1、浙工大09电气金永林本科毕业设计单片机自动恒温控制系统电路设计摘 要本文对某重型机器厂供电系统的供配电情况进行相关的研究和设计,其负荷中既有一级负荷,也存在二、三级负荷,针对不同的负荷,供电系统需要有不同的供电方式,设计按要求对其全场负荷进行了计算并合理的选择了主变压器,采用了单母线、桥式接线等多种主接线方式,综合各方面的要求,按照电气设备的一般选择原则和主要电气设备的具体选择和校验方法,对电气设备以及导线、电缆的选择进行了深层次的讨论,较好的完成了预定的任务。 工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,结合国家供电情况.解决对各部门的
2、安全可靠,经济技术的分配电能问题。其基本内容有以下几方面:进线电压的选择, 变配电所位置的电气设计, 短路电流的计算及保护, 电气设备的选择,车间变电所位置和变压器数量、容量的选择, 车间照明设计等。关键词:供电系统 变压器 负荷 照明设计 目录 任务书.1 摘要 .2 第一章 原始资料 . .3 1.1 设计原始资料 . 3 第二章 负荷的计算及无功功率的补偿 .3 2.1 计算负荷的定义、意义及目的 .3 2.2用电设备的计算负荷 .3 2.3变电所低压母线上的负荷计算 .6 2.4无功功率的补偿计算 .7 2.5变电所中变压器台数与容量的选择 . .7 2.5.1.主变压器台数时应考虑下
3、列原则.8 2.5.2 所主电压器容量的选择.8 第三章 全厂供电系统草图 .9 3.1电气主接线概述 .9 3.2变电所中电气主接线的作用 .9 3.3全厂供电系统草图 . .9 3.4短路电流计算 .11 3.4.1短路的基本概念 .11 3.4.2短路电流计算得目的与基本方法 .12 第四章 35KV、6KV供电线路的选择 . .22 4.1导线和电缆截面的选择方法 .22 4.2 35KV架空线上的设备选择 .22 4.2.1断路器.23 4.2.2隔离开关.23 4.2.3避雷器.23 4.2.4电压互感器.24 4.2.5熔断器.24 第五章 室内供电及照明线路的选择 .25 5.
4、1电压的选择 .25 5.2照度计算 . .25 5.3光电源类型的选择 . .27 5.4灯具的布置 .28 5.5负荷计算 .29 5.6电气设备与管线的选择 .29 5.7电气照明相关图纸 .31 致谢 .34 参考文献 .35 第一章 原始资料及任务书 设计原始资料 该厂为大型国有企业,下属九个车间、两个站,各车间、站用电设备安装容量见表1-1,其中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷,其他为二、三级负荷。供电电源取自20KM 处一110/35KV变电所 35KV 的两段母线,母线最大运行方式、最小运行方式短路容量分别为Skmax=215MVA 和Skmin=150MVA,35KV
5、 架空进线继电保护时间为1.5S,35KV电气设备及主变压器采用户外布置,6KV为成套高压开关柜采用户内布置,厂变电所35KV采用内桥接线,6KV采用单母线分段接线,一级负荷分别从6KV两段母线配出两回线路,其余为单回路供电。该地区年最高气温38。 表1-1 全厂各车间负荷情况汇总表 序号负荷名称 安装容量(KW)Kdcos供电距离(KM)1金工车间1140.790.820.82铸钢车间 57750.710.810.63铸铁车间4820.830.830.424水压机车间 18860.700.850.755冷作车间5850.650.790.936附件车间1640.550.800.87热处理车间4
6、760.630.750.988铸件清理车间4750.590.820.529机修车间1540.520.771.1510煤气站12880.800.841.2211氧气站 10830.840.860.92第二章 负荷的计算及无功功率的补偿2.1计算负荷的定义、意义及目的 计算负荷是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷,其物理含义是计算负荷所产生的恒定温升等于实际变化负荷长生的最高温升。 供配电系统要在正常条件下可靠地运行,则其中每个元件都必须选择得当,除了应该满足工作电压和频率的要求外,最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此,有必要对供电系统各个环节的电力负荷进行统计计算。 计算负荷是进行供电系统设
