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西安科技大学高新学院毕业论文（设计）

某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计

完成日期2012年12月15日

论文题目：某冶金机械修造厂全厂总降压变电所及配电系统设计

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西安科技大学高新学院毕业论文（设计）

专业：电气工程及其自动化

本科生：呼晓雄 (签名)＿＿＿＿

指导教师：马莉 (签名)＿＿＿＿

摘要

电能是工业生产的主要动力能源。随着工业电气自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能的质量、供电可靠性以及技术经济指标等要求也日益提高。供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂供电可靠性和工厂的安全生产上，它与企业的经济效益，设备和人身安全等是密切相关的。本论文设计的任务是保障电能从地区供电部门的出线处安全、可靠、经济、优质地送到工厂各部门。在设计中要遵循国家有关规程和规定，在保证供电可靠性和电能质量的前提下，尽可能做到节省投资，减少有色金属消耗量，降低运行费用，尽量采用供电新技术和新产品。

关键词:供电设计，电能质量，可靠，经济

Subject: a metallurgical machinery plants the total step-down transformer substation andpower

distribution system design

Specicalty:Electric Engineering and Automation

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Name:huxiaoxiong (Signature)

Instructor:mali (Signature)

ABSTRACT

The electricity is the main industrial production powerenergy.Along with the development of the technology industrylectrical automation, factory power consumption of rapid growth,to the electric power quality, power supply reliability and technical and economic index also demands is increasing day by day. Power design is perfect, not only affects the factory investment of capital construction and operation cost and non-ferrous metal consumption, but also reflect to the factory power supply reliability and safety production factory, it and the economic benefit of enterprise, equipment and safety, etc are closely related. This paper design task is to safeguard power from the power supply departments in their place is safe, reliable, economic, high quality to the factory each department. In the design principle of relevant state regulations and provisions, in order to ensure power supply reliability and power quality, under the premise of do save as far as possible investment, reduce non-ferrous metal consumption, lower operating costs, as far as possible the power supply new technology and new products.

Key words：power supply design, power quality, reliable, economic

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目录

1 绪论 (1)

1.1工厂供电的意义和要求 (1)

1.1.1 工厂供电的意义 (1)

1.1.2 工厂供电的要求 (1)

1.2 工厂供电的发展现状 (1)

1.3 工厂供电设计应遵循的一般原则及基本内容 (2)

1.3.1 工厂供电设计应遵循的一般原则 (3)

1.3.2 工厂供电设计的基本内容 (3)

2 负荷计算及无功补偿 (4)

2.1电气设备额定容量的确定 (4)

2.2 用电设备组计算负荷的确定 (4)

2.2.1 单组用电设备计算负荷的计算公式 (5)

2.2.2 多组用电设备计算负荷的计算公式 (5)

2.3车间用电设备计算负荷的确定 (6)

2.3.1 380V车间负荷计算 (6)

2.3.2 6kV车间计算负荷 (7)

2.3.3变压器损耗计算 (8)

2.3.4总降压变电所二次侧计算负荷 (9)

2.4无功功率补偿及其计算 (9)

2.4.1无功补偿方法 (9)

2.4.2无功功率补偿容量的计算 (9)

2.5 全厂计算负荷 (10)

3 变配电所及主变压器的选择 (11)

3.1 变电所形式、位置、数量的确定 (11)

3.1.1 工厂总降压变电所 (11)

3.2变压器容量和台数的选择 (12)

3.2.1工厂总降压变电所主变压器的台数和容量选择 (13)

3.2.2车间变电所变压器台数和容量的选择 (13)

4 变电所主接线方案的设计 (15)

4.1 变配电所主接线方案的设计原则与要求 (15)

4.2 变配电所常用电气主接线 (15)

4.3 总降压变电所主接线方式的选择 (18)

4.4 高压配电系统主接线方式的选择 (19)

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5 短路电流计算 (20)

5.1 短路类型及其发生的原因和危害 (20)

