电气工程基础课程设计 16527字 投稿：史熚熛.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电气工程基础课程设计 16527字 投稿：史熚熛.精品文档.电气工程基础课程设计 16527字 投稿：史熚熛 电气工程基础是我校电气自动化专业新开设的专业基础课程之一，而本次课程设计是在学习完电气工程基础这门课程后一个重要性的实践性教学环节。目的是让我们更多的接近实践。在大三第一学期的电气工程基础理论课程中，我们学习了工厂电力负荷及其计算，短路电流及其计算，工厂变配电所及其一次系统，工厂的电力线路，二次回路和电力装置等方面的知识。通过该课程设计可以进一步对所学知识的掌握，了解变电所的基本原理和设计方法，培养独立分析问题和解决问题的能力。并对电

2、力行业中的相关常识得到了解，同时对电力行业的各种绘图工具有所了解，训练作为一名电气工程师在各个方面的综合能力，为今后在工作岗位上奠定扎实的基础。本次课程设计是对某轧钢车间降压变电所的电气设计，根据本车间所取得的电源及本车间用电负荷实际情况，并适当考虑到车间生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求。确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，选择整定机电保护装置，确定防雷和接地装置等。按照国家标准进行该降压变电所的电气设计。要求做到安全、可靠、优质、经济的基本要求。并处理好局部与全局、当前与长远利益的关系，以便适应今后发展的需要。在

3、设备及材料的选择上还要注意电能和有色金属的节约等问题。由于对专业知识还是刚接触，学得也还不扎实，设计当中不免存在各种未考虑实际情况的问题，敬请老师和读者理解并批评指正，本人不胜感激。 目 录前 言第一章 设计任务 . 31.1 设计题目 . 3 1.2 设计目的与要求 . 3 第二章 负荷计算和无功功率补偿 . 52.1负荷计算和无功功率计算 . 5 2.2全厂负荷计算 . 7 2.3无功功率补偿 . 8 2.4 全厂年耗电量计算 . 10 第三章 变电所主变压器及主接线方案的设计 . 113.1 变电所主变压器的选择 . 11 3.1 变电所主接线方案的选择 . 12 3.1 主接线方案的技

4、术经济比较 . 错误！未定义书签。 第四章 短路电流的计算 . 124.1 短路的原因及后果 . 13 4.2 标幺值法计算电路短路电流 . 13 第五章 变电所一次设备的选择与校验 . 155.1一次设备选择的一般原则 . 15 5.2变电所高压一次设备的选择 . 16 5.3 变电所低压一次设备的选择 . 17 5.4 高低压母线的选择 . 18 第六章 变电所进出线选择与校验 . 186.1 导线和电缆的选择原则 . 19 6.2 高低压母线的选择 . 19 6.3高低压进出线的选择 . 20 6.4 作为备用电源的高压联络线的选择校验 . 21 第七章 变电所二次回路方案选择及继电保护

5、整定 . 237.1 二次回路方案选择 . 23 7.2 主变压器的继电保护装置 . 23 7.3 备用电源的高压联络线的继电保护装置 . 25 7.4 变电所低压侧的保护装置 . 25 结 束 语. 26 参考文献. 27第一章 设计任务1.1 设计题目某轧钢车间变电所的电气设计1.2 设计目的与要求根据本车间所取得的电源及本厂用电负荷实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求。确定变电所的型式，确定变电所主变压器的台数与容量、类型，选择变电所主结线方案及高低压设备和进出线，选择整定机电保护装置，最后按要求写出说明书，绘出设计图样。 1.2.1 工厂负荷情况

6、 该车间全部为二级负荷该车间年最大有功负荷利用小时数Tmax=6500小时低压动力设备均为三项，额定电压为380V，电气照明及家用电器均为单相，额定电压为220V，本车间负荷统计资料为下表： 附表1 小型轧钢300型车间用电设备一览表 1.2.2 供电电源情况 按照工厂与当地供电部门签订的供用电协议规定，该车间由本厂总降压变电所提供两回电源，总降压由地区变电所提供电源，电气接线图及主要参数如图一所示：轧钢车间变电所距总降压变电所电气距离按1.5km考虑。 地区变电所35kV侧母线发生三相短路时 地区变电所 Up=35KV总降压变电所 Ue=10KV 去轧钢车间 轧钢 （1） 1.2.3 气象资

