工厂电气系统设计大全.docx

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工厂电气系统设计大全

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学习情境3工厂电气系统安装

项目1工厂电气动力系统安装

3.1.1施工技术准备

1.识图

1）设计说明

（1）设计依据

按照国家标准GB50052～95《供配电系统设计规范》、GB50053—94《10kV及以下变电所设计规范》、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一般设计原则：

a遵守规程、执行政策必须遵守国家的有关规程和标准，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。

b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、能耗低和性能较先进的电气产品。

c近期为主、考虑发展应根据工程特点、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、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。

d全局出发、统筹兼顾必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。

（2）设计范围

工厂供电设计包括变配电所设计、配电线路设计和电气照明等。

a变配电所设计

无论工厂总降压变电所或车间变电所，设计的内容都基本相同。

工厂高压配电所，则除了没有主变压器的选择外，其余的设计内容也与变电所设计基本相同。

变配电所的设计内容应包括：

变配电所负荷的计算和无功功率的补偿，变配电所所址的选择，变电所主变压器台数和容量、型式的确定，变配电所主结线方案的选择，进出线的选择，短路计算及开关设备的选择，二次回路方案的确定及继电保护的选择与整定，防雷保护与接地和接零的设计，变配电所电气照明的设计等。

最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制变配电所主电路图、平剖面图、二次回路图及其它施工图纸。

b配电线路设计

工厂配电线路设计分厂区配电线路设计和车间配电线路设计。

厂区配电线路设计，包括厂区高压供配电线路设计及车间外部低压配电线路的设计。

其设计内容应包括：

配电线路路径及线路结构型式的确定，负荷的计算，导线或电缆及配电设备和保护设备的选择，架空线路杆位的确定及电杆与绝缘子、金具的选择，防雷保护与接地和接零的设计等。

最后需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制厂区配电线路系统图和平面图、电杆总装图及其它施工图纸。

车间配电线路设计，包括车间配电线路布线方案的确定、负荷的计算、线路导线及配电设备和保护设备的选择、线路敷设设计等。

最后也需编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制车间配电线路系统图、平面图及其他施工图纸。

c电气照明设计

工厂电气照明设计，包括厂区室外照明系统设计和车间（建筑）内照明系统设计。

无论是厂区室外照明设计还是车间内照明设计，其内容均应包括：

照明光源和灯具的选择，灯具布置方案的确定和照度的计算，照明负荷计算及导线的选择，保护与控制设备的选择等。

最后编制设计说明书、设备材料清单及工程概（预）算，绘制照明系统图、平面图及其它施工图纸。

（3）设计的程序与要求

工厂供电设计，通常分为扩大初步设计和施工设计两个阶段。

大型设计，也有分为初步设计、技术设计和施工设计三个阶段，或分为方案设计、初步设计和施工设计三个阶段的。

如果设计任务紧迫，设计规模较小，又经技术论证许可时，也可直接进行施工设计。

a扩大初步设计

扩大初步设计的任务，主要是根据设计任务书的要求，进行负荷的统计计算，确定工厂的需电容量，选择工厂供电系统的原则性方案及主要设备，提出主要设备材料清单，并编制工程概算，报上级主管部门审批。

因此，扩大初步设计资料应包括工厂供电系统的总体布置图、主电路图、平面布置图等图纸及设计说明书和工程概算等。

为了进行扩大初步设计，在设计前必须收集以下资料：

a）亡厂的总平面图，各车间（建筑）的土建平、剖面图。

b）工艺、给水、排水、通风、取暖及动力等工种的用电设备平面布置图及主要的剖面图。

并附有备用电设备的名称及有关技术数据。

c）用电设备对供电可靠性的要求及工艺允许停电的时间。

d）全厂的年产量或年产值及年最大负荷利用小时数，用以估算全厂的年用电量和最高需电量。

e）向当地供电部门收集下列资料：

可供的电源容量和备用电源容量；供电电源的电医、供电方式（架空线还是电缆，专用线还是公用线）、供电电源回路数、导线或电缆的型号规格、长度以及进入工厂的方位；电力系统的短路数据或供电电源线路首端的开关断流容量；供电电源首端的继电保护方式及动作电流和动作时限的整定值，电力系统对工厂进线端继电保护方式及动作时限配合的要求；供电部门对工厂电能计量方式的要求及电费计收办法；对工厂功率因数的要求；电源线路厂外部分设计和施工的分工及工厂应负担的投资费用等。

