[论文精品]某重型机器厂供电系统设计

太原理工大学电气与动力工程学院2目录目录1前言5第一章原始资料及任务书611设计原始资料612设计任务713设计要求7第二章全场负荷统计及主变压器的选择721计算负荷的定义、意义及目的722用电设备的计算负荷823确定车间配电干线或变电所低压母线上的计算负荷1124功率因数与无功功率补偿12241功率因数的确定12242无功功率补偿12243功率补偿的相关计算1225变电所中变压器台数与容量的选择13251变电所主变压器数量的确定13252变电所主电压器容量的选择1426功率损耗与电能损耗14261供电线路的功率损耗14262变压器的功率损耗15第三章全厂供电系统草图1631电气主接线概述1632全厂供电系统草图17第四章短路电流计算1941短路的基本概念19411短路电流的原因19太原理工大学电气与动力工程学院3412短路电流的危害19413短路的种类20414短路电流计算得目的与基本假设2142无限大容量电源系统的三相短路过程分析22421无限大容量电源系统22422三相短路过渡过程分析22423三相短路的有关物理量2443无限大容量电源系统的三相短路电流计算26431标幺值的概念26432标幺值法计算的优点2744用标幺值法进行相关计算27441最大运行方式27442最小运行方式31第五章35KV、6KV供电线路的选择3351导线和电缆截面的选择方法335235KV架空线的选择34536KV供电线路的选择36第六章电气设备的选择及校验3861电气设备选择的一般原则39611按正常工作条件选择电气设备39612按短路电流校验设备的热稳定和动稳定性40613常用电气设备的选择以及校验项目4062高压开关设备的选择41621户外断路器的选择41622户外隔离开关的选择43636KV侧开关电器选择43631户内断路器的选择43632户内隔离开关的选择4464开关柜选择4465与开关柜配套的隔离开关和断路器46651隔离开关的校验46太原理工大学电气与动力工程学院4652断路器的校验47第七章个人心得体会48太原理工大学电气与动力工程学院5前言供配电技术是一门实用性很强的专业课，在应用方面起到至关重要的作用。这门课在生活生产中应用广泛，与工程研究结合比较紧密，针对性和实用性较强。本文对某重型机器厂供电系统的供配电情况进行相关的研究和设计，其负荷中既有一级负荷，也存在二、三级负荷，针对不同的负荷，供电系统需要有不同的供电方式，设计按要求对其全场负荷进行了计算并合理的选择了主变压器，采用了单母线、桥式接线等多种主接线方式，综合各方面的要求，按照电气设备的一般选择原则和主要电气设备的具体选择和校验方法，对电气设备以及导线、电缆的选择进行了深层次的讨论，较好的完成了预定的任务。本文编写工作得到太原理工大学李虎伟教授的辅导和审阅，在写作过程中也查阅了大量文献，在此向李虎伟教授和所有参考文献的作者们表示感谢。编者2010年7月太原理工大学电气与动力工程学院6第一章原始资料及任务书11设计原始资料该厂为大型国有企业，下属九个车间、两个站，各车间、站用电设备安装容量见表11，其中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷，其他为二、三级负荷。供电电源取自12KM处一110/35KV变电所35KV的两段母线，母线最大运行方式、最小运行方式短路容量分别为SKMAX215MVA和SKMIN150MVA，35KV架空进线继电保护时间为15S，35KV电气设备及主变压器采用户外布置，6KV为成套高压开关柜采用户内布置，厂变电所35KV采用内桥接线，6KV采用单母线分段接线，一级负荷分别从6KV两段母线配出两回线路，其余为单回路供电。该地区年最高气温38。表11、各车间、站用电设备安装容量表序号负荷名称安装容量（KW）KDCOS供电距离KM1金工车间114079082082铸钢车间5775071081063铸铁车间4820830830424水压机车间18860700850755冷作车间5850650790936附件车间164055080087热处理车间4760630750988铸件清理车间4750590820529机修车间15405207711510煤气站128808008412211氧气站1083084086095太原理工大学电气与动力工程学院712设计任务1全厂负荷统计及主变压器的选择2拟制全厂供电系统草图3计算短路电流4选择35KV、6KV供电线路5选择电气设备63号图纸绘制供电系统图。13设计要求按照国家标准GB5005295供配电系统设计规范、GB500539410KV及以下设计规范、GB5005495低压配电设计规范等的规定，进行工厂的供电设计要求根据本厂所能取得的电源及本厂用电负荷的实际情况，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定供电设备的位置和型式，选择主接线方案及高低压设备和进出线，确定二次回路方案，确定防雷和接地装置，绘出设计图纸（3号）。第二章全场负荷统计及主变压器的选择21计算负荷的定义、意义及目的计算负荷（CALCULATEDLOAD）是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷，其物理含义是计算负荷所产生的恒定温升等于实际变化负荷长生的最高温升。