中南大学电气工程基础课程设计(doc 28页)

中南大学电气工程基础课程设计(doc 28页)

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。

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）

3.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

区域降本厂总降

) 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0.7～1米深处一年中最热月平均温度为20℃；

（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2.8～5.3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

本设计采用需要系数法确定。 主要计算公式有：

有功功率：Pe *Kx Pjs = ，Kx 为需要系数 无功功率：?tan *Pjs Qjs = 视在功率：?

cos Pjs

Sjs =

总的有功计算负荷为： Pjs *K Pc ∑= ，K 为同时系数 总的无功计算负荷为： Qjs *K Qc ∑= 总的示载负荷为： Qc *Qc Pc *Pc Sc += No.1变电所计算示例： kW 11202800*4.0Pjs == kVar 4.131017.1*1120Qjs == kVA 1.172365

.01120

Sjs ==

380V 低压侧计算负荷为

kW 10089.01120Pc 1=?= kV ar 4.11799.04.1310Qc 1=?= kV A 5.1551Sc 1= 6K/380V 变压器功率损耗为 kW 3.23Sc 015.0P 11t =?=? kV ar 1.93Sc 06.0Q 1t1=?=? 6kV 高压侧计算负荷为

kW 3.1031P Pc c P 1t 11

=?+=' 1272.5kV ar Q Qc c Q 1t 11

=?+=' kVA 9.1637c Q c P c S 2

2

211='+'='

所以35kV/6kV 变压器低压侧负荷为 kW 1.5177P K Pc js =∑?=∑ 4716.5kV ar Q K Qc js =∑?=∑ kVA 4.7003Qc Pc Sc 22=+= 739.0Sc

Pc

cos ==

? 变压器损耗为 kW 1.105P t =? kVar 2.420Q t =?

35kV/6kV 变压器高压侧负荷为 kW 2.5282P Pc c P t =?+=' 5136.7kV ar Q Qc c Q t =?+='

kV A 7368c Q c P c S 2

2='+'='

A 5.121U 3c S c I N

=?'

=

'

717.0c S c P cos ='

'

=

'?

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

?

cos =0.739＜0.9，因此需要进行无功补偿，低压侧补偿后的功率因数应略高于0.9，这里取92.0cos =?。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： kV ar 2.2514]92.0arccos (tan -739.0arccos (tan [*Pc Qc ==））补偿

补偿

C Q 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kW 1.5177Pc Pc ==补偿后 kV ar 3.2202Qc -Qc Qc ==补偿补偿后 kVA 1.5626Qc Pc Sc 22=+=补偿后补偿后补偿后

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：

① 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 ② 进出线方便特别是采用架空进出线，要考虑这一点 ③ 接近电源侧，对总变配电所特别要考虑这一点

④ 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P 1(x 1,y 1) 、P 2(x 2,y 2) 等，1P 、2P 等分别代表车间1、2等的功率，可得负荷中心的坐标：

∑∑=++++++=i i i P x P P P P x P x P x P x )(321332211

∑∑=

++++++=

i i i P y P P P P y P y P y P y )(321332211

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。

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。

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，能保证全部负荷的 60%～70%.

3939kV A ~3763Sc *7.0~6.0S e =≥

补偿后）（,当一台停运时，另一台则承担

3.4MVA ～

4.0MVA 。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 %3.70%1002

4000

1

.5626=??=

β

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 %7.140%1004000

1

.5626=?=β

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Δ连接。 6.型式的确定

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 35～110kV 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

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

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，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，6～10kV 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 6～35kV 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

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d S =100MVA ，N c d U U U 05.1==，即高压侧1d U =37kV ，中压侧2d U =6.3kV ，低压侧kV U d 4.03=，则 KA kV MVA

U S I d d d 56.1373100311=?==

KA kV

MVA

U S I d d d 16.93.63100322=?==

KA kV

MVA

U S I d d d 34.1444.03100333=?==

2）架空线路 查资料得km X /40.00Ω=，而线路全长为9km ，故 ()()26.037100940.02

*

=?

Ω?=MVA

X l

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，6%=k U ，故

5.140001**********

=?=?=

kVA

MVA

S S U X N d k T 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，5.4%=k U ，故 5.410001001005.4100*=?=?=

kVA

MVA

S S U X N d k ； 3、用于设备选择的短路电流计算 当()

MVA S S d oc 2003max

==时，

5.0200100*

===

MVA

MVA

S S X oc d s 1）计算K —1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：()76.026.05.0*

*

*

1=+=+=-∑l s k X X X 三相短路电流周期分量有效值：()

()

KA X I I k d k 05.276

.056

.1*

1131==

=-∑- 其他短路电流：()()

()

KA I I I k 05.23133===''-∞

冲击电流为()()KA I i sh

23.505.255.255.233=?=''= ()

()KA I I sh

10.305.251.151.133=?=''=

三相短路容量：()

()

MVA MVA

X S S k d k 13276

.0100|

*131==

=

-∑- 2) 计算K —2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

()51.12

5

.126.05.0//*

2*

1*

*

*

2=++=++=-∑X X X X X l s k 三相短路电流周期分量有效值： ()

()

KA X I I k d k 07.651

.116

.9*

2233==

=

-∑- 其他短路电流：()()

()

KA I I I k 07.63333===''-∞ ()

()KA I i sh

48.1507.655.255.233=?=''=

()

()KA I I sh

17.907.651.151.133=?=''=

三相短路容量：()

()

MVA MVA

X S S k d k 2.6651

.1100|

*232

==

=

-∑- 3）计算K —3（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

()()76.32

5

.451.1//*

4*

3*

2*

3=+=+=-∑-∑X X X X k k 三相短路电流周期分量有效值：()

()

KA X I I k d k 39.3876

.334

.144*

3233==

=

-∑- 其他短路电流：()()

()

KA I I I k 39.383333===''-∞

()()KA I i sh

89.9739.3855.255.233=?=''= ()

()KA I I sh

97.5739.3851.151.133=?=''= 三相短路容量：()

()

MVA MVA

X S S k d k 6.2676

.3100|

*333

==

=

-∑- 4）计算K —5（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

()()01.65.451.1*

7*

2*

5=+=+=-∑-∑X X X k k 三相短路电流周期分量有效值 ()

()

KA X I I k d k 02.2401

.634

.144*

5335

==

=

-∑- 其他短路电流：()()

()

KA I I I k 02.2435

33===''-∞

()()KA I i sh

25.6102.2455.255.233=?=''= ()

()KA I I sh

27.3602.2451.151.133=?=''= 三相短路容量：()

()

MVA MVA

X S S k d k 6.1601

.6100|

*535

==

=

-∑- 当()

MVA S S d oc 1753max ==时，

57.0175100*

===

MVA

MVA S S X oc d s 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()

MVA

S

d 2003max

= 时短路计算结果

最小运行方式下()

MVA

S

d 1753min

=时短路计算结果

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