7、计,选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据,也是整定继电保护的重要数据。计算负荷的计算是否准确合理,直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济、合理。如果计算负荷偏大,则使电器和导线截面选择偏大,造成投资和有色金属的浪费;如果计算负荷偏小,则使电器和导线处于过负荷下运行,增加电能损耗,产生过热,导致绝缘过早老化,甚至烧毁,以致发生事故,同样给国家造成经济损失。因此,计算负荷意义重大,是供电设计的前提,也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。2.2用电设备的计算负荷负荷计算的常用方法有需要系数法、二项式法、和利用系数法。需要系数法因为比较简便因而广泛使用,用电设备少而功率相差大时,计算
8、结果一般偏小,故不能适用于低压配电线路的计算,而适用于计算变、配电所的负荷。二项式法也比较简便,它考虑了数台大功率设备工作时对负荷影响的附加功率,但一般计算结果偏大,适用于低压配电支干线的计算。利用需要系数法便可方便准确的计算出各个负荷的计 算容量和计算电流等数值。 需要系数法用到的公式有:Pca.1=kd Pn (式2-1) Tan=sin / cos=(1-cos2) / cos (式2-2) Qca.1=Pca Tan (式2-3)Sca.1=Pca.12 +Qca.12 (式2-4) Ica.1=Sca.1 / 3UN (式2-5) 式中Pca.1 表示用电设备组的有功计算负荷 Qca
9、.1 表示用电设备组的无功计算负荷 Sca.1 表示用电设备组的视在计算负荷 Ica.1 表示计算电流, kd表示用电设备组的需要系数 Pn 表示用电设备组的额定容量之和 是用电设备组的功率因数角 UN 表示设备组的额定功率下面开始计算:金工车间Pca.1=kd Pn = Tan=sin / cos=(1-cos2) / cos = Qca.1=Pca Tan = Sca.1=Pca.12 +Qca.12 = Ica.1=Sca.1 / 3UN =铸钢车间 Pca.2=kd Pn = Tan=sin / cos=(1-cos2) / cos = Qca.2=Pca Tan = Sca.2=Pc
10、a.22 +Qca22 = Ica.2=Sca.2 / 3UN = 铸铁车间 Pca.3=kd Pn = Tan=sin / cos=(1-cos2) / cos = Qca.3=Pca Tan = Sca.3=Pca.32 +Qca32 = Ica3=Sca.3 / 3UN =按同样的方法,我们对其余车间(包括水压机车间、冷却车间、附件车间、热处理车间、铸件清理车间、机修车间、煤气站、氧气站)进行相关计算,并将所有计算出的数据,总结填入表2-1中。序号负荷名称 Tan有功功率KW无功功率KVAR视在功率KVA计算电流KA1金工车间2铸钢车间 3铸铁车间4水压机车间 5冷作车间6附件车间7热处
11、理车间8铸件清理车间9机修车间10煤气站11氧气站 2.3变所低压母线上的负荷计算 计算变电所低压母线上的计算负荷,亦采用同样的方法,即将车间各用电设备组计算负荷相加后,乘以最大负荷同时系数,使得车间变电所低压母线上的计算负荷,其计算公式如下: 总有功计算负荷: P=KPca.n (式2-6) 总无功计算负荷: Q=KQca.n (式2-7) 总视在功率 S=Pca2 +Qca2 (式2-8)式中 P、Q、S分别为车间变电所低压母线上的有、无功及视在计算负荷;Pca.n 、Qca.n 表示各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和; 表示最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组最大计算负荷不会同时出
