机械加工厂变配电及动力配电系统的计算

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1、浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）开题报告题 目 机械加工厂变配电及动力配电系统的计算 专 业 电气工程与自动化(专本(业余) 学习中心 海宁 姓 名 邢浩元 学 号 709077202001 指导教师 谢增均 2011 年 10 月 14 日摘要对于当今的大型化、现代化工厂，其工厂用电的可靠、安全、标准等方面很重要，如何对厂用电进行可靠、有效、准确地对厂负荷计算、分配，是工厂安全、可靠、经济运行面临的首要条件。本文介绍了在高压侧采用双电源互为备用自动投入式的设计方案，在低压侧采用单母线分段控制、交流低压配电柜和无功补偿柜都采用的是GGD型，为了实现系统的可靠性，在高压侧有线路和变压器

2、保护等继电保护，还有工厂接地保护和变配电所避雷保护，但工厂接地保护和变配电所避雷保护是互相独立的。做到厂用电的各个方面安全可靠。关键词：工厂用电 负荷计算 分配 继电保护 避雷目录一、前言1二、负荷计算和功率补偿2(一)负荷计算的内容和目的2(二)机加工车间的负荷计算3三、电气设备的选择9（一）短路电流及其计算9（二）电气设备的选择9四、电力变压器继电保护及防雷接地13（一）电力变压器继电保护配置13(二)电力变压器继电保护原理设计14(三)接地与防雷设计15五、结束语18参考文献19一、前言毕业设计是检验我们三年来学习的情况的一项综合测试，它要求我们把以往所学的知识全部适用，融会贯通的一项训

3、练，是对我们能力的一项综合评定，它要求我们充分发掘自身的潜力，开拓思路设计出合理适用的自动控制系统。众所周知，电能是现代工业生产的主要能源。电能即易于由其他形式的能量转换而来，又易于转换为其他形式的能量以供应用。电能的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节、测量。有利于实现生产过程自动化。而工厂供电就是指工厂所需要电能的供应和分配。工厂供电设计要达到为工业生产服务，保障工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须做到：安全、可靠、优负、经济。我本次设计的课题为：“机械加工厂变配电及动力配电系统的计算”。我所设计的属于二级电力负荷。如果中断供电造成的后果十分严重，因此在高压侧采用双电源互为备

4、用自动投入式的设计方案，在低压侧采用单母线分段控制、交流低压配电柜和无功补偿柜都采用的是GGD型，为了实现系统的可靠性，在高压侧有线路和变压器保护等继电保护，还有工厂接地保护和变配电所避雷保护，但工厂接地保护和变配电所避雷保护是互相独立的。总之，通过这次设计应该能够树立正确的设计思想和严肃认真的工作态度，树立正确的生产观念，经济意识的全面观念。从工厂切身利益经济状况等因素出发进行合理的设计。二、 负荷计算和功率补偿（一）负荷计算的内容和目的工厂里各种用电设备在运行中负荷是时大时小地变化着，但不应超过其额定容量。此外，各用电设备的最大负荷一般又不会在同一时间出现，显然全厂的最大负荷总是比各用电设

5、备额定容量总和小得多。若根据用电设备额定容量总和作为计算负荷来选择导线截面积和开关电器，变压器等，则将造成投资的设备的浪费；反之，若负荷计算国小，则导线、开关电器、变压器等有过热危险，使线路和各种电气设备的绝缘老化，过早破坏。所以我们进行电力负荷计算目的是为了合理选择供电系统中的导线、开关电器、变压器等元件，使电气设备得到充分利用和安全运行。（二)机加工车间的负荷计算供电系统要能够在正常条件下可靠运行，则其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了应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中各个环节的电力负荷进行统计计算。

6、通过负荷的统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值，称之为计算负荷根据负荷选择电气设备和电缆。1. 负荷统计表1-1 车间设备的负荷统计编号名称单台容量（kw）数量（台）1普通车床3.2412普通车床423普通车床4.62524普通车床4.12575普通车床7.9626普通车床7.62527普通车床4.188螺栓套丝机3.12519铣端面钻中心孔机床13.325110回轮式六角车床4.04111管螺纹车床7.925112普通车床7.84113普通车床11.225214普通车床7.5215普通车床7.84116普通车床10.425217普通车床7.5218普通车床5.75119

