电气工程工厂供电课程设计报告某铝冶炼厂降压变电所的电气设计

1、电气工程基础课程设计设计题目：某铝冶炼厂降压变电所的电气设计专业班级：电气工程及其自动化0804学号：姓名：指导教师：中南大学信息科学与工程学院前言1.1 工厂供电的意义和要求 工厂供电，就是指工厂所需电能的供应和分配，亦称工厂配电。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

2、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。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。工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能

3、工作，就必须达到以下基本要求：（1）安全: 在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。（2）可靠: 应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3）优质: 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求（4）经济: 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。1.2 工厂供电设计的一般原则按照国家标准gb50052-95 供配电系统设计规范、gb50053-94 10kv及以下设计规范、gb50054-95 低压配电设计规范等的规定，进行工

4、厂供电设计必须遵循以下原则：（1） 遵守规程、执行政策；（2） 安全可靠、先进合理；（3） 近期为主、考虑发展；（4） 全局出发、统筹兼顾。目 录1 负荷计算和无功功率计算以及补偿 （要求：高压侧在最大负荷时功率因数不应低于0.9，低压侧不应低于0.85.）2 选择高低压电力网的导线型号及截面3 选择变电所主变压器的台数以及容量类型4 变电所主接线方案的设计5 短路电流的计算6 变电所一次设备的选择与校验7 变电所二次回路方案以及继电保护的整定8 防雷和接地装置的确定结束语参考文献1 负荷计算和无功功率补偿1.1 负荷计算1)单组用电设备计算负荷的计算式: 有功计算负荷 无功计算负荷 视在计算

5、负荷 计算电流表2.1 机械厂负荷计算表编号名称类别设备容量需要系数计 算 负 荷1铸造车间动力4800.370.681.02177.6181.2261.2397.3照明50.81.0040410.5小计485181.6181.2265.2407.82锻压车间动力1800.250.631.174552.6571.4108.5照明50.81.004 0 410.5小计1854952.6575.4118.53金工车间动力4700.250.631.12117.5131.6 186.5283.3照明50.81.0040410.5小计475121.5131.6190.5293.84工具车间动力2100.

6、30.631.336383.19100151.9照明50.81.0040410.5小计2156783.19104162.45电镀车间动力3900.40.750.75156117208316照明50.81.040410.5小计395160117212326.56热处理车间动力2300.50.750.8211594.3153.3232.9照明50.81.0040410.5小计23511994.3157.3243.47装配车间动力1100.350.71.0238.539.295583.6照明50.81.0040410.5小计11542.539.295994.18机修车间动力1700.250.651.

7、1742.549.7365.499.4照明50.81.0040410.5小计17546.549.7369.4109.99锅炉房动力1000.50.751505066.7101.3照明50.81.0040410.5小计105545070.7111.810仓库动力200.350.850.7575.258.212.5照明10.81.000.8012.62小计217.85.259.215.1211生活区照明4000.750.950.48300144400607.8总计（380v侧）动力2360812.5768.21167.71706.7照明346计入=0.8=0.850.7340144446710.3

8、1.2 无功功率补偿 由表2.1可知，该厂380v侧最大负荷是的功率因数只有0.7.而供电部门要求该厂10kv进线侧最大负荷是功率因数不应该低于0.9。考虑到主变压器的无功损耗远大于有功损耗，因此380v侧最大负荷是功率因素应稍大于0.9，暂取0.95来计算380v侧所需无功功率补偿容量：表2.2负荷计算表项 目计算负荷380v侧补偿前负荷0.7812.5768.21167.71706.7380v侧无功补偿容量245.46380v侧补偿后负荷0.951013.66966.131467.9主变压器功率损耗125010kv侧负荷总计0.9778.3364.685950q=812.5（tancos0

9、.7-tancos0.97）kvar=812.5（0.9597-0.5653）=245.46kvar966.13kvar s：低压侧视在负荷 pt pt，qt：变压器的功率损耗qt 变电所高压侧的计算负荷： cos=975.79/1076.9=0.9062高，低压电力网的导线型号及截面的选择 2.1架空线的优点：1 设备简单，造价低。架空线与电缆相比较，电缆的造价约为架空线的四倍。 2 露置空中，依靠定期巡线便能及时发现缺陷。有故障时易于检修与维护，电缆线铺设在地下，不容易发现缺陷，有故障时较难寻找，修复工作量大。3 利于空气绝缘，造建比较容易这一优点在高压线路上尤为明显。但是架空线需要一定空

