供配电系统设计毕业设计

届毕业生

毕业设计说明书

     题   目：     某机械厂供配电系统设计                 

院系名称： 电气工程学院 专业班级：                

学生姓名：                学    号：               

指导教师：               教师职称：   讲师              

20  年  6  月  6  日

目   次

1  概述

1.1  国内外发展现状

现代大中型工厂供配电系统的电气主接线和运行方式都比较复杂，各种电气设备的数量和种类也比较多，随着经济和现代工业建设的迅速发展，供电系统的设计越来越全面、系统，工厂用电量迅速增长，对电能质量、技术经济状况、供电的可靠性指标也日益提高，因此对供电设计也有了更高、更完善的要求。

供配电系统是电力系统的电能用户，也是电力系统的重要组成环节。它由总降压变电所、高压配电所、车间变电所、配电线路以及用电设备组成。在小型工厂中，电能先经过高压配电所，然后经过变压器降压，低压配电线路将车间变电所的电能送到各低压用电设备。

在我国，供配电的建设未能得到重视，资金短缺，技术性能落后，另外供配电技术环节形成电力需求与供配电设施不协调的局面。随着人们生产活动的日渐增多，工厂对电能的需求也在日益增加，作为评估电能质量的相关指标，例如电能的可靠性、电能的经济状况、电能的质量等指标也随之有待提高。

1.2  供配电系统的研究意义

现如今，电能已经成为人们生活中不可或缺的能源和生活工具，其在工业生产，生活的各个领域中获得了广泛应用，为人们提供更加舒适便捷的工作环境和生活环境创造了条件。电力是现代事业发展的主要能源和动力，没有电力可以说就没有国有经济的现代化。现代的生活都离不开电力，都是建立在电气的基础上。因此，电力供应如果中断，将会给现代的发展带来严重的影响。譬如那些对可靠性有有很高要求的企业，即使工厂中设备停电的时间极短，也能引起工厂中严重的事故发生，轻则把电气设备烧坏，重则威胁到人身安全，故而，必须认真做好达到系统供电要求，切实保证电力系统的正常运行，更好地发展生产，实现过程的全部自动化。

要切实保障生产和日常社会生活的需求，就必须做好工厂供电系统的工作，在确保可靠供电的前提下，考虑并努力做好节能减排工作，实现高效，优质供电供电部门必须做到以下几点：

   （1）安全 在电能的供应、分配和使用中，不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即连续供电的要求。

   （3）优质 应满足电能用户对电压质量和频率质量等的要求。

   （4）经济 供电系统的投资要少，运行费用低，尽可能的节约能源和减少有色金属消耗量。

当然，除了上述基本要求，想高质量的做好工厂供电工作，还要学会合理地做好工厂供电长远发展的规划安排，既考虑到局部利益，又要有长远的目光和见识，做到适应长期发展目标的要求。

1.3  研究的内容

    本次设计主要研究的是某机械厂供配电系统，从获得的原始资料开始着手相关资料的查询以及分析计算，主要完成了以下几个方面：负荷计算及无功补偿，确定变电所的所址、型式以及变电所的主接线方案，按需要系数法进行短路计算，选择高、低压设备并进行校验，变电所防雷保护及接地装置的设计以及用CAD软件绘制电气原理图。小型的机械厂供电负荷等级一般为二级负荷，考虑到生产加工，应急照明对电力要求高的方面，避免因停电造成不必要的损失，因此在本次设计中应该从各个方面综合实际情况考虑，做到经济，可靠，完善。由于供电部门对厂区用电有功率因数方面的要求必须达到0.9以上，所以降压变电所采用并联电容器进行无功功率补偿。通过短路电流的计算，对供配电系统的继电保护进行整定与计算，最后对本厂进行防雷与接地保护。

2  负荷计算及无功补偿

2.1  电力负荷的类型

按照电力负荷对供电可靠性的要求，电力负荷分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。在本次机械厂供配电系统设计中，大多数负荷属于二级负荷，且主要对动力负荷和照明负荷进行分析，并完成负荷计算。