通常将以半小时平均负荷为依据所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”成为计算负荷，并以它作为发热条件选择电气设备的依据，用PCA（QCA、SCA）或P30（Q30、S30）表示，有时也以计算电流ICASCA3UN或I30来表示。太原理工大学电气与动力工程学院8供配电系统要在正常条件下可靠地运行，则其中每个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了应该满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因此，有必要对供电系统各个环节的电力负荷进行统计计算。计算负荷是进行供电系统设计，选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。计算负荷的计算是否准确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济、合理。如果计算负荷偏大，则使电器和导线截面选择偏大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷偏小，则使电器和导线处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成经济损失。因此，计算负荷意义重大，是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。22用电设备的计算负荷负荷计算的常用方法有需要系数法、二项式法、和利用系数法。需要系数法因为比较简便因而广泛使用，用电设备少而功率相差大时，计算结果一般偏小，故不能适用于低压配电线路的计算，而适用于计算变、配电所的负荷。二项式法也比较简便，它考虑了数台大功率设备工作时对负荷影响的附加功率，但一般计算结果偏大，适用于低压配电支干线的计算。在本次供电系统设计任务中，我们已知工厂所用的额定电压值UN以及各车间、场站的安装容量PN和需要系数KD和COS。利用需要系数法便可方便准确的计算出各个负荷的计算容量和计算电流等数值。需要系数法用到的公式有PCA1KDPN221TANSINCOS1COS2COS222QCA1PCATAN223SCA1PCA12QCA12224ICA1SCA13UN225式中PCA1表示用电设备组的有功计算负荷QCA1表示用电设备组的无功计算负荷SCA1表示用电设备组的视在计算负荷ICA表示计算电流，KD表示用电设备组的需要系数太原理工大学电气与动力工程学院9PN表示用电设备组的额定容量之和是用电设备组的功率因数角UN表示设备组的额定功率。下面我们开始计算金工车间PCA1KDPN0791143902970KWTANSINCOS1COS2COS108220820698QCA1PCA1TAN902970698630277KWSCA1PCA12QCA12902970263027321101183KWICA1SCA13UN110118136105961A铸钢车间PCA2KDPN07157754100250KWTANSINCOS1COS2COS108120810724QCA2PCA2TAN410025007242968530KWSCA2PCA22QCA2241002502296853025062037KWICA2SCA23UN560203736487095A铸铁车间PCA3KDPN083482400060KWTANSINCOS1COS2COS108320830672QCA3PCA3TAN4000600672268842KWSCA3PCA32QCA3240006022688422482000KWICA3SCA33UN4820003646380A水压机车间太原理工大学电气与动力工程学院10PCA4KDPN0718861320200KWTANSINCOS1COS2COS108520850620QCA4PCA4TAN13202000620818187KWSCA4PCA42QCA421320200281818721553176KWICA4SCA43UN155317636149454A按同样的方法，我们对其余车间（包括冷却车间、附件车间、热处理车间、铸件清理车间、机修车间、煤气站、氧气站）进行相关计算，并将所有计算出的数据，总结填入表21中。表21负荷统计表序号负荷名称TAN有功负荷KW无功负荷KVAR视在负荷KVA计算电流KA1金工车间0698004902976302769110118301059612铸钢车间0723988410025296853506203704870953铸铁车间0672004400062688424820046384水压机车间0619744132028181865155317601494545冷作车间0776085380252951062481329100463166附件车间07590267651127500108497热处理车间08819172998826446933998400384758铸件清理车间0698004280251956157341768300328879机修车间082862880086635656104001000710煤气站06459361030466557261226667011803611氧气站059336590972539796110578140101788太原理工大学电气与动力工程学院1123确定车间配电干线或变电所低压母线上的计算负荷当车间配电干线上接有多个用电设备组时，需将该干线上各用电设备组的计算负荷相加然后乘以最大负荷同时系数（又称最大负荷混合系数），即得该配电干线的计算负荷。