7、普通车床10.425720转塔式六角车床13.93121单自动转塔车床13122普通车床12.16323普通车床12.19124普通车床12.19125普通车床23.65126单柱立式车床31.7127双柱立式车床70.7128龙门刨床60129单臂刨床67.75130落地车床32.8131龙门铣床58132卧式锁床14.2133卧式锁床9.2234插床9.125135牛头刨床8.25436牛头刨床8.25237插床4.16138插床3139摇臂钻床5.34140摇臂钻床11.39141摇臂钻床8.625142摇臂钻床1.5143圆柱立式钻床3.125244卧升降式台铣床15145万能回转头铣

8、床9.125146万能降式台铣床9.125147万能降式台铣床5.225148卧升降式台铣床5.4149万能铣床17.175150立升降式台铣床13.128151立升降式台铣床9.125152锥齿轮刨齿机4.625153滚齿机7.27154插齿机9.5155弧齿锥齿铣床5.65156滚齿机17.4157卧轴矩台平面磨床24.14158精密轴钜台平面磨床7.672159外圆磨床19.8160万能工具磨床1.6161内圆磨床4.725162内圆磨床8.55163万能外圆磨床9.525264牛头刨床3265虎钳166钳式桌167台式钻床0.6268砂轮机1.5369砂轮机3370滑线平台171滑线平

9、台172电动双桥式起重机45.5173电动双桥式起重机45.5174电动双桥式起重机20.32合计949.991172. 负荷计算表 1-2 公式及参数列表名称公式备注用电设备组的容量设备的额定容量设备组的同时系数设备组的负荷系数设备组的平均效率配电线路的平均效率对应用电设备组的正切值用电设备组的平均功率因数用电设备组的额定电压以上参数由用电设备组计算负荷直接相加来计算时取。用电设备组有功计算负荷需要系数 无功计算负荷视在计算负荷计算电流有功负荷的同时系数无功负荷的同时系数总的有功计算负荷总的无功计算负荷总的视在计算负荷由表1-2中的公式的以下结论： 车间的总的容量为： 1249kw。 车间的

10、计算电流为： 1389.1A。 总的有功计算负荷为：530.8kw。 总的无功计算负荷为：747.5kvar。 总的视在计算负荷为：916.8kv.A。表 1-3 配电箱资料统计表配电箱序号动力负荷(kw)功率因数计算电流(A)No.1410.6398.6No.2290.6369.7No.3640.63153.9No.4460.63110.6No.5640.63153.9No.6410.6398.6No.7360.6386.6No.8650.63156.3No.9800.63192.4No.10710.63170.8No.11580.63139.6No.12660.63158.7No.1360

11、0.63144.3No.14680.63163.5No.15540.63129.9No.16440.63105.8No.17720.63173.1No.18220.6352.9No.19750.63180.4No.20540.63129.9No.2160.6314.4表 1-3 母线负荷表母线序号母线负荷(kw)计算电流(A)WL1244586.8WL2142341.5WL3275661.4WL4226543.5WL594226.1WL6135324.7三、电气设备的选择（一）、短路电流及其计算工厂供电系统要求正常地不简断地用电负荷供电，以保证工厂生产和生活的正常进行。但是由于种种原因，也难免

12、出现故障，而使系统的正常运行遭到破坏。系统中最常见的故障就是短路。短路就是指不同电位的导电部分之间的低阻性短接。短路后，短路电流比正常电流大得多；在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。如此大的电流可对供电系统产生极大的危害。因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流的计算，以便正确的选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大电流时不致损坏。为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件等，也必须计算短路电流。表21电力线路每相的单位长度电抗平均值线路结构线 路 电 压610KV220/380V架

13、空线路0.380.32电缆线路0.080.066表22公式及参数列表名称公式备注电力系统的电抗高压馈电线的短路计算电压系统出口短路器的断流容量300 MVA I= 500 MVA II750 MVA III电力线路的电抗系统电缆的单位长度的电抗线路长度变压器的电抗变压器短路电压百分比变压器的额定容量3. 求k点的三相短路电流和短路容量（）注解：短路计算电压取值要比线路额定电压高5%。1） 计算短路电流中各元件的电抗及总电抗。 电力系统的电抗：由表31可知SN1010I型短路器的短流容量，因此。 架空电路的电抗：由表32得，因此。 K1点短路的等效电路如图所示，其计算总电抗如下：2） 计算三相短