7、料 该厂所在地区的气象及其他有关资料：a. 要求车间变电所低压侧的功率因数为0.85。高压侧功率因数为0.95。 b. 年平均温度及最高温度 最热月平均最高温度35年平均温度 18最热月土壤平均温度 30 第二章 负荷计算和无功功率补偿供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了应满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是满足负荷电流的要求。因此有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行统计计算。计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。计算负荷是供电设计计算的基本依据，计算负荷确定得是否

8、正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。2.1负荷计算和无功功率计算车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，主要涉及的计算公式如下：在负荷计算时，我国目前普遍采用的确定方法有需要系数法和二项式法。需要系数法是国际上普遍采用的方法，最为简便，二项式法的应用局限性较大。因此，在本设计中，我们采用需要系数法对各个车间进行计算，并将照明和动力部分分开计算，主要涉及的计算公式如下：有功功率计算：PC=PNKd 无功功率计算: QC=PCtanj 视在功率计算:SC=PC/cosj 计算电流:动力IC=SCN)/3*UN）照明IC=SC（ 根据上述所给有功功率、无功功率、视在功率和计算电流

9、的相关公式，我们按设计要求，选择各厂房的设备容量、需要系数和功率因素，计算出对应的计算负荷，填于表2-1中。计算各车间的动力和照明计算负荷如表2-1所示。 2.2全厂负荷计算按照需要系数法进行计算全厂负荷，多组用电设备中，我们取同时系数根据表2-1可以计算出：全厂有功功率：P （PCi+P）C=K照明=0.9*（21+32+3.85+4.725+10.5+1.575+4.5+1.575+2.625+14+1.575+64+3.85+14.4+3，其中称为需要系数。在50+350+4.9+28+10+35+18+22.8）=898.9kw全厂无功功率：QC=KQCi =0.9*（15.75+18

10、.13+3.08+3.54+7.87+1.18+3.37+1.18+2.24+7.93+1.18+36.27+3.0+8.92+198.3+198.3+3.93+23.94+6.45+544.64）=980Kvar全厂视在功率：SC=A低压侧功率因数：cosj=PC/SC=998.9/1399.27=0.713因为满足不了高压侧在最大负荷时功率因素不低于0.9，低压侧不应低于0.85的要求，所以要进行无功功率补偿。2.3无功功率补偿在所设计的系统中，当出现充分发挥设备潜力、改善设备运行性能、提高其自然功率因素的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数要求时，需要考虑增设无功功率补偿装置，在我国相关部

11、门规定高压侧在最大负荷时功率因素不低于0.9，低压侧不应低于0.85。无功补偿装置主要有三种：并联电容补偿、同步补偿机和静止无功补偿器。三种无功补偿装置的性能见表2-2。 表2-2 三种无功补偿装置的比较由上表可见，采用并联电容器进行无功补偿是一种投资少、施工简单、见效快的补偿方式，它可以很方便的就地控制电容投切，以减少线损，消除无功馈乏给系统带来的负面影响。所以我们选用并联电容器来补偿。并联电容器的装设方式有高压集中补偿，低压集中补偿和单独就地补偿三种。其中高压集中补偿补偿范围小，只能补偿总降压变电所的10KV母线之前的供配电系统中由无功功率产生的影响，而对对无功功率在企业内部的供配电系统中

