煤矿供电系统设计--毕业设计论文.doc

1 目 录 第一章 绪论 .4 1.1 朝阳矿供电系统简介 .4 1.2 本设计的原始资料 .4 1.2.1 电压等级 .4 1.2.2 设计 容量 .4 1.2.3 进出线及负荷情况 .5 1.2.4.环境条件 .5 第二章 负荷计算 6 2.1 负荷计算目的 .6 2.2 负荷计算 .6 2.2.1 与负荷计算有关的物理量 .6 2.3 计算负荷的实用计算方法 .8 2.3.1 求计算负荷 .8 第三章 电气主接线选择设计 14 3.1 几种常用主接线方式比较与选择(厂区供电) 14 3.1.1 双母线接线 14 3.1.2 单母线分段接线 14 3.2 变压器的选择 15 3.2.1 变压器台数选择 15 3.2.2 变压器 的选择计算 16 第四章 短路计算 .19 4.1 短路计算的方法与步骤 19 4.4.1 欧姆法 19 4.4.2 标幺值法 19 4.2 短路计算 19 第五章 电气设备的选择 .23 5.1 导线截面的选择 23 5.2 母线的选择 27 5.3 断路器及隔离开关的选择 30 2 5.3.1 断路器的选择 30 5.3.2 隔离开关的选择 31 5.3.3 按短路条件进行校验 31 第六章 无功补偿 .33 6.1 功率因数的基本概念 33 6.2 提高功率因数的方法 33 6.3 并联电容器的补偿方式 33 6.3.1 低压集中补偿 33 6.4 无功功率补偿计算 34 第七章 防雷与接地 37 7.1 避雷针 37 7.1.1 避雷针的作用 37 7.1.2 避雷针的装设原则 37 7.2 避雷器 38 7.2.1 避雷器的作用 38 7.2.2 避雷器的工作原理 38 7.3 保护接地 38 7.3.1 工作原理 38 7.3.2 适用范围 39 7.3.3 接地类型 39 第八章 结 束 语 .40 参 考 文 献 41 3 前 言 毕业设计是我们本科结业最后一个综合性教学环节,它主要考察了我们两 年多来对理论知识的掌握程度，是学习的深化和升华。通过毕业设计可以有力 地衡量我们的独立思考、自行分析、理论应用以及现场实际操作能力。 本论文题目是朝阳矿供电系统设计 ，是根据朝阳矿负荷的特点，就供 电系统设计的主要内容展开说明，其内容包括电气主接线方案的比较和选择， 负荷计算和统计，变压器的选择，三相短路计算，母线的选择和导线的选择、 计算及校验，设备的选择，无功功率的补偿容量的计算和无功补偿方式的选择， 防雷及接地。当然，在做毕业设计的过程遇到了许多的困难，为了更好的巩固 所学的专业知识，解决毕业设计过程中出现的问题，我参考了电力工程设计 手册 、 供电技术 、 电气工程 、 电力系统继电保护原理 、 发电厂电气部 分等书籍 。同时得到了冯博群老师的悉心指导和其他同学的帮忙，由于我 的水平有限，在设计中难免有一些错误和不当之处，恳请各位老师批评指正。 4 第一章 绪论 1.1 朝阳矿供电系统简介 矿区供电电源为 110KV 双回路电源，一路由宝阳变电站采用 LGJ150 型 铝绞线供至矿区 110KV 变电站，线路总长 23.8KM，混凝土杆；另一路由王寨 变电站采用 LGJ185 型铝绞线供至矿区变电站，线路总长 13.9KM。矿区变电 站安装 2 台 SFSL1 型和 SFSL6 型 2 万千伏安变压器，主要担负矿区和附近农村 用电，平时一台工作，一台备用。变压器输出 6KV 供各井使用。 一井供电由矿区 110KV 变电站双回路(架空线号 LGJ-240)6KV 供电至一井 地面变电所，目前正准备安装 3 回路。110KV 变电站往西风井扇风机房有两条 专用高压线路。全井总装机容量 11140KW，其中地面 1640KW，井下 9600KW。 高压电动机共安装 30 台，最大负荷 5023KW。地面有一个变电所，井下两个水 平面共四个变电所。地面往井下中央变电所共用 5 趟铠装电缆，型号 ZLQP- 3185 型，长度 740 米。-10 变电所往-250 变电所用三趟电缆，长度 779 米。 二井供电由矿区 110KV 变电站双回路(架空线号 LGJ-185)6KV 供电线路至 地面变电所，长度为 1.04KM，全井总装机容量 6565KW。 ，其中地面 1890KW， 井下 4675KW。高压电动机共安装 5 台，最大负荷 2460KW。地面有一个变电所， 井下两个采区共四个变电所。地面往井下中央变电所共用 2 趟铠装电缆，型号 ZLQP-395 型，长度 900 米。