14、路电流和短路容量。 三相短路电流周期分量有效值：。 三相短路次暂态电流和稳态电流：。 三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流有效值： 三相短路容量：4. 求k2点的三相短路电流和短路容量（c2=0.4KV）1） 计算短路电流中各元件的电抗及总电抗。 电力系统的电抗 ： 。 架空电路的电抗 ： 。 电力变压器的电抗：。因此：所以： =1.84=24.38 KA=1.09=14.34 KA =9.18 MVA表2-3 常用高压断路器的主要技术参数类别型号额定电压KV额定电流A开断电流KA断流容量MVA动稳定电流峰值kA热稳定电流kA少油户内SN10-10I10630163004016（2s）100

15、0163004016（2s）（二)电气设备的选择1. 高压侧设备选型根据实际情况和第一章的负荷计算，选用了6台高压配电柜。各柜型号及其柜内的元气件选型见图纸2号。2. 交流低压配电柜的选型根据实际情况和第一章的负荷计算，采用GGD型交流配电柜。它的柜体采用通用柜的形式；设计时充分考虑到柜体运行中的散热问题；按照现代工业要求设计的，使整体美观大方；柜体的顶盖在需要时可以拆除，便于现场主母线的装配和调整。根据上图的参数选用GGD2型，具体规格见图纸1号。3. 线路的选型根据实际情况和第一章的负荷计算，线路的详细选择见各图纸上所标注。4. 变压器选择1. 负荷统计由车间设备材料表统计的： 计算时参数

16、选择： 有功功率： 无功功率： 取同时系数： 取0.85 取0.90所以，总的有功功率： 总的无功功率： 变电所的视在计算负荷为：主变压器容量选择条件为，因此未进行无功补偿时，主变压器应选为1000KV.A。变电所低压侧的功率因数为：2. 无功补偿容量按规定，变电所高压侧的，因此。取 3. 补偿后的变压器容量因此无功补偿后的变压器容量可选为630KV.A 。四、电力变压器继电保护及防雷接地（一）电力变压器继电保护配置原则在电力系统运行中,当电力系统发生故障或异常工况时,继电保护装置应实现在最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的

17、损坏和对相邻地区供电的影响。其配置原则如下: 1)对于6.3MVA及以上的常用工作变压器和并列运行的变压器,IOMVA及以上厂备用变压器和单独运行的变压器,以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不满足要求的变压器,应装设差动保护装置。对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护装置。 2)当在变压器油箱内部发生故障(包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路)时,由于故障点电流和电弧的作用,将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体,它们将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时,油会迅速膨胀并产生大量的气体,此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。因此,变压器

18、应安装瓦斯保护装置。 3)对由外部相间短路引起的变压器过电流,根据变压器容量和运行情况的不同以及对变压器灵敏度的要求不同,可采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流和单相式低电压起动的过电流保护或阻抗保护作为后备保护、带时限动作于跳闸。 （二）电力变压器继电保护原理设计 2.1差动保护设计 变压器差动保护动作电流设计原则是将变压器两侧的电流互感器二次侧按正常时的“环流接线”,当变压器正常运行时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器(CT)的二次电流之差,它近于O,差动继电器不动作,保护也不会动作。即在电流互感器二次回路端线且变压器处于最大符合时,差动保护不应动作。由于高性能计算机芯片

19、的出现,在变压器1套保护装置中包含主保护、各侧全部后备保护的2套主变压器微机型保护装置已开发,并得到广泛应用。因此,为反应电力变压器引出线、套管及内部短路故障,对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护,达到反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护作为主保护,瞬时动作于断开各侧断路器的目的。 双重差动保护装置中,CT的二次绕组分配可以按下列方法进行设计:将第1套保护电流回路接原差动保护CT 次绕组,即接独立CT,旁代时需切换;第2套保护接原后备保护CT二次绕组,即接主变套管CT,旁代时不需切换。虽然旁代时第2套保护对降压变压器的高、中压侧来说,

