某工廠變電所設計

1 第一章 緒論 1.1.1 機械工廠供電的意義和特點 工廠是工業(yè)生產的主要動力能源。工廠供電設計的任務是從電力系統(tǒng)取得電源，經過合理的傳輸，變換，分配到工廠車間中的每一個用電設備上。隨著工業(yè)電氣自動化技術的發(fā)展，工廠用電量的迅速增長，對電能的質量，供電的可靠行以及技術經濟指標等的要求也日益提高。供電設計是否完善，不僅影響工廠的基本建設投資，運行費用和有色金屬的消耗量，而且也反映到工廠供電的可靠性和工廠的安全生產上，他與企業(yè)的經濟效益，設備和人身安全等是密切相關的。 供電設計的任務是 從廠區(qū)以外的電網(wǎng)取得電源，并通過廠內的變配電中心分配到下廠的各個供電點。它是工程建設施下的依抓，也是日后進行驗收及運行維修的依據(jù)。供電設計首先要確定供電系統(tǒng)并進行用電負荷計算，然后將設計的供電系統(tǒng)圖及用電容量向供電部門申請。申請用電容量的大小應滿足生產需要，也要考慮到節(jié)省投資和節(jié)約能源，這就要求設計者對對工藝專業(yè)和公用專業(yè)用電負荷系數(shù)有足夠的把握。在設計計算中除了查找資料外，還必須借助于設計者在實踐中長期積累的經驗數(shù)據(jù)。由于機械工廠車間組成類型多，產品、工藝日新月異，對供電要求各不相同，非專業(yè)設計院或個體設 計者一不了解機械生產工藝和生產規(guī)律，要作出好的設計，相對來說要困難些。比如機加工車間，從設備明細表中看出用電電量頗大，大小設備用電量相差較大，用電特點是短時下作制的設備多，機加工設備輔助傳動電機一般僅工作幾秒鐘，而停歇時間卻達幾分鐘、甚至幾小時。在作負荷計算時對設備下作時間要了解 ,并把不同的用電設備按組劃分確定其計算功率。 工廠供電工作要很好地為工業(yè)生產服務，切實保證工廠生產和生活用電的需要，并做好節(jié)能工作，就必須達到下列基本要求： 安全 在電能的供應，分配和使用中，不應發(fā)生人身事故和設備事故 可靠 應滿足電能用戶對供電可靠性即連續(xù)供電的要求 優(yōu)質 應滿足電能用戶對電壓和頻率等質量的要求 經濟 供電系統(tǒng)的投資要省，運行費用要低，并盡可能節(jié)約電能和減少有色金屬的消耗量 此外，在供電工作中，應合理的處理局部和全局，當前和長遠等關系，既要照顧全局和當前的利益，又要有全局觀點，能顧全大局，適當發(fā)展。 機械工廠供電設計是機械行業(yè)工程設計的重要組成部分，它的設計質量已引起有關部門的關注。對設計單位的選擇應參照國際貫例，采取招、投標的方式。對設計單位的專業(yè)技術水平以及 2 聲譽和資歷等都應成為能否 承擔設計任務的重要條件。設計部門的專業(yè)技術水平以及設計的標準化、規(guī)范化和發(fā)展規(guī)劃都與機械下程項目的成功、合理、安全、經濟密切相關。 1.1.2 本工廠負荷性質 本廠除空壓站，煤氣站部分設備為二級負荷外，其余均為三級負荷。關于負荷性質，按GB50052-5供配電系統(tǒng)設計規(guī)范規(guī)定，根據(jù)電力負荷對供電可靠性的要求及中斷供電在政治經濟上所造成的損失或影響程度，電力負荷分為以下三級： 一級負荷 中斷供電將造成人身傷亡者；中斷供電將在政治上，經濟上造成重大損失，例如重要的交通樞紐，重要通信樞紐，重要賓館，大型的體 育場，經常用與國際活動的大量人員集中的公共場合等用電單位中重要的電力負荷。在一級負荷中，當中斷將發(fā)生中毒，爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要的場所的不允許中斷供電的負荷，應重視為特別重要的負荷。 