摘 要

如果将配电网比作工厂的血管，那么变电所则是工厂的心脏所在，在一配一变之间，将电能源源不断地输送到工厂各处，为工厂的生产及生活提供动力来源。在工厂实现电气化之后，工厂配电优化的意义则更加凸显，其优化的程度与产品的质量，劳动者的生产率，生产成本的高低，工人的劳动条件息息相关。换言之，为使工厂利益最大化，生产工人的人身安全得到保障，一旦工厂供电突然中断，其带来的影响可能是毁灭性的，例如巨大的设备损坏，大量产品的不合格，甚至重大的人身事故，这些都是我们所不希望看到的。因此，做好工厂供电设计及其配电优化对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。

本次设计就是将理论运用到生产中的一次具体实现，背景以武钢集团冶金公司重组搬迁改造工程为例，重点结合钢丝绳生产车间的生产设备，在计算车间负荷，进行无功功率补偿，选择主变压器容量、台数及型号，确定配电方案，完成短路电流计算及继电保护，决定相关一次、二次设备等几个重要方面对工厂配电设计展开说明。尤其在配电方面也展开深入研究，进一步优化传统低压配电，希望可以避免以往的弊端，真正做到安全可靠，优质经济。

关键词：工厂；配电网；变电所

Abstract

If the distribution network is compared to the factory's blood vessel, then the substation is the heart of the factory. Between one match and one change, the power supply is continuously transmitted to all parts of the factory, providing power source for the production and life of the factory. After the electrification of factories, the significance of power distribution optimization becomes more prominent. The degree of optimization is closely related to the quality of products, the productivity of workers, the cost of production and the working conditions of workers. In other words, to increase the benefits of the factory and protect the workers, once the power supply of the factory is suddenly interrupted, the impact may be devastating, such as huge equipment damage, a large number of unqualified products, or even major personal accidents, which we do not want to see. Therefore, it is of great significance to design and optimize the power supply of factories for the development of industrial production and the realization of industrial modernization.

This design is a concrete realization of applying theory to production. Background Taking the reorganization and relocation project of Metallurgical Company of WISCO Group as an example, combining with the production equipment of wire rope production workshop, the design focuses on calculating workshop load, compensating reactive power, choosing the capacity, number and type of main transformer, determining distribution scheme, completing short circuit current calculation and relay protection. The distribution design of factories is explained in several important aspects, such as primary and secondary equipment. Especially in the field of power distribution, it has also carried out in-depth research to further optimize the traditional low-voltage distribution, hoping to avoid the disadvantages of the past, and truly achieve safety, reliability, high quality and economy.

Key Words：Factory; Distribution Network; Substatio

目录

第1章 绪论 1

1.1工厂供配电的意义和要求 1

1.2国内外研究现状 2

1.3钢丝绳厂供配电设计内容及工作 4

第2章 负荷计算及无功功率补偿 5

2.1负荷计算 5

2.1.1负荷分级及供电要求 5

2.1.2负荷分类 5

2.1.3负荷计算 5

2.2无功功率补偿及其计算 7

2.2.1无功功率补偿 8

2.2.2补偿功率的计算 8

2.2.3无功补偿后总计算负荷的计算 9

第3章 一次设备选择 10

3.1变配电所及主变压器的选择 10

3.1.1变配电所的选择 10

3.1.2变电所主变压器台数和容量的选择 10

3.2变配电所主接线设计 11

3.3短路计算 12

3.3.1短路计算的目的与计算数据 12

3.3.2采用标幺制的短路计算 12

3.4一次设备的选择与校验 15

3.4.1一次设备校验项目 15

3.4.2一次设备校验标准 16

第4章 低压配电线路设计与继电保护 20

4.1低压配电线路设计 20

4.1.1低压线路接线方式 20

4.1.2导线与电缆选型 21

4.1.3工厂供配电网络的优化 22

4.2继电保护及二次回路选择 24

4.2.1继电保护的意义和要求 24

4.2.2电力变压器的保护 24

4.2.3电力线路的保护 26

第5章 结束语 27

参考文献 28

附录A 10kV降压变电所主结线图 30

附录B 低压配电线路图 31

附录C 高压断路器控制与信号回路图 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1工厂供配电的意义和要求