f）向当地气象、地质及建筑安装等部门收集下列资料：

当地气温数据，如年最高温度、年平均温度、最热月平均最高温度、最热月平均温度以及当地最热月地面下o．8～1．om处的土壤平均温度等，以供选择电器和导体之用；当地海拔高度、极端最高温度与最低温度等，也是供电器选择之用；当地年雷暴日数，供设计防雷装置之用；当地土壤性质或土壤电阻率，供设计接地装置之用；当地常年主导风向、地下水位及最高洪水位等，供选择变、配电所所址之用；当地曾经出现过或可能出现的最高地震烈度，供考虑防震措施之用；当地电气工程的技术经济指标及电气设备和材料的生产供应情况等，供编制投资概算之用。

必须注意：

在向当地供电部门收集有关资料的同时，也应向当地供电部门提供一定的资料，如工厂的生产规模、负荷的性质：

需电容量及供电的要求等，并应与供电部门最后达成供用电协议。

b施工设计

施工设计是在扩大初步设计经上级主管部门批准后，为满足安装施工要求而进行的技术设计，重点是绘制施工图，因此也称为施工图设计。

施工设计须对初步设计的原则性方案进行全面的技术经济分析和必要的计算和修订，以使设计方案更加完善和精确，有助于安装施工图的绘制。

安装施工图是进行安装施工所必需的全套图纸资料。

安装施工图应尽可能采用国家颁发的标准图样。

施工设计资料应包括施工说明书，各项工程的平、剖面图，各种设备的安装图，各种非标准件的安装图，设备与材料明细表以及工程预算等。

施工设计由于是即将付诸安装簏工的最后决定性设计，因此设计时更有必要深入现场调查研究，核实资料，精心设计，以确保工厂供电工程的质量。

2）负荷计算

由于需要系数等计算方法前面章节已作介绍，本部分仅介绍在当设备台数较少而容量差别较大时的低压干线与分支线的负荷计算中常用的二项式法。

（1）用二项法进行负荷计算

二项式法认为计算负荷由两部分构成，一部分是由所有设备运行时产生的平均负荷，另一部分是由于大型设备（容量最大的x台）的投入产生的负荷。

其中b，c称为二项式系数。

二项式系数也是通过统计得到的数据。

二项式法的基本公式是

式中，bPe为表示用屯设备组的平均功率，其中Pe是用电设备组的设备总容量，其计算方法如前需要系数法中所述；cPx为表示用电设备组中x台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷，其中Px，是x台最大容量的设备总容量；b、c为二项式系数。

其余的计算负荷Q30、S30和I30的计算与前述需要系数法的计算相同

但必须注意：

按二项式法确定计算负荷时，如果设备总台数n少于附录表1中规定的最大容量设备台数x的2倍（即n<2x）时，其最大容量设备台数x宜适当取小，建议取为x=n/2，且按“四舍五入”修约规则取整数。

例如某机床电动机组只有7台时，则其x=7／2≈4。

如果用电设备组只有1～2台设备时，就可认为P30=Pe。

对于单台电动机，则P30=PN／η，式中PN为电动机额定容量，η为其额定效率。

在设备台数较少时，cosφ也应适当取大。

由于二项式法不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均功率，而且考虑了少数容量最大的设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适于确定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的计算负荷。

但是二项式计算系数b、c和x的值，缺乏充分的理论根据，而且这些系数，也只适于机械加工工业，其他行业的这方面数据缺乏，从而使其应用受到一定局限。

例3.1-1已知机修车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三相电动机7.5kW3台；4kW8台；3kW17台；1.5kW10台。