2.2  负荷计算

在工厂中，为了防止造成电气设备资源的浪费，保证电气设备的安全运行，需要进行负荷计算。负荷计算的方法有很多，如需要系数法，利用系数法，单位指标法等。在这次设计中，按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷，最基本的负荷计算公式为：

                                                      （2-1）

其中为全厂的有功计算负荷，为全厂用电设备的总容量，为需要系数。

2.2.1 基本公式  

     无功计算负荷                                  （2-2）

     视在计算负荷                                     （2-3）

     计算电流                                        （2-4）                                  

2.2.2 多组用电设备计算负荷的确定

     有功计算负荷                                   （2-5）

     无功计算负荷                                  （2-6）

     以上两式中的、分别为各组用电设备的有功和无功计算负荷之和，、分别为同时系数。

     视在计算负荷                                 （2-7）

     计算电流                                       （2-8）

2.2.3 工厂负荷情况

该厂每天的工作时间为十小时，一年当中有十个月正常生产，最大负荷时生产的小时为3500小时，年耗电量约为2500，本厂多数车间为二级负荷，本厂的负荷统计资料如下表2-1所示，并进行负荷计算。

                            表2-1   本厂的符合统计资料

    1、金工车间：

    动力部分：

     照明部分：

    2、铸造车间

     动力部分：

     照明部分：

     3、热处理车间

      动力部分：

       照明部分：

    4、锻压车间

      动力部分：

     照明部分：

    5、电镀车间

    动力部分：

    照明部分：

    6、生活区

    7、取全厂的同时系数、均为0.9，则全厂总的计算负荷分别为

     在设计中，为了使人一目了然，我采用计算表格的形式对各车间负荷计算值进行统计，如下表2-2所示。

                                表2-2  各车间负荷计算值

机械厂中由于有大量感性负荷，还有感性的电力变压器，从而使功率因数降低。根据供电部门对本厂用电的要求，功率因数要达到0.90以上，由上述负荷计算可知，则要考虑增设无功功率补偿装置，降低电能损耗。在此次设计中暂取0.92来计算无功功率补偿容量。

    装设的无功补偿装置（并联电容器），其容量为

                              （2-9）

    要使功率因数由0.68提高到0.92，低压侧需装设的并联电容器容量为

则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为

    变压器的功率损耗为

   变电所高压侧的计算负荷为

  补偿后机械厂的功率因数为

，这一功率因数满足要求。

3  变电所主变压器选择和主接线方案选择

3.1  变电所主变压器的选择

    在工厂中，要使供电系统正常的运行，正确的选择主变压器是十分重要的。变压器一般有升压变压器和降压变压器，而本次设计的某机械厂供配电系统设计主要考虑降压变压器即可。变压器的合理选择对系统供电可靠性具有十分重要的意义，因此，合理地选择变压器的容量、台数、接线形式等参数可以有效的降低系统发生停电事故的概率，主变压器容量不宜选择过小，这样会造成主变压器过载运行，因此要考虑负荷的发展，在做到满足供电可靠性的要求下，使供电系统经济运行。提高系统供电的可靠性，有利于实现供电的经济性。

3.1.1 主变压器台数的选择

变压器台数选择的一般原则：

必须满足供电可靠性的要求，为实现连续供电，选用两台变压器供电。

对于昼夜温差变动较大的负荷或者是具有明显季节性特点的负荷，在考虑经济运行的前提下，也可以依据实际情况用两台变压器供电。

一般要求车间变电所用一台变压器供电，但如果出现负荷集中并且变电所需要容量很大时，可以选用两台或者两台以上变压器供电。

结合该机械厂供电系统的设计要求，我选用两台变压器来为系统供电。

3.1.2 主变压器容量的选择

    对装有两台主变压器的变电所，变压器的容量应同时满足下列两个条件：

                                              （3-1）

                                                 （3-2）

    其中为全部一、二级负荷。

    有  

根据我国电力变压器容量等级，可选择两台容量为800kVA的变压器，型号为S9-800/10。

3.2  主接线方案设计

3.2.1 主接线方案的设计

 根据主接线方案设计的原则，首先要保证人身和设备的安全，满足供电的可靠性，其次主接线要简单，经济，做到容易切换操作和检修。经过对本厂原始资料的分析，本次设计的主接线方案有以下两种。