5.2 短路电流计算目的及方法 (20)

6 电气设备及其选择 (26)

6.1 导体和电气设备选择的一般原则 (26)

6.2 设备的选择及校验 (29)

6.2.1 35kV高压设备的选择与校验 (29)

6.2.2 6kV设备的选择与校验 (30)

6.2.3 380V设备的选择与校验 (31)

6.3 母线和各电压等级出线的选择 (32)

6.3.1 35kV进线的选择 (32)

6.3.2 35kV母线的选择 (33)

6.3.3 6kV高压母线的选择 (34)

6.3.4 各车间变电所到6kV母线联络线的选择 (35)

7 工厂供配电系统的继电保护 (39)

7.1 继电保护的基本知识 (39)

7.2 变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定 (39)

7.2.1 35kV变压器的保护 (40)

7.2.2 6kV变压器的保护 (42)

7.2.3 6kV母线的保护 (45)

8 防雷保护与接地装置的设计 (47)

8.1 变配电所和电力线路的防雷保护 (47)

8.1.1变配电所的防雷措施 (47)

8.1.2电力线路的防雷措施 (47)

8.1.3防雷设备的选择 (48)

8.2 接地装置的选择 (48)

8.2.1接地的概述 (48)

8.2.2接地方案的确定 (50)

致谢 (51)

参考文献 (52)

附录 (52)

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1 第 1 页 共 57页 1 绪论

1.1工厂供电的意义和要求

1.1.1 工厂供电的意

工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，也称工厂配电。众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其他形式的能量转换而来也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、调节和测量，有利于实现生产过程自动化，而且现代社会的信息技术和其他高新技术无一不是建立在电能应用的基础之上的。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。

随着工业电气自动化技术的发展，工厂用电量的迅速增长，对电能的质量、供电可靠性以及技术经济指标等要求也日益提高。一方面来说，工业生产实现电气化后，可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产力，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，如果供电突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。例如某些对供电可靠性要求很高的工厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大的设备损坏，或引起大量产品的报废，甚至可能造成人身伤亡事故，给国家和人民带来经济上甚至生态环境上或政治上的重大损失。

因此，供电设计是否完善，不仅影响工厂的基本建设投资、运行费用和有色金属消耗量，而且也反映到工厂供电可靠性和工厂的安全生产上，它与企业的经济效益，设备和人身安全等是密切相关的。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。

1.1.2 工厂供电的要求

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，并做好节能和环保工作，就必须达到以下基本要求：

1）安全

2）可靠

3）优质

4）经济 。

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，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

1.2 工厂供电的发展现状

变电站是电力系统中的—个重要环节，它的运行情况直接影响到电力系统的可靠、经

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2 第 2 页 共 57页 济运行。而—个变电站运行情况的优劣，在很大程度上取决于其二次设备的工作性能。要提高变电站运行的可靠性及经济性，一个最基本的方法就是提高变电站运行管理的自动化水平，实现变电站综合自动化，所谓变电站综合自动化，就是广泛采用微机保护和微机远动技术，分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号，经过功能的重新组合，按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程，从而实现数据共享和资源共享，使变电站设计简捷、布局紧凑，使变电站的运行更加安全可靠。

变电站自动化系统的基本功能包括：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等。目前应用较广泛的变电站自动化系统的结构形式主要有三种类型。