12、引起的损耗无法补偿，因此不选用。低压集中补偿补偿范围较大，能使变压器的视在功率减小，从而使变压器的容量可选得较小，因此比较经济。单独就地补偿投资较大，电容器的利用效率较低。综上考虑，我们选择BSMJ0.4-30-3型电容器进行低压集中补偿。BSMJ0.4-30-3型电容器符合GB12747.1-2004和IEC60831-1996标准，使用条件如下： 环境温度-25+50，湿度85%，海拔2000米以下； 额定电压400VAC，耐电压极间2.15倍额定电压5秒钟，极壳间6KVAC可10秒钟，最高允许过电压1.10倍额定电压； 额定容量60Kvar，容量允许-5+10%； 损耗角正切值，在工频额

13、定电压下，20时tan0.1%； 绝缘性，极壳间500DVC，1分钟，R1000MQ； 自放电特性，电容器断电后3分钟，剩余电压从2Un降至75V或更低。 1 低压侧 补偿后的有功功率不变，为：PC2=PC=898.9KW 需要补偿的无功功率：=998.90.62=619.8K var补偿后的无功功率：QC2=QC-QB=980-619.8=360.2Kvar 补偿后的视在容量：=968.4KVA补偿后的计算电流：变压器损耗：=1471.3A假设变压器容量等于低压侧视在容量968.4 KVADPT=0.015SN.T=14.796KW DQT=0.06SN.T=59.18Kvar 2 高压侧

14、补偿后的有功功率：PC1=PC2+DPT=898.9+14.796=913.7KW 补偿后的无功功率：QC1=QC2+DQT=360.2+59.18=419.4Kvar 补偿后的视在容量：=1005.4KVA补偿后的计算电流：IC1=SC1N1=64.38A补偿后的功率因数：cosj1=PC1/SC1=1028.56/1115.17=0.922满足要求。 取QB=480Kvar，补偿电容器的个数为n=QB/qC=480/30=16。即无功功率补偿需要16个BWF0.4-30-3的电容器。2.4 全厂年耗电量计算工厂的年耗电量可利用工厂的有功和无功计算负荷即：年有功电能消耗量： 年无功电能消耗量

15、：式中为年平均有功负荷系数，一般取0.70.75；为年平均无功负荷系数，一般取0.760.82；求得：工厂年有功耗电量：=0.7*913.7*4000=2558360KW.h为年实际工作小时数。取=0.7，=0.8，=4000h，因此工厂年无功耗电量：=0.8*419.4*4000=1342080 KW.h第三章 变电所主变压器及主接线方案的设计3.1变压器的选型变压器按容量系列分，有R8容量系列和R10容量系列。我国老的变压器容量等级采用R8系列，容量等级如100、135、180、240、320、420、560、750、1000KV.A等。R10系列的容量等级较密，便于合理选用，我国新的变压

16、器容量等级采用这种R10系列，等级如100、125、 160、 200、 250、 315、 400、 500、 630、 800、 1000KV.A等。在此次设计中，采用我国目前比较常用的S9系列变压器。 3.2 变电所主变压器的选择根据车间的负荷性质和电源情况，车间变电所的主变压器考虑有下列两种可供选择的方案：a)装设一台变压器 型号为S9型，而容量根据式SNTS30，SNT为主变压器容量，S30为总的计算负荷。选SNT=1250 KVAS30=1005.4 KVA，即选一台S9-1250/10型低损耗配电变压器。b)装设两台变压器 型号为S9型，而每台变压器容量根据式（4-1）（4-2）

17、、选择，即SNT(0.60.7)1005.4 KVA=（603.24703.78）KVA （4-1） SNTS30(C)=(176.3+192.4+76.4) KVA=445.1 KVA （4-2）因此选两台S9-800/10型低损耗配电变压器。 主变压器的联结组均为Yyn0 。3.3 变电所主接线方案的选择3.3.1 变电所主接线的要求变电所主接线是实现电能输送和分配的一种电气接线，对其主要有以下几个基本要求：(1) 安全 主接线的设计应符合国家有关技术规范要求，能充分保证人身和 设备安全；(2) 可靠 应满足用电单位可靠性的要求；(3) 灵活 能适应各种不同的运行方式，操作检修方便；(4)