20、其保护范围不包括独立CT到变压器套管的引线,缩短了差动保护范围,但可以保障旁代时2套保护都在运行。这样当变压器正常运行或外部故障时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差接近于O(实际为由多种原因引起的不平衡电流,由于不平衡电流小)差动保护不动作,保护也不会动作。当变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线)任何一点故障时,差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之和为故障点短路电流,大于继电器动作电流,继电器动作,跳变压器各侧断路器切除故障,同时发动作信号,起到保护作用。 2.2瓦斯保护设计 如果变压器内部发生严重漏油或匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降

21、等故障时,往往差动保护及其他保护均不能动作,而瓦斯保护却能动作。瓦斯保护主要由气体继电器来实现,安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中。瓦斯保护分为两种:一种是轻瓦斯保护动作于信号,根据气体的数量、颜色、化学成分和可燃性等,判断保护的原因和故障性质,运行人员能够迅速发现故障并及时处理;另一种是重瓦斯保护动作于断路器跳闸,监视气体发生的速度,分析气体的各种特征及成分,可以间接地推测故障发生原因、部位和严重程度,在变压器出现突然性严重故障时自动报警或切断电源。 2.3过电流保护设计 为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流,以及在变压器内部故障时,作为差动保护和瓦斯保护的后备保护。变压器应装

22、设过电流保护。过电流保护通常是指变压器启动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它主要在其各侧母线故障时起作用,特别是中、低压侧母线的故障。主要分为以下3种情况: 1)低压变压器过电流保护设计 变压器低压侧一般采用三相式三卷变压器,高、中压侧的阻抗保护很可能对压侧短路起不到保护作用,不能满足作为相邻元件后备保护的要求,这时可以同时在其高、中压侧均装设复合电压闭锁过流保护及零序方向过电流保护与间隙保护,低压侧装设复合电压闭锁过流保护。复合电压闭锁过流保护装置的电流元件应按大于变压器的额定电流整定,即I=K,/K x10式中,K,为可靠系数,取1.21.3;K为返回系数,取0.85;10为变

23、压器的额定电流。同时,为了正确反映各侧的不对称短路残压,此装置还应安装一套低电压锁闭元件。电压元件的动作电压应低于运行中可能出现的最低工作电压,如大容量电动机启动引起的电压降低等,其计算如下:U=UO/K1K2,式中,UO为校验点故障时,电压继电器装设母线上的最大残压;K1为可靠系数,取1.21.25;K2为返回系数,取1.151.2。 2)高压变压器的保护设计 如果变压器高压侧的过电流保护对低压侧母线有规定的灵敏系数时,则在变压器低压侧断路器与高压侧短路器上可配置过电流保护装置,当低压侧母差保护校验停运或故障拒动及开关与TA间故障时,此装置成为低压侧母线的主保护及后备保护。但是,如果短路为非

24、金属性的,经弧光短路时,阻抗保护可能灵敏度不足或整定延时长于2.0s。因此,最好在高压侧设一个保护变压器热稳定的反时限过流保护,其整定值应由变压器的热稳定要求决定。同时,在低压侧另安装保护或在低压侧中性线上装设零序电流保护,跳高压侧短路器,其动作电流可按中性线不平衡电流不超过变压器额定电流的25%。 3)负序过电流保护设计 当相间后备保护按远后备原则配置时,应躲过被保护变压器所连接相邻线路发生一相断线时流过保护安装处的负序电流,并与相邻线路零序电流保护的后备段在灵敏度上配合,以防止负序过电流保护非选择性动作。设计时在各种两相短路情况下,测量反时限、定时限和负序过过负荷报警回路动作电流的离散值。

25、测量反时限、定时限和负序过负荷报警回路的动作电流范围,刻度误差和返回系数。 当负序保护作为发信号用时,由于断路合闸时的三相非同时,电力系统起动过程中的大电流、过流过程引起电流互感器的不平衡以及相邻近设备发生相间短路故障时都会引起较大的负序电流。可用延时来躲过。因此,动作时间应大于相邻设备的速断保护动作时间与断路器的分闸时间之和。当负序保护作为相间短路保护的后备保护时,即投跳闸时,动作时间应大于相邻设备及本设备的相间后备保护的动作时间。（三）接地与防雷设计接地与防雷是工厂供电设计的一个重要部分。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，