二級負荷 中斷供電將在政治，經濟上造成較大損失者，例如主要設備損壞，大量產品報廢，連續(xù)生產過程被打亂需較長時間才能恢復，重點企業(yè)大量減產等；中斷供電將影響重要用電單位的正常工作者，例如交通樞紐，用電樞紐，通信樞紐等用電單位中重要的電力負荷以及中斷供電造成大型影劇院，大型商場等較多人員集中的公共場所秩序混亂者。 三級負荷 不屬于一級負荷和二級負荷的電力負荷。 本機械廠為機械制造工廠，所以要求用兩回路供電，供電變壓器也應有兩太（這兩臺變壓器不一定在同一變壓所）。在其中一回路或一臺變壓器發(fā)生故障時，不至于斷電。 1.1.3 工廠供電系統(tǒng)總述 工廠供電系統(tǒng)是由工廠總降壓變電所（高壓變電所），高壓配電線路，車間變電所，低壓配電線路及用電設備組成。一般中型工廠的電源是 610kV。電能先經高壓配電所，有高壓配電線路將電能分送至各個車間變電所。車間變電所內裝設有電力變壓器，將 610kV 的高壓降為一般低壓用電設備所需的電壓 ，通常降為 220/380V（ 220V 為三相電路相電壓， 380V 為其線電壓）。如果工廠有 610kV 的高壓用電設備，則由高壓配電所直接對其配電。 圖是一個比較典型的中型工廠供電的簡圖。該簡圖只用一根線來表示三相線路，即繪成單線圖的形式，而且該圖除母線分段開關和低壓聯(lián)絡線上裝設的開關外未繪出其他開關電器。 3 從上圖可看出，該廠是典型的“單母線分段制”。在任一電源進線發(fā)生故障或進行檢修而被切除后，可以利用閉合母線分段開關，由另一條電源進線對整個配電所（特別是其中的重要負荷）進行配電，從而提高了供電的可靠性。 這類接線的配電所通常的運行方式是；母線分段開關閉合，整個配電所由一條電源進線作為備用。工作電源通常來自公共電網(wǎng)（電力系統(tǒng)）。而備用電源通常通過聯(lián)絡線來自鄰近單位的變，配電所。 上圖所示高壓配電所有四條高壓配電出線，供電給三個車間變電所，其中 1 車間變電所和 3號車間變電所各裝有一臺配電變壓器，而 2 號車間變電所裝有 兩臺，并分別有兩段母線供電，其低壓側有采用單母線分段制，因此對重要的低壓用電設備可由兩段母線交叉供電，各車間變電所的低壓側，均設有低壓聯(lián)絡線相互連接，以提高供電系統(tǒng)運行的可靠性和靈活性。此外，該高壓配電所還有一條高壓配電線，直接供給一組高壓電動機；另有一條高壓線，直接與一組高壓并聯(lián)電容器相連。 3 號車間變電所低壓母線上也連接一組低壓并聯(lián)電容器。這些并聯(lián)電容器都是用來補償無功功率提高功率因數(shù)的。 4 對于大型工廠及某些進線電壓為 35kV 幾以上的中型工廠，通常經過兩次降壓，也就是電源進廠以后，先經總電壓變電所，其中裝有較大容量的電力變壓器，將 35kV 及以上的電源電壓降為 610kV 的配電電壓，然后通過 610kV 高壓配電線將電能送到各個車間變電所，也有的經高壓配電所在送到車間變電所，最后經車間變電所的配 電變壓器降為一般低壓設備所需的電壓。其系統(tǒng)簡圖如下圖所示。 有的 35kV 進線的工廠，只經一次降壓，既 35kV 線路直接引入靠近負荷中心的車間變電所，經車間變電所的變壓器直接降為低壓用電設備所需的電壓，如圖所示。這種供電方式，稱為高壓深入負荷中心的直配方式。這種直配方式，可省去一級中間變壓，從而簡化的供電系統(tǒng)，節(jié)約的有色金屬，降低電能損耗和電壓損耗，提高供電質量。