18、 经济 设计简单，投资少，运行管理费用低，考虑节约电能和有色金属 消耗量。 根据课题已给定的条件参数，该车间由本厂总降压变电所提供两回电源，总降压由地区变电所提供电源，电气接线图及主要参数如图所示：地区变电所 Up=35KV总降压变电所 U=10KV 去轧钢车间去轧钢车间 轧钢车间变电所距总降压变电所电气距离按1.5km考虑。由于该车间对电源的供电可靠性要求较高，宜采用两台变压器以暗备用的方式工作，以便当一台发生故障时，另一台能短时的承担所有负荷，不至于断电，这样就提高了供电可靠性。在暗备用方式下，变压器的容量按计算负荷的70%选择因此，选择2台容量为800KVA,电压等级为10KV的变压器。

19、由于变压器的使用环境没有特殊要求，因此，变压器的选择空间很大，在选择时尽量要求低损耗，同时兼顾经济效益，达到最佳性价比。 第四章 短路电流的计算4.1 短路的原因及后果供电系统应该正常地不间断地可靠供电，以保证生产和生活的正常进行。但供电系统的正常运行常常因为发生短路故障而遭到破坏。短路就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。短路电流通过电气设备时，设备温度急剧上升，过热会使绝缘加速老化或损坏，同时产生很大的点动力，使设备的载流部分变形或损坏，因此选择设备时要考虑它们对短路电流的稳定性，所以我们以最严重的短路三相短路为例，计算短路电流。4.2 标幺值法计算电路短

20、路电流4.2.1 短路计算电路10.5kV 0.4kV 4.2.2 确定短路计算基准值 取Sd=100MVA取UC1=10.5KV 则Id1=SdC1=100MVA/取UC2=0.4KV 则Id2=SdC2电力系统:=100MVA/10.5KV=5.50KA 0.4KV=144.3KA)4.2.3 计算短路电路中个元件的电抗标幺值 已知电力系统出口断路器的断流容量Soc=500MVA，故X1*=100MVA/500MVA=0.2架空线路:查表得LGJ-150的线路电抗x0=0.36W/km，而线路长8km，*故 X2=x0lSd100MVA=(0.368)W=2.6 22Uc(10.5kV)电

21、力变压器查表得变压器的短路电压百分值Uk%=4.5，*=故 X3Uk%Sd4.5100MVA=3.6100SN1001250kVA 式中，SN为变压器的额定容量因此绘制短路计算等效电路如图5-2所示。10.21 2.6k-113.6 图5-2 短路计算等效电路 k-1点（10.5kV侧）的相关计算总电抗标幺值*XS(k-1)=X1+X2=0.2+2.6=2.8（5-6）三相短路电流周期分量有效值*Ik=1=Id1X*S(k-1)=5.5kA=1.96kA 2.8（5-7）其他短路电流(3)(3)I(3)=I=Ik-1=1.96kA（5-8）（5-9） （5-10）(3)ish=2.55I(3)

22、=2.551.96kA=5.0kA (3)Ish=1.51I(3)=1.511.96kA=2.96kA三相短路容量)Sk(3-1=SdX*S(k-1)=100MVA=35.7MVA 2.8（5-11） k-2点（0.4kV侧）的相关计算总电抗标幺值*XS(k-1)=X1+X2+X3=0.2+2.6+3.6=6.4 （5-12）三相短路电流周期分量有效值*Ik=2=Id2X*S(k-2)=144kA=22.5kA 6.4（5-13）其他短路电流(3)(3)I(3)=I=Ik-1=22.5kA（5-14） （5-15） （5-16）(3)ish=1.84I(3)=1.8422.5kA=41.4kA

