中南大学电气工程基础课程设计.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 电气工程基础课程设计 某冶金机械修造厂供电系统设计 姓名： 班级： 学号： 目 录 一概述 . 3 1. 设计目的 . 3 2. 设计内容 . 3 3. 设计要求 . 3 二、设计基础资料 .4 1. 生产任务及车间组成. 4 2. 设计依据 .4 3. 供用电协议 . 5 4. 本厂负荷性质.6 5. 自然条件. 6 三、主变压器及主接线设计.71. 各电压等级的合计负载及类型 .7 2. 改善功率因数装置设计 .10 3. 工厂总降压变电所的位置 .10 4. 主变压器的选择 .11 5. 接地方式.12 6. 型式的确定.12 7. 主接线设计.12 四、短路

2、电流计算 .13 1. 绘制计算电路 .13 2. 确定短路计算基准值 .14 3. 用于设备选择的短路电流计算 . 15五、电气设备选择 . 171. 电气设备选择的一般条件 . 17 2. 断路器和隔离开关选择 . 18 3. 导线的选择 . 20 4. 限流电抗器的选择 . 22 5. 电压互感器的选择 . 22 6. 电流互感器的选择 . 22 7. 高压熔断器的选择 . 23 8. 消弧线圈的选择 . 23 六、课程设计体会及建议 . 23 参考文献 . 24附录 . 24 短路电流计算书 . 24 附图：某冶金机械修造厂供电系统电气主接线图（#2 图纸） . 28 某冶金机械修造厂

3、供电系统设计说明书 一、概述 1. 设计目的 1) 复习和巩固电气工程基础课程所学知识 2) 培养分析问题和解决问题的能力 3) 学习和掌握变电所电气部分设计的基本原理和设计方法 2. 设计内容 1) 主变压器选择：根据负荷的大小、类型，选择主变压器的容量、台数、型式、电压等级、调压方式等。2) 电气主接线设计：可靠性、经济性和灵活性3) 短路电流计算：不同运行方式（大、小、主）、短路点与短路类型4) 主要电气设备的选择：断路器、隔离开关、母线及支撑绝缘子、限流电抗器、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、消弧线圈5) 编写“变电所电气部分设计”说明书，绘制电气主接线图（2图纸）6) 参加课程设

4、计答辩：课设的收获、体会，回答质疑3. 设计要求 1) 负荷计算；2) 工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择；3) 工厂总降压变电所主结线设计；4) 厂区高压配电系统设计；5) 工厂供、配电系统短路电流计算；6) 改善功率因数装置设计；7) 变电所高、低压侧设备选择；8) 继电保护装置及二次结线的设计；9) 变电所防雷装置设计（选做）。二、设计基础资料 1. 生产任务及车间组成1) 本厂产品及生产规模 本厂主要承担全国冶金工业系统矿山、冶炼和轧钢设备的配件生产，即以生产铸造、锻造、铆焊、毛坯件为主体，生产规模为：铸钢件1万吨、铸铁件3千吨、锻件1千吨、铆焊件2千5百吨。2) 本厂车

5、间组成（1） 铸钢车间；（2）铸铁车间；（3）锻造车间；（4）铆焊车间；（5）木型车间及木型库；（6）机修车间；（7）砂库；（8）制材场；（9）空压站；（10）锅炉房；（11）综合楼；（12）水塔；（13）水泵房；（14）污水提升站等，各车间位置见全厂总车间布置图，如图1所示。 （1）（2）（8）（5）（13）（4）（6）（9）（3）（7）（10）（12）（14）N图1 全厂总平面图（11）2. 设计依据1) 设计总平面布置图如图1所示2) 全厂各车间负荷计算表如下（表1、表2）表1 各车间380V负荷序号车间或用电单位名称设备容量（kW）计算负荷变压器台数及容量备注（kW）（kVar）（kV