12、现而引入的 系数。 表2-1中我们已经求出各个车间的有功、无功和视在计算负荷,根据所给的条件查表得K = 0.9 ,下面我们进行计算: P=KPca.n = Q=KQca.n = S=Pca2 +Qca2 = 总功率因数cos=Pca.n /Qca.n =2.4无功功率的补偿计算工厂电力供应在设计阶段要根据设计计算的功率因数和供电局指定的功率因数提出为提高功率因数所用的补偿装置类型和容量。100kVA 及以上高压供电的用户,功率因数为0.90 以上,凡功率因数未达到上述规定的,应增添无功补偿装置,通常采用并联电容器进行补偿。并联电容器补偿即用静电电容器作无功补偿以提高功率因数,电力电容器的补偿
13、容量Qc = Pca(tan1 -tan2)式中,Pca表示最大有功计算负荷 tan1表示补偿前的平均功率因数角的正切值。 即Tan1=sin1 / cos1=(1-cos12) / cos1 = 针对任务要求,我们令补偿后的cos2 = 0.95 即Tan2=sin2 / cos2=(1-cos22) / cos2 =Qc = Pca(tan1 -tan2) =由并联电容器容量,我们选取电容型号为:BWF6.3-100-1W,其额定容量为100kvar,按要求我们需选取24 台该型号的并联电容器,每相装 8 台,此时的实际补偿容量为24100=2400kvar。 2.5变电所中变压器台数与容
14、量的选择2.5.1.主变压器台数时应考虑下列原则。(1)应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所,应采用两台变压器,以便当一台变压器发生故障或检修时,另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所,也可以只采用一台变压器,但必须在低压侧敷设与其他变电所相连的联络线作为备用电源,或另有自备电源。(2)对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所,也可考虑采用两台变压器。(3)除上述两种情况外,一般车间变电所宜采用一台变压器。但是负荷集中且容量相当大的变电所,虽为三级负荷,也可以采用两台或多台变压器。(4)在确定变电所主变压器台数时,应
15、适当考虑负荷的发展,留有一定的余地。在本次设计中,水压机、铸钢车间、煤气、氧气站四个车间为一级负荷,其他为二三级负荷,应采用两台变压器使变压器能对负荷持续不间断供电。 2.5.2所主电压器容量的选择 每台变压器的容量SN.T应同时满足以下两个条件: (1)任一台变压器单独运行时,宜满足总计算负荷S30的70%的需要。 (2)任一台变压器单独运行时,应满足全部一、二级负荷的需要。由2.4.3节计算的结果,总视在计算负荷为9560.79KVA,根据所给参数,查阅相关资料,选定的变压器型号为:S9-12500/35(2 台),其性能参数见表2-2 表2-2 S9-12500/35电力变压器性能参数型
16、号额定容量KVA额定电压阻抗电压百分数连接组损耗KW空载电流百分数高压低压空载短路第三章 全厂供电系统草图3.1电气主接线概述 电气主接线是指变电所中的一次设备按照设计要求连接起来,表示接受和分配电能的电路,也称为主电路。电气主接线中的设备用标准的图形符号和文字符号表示的电路图称为电气主接线图。因为三相交流电气设备的每相结构一般是相同的,所以电气主接线图一般绘成单线图,只是在局部需要表明三相电路不对称连接时,才将局部绘制成三线图;电气主接线对变电所以及电力系统的安全、可靠和经济的运行起着重要作用。因此,对变配电所主接线有着安全、可靠、灵活、经济的基本要求。3.2变电所中电气主接线的作用 1.电
17、气主接线是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据,因此电气运行人员必须熟悉变电所中电气主接线,了解电路中各种设备的用途、性能及维护检查项目和运行操作步骤等。 2.电气主接线表明了变压器、断路器和线路等电气设备的数量、规格、连接方式及可能的运行方式。电气主接线直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定。是变电所电器部分投资大小的决定性因素。 3.由于电能生产的特点是:发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的,所以主接线的好坏直接关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行,也直接影响到工农业生产和人民生活。 所以电气主接线拟订是一个综合性问题,必须在国家有关技术经