计算变电所低压母线上的计算负荷，亦采用同样的方法，即将车间各用电设备组计算负荷相加后，乘以最大负荷同时系数，使得车间变电所低压母线上的计算负荷，其计算公式如下总有功计算负荷PCA3KPCA2231总无功计算负荷QCA3KQCA2232总视在计算功率SCA3PCA32QCA32233式中，PCA3，QCA3，SCA3分别为车间变电所低压母线上的有、无功及视在计算负荷；PCA2,QCA2表示各用电设备组的有功、无功计算负荷的总和；K表示最大负荷时的同时系数。考虑各用电设备组最大计算负荷不会同时出现而引入的系数，其的取值范围见附表1。表21中我们已经求出各个车间的有功、无功和视在计算负荷，根据所给的条件查表得K09，下面我们进行计算PCA3KPCA209979426881483QCA3KQCA2096780402609997SCA3PCA32QCA321071965总功率因数COSPCASCA881483410721010822太原理工大学电气与动力工程学院1224功率因数与无功功率补偿241功率因数的确定工厂电力供应在设计阶段要根据设计计算的功率因数和供电局指定的功率因数提出为提高功率因数所用的补偿装置类型和容量。在设计阶段应用的功率因数是不同用电设备在最大负荷工作班测定利用系数时取得的，因为在这一段时间内，同时也测定了无功电能的消耗量。根据相关政策规定，100KVA及以上高压供电的用户，功率因数为090以上，凡功率因数未达到上述规定的，应增添无功补偿装置，通常采用并联电容器进行补偿。242无功功率补偿功率因数的提高自然功率因数和人工补偿功率因数，自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数。提高自然功率因数，就是不添置任何补偿设备，采取科学措施减少用电设备无功功率的需要量，使供电系统总功率因数提高。它不需增加设备，是最理想最经济改善功率因数的方法。提高工厂功率因数的主要途径是减少感应电动机和变压器上消耗的无功功率。包括合理选择感应电动机的额定容量、合理配置工厂配电变压器的容量和变压器的台数等方法。用户功率因数仅靠提高自然功率因数一般是不能满足要求的，因此，还必须进行人工补偿。一般采用并联电容器补偿，即采用并联电容器的方法来补偿无功功率，从而提高功率因数。是目前用户、企业内广泛采用的一种补偿装置。它具有以下优点。1有功损耗小，为02505，而同步调相机为153。2无旋转部分，运行维护方便。3可按系统需要，增加或减少安装容量和改变安装地点。4个别电容器损坏不影响整个装置运行。5短路时，同步调相机会增加短路电流，增大用户开关的断流容量，电容器无此缺点。243功率补偿的相关计算并联电容器补偿即用静电电容器作无功补偿以提高功率因数，电力电容太原理工大学电气与动力工程学院13器的补偿容量QCPCATAN1TAN2式中，PCA表示最大有功计算负荷TAN1表示补偿前的平均功率因数角的正切值即TAN1SIN1COS11COS12COS1069针对任务要求，我们令补偿后的COS2095即TAN2SIN2COS21COS22COS20329QCPCATAN1TAN20758814830690329239992由并联电容器容量，我们选取电容型号为BWF631001W，其额定容量为100KVAR，按要求我们需选取24台该型号的并联电容器，每相装8台，此时的实际补偿容量为241002400KVAR补偿后的实际平均功率因数COSAVPCAPCA2PCATAN1QC20936SCAPCACOSAV881483093694175525变电所中变压器台数与容量的选择251变电所主变压器数量的确定选择主变压器台数时应考虑下列原则。1应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，应采用两台变压器，以便当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但必须在低压侧敷设与其他变电所相连的联络线作为备用电源，或另有自备电源。2对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所，也可考虑采用两台变压器。3除上述两种情况外，一般车间变电所宜采用一台变压器。但是负荷集中且容量相当大的变电所，虽为三级负荷，也可以采用两台或多台变压器。4在确定变电所主变压器台数时，应适当考虑负荷的发展，留有一定的余地。太原理工大学电气与动力工程学院14在本次设计中，水压机、铸钢车间、煤气、氧气站四个车间为一级负荷，其他为二三级负荷，应采用两台变压器使变压器能对负荷持续不间断供电。252变电所主电压器容量的选择每台变压器的容量SNT应同时满足以下两个条件1任一台变压器单独运行时，宜满足总计算负荷S30的70的需要。2任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷的需要。