方案一

高压单母线不分段、低压单母线分段的主接线方式。这种主接线的运行灵活性也较高，有较高的供电可靠性。当任一主变压器发生故障进行检修时，通过切换操作，即可迅速恢复供电。但在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所将会停电。

方案二

高低压侧均为单母线分段的主接线方式。这种主接线的运行非常灵活，供电可靠性也很高。两段高压母线，可以接通运行，也可以分段运行。任一主变压器或任一电源进线发生故障停电检修时，通过切换操作，均可迅速恢复供电。

3.2.2 主接线方案的比较

考虑到机械厂系统的经济运行，灵活性，操作的难易，这次设计中我提出的主接线方案是方案二，高低压侧均为单母线分段的主接线方式。相较于方案一，方案二的供电可靠性又高，方案一中，如果高压母线发生故障，则会导致变电所停电，这会造成机械厂工作暂停，降低工作质量。电气主接线图如图3.1所示，当高压侧母线发生故障时，会造成暂时停电，但检测故障后，拉开隔离开关，则正常工作的那段母线即可迅速恢复供电。当低压侧其中一段母线发生故障，断路器自动工作，将故障段隔离保证另一段母线正常工作，不影响机械厂的正常运行。

         图3.1  电气主接线图

3.3  厂区规划图

    该厂区的总体规划图如图3.2所示。距离工厂4km处有一总降压变电所，有两条电源进线引入，其中一条进线为备用电源，当工厂发生故障需要进行检修时，一些重要负荷及照明的用电设备由备用电源提供。

图3.2   厂区总体规划图

4  短路电流的计算

短路故障是电气设备最严重的故障，对电气设备以及供电系统产生极大的危害，因此采取相应的措施来预防或减轻其危害程度。本次设计采用标幺值法进行短路电流计算，根据供电系统的等值电出系统的三相短路冲击电流幅值和有效值以及三相短路周期分量幅值和有效值，由计算出的三相短路电流值对供电系统电气设备的选型提供参考依据，即由三相短路电流计算结果来校验所选电气设备的动稳定性和热稳定性。

4.1  短路电流计算的基本公式

基准容量，工程设计中通常取

    基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压，即取

    基准电流                                   （4-1）

    基准电抗                                     （4-2）

4.2  电抗标幺值的计算公式

电力系统的电抗标幺值

                                           （4-3）

电力变压器的电抗标幺值

                                （4-4）

电力线路的电抗标幺值

                                      （4-5）

三相短路电流电流周期分量有效值的标幺值

                          （4-6）

 由此可求得三相短路电流周期分量有效值

                                             （4-7）

                                               （4-8）

对高压系统来说                                   （4-9）

                                                 （4-10）

对低压系统来说                                   （4-11）

                                                 （4-12）

三相短路容量

                                  （4-13）

4.3  确定基准值、计算电抗标幺值

  该机械厂的供电系统简图如图4.1所示，一为距本厂4km的馈电变电站经架空线（系统按电源计），经过高压电缆线接入变电所。该干线所装高压断路器的断流容量为300MVA。分析并计算k-1点和k-2点的三相短路电流和短路容量。