6、A）（1）No.1变电所1铸钢车间28000.40.651.1720.9（2）No.2变电所1铸铁车间9000.40.71.0220.92砂库1000.70.61.33（3）No.3变电所1铆焊车间13000.30.451.9810.921水泵房330.750.80.75（4）No.4变电所1空压站3700.850.750.8812机修车间1400.250.651.173锻造车间2200.30.551.524木型车间1800.350.61.335制材场250.280.61.336综合楼250.911（5）No.5变电所1锅炉房3200.750.80.75122水泵房300.750.80.753

7、仓库（1、2）88.120.30.651.174污水提升站200.650.80.75表2 各车间6kV负荷序号车间或用电单位名称设备容量（kW）计算负荷说明（kW）（kVar）（kVA）1电弧炉212500.90.870.572工频炉22500.80.90.483空压机23200.850.850.623. 供用电协议 工厂与电业部门所签订的供用电协议主要内容如下：（1）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，其中一个作为工作电源，一个作为备用电源，两个电源不并列运行，该厂变所距厂东侧9公里。（2）供电系统短路技术数据表3 区域变电所35kV母线短路数据系统运行

8、方式短路容量说明最大运行方式最小运行方式 供电系统如下图（图2）所示：区域降压变电所 220/35kV本厂总降压变电所 （待设计）d(3)d(3)l=9km =0.4/km（同上）图2 供电系统图（3）电业部门对本厂提出的技术要求 区域变电所35kV配出线路定时限过流保护装置的整定时间为2秒，工厂“总降”不应大于1.5秒； 在总降压变电所35kV侧进行计量； 本厂的功率因数值应在0.9以上。4. 本厂负荷性质本厂为三班工作制，最大有功负荷年利用小时数为6000小时，属于二级负荷。5. 自然条件1) 气象条件（1）最热月平均最高气温为30；（2）土壤中0.71米深处一年中最热月平均温度为20；（

9、3）年雷暴日为31天；（4）土壤冻结深度为1.1米；（5）夏季主导风向为南风。2) 地质及水文条件 根据工程地质勘探资料获悉，厂区地址原为耕地，地势平坦，地层以砂质粘土为主，地质条件较好，地下水位为2.85.3米，地耐压力为20吨/平方米。三、主变压器及主接线设计 1. 各电压等级的合计负载及类型 (1) 电压等级 待建变电所的电压等级为 220kV/35kV/6kV/380V。 (2) 合计负载及类型 表1 各车间380V负荷序号车间或用电单位名称设备容量（kW）计算负荷变压器台数及容量备注（kW）（kVar）（kVA）（1）No.1变电所1铸钢车间28000.40.651.17112013

10、10.41723.120.9（2）No.2变电所1铸铁车间9000.40.71.02360514.3367.220.92砂库1000.70.61.3370116.793.1（3）No.3变电所1铆焊车间13000.30.451.98390772.2866.710.921水泵房330.750.80.7524.818.631（4）No.4变电所1空压站3700.850.750.88314.5276.8419.310.92机修车间1400.250.651.17354153.83锻造车间2200.30.551.5266100.31204木型车间1800.350.61.336383.81055制材场25

11、0.280.61.3379.311.76综合楼250.91122.522.522.5（5）No.5变电所1锅炉房3200.750.80.7524018030010.922水泵房300.750.80.7522.516.928.13仓库（1、2）88.120.30.651.1726.430.940.64污水提升站200.650.80.751317.316.3表2 各车间6kV负荷序号车间或用电单位名称设备容量（kW）计算负荷说明（kW）（kVar）（kVA）1电弧炉212500.90.870.5722501282.52586.22工频炉22500.80.90.48400192444.43空压机23

12、200.850.850.62544337.3640本设计采用需要系数法确定。主要计算公式有：有功功率： ，为需要系数无功功率： 视在功率： 总的有功计算负荷为： ，K为同时系数 总的无功计算负荷为： 总的示载负荷为： No.1变电所计算示例： 380V低压侧计算负荷为 6K/380V变压器功率损耗为 6kV高压侧计算负荷为 同理，算出其他变电所6kV高压侧的负荷，与各车间6kV负荷列表如下：序号车间或用电单位名称计算负荷（kW）（kVar）（kVA）1No.1变电所1031.31272.51637.92No.2变电所397.3609.1727.23No.3变电所385.4760852.14No

