电力工程基础课程设计

1、河北科技师范学院设计题目：设计题目：某机械加工厂 35/0.4Kv 变电所电气一次部分设计 系系 别：别： 机电工程学院 班班 级：级： 电气接本 1305 班 姓姓 名：名： 杜洪苗 指指 导导 教教 师：师： 宋冬冬 2 0 1 4 年6 月18 日0前言前言众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。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。在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小

2、（除电化工业外）。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，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，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，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。由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。本次设计根据课题提供的某机械制造厂

3、的用电负荷和供电条件，并适当考虑生产的发展，按照国家相关标准、设计准则，本着安全可靠、技术先进、经济合理的要求确定本厂变电所的位置和形式。通过负荷计算，确定主变压器的台数和容量。进行短路电流计算，选择变电所主接线方案及高低压设备与进出线,最后按要求写出设计说明书,并绘出设计图样。具体过程和步骤:根据工厂总平面图,工厂负荷情况,供电电源情况,气象资料,地区水文资料和电费制度等,先计算电力负荷,判断是否要进行无功功率补偿,接着进行变电所位置和型式选择,并确定变电所变压器台数和容量, 主接线方案选择,最后进行短路电流的计算,并对变电所一次设备选择和校验和高低压线路的选择。1目 录前言前言.1第一章第

4、一章 负荷计算和无功功率补偿负荷计算和无功功率补偿.3第一节 负荷计算的目的和方法.3第二节 全厂负荷计算的过程.3第三节 无功功率补偿.5第二章第二章 变电所的选择及主变压器的选择变电所的选择及主变压器的选择.7第一节 变电所的位置与型式选择.7第二节 主变压器的选择.7第三章第三章 短路电流的计算短路电流的计算.8第一节 短路及其原因、后果.8第二节 高压电网短路电流的计算.8第四章第四章 主要电气设备的选择与校验主要电气设备的选择与校验.12第一节主变 35KV 侧.12第二节 导线的选择.13第四节 继电保护配置与整定计算.14第五节 所用电设计.15第五章第五章 防雷和接地防雷和接地

5、.16第一节 直击雷防护.16第二节 雷电波侵入保护.16第三节 接地装置设计.16设计心得设计心得.18参考文献参考文献.192第一章第一章 负荷计算和无功功率补偿负荷计算和无功功率补偿第一节第一节 负荷计算的目的负荷计算的目的和方法和方法一、负荷计算的内容和目的 （1）求计算负荷，是选择确定建筑物报装容量、变压器容量的依据；（2）求计算电流，是选择缆线和开关设备的依据 （3）求有功计算负荷和无功计算负荷，是确定静电电容器容量的依据2、负荷计算的方法 （1）需要系数法用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。用于设备数量多，容量差别不大的工程计算，尤其适用于配、变电所和干线的负荷计

6、算。 （2）利用系数法采用利用系数求出最大负荷区间内的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数，得出计算负荷。适用于各种范围的负荷计算，但计算过程稍繁。第二节第二节 全厂负荷计算全厂负荷计算的过程的过程本设计各车间计算负荷采用需要系数法确定。主要计算公式有： 有功计算负荷（kW） deKPP 30无功计算负荷（kvar）: tan3030PQ视在计算负荷（kVA）：23023030QPS计算电流（A）: NUSI3/3030具体车间计算负荷如下表：3380v 侧计算负荷变压器功率损耗10KV 侧计算负荷车间有功负荷/KW 无功负 荷/KW视在负荷/KV.A变压器容

7、量/KV.A有功损耗/KW 无功损耗/Kvar有功计算负荷 P30/kw无功计算负荷 Q30/kvar视在计算负荷S30/kVA空气压缩车间850527100012509.6343.5856.93570.51029.47磨具车间680326.4754.38007.4852.4687.48378.8 784.93 蓉制车间697432.14820.0910008.2935.8 705.29467.94846.41 磨抛车间600372705.968007.234.4607.2406.4730.65封接车间637.5306707.18007.2634.5644.76340.5729.15配料车间5

