电力工程基础课程设计.doc
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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（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。
目录
前言 1
第一章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
第五章防雷和接地 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 18
参考文献 19
第一章负荷计算和无功功率补偿
第一节负荷计算的目的和方法
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
二、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。
第二节全厂负荷计算的过程
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）
无功计算负荷（kvar）:
视在计算负荷（kVA）：
计算电流（A）:
具体车间计算负荷如下表：
车间
380v侧计算负荷
变压器功率损耗
10KV侧计算负荷
有功负荷/KW
无功负荷/KW
视在负荷/KV.A
变压器容量/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
850
527
1000
1250
9.63
43.5
856.93
570.5
1029.47
磨具车间
680
326.4
754.3
800
7.48
52.4
687.48
378.8
784.93
蓉制车间
697
432.14
820.09
1000
8.29
35.8
705.29
467.94
846.41
磨抛车间
600
372
705.96
800
7.2
34.4
607.2
406.4
730.65
封接车间
637.5
306
707.1
800
7.26
34.5
644.76
340.5
729.15
配料车间
560
420
700
800
7.14
33.96
567.14
453.96
726.45
锅炉房
425
204
471.4
500
5.49
22.78
430.49
226.78
486.57
水泵房
412.5
309.4
515.64
630
5.35
24.644
417.85
334.04
535
仓库
66
6.12
8.57
80
0.254
1.477
66.254
7.597
66.688
食堂、宿舍招待所
26
16.12
30.59
80
0.42
1.902
26.42
18.022
31.98
办公楼
10.5
5.04
11.65
80
0.267
1.508
10.767
6.548
12.60
总计
5020.581
3211.087
5980.10
由于工厂区范围不大，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=0.95
从表中可知：
有功计算负荷
无功计算负荷
视在计算负荷5661.66
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。
第三节无功功率补偿
由于本设计中cos=0.842<0.9,因此需要进行功率补偿。
由公式可知：
式中——补偿前的自然平均功率因数对应的正切值
——补偿后的功率因数对应的正切值
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
校正后
本次设计选用BWF10.5-25-1W型电容器，所需电容器个数为n=/q=/25=59.36,取n=60，则实际补偿容量为=25×60=1500
补偿后变电所低压侧视在计算负荷为
==5015
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
Δ=6.56kw，Δ=36.90kw,%=0.6,%=7.5。
变压器的负荷率为
β=5015/6300=0.8，则变压器功率损耗为
变压器高压侧计算负荷为
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
4769.55
2924.22
5661.66
补偿后
4769.55
1890.54
5158
补偿后功率因数（）
0.93
补偿后的计算负荷表
第二章变电所的选择及主变压器的选择
第一节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，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
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
第三章短路电流的计算
第一节短路及其原因、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
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：
Ø短路电流产生的热量，使导体温度急剧上升，会使绝缘损坏；
Ø短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；
Ø短路会使系统电压骤降，影响系统其他设备的正常运行；
Ø严重的短路会影响系统的稳定性；
Ø短路还会造成停电；
Ø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。
第二节高压电网短路电流的计算
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，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。
等效电路图
利用标幺值法计算
1.确定基准值
取，则
计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值
1）电力系统
当==100/1000=0.1
当
2）主变压器T1
3）车间变压器T2
2.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
1）电源至短路点的总电抗标幺值
因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为
（2）在点的短路总电抗标幺值为
因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为
（3）在点的短路总电抗标幺值为
因此，点的短路时的三相短路电流及短路容量分别为
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
短路计算点
运行方式
三相短路电流/kA
短路容量/MV.A
最大
2.6
6.63
3.926
166.67
最小
2.23
5.69
3.37
142.86
最大
4.74
12.09
7.16
86.21
最小
4.4
3.19
1.89
80
最大
30.38
55.90
33.11
21.05
最小
29.89
55.0
32.53
20.62
第四章主要电气设备的选择与校验
第一节主变35kV侧
主变35kV侧计算电流，由于35kv配电装置为室外布置,各设备有关参数见附录表Ⅰ-3.