试求其计算负荷。

解：

由表查得b=0.14，c=0.4，x=5，cosφ=0.5，tanφ=1.73。

而设备总容量为：

Pe=120.5kW

x台最大容量的设备容量为

Px=P5=7.5kW×3*-+4kW×2=30.5kW

可求得：

P30=0.14×120.5kW+0.4×30.5kW=29.1kW

Q30=29.1kW×1.73=50.3kvar

S30=29.1kW/0.5=58.2kVA

I30=88.4A

按二项式法计算的结果比按需要系数法计算的结果稍大，特别是在设备台数较少的情况下。

供电设计的经验说明，选择低压分支干线或支线时，按需要系数法计算的结果往往偏小，以采用二项式法计算为宜。

3）尖峰电流的计算

（1）概述

尖峰电流（peakcurrent）是指持续时间1～2s的短时最大负荷电流。

尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器，整定继电保护装置及检验电动机自起动条件等。

（2）单台用电设备尖峰电流的计算

单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流（startingcurrent），因此尖峰电流为

式中IN为用电设备的额定电流；IST为用电设备的起动电流；KST为用电设备的起动电流倍数；笼型电动机为5～7；绕线型电动机为2～3，直流电动机为1．7，电焊变压器为3或稍大。

（3）多台用电设备尖峰电流的计算

引至多台用电设备的线路上的尖峰电流按下式计算

或

例3.1-2有一380V三相线路，供电给表所示4台电动机。

试计算该线路的尖峰电流。

负荷资料：

表3.1-1

参数

电动机

M1

M2

M3

M4

额定电流／A

5．8

5

35．8

27．6

起动电流／A

40．6

35

197

193．2

解：

由表3.1-1可知，电动机M4的

为最大。

取，因此该线路的尖峰电流为：

4）短路电流及其计算

（1）短路的原因、后果及其形式

a短路的原因

工厂供电系统要求正常地不间断地对用电负荷供电，以保证工厂生产和生活的正常进行。

但是由于各种原因，也难免出现故障，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（shortcircuit）。

短路就是指不同电位的导电部分之间的低阻性短接。

造成短路的主要原因，是电气设备载流部分的绝缘损坏。

这种损坏可能是由于设备长：

朗运行，绝缘自然老化或由于设备本身不合格、绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备绝缘正常而被过电压（包括雷电过电压）击穿，或者是设备绝缘受到外力损伤而造成短路。

工作人员由于未遵守安全操作规程而发生误操作，或者误将低电压的设备接入较高电压的电路中，也可能造成短路。

鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，或者咬坏设备导线电缆的绝缘，也是导致短路的一个原因。

b短路的后果

短路后，短路电流（short—circuitcurrent）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。

如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害，即:

a）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件损坏。

b）短路时电压要骤降，严重影响电气设备的正常运行。

c）短路可造成停电，而且越靠近电源，停电范围越大，给国民经济造成的损失也越大。

d）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。

e）单相短路，其电流将产生较强的不平衡交变磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。

由此可见，短路的后果是十分严重的，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计算，以便正确地选择电气设备，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短路电流时不致损坏。

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（如电抗器）等，也必须计算短路电流。

c短路的形式

在三相系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。

三相短路，用文字符号点表示，如图3—1a所示。

两相短路，用表示，如图3—1b所示。

单相短路，用表示，如图3—1c和d所示。

两相接地短路，是指中性点不接地系统中两不同相均发生单相接地而形成的两相短路，如图3—1e所示；也指两相短路后又接地的情况，如图3—1f所示，都用表示。

它实质上就是两相短路，因此也可用表示。

图3.1-1短路的类型（虚线表示短路电流的路径）

上述的三相短路，属对称性短路；其它形式的短路，属非对称短路。

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。

但一般三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。

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靠地工作，因此作为选择检验电气设备用的短路计算中，以三相短路计算为主。

实际上，非对称短路也可以按对称分量法分解为对称的正序、负序和零序分量法来研究，所以对称的三相短路分析也是分析研究非对称短路的基础。

（2）无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量

a无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程

无限大容量电力系统（electricpowersystemwithinfinitelygreatcapacity），指其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。

如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的5％～10％，或电力系统容量超过用户供电系统容量50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。

对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量的电源。

图3.1-2示是一个电源为无限大容量的供电系统发生三相短路的电路图。

图中RWL。

、XWL。

为线路（WL）的电阻和电抗，RL、XL。

为负荷（L）的电阻和电抗。

由于三相对称，因此这一三相短路的电路可用图b）的等效单相电路图来分析，分析略。

图3.1-3无限大容量系统发生三相短路时的电压、电流曲线

图3.1-3表示出无限大容量系统发生三相短路前后电流、电压的变动曲线。

由图可以看出，短路电流在到达稳定值之前，要经过一个暂态过程（或称短路瞬变过程）。

这一暂态过程是短路非周期分量电流存在的那段时间。

从物理概念上讲，短路电流周期分量是因短路后电路阻抗突然减小很多倍，而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流；短路电流非周期分量则是因短路电路含有感抗，电路电流不可能突变，而按楞次定律感生的用以维持短路初瞬间（t=0时）电流不致突变的一个反向衰减性电流。