图4.1  机械厂的供电系统简图

（1）确定基准值

     取，，

     而      

（2）计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值

  1）电力系统的电抗标幺值

2) 电力线路的电抗标幺值

3) 电力变压器的电抗标幺值

绘短路等效电路图如图4.2所示，

图4.2  短路等效电路图

(3) k-1点的总电抗标幺值和三相短路电流和短路容量

1）总电抗标幺值

2) 三相短路电流周期分量有效值

3) 其他三相短路电流

4) 三相短路容量

(4) k-2点的总电抗标幺值和三相短路电流和短路容量

1）总电抗标幺值

2) 三相短路电流周期分量有效值

3) 其他三相短路电流

4) 三相短路容量

5  高、低压电气设备的选择与校验

    选择高、低压电气设备应遵循以下四项原则：

（1) 按照环境条件和工作要求选择电气设备型号。

（2) 按正常工作条件选择额定电流和额定电压。

（3) 按短路条件校验电气设备的热稳定和动稳定。

（4) 快关电器断流能力校验。

    在进行高、低压电气设备选择校验时，按额定电压进行选择时，有（为额定电压，为电气设备安装地系统的额定电压）；按额定电流进行选择时有（为额定电流，为电气设备所允许长期通过的电流值）。

5.1  高压设备的选择与校验

1、高压断路器

由短路计算可得：

    查常用高压断路器的主要技术数据可知，选择SN10-10I/630型少油户内断路器。高压断路器的选择校验表如表5-1所示。

      表5-1   高压断路器的选择校验表

2、高压电流互感器

    电流互感器主要用于变换电流，把大电流变为小电流，一般把大电流变为5A或1A。由条件可知变压器一次侧高压额定电压10kV，额定电流43.79A，选择LQJ-10型电流互感器,变比为50/5A。查LQJ-10型电流互感器的主要技术数据可知，1s热稳定倍数，动稳定倍数，t=1s，则动稳定度校验：，故满足其动稳定度校验条件。

    热稳定度校验，

           ，

    因为，所以满足热稳定度校验条件。

    校验结果，说明所选LQJ-10型电流互感器是合格的。

3、高压电压互感器

    电压互感器主要用于变换电压，即把大电压变换为小电压，一般把大电压变换为100V。由条件可知变压器一次侧高压V，则选择型电压互感器，由于它的一次、二次侧均有熔断器保护，故不需要进行短路稳定度的校验。