中央变电所往戊 2 平台变电所用 2 趟电缆，长 度 1400 米。戊 2 平台变电所往戊 2 采区变电所用 2 趟电缆，长度 584 米。 三井供电由矿区 110KV 变电站双回路(架空线号 LGJ-120)6KV 供电线路供 至地面变电所，长度为 1.67KM，全井总装机容量 2620KW，其中地面 1120KW， 井下 1500KW。最大负荷 491KW。地面有一个变电所，井下共 2 个变电所。矿井 供电能力满足安全生产要求。地面往井下中央变电所共用 2 趟铠装电缆，型号 ZLQP-370 型，长度 210 米。中央变电所往采区变电所用两趟电缆，长度 480 米。 1.2 本设计的原始资料 1.2.1 电压等级 10KV/660V,380V； 5 1.2.2 设计容量 拟设计安装五台主变压器； 1.2.3 进出线及负荷情况 (1)、由矿中央变电所引进两趟 110KV 进线； (2)、变电所出线为电缆出线； (3)、负荷功率因数为 0.8 左右； 1.2.4.环境条件 当地最高气温 37.6 摄氏度，最低气温-25 摄氏度，最热月份平均温度 23.3 摄氏度，变电所所处海拔高度 200M，污秽程度中级。 6 第二章 负荷计算 电力负荷的计算，对合理配置电源，合理布局供电线路，以及正确选择各 种电器设备和导线、电缆等都是不可缺少的。负荷计算得准确，使设计工作建 立在可靠的基础资料之上，得出的工程设计方案经济合理。反之，若负荷计算 得过大或过小，则会造成投资和设备器材的浪费，或使设备承受不了符合电流 而造成事故，影响安全供电。 2.1 负荷计算目的 在进行工厂供电设计时，基本的原始资料为工艺部门提供的各种用电设备 的产品铭牌数据，如额定容量、额定电压等，这是设计的依据。但是，能否简 单地用设备额定容量来选择导体和各种供电设备呢?显然是不能的。因为所安 装的设备并非都同时运行，而且运行着的设备实际需用的负荷也并不是每一时 刻都等于设备的额定容量，而是在不超过额定容量的范围内，时大时小地变化 着。所以直接用额定容量(也称安装容量)选择供电设备和供配电系统，必将导 致有色金属的浪费和工程投资的增加。因而，供配电设计的第一步需要计算 全厂和各车间的实际负荷。 负荷计算主要包括： (1)求计算负荷(也称需用负荷)。目的是为了合理地选择工厂各级电压供 电网络变压器容量和电器设备型号等。 (2)算出尖峰电流。用与计算电压波动、电压损失，选择熔断器和保护元 件等。 (3)算出平均负荷。用来计算全厂电能需要量、电能损耗和选择无功补偿 装置等。 2.2 负荷计算 2.2.1 与负荷计算有关的物理量 一 、 年 最 大 负 荷 和 最 大 负 荷 利 用 小 时 数 年 最 大 负 荷 是 指 全 年 中 最 大 工 作 班 内 半 小 时 平 均 功 率 的 最 大 值 ， 并 用 符 号 Pmax、 Qmax 和 Smax 分 别 表 示 年 有 功 、 无 功 和 视 在 最 大 负 荷 。 所 谓 最 大 工 作 班 ， 是 指 一 年 中 最 大 负 荷 月 份 内 最 少 出 现 23 次 的 最 大 负 荷 7 工 作 班 ， 而 不 是 偶 然 出 现 的 某 一 个 工 作 班 。 年 最 大 负 荷 利 用 小 时 数 Tmax， 是 一 个 假 想 时 间 。 其 物 理 意 义 是 ： 如 果 用 户 以 年 最 大 负 荷 Pmax 持 续 运 行 Tmax 小 时 所 消 耗 的 电 能 恰 好 等 于 全 年 实 际 消 耗 的 电 能 ， 那 么 Tmax 即 为 年 最 大 负 荷 利 用 小 时 数 。 如 图 22 所 示 ， 年 持 续 负 荷 曲 线 与 两 轴 所 包 围 的 面 积 等 于 Pmax 与 Tmax 的 乘 积 (即 面 积 I 等 于 面 积 II)所 以 Tmax 可 表 达 为 Tmax=Wp/Pmax(h) (21) 同 理 Tmax(无 功 )=WQ/Qmax (22) 式 中 W全 年 消 耗 的 电 量 ； Wp有 功 电 量 (kwh)； WQ无 功 电 量 (kvarh)； Tmax 一 是 标 志 工 厂 负 荷 是 否 均 匀 的 一 个 重 要 指 标 。 这 一 概 念 在 计 算 电 能 损 耗 和 电 气 设 备 选 择 中 均 要 用 到 。 二 、 平 均 负 荷 和 负 荷 系 数 (1) 平 均 负 荷 平 均 负 荷 是 指 电 力 用 户 在 一 段 时 间 内 消 费 功 率 的 平 均 值 ， 记 作 Ppj、 Qpj、 Spj。 