此电流衰减完毕后（一般经t≈0．2s），短路电流达到稳定状态。

（3）三相短路电流的计算

a概述

进行短路电流计算，首先要绘出计算电路图，如图3—4所示。

在计算电路图上，将短路计算所需考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。

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。

接着，按所选择的短路计算j点绘出等效电路图，如图3—5所示，并计算电路中各主要元件的阻抗。

在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，一般是分子标序号，分母标阻抗值（既有电阻又有电抗时，用复数形式R+jx来表示）。

然后将等效电路化简。

对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。

最后计算短路电流和短路容量。

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（又称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。

短路计算中有关物理量一般采用以下单位。

电流单位为“干安”（kA），电压单位为“千伏”（kV），短路容量和断流容量单位为“兆伏安”（MV·A），设备容量单位为“千瓦”（kW）或“千伏安”（kV·A），阻抗单位为“欧姆”（Q）等。

但本书计算公式中各物理量除个别经验公式或简化公式外，一律采用国际单位制（SI制）的单位“安”（A）、“伏”（V）、“瓦”（w）、“伏安”（V·A）、“欧”（Q）等。

因此后面导出的各个公式一般不标注物理量的单位。

如果采用工程上常用的单位来计算，则须注意所用公式中各物理量单位的换算系数。

b采用欧姆法进行短路计算

欧姆法，因其短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名。

在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值可按下式计算：

式中，Uc为短路点的短路计算电压（或称为平均额定电压）。

由于线路首端短路时其短路最为严重，因此按线路首端电压考虑，即短路计算电压取为比线路额定电压UN高5％，按我国电压标准，Uc有o．4、o．69、3．15、6．3、10．5、37……kV等；Z∑、R∑、X∑分别为短路电路的总阻抗[模]、总电阻和总电抗值。

在高压电路的短路计算中，通常总电抗远比总电阻大，所以一般可只计电抗，不计电阻。

在计算低压侧短路时，也只有当短路电路的R∑>X∑/3时才需计及电阻。

如果不计电阻，则三相短路电流的周期分量有效值为

三相短路容量为

下面讲述供电系统中各主要元件如电力系统、电力变压器和电力线路的阻抗计算。

至于供电系统中的母线、线圈型电流互感器的一次绕组、低压断路器的过电流脱扣线圈及开关的触头等的阻抗，相对来说很小，在短路计算中一般可略去不计。

在略去上述的阻抗后，计算所得的短路电流自然稍有偏大；但用稍偏大的短路电流来校验电气设备，倒可以使其运行的安全性更有保证。

a）电力系统的阻抗

电力系统的电阻相对于电抗来说，很小，一般不予考虑。

电力系统的电抗，可由电力系统变电所高压馈电线出口断路器（参看图3—4）的断流容量SOC来估算，这SOC就看作是电力系统的极限短路容量SK。

因此电力系统的电抗为

式中，UC为高压馈电线的短路计算电压，但为了便于短路电路总阻抗的计算，免去阻抗换算的麻烦，此式的UC可直接采用短路点的短路计算电压；SOC为系统出口断路器的断流容量，可查有关手册或产品样本；如只有开断电流IOC数据，则其断流容量