18、济政策的前提下,力争使其技术先进,经济合理,安全可靠。 3.3全厂供电系统草图 根据设计要求,变电所装有两台主变压器,且一次侧采用内桥接线,二次侧采用单母线分段接线,其主接线图如图3-1所示。 工厂中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷,其余为二三级负荷。一级负荷由于其涉及到人身安全和重要经济部门,所以对一级负荷的供电必须采用双回路,此处先从单母分段的 6kV 线路的两段母线分别向负荷供电,以保证一类负荷不会断电。二、三级负荷不需要不间断供电,因此,只需从6kV 母线的一段上引出进线即可,但需将各个负荷较为均匀的分配在两段母线上。 图3-1采用内桥式接线的总降压变电所主接线图 设计采用内桥
19、式结线的总降变电所主接线,这种主接线,其一次侧的高压断路器QF3跨接在两路电源进线之间,犹如一架桥梁,而且处在线路断路器 QF1 和 QF2的内侧,靠近变压器,因此称为内桥式接线。这种主接线的运行灵活性较好,供电可靠性较高,适用一、二级负荷的工厂。 如果某路电源例如 WL1线路停电检修或发生故障时,则断开QF1,投入 QF3(其两侧 QS先合),即可由WL2 恢复对变压器T1的供电。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、变压器不需经常切换的总降压变电所。3.4短路电流计算3.4.1短路的基本概念1.短路电流的原因 用户供配电系统要求安全、可靠、不间断地供电,以保证生
20、产和生活的需要。但是由于各种原因,系统难免出现故障,其中最严重的故障就是短路。所谓短路,是指供配电系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。短路发生的原因是多种多样的,主要有: (1)电气设备存在隐患,如设备的绝缘材料自然老化、绝缘材料机械损伤、设备缺陷未被发现和消除、设计安装有误等。 (2)运行、维护不当,如不遵守操作规程而发生误操作,技术水平低,管理不善等。 (3)自然灾害,如雷电过电压击穿设备绝缘,特大的洪水、大风、冰雪、地震等引起的线路倒杆、断线,鸟、老鼠及蛇等小动物跨越裸露的导体等。 2.短路的种类 在三相供电系统中,短路的种类主要有 4种: (1)三相短路,是指供电系统中三相
21、导线间发生对称性的短路,用k(3)表示。(2)两相短路,是指三相供电系统中任意两相间发生的短路,用k(2)表示。(3)单相短路,是指供电系统中任一相经大地与电源中性点发生短路 。(4)两相接地短路,两相接地短路是指中性点不接地的电力系统中两不同相的单相接地所形成的相间短路,用k(1.1)表示。;也指两相短路又接地的情况. 上述的三相短路,属对称性短路;其他形式的短路,都属不对称短路。电力系统中发生单相短路的可能性最大,而发生三相短路的可能性最小。从短路电流大小来看,一般三相短路的短路电流值最大,造成的危害也最严重;而两相短路的短路电流值最小。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可
22、靠地工作,因此作为选择校验电气设备用的短路电流采用系统最大运行方式下的三相短路电流。而在继电保护(如过电流保护)的灵敏度计算中,则采用系统最小运行方式下的两相短路电流。3.4.2短路电流计算得目的与基本方法短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备,以及进行继电保护装置的整定计算。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。对于工厂供电系统来说,常将电力系统当作无限大容量电源。常用的计算方法有欧姆法(有称有名单位制法)和标幺制法(又称相对单位制法)。在本设计中取三个短路点,分别是:主变压器高压侧,变压器低压侧以及6KV线路末端。计算方法采用标幺制法,取,电缆,架
