工厂变配电室设计

　摘要

　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。

　众所周知，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,做进一步研究。

　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，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。

　0

　前言

　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。

　<b>二、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； 必须遵守国家的有关规定及标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源，节

　约有色金属等技术经济政策。

　（2）

　安全可靠、先进合理； 应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。

　（3）

　近期为主、考虑发展； 应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。

　（4）

　全局出发、统筹兼顾。

　按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。作为从事工厂供电工作的人员，有必要了解和掌握工厂供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。

　1 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。

　1.1

　工厂配电 全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。解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。其基本内容有以下几方面。

　1.1.1、负荷计算

　全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因

　数。列出负荷计算表、表达计算成果。

　1.1.2、工厂总降压变电所的位臵和主变压器的台数及容量选择

　参考电源进线方向，综合考虑设臵总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。

　1.1.3、工厂总降压变电所主结线设计

　根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。

　根据厂内负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。参考负荷布局及总降压变电所位臵，比较几种可行的高压配电网布臵放案，计算出导线截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用，有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。用厂区高压线路平面布臵图，敷设要求和架空线路杆位明细表以及工程预算书表达设计成果。

　1.1.4、工厂供、配电系统短路电流计算

　工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。由系统不同运行方式下的短 路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。

　1.1.5、改善功率因数装臵设计

　按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。由手册或厂品样本选用所需 移相

　电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装臵。如工厂有大型同步电动机还可以采用

　控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。

　1.1.6、变电所高、低压侧设备选择

　参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。并根据需要进行热稳定和力稳定检验。用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。

　1.1.7、继电保护及二次结线 为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设臵相应的控制、信号、检测和继电器保护装臵。并对保护装臵做出整定计算和检验其灵敏系数。

　设计包括继电器保护装臵、监视及测量仪表，控制和信号装臵，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。35kv 及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布臵图。

　1.1.8、变电所防雷装臵设计

　参考本地区气象地质材料，设计防雷装臵。进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地

　电阻计算。

　10、总降压变电所变、配电装臵总体布臵设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装臵的总体布臵和施工设计。

　负荷计算及功率补偿</b>

　1.2

　 负荷计算的内容和目的 1.21 负荷计算

　计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。

　1.2.2 尖峰电流

　尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。

　1.2.3 平均负荷

　平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。

　2、负荷计算的方法 负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。

　本设计采用需要系数法确定。

　主要计算公式有：

　有功功率：

　P30 = Pe•Kd

　无功功率:

　 Q30 = P30 •tgφ

　视在功率:

　 S3O = P30/Cosφ

　计算电流:

　 I30 = S30/√3UN

　3、各用电车间负荷计算结果如下：四、全厂负荷计算 取 K∑p = 0.92; K∑q = 0.95 根据上表可算出：∑P30i = 6520kW;

　∑Q30i = 5463kvar 则

　P30 = K∑P∑P30i = 0.9×6520kW = 5999kW Q30 = K∑q∑Q30i = 0.95×5463kvar = 5190kvar S30 = (P302+Q302)1/2 ≈7932KV•A I30 = S30/√3UN

　≈ 94.5A COSф = P30/Q30 = 5999/7932≈ 0.75 4、功率补偿</b> 由于本设计中上级要求 COSφ≥0.9,而由上面计算可知 COSф=0.75<0.9，因此需要进行无功补偿。

　综合考虑在这里采用并联电容器进行高压集中补偿。

　可选用 BWF6.3-100-1W 型的电容器，其额定电容为2.89µF Qc = 5999×（tanarc cos0.75－tanarc cos0.92）Kvar

　=2724Kvar 取 Qc=2800 Kvar 因此，其电容器的个数为：

　n = Qc/qC = 2800/100 =28 而由于电容器是单相的，所以应为3的倍数，取28个 正好

　无功补偿后，变电所低压侧的计算负荷为：

　 S30（2）′= [59992+(5463-2800) 2] 1/2 =6564KV•A 变压器的功率损耗为：

　△QT

　= 0.06

　S30′= 0.06 * 6564 = 393.8 Kvar

　 △PT

　= 0.015

　S30 ′= 0.015 * 6564= 98.5 Kw

　变电所高压侧计算负荷为：

　 P30′= 5999+ 98.5 = 6098 Kw

　 Q30′= (5463-2800 )+ 393.8= 3057 Kvar

　 S30′ = (P302 + Q302) 1/2

　= 6821 KV .A

　 无功率补偿后，工厂的功率因数为：

　cosφ′= P30′/ S30′= 6098 / 6821= 0.9 则工厂的功率因数为：

　cosφ′= P30′/S30′= 0.9≥0.9

　因此，符合本设计的要求

　1.3变压器的选择

　（1）

　主变压器台数的选择

　由于该厂的负荷属于二级负荷，对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障后检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电，故选两台变压器。

　（2）

　变电所主变压器容量的选择

　 装设两台主变压器的变电所，每台变压器的容量 ST 应同时满足以下两个条件：

　① 任一台单独运行时，ST≥（0.6-0.7）S′30（1）

　② 任一台单独运行时，ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

　由于 S′30（1）= 7932 KV•A，因为该厂都是上二级负荷所以按条件2 选变压器。

　③ ST≥（0.6-0.7）×7932=（4759.2～5552.4）KV•A≥ST≥S′30（Ⅰ+Ⅱ）

　因此选5700 KV•A 的变压器二台

　1.4 主结线方案的选择 一、变配电所主结线的选择原则 1.当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。