然而這要根據(jù)廠區(qū)的環(huán)境條件是否滿足 35kV架空線路深入負荷中心的“安全走廊”而定，否則不宜采用，以確保供電安全。 5 由以上分析可知，配電所的任務 是接受電能和分配電能，不改變電壓，而變電所的任務是接受電能，變換電壓和分配電能。以上所講變，配電所中的母線，有稱匯流線，其任務是匯集電能和分配電能。以上所講的工廠供電系統(tǒng)，是指從電源進線進廠起到高低壓用電設備進線端止的整個電路系統(tǒng)，包括廠內的變，配電所和所有高低壓配電線路。 1.1.4 計算機輔助設計 (CAD)在供電系統(tǒng)中的應用 計算機輔助設計 (CAD)已應用于供電系統(tǒng)，并取得一些可喜成果 . 用 CAD 技術進行系統(tǒng)分析，并應用于實踐，旨在推動 CAD 技術在工業(yè)等各個領域中的應用 . 1 供電 CAD 系統(tǒng)的分析 供電系統(tǒng) CAD，目前主要用來進行各種參數(shù)計算，方案的比較確定，裝置、設備的選擇，繪圖及數(shù)據(jù)處理等 .因此，從用戶的角度來看，作為一個滿意的供電的 CAD 系統(tǒng)，一般應該有以下的性能品質 . 1、靈活性即具有各種靈活的輸人方式和輸出方式，以滿足用戶的要求 . 2、交互性即具有最方便的人機對話功能，對話簡單易行，使不同水平的用戶易于掌握應用 . 3、可靠性即系統(tǒng)工作的不間斷性 . 4、可擴展性即系統(tǒng)能較容易地進行功能的擴充和完善 5、可維護性即系統(tǒng)運行中維護方便，操作簡便等 . 1.1.5 工廠配電電壓的選擇 （一）工廠供電的選擇 工廠供電電壓的選擇，主要取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的供電電壓等級，同時也要考慮工廠用電設備的電壓，容量和供電距離等因素。由于同樣的配送功率和輸送距離條件下，配電電壓越高，線路電流越小，因而線路采用的導線或電纜截面越小，從而可以減少線路的初投資和有色金屬消耗量且可減少線路的電能損耗的電壓損耗。下表示出各級電壓線路合理的輸送功率和輸送距離，供參考。 表：各級電力線路合理的輸送功率和輸送距離 線路電壓 線路結構 輸出功率 /kW 輸出距離 /km 0.38 架空線 100 0.25 0.38 電纜線 175 0.35 6 架空線 1000 10 6 電纜線 3000 8 10 架空線 2000 620 10 電纜線 5000 10 35 架空線 200010000 2050 66 架空線 350030000 30100 110 架空線 1000050000 50150 220 架空線 100000500000 100300 6 （二）工廠高壓配電電壓的選擇 工廠高壓配電電壓的選擇，主要取決于工廠高壓用電設備的電壓及其 容量，數(shù)量等因素。工廠采用的高壓配電電壓通常為 10kV。如果工廠擁有相當數(shù)量的 6kV 用電設備，或者供電電源電壓就是 6kV，則可考慮采用 6kV 電壓作為工廠的高壓配電電壓。如果不是上述情況， 6kV 用電設備數(shù)量不多，則應選擇 10kV 作為工廠的高壓配電電壓，而 6kV 高壓設備則可通過專用的 10/6 3kV的變壓器單獨供電。 如果當?shù)氐碾娫措妷簽?35kV，而廠區(qū)環(huán)境條件又允許采用 35kV 架空線路和較經濟的 35kV設備時，則可考慮采用 35kV 作為高壓配電電壓深入工廠各車間負荷中心，并經車間變電所直接降為低壓用電設備所需的 電壓。這種高壓深入負荷中心的直配方式，可以省去一級中間變壓，大大簡化供電系統(tǒng)接線，節(jié)約有色金屬，降低電能損耗和電壓損耗，提高供電質量，因此有一定的推廣價值。