如 图 21(b)所 示 为 平 均 有 功 负 荷 ， 其 值 为 用 户 在 由 0 到 t 时 间 内 所 消 费 的 电 能 Wp(KWh)除 以 时 间 t， 即 Ppj Wp/t (kw) (23) 式 中 Wp由 0 到 t 时 间 内 消 托 的 有 功 电 能 Wp(kWh)。 对 于 年 平 均 负 荷 ， 全 年 小 时 数 t 取 8760， Wp 是 全 年 消 费 的 总 电 能 。 在 最 大 工 作 班 内 ， 平 均 负 荷 与 最 大 负 荷 之 比 称 为 负 荷 系 数 并 用 分 别、 表 示 有 功 、 无 功 负 荷 系 数 。 其 关 系 式 为 Ppj/Pmax (24) Qpj/Qmax (25) (2) 负 荷 系 数 负 荷 系 数 也 称 负 荷 率 ， 又 叫 负 荷 曲 线 填 充 系 数 。 它 是 表 征 负 荷 变 化 规 律 的 一 个 参 数 。 其 值 愈 大 ， 则 负 荷 曲 线 愈 平 坦 ， 负 荷 波 动 愈 小 。 根 据 经 验 数 字 ， 一 般 工 厂 负 荷 系 数 年 平 均 值 多 为 0 700 75； O 760 82。 上 述 数 据 说 明 无 功 负 荷 曲 线 的 变 动 比 有 功 负 荷 曲 线 平 坦 。 除 了 大 量 使 用 电 焊 设 备 的 工 厂 或 车 间 外 ， 一 般 值 比 值 高 10 一 15 左 右 。 相 同 类 型 的 8 工 厂 或 车 间 具 有 近 似 的 负 荷 系 数 。 三 、 需 用 系 数 和 利 用 系 数 在 工 厂 供 配 电 系 统 设 计 和 运 行 中 ， 常 使 用 需 用 系 数 和 利 用 系 数 ， 其 定 义 为 需 用 系 数 Kx=Pn (26) 利 用 系 数 KL= Pn (27) 式 中 Pn额 定 功 率 。 实 践 表 明 ， 同 类 型 的 工 厂 ， 需 用 系 数 Kx， 利 用 系 数 KL 十 分 相 近 ， 可 以 分 别 用 典 型 数 值 表 示 它 们 。 2.3 计算负荷的实用计算方法 常 用 的 计 算 方 法 有 需 用 系 数 法 、 二 项 式 法 、 利 用 系 数 法 等 。 在 实 际 工 程 供 配 电 设 计 中 ， 广 泛 采 用 需 用 系 数 法 。 因 此 这 种 方 法 计 算 简 便 ， 多 用 于 方 案 估 算 、 初 步 设 计 和 全 厂 、 大 型 车 间 变 电 所 的 施 工 设 计 。 根 据 负 荷 类 型 ， 选 择 需 用 系 数 法 求 出 计 算 负 荷 。 2.3.1 求计算负荷 一、设备容量的确定 进行负荷计算时，需按性质将用电设备分为不同的用电设备组，然后确定 设备容量(或称设备功率)。 由于各用电设备的额定工作条件不同，有的长期工作，有的短时工作，因 而在求计算负荷时，不能将额定功率直接相加，而需将不同工作制的用电设备 额定功率换算为统一规定工作条件下的功率。这个功率称为用电设备的设备功 率(或设备容量)，并用 PS 表示。其值分别为： (1)对长期工作制的用电设备，P SPn(额定功率)； (2)对短时但连续工作制的用电设备，P SPn； (3)以反复短时工作制的用电设备，设备功率是将某一暂载率下的铭牌额 定功率统一换算为标准暂载率下的功率。 所谓暂载率，是指用电设备工作时间与整个工作周期时间之比值，用 Jc 表 示 Jc gxt 100% (28) 式中 t g工作时间； 9 tx停歇时间。 设备铭牌上所给的额定功率时的哲载率用 JCn 表示，称额定暂载率。 二、按需用系数法求计算负荷 (1)用电设备各组的计算负荷 用电设备组是由工艺性质相同、需用系数相近的一些设备合并成的一 组用电设备。在一个车间中，可根据具体情况将用电设备分为若干组。再 分别计算各用电设备组的计算负荷。 其计算公式为 (29) )(3/ var)(tn2AUSjsIkVQPjWKxsjs 式中 Pjs、Q js、S js该用电设备组的有功、无功和视在计算负荷； Ps该用电设备组的设备容量总和，但不包括备用设备容量(kW)； Un额定电压(kv)； 与运行功率因数角相对应的正切值；tan Ijs该用电设备组的计算电流(A)； Kx该用电设备组的需用系数； 需用系数的物理意义是： 1fXK (210) 式中 用电设备组平均效率(用电设备在运行时要产生功率损耗，用 电设备(如电动机)输出的功率与实际输人的功率之比即用电设备的效率， 1)； K同时系数(用电设备组的设备并非同时都运行。