这里UN为其额定电压。

b）电力变压器的阻抗

（a）变压器的电阻RT

可由变压器的短路损耗△Pt近似地计算。

故

式中，UC为短路点的短路计算电压；SN为变压器的额定容量；△Pk为变压器的短路损耗，可

查有关手册或产品样本。

（b）变压器的电抗Xt

可由变压器的短路电压（即阻抗电压）UK％近似地计算。

因

故

式中，UK％为变压器的短路电压（阻抗电压UZ％）百分值，可查有关手册或产品样本

c）电力线路的阻抗

（a）线路的电阻RWL。

．

可由导线电缆的单位长度电阻R。

值求得，即

式中，R。

为导线电缆单位长度的电阻，可查有关手册或产品样本；l为线路长度。

（b）线路的电抗XWL。

可由导线电缆的单位长度电抗x。

值求得，即

式中，X。

为导线电缆单位长度的电抗，可查有关手册或产品样本；l为线路长度。

如果线路的结构数据不详时，x。

可按下表1.1-2取其电抗平均值，因为同一电压的同类线路的电抗值变动幅度一般不大。

电力线路每相的单位长度电抗平均值（Ω／km）表3.1-2

线路结构

线路电压

6-10kV

220/380V

架空线路

O．38

O．32

电缆线路

O．08

O．066

求出短路电路中各元件的阻抗后，就化简短路电路，求出其总阻抗，然后计算短路电流周期分量磴’。

其他短路物理量的计算公式见第三节第二节。

必须注意：

在计算短路电路的阻抗时，假如电路内含有电力变压器，则电路内各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去。

阻抗等效换算的条件是元件的功率损耗不变。

由和△Q=U2／X可知，元件的阻抗值与电压平方成正比，因此阻抗换算的公式为

式中，R、X和UC为换算前元件的电阻、电抗和元件所在处的短路计算电压；、、为换算后元件的电阻、电抗和短路点的短路计算电压。

就短路计算中考虑的几个主要元件的阻抗来说，只有电力线路的阻抗有时需要换算，例如计算低压侧的短路电流时，高压侧的线路阻抗就需要换算到低压侧。

而电力系统和电力变压器的阻抗，由于它们的计算公式中均含有u：

，因此计算阻抗时，公式中U。

直接代以短路点的计算电压，就相当于阻抗已经换算到短路点一侧了。

5）工厂变配电所及其一次系统

本节首先介绍工厂变配电所的任务、类型及开关触头间电弧产生和熄灭的基本知识，然后重点讲述变配电所的一次设备和主电路图，对一次设备着重介绍其功能、结构特点、基本原理及其选择，对主电路图着重阐述其基本要求及一些典型电路的分析，最后讲述工厂变配电所的所址选择、布置、结构、安装图及运行维护等知识。

本章是本课程的重点，也是从事工厂供电设计与运行必备的基础知识。

（1）工厂变配电所的任务和类型

a变配电所的任务

变电所（tansformersubstation）担负着从电力系统受电，经过变压，然后配电的任务。

配电所（distributionsulbstation）担负着从电力系统受电，然后直接配电的任务。

显然，变配电所是工厂供电系统的枢纽，在工厂中占有特殊重要的地位。

b变配电所的类型

工厂变电所分总降压变电所（heads‘tep—downsubstation）和车间变电所（shoptrans一

。

formersubstation）。

一般中小型工厂不设总降压变电所。

车间变电所按其主变压器的安装位置来分，有下列类型：

a）车间附设变电所变压器室的一面墙或几面墙与车间的墙共用，变压器室的大门朝车间外开。

如果按变压器室位于车间的墙内还是墙外，还可进一步分为内附式（如图3.1-4中的1．2）和外附式（如图3.1-4中的3、4）。

b）车间内变电所变压器室位于车间内的单独房间内，变压器室的大门朝车间内开（如图3.1-4中的5）。

c）露天变电所变压器安装在室外抬高的地面上（如图3.1-4中的6）。

如果变压器的上方设有顶板或挑檐的，则称为半露天变电所。

d）独立变电所整个变电所设在与车间建筑物有一定距离的单独建筑物内（如图3.1-4中的7）。

外墙

e）杆上变电台变压器安装在室外的电杆上，又称柱上变电所。

f）地下变电所整个变电所设置在地下。

g）楼上变电所整个变电所设置在楼上。

6）电弧

（1）产生电弧的根本原因

开头触头在分断电流时之所以会产生电弧，根本的原因在于触头本身及触头周围的介质

中含有大量可被游离的电子。

这样，当分断的触头之间存在着足够大的外施电压的条件下，就

有可能强烈电离而产生电弧。

（2）产生电弧的游离方式

a热电发射当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐收缩集中而出现炽热的光斑，温度很高，因而使触头表面分子中外层电子吸收足够的热能而发射到触头间隙中去，形成自由电子。

b高电场发射开关触头分断之初，电场强度很大。

在这种高电场的作用力，触头表面的电子可被强拉出来，使之进入触头间隙，也形成自由电子。

c碰撞游离当触头间隙存在着