附录表Ⅰ-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
GW4-35G/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/kV
35
UN/kV
35
35
35
35
I30/A
103.92
IN/A
1000
600
200/5
Ik/kA
2.6
I∝/kA
16.5
Sk/MVA
166.67
S∝/MVA
1000
Ish/Ka
6.63
45
50
=14.14
1425=980
=42.25
110kV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GG-1A（F）-04型高压开关柜，各电气设备有关参数见附录表Ⅰ-4.
附录表Ⅰ-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/kV
10
UN/kV
10
10
10
I30/A
346.4
IN/A
1000
1000
1200/5
Ik/kA
4.74
I∝/kA
24.8
Sk/MVA
86.21
S∝/MVA
300
Ish/Ka
12.09
40
52
=76.37
4.7421.2=26.96
1624=1024
2025=2000
=506.25
10kV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
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）
导线种类
35kV及以上线路
6——10kV线路
1kV以下低压线路
居民区
非居民区
一般
与铁路交叉时
铝及铝合金线
35
35
25
16
16
铜芯铝绞线
25
25
16
16
35
铜线
16
16
16
16
16
表3-3经济电流密度
导线材料
经济电流密度
小于3000
3000——5000
大于5000
铝线
1.65
1.15
0.9
铜线
3.00
2.25
1.75
铝芯电缆
1.92
1.73
1.54
铜芯电缆
2.50
2.25
2.00
（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。
（3）校验机械强度
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
实际选用的母线截面185mm252.6.8mm2，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-505型矩形铝母线，计算过程同上。
第四节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6300KVA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，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
灵敏度按保护安装处两最小相短路电流来校验,即
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。
⑵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
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：
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
动作时间取为10s.
4.110kv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Ⅰ、Ⅱ段上，所用变压器容量的选择，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。
第五章防雷和接地
第一节直击雷防护
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，所以避雷针在出线构架高度上的水平保护半径为
而其最远点距避雷针，可见出线构架在避雷针保护范围内。
避雷针在建筑高度上的水平保护半径为
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。
故共用接地装置的接地电阻应不大于。
接地装置拟采用直径50mm，长2.5m的钢管作接地体，垂直埋入地下，间距5m，管间用404mm2的扁钢焊接相连成环形，则单根钢管的接地电阻为
式中，K、查表9-5和表9-6。
因为，考虑到管间电流屏蔽效应的影响，初选10根钢管作接地体。
管间距离a与管长l之比a/l=5/2.5=2，根据n=10和a/l=2查表9-8得，则钢管根数为
最终选10根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体，用的扁钢焊接相连，环形布置。
由此算得接地电阻为
符合要求。
设计心得
课程设计已到了尾声了，通过本次课程设计，使我对发电厂电气部分有了更深刻的了解、掌握，相对于以前来说确实懂得了不少。
本次设计中所设计的电气部分具有可靠性、灵活性、经济性，并能满足工程建设规模要求。
采用的电气主接线具有供电可靠、调度灵活、运行检修方便且具有经济性和可扩建发展的可能性等特点。
所选主变经济、合理。
在这次课程设计中，刚开始的时候由于对以前所学知识的不牢固，所以前面一段时间都处于摸索的状态，后面通过几天对课本和参考书籍的翻阅才有所眉目。
这次设计对于主接线方案的选择、主接线的连接方式、主变压器、联络变压器及各配电装置的选择都有了一定的了解，同时也使得我们对以前所学知识的进一步巩固和提高了我们利用手头所拥有的材料完成设计的能力。
在对设计有了一个大致的方向及概况后，在同学们的相互帮助下，终于给设计划上了圆满的句号。
通过这次设计，在获得知识之余，还加强了个人的单独工作能力，增张了工作阅历，得到了不少的收获和心得。
在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，对以后的生活和工作有着不可预计的帮助。
参考文献
[1]孙丽华,电气工程基础。
北京：
机械工业出版社，2013年6月第2版
[2]王锡凡.电气工程基础.西安：
西安交通大学出版社，2009年10月第2版
[3]牟道槐.发电厂变电站电气部分.重庆：
重庆大学出版社，2007年第2版
[4]水利电力部西北电力设计院（戈东方）.电力工程电气设计手册（电气一次部分）.北京：
中国电力出版社，2005年05月
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