10、间，占地面积较大，在厂区密集人员较多的地方不宜采用，而且影响厂区美化。 综上所述：根据实际情况在厂区宜采用架空线，这样更经济合理。2.1.1为保证供电系统安全可靠和优质经济的运行，选择到导线和电缆截面时必须考虑下列因素。1发热条件：导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。1 电压损耗条件：电线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗，不应超过其正常的运行是允许的电压损耗。对于工厂内较短的高压线路，可不进行电压损耗校验。2 经济电流密度：35千伏及以上的高压线路及电压在35千伏以下但距离长，电流大的线路，其导线截面宜按

11、经济电流密度选择，以使线路的年费用支出最小。所选截面，成为“经济截面”。此种选择原则，称为“年费用支出最小”原则。工厂内10千伏以及以下线路，通常不按此原则选择。3 机械强度：导线截面不应小于其最小允许截面，对于电缆，不比校验其机械强度，但是需要校验其短路热稳定度。母线也应该校验短路时候的稳定度。对于绝缘导线和电缆，还应满足工作电压的要求。2.1.2 按发热条件选择：1 10千伏高压电线的选择校验：1076.9/1.732*10kva=62.17a 查工厂供电，苏文成著p26得 ：jn=1.15， mm 选用钢芯铝绞线2 低压侧导线的选择 低压侧计算电流：=1467.92a可选用两条800 的

12、巨型铝母线，宽*厚=2（10*80）mm三、变电所主变压器台数和容量、类型的选择（一）方案选择原则1、当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。2、接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。3、610kv固定式配电装置的进线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。4、采用610 kv熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。5、由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器。（二）变电所主变压器台数的选择变压器台数应根据负荷特点和经济运行进行选择。当符合下列条件之一时，

13、宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷；季节性负荷变化较大；集中负荷较大。结合本厂的情况，考虑到二级重要负荷的供电安全可靠，故选择两台主变压器。（三）变电所主变压器容量选择每台变压器的容量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：2）任一台变压器单独运行时，应满足：，即满足全部二、三级负荷需求。代入数据可得：=（0.60.7）966.13=（579.68-676.29）。又考虑到本厂的气象资料（年平均气温为），所选变压器的实际容量：也满足使用要求，同时又考虑到未来510年的负荷发展，初步取=1000 。考虑到安全性和可靠性的问题，确定变压器为sc3系列箱型干式变压器。

14、型号：sc3-1000/10 ，其主要技术指标如表4.1所示：表4.1 sc3-1000/10的主要技术指标变压器型号额定容量/额定电压/kv联 结 组型 号损耗/kw空载电流%短路阻抗%高压低压空载负载sc3-1000/10100010.50.4dyn112.457.451.36（附：参考尺寸（mm）：长：1760宽：1025高：1655 重量（kg）：3410）四、变电所主结线方案的设计（一）变配电所主结线的选择原则(1).当满足运行要求时，应尽量少用或不用断路器，以节省投资。(2).当变电所有两台变压器同时运行时，二次侧应采用断路器分段的单母线接线。(3).当供电电源只有一回线路，变电所

15、装设单台变压器时，宜采用线路变压器组结线。(4).为了限制配出线短路电流，具有多台主变压器同时运行的变电所，应采用变压器分列运行。(5).接在线路上的避雷器，不宜装设隔离开关；但接在母线上的避雷器，可与电压互感器合用一组隔离开关。(6).610kv固定式配电装置的出线侧，在架空线路或有反馈可能的电缆出线回路中，应装设线路隔离开关。(7).采用610 kv熔断器负荷开关固定式配电装置时，应在电源侧装设隔离开关。(8).由地区电网供电的变配电所电源出线处，宜装设供计费用的专用电压、电流互感器（一般都安装计量柜）。(9).变压器低压侧为0.4kv的总开关宜采用低压断路器或隔离开关。当有继电保护或自动

16、切换电源要求时，低压侧总开关和母线分段开关均应采用低压断路器。(10).当低压母线为双电源，变压器低压侧总开关和母线分段开关采用低压断路器时，在总开关的出线侧及母线分段开关的两侧，宜装设刀开关或隔离触头。（二）主结线方案选择降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。(1)一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路。(2) 一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的降压变

17、电所主电路。(3)一、二次侧均采用单母线分段的降压变电所主电路图这种主结线图兼有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的降压变电所(4)一、二次侧均采用双母线的降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。本次设计的电机修造厂是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（2.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。采用一、二侧单母线分段的总降压变电所主结

18、线（即全桥式结线）。方案：高、低压侧均采用单母线接线。优点：结构设计简单，便于装设与维修。从经济方面上看能够节省预算，费用低。缺点：线路负荷重，容易老化，使用寿命低；出现故障的概率大，在检修或发生故障时，变电所需要停电。方案：单母线分段带旁路。优点：具有单母线分段全部优点，在检修断路器时不至中断对用户供电。缺点：常用于大型电厂和变电中枢，投资高。方案：高压采用单母线、低压单母线分段。优点：任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，即可迅速恢复对整个变电所的供电。缺点：在高压母线或电源进线进行检修或发生故障时，整个变电所仍需停电。以上三种方案均能满足主接线要求，采用三方案时虽经济性最佳，但是其