由243节计算的结果，总视在计算负荷为956079KVA，根据所给参数，查阅相关资料，选定的变压器型号为S912500/35（2台），其性能参数见表22型号额定容量KVA额定电压KV阻抗电压百分数联结组损耗KW空载电流百分数高压低压空载短路S912500/3512500356375YN,D1112856705526功率损耗与电能损耗261供电线路的功率损耗在实际工作中，常根据计算负荷来求线路的功率损耗，即最大功率损耗，故三相线路的有功功率损耗PL和无功功率损耗QL可分别按下式计算PL3ICA2R103KW（241）QL3ICA2X103KVAR（242）式中ICA表示线路中的计算电流R表示线路每相电阻X表示线路每相电抗式（241）与式（242）如用线路的计算功率PCA、QCA、SCA表示，则表22S912500/35电力变压器性能参数太原理工大学电气与动力工程学院15PLSCA2UN2R103PCA2QCA2UN2R103PCA2UN2COS2R103243QLSCA2UN2X103PCA2QCA2UN2X103PCA2UN2COS2X103244式中UN表示三相线路的额定电压线路损耗会在第五章选定线路之后进行相关计算。262变压器的功率损耗变压器的功率损耗包括有功功率损耗PT和无功功率损耗QT。变压器的有功功率损耗由两部分组成一部分是变压器额定电压UN时不变的空载损耗P0，也就是铁损PFE；另一部分是随负荷变化的绕组损耗，即有载损耗P1，也就是铜损PCU。变压器的短路损耗PK可认为是额定电流下的铜损PCUN。由于有载损耗与变压器负荷电流的平方成正比，所以变压器的计算负荷SCA下的有功功率损耗PT为PTP0P1P0PKSCASNT2245式中SCA表示变压器低压侧的计算负荷SNT表示变压器额定容量P0表示变压器空载有功损耗PK表示变压器的有功短路损耗变压器的无功损耗也由两部分组成一部分是变压器空载时不变的无功损耗Q0；另一部分是随着变压器负荷而变化在绕组中产生的无功损耗。所以变压器在计算负荷SCA下的无功功率损耗QT为QTQ0QNSCASNT2SNTI0100UK100SCASNT2246式中Q0I0100SNT表示变压器空载时的无功损耗QNUK100SNT表示变压器额定负荷时的无功损耗I0表示变压器空载电流的百分值UN表示变压器阻抗电压的百分值由表22可知，选定电力变压器空载有功损耗为128KW，有功短路损耗太原理工大学电气与动力工程学院16为567KW，空载电流百分数为055，阻抗电压百分数为75，将数值代入到式（245）和式（246）中得变压器的有功功率损耗PTP0P1P0PKSCASNT21285679417551250024498无功功率损耗QTQ0QNSCASNT2SNTI0100UK100SCASNT264262计算上变压器的功率损耗，总的有功计算负荷PCAPCA3PT8814834498885981总无功计算负荷QCAQCA3QT60999764262674259车间变电所的功率因数COSAVPCAPCA2PCAQC2091209即主变压器的选择符合需求。第三章全厂供电系统草图31电气主接线概述电气主接线是指变电所中的一次设备按照设计要求连接起来，表示接受和分配电能的电路，也称为主电路。电气主接线中的设备用标准的图形符号和文字符号表示的电路图称为电气主接线图。因为三相交流电气设备的每相结构一般是相同的，所以电气主接线图一般绘成单线图，只是在局部需要表明三相电路不对称连接时，才将局部绘制成三线图；若有中性线或接地线可用虚线表示，使主接线清晰易看。在变电所的控制室内，为了表明变电所主接线实际运行状况，通常设有电气主接线的模拟图。运行时，模拟图中的各种电气设备所显示的工作状态必须与实际运行状态相符。电气主接线的形式，将影响配电装置的布置、供电可靠性、运行灵活性和二次接线、继电保护等问题。电气主接线对变电所以及电力系统的安全、可靠和经济的运行起着重要作用。因此，对变配电所主接线有下列基本要求。1安全应符合有关国家标准和技术规范的要求，能充分保证人身和太原理工大学电气与动力工程学院17设备的安全。2可靠应满足电力负荷特别是其中一、二级负荷对供电可靠性的要求。3灵活应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且适应负荷的发展。4经济在满足上述要求的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。变电所中电气主接线的作用如下。1电气主接线是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据，因此电气运行人员必须熟悉变电所中电气主接线，了解电路中各种设备的用途、性能及维护检查项目和运行操作步骤等。2电气主接线表明了变压器、断路器和线路等电气设备的数量、规格、连接方式及可能的运行方式。电气主接线直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定。是变电所电器部分投资大小的决定性因素。3由于电能生产的特点是发电、变电、输电和用电是在同一时刻完成的，所以主接线的好坏直接关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，也直接影响到工农业生产和人民生活。所以电气主接线拟订是一个综合性问题，必须在国家有关技术经济政策的前提下，力争使其技术先进，经济合理，安全可靠。32全厂供电系统草图根据设计要求，变电所装有两台主变压器，且一次侧采用内桥接线，二次侧采用单母线分段接线，其主接线图如图311所示。工厂中水压机、铸钢车间、煤气、氧气站为一级负荷，其余为二三级负荷。一级负荷由于其涉及到人身安全和重要经济部门，所以对一级负荷的供电必须采用双回路，此处先从单母分段的6KV线路的两段母线分别向负荷供电，以保证一类负荷不会断电。二、三级负荷不需要不间断供电，因此，只需从6KV母线的一段上引出进线即可，但需将各个负荷较为均匀的分配在两段母线上。