　2.当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。

　3.当供电电源只有一回线路，变电所装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。

　4.为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。

　5.接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。

　6.6～10KV 固定式配电装臵的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。

　7.采用6～10 KV 熔断器负荷开关固定式配电装臵时，应在电源侧装设隔离开关。

　8.由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。

　9.变压器低压侧为0.4KV 的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或自动切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。

　10.当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。

　1.5 防雷与接地

　 1.5.1.防雷设备 防雷的设备主要有接闪器和避雷器。其中，接闪器就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属称为避雷针。接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。接闪的金属网称为避雷网。

　避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。

　1.5.2.防雷措施 1. 架空线路的防雷措施 （1）架设避雷线

　这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV 及以上的架空线路上才沿全线装设。35KV 的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。而10KV 及以下的线路上一般不装设避雷线。

　（2）提高线路本身的绝缘水平

　在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10KV 及以下架空线路防雷的基本措施。

　（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线

　由于3～10KV 的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。

　（4）装设自动重合闸装臵

　线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。如果采用一次 ARD，使断路器经0.5s 或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。

　（5）个别绝缘薄弱地点加装避雷器&nbs p; 对架空线路上个别绝缘薄弱地点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。

　2.变配电所的防雷措施 （1）装设避雷针

　室外配电装臵应装设避雷针来防护直接雷击。如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。

　（2）高压侧装设避雷器

　这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。阀式避雷器至3～10KV 主变压器的最大电气。

　避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。

　（3）低压侧装设避雷器

　这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。当变压器低压侧中性点不接地时（如 IT 系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。

　在本设计中，配电所屋顶及边缘敷设避雷带，其直径为8mm 的镀锌圆钢，主筋

　直径应大于或等于10mm 的镀锌圆钢。

　二、接地 1.接地与接地装臵 电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。专门为接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。连接接地体与设备、装臵接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装臵正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。

　接地线与接地体合称为接地装臵。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。其中接地线又分为接地干线和接地支线。接地干线一般应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。

　<b>2.确定此配电所公共接地装臵的垂直接地钢管和连接扁钢 （1）确定接地电阻 按相关资料可确定此配电所公共接地装臵的接地电阻应满足以下两个条件：

　 RE

　≤ 250V/IE RE ≤ 10Ω 式中 IE 的计算为

　 IE = IC = 60×(60＋35×4)A/350 = 34.3A 故

　RE ≤ 350V/34.3A = 10.2Ω 综上可知，此配电所总的接地电阻应为 RE≤10Ω （2）接地装臵初步方案

　现初步考虑围绕变电所建筑四周，距变电所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40×4mm2的扁钢焊接。

　（3）计算单根钢管接地电阻 查相关资料得土质的ρ = 100Ω•m 则单根钢管接地电阻 RE(1) ≈ 100Ω•m/2.5m = 40Ω （4）确定接地钢管数和最后的接地方案 根据 RE(1)/RE = 40/4 = 10。但考虑到管间的屏蔽效应，初选15根直径50mm、长2.5m 的钢管作接地体。以 n = 15和 a/l = 2再查有关资料可得ηE ≈ 0.66。

　因此可得 n = RE(1)/(ηERE) = 40Ω/(0.66×4)Ω ≈ 15 考虑到接地体的均匀对称布臵，选16mm 根直径50mm、长2.5m 的钢管作

　 地体，用40×4mm2的扁钢连接，环形布臵。

　选择双针等高避雷 6 结论

　通过这次毕业设计，我加深了对工厂供电知识的理解，基本上掌握了进行一次设计所要经历的步骤，象总降压的设计，我与其他同学一起进行课题分析、查资料，进行设计，整理说明书到最后完成整个设计。作为大学阶段一次重要的学习经历我感觉自己受益非浅，同时深深的感觉的自己的学习能力在不断提高，一个月的时间就这样匆匆的过去了，再指导老师我经过多少个白天，黑夜，我们刻苦研究。

　这次设计使我对工厂供电有了新的认识，对总降压变电所的设计由一无所知到现在的一定程度的掌握，起到了非常重要的作用，对指导老师的关心，指导大家有

　感于心，事实上这次设计对我们的锻炼是多方面的，除了对设计过程熟悉外，我们还进一步提高了作图，说明书编辑，各种信息的分析，对 WORD 文档的使用等多方面的能力。

　不久我们将走上工作岗位，这样的学习机会对我们来说已经不多了，我们非常重视。我们发扬团队合作的精神，互相配合。

　致谢

　 本设计在导师悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着导师的心血和汗水，在这几年的学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向导师表示深深的感谢和崇高的敬意。

　本设计的完成也凝聚了基础教研室老师的辛勤汗水，是他无私的帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向老师表示由衷的谢意。在论文的完

　成过程当中表示深深地感谢!

　参考文献 [1] 赵承狄，姚和芳，电机与电气控制技术，-2 版 高等教育出版 [2] 翟刚，煤矿电工学，第一版 煤炭工业出版

　[3] 张海根，机电传动控制，北京，高等教育出版社

　[4] 魏炳贵，电力拖动基础，北京 ，机械工业出版社

　[5] 李宁，刘启新，电机自动控制系统，北京，机械工程出版

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