23、空线一、最大运行方式。最大运行方式就是两台变压器同时工作,母联断开时的工作方式。其阻抗图3.2示:图3.2电路中各主要元件的电抗标幺值如下:电源内阻S: 线路L1,L2: 变压器T1,T2: 金工车间: 铸钢车间: 其余车间的算法一样,见表3.2。表3.2 车间电抗标值统计表序号负荷名称供电距离(KM)电抗标值1金工车间0.80.1612铸钢车间0.60.1213铸铁车间0.420.0854水压机车间0.750.1515冷作车间0.930.1876附件车间0.80.1617热处理车间0.980.1988铸件清理车间0.520.1059机修车间1.150.23210煤气站1.220.24611氧
24、气站0.950.1911.K1点发生短路时的短路电流基准电流:总电抗:短路电流次暂态值:短路冲击电流值:暂态短路功率:2K2点发生短路时的短路电流基准电流:总电抗:短路电流次暂态值:短路冲击电流值:暂态短路功率:3K3点发生短路时的短路电流基准电流:金工车间:总电抗:短路电流次暂态值:短路冲击电流值:暂态短路功率:其他车间的计算方法一样,见表3.3.表3.3 最大运行方式各车间短路电流统计表序号负荷名称1金工车间7.78719.85784.9712铸钢车间8.51021.70092.8553铸铁车间8.32721.23390.8594水压机车间8.39721.41291.6215冷作车间7.6
25、1619.42083.0986附件车间7.78519.85284.9487热处理车间7.55219.25882.4088铸件清理车间8.17720.85289.2259机修车间7.34518.73080.14510煤气站8.04720.51987.80111氧气站8.24621.02689.973二、最小运行方式最小运行方式就是一台变压器工作,另一台备用,母联闭合,且一级负荷一路供电时的工作方式。其阻抗图如图3.4所示:图3.4电路中各主要元件的电抗标幺值除电源内阻不一样外,其余的同最大运行方式时一样,这里不再计算电源内阻S: 1K1点发生短路时的短路电流基准电流:总电抗:短路电流次暂态值:两
26、相短路电流:2K2点发生短路时的短路电流基准电流:总电抗:短路电流次暂态值:两相短路电流:3K3点发生短路时的短路电流基准电流:金工车间:总电抗:短路电流次暂态值:两相短路电流:其他车间的计算方法一样,见表3.5表3.5 最小运行方式各车间短路电流统计表序号负荷名称1金工车间4.7514.1142铸钢车间5.0944.4123铸铁车间5.1944.4984水压机车间5.0144.3425冷作车间4.9214.2626附件车间4.9884.3207热处理车间4.8964.2408铸件清理车间5.1384.4509机修车间4.8124.16710煤气站4.7784.13811氧气站4.9114.2
27、53第四章 35KV、6KV供电线路的选择4.1导线和电缆截面的选择方法为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行对导线和电缆截面进行选择时其选择方法如下: 在本设计中为了保证导线和电流选择的可靠安全和经济我们分别对架空线按允许载流量、允许电压损失、经济电流密度、机械强度进行计算选出截面积最大值为架空线的截面积。对电缆按允许载流量、允许电压损失、经济电流密度、热稳定性进行计算选出截面积最大值为电缆的截面积。 从经济和技术方面考虑由于35KV电压等级较高输电距离较长选择架空线6KV电压等级低输电距离较短选择电缆且地中直埋。一、35KV架空线选择1、按允许载流量选择35KV架空线上流过的计算电流
28、为:选择LGJ-50型钢芯铝绞线,25时,其允许载流量为220A,当环境温度为38时,其允许载流量所以,满足要求。2、按允许电压损失选择35KV架空线的允许电压损失5%,供电距离12km,初设。则:选择LGJ-95型钢芯铝绞线,若架空线的几何均距为2500mm,则其单位长度阻抗分别为:实际的电压损失为:所以满足要求。3、按经济电流密度选择35KV架空线上流过的计算电流为:由于为大型国有企业,其年最大负荷利用小时数在5000以上,且选用裸铝导线,则其经济电流密度。所以选择LGJ-185型钢芯铝绞线。4、按机械强度选择 由于35KV架空线采用钢芯铝绞线,所以在满足机械强度的条件其最小截面积为:所以