太原理工大学电气与动力工程学院18设计采用内桥式结线的总降变电所主接线，这种主接线，其一次侧的高压断路器QF3跨接在两路电源进线之间，犹如一架桥梁，而且处在线路断路器QF1和QF2的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式接线。这种主接线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用一、二级负荷的工厂。如果某路电源例如WL1线路停电检修或发生故障时，则断开QF1，投入QF3其两侧QS图331采用内桥式接线的总降压变电所主接线图太原理工大学电气与动力工程学院19先合，即可由WL2恢复对变压器T1的供电。这种内桥式接线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、变压器不需经常切换的总降压变电所。第四章短路电流计算41短路的基本概念411短路电流的原因用户供配电系统要求安全、可靠、不间断地供电，以保证生产和生活的需要。但是由于各种原因，系统难免出现故障，其中最严重的故障就是短路。所谓短路，是指供配电系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。短路发生的原因是多种多样的，主要有1电气设备存在隐患，如设备的绝缘材料自然老化、绝缘材料机械损伤、设备缺陷未被发现和消除、设计安装有误等。2运行、维护不当，如不遵守操作规程而发生误操作，技术水平低，管理不善等。3自然灾害，如雷电过电压击穿设备绝缘，特大的洪水、大风、冰雪、地震等引起的线路倒杆、断线，鸟、老鼠及蛇等小动物跨越裸露的导体等。412短路电流的危害由于短路后电路的阻抗比正常运行时电路的阻抗小得多，所以短路电流比正常电流一般要大几十倍甚至几百倍。在大的电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。在电流急剧增加的同时，系统中的电压将大幅度下降。所以短路的后果往往都是破坏性的，其主要危害大致有如下几方面。1短路时会产生很大的电动力和很高的温度，使故障元器件和短路电路中的其他元器件损坏。2短路时电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。3短路时会造成停电事故，而且短路越靠近电源，引起停电的范围越大，给国民经济造成的损失也越大。4严重的短路会影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。太原理工大学电气与动力工程学院205单相对地短路时，电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通信线路、信号系统及电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。由此可见，短路的后果是非常严重的。为保证电气设备和电网安全可靠地运行，首先应设法消除可能引起短路的一切原因；其次在发生短路后应尽快切除故障部分和快速恢复电网电压。为此，可采用快速动作的继电保护装置，以及选用限制短路电流的电气设备如电抗器等。413短路的种类在三相供电系统中，短路的种类主要有4种1三相短路，是指供电系统中三相导线间发生对称性的短路，用K3图411三相供电系统短路种类太原理工大学电气与动力工程学院21表示，如图411A所示。2两相短路，是指三相供电系统中任意两相间发生的短路，用K2表示，如图41B所示。3单相短路，是指供电系统中任一相经大地与电源中性点发生短路，用K1表示，如图411C、图411D所示。4两相接地短路，两相接地短路是指中性点不接地的电力系统中两不同相的单相接地所形成的相间短路，用K11表示。如图411E所示；也指两相短路又接地的情况，如图411F所示。上述的三相短路，属对称性短路；其他形式的短路，都属不对称短路。电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。从短路电流大小来看，一般三相短路的短路电流值最大，造成的危害也最严重；而两相短路的短路电流值最小。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择校验电气设备用的短路电流采用系统最大运行方式下的三相短路电流。而在继电保护如过电流保护的灵敏度计算中，则采用系统最小运行方式下的两相短路电流。414短路电流计算得目的与基本假设1短路电流计算的目的为确保电气设备在短路情况下不致损坏，减轻短路危害和防止故障扩大，必须事先对短路电流进行计算。计算短路电流的目的是1选择和校验电气设备。2进行继电保护装置的选型与整定计算。3分析电力系统的故障及稳定性能，选择限制短路电流的措施。4确定电力线路对通信线路的影响等。2短路电流计算的基本假设选择和校验电气设备时，一般只需近似计算在系统最大运行方式下可能通过设备的最大三相短路电流值。设计继电保护和分析电力系统故障时，应计算各种短路情况下的短路电流和各母线接点的电压。要准确计算短路电流是相当复杂的，在工程上多采用近似计算法。这种方法建立在一系列假设的基础上，计算结果稍偏大。基本假设有1忽略磁路的饱和与磁滞现象，认为系统中各元件参数恒定。2忽略各元件的电阻。高压电网中各种电气元件的电阻一般都比电抗小得多，各阻抗元件均可用一等值电抗表示。