4、高压熔断器

    由条件可知变压器一次侧高压额定电压10kV，额定电流43.79A，故选择XRNT-10KV/63A型高压熔断器。

5、高压隔离开关

    在变电所中经常用到的电气设备之一就是隔离开关，它一般需要和断路器一起使用，隔离开关的选择和校验与断路器相同，隔离开关的选择校验表如表5-2所示。

      表5-2  高压隔离开关的选择校验表

6、避雷器

    本次设计的是某机械厂的供配电系统，因为该机械厂为中小型的变配电所，故选用FS型阀式避雷器，型号为FS4-10型阀式避雷器。

5.2  低压设备的选择与校验

1、低压熔断器

   根据短路电流计算，故选择RT0-1000型低压熔断器。

2、低压断路器

   根据短路电流计算

                 ， 

   故选择DW15-1500型低压断路器。

5.3  母线的选择

    考虑到电气装置所处的环境条件，选择矩形硬铝母线，根据LMY型矩形硬铝母线的允许载流量，选择，其允许电流为。

热稳定校验：  mm2

故满足校验条件。

上式(mm2)（母线热稳定系数），（假想时间）。

动稳定校验：

上式，为三相短路时在中间相产生的最大电动力，为绝缘子档距，为母线轴线间距离，。矩形硬铝母线的最大允许应力，因此动稳定性要求能够得到满足。

5.4  导线的选择

考虑到架设线路的长度，计算负荷值以及年最大有功负荷利用小时，选择导线为LJ-50型钢芯铝线。

1）选择经济截面    

查导线和电缆的经济电流密度知A/mm2，所以有经济截面：

                 mm2

故选择LJ-50型钢芯铝线。

2）校验发热条件

本机械厂工作环境为30摄氏度，查LJ型铝绞线的允许载流量可知，LJ-50型钢芯铝线的允许载流量为202A，大于54.5A，故LJ-50型钢芯铝线满足发热条件。

3）校验机械强度

查架空裸导线的最小截面可知，10kV架空钢芯铝线的最小截面为16mm2,小于50mm2,故LJ-50型钢芯铝线满足机械强度条件。

6  继电保护的整定与计算

供电系统对保护装置有下要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

继电保护的主要任务：

（1）设备或线路发生故障时，保护装置有选择性，并尽快地动作，将故障部分分开，切除故障，供电系统的其他部分仍然正常工作，防止事故蔓延。

（2）运行出现问题时，保护装置发出信号，引起工作人员的注意，及时采取措施防止事故发生。

6.1  高压线路的继电保护

为了增大保护动作的灵敏度，在本次设计中选取型的感应式电流继电器，接线方式为两相两继电器式。

过电流保护装置的动作电流整定：

    上式，，可靠系数，返回系数。

    故动作电流整定为449A。

保护装置之间动作有时间间隔，一般情况下。

对本线路末端进行校验：

灵敏度    ,不符合要求。

由上式可知，灵敏度校验满足不了要求，因此过电流保护应带上低压闭锁。

过电流保护(带有低压闭锁）：

即       （躲过线路计算电流）

灵敏度校验：

即          （变压器低压侧母线）满足要求。

6.2  电力变压器的继电保护

变电所内装有两台的变压器，接线方式为两相两继电器式。

过电流保护装置的动作电流整定：

上式，，可靠系数，返回系数。

    故动作电流整定为14A。

保护装置之间动作有时间间隔，一般情况下

对本线路末端进行校验：

灵敏度     ,符合要求。

7  防雷和接地装置

7.1  防雷

在工厂中，为了使设备正常的运行，保证供电的可靠性，保护变电所不受外界破坏，其重要设施就是防雷，这对保护工作人员的安全以及用电设备的安全至关重要。因此，应结合本厂所在地及年平均雷暴日数以及厂区内的综合因素来确定本机械厂的防雷措施。

7.2  接地装置

7.2.1 接地装置的要求

为了防止雷击时在接地装置上产生的高电位对配电装置进行反击闪络，危及

安全，故在接地装置与配电装置之间应该有一定的距离。

    即                                                                                                 （7-1）

                                                       （7-2）

上式为空气间距，应不小于5m，为接地装置间的距离，大于3 m。

7.2.2 接地装置的设计

    变电所的主变压器容量为800kVA，电压为10kV/0.4kV，假设已知装设地点的土质为砂质粘土，10kV侧有，电缆线路长25km。

（1）确定接地电阻

    根据部分电力装置要求的工作接地电阻值，可确定此变电所的接地电阻应满足以下两个条件：,

且

所以,因此变电所的接地电阻为。

（2）接地装置布置的初步方案

     现初步考虑围绕变电所建筑物四周，距变电所外墙2-3m，打入一圈直径50mm、长2.5m的钢管接地体，每隔5m打入一根，管间用mm2的扁钢焊接相连。

（3）计算单根钢管的接地电阻

     根据土壤电阻率参考值得知砂质的。则单根钢管接地电阻为。

（4）确定接地的钢管数和接地方案

     根据垂直管形接地体的利用系数值得出：

     ，则，则选择15根钢管来作为接地体，将mm2的扁钢焊接起来并且相连，采取环形布置。

7.3  防雷措施

7.3.1 架空线路的防雷措施

在架空线路的绝缘子上隙，这样当发生雷击时，保护间隙被击穿，通过接地引下线对地泄放雷电流，避免发生雷击。为了防止因雷击而造成停电故障，则可以装设自动化重合闸装置，使断路器经过0.5s后自动重合闸，可以做到迅速恢复供电。

7.3.2 变配电所的防雷措施

为了防止雷电侵入波对变电所的电气装置主要是主变压器的危害，需要在每路进线终端和每段母线上装设阀式避雷器，进线的架空线路有一段引入电缆，避雷器应该与电缆金属外皮相连并一同接地，其接线图如图7.1所示。