（1）集中式

（2）分散与集中相结合

（3）全分散式

变电站自动化的发展，使供电可靠性有了很大的提高，但是，要进一步缩短故障停电时间，很大一部分取决于馈线自动化的发展。必须在馈电线路上装设电动开关，配置馈线终端设备FTU ，对一些分支线路，还应装设故障指示器，并利用通信系统，向系统提供馈线运行数据和状态，执行系统下达的馈线开关遥控操作命令。非线性负载、电动机直接起动、不平衡负载、焊接设备以及家用电器设备增多，降低了电压质量。电压质量对现代电子设备及计算机系统影响极大。为此，提出系统应对电压进行连续测量和质量分析，噪声越限告警。同时，要根据实际需要选择不同的无功补偿方式。集成化、智能化和综合化是一发展趋势 。早期配电自动化的实施采用发展独立的、单项自动化系统来解决问题，如直接的负荷控制、大用户的远程抄表等，由于配电自动化的功能之间存在着不同程度的关联，其中大部分要求很难满足，且还无法克服在扩大应用规模时确认所需投资的合理性所遇到的困难。这种按"功能定向"的方法，已造成综合化水平非常低并带来若干反面影响，如功能重叠、数据的重复、灵活性很差和维修费用高等。另外，配电自动化系统作为一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含众多的设备和子系统，各功能、子系统之间存在着不同程度的关联，其本身及其所用技术又处于不断发展之中，对任一家制造商而言，根本不可能包揽一切。在馈线自动化方面，现有馈线终端设备不仅具有常规的遥测、遥信和遥控功能，且还集成了自动重合闸、馈线故障检测和电能质量的一些参数的检测功能，甚至集成了断路器的监视功能，且有进一步与断路器、开关相结合，机电一体化，发展成为智能化开关的趋势。显著地降低了建设、运行和维护的综合成本，为提高供电可靠性，创造了有利的条件。

1.3 工厂供电设计应遵循的一般原则及基本内容

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3 第 3 页 共 57页 1.3.1 工厂供电设计应遵循的一般原则

工厂供电设计必须遵守国家有关法令、法规、标准和规范，执行国家的有关方针、政策，如节约有色金属，以铝代铜，采用低能耗设备以节约能源等。

必须从全局出发，按照负荷的等级。用电容量、工程特点和地区供电规划统筹规划，合理确定整体设计方案。

工厂供电设计应做到供电可靠、保证人身安全和设备安全。要求供电电能质量合格、优质、技术先进和经济合理。设计应符合国家现行标准的效率高、能耗低、性能先进的设备。应根据整个工程的特点、规模和发展规划，正确处理工程的近、远期的建设发展关系，以近期为主，远、近结合，适当考虑扩建的可能性。

1.3.2 工厂供电设计的基本内容

在设计工厂供配电所系统时，须遵照以下程序进行。

1.负荷调查

2.电力负荷计算

3.确定供电电源

4.各级变电所主接线选择设计

5.短路电流计算

6.导线及电气设备选择

7.工厂内部配电系统设计

8.继电保护和二次接线设计

9.防雷保护和接地装置选择计算

10.绘制变配电所主接线图、平面图 综合前述设计结果。参照国家有关规定规程，进行变配电装置的总体布置。

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4 第 4 页 共 57页

2 负荷计算及无功补偿

工厂供电系统负荷计算的目的是确定工厂最大负荷，作为按允许发热条件选择供电变

压器、输电线路导线及开关电器等电气设备的依据。电力负荷计算的方法主有很多。需要

系数法计算简单对任何工业企业都适用，特别适用长期工作制用点设备占主要负荷的车间，计算结果基本符合实际。

计算负荷是用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。由于载流导体一般通电

半小时（30min ）后即可达到稳定的温升值，因此通常取“半小时最大负荷”作为按发热

条件选择电气元件的计算负荷。有功计算负荷表示为js P ， 无功计算负荷表示为js Q ，视在

计算负荷表示为s S ，而计算电流表示为js I 。用电设备组计算负荷的确定，此处采用的是需

要系数法。

2.1电气设备额定容量的确定

1.长期工作制电动机的设备容量等于其铭牌上的额定功率e P

2.反复短时间工作制电动机：

1）起重机电动机组应统一换算为%25=ε时的额定容量

N N e P P ε2=； （2-1）

2）电焊机组应统一换算为%100=ε，

N N N N N e S P P εϕεcos ==； （2-2）

3)电炉变压器的额定容量是指额定功率因数下的有功功率，

)(cos KW S P N N e ϕ=。 （2-3）

4）照明用电设备的额定容量等于灯具上标出的额定功率，即N e P P =

以上式中N P （单位为KW ）和N S （单位为KVA ）为对应于铭牌负荷持续率N ε的铭牌（额

定）容量，N ϕcos 为额定功率因数。

2.2 用电设备组计算负荷的确定

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5 第 5 页 共 57页 2.2.1 单组用电设备计算负荷的计算公式