13、.4变电所467.1520.1699.15No.5变电所277.2267.1384.96电弧炉22501282.52586.27工频炉400192444.48空压机544337.3640所以35kV/6kV变压器低压侧负荷为 变压器损耗为 35kV/6kV变压器高压侧负荷为 2.改善功率因数装置设计工厂中由于有大量的电动机、电焊机及气体放电灯等感性负荷，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提供其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，则需考虑人工补偿。要求工厂最大负荷时的功率因数不得低于0.9，而由上面的计算可知=0.7390.9，因此需要进行无功补偿，

14、低压侧补偿后的功率因数应略高于0.9，这里取。要使低压侧功率因数由0.739提高到0.92，低压侧需装设的并联电容容量为： 取2400kvar综合考虑，采用柜式并联电容器补偿装置，可选用TBB6-3000/100AK型号。其额定容量为3000kVar，单台容量为100kVar，额定电压为6kV，额定电流为262A。无功补偿后 3.工厂总降压变电所的位置1) 用户变所所选址的选择应考虑以下原则： 尽量靠近负荷中心，减小配电所系统的电能损耗和电压损耗 进出线方便特别是采用架空进出线，要考虑这一点 接近电源侧，对总变配电所特别要考虑这一点 不应设在爆炸危险和有火灾危险的环境的正下方2） 工厂的负荷中

15、心按负荷功率矩法来确定，以左上点为原点，作一直角坐标的X轴和Y轴,然后测出各车间负荷点的坐标位置,例如P1(x1,y1) 、P2(x2,y2) 等，、等分别代表车间1、2等的功率，可得负荷中心的坐标： 按比例在工厂平面图中测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置表3.1所示。表3.1各车间负荷点的坐标位置车间号1234567有功负荷（kw）377036066390633570X()3.779.93.211.15.94.2Y()5.35.30.80.72.80.47.3车间号891011121314有功负荷（kw）7858.524022.524.822.513X()10.86.41.013.10.80

16、.87Y()5.31.68.51.070.48.2 将电弧炉和工频炉归为铸钢车间，空压机归为空压站。由计算结果可知，x=4.3，y=4.5,工厂的负荷中心在1号厂房中心的东北方向附近（参考以下图1）。考虑的方便进出线及周围负荷情况，决定在1号厂房的东北侧修建工厂总降压变电所。变电所（1）（2）（8）（5）（13）（4）（6）（9）（3）（7）（10）（12）（14）N图1 全厂总平面图（11）4.主变压器的选择 (1) 台数的选择 选用两台主变压器，并列运行且容量相等。(2) 容量的选择 对于有重要负荷的变电站，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在设计及过负荷能力后的允许时间内，能保证

17、全部负荷的 60%70%. ,当一台停运时，另一台则承担 3.4MVA4.0MVA。故选两台4MVA的主变压器就可满足负荷需求。 (3) 校验变压器的负荷 变压器的负荷率 由负荷校验可知，变压器选择合理。(4) 校验事故情况下的过载能力 一台主变压器停运 考虑到变压器有一定的过负荷能力，自然油循环的变压器过负荷不应超过50%，强迫油循环的变压器过负荷不应超过 30%，采用自然油循环，故该设计的过载能力满足要求。 5.接地方式 我国 110kV 及以上电压变压器绕组都采用 Y 连接；35kV 采用 Y 连接，其中 性点多通过消弧线圈接地。35kV 以下电压变压器绕组都采用连接。 6.型式的确定

