10

3.1.1 选择主变压器台数时应考虑下列原则 10

3.1.2 主变压器的确定 11 3.2 总配变电所的主接线方案比较选择 12

1 绪论

1.1 设计背景、目的及意义

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。

因此，如何正确地计算选择各级变电站的变压器容量及其它主要电气设备，这是保证企业安全可靠供电的重要前提。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。根据该工厂的规模、负荷情况、供电条件、技术要求、自然条件，设计其总配变电所及配电系统。

1.2 设计内容

根据任务书的要求，本设计主要有以下内容：

（1）车间的负荷计算及无功功率补偿；

（2）总配电所位置和型式的选择；

（3）变电所主变压器台数和容量、类型的选择；

（4）变电所主结线方案的设计；

（5）短路电流的计算，并进行一次设备的选择与校验；

（6）选择车间变电所高低压进出线；

（7）选择电源进线的二次回路方案及整定继电保护；

（8）车间防雷保护和接地装置的设计；

（9）确定车间低压配电系统布线方案；

（10）选择低压配电系统导线及控制保护设备。

1.3 设计原则

按照国家标准《工业与民用供配电系统设计规范》、《10KV及以下变电所设计规范》及《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）必须遵循有关国家标准，认真执行国家的技术经济政策，并应作到保障人身和设备安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和合理。

2

（2） 应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期和远期发展的关系，作到远、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能。

（3） 必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，合理确定设计方案，满足供电要求。

（4） 应注意执行节约能源、节约有色金属和“以铝代铜”等技术政策。 2 负荷计算及无功补偿 2.1 负荷计算

2.1.1 负荷计算的方法及其适用范围

电力负荷计算方法包括:利用系数法、需要系数法、二项式系数法。我国一般使用需要系数法和二项式系数法，如表2.1负荷计算方法及适用范围。

表 2.1 负荷计算的方法及其适用范围

所以本设计中用需要系数法计算机加工车间的负荷。 2.1.2 需用系数法

用电设备组的计算负荷，是指用电设备级从供电系统中取用的半小时最大负荷30P ,设用电设备组的设备容量为e P ，它指用电设备组所有设备(不含备用设备)的额定容量之和。由于用电设备组的设备实际上不一定都同时运行，运行的设备也不可能都同时满负荷，同时设备本身存在有功率损耗，因此，用电设备组的有功计算负荷应为：

l

e E

L P K K P ηη∑=

30

其中，K ∑为设备组的同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容

量之比；L K 为设备的负荷系数，即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设备容量之比：

e η为设备组的平均效率，即设备组在最大负荷时的输出功率与取用功率之比；L η为配电线

的平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率与首端功率之比。令

d L

e L K K K =∑ηη/，

Kd 称为需要系数

（1）单组设备计算负荷

当分组后同一组中设备台数>3台时，计算负荷应考虑其需要系数，即：

∑==n

i M d P K P 1

30 2

302

3030Q P S +=

Φ=tan 3030P Q N

U S I 330

30=

式中 M P ∑—— 总设备功率，单位kW K d ——需用系数 30P ——计算有功功率，单位为kW

30Q ——计算无功功率，单位kvar

30S ——计算视在功率，单位kVA tan φ ——功率因数角的正切值

N U ——电气设备额定电压，单位kV

30I ——计算电流，单位A

当每组电气设备台数≤3时，考虑其同时使用率非常高，将需用系数取为1，其余计算与上式公式相同 （2）多组设备的计算负荷

当供电范围内有多个性质不同的电气设备组时，先将每一组都按上述步骤计算在各自负

荷曲线上不可能同时出现，以一个同时系数来表达这种不同时率，因此其计算负荷为：

3030P K P P ∑=∑ 3030Q K Q q ∑=∑

2

3023030Q P S += N

U S I 330

30=

式中 P K ∑——有功同时系数，对于用电设备组计算负荷直接相加，p K ∑ 取值范围一般

都在0.8～0.9；对于车间干线计算负荷直接相加，p K ∑取值范围一般在0.85～0.95。

K ∑q ——无功同时系数，对于用电设备组计算负荷直接相加,K ∑q 取值范围一般

都在0.90～0.95；对于车间干线计算负荷直接相加，K ∑q 取值范围一般在0.93～0.97。

（3）吊车电动机组

对于吊车电动机容量要求统一换算到%25=ε，因此可得换算后的设备容量为

N M e P P ε2=

式中，M P 为吊车电动机的铭牌容量；N ε为与M P 对应的负荷持续率；25ε为其值等于25%

的负荷持续率。

2.1.3 负荷确定

根据利用系数法机械加厂负荷计算如表2.2所示为机加工厂各车间负荷计算表。机加工一车间详细负荷计算见附录一。

表2.2 机加工厂负荷计算表

续表2.2

2.2 无功功率补偿

2.2.1 无功功率补偿概念

近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降

4

低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。因此无功功率对电力系统是十分重要的。

无功功率补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。 2.2.2 无功补偿提高功率因数的意义 （一）改善设备的利用率

因为功率因数还可以表示成下述形式：

UI P S P ==φcos

其中U ——线电压（KV ）；I ——线电流（A ）。

可见，在一定的电压和电流下提高φcos ，其输出的有功功率越大，因此改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。 （二）提高功率因数可减少电压损失

因为电力网的电压损失可借下式求出：

U

QX PR U )

(+=?

可以看出，影响的因素有四个：线路的有功功率P ，无功功率Q ，电阻R 和电抗X 。如果采用容抗为Xc 的电容来补偿，则电压损失为

[]U X X Q PR U C )(-+=?

故采用补偿电容器提高功率因数后，电压损失ΔU 减少，改善了电压质量。 （三）减少线路损失

当线路通过电流I 时，其有功损耗为：

2

23

2103Φ?=?-COS U R P P

线路有功损失ΔP 与φ2

COS 成反比φcos 越高ΔP 越小 （四）提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率成下述关系

Φ=SCOS P 可见，在传输一定有功功率P 的条件下, φcos 越高,所需视在功率越小。

（五）减少用户开支，降低生产成本

（六）减小供电设备容量，节省电网投资

2.3 无功补偿容量计算

2.3.1 无功功率补偿方式选择

无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器，或采用具有容性负荷的装置进行补偿。

1、利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数，但设备复杂，造价高，只适于在具有大功率拖动装置时采用。

2、利用调相机做无功功率电源，这种装置调整性能好，在电力系统故障情况下，也能维持系统电压水平，可提高电力系统运行的稳定性，但造价高，投资大，损耗也较高。每kvar 无功的损耗约为1.8—5.5%，运行维护技术较复杂，宜装设在电力系统的中枢变电所，一般用户很少应用。

3、异步电动机同步化。这种方法有一定的效果，但自身损耗大，每kvar无功功率的损耗约为4—19%，一般都不采用。

4、电力电容器作为补偿装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小（每kvar功功率损耗约为0.3—0.4%以下）等优点，是当前国内外广泛采用的补偿方法。这种方法的缺点是电力电容器使用寿命较短。

电力电容器作为补偿装置有两种方法：串联补偿和并联补偿。

a、串联补偿是把是容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，

提高其输送能力，降低线路损耗。这种补偿方法的电容器称作串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。

b、并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。这种补偿

方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。

由于并联电容补偿方式运行维护方便安全，且便于安装，能耗低，投资省，因此本设计采用并联电容进行无功补偿。并联电容的补偿方式有可分为三种方法如表2.3所示：

表2.3 并联电容无功补偿三种方法

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