8、604207008007.1433.96567.14453.96726.45锅炉房425204471.45005.4922.78 430.49226.78486.57 水泵房412.5309.4515.646305.3524.64 4417.85334.04535 仓库666.128.57800.2541.47766.2547.59766.688食堂、宿舍招待所2616.1230.59800.421.90226.4218.02231.98 办公楼10.55.0411.65800.2671.50810.7676.54812.60总计5020.5813211.0875980.10由于工厂区范围不大

9、，高压配电线路上的功率损耗可忽略不计，因此上表所示车间变压器高压侧设计的计算负荷可以认为就是总降压变电所出线上的计算负荷。取K=0.95从表中可知：有功计算负荷KWKW55.4769581.502095. 0P230）（4无功计算负荷var2924.22var09.321195. 0)2(30KKQ视在计算负荷5661.662)2(302)2(30)2(30QPSAKV 所以，总降压变电所低压侧功率因数0.9,所以要进行无功功率补偿。0.842cos)2(30)2(30SP第三节第三节 无功功率补偿无功功率补偿由于本设计中 cos=0.8420.9,因此需要进行功率补偿。由公式可知： )tan

10、(tan213030. PQN式中 补偿前的自然平均功率因数对应的正切值1tan 补偿后的功率因数对应的正切值2tan采用低压侧集中补偿的方法，为使高压侧功率因数达到 0.9，则补偿后的低压功率因数应达到 0.95校正前 64. 01tan,842. 01cos校正后 33. 02tan,95. 02cosvar1484)33. 064. 0( 4769.5530.KQN本次设计选用 BWF10.5-25-1W 型电容器，所需电容器个数为n=CNQ./q=/25=59.36,取 n=60，则实际补偿容量为CQ=2560=1500Kvar补偿后变电所低压侧视在计算负荷为)2(30S=22 150

11、0)-(3050.54 4769.55 =5015AKV 查附表 A-2 选择 S9-6300/35 型、35/10.5KV 的变压器，其技术数据如下0P=6.56kw，kP=36.90kw,0I%=0.6,KU%=7.5。变压器的负荷率为=5015/6300=0.8，则变压器功率损耗为30kwkw90.3664. 056. 620kwPPPKT5kvar340%)2%(1000KNTUISQ变压器高压侧计算负荷为kwkwkwPPPT55.47993055.4769)2(30)1(30var54.1890var340var)150054.3050()2(30)1(30kkkQQQTAKVQPS

12、.515854.189055.4799222)1(302)1(30)1(3093. 051584799.55cos)1(30)1(301QP9 . 093. 051584799.55cos)1(30)1(301则工厂进线处的功率为QP满足电业部门要求。补偿后的负荷如下表全厂负荷有功功率 P30/kw无功功率 Qc/kvar视在计算负荷(Sc/kVA)补偿前4769.552924.225661.66 补偿后4769.551890.545158补偿后功率因数（）cos0.93 补偿后的计算负荷表6 第二章第二章 变电所的选择变电所的选择及主变压器的选择及主变压器的选择第一节第一节 变电所的位置与型

13、式选择变电所的位置与型式选择变电所位置的选择，应根据下列要求经技术、经济比较确定： 一、接近负荷中心； 二、进出线方便； 三、接近电源侧； 四、设备运输方便； 五、不应设在有剧烈振动或高温的场所； 六、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧； 七、不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻； 八、不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范的规定； 九、不应设在地势低洼和可能积水的场所。三个电压等级，

14、且有大量一、二级负荷，所以应装设两台变压器。总计算负荷第二节第二节 主变压器的选择主变压器的选择 本变电所有两路电源供电，三个电压等级，且有大量一、二级负荷，所以应装设两台三相绕组变压器。总计算负荷为 KVAS66.561130每台主变压器容量应满足全部负荷 70%的需要，并能满足全部一、二类负荷的需要，即 KVAMVASSNT396355.56617 . 07 . 0307第三章第三章 短路电流的计算短路电流的计算第一节第一节 短路及其原因、后果短路及其原因、后果短路：指供电系统中不同电位的导电部分（各相导体、地线等）之间发生的低阻性短接。短路是电力系统最常见的一种故障，也是最严重的一种故障