26、或接地极。连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装置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。接闪的金属杆称为避雷针。避雷针的功能实质上是引雷作用，它能对雷电场产生一个附加电场，使被保护物免受直接雷击。下面根据机加工车间的实际需求来计算接地体的选择和确定避雷针的高度。1. 确定接地电阻因为进线为10KV，属1KV以上电流接地系统及与1KV以下系统共用的接地装置，选（且10 ），同时又满足与总容量在100KVA以上的发电机或变压器相联的接地装置得: ，所以确定次变电所公共接地装置的接地电阻应满足以下两个条件： 故此变电所的接地电阻为。2. 接地装置

27、初步方案现初步考虑围绕变电所建筑四周距变电所2-3米打入一圈直径50mm，长25m的钢管接地体，每隔5m打入一根，管间用的扁钢焊接。3. 计算单根钢管接地电阻查表6-1得砂质粘土的=100m单根钢管接地电阻 4. 确定接地管数和最后方案根据,但考虑到管间屏蔽效应,初选15根直径50mm,长2.5m的钢管作为接地体.以n=15和去查手册 (取n=10和n=20,在时的值的中间值)可得,因此,但是要考虑到接地体的均匀对称布置以及实际需要,选18根直径为50mm,长2.5m的钢管作接地体,用404mm的扁钢连接,根据厂房需要,适宜单排布置,而且南北两排,共36根。表6-1 土壤电阻率参考值土 壤 名

28、 称电阻率/(m)土 壤 名 称电阻率/(m)陶粘土泥炭、泥灰岩、沼泽地捣碎的木炭黑土、田园土、陶土粘土1020405060砂质粘土、可耕地黄土含砂粘土、砂土多石土壤砂、砂砾10020030040010005. 避雷器的高度选定查表6-2得机加工车间是第三类防雷建筑滚求半径hr=60m, 变电所高hx=4m,避雷器高为h在hx=4m的高度上最远一角距离避雷针的水平距离为r=17.2m。避雷器的保护半径最少为17.2m取18m。hx=18m h=14.85m15m选择高度为2m的避雷针，其塔架为13m。如下图所示。表6-2 按建筑物防雷类别确定滚球半径建筑物防雷类别滚球半径hr/m,第一类防雷建

29、筑物30第二类防雷建筑物45第三类防雷建筑物60五、结束语通过这一段时间的毕业设计，我经过长期的核实并进行了深入的调查研究，经过一段时间的工厂实习和社会调查，使我得到了很多的经验，并且巩固和加深以及扩大了专业知识面，锻炼综合及灵活运用所学知识的能力，正确使用技术资料的能力。达到了由学生向工程技术人员的过渡，为进一步成为优秀的技术人员奠定基础。通过毕业设计，学生应具有：1. 巩固和加深专业知识面，锻炼综合及灵活运用所学知识的能力。2. 学习怎样查找文献资料，正确使用技术资料。3. 熟悉与“电气工程”相关的工程技术设计规范、国家有关标准手册和工具书、设计程序及方法。4. 通过大量参数计算，锻炼从事

30、工程技术设计的综合运算能力，参数计算尽可能采用先进的计算方法。5. 通过调整资料，达到编写工程技术设计的说明书和国家标准要求的绘制技术图纸的能力。6. 培养参加手工实践，进行安装，调试和运行的能力。7. 培养严肃认真，一丝不苟和实事求是的工作作风，塑造一个工程技术人员的形象，从而尽快实现从学生到一个合格的工程技术人员的过渡。毕业设计的结束，意味着从此我将进入社会，把我所学的知识运用到社会实践当中去，通过这次毕业设计，我更加地认识到自己的不足之处，指导老师耐心和细致的指导，使我的知识水平有更进一步的提高，为我走向社会，走向岗位打下了坚实的基础。参考资料 刘介才编 工厂供电第3版 机械工业出版社刘介才编 工厂供电简明设计手册 机械工业出版社方大千编 实用继电保护技术 人民邮电出版社芮静康编 现代工业与民用供电设计手册 中国水力水电出版社郭仲札编 低压电工实用技术 机械工艺出版社郑凤翼编 低压电器及其应用 人民邮电出版社工厂电气控制 邯郸职业技术学院唐志平编 供配电技术（第二版） 电子工业出版社唐志平编 供电技术课程设计指导书 电子工业出版社陈宗涛编 电力继电保护与供电技术试验知道 东南大学出版社附图图4 机修厂降压变电所主结线电路图车间平面布置图变电所平面图：