19、可靠性相比其他两方案差；采用方案二需要的断路器数量多，接线复杂，它们的经济性能较差；采用方案一既满足负荷供电要求又较经济，故本次设计选用方案。五 短路电流的计算5.1 绘制计算电路 如图5.1所示图5.1 短路计算电路5.2 确定短路计算基准值设，即高压侧，低压侧，则 5.3 计算短路电路中各元件的电抗标幺值（1) 电力系统 已知=500mva,故=100mva/500mva=0.2（2) 架空线路 lj-120的=0.35/km，而线长8km故=(0.358)=2.54（3) 电力变压器 %=4.5,故=4.5因此绘短路计算等效电路如图5.3所示图5.3 等效电路5.4 10kv侧三相短路电

20、流和短路容量（1) 总电抗的标幺值 =0.2+3.8=4.0（2) 三相短路电流周期分量有效值=1.38ka（3) 短路次暂态短路电流=1.38ka（4) 短路稳态电流 =1.38ka（5) 短路冲击电流 =2.551.38ka=3.52ka（6) 短路后第一个周期的短路电流有效值=1.511.38ka=2.08ka（7) 三项短路容量 =25mva5.5 380kv侧三相短路电流和短路容量（1） 总电抗的标幺值 =0.2+3.8+4.5=8.5（2） 三相短路电流周期分量有效值=16.9ka（3） 短路次暂态短路电流=16.9ka（4） 短路稳态电流 =16.9ka（5） 短路冲击电流 =1

21、.8416.9ka=31.2ka（6） 短路后第一个周期的短路电流有效值=1.0916.9ka=18.4ka（7） 三项短路容量 =11.8mva以上计算结果综合如表5.1表5.1 短路的计算结果短路计算点三相短路电流/ka三相短路容量/mvak-11.381.381.383.522.0825k-216.916.916.931.218.411.8六、变电所一次设备的选择与校验（一）6kv侧一次设备的选择校验 如表7.1表7.1 6kv侧一次设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其他装置地点条件参数uniniii*t数据10kv57.7a1.96ka5.0ka7.3一次设备型

22、号规格额定参数un。ein.eiocimaxi2t.t高压少油断路器sn10-10i/63010kv630a16ka40ka512高压隔离开关gn6/8-10/20010kv200a25.5ka500高压熔断器rn2-1010kv0.5a50ka电压互感器jdj-1010/0.1kv电流互感器lqj-1010kv100/5a31.8a81二次负荷0.6避雷器fs4-1010kv户外隔离开关gw4-12/40012kv400a25ka500所选一次设备均满足要求。（二）380v侧一次设备的选择校验 如表7.2表7.2 380v侧一次设备的选择校验选择校验项目电压电流断流能力动稳定度热稳定度其它装

23、置地点条件参数uniniii*t数据380v总1320a19.7ka36.2ka272一次设备型号规格额定参数un。ein.eiocimaxi2t.t低压断路器dw15-1500/3d380v1500a40ka低压断路器dz20-630380v630a30ka低压刀开关hd13-1500/30380v1500a电流互感器lmzj-0.5500v1500/5a电流互感器lmzj-0.5500v100/5a160/5a所选一次设备均满足要求。七、防雷保护和接地装置的设计（一） 防雷设备和措施防雷的设备主要有接闪器和避雷器。其中，接闪器就是专门用来接受直接雷击（雷闪）的金属物体。接闪的金属称为避雷针

24、。接闪的金属线称为避雷线，或称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。接闪的金属网称为避雷网。避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器应与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧。当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙就被击穿，或由高阻变为低阻，使过电压对大地放电，从而保护了设备的绝缘。避雷器的型式，主要有阀式和排气式等。防雷措施为：（1）架设避雷线 这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66kv及以上的架空线路上才沿全线装设。35kv的架空线路上，一般只在进出变配电所的一段线路上装设。而10kv及以下的线路上一般不装设避雷

25、线。（2）提高线路本身的绝缘水平 在架空线路上，可采用木横担、瓷横担或高一级的绝缘子，以提高线路的防雷水平，这是10kv及以下架空线路防雷的基本措施。（3）利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 由于310kv的线路是中性点不接地系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子装以保护间隙。在出现雷电过电压时，顶线绝缘子上的保护间隙被击穿，通过其接地引下线对地泄放雷电流，从而保护了下面两根导线，也不会引起线路断路器跳闸。（4）装设自动重合闸装置 线路上因雷击放电而产生的短路是由电弧引起的。在断路器跳闸后，电弧即自行熄灭。如果采用一次ard，使断路器经0.5s或稍长一点时间后自动重合闸，电弧通常不会复燃，从而能