18、减少电压波动所以选择有载调压方式，主变压器选用有载双绕组变压器。 故选择主变压器参数型式为S11-4000kVA/35/6kV 型油浸式三相双绕组电力变压器。 详细参数如下： 7.主接线的设计 根据国家标准GB50059-92 35110kV 变电所设计规范变电所的主接线， 应根据变电所在电力网中的地位、出线回路数、设备特点及负载性质等条件确 定。并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要 求。按照以上要求对主接线进行选择。 (1) 35kV 侧 结合国家标准，将以下两种可靠性较高的方案列为备选方案： 方案一：单母线分段带旁母接线 方案二：双母线接线 表 35kV 侧主接

19、线方案比较 比较项目方案一 方案二 技术方面1. 简单清晰、操作方便 2. 可靠性较差，未接旁母回路检修仍需停电 3. 母线分段减少了故障或检修时的停电范围 1. 可靠性高、调度灵活 2. 易于扩建为大中型变电所 3. 线路复杂，容易误操作 经济方面1. 用母线分段断路器兼作旁路短路器节省投资 2. 设备少、占地小设备多、配电装置复杂 综合以上分析，虽然双母线接线的方案具有供电更可靠，调度更灵活，又 便于扩建的优点，但常常还需采取在断路器和相应的隔离开关之间加装电磁闭 锁、机械闭锁或电脑闭锁等防止误操作的安全措施，大大增加了投资，只在我 国大中型发电厂和变电站中广泛使用。对于机械修造厂供电系统

20、，在满足重要 负荷供电需求的同时应考虑投资的经济性。综上，35kV 侧选用单母线分段带旁母接线。 (2) 6kV 侧 根据国家标准，当变电所有两台主变压器时，610kV 侧宜采用分段单母线。 线路为 12 回及以上时，亦可采用双母线。当不允许听见检修断路器时，可设置 旁路设施。当 635kV 配电装置采用手车式高压开关柜时，不宜设置旁路设施。 以下两种方案作为备选方案： 方案一：单母线分段接线 方案二：单母线分段带旁母接线 表 6kV侧主接线方案比较 比较项目方案一 方案二 技术方面1. 简单清晰、设备较少 2. 可靠性、灵活性较差 3. 母线分段减少了故障或检修时的停电范围 1. 可靠性更

21、2. 检修断路器不用停电 3. 容易误操作 经济方面设备少、投资小占地大、投资多 由以上分析可知，采用手车式高压开关柜时，可不设置旁路设施，对供电 可靠性的影响不大。折中考虑可靠性和经济性，6kV侧采用单母线分段接线。 四、 短路电流计算 工厂供电系统的设计和行不仅要考虑正常运行状态，还要考虑可能发生故障及非正常工作状态。其中短路故障危害最大，短路的电流引起的电气设备热效应和力效应使设备损坏，电压降落严重影响非故障元件的正常运行。但是只要正确选择电气设备，满足短路电流的动稳定、热稳定要求，采取限制短路电流的措施就可以完全消除或减轻短路电流的危害。 进行短路电流计算时要考虑供电系统的最大运行方式

22、和最小运行方式。在最大运行式下，通过故障元件的短路电流值最大，作为选择和校验电气设备的依据及继电保护整定计算的依据；在最小运行方式下，通过保护安装处的短路电流最小，可作为继电保护校验灵敏度的依据。 1、绘制计算电路，如下图所示 2、确定短路计算基准值1）设=100MVA，即高压侧=37kV，中压侧=6.3kV，低压侧，则 2）架空线路 查资料得，而线路全长为9km，故 3）电力变压器 查S11-4000kVA/35/6kV 型油浸式三相双绕组电力变压器的参数得，故 对于6KV出线线路的电阻，由于距离太短可以忽略不计。4） 变压器 查S9-1000kVA/6/0.4kV 型配电变压器的参数得，故