工厂供配电可以提供和分配电能，现代信息技术和其他智能技术都以电力为基础，电力的输送和分配是简单经济的，其过程有利于生产自动化和操作自动化，而且有助于生产设备的正常运作和生产活动的开展，利于生产效率的提高^[1]。

大型工业工厂通常由一个专用变电站在多条馈线的配电电压下供电，厂用变电所起着设施配电网和工厂设备之间的协同作用，我们需要克服瞬间过电压、谐波畸变和传导干扰等影响，以提供更高质量的电能。在工业厂房内，电子设备在异常恶劣的电气环境中运行，电机、开关设备和特殊设备密度很高，这就对工厂供电提出了很高的要求。例如工业设备制造商的生产便与电能质量息息相关，他们在竞争激烈的市场中运行，必须平衡产品性能、客户需求和成本，高质量的电能带来的便是更低的成本和更高的利润。同时，电网公司也开始修改对厂用电质量的定义，并定期调查电能质量，对不符合相关要求的工厂进行处罚和处理。

在电压转换和电能分配过程中，一部分电能在变电所中丢失，以维持正常运行。这部分能量转化为热能，动能和光能等，在工厂区域内形成一个综合能源系统。由于变电所的不同电压等级的连接，传输能量是巨大的，导致其总能量的损失也非常惊人。因此，在我国推进节能降耗和推进绿色电网建设的背景下，降低变电所能耗的努力也是降低企业成本、促进电力生产经营转型的重要举措。工厂供配电设计合理性能带来一系列节能方面的优势：

（1）我国经济的迅速增长和电力需求的增加只会令电力负担越来越大，改善我国的发电基础设施，以满足迅速增长的需求便是迫在眉睫的任务。供需之间存在矛盾，电力消耗者与电力供应者生产使用不能同步。大力发展工厂供配电系统中的节能措施，在一定程度上缓解了用电压力，一定程度上减少了用电消耗量，减少电力行业中的矛盾。减少对电力的需求，对电力系统的运行也进行了减负工作。

（2）在工厂的电力分配系统中采用节能措施可以节省社会资源，使社会财富达到一定的累积。但是，对工厂的配电系统进行检查，并没有降低工厂最初生产的规模和效率，而是通过简化工艺、改进生产使工厂用电效率得到了提高。这样在不损害原有利益的前提下，增加财富累积值，使利益最大化。

（3）在工厂供电系统中实施节能措施首先需要提高决策者和生产者对节能措施的重要性的认识，只有在两者的相互配合之下，重视节能工作的开展，优化措施才有其存在意义，相关措施才能应用。工厂供配电系统的节能措施具有技术性质，为了确保节能效率，达到我们的预期要求，工厂必须优化生产技术和工艺，增加最终投资，投入一定的人力物力资源并取得一定的成果，这些都有助于我国发展科学技术^[2]。

为有效服务于工业生产、农业需要和个人生活所需能源的消耗并达到节约能源的目的，我们有以下任务：

（1）能源的供应、分配和使用不得导致人身和设备事故。

（2）必须满足能源使用者对能源供应可靠性的需求，即持续供电。

（3）必须满足能源使用者在频率和电压方面的需求。

（4）降低建设和经营成本。

此外，在能源供给的背景下，我们既要考虑点与面的关系，也要考虑当前与长远的关系，既要考虑当前和当地的利益，又要考虑未来和发展中特殊情况的发生。对于工厂供配电节能措施的设计原则，也可以从以下方面体现：

（1）工厂配电系统设计中经济、节能的适用性原则可以通过对工厂配电系统节能措施的设计和运行成本的降低来确定的。因此我们可以采用人工无功补偿，更灵活的操作过程可用于减少劳动力损失、节约电力、确保工厂的经济和社会效益，以此同时能保证生产效率的提高。