但必須考慮廠區(qū)要有滿足 35kV 架空線路深入負荷中心的“安全走廊”，以確保安全。 （三）工廠低壓配電電壓的選擇 工廠的低壓配電電壓，一般采用 220/380V，其中線電壓 380V 接三相動力設備和 380V 的單相設備，相電壓 220V 接一般照明燈具和其他 220V 的單相設備。但某些場合宜采用 660V 甚至更高的 1140V 作為低壓配電電壓。例如礦井下，由于負荷中心往往離 變電所較遠，因此為保證負荷端的電壓水平而采用比 380V 更高的電壓配電。采用 660V 或 1140V（只用于礦井下）電壓配電，較之采用 380V 配電，不僅可以減少線路的電壓損耗，提高負荷端的電壓水平，而且能減少線路的電能損耗，降低線路的有色金屬消耗量和初投資，增大配電范圍，提高供電能力，減少變電點，簡化供配電系統(tǒng)。因此提高低壓配電電壓有明顯的經濟效益，是節(jié)電的有效措施之一，這在世界各國已成為發(fā)展的趨勢。但是將 380V 升高為 660V，需電器制造部門全面配合。我國現(xiàn)在采用 660V電壓的工業(yè)，尚只限于采礦，石油和化工等少 數(shù)部門。至于 220V 電壓，現(xiàn)在規(guī)定不作為低壓三相配電電壓，而只作為單相配電電壓和單相用電設備的額定電壓。 1.1.6 ABC法簡述 我國工廠設計工作者提出 ABC法求計算負荷，其特點是： 1 運用概率論的基本原則找出計算負荷與設備容量之間的關系； 2 利用單元功率的概念和 AB列表法，將繁雜的功率運算簡化為臺數(shù)的運算，使運算簡單準確，適宜工廠設計利用。 利用 ABC求計算負荷的公式為 7 30 ( 2 )dP D K A C A B 式子中 D 單臺等值 功率（ kW）， D 可取任意值，一般取 D=3kW； dK 該組用電設備的利用系數(shù) A=1miii nKB=1 1 2 3 . . . ( 1 ) m iiiKn ABC法也把計算負荷看作是平均負荷 P 與計算負荷對平均負荷參差值的疊加，但它對這個參差值的估算，是由設備的容量總平方和的方根 21miii np表征的，該方根隨設備臺數(shù) N 和設備的容量 P 而變化，容量值越大，對 方根的影響越大，如一臺 100kW 的設備，就相當于 3KW 的設備 1100 臺，這一點是符合負荷變化的實際的。 ABC法適用于連續(xù)工作制，短時，反復短時工作制類設備，只要一組設備的利用系數(shù)明確，就可方便的確定它的計算負荷 P，與此同時，還可得出平均功率，有效功率，前者可用來計算電能需要和確定功率因數(shù)補償裝置等。后者可用來計算電能損耗。整個運算可在一次列表中完成。通過所列表格，可以求出車間主干線，變電所，配電所，全嘗等各級配電點的負荷，各級運算中不必乘以同期系數(shù)，計算本身也和方便，只需對設備臺數(shù)進行簡單的加法，不牽 涉到設備容量的繁瑣計算，因而節(jié)約了時間。 ABC法的另一特點，就是它的基本計算系數(shù)是最大負荷班的平均系數(shù)，該系數(shù)的數(shù)值確定，易于通過實測取得，因而使本方法具有使用價值。 