23、 ； 3、用于设备选择的短路电流计算当时， 1）计算K1点的短路电流总阻抗及三相短路电流的短路容量 总阻抗标幺值： 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： 冲击电流为 三相短路容量： 2) 计算K2点的短路电流总阻抗及三相短路电流的短路容量 总阻抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： 三相短路容量：3）计算K3（K-4相同）点的短路电流总阻抗及三相短路电流的短路容量 总阻抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： 三相短路容量：4）计算K5（K-6、K-7相同）点的短路电流总阻抗及三相短路电流的短路容量 总阻抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他短路电流：

24、 三相短路容量：当时， 计算与最大运行方式类似，计算结果列表如下：最大运行方式下 时短路计算结果短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk-12.052.052.055.233.10132k-26.076.076.0715.489.1766.2k-3/438.3938.3938.3997.8957.9726.6k-5/6/724.0224.0224.0261.2536.2716.69最小运行方式下时短路计算结果短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVAk-11.881.881.884.792.84120.5k-25.805.805.8014.798.7663.3k-3/437.6

25、937.6937.6996.1156.9126.1k-5/6/723.7423.7423.7460.5435.856.45五、电气设备及其选择1.电气设备选择的一般条件 电气设备应能满足正常、短路、过电压和特定条件下安全可靠的而要求，并力求技术先进和经济合理。通常电气设备选择分三步，第一按正常工作条件 选择，第二按短路情况检验其热稳定性和电动力作用下的动稳定性，第三按实 际条件修正。同时兼顾今后的发展，选用性能价格比高，运行经验丰富、技术成熟的设备，尽量减少选用设备类型，以减少备品备件，也有利于运行、检修等工作。 电气设备选择的一般原则为： 1) 应满足正常运行检修短路和过电压情况下的要求并考

26、虑远景发展2) 应满足安装地点和当地环境条件校核3) 应力求技术先进和经济合理4) 同类设备应尽量减少品种 5) 与整个工程的建设标准协调一致 6) 选用的新产品均应具有可靠的试验数据并经正式签订合格的特殊情况下 选用未经正式鉴定的新产品应经上级批准 技术条件： 选择的高压电器，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下 保持正常运行。2.断路器和隔离开关的选择 高压断路器在高压回路中起着控制和保护的作用，是高压电路中最重要的电器设备。待建变电站在选择断路器的过程中，尽可能采用同一型号断路器，以减少备用件的种类，方便设备的运行和检修。真空断路器具有噪音小、无污染、可频繁操作、使用寿命和检

27、修周期长、开距短，灭弧室小巧精确、动作快、适于开断容性负荷电流等特点，因而被大量使用于 35KV 及以下的电压等级中。考虑到可靠性和经济性，方便运行维护和实现变电站设备的无由化目标，35KV 侧和 6KV 侧采用真空断路器。 隔离开关是高压开关设备的一种，它主要是用来隔离电源，进行倒闸操作的，还可以拉、合小电流电路。选择隔离开关时应满足以下基本要求： 1. 隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。 2. 隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。 3. 隔离开关在跳、合闸时的同期性要好，要有最佳的跳、合闸速度，以尽可能降低操作时的过电压。 (1)35kv

28、侧断路器： 型号的选择 SW2-35/1000额定电压额定电流开断容量额定开断电流35KV1KA1500MVA24.8KA短路关合电流热稳定电流固有分闸时间合闸时间39.2KA24.8KA(4s)0.06s0.04s额定电压 35kv35kv选择断路器的额定电压 35kV 等于系统母线电压 35kV。 按额定电流选择 1000A 额定开断电流 24.8KA2.05KA 短路关合电流 断路器合闸于有潜伏性故障的线路时，经历一个先合后分的操作循环，此时断路器应能可靠地开断。在电压额定时，能可靠关合、开断的最大短路电流称为额定关合电流，它是表征断路器灭弧能力、触头和操动机构性能的重要参数之一，用以下