（2）要减少环境污染，降低供电压力，就必须执行实事求是原则，在配电系统中引入节能措施，实现电力企业供电的可持续发展。从现实出发，工业发展任务是提高经济效益，提高企业在市场上的竞争力，抓住机遇，合理发展。与此同时，关注保护环境问题，降低工厂中的能源损耗。

（3）我们必须坚持绿色生态发展的理念，当前许多工厂已经开始把精力集中在减少能源损耗上面，科学技术的不断提高、施工工艺的逐步精细、大量环保材料的引用，作为一个能源大国，必须对现有水平不断优化，从各个方面对减能降排下功夫。

1.2国内外研究现状

目前，配电节能已成为世界范围内的一大难题。许多研究表明，减少电网中的电力及能源损失比增加发电能力容易得多，能源效率是所有方法中最经济的。全世界配电网的能源损失在各国用电量的3.7%到26.7%之间变化，这意味着有很大的改进潜力。减少损耗意味着能源的有效利用，节约能源意味着发电量的减少。所有这些都集中于资源的合理利用，即可持续的能源政策发展。通过减少损耗而节省的功率及能量可以转化为等效的有害污染物排放的减少，这是我们所希望看到的。

就我们较为熟悉的最大能源消耗国美国而言，其政府陆陆续续推出了不少有关减少能源消耗的法令，希望能够减少煤炭、石油等的消耗，同时大力发展有利于环境保护的能源，例如核能、天然气等。与此同时，对于欧盟国家，例如德国，也非常重视减损工作的开展，响应号召，对落后老套的电力设施进行了积极改造，节能设备的研发也在政府的引导下紧锣密鼓的开展。

对于配电的优化，减少损失的政策可以包含短期和长期行动^[3][4]。

一些短期措施如下：确定配电网中最薄弱的区域并加以改进；通过重新布置配电站、安装附加变压器等，缩短配电馈线的长度；

长期措施可能涉及：完整配电馈线的测绘清楚地描述了各种参数，如额定电压、长度、安装的转换容量、转换点的数量、电路类型（地下、空中、混合）、负载等；将6千伏或10千伏电压等级替换为20千伏电压等级；用高效变压器替换旧变压器；编制有关现有负荷、运行条件、预期负荷预测等的数据。

同时，研究电力系统节能措施时发现，可以说其中大部分与线路和配电变压器有关。这些配电元件是电网中最大的亏损元件，也就是说对于这些配电元件的优化即意味着对于配电线路的优化。就配电变压器来说，其使用寿命相对较长（轻载或翻新变压器的估计寿命约为30年至50年），意味着单个变压器在其使用寿命期间积累了大量损耗，带来了一定的能源浪费并导致不合理性的发生^[5]。

当然与线路或电缆相比，变压器相对容易更换，其效率可以相当容易地分类、标记和标准化。据估计，世界范围内转换为高效变压器的节能潜力超过100TWh（欧盟每年可通过使用高效配电变压器节省22TWh左右，日本每年可节省24TWh左右，美国每年可节省45TWh，在中国每年的潜在节约约为47TWh），这种节约潜力不仅具有技术优势，而且具有经济和环境效益^[5]。考虑到全寿命周期成本，选择高效变压器通常是一个经济合理的投资决策，尽管它们的购买价格较高。因此，高效变压器为全球社会带来了经济收益。

我们投入了大量的人力和物力资源来建立我们的配电网络，并且出现了许多节能企业，它们帮助为不同的配电网络研发了新的设备和技术，促进了整个行业的发展。但是对于我们国家而言，处于发展中国家的我们，仍与发达国家之间存在着巨大差距，需要整个行业奋起直追、迎头赶上。

就计算理论线损而言，当前主要存在的研究方法分为两类：第一类是基于电力消耗元件的等效物理模型法；第二类就是基于数学优化的智能算法，在近些年，一系列新型计算方法如雨后春笋般涌现出来，大大丰富了研究方法

在国内外的相关研究中，关于减少能源损耗措施的研究目前也主要分为两大类，第一类是基于配电网络的运行方式，例如分段开关、联络开关的组合及其状态优化，新电源点的分布规划等；第二类就是在确定运行方式之后，对配电网络进行优化。例如，供电线路半径优化、变压器的经济运行方式、无功补偿方法、合理确定运行电压等，这些都在一定程度上对减损做出了贡献。