第二章 設計的基礎材料及方案論證 2.1.1 設計總基礎資料 （ 1）廠區(qū)平面布置圖 8 倉 庫倉 庫鍛 工 車 間三 車 間鍋爐房空氣站倉 庫一 車 間二 車 間工 具 機 修3 5 k V電 源 進 線1 0 k V備 用 電 源 進 線煤 氣 站表：本廠產品及單耗 產品類型 單位 數(shù)量（套） 單位重量 （ kg/套） 每公斤重耗電量kwh/kg 耗電量 （ kwh） 特大型 中型 小型 共計 套 套 套 5000 20萬 10萬 200 20 0.5 1 5 10 100 萬 2000 萬 50 萬 2150 萬 （ 2）負荷類型及大小 配電計點名稱 設備臺數(shù) n 設備容量 /kw 計算有功功率 /kw 計算無功功率 /kw 計算視在功率 kw 計算電流 /A 一車間 70 1419 470 183 506 770 二車間 177 2223 612 416 744 1130 三車間 37 1755 920 276 957 1452 工具 ,機修車間 81 1289 496 129 510 775 空氣站煤氣站 45 1266 854 168 872 1374 全廠總負荷 604 10463 4087 1659 4485 6811 配電計點名稱 功率因數(shù)cos tg 平均有功功率 kw 平均無功功率/kvar 有功功率損耗 /kw 無功功率損耗 /kw 變壓器容量 /(kv A) 一車間 0.93 0.39 354 138 10 50 630 二車間 0.82 0.68 512 348 15 74 800 9 三車間 0.96 0.3 632 190 19 96 1000 工具 ,機修車間 0.92 0.26 400 104 10 51 630 空氣站煤氣站 0.98 0.5 633 125 17 87 1000 全廠總負荷 3159 1325 89 447.6 5000 本廠除動力站，房部分設備為二級負荷外，其余均為三級負荷 （ 3）工廠為二班制 全年工廠工作小時數(shù)為 4500 小時，最大負荷利用小時數(shù)： Tmax=4000小時。年耗電量約為 2015 萬 kWh（有效生產時間為 10 個月） （ 4）電源 工廠東北方向 6 公里處有新建地區(qū)降壓變電所， 110/35/10kV， 1 25MVA 變壓器一臺作為工廠的主電源，允許用 35kV 或 10kV 中的 一種電壓，以一回架空線向工廠供電。 35kV廁系統(tǒng)的最大三相短路容量為 1000MV A，最小三相短路容量為 500 MV A。 備用電源 此外，由正北方向其他工廠引入 10kV 電纜作為備用電源，平時不準投入，只在該工廠主電源發(fā)生故障或檢修時提供照明及部分重要負荷用電，輸送容量不得超過全廠計算負荷的20%。 （ 5）功率因數(shù) 供電部門對功率因數(shù)的要求為當以 35kV 供電時， cos 0.85。 （ 6）電價計算 供電部門實行兩部電價制。 1 基本電價：按變壓器安裝容量每 1kV A， 6 元 /月計費； 2 電度電價：供電電壓為 35kV 時， =0.5 元 /（ kWh）；供電電壓為 10kV 時， =0.55 元（ kWh）。附加投資：線路的功率損失在發(fā)電廠引起的附加投資按 1000 元 /kW 計算 （ 7）工廠的自然條件 本廠所在地區(qū)年最高氣溫為 38Co ，年平均溫度為 23Co ，年最低氣溫為 -8Co ，年最熱月最高氣溫為 33Co ，年最熱月平均氣溫為 36Co ，年最熱月地下 0.8m 處平均溫度為 35Co 。當?shù)刂鲗эL向為東北風，年雷暴日數(shù)為 20。本廠所在地區(qū)平均海拔高度為500m，地層以砂粘土為主，地下水位為 2m。 