图7.1  变电所对雷电波侵入的防护接线图

结  论

本次是对一个机械厂的供配电系统的设计，刚拿到设计的题目时，有点茫然，但是通过一个月的查阅资料，计有了大致的思路。通过收集资料，这类型的设计总的来说，包括负荷的计算、无功补偿的计算、电气主接线的选择、变电所的平面布置、短路电流计算、电气设备的选择、继电保护装置的选择整定、防雷接地的设计及照明等内容。在设计中，我采用需要系数法进行负荷计算，按照国家规定的功率因数达到0.9以上，为了满足要求，装设并联电容器进行无功补偿。为了画出主接线图，我用了一段时间来学习画图软件CAD，知道了每个电气符号代表的是什么电气设备，懂得了其主接线原理。

通过本次毕业设计，学会了如何将理论知识应用到具体的实践当中，这样不仅加深了对所用到的知识的理解，同时也提高了自己分析问题解决问题的能力，为以后自己的职业生涯发展打下了坚实的基础。虽然花费了不少精力以及时间来完成此次的毕业设计，由于自己缺少这种实战的经验，设计方案还有些不够完善，比如负荷计算不够详细，因为实际原因，只是在网上找了一些机械厂的主要电气设备，并加上自己的一部分估测，没能够找到一家具体相关工厂深入其中研究调查。高、低压设备选择也不，只对重要的几种进行了选择与校验，由于时间的原因，主要对厂区的变电所主接线进行了设计，为了进一步完善供配电系统的设计，应该增加车间变电所以及线路设备的安装等内容作进一步的设计。

节约能源是现在社会的发展趋势，在设计中，我也秉着这种态度选用节能设备、补偿无功、减少线路损耗、降低运行与维护费用，提高能源的综合利用率，提高设备运行效率，减少电能的直接或间接损耗，尽可能提高电能质量、合理调整负荷、选取合理的设计系数、在特殊用电的情况下选择合理的节能措施，提高负荷率和设备利用率节约电能，做到安全、经济、可靠。

致  谢

时光荏苒，光阴似箭，本次设计完成了。俗话说：师恩难忘。我深深地感谢我的导师苏宝平老师。在我整个毕业设计过程中，苏老师总会给予孜孜不倦的指导和帮助,从开始做毕业设计的几个月的时间里给我定题、教我如何查找资料，收集文献，监督我整个毕业设计进程的每一步。苏老师是一个责任心很强、办事注重效率的好导师，正因为有苏老师的认真负责才让我按时按点完成了每一个阶段的设计任务。苏老师对每一个阶段我所上交的毕业设计材料都会非常认真、细心的帮我查看，并给出他的意见，然后让我重新做出修改，并将修改好的设计资料重新拿给他查看。苏老师对我修改过的设计仍然会仔细查阅，他同样会对我设计不好的地方提出来，并要求我再次改进。他的严谨的治学态度、一丝不苟的教学理念以及为人师表的求学精神深深地影响了我，使我在撰写论文的路上受益匪浅。在此，向苏老师表示我诚挚的敬意和衷心的感谢!

在苏老师的帮助和指导下，毕业设计虽然告一段落，但是我相信，从老师那里获取的不只是知识层面的，更是精神层面的，它将对我今后的工作和生活产生积极向上的影响。

论文完成之际，我向所有的老师、同学和朋友致以真诚的谢意。在学校的四年里，我深刻体会到身边的各位老师、同学和朋友们对我的关心与帮助，从他们身上，看到了积极刻苦，严于律己的工作精神，获得不少的教益和启发，相信这个会让我永远的记住陪伴我四年的大学。

最后再次感谢所有给予我关心和帮助的人，祝各位工作顺利，身体健康！

参 考 文 献

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[6] 刘介才．工厂供电．第3版.北京：机械工业出版社，2004.

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[8] 陈小虎. 工厂供电技术. 第3版．北京：高等教育出版社，2010.

[9] 唐志平. 工厂供配电.北京：电子工业出版社，2012.

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附录A  电气主接线图