总的来说，目前在国外进行的关于减少能源损失措施的研究比国内研究要更加先进，包括使用大量新的配电自动化设备和新技术。就国外而言，他们更多的是研究配电网线损的分析计算，使计算结论作为参考，并以计算作为配电网络优化运行的基础，以尽量减少损失和优化效益。

1.3钢丝绳厂供配电设计内容及工作

本次设计的基本内容是以武钢集团冶金公司钢丝绳生产车间为背景，学习了解车间变电所、供电系统配电柜、配电线路等的基本设计原理和基本研究方法。具体设计中我们要参与大量一次设备的选型，如断路器、隔离开关等，要对车间变电所主变压器、车间变电所高低压进出线、变配电所进出线导线和电缆进行选择，使建设成本经济合理。要对电源进线的二次回路方案及继电保护方案进行选择，使电力供应安全可靠。整体方案的体现为用CAD绘图软件绘制出该车间变电所主结线、供电系统配电柜等的原理图设计,尽可能做到技术方案理论成熟、完备，详细可行。

本次设计的目标是依托于生产实际设计出车间变电所、供电系统配电柜等的原理图，保证车间配电线路投资最少并且能够经济运行，在此基础上，对车间变电所、配电线路进行优化设计，解决传统低压配电方式供电半径大，电压损失严重，无法保证电力用户的电压质量等弊端。

第2章 负荷计算及无功功率补偿

2.1负荷计算

2.1.1负荷分级及供电要求

根据《供配电系统设计规范》，工厂的负荷能力可分为三个层次，供应要求各不相同：

（1）一级负荷供电的不稳定或终止将会给经济上和政治上带来沉重的打击，可能会造成社会层次的动荡与不安，数以亿万计的财产损失。例如主要设备的损坏、精良产品的不合格等。电能供应中断的后果将是十分严峻的，因此需要两路电源供应，对于特别重要的一级负荷，除了两路电源之外，还需要应急电源的增加。

（2）二级负荷供电的中断将造成基础设施的破坏、废弃产品的数量增加、连续生产的中断、恢复速度缓慢、大型企业大量减产等，带来沉重的负担和巨大的经济损失，其后果仅次于一级负荷供电中断。可见二级负荷也很重要，理所当然，需要两路供电，其变压器也要求两台。

（3）排开一二级负荷均属于三级负荷，对其没有特殊的电源要求。

根据钢丝绳车间生产设备来看，车间电力负荷大多是一二级，一旦电力供应中断，其结果将是钢丝绳产品的不合格，有缺陷的产品将大大提高。企业将造成严重的经济损失，与此同时，当起重机设备投入使用时，突然发生的断电也可能造成人员伤亡，这是预料不到的，因此对确保电力供应的可靠性特别重要。

2.1.2负荷分类

（1）年最大负荷是全年负荷最大的工作班内消耗电能最大的半小时的平均功率。

（2）平均负荷是一段时间内消耗的总电能与时间的比值。

（3）计算负荷基本上对应于负载曲线上的半小时最大负荷。计算负荷影响供电设计合理性，计算不正确或误差过大将影响电气设备和导线的选择。如果计算过高，导电设备和导电电缆的选择就太大，造成经济不合理。如果负荷计算太小，则会使导电设备和电缆超载，增加功率损耗，造成过热，导致绝缘过早老化，甚至导致失火等更严重的损失。因此，负荷计算只能试图接近现实。

2.1.3负荷计算

二项式法和需要系数法在我国广泛使用，是设备计算负荷求解所必需的方法。二项式法限制较多，但在所需要计算的设备不多和容量相差较大的情况下，二项式是更为简便和合理的方法。在本次设计中，由于设备较多，我们优先考虑运用需要系数法。

需要系数计算式，为电力设备组的半小时最大负荷与其设备容量之比。因此，根据需要系数求取有功计算负荷的公式为。由于需要系数与单位数量、效率、性质、技术人员能力和电力设备生产组有关，因此该系数值应最大限度贴合现实。