15、 主要原因：电气设备载流部分的绝缘损坏，其次是人员误操作、鸟兽危害等。 短路后果： 短路电流产生的热量，使导体温度急剧上升，会使绝缘损坏； 短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏； 短路会使系统电压骤降，影响系统其他设备的正常运行； 严重的短路会影响系统的稳定性； 短路还会造成停电； 不对称短路的短路电流会对通信和电子设备等产生电磁干扰等。第二节第二节 高压电网短路电流高压电网短路电流的计算的计算为了选择高压电气设备，整定继电保护，必须进行短路电流计算。短路电流按系统正常运行方式进行计算。短路电流计算电路及短路点的设置如下图所示。 图短路电流计算电路及短路点的设置 因工厂厂区面积不大

16、，总降压变电所到各车间的距离不过数百米，因此总降压变电所 10kv 母线（k1 点）与厂区高压配电线路末端处（k3 点）的短路电流值差别极小，故只计算主变压器两侧 k1、k2 和车间变压器低压侧 k4 点的短路电流。 根据计算电路图作出计算短路电流的等效电路如下图所示。8 等效电路图利用标幺值法标幺值法计算1.确定基准值 取 ，A100MVdS37kV1dUkVUd5 .102kVUd4 . 03则 kA 1.56373100311kVAMVUSIdddkA 5 . 55 .103100322kVAMVUSIdddkA 3 .1444 . 03100333kVAMVUSIddd计算短路电路中各

17、主要元件的电抗标幺值1）电力系统当 *min1X= =100/1000=0.1时A1000MVmax).3(kSmax.kdSS当 时A500MVmin.(3)kS2 . 0500/100min.*max. 1kdSSX 2）主变压器 T1 11. 13 . 61001007*23 XX9 3）车间变压器 T2 6 . 325. 11001005 . 4*4X2.系统最大运行方式下三相短路电流及短路容量计算（1）在点的短路 总电抗标幺值为1K 1)电源至短路点的总电抗标幺值 0.60.50.1*min. 1*1XXX因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为1KkA 2.61.56/0.6

18、*111XIIdkkA 6.63kA6 . 255. 255. 211KshIi3.926kA2.6kA51. 151. 111KshIIAMVAMVXSd.67.166.6 . 0100S *1k1（2）在点的短路 总电抗标幺值为2K 16. 1211. 15 . 00.1*3*2*min. 1*2XXXXX因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为2K kA 4.74kA16. 15 . 5*222XIIdk kA 12.09kA74. 455. 255. 222KshIi 7.16kA4.74kA51. 151. 122KshII AMVAMVXSd.21.86.16. 1100S

19、*2k2（3）在点的短路 总电抗标幺值为4K 75. 46 . 3211. 15 . 00.1*4*3*2*min. 1*3XXXXXX10因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为4K kA 30.38kA 75. 45 . 5*333XIIdk kA 55.90kA38.3084. 155. 233KshIi 33.11kA30.38kA09. 151. 133KshII AMVAMVXSd.05.21.75. 4100S *3k3系统最小运行方式下短路电流计算过程从略，将计算结果汇总与下表 短路电流计算结果汇总表三相短路电流/kA短路容量/MV.A短路计算点运行方式KIshishIK

20、S最大2.66.633.926166.671K最小2.235.693.37142.86最大4.7412.097.1686.212K最小4.43.191.8980最大30.3855.9033.1121.054K最小29.8955.032.5320.62 11 第四章第四章 主要电气设备的选择与校验主要电气设备的选择与校验第一节主变第一节主变 35kV 侧侧主变 35kV 侧计算电流，由于 35kv 配电装置为室AAI92.103353630030外布置,各设备有关参数见附录表-3. 附录表-3 主变 35kv 侧电气设备安装地点电气条件设备型号规格项目数据项目SW2-35/1000断路器GW4-