23、 (3)Ish=1.09I(3)=1.0922.5kA=24.5kA三相短路容量)Sk(3-2=Sd*XS(k-2)=100MVA=15.6MVA6.4（5-17）以上短路计算结果综合图表5-1所示。 第5章 变电所一次设备的选择与校验5.1一次设备选择的一般原则供配电系统中的一次设备是在一定的电压、电流、频率和工作环境条件下工作的，一次设备的选择，除了应满足在正常工作时能安全可靠运行之外，还应满足在短路故障时不至损坏的条件，开关电器还必须具有足够的断流能力，并能适应所处的位置、环境温度、海拔高度。以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。一次设备的选择应遵循以下3个原则。 (1) 按工作环境及正

24、常工作条件选择电气设备； (2) 按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定； (3) 开关电器断流能力校验。5.2变电所高压一次设备的选择5.2.1 按工作电压选则设备的额定电压UNe一般不应小于所在系统的额定电压UN，即UNeUN，高压设备的额定电压UNe应不小于其所在系统的最高电压Umax，即UNeUmax。 Umax=11.5kV，高压开关设备、互感器及支柱绝缘额定电压UNe=12kV，UN=10kV，穿墙套管额定电压UNe=11.5kV，熔断器额定电压UNe=12kV。5.1.2按工作电流选择设备的额定电流INe不应小于所在电路的计算电流I30，即INeI30 5.1.3按断流能力选择设

25、备的额定开断电流Ioc或断流容量Soc，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大短路有效值Ik(3)或短路容量Sk(3)，即(3)Sk(3) IocIk(3)或Soc对于分断负荷设备电流的设备来说，则为IocIOLmax，IOLmax为最大负荷电流。5.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 a)动稳定校验条件 (3)(3)或ImaxIsh imaxish(3)(3)、Ish分别为开关所imax、Imax分别为开关的极限通过电流峰值和有效值，ish处的三相短路冲击电流瞬时值和有效值b)热稳定校验条件(3)2It2t=Itima对于上面的分析，如表6-1所示，由它可知所选高

26、压一次设备均满足要求表6-1 10 kV高压侧一次侧设备的选择校验5.3 变电所低压一次设备的选择同样根据上面的原则，做出380V低压侧一次设备的选择校验，如表6-2所示，所选数据均满足要求表6-2 380V低压侧一次设备的选择校验5.4 高低压母线的选择查表得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12010）+806，即相母线尺寸为120mm10mm，而中性线母线尺寸为80mm6mm。 第六章 变电所进出线选择与校验导线和电缆的选择是供配电设计中的重要内容之一。导线和电缆是分配电能的主要器件，选择的合理与否，直接影响到有色金属的消耗

27、量与线路投资，以及电力网的安全经济运行。6.1 导线和电缆的选择原则导线型号根据其使用环境、工作条件确定。架空线是通过铁塔、水泥杆塔架设在空气中的导线，一般为裸导线。架空线设备简单、造价低廉且维护方便，是目前主要线路形式；电缆是利用绝缘层将层线（一般为铜线或铝线）包裹起来，一般110KV以上为单相，以下为三相。造价极高，一般在城市使用。所以我们选用架空线给此厂区供电。为保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，选择导线和电缆截面时必须满足下列条件：（1）发热条件； （2）电压损耗条件； （3）经济电流密度； （4）机械强度；6.2 高低压母线的选择6.2.1高压母线的选择母线都用支柱绝缘子固定

28、在开关柜上，有矩形母线和管型母线，母线的材料有铜、铝。目前变电所的母线除大电流采用铜母线以外，一般尽量采用铝母线。变电所高压开关柜上的高压母线，通常选用硬铝矩形母线（LMY）。年平均负荷、传输容量较大时，母线截面宜按经济电流密度选择。 对于铝母线，年最大负荷利用小时数为4800小时，查表得jec=1.15。Sec=IC1/jec =64.38/1.15=55.98mm2选择标准截面为60mm2的单排矩形铝母线宽*厚=20*3。 6.2.2低压侧母线的选择相母线：低压侧母线仍按经济电流密度选择硬铝矩形母线， 计算电流IC2=SC2/N=1005.4/Sec=IC2/jec=1759/1.15=1