但短路回路的总电阻大于总电抗的1/3时，应计入电气元件的电阻。此外，在计算暂态过程的时间常数时，各元件的电阻不能忽略。3忽略短路点的过渡电阻。过渡电阻是指相与相或者相与地之间短接太原理工大学电气与动力工程学院22所经过的电阻。一般情况下，都以金属性短路对待，只是在某些继电保护的计算中才考虑过渡电阻。4除不对称故障处出现局部不对称外，实际的电力系统通常都可以看做三相对称的。42无限大容量电源系统的三相短路过程分析421无限大容量电源系统电力系统的容量即为其各发电厂运转发电机的容量之和。实际电力系统的容量和阻抗都有一定的数值。系统容量越大，则系统内阻抗就越小。无限大容量电源系统，指其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供配电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所中母线上的电压能基本维持不变。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路回路总阻抗的510，或电力系统的容量超过用户供电系统容量50倍时，可将电力系统看作无限大容量电源系统。对一般用户供配电系统来说，由于用户供配电系统的容量远比电力系统的总容量小，而阻抗又较电力系统大得多。因此，用户供配电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统看作无限大容量电源系统。在等值电路图中表示为S和X0。按无限大容量电源系统计算所得的短路电流是装置通过的最大短路电流。因此，在估算装置的最大短路电流时，就可以认为短路回路所接电源是无限大容量电源系统。422三相短路过渡过程分析电力系统的短路故障往往是突然发生的。短路发生后，电系统就由工作状态经过一个暂态过程或称短路瞬变过程，然后进入短路后的稳定状态。电流也将由原来正常的负荷电流突然增大，再经过暂态过程达到短路后的稳态值。由于暂态过程中的短路电流比起稳态值要大得多，所以暂态过程虽然时间很短，但它对电气设备的危害远比稳态短路电流的危害要严重得多。因此，有必要对三相短路的暂态过程加以分析。图421A是一个电源为无限大容量的用户供电系统发生三相短路时的电路图。假设电源和负荷都是三相对称，则可取一相来分析，电路如图421B所示。太原理工大学电气与动力工程学院23设电源相电压UUMSINT正常负荷电流为IIMSINT现T0时短路等效为开关闭合，则图42B所示等效电路的电压方程为RIKLDIKDTUMSINT421式中IK表示每相短路电流瞬时值；R、L表示短路回路的总电阻和总电感。这个微分方程的解为IKIKMSINTKCET422式中IKM表示短路电流周期分量的幅值K表示短路电流与电压之间的相角，表示短路回路的时间常数C是积分常数，其值由初始条件决定。当T0发生三相短路瞬间，由于短路回路存在着电感，因此电流不能突变，即I0IK0，故由正常负荷电流为IIMSINT与式42中IK相等并代入T0，可求得积分常数为CIKMSINKIMSIN将上式代入式422即得短路电流为IKIKMSINTKIKMSINKIMSINET423在式423中，令IPIKMSINTK，INPIKMSINKIMSINET，IP为短路电流周期分量；INP为短路电流非周期分量。由式423可以看出当T时实际上经过10个周期左右时间，INP图421无限大容量系统中发生三相短路太原理工大学电气与动力工程学院240，这时IKIK2ISINT424式中I表示短路稳态电流。图422给出无限大容量供电系统发生三相短路时前后电流、电压的变化曲线。从图422可以看出，短路电流在到达稳态值之前，要经过一个暂态过程，这一暂态过程是短路非周期分量电流存在的那段时间。从物理概念上讲，短路电流周期分量是因短路后电路阻抗突然减小很多，而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流；短路电流非周期分量则是因短路电路含有感抗，电路电流不可能突变，而按楞次定律感应的用以维持短路初瞬间T0时电流不致突变的一个反向衰减性电流。此电流衰减完毕后，短路电流达到稳定状态。423三相短路的有关物理量（1）短路电流次暂态值短路电流次暂态值是指短路以后幅值最大的一个周期（即第一个周期）的短路电流周期分量的有效值。在无限大容量系统中，短路电流周期分量幅值保持不变，则有图422无限大容量系统发生三相短路时前后电压、电流的变化曲线太原理工大学电气与动力工程学院25IIPIPM2421（2）短路电流稳态值I短路电流稳态值是指短路进入稳态之后短路电流的有效值。无穷大容量电源系统发生三相短路时，短路电流周期分量的幅值恒定不变，则IIPI（422）（3）短路电流冲击值ISH短路电流冲击值即在发生最大短路电流的条件下，短路发生后约半个周期出现短路电流最大可能的瞬时值。当T001S时，有ISHIKT001SIPM1ETTA2KSHI423式中，KSH1ETTA称为冲击系数，是一个大于1小于2的系数，一般在高压供电系统中通常取TA005S，故KSH18，则ISH255I。低压供电系统中发生短路，常取KSH13，则ISH184I。（4）短路冲击电流有效值ISH短路冲击电流有效值指的是短路后第一个周期内短路全电流的有效值。为了简化计算，可假定非周期分量在短路后第一个周期内恒定不变，取该中心时刻T001S的电流值计算。对于周期分量，无论是否为无穷大容量电源系统，在短路后第一个周期内都可认为是幅值的正弦量。