1）有功计算负荷（单位为KW ）的计算公式 e d js P K P =（2-4）

式中 e P ——用电设备总的设备容量（不含备用设备容量）。 d K ——用电设备组需要系数。

2）无功计算负荷（单位为Kvar ）的计算公式 ϕtan js js P Q =（2-5）

式中 ϕtan ——对应于用电设备组功率因数ϕcos 的正切值。

3）视在计算负荷（单位为KVA ）的计算公式 ϕcos js

s P S =（2-6）

4）计算电流（单位为A ）的计算公式为

N js

js U S I 3=（2-7）

式中 N U ——用电设备组的额定电压（单位为KV ）

2.2.2 多组用电设备计算负荷的计算公式

1）有功计算负荷（单位为KW ）的计算公式 ∑∑=i js p js P K P ..（2-8）

式中 ∑js.i P ——所有设备组有功计算负荷js P 之和； p K .∑ ——有功负荷同时系数，可取0.85～0.95，此处取0.9。

2）无功计算负荷（单位为Kvar ）的计算公式 ∑∑=i js q js Q K Q ..（2-9）

式中 i js Q .∑——所有设备无功计算负荷js Q 之和； q K .∑——无功负荷同时系数，可取0.9～097，此处取0.9。

3）视在计算负荷（单位为KVA ）的计算公式

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6 第 6 页 共 57页 2

2js js s Q P S +=（2-10） 4）计算电流（单位为A ）的计算公式为

N js

js U S I 3=（2-11）

式中 N U ——用电设备组的额定电压（单位为KV ）

2.3车间用电设备计算负荷的确定

工厂计算负荷是选择工厂电源进线及主要电气设备包括变压器的基本依据，也是计算工厂功率因数及无功补偿容量的基本依据。

2.3.1 380V 车间负荷计算

1）各380V 车间有功功率计算负荷

1.NO 车间变电所：kW P K P e d js 8004.02000

=⨯== 2.NO 车间变电所：kW P K P e d js 4777.01104.01000

=⨯+⨯== 3.NO 车间变电所：kW P K P e d js 38175.0283.01200

=⨯+⨯== 4.NO 车间变电所：

kW P K P e d js 8.5239.02028.02035.085.185

3.022025.015085.0390=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==5.NO 车间:kW P K P e d js 5

4.281

65.0143.012.8875.02875.0300=⨯+⨯+⨯+⨯== 2）各380V 车间无功功率计算负荷

1.NO 车间变电所：kVar P Q e js 936

17.1800tan =⨯==ϕ 2.NO 车间变电所：kVar P Q e js 4.510

7.07702.1400tan =⨯+⨯==ϕ 3.NO 车间变电所：kVar P Q e js 55.728

75.02198.1360tan =⨯+⨯==ϕ 4.NO 车间变电所：

kVar P Q e js 87.54711833.16.533.103.6552.16617.15.3788.05.331

tan =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==ϕ5.NO 车间变电所：

kVar P Q e js 26.222

75.01.917.144.2675.02175.0225tan =⨯+⨯+⨯+⨯==ϕ 3）各380V 车间视在功率计算负荷

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7 第 7 页 共 57页 1.NO 车间变电所：kVA Q P S js js js 1231936800222