21、35G /600隔离开关LCW-35 电流互感器JDJJ-35 电流互感器FZ-35 避雷器UN/kV35UN/kV3535353535I30/A103.92IN/A1000600200/5Ik/kA2.6I/kA16.5Sk/MVA166.67S/MVA1000Ish/Ka6.63kAimax4550=11 . 010024.14skAtIima22/11.4921.72.62 skAtIt221089516.521425=980=11 . 065242.25110kV 母线与 110kV 侧进线的电气设备与主变 110kV 侧所选设备。(2）主变 10kV 侧主变 10kV 侧计算电流选用

22、 GG-1A(F)-04 型高压开AAI4 .3645 .103630030关柜，各电气设备有关参数见附录表-4.附录表-4 主变 10kV 侧电气设备安装地点电气条件设备型号规格 项目数据项目SN10-101/630 高压断路器GN8-10T/600隔离开关LAJ-10 电流互感器UN/kV10UN/kV101010I30/A346.4IN/A100010001200/5Ik/kA4.74I/kA24.8Sk/MVA86.21S/MVA300Ish/Ka 12.09kAimax4052=76.374 . 0135212skAtIima22/4.7421.2=26.96 skAtIt22162

23、4=10242025=2000=506.2513 . 075210kV 母线与 10kV 侧进线的电气设备与主变 10kV 侧所选设备相同。（3）10kV 馈电线路设备 一去第一车间的馈电线路为例，由表知，一车间线路的计算负荷为 856.93KVA，其计算电流为10kV 馈AAI47.4910393.85630电线路设备选择方法与主变压器 10kV 侧相同，选用 GG-1A(F)-03 型高压开关柜。10kV 母线电压互感器及避雷器选用 GG-1A(F)-54 型高压开关柜。第二节第二节 导线的选择导线的选择 1.主变压器 35KV 侧引出线（1）按经济电流密度选择导线截面110kV 母线的最

24、大持续工作电流为 103.92A，设年最大负荷利用小时Tmax=6000h，查表 3-3 得，经济电流密度 jec=0.9A/mm2，则导线的经济截面为 22305 .1159 . 092.103mmmmjIAecec初选 J-185 型钢芯率绞线。表 3-2 架空线路按机械强度要求的导线最小允许截面面积 （单位 mm2）610kV 线路1kV 以下低压线路导线种类35kV 及以上线路居民区非居民区一般与铁路交叉时铝及铝合金线3535251616铜芯铝绞线2525161635铜线1616161616表 3-3 经济电流密度经济电流密度导线材料小于 300030005000大于 5000铝 线1

25、.651.150.9铜 线3.002.251.75铝芯电缆1.921.731.54铜芯电缆2.502.252.00（2）校验发热条件查附录表 A-8 和表 A-10 得,300C 时 LGJ-185 型钢芯铝绞线的允许载流量为 ,因此满足发热条件。AAAIa92.10348451594. 01（3）校验机械强度13查表 3-2 知，35kv 以上钢芯铝绞线最小允许截面为 35mm2，所选 LGJ-185满足机械强度要求。（4）校验热稳定度满足热稳定度的最小允许截面为2233min6 .52871 . 3106 . 210mmmmCtIAima实际选用的母线截面 185 mm2 52.6.8mm

26、2，所以热稳定度满足要求 。（5）10kV 汇流母线主变 10kV 侧引出线，按发热条件选择截面，然后进行热稳定度和动稳定度校验，最后选择 LMY-50 5 型矩形铝母线，计算过程同上。第四节第四节 继电保护配置与整定计算继电保护配置与整定计算1. 主变压器保护配置根据规程要求，容量为 6300 KVA 的变压器应配置以下保护：（1）瓦斯保护包括动作于信号的轻瓦斯保护和动作于跳闸的重瓦斯保护。（2）纵联差动保护无延时跳开主变三侧断路器，可作为变压器的主保护。 （3）过电流保护（4）零序保护作为变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。（5）过负荷保护保护装设在主变 35kV 侧，