所以ISH1TIPTIAPT2DTT0I22IE001TA2I12KSH12424在高压供电系统中取KSH18，则ISH151I；在低压供电系统中取KSH13，则ISH109I（5）短路功率SK短路功率又称短路容量，它等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积。在短路的实用计算中，常只用次暂态短路电流来计算短路功率，称为次暂态功率S，即太原理工大学电气与动力工程学院26S3UAVI42543无限大容量电源系统的三相短路电流计算短路电流的计算方法有欧姆法又称有名单位制法、标幺制法又称相对单位制法和短路容量法又称兆伏安法。这里介绍一般常用的欧姆法和标幺制法。欧姆法属最基本的短路电流计算法，但标幺制法在工程设计中应用广泛。这次工程设计中关于短路电流的计算我们采用了标幺值法。431标幺值的概念在电路计算中，一般比较熟悉的是有名单位。在电力系统计算短路电流时，如计算低压系统的短路电流，常采用有名单位制；但计算高压系统的短路电流，由于有多个电压等级，存在着阻抗换算问题，为使计算简化，常采用标幺制。标幺制中各元件的物理量不用有名单位值，而用相对值来表示。相对值AD就是实际有名值A与选定的基准值AD间的比值，即ADAAD从上式可以看出，标幺值是没有单位的。另外，采用标幺值法计算时必须先选定基准值。按标幺值法进行短路计算时，一般先选定基准容量SD和基准电压UD。确定了基准容量SD和基准电压UD以后，根据三相交流电路的基本关系。基准电流IDSD3UD基准电抗XDUD3IDUD2SD据此，可以直接写出以下标幺值表示式容量标幺值SSSD太原理工大学电气与动力工程学院27电压标幺值UUUD电流标幺值IIID3IUDSD电抗标幺值XXXDXSDUD2工程设计中，为计算方便起见通常取基准容量SD100MVA，基准电压UD通常就取元件所在处的短路计算电压，即取UDUC。432标幺值法计算的优点1在三相电路中，标幺值相量等于线量。2三相功率和单相功率的标幺值相同。3当电网的电源电压为额定值时U1，功率标幺值与电流标幺值相等，且等于电抗标幺值的倒数，即SI1X4两个标幺值相加或相乘，仍得同一基准下的标幺值。由于以上优点，用标幺值法计算短路电流可使计算简便，且结果明显，便于迅速及时地判断计算结果的正确性。44用标幺值法进行相关计算441最大运行方式系统以最大运行方式工作时，进线回路为两条，两台变压器同时工作，并且分段断路器和隔离开关均闭合，一级负荷采用双回路供电，如图441所示太原理工大学电气与动力工程学院28设SD100MVA,UDUAV,各元件的标幺值如下电源XGSDSDMAX1002150465线路L1、L2XL1XL2X0LSDUAV204121003720351式中X0表示线路单位长度电抗，取04/KM。变压器T1、T2XT1XT2UK100SDSNT75100100100075线路L3XL3X0LSDUAV2008081006320161式中X0表示线路单位长度电抗，取008/KM。线路L4XL4X0LSDUAV20080421006320085图411最大运行方式计算电路图太原理工大学电气与动力工程学院29线路L5XL5X0LSDUAV20080931006320187线路L6、L7XL6XL7X0LSDUAV2008061006320121线路L8、L9XL8XL9X0LSDUAV20080751006320151线路L10、L11XL10XL11X0LSDUAV20080951006320191线路L12、L13XL12XL13X0LSDUAV20081221006320246线路L14XL14X0LSDUAV2008081006320161线路L15XL5X0LSDUAV20080981006320200线路L16XL6X0LSDUAV20080521006320105线路L17XL7X0LSDUAV20081151006320232（1）当K1发生短路时XK1XGXL1204650351206405SI1XK11064051561IDSD3UAV1003371560KAIK3IID15611560KA2435KASKSSD1561100MVA1561MVAISH255IK32552435KA6209KA（2）当K2发生短路时XK2XGXL12XT2204650351206209405SI1XK21094051063太原理工大学电气与动力工程学院30IDSD3UAV1003639164KAIK3IID10639164KA9741KASKSSD1063100MVA1063MVAISH255IK32559741KA24840KA（3）当K3发生短路时XK3XGXL12XT12XL3046503512062016111015SI1XK31110150908IDSD3UAV1003639164KAIK3IID09089164KA8321KASKSSD0908100MVA908MVAISH255IK32558321KA21219KA（4）当K6发生短路时XK3XGXL12XT12XL62046503512062012121001SI1XK3110010999IDSD3UAV1003639164KAIK3IID09999164KA9155KASKSSD0999100MVA999MVAISH255IK32559155KA23345KA同样的方法，我们可以得到发生其他短路的IK3、SK、ISH，求出来，填入表41中太原理工大学电气与动力工程学院31编号短路点IK3（KA）SKMVAISHKA1K12435156162092K297411063248403K38321908212194K48935975227845K58128887207266K69155999233457K79017984229938K88843965225509K986149402196610K1083219082121911K1180378772049412K1287619562234113K13781785319933442最小运行方式系统以最小运行方式工作时，进线回路为一条，两台变压器只有一台使用，一台作为备用。