29、公式校验： 选择的断路器的短路关合电流 26.2kA 远远大于短路电流的冲击值 5.23kA，故满足关合定 所选的断路器的全开断时间（断路器固有分闸时间+电弧持续燃烧时间）不大于 0.06s，所以满足35kv电网合、分闸时间要求。 热稳定校验 电气设备一般由厂家提供了热稳定电流和热稳定时间 t，热稳定的校验式简化为： 其中是热效应的等效时间，热稳定计算的等效时间等于四个时间之和，即继电保护动作时间+断路器固有分闸时间+断路器灭弧时间+非周期分量热效应的等效时间。因短路电流持续时间 1s，导体的发热主要由周期分量决定，所以可不计非周期分量的影响。所选的断路器的全开断时间（断路器固有分闸时间+电弧

30、持续燃烧时间）不大于 0.06s，待建变电所后备保护动作时间取2s，所以热效应的等效时间2.06s。35kV 线路侧热效应的等效时间为3s。代入公式满足热稳定要求。 额定容量 所选的断路器额定开断容量 满足要求。 操动机构的选择 断路器的操动机构分为电磁式、弹簧式、液压式。液压弹簧式几种，各种类型的操动机构都有一定的优缺点。断路器进行合闸、分闸、重合闸操作，并保持在合、分闸状态，这些功能 都是由操动机构完成的。所以，操动机构是决定断路器性能的关键部件之一，其好坏直接影响到断路器的技术性能。型号简单说明：S手动式.(2)35kv侧隔离开关： 隔离开关的选择与断路器的选择过程差不多，唯一的差别就是

31、隔离开关没有开断电流的要求，不必校验开断电流，其他选择项目与断路器相同。采用型号GW2-35/600。额定电压额定电流热稳定电流动稳定电流操动机构35KV600A14KA(5s)50KACS8-3（3）6kv侧高压开关柜：开关柜为三相设备，包括母线、断路器、熔断器、避雷器、电流互感器和电压互感器及其完整的配线和其它必要的附件。高压开关柜是以断路器、开关等主要元件组成的成套配电装置，它用于配电系统，作接受与分配电能之用。这类装置的各组成 元件，按主接线的要求以一定的顺序布置在一个或几个金属柜内，具有占地少，安装、使用方便，适用于大量生产等特点，应用广泛。倒闸操作比较频繁时，一般采用固定式开关柜。

32、采用型号KYN28-12。开关柜主要技术参数序号名称单位数据1额定电压KV62最高工作电压KV7.23额定电流A12504额定频率Hz505额定短时耐受电流KA256额定峰值耐受电流KA807额定短时持续时间S48防护等级IP4X3. 导线的选择 (1) 选择原则： 发热条件：导线在通过正常最大负荷电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。 载流量条件：按周围环境温度校正后的允许载流量不小于最大工作电流。低压配电线路由于线路短，电压损耗也较小，导线截面主要按允许的载流量条件选取。 电压损失条件:导线在通过正常最大负荷电流时，产生的电压损失不应超过正常运行时的允许的电压损失。一般

33、 10kV 及以下电压等级的送电线路往往按允许电压损耗选择导线截面，再按允许载流量、机械强度条件校验。 经济电流密度条件：对 35kV 及以上高压线路或 35kV 以下但距离长，电流大的线路者用此条件选择机械强度条件：导线截面应不小于其最小允许截面。 检验热稳定时，按公式:校验动稳定时，按公式，其中为母线材料允许应力，为母线材料所受最大应力。 尽量选同型号设备以便于维修。 (2) 35kV侧母线选择：1) 母线的材料、截面形状、布置方式 考虑到35kV侧电流不大，为节省开支，采用矩形铝母线平放。2) 截面选择按经济电流密度选择：已知回路最大负荷利用小时数，查表得计算得，选择型3) 热稳定校验由于截面积小，不考虑趋肤效应，因此校验公式为当导体短路前温度取正常运行时的最高允许温度70，铝导体短路时发热最高允许温度为200时，铝导体C值为87，取区域变电所35kV配出线路定时限过流保护装置的整定时间2秒为短路时间，计算得符合要求4) 动稳定校验 根据GB50060 - 2008不同相带电部分之间的安全净距6kV为100mm、