29、529.57mm2=1759A选择时，应选比Sec偏小的截面，因为电能损耗费和年运行费在电流较大时变化较小，考虑负荷计算值偏大，以及其变化规律，理论计算的电能损耗亦将稍大于实际值，截面选择比计算稍小，节省初投资和有色金属消耗量。所以选标准截面为1200mm2的单排矩形铝母线宽*厚=120*10。中性母线：一般三相四线制线路中的中性线截面应不小于相线截面的一半，即S00.5Sj=600mm2，所以选择单排矩形铝母线宽*厚=100*6。6.3高低压进出线的选择6.3.1 10kV高压进线和引入电缆的选择 (1) 10kV高压进线的选择校验对于降压变压器高压侧的导线，取变压器额定一次电流I1NT作为

30、计算电流，所以：IC=2I1NT=2SN.TN1=1600KVA10KV)=92.38A查文献2选择标准截面25mm2，即型号为LGJ-25的钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。校验发热条件：查文献2可知，LGJ-25在室外温度为25C时的允许载流量为Ial=135A，而在此厂区，实际环境温度即最热月平均最高气温为q0=35C，qal=70C实际的允许载流量为Ial=Ial=Ial=0.91135=122.85AIC=92.38A校验机械强度：查文献2可知，10KV架空铝绞线的机械强度最小截面为Smin=16mm2(2)由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验 采用YJL22-1000

31、0型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆之间埋地敷设。 a)按发热条件选择由I30=I1NT=57.7A及土壤环境25，查表得，初选缆线芯截面为25mm2的交联电缆，其Ial=149AI30,满足发热条件。b)校验热路稳定(3)按式AAmin=IimaC，A为母线截面积，单位为mm2；(3)Amin为满足热路稳定条件的最大截面积，单位为mm2；C为材料热稳定系数；I为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；tima短路发热假想时间，单位为s。(3)本电缆线中I=1960，终端变电所保护动作时间为0.5s，tima=0.5+0.2+0.05=0.75s，断路器断路时间为0.2s，C=77，把这些数据代入公式中

32、得Ami=nI(3)imaC=19600.75=22mm2因此YJL22-10000-3 25电缆满足要求6.4 作为备用电源的高压联络线的选择校验采用YJL2210000型交联聚氯乙烯绝缘的铝心电缆，直接埋地敖设，与相距约2Km的临近单位变配电所的10KY母线相连。 7.4.1按发热条件选择工厂二级负荷容量共335.1KVA，I30=335.1kVA/(10kV)=19.3A，最热月土壤平均温度为25。查表工厂供电设计指导8-43，初选缆心截面为25mm2的交联聚乙烯绝缘的铝心电缆，其Ial=90AI30满足要求。 7.4.2校验电压损耗由表工厂供电设计指导8-41可查得缆芯为25mm2的铝

33、R0=1.54W/km （缆芯温度按80计），X0=0.12W/km，而二级负荷的P30=(94+129+35.8)kW=258.8kW,Q30=(91.8+93.8+26.3)kvar=211.9kvar，线路长度按2km计，因此258.8kW(1.542)W+211.9kvar(0.122)W=85V DU=10kVV/10000V)100%=0.85DUal=5% DU%=(85由此可见满足要求电压损耗5%的要求。 7.4.3短路热稳定校验按本变电所高压侧短路电流校验，由前述引入电缆的短路热稳定校验，可知缆芯25mm2的交联电缆是满足热稳定要求的。而临近单位10KV的短路数据不知，因此该联路线的短路热稳定校验计算无法进行，只有暂缺。 以上所选变电所进出线和联络线的导线和电缆型号规格如表 7-1所示。 表7-1 进出线和联络线的导线和电缆型号规格 选取导线时应尽量使导线截面统一，遵守维修与保护方便、经济的原则。由上表看出，校验满足，符合要求。 第七章 变电所二次回路方案选择及继电保护整定7.1 二次回路方案选择（1)高压断路器的操作机构控制与信号回路 断路器采用手动操动机构。 （2)变电所的电能计量回路变电所高压侧装设专用