2=+=+= 2.NO 车间变电所：kVA Q P S js js js 6.6984.5104772222=+=+=

3.NO 车间变电所：kVA Q P S js js js 16.82255.7283812222=+=+=

4.NO 车间变电所：kVA Q P S js js js 98.75787.5478.523222

2=+=+= 5.NO 车间变电所：kVA Q P S js js js 7.35826.22254.2812222=+=+= 4）各380V 车间变电所计算电流 1.NO 车间变电所： A U S I N

js

js 187038.0312313=⨯== 2.NO 车间变电所：A U S I N

js

js 4.106138.036.6983=⨯== 3.NO 车间变电所：A U S I N

js

js 124938.0316.8223=⨯== 4.NO 车间变电所：A U S I N

js

js 5.145538.0398.9573=⨯== 5.NO 车间变电所： A U S I N js

js 54538.037.3583=⨯==

5) 380V 侧总负荷计算

380V 侧总有功功率:2217kW )281.54523.83814770.9(800=++++=js P 380V 侧总无功功率:kV ar 2651)222.26547.87728.55510.40.9(936=++++=js Q

380V 侧总视在功率：kVA Q P S js js s 8.345526512217222

2=+=+= 380V 侧总计算电流： A U S I N js

js 5.525038

.038.34553=⨯== 2.3.2 6kV 车间计算负荷

1）有功功率计算负荷

电弧炉：kW P K P e d js 22509.012502=⨯⨯== 工频炉：kW P K P e d js 480

8.03002=⨯⨯==

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8 第 8 页 共 57页 空压机：kW P K P e d js 425

85.02502=⨯⨯== 2）无功功率计算负荷 电弧炉：kVar P Q e js 55.128257.02250tan =⨯==ϕ 工频炉：kVar P Q e js 45.23048.0480tan =⨯==ϕ 空压机：kVar P Q e js 5.263

62.0425tan =⨯==ϕ 3）视在功率计算负荷 电弧炉：KVA P S js

s 2.258687.02250cos ===ϕ

工频炉：KVA P S js

s 3.5339.0480cos ===ϕ

空压机：KVA P S js

s 50085.0425cos ===

ϕ 4）计算电流

电弧炉：A U S I N

s

js 9.248632.25863=⨯== 工频炉：A U S I N

s

js 3.51633.5333=⨯== 空压机：A U S I N s js 1.48635003=⨯==

5）6kV 侧总计算负荷 6kV 侧有功功率：()KW P js 5.283942548022509.0=++= 6kV 侧有功功率：()var 76.15985.2634.2305.12829.0K Q js =++= 6kV 侧视在功率：KVA Q P S js js s 6.325876.15985.28392222=+=+= 6kV 侧计算电流：A U S I N s

js 6.313636.32583=⨯==

2.3.3变压器损耗计算

对于10~6kV 的低损耗变压器，估算式为

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9 第 9 页 共 57页 ⎭

⎬⎫=∆=∆s T s T S Q S P 06.0015.0（2-12） 有功功率和无功功率损耗在选择了变压器的型号和额定容量之后，计算式为 20βk T P P P ∆+∆≈∆（2-13）

N k S u I Q )100

%100%(200β+=∆（2-14） 式中 : β—负荷系数，N s S S /=β；0P ∆—变压器空载损耗，kW ；k P ∆—变压器短路损耗，kW ；%0I —变压器空载电流百分值；%k U —变压器短路电压百分值；s S —计算容量，kVA ；N S —变压器额定容量，kVA 。