26、恢复供电，这对一般用户不会有什么影响。（5）个别绝缘薄弱地点加装避雷器 对架空线路上个别绝缘薄弱地点，如跨越杆、转角杆、分支杆、带拉线杆以及木杆线路中个别金属杆等处，可装设排气式避雷器或保护间隙。变配电所的防雷措施（1）装设避雷针 室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。（2）高压侧装设避雷器 这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。在每路进

27、线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。（3）低压侧装设避雷器 这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。当变压器低压侧中性点不接地时（如it系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。在本设计中，配电所屋顶及边缘敷设避雷带，其直径为8mm的镀锌圆钢，主筋直径应大于或等于10mm的镀锌圆钢。（二）接地与接地装置电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接，称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地体，或称接地极。专门为

28、接地而人为装设的接地体，称为人工接地体。兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等，称为自然接地体。连接接地体与设备、装置接地部分的金属导体，称为接地线。接地线在设备、装置正常运行情况下是不载流的，但在故障情况下要通过接地故障电流。接地线与接地体合称为接地装置。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网。其中接地线又分为接地干线和接地支线。接地干线一般应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。八 变电所二次回路方案的选择及继电保护的整定（一）二次回路方案选择1、二次回路电源选择二次回路操作电源有直流电源，交流电源之分。蓄电池组供电的直流

29、操作电源带有腐蚀性，并且有爆炸危险；由整流装置供电的直流操作电源安全性高，但是经济性差。 考虑到交流操作电源可使二次回路大大简化，投资大大减少，且工作可靠，维护方便。这里采用交流操作电源。2、高压断路器的控制和信号回路高压断路器的控制回路取决于操作机构的形式和操作电源的类别。结合上面设备的选择和电源选择，采用弹簧操作机构的断路器控制和信号回路。(二)变配电站的保护装置1、主变压器的继电保护装置（1）装设瓦斯保护 当变压器油箱内部产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动作于信号;当因严重故障产生大量瓦斯时，则动作跳闸。（2）装设反时限过电流保护 采用gl15型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分

30、流跳闸的操作方式。过流保护动作电流的整定公式为 i=kk i/ kk 通过计算整定电流为9.5a。因此过流保护动作电流i整定为10a。过电流保护动作时间的整定 由于本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动作时间可整定为最短的0.5s.过电流保护灵敏系数的校验 由公式 s= i/ i=3.411.5 所以满足灵敏系数1.5的要求。（3）装设电流速断保护 利用gl15型继电器的电流速断装置来实现。 速断电流的整定为k= i/ i=5.5 电流速断保护灵敏系数的检验 s=1.551.5 因此这里的电流速断保护满足要求。2、作为备用电源的高压联络线的继电保护装置（1）装设反时限过电流保护 采

31、用gl15型感应式过电流继电器，两相两继电器式接线，去分流跳闸的操作方式。过流保护动作电流的整定公式为 i=kk i/ kk 通过计算整定电流为6.3a。因此过流保护动作电流i整定为7a。过电流保护动作时间的整定 由于本变电所为电力系统的终端变电所，故其过电流保护的动作时间可整定为最短的0.5s.（2）装设电流速断保护 利用gl15型继电器的电流速断装置来实现。3、变电所低压侧的保护装置（1）低压总开关采用dw15-1500/3型低压断路器，三相均装过流脱扣器。（2）低压侧所有的出线上均装设dz20型低压断路器控制，其过流脱扣器可实现对线路短路故障的保护。结束语 对老师的感谢：这个学期我们学了

32、电气工程基础这门课程，从这门课程的学习中我们了解了作为电气工程专业的学生应该学习什么，应该怎样学好电气工程的相关知识，知道了电气工程及其自动化专业的特点以及就业方向，从老师的教导中我们也渐渐形成了解决电气问题的基本思想，说道这里，我不得不提及一下给我们上课的余明扬老师，我想借此机会向您表示我深深的敬意，您对教育事业的热情和对电气工程这门学科的热忱深深地打动了我们，您在耐心传授知识的过程中，不忘以未来的眼光提醒我们在未来的学习和工作中可能会遇到的问题，这才是一个真正的大学教师，您也许就做了这么么一点点事情，或许就不别人好一点点，但是我们敬佩您，要知道并不是所有的老师都能做得到。 在这里还要感谢的就是我们的实验老师-黎群辉老师，您是一个优秀的老师，很幽默。在我们看来电机拖动实验或者电气工程试验是一个很枯燥的东西，但是通过您的生动的而诙