29、在同时满足以上四个要求的条件下,选择35KV架空线的型号为:LGJ-185。架空线的几何均距为2500mm,其单位长度阻抗分别为:则35KV架空线的线路损耗为:二、6KV电缆的选择 6KV电缆的铺设方式选择地中直埋,于该地区年最高温度为38,则其地中的温度大约为15.金工车间的电缆选择:1、按允许载流量选择金工车间电缆上流过的计算电流为: 此选择截面积为35mm2的聚氯乙烯绝缘及护套电力电缆。其15地中直埋时的允许载流量为:,满足要求。2、按允许电压损失选择6KV电缆的允许电压损失为5%,供电距离0.8km,初设。则:选择截面积为16mm2的聚氯乙烯绝缘及护套电力电缆,其单位长度阻抗分别为:实
30、际的电压损失为:所以满足要求。3、按经济电流密度选择该车间电缆上流过的计算电流为:由于为大型国有企业,其年最大负荷利用小时数在5000以上,且铝电缆,则其经济电流密度。所以选择截面积为16mm2的聚氯乙烯绝缘及护套电力电缆.4、按热稳定性选择聚氯乙烯绝缘及护套电力电缆铝线的热稳定系数C=100,短路电流的假想时间tima=1.0+0.2=1.2s,短路电流的稳态值则导线的最小允许截面:选择截面积为120mm2的聚氯乙烯绝缘及护套电力电缆.所以在同时满足以上四个要求的条件下,选择金工车间6KV电缆线是截面积为120mm2的聚氯乙烯绝缘及护套铝芯电力电缆。三、铸钢车间的电缆选择:按允许载流量选择铸
31、钢车间电缆上流过的计算电流为:选择截面积为180mm2的交联聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆。其15地中直埋时的允许载流量为:满足要求。1、校验电压损失6KV电缆的允许电压损失为5%,供电距离0.6km, 截面积为180mm2的交联聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电力电缆,其单位长度阻抗分别为:实际的电压损失为:所以满足要求。2、校验经济电流密度该车间电缆上流过的计算电流为:由于为大型国有企业,其年最大负荷利用小时数在5000以上,且铝电缆,则其经济电流密度。所以所以经济截面积和所选截面积相差不大,满足经济电流密度要求。3、校验热稳定性铝线的热稳定系数C=100,短路电流的假想时间tima=1.0
32、+0.2=1.2s,短路电流的稳态值则导线的最小允许截面:所以满足热稳定性的要求,其余车间电缆的选择同金工车间的选择一样,其余各车间的电缆选择见表5.1(除铸钢车间使用交联聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电力电缆外,其余都使用聚氯乙烯绝缘及护套铝芯电力电缆)。表4.1 各车间电缆选择统计表序号负荷名称截面积(mm2)1金工车间1202铸钢车间2403铸铁车间1204水压机车间1205冷作车间1206附件车间1207热处理车间1208铸件清理车间1209机修车间12010煤气站12011氧气站120120mm2的聚氯乙烯绝缘及护套铝芯电力电缆的单位长度阻抗分别为:180mm2的交联聚氯乙烯绝缘聚氯乙
33、烯护套铜芯电力电缆的单位长度阻抗分别为:由于其线路损耗损耗的计算方法和35KV的计算方法一样,这里不再叙述,见表4.2:表4.2 各车间线路损耗统计表序号负荷名称供电距离(KM)1金工车间0.88.082.342铸钢车间0.651.2535.023铸铁车间0.420.810.244水压机车间0.7515.084.375冷作车间0.931.800.526附件车间0.80.080.027热处理车间0.981.310.388铸件清理车间0.520.510.159机修车间1.150.100.0310煤气站1.2215.304.4411氧气站0.958.862.5712总计103.1850.084.2
34、35KV架空线上的设备选择4.2.1断路器由于35KV处的最高正常工作电流为,且户外布置。选择断路器为户外高压SF6断路器,型号是:LW-35/1600-25,其主要技术数据如下:额定工作电压(KV)额定工作电流(A)额定开端电流(KA)额定动稳定电流(KA)额定热稳定电流(KA)额定热稳定时间(S)3516002563254短路热稳定校验:短路电流的稳定值,短路电流的假想时间tima=1.5+0.2=1.7s,则: 所以,满足热稳定要求。短路动稳定校验: 由于短路电流的冲击值ish=6.207KA63KA,所以满足动稳定要求.开关设备断流能力校验: 由于该处三相短路电流的最大值是:所以满足开关设备断流