2.3.4总降压变电所二次侧计算负荷

总降压变电所变压器二次侧的有功功率为

kW P P P P KV js T V js js 50905.2839

2217015.022176.380.=+⨯+=+∆+= 无功功率为

kVar Q Q Q Q KV js T V js js 440976.1598265106.026516.380.=+⨯+=+∆+=

视在功率为

kVA Q P S js js s 673444095090222

2=+=+= 计算电流为

A U S I N s js 6486367343=⨯=⨯=

90.076.06734

5090cos <===s js S P ϕ 不满足供电部门对本厂的功率因数要求，需要进行无功补偿。

2.4无功功率补偿及其计算

2.4.1无功补偿方法

在工厂中普遍采用并联电容器人工补偿，并联电容器补偿的方式有以下三种：

1.高压集中补偿

2.低压集中补偿

3.低压分散补偿。

2.4.2无功功率补偿容量的计算

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10 第 10 页 共 57页

无功功率补偿容量的计算式

()c c c c p q P Q ∆=-=21tan tan ϕϕ（2-15）

式中：c q ∆—无功补偿率，可直接计算或查表求取，kVar/kW ；

1tan ϕ—对应于原来的功率因数1cos ϕ的正切值，一般为0.6～0.7；

2tan ϕ—需要补偿到的功率因数正切值，一般为0.90～0.95.

考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此总降压变电所二次侧最大负荷是功率因数应稍大于0.9，暂取0.92来计算所需无功功率补偿容量：

()()[]kVar P Q c c 289092.0arccos tan 76.0arccos tan 6734)tan (tan

21=-=-=ϕϕ 并联电容器台数的确定

电容器实际容量Q c1与实际工作电压U 1平方成正比，即

2

1

1⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=N

cN c U

U Q Q （2-16） 式中：cN Q —单只电容器的额定容量，kVar 并联数为1

c c

Q Q n =

，对于单相电容器，n 应取3的整数倍，以便三相均衡分配。所以每相并联9个W BW 11203.6--电容器，即kVar Q KV c 32406.=

2.5 全厂计算负荷

全厂负荷计算表

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11 第 11 页 共 57页 3 变配电所及主变压器的选择

工厂供电的电源主要取自电力系统，其电压主要根据工厂负荷大小、电源至工厂距离以及地区电网可能提供的电压等级与有关电力部门协商确定。

工厂与电业部门所签定的供用电协议主要内容如下：工厂电源从电业部门某220/35kV 变压所，用35kV 双回架空线引入本厂，两个电源并列运行，该变电所距厂东侧8公里。

3.1 变电所形式、位置、数量的确定

3.1.1 工厂总降压变电所

1.工厂总降压变电所布置形式

工厂总降压变电所根据厂区范围大小，负荷分布情况，全厂可以设一个或几个，一般只设一个。工厂总降压变电所一般采用独立式，单独设在工厂某个地区。工厂总降压变电所35kV 及以上高压配电装置一般采用屋外式配电装置，但在个别情况下如大型冶炼厂、水泥厂、化工厂等释放有害气体、烟尘危害严重或受场地限制采用屋外装置有困难时才采用屋内配电装置。

工厂总降压变电所6～10kV 配电装置一般采用屋内配电装置，无出线电抗器可采用单独布置，有出线电抗器可采用二层布置或三层布置。

2.工厂总降压变电所位置的确定

工厂总降压变电所的位置与供电可靠性、经济性及电压质量有关，因此其位置确定很重要，要满足变配电所所址选择的原则。变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心。工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在工厂平面图下边和左侧，任作一直角坐标x 轴和y 轴，测出各车间和用电负荷点的坐标位置，例如()111,y x P 、()222,y x P 、()333,y x P 等。而工厂的负荷中心设在()y x P ,，P 为∑=+++i P P P P ...321，因此依照《力学》中计算重心的力矩方程，可以求得负荷中心的坐标：

()∑∑=++++++=i i i P x P P P P x P x P x P x ...

...321332211（3-1） ()∑∑=++++++=i

i

i P y P P P P y P y P y P y ......321332211（3-2） 测得五个车间变电所坐标分别为（1.6、7.7）（4.6、7.0）（3.7、8.9）（5.9、9.0）（0.5、

2.8）由于6kV 变压负荷中，电弧炉和工频炉只给铸钢车间和铸铁车间供电，其坐标分别问（2.4、6.3）（5.4、6.5）；而空压机是装设在空压站内的，其坐标为（5.2、9.0）。