2.1.2 供電方案論證 由于本地區(qū)僅能提供 35kV 或 10kV 中的一種電壓，所以將兩種電壓的優(yōu)缺點扼要分析如下： （一） 35KV 與 10KV 供電特點 方案一：采用 35kV 電壓供電的特點 1 供電電壓較高，線路的功率損耗及電能損耗小，年運行費用低； 2 電 壓損失小，調壓問題容易解決； 3 對 cos 的要求較低，可以減少提高功率因數(shù)補償設備的投資； 10 4 需建設總降壓變電所，工廠供電設備便于集中控制管理，易于實現(xiàn)自動化，但要多占一定的土地面積； 5 根據(jù)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 35kV 架空線路的故障比 10kV 架空線路的故障低一半，因而供電的可靠性高； 6 有利于工廠的進一步擴展 方案二：采用 10kV 電壓供電的特點 1 不需要投資建設工廠總降壓變電所，并少占土地面積； 2 工廠內不裝設主變壓器，可簡化接線，便于運行操作； 3 減輕維護工作量，減少管理人員； 4 供電電壓較 35kV 低，會增加 線路的功率損耗和電能損耗，線路的電壓損失也會增大 5 要求 cos 的值高，要增加補償設備的投資 6 線路的故障比 35kV 的高，即供電可靠性不如 35kV。 （二）經濟技術指標的比較 方案一：正常運行時以 35kV 單回路架空線供電，由鄰廠 10kV 電纜線路作為備用電源。根據(jù)全廠計算負荷情況， S30=4485kV A，而只有少數(shù)的負荷為二級負荷，大多數(shù)為三級負荷，故擬廠內總降壓變電所裝設一臺容量為 5000 kV A 的變壓器，型號為 SJL1-5000/35 型，電壓為 35/10kV，查產品樣本，其有關技術參數(shù)為： P0=6.9kW, Pk=45KW,UK%=7,I0%=1.1 變壓器的功率損耗為 : 有功功率損耗為： PT P0+ P（NSS30 ）2= 6.9+45 (44855000)2=43.1kW 無功功率損耗為： QT Q0+ QN（NSS30 ）2= SN100%OI+100%KU(NSS30 ）2 = 21 . 1 7 4 4 8 55 0 0 0 ( ) 3 3 6 . 6 v a r1 0 0 1 0 0 5 0 0 0 k 35kV 線路功率等于全廠計算負荷與變壓器功率損耗之和。 P 30=P30+ PT=4087+43.1=4130.1kV Q 30=Q30+ QT=1659+336.6=1995.6kV 2 23 0 3 0 3 0S P Q= 224 1 3 0 . 1 1 9 9 5 . 6 4 5 8 7 v a rk 11 cos .= P 30/ S 30 = 4130.1 0.904587 I 30= S 30/ 3 UN= 4 5 8 7 / 3 3 5 7 5 . 6 7 A 考慮本廠負荷的增長是逐漸的，為了節(jié)約有色金屬消耗量，按允許發(fā)熱條件選擇導線截面，而未采用經濟電流密度選擇導線截面。查有關手冊或產品樣本，選擇鋼芯鋁鉸線 LGJ-35 ，起允許電流為 170A I 30=75.67A 滿足要求。該導線單位長度電阻 R0=0.85 /km ,單位長度電抗 X0 = 0.36 /km。 查有關設計手冊，經過計算， 35kV 供電的投資費 用 Z1見表，年運行費用 F1見表 表 35kV 的投資費用 項 目 說 明 單價（萬元） 數(shù) 量 費用（萬元） 線路綜合投資 LGJ-35 1.2萬元 /km 6km 7.2 變壓器綜合投資 SJL-5000/35 10 萬 1 臺 10 35kV 斷路器 SW2-35/1000 2.1 萬 1 臺 2.8 避雷器及電壓互感 JDJJ-35+FZ-35 0.9 萬 各 1臺 1.3 附加投資 230 03 TI R l P1000