27、动作后经延时发出预告信号。主变电压器保护总降压变压所主变压器容量为 6300KVA，根据规程要求，应装设瓦斯保护、电流速断保护、过电流保护以及过负荷保护、总降压变电所主变压器继电保护 电流速断保护 保护采用两相两继电器接线，继电器为 DL-11 型，电流互感器变比 Ki=200/5=40, 电按其流速断保护采用两相两继电器式接线,继电器为 DL-11 型,电流互感起变比 Ki=150/5=30 (35kV 出线的计算电流为 77.3A),动作电流按躲过线路末端最大短路电流整定,即 AAIKKIAAIKIopiWkopkreop72.4367.174840167.1748375 .101074.

28、 43 . 1.3max. 21灵敏度按保护安装处两最小相短路电流来校验,即 21 . 167.1748223023)2(min.opksIIK灵敏度不满足要求,因此改用电流电压联锁速断保护,整定从略。过电流保护采用三个电流互感器接成完全星形接线方式，继电器为 DL-11 型，电流互14感器变比 Ki=40，Kre=0.85,Kst=1.5,保护装置的动作电流按躲过线路最大负荷电流整定，即 AAIKiKIAAIKKIopWkopLrereop5 . 540220220)35363005 . 1 (8 . 02 . 1.max.1灵敏度按线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流来校验： 5 .

29、 19 . 422010375 .104 . 4233)2(min. 2opksIIK动作时间 t=1.5s。 （3）过负荷保护用一个 DL-11 型继电器构成，保护装置动作电流应躲过变压器额定电流，即 AAIKKINTrereop38.128353630085. 005. 11动作时间取为 10s.4.1 10kv 馈电线路保护由总降压变电所送至每个车间的线路需装设瞬时电流速断保护和过电流保护。保护采用两相两继电器式接线，继电器为 DL-11 型。其整定计算方法与主变压器保护相似，计算从略。第五节第五节 所用电设计所用电设计为保证所用电可靠性，所用变压器分别安装于 10kV 母线、段上，所用

30、变压器容量的选择，应按变电所自用电的负荷大小来选取。这里选两台型号为S9-50/10 的所用变压器可满足要求。15第五章第五章 防雷和接地防雷和接地第一节第一节 直击雷防护直击雷防护在变电所纵向中心轴线位置设两支间距 D=98m、高度为 h=35m 的等高避雷针，保护室外高电压配电装置、主变压器及所有建筑物。已知出线构架高12.5m（变电所最高点） ，其最远点距较近避雷针 11.5m，建筑物高 7m，其最远点距较近避雷针 18.7m。按“滚球法”校验避雷针保护范围如下：本变电所建筑物防雷级别为二级，滚球半径为 hr=45m。因为且，所以mhmhr4535mmhhhmDr8 .8735452(3

31、522(298避雷针在出线构架高度上的水平保护半径为 mmmhhhhhhrxrxrx8 .12)5 .12452(5 .12)35452(35)2()2(而其最远点距避雷针，可见出线构架在避雷针保护范围内。xrm 5 .11避雷针在建筑高度上的水平保护半径为 mmmhhhhhhrxrxrx8 .19)7452(7)35452(35)2()2(而其最远点距避雷针，可见建筑物也在避雷针保护范围内。 根据以上计算结果可知，变电所装设的 35m 等高避雷针能保护变电所内的所有设施。第二节第二节 雷电波侵入保护雷电波侵入保护 为防止线路侵入的雷电波过电压，在变电所 1-2km 的 35kv 进线段架设避雷线，主变压器各侧出口分别安装阀型避雷器。为保护主变压器中性点绝缘，在主变压器 35kV 侧中性点装设一台避雷器。第三节第三节 接地装置设计接地装置设计 查表 9-4，35kv 系统的接地电流为 7A，故要求接地电阻，由表 9-4，；10kv 系统的接地电阻要求不177/120/120EEIVR10ER大于；所用电 380/220V 系统的接地电阻要求不大于。故共用接地装置104