同时，一级负荷与二三级负荷均采用单回路供电，如图442所示设SD100MVA,UDUAV,各元件的标幺值如下电源XGSDSDMAX1001500667其余各元件电抗标幺值都和最大运行方式下的标幺值相同（1）当K1发生短路时XK1XGXL1066703511018SI1XK1110180982IDSD3UAV1003371560KAIK232IID3209821560KA1327KA表41最大运行方式下的短路数据太原理工大学电气与动力工程学院32（2）当K2发生短路时XK2XGXL1XT106670351061618SI1XK1116180618IDSD3UAV1003639164KAIK232IID3206189164KA4905KA（3）当K3发生短路时XK3XGXL1XT1XL3066703510601611779SI1XK1117790562IDSD3UAV1003639164KA图442最小运行方式计算电路图太原理工大学电气与动力工程学院33IK232IID3205629164KA4460KA（4）当K6发生短路时XK3XGXL1XT1XL6066703510601211739SI1XK1117390575IDSD3UAV1003639164KAIK232IID3205759164KA4563KA同样的方法，我们可以得到发生其他短路的IK2求出来，填入表42中编号短路点IK2（KA）编号短路点IK2（KA）1K113278K843892K240959K942543K3446010K1044604K4465911K1143655K5440012K1246036K6456313K1342947K74484第五章35KV、6KV供电线路的选择51导线和电缆截面的选择方法为了保证用户供电系统安全、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发热条件导线和电缆包括母线在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时要产生热量，其发热温度不应超过其正常运行的最高允许温度。2电压损耗条件表42最小运行方式下的短路数据太原理工大学电气与动力工程学院34导线和电缆在通过正常最大的负荷电流即线路计算电流时产生电压损耗，其电压损耗不应超过正常运行时允许的电压损耗。对于较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。3经济电流密度35KV及以上的高压线路以及35KV以下但距离长电流大的线路，其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小而又适当考虑有色金属的节约，所选截面称为“经济截面”。用户10KV及以下线路，通常不按此原则选择。4机械强度导线包括裸线和绝缘导线短路时冲击电流将使相邻导体之间产生很大的电动力，从而使得载流部分遭受严重破坏，其截面不应小于其最小允许截面。对于电缆，不必校验其机械强度。根据设计经验，一般10KV及以下高压线路及低压动力线路，通常先按发热条件选择截面；低压照明线路，因其对电压水平要求较高，通常先按允许电压损耗选择截面；对于长距离大电流线路及35KV以上的高压线路，通常先按经济电流密度确定经济截面，再校验其他条件。按以上经验选择，比较容易满足要求，较少返工。5235KV架空线的选择实际工程设计中，对于35KV的较长线路，一般按经济电流密度选择导线截面，再校验允许载流量、允许电压损失和机械长度。导线的截面越大，电能损耗就越小，而线路投资、维修管理费用和有色金属消耗却要增加。因此，从经济方面考虑，导线选择一个比较合理的截面，既使电能损耗小，又不致过分增加线路投资、维修管理费用和有色金属消耗量。如图51所示，曲线3表示线路的年运行费用C与导线截面A的关系曲线。其中曲线1表示线路的年折旧费即线路投资除以折旧年限之值和线路的年维修管理费之和与导线截面的关系曲线；曲线2表示线路的年电能损耗费与导线截面的关系曲线。曲线3为曲线1与曲线2的叠加。由曲线3可知，与年运行费用最小值CAA点相对应的导线截面AA不一定是很经济合理的的导线截面，因为A点附近，曲线3比较平坦，如果将导线截面再选得小一些，例如选为ABB点，而年运行费用CB增加不多，而导线截面即有色金属消耗量却显著地减少，导线截面选为AB比AA更为经济合理。这种从全面的经济效益考虑，即使线路的年运行费用接近最小而又适当考虑有色金属节约的导线截面，称为经济截面，用符号AEC表示。太原理工大学电气与动力工程学院35我国现行的经济电流密度规定如表51所列。线路类别导线材质年最大负荷利用小时3000H以下30005000H5000H以上架空线路铝165115090铜300225175电缆线路铝192173154铜250225200按经济电流密度JEC计算经济