该设备组在最大负 荷时工作着的用电设备容量与该组用电设备总容量之比即为同时系数， K 1，参见表 21，对于一台电动机而言 K=1)； Kf 负荷系数(工作着的用电设备一般并非全在满负荷下运行。该设备 组在最大负荷时，工作着的用电设备实际所需功率与工作着的用电设备总功率 之比称为负荷系数，K f1)； 线路供电效率(因为电功率通过电力线路在线路上要产生功率损耗，1 10 所以末端功率要小于始端功率。其线路末端功率与端功率之比称为线路供电效 率，一般为 095098)。 由此可看出，需用系数是一个综合系数，它标志着用电设备组投入运行时， 从供电网络实际取用的功率与用电设备组设备功率之比。需用系数一般小于 l。 表 21、需用系数法的同时系数 K (供参考) 应用范围 K 一、确定车间变电所低压母线的最大负荷时所采用的有 功负荷同时系数 1、冷加工车间 2、热加工车间 3、动力站 二、确定配电所母线的最大负荷时采用的有功负荷同时 系数 1、计算负荷小于 5000kW 2、计算负荷为 5000kW-10000Kw 3、计算负荷超过 10000kW 0.7-0.8 0.7-0.9 0.8-1.0 0.9-1.0 0.85 0.80 注： 、无功负荷的同时系数一般采用与有功负荷的同时系数 K相同数； 1 、当由全厂各车间的设备容量直接计算全厂最大负荷时，应同时乘以表 2 中两中同时系数。 (2)多个用电设备组的计算负荷 在配电干线上或车间变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作， 但是各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或车间变电 缩低压母线的计算负荷时，应在计入一个同时系数 K。具体如下： 11 )(3( var)(tan(,21)K21m-iAUnSjsIjkVQPkiPsxjs mji (211) 式中 Pjs、Q js、S js为配电干线或变电站低压母线的有功、无功、视在 计算负荷； K同时系数，参见表 21； m该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备总数； Kxi, ,Psi分别为某一用电设备组的需用系数，功率因数角正切值，tani 总设备容量； Ijs为该干线或变电站低压母线上的计算电流；(A) Un 为该干线或低压母线上的额定电压；(kV) 对于五个变压器，代入以上公式计算如下： (1)变压器一：已知 P934kW，取 cos =0.75，K d=0.8，现求其总的计算 负荷,并取有功同时系数.无功同时系数都为 Ksi=0.9，则：sin61.075.1cos122 8.06ita.98tan.90.29345.127varjsQPk = 234860cos.7jjsjs KVAjsS 根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为 800A。 (2)变压器二：已知 P770kW，取 cos =0.8，K =0.8，现 求其总的计算负荷,并取有功同时系数.无功同时系数都为 Ksi=0.9，则： 22sin1co0.86 12 2sinta0.75co.98ta.9087.541.8var.6930cs63.20js jjjsjsjjsnQPkS KVAI AU 根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为 700A。 (3)变压器三：已知 P590kW，取 cos =0.7，K d=0.7，现求其总的计算 负荷,并取有功同时系数.无功同时系数都为 K=0.9，则：222sin1cos10.7.4ita.0.97tan.951.02379.4var0.76cos846.5.9438js jjsjsjsjjsnQPkS KVAI AU 根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为 800A。 (4)变压器四：已知 P694kW，取 cos =0.85，Kxi=0.8，现求其总的计 算负荷,并取有功同时系数,无功同时系数都为 K=0.9，则：22sin1cos10.85.7ita.60.98tan.9640.239.80varjsQPk2 .857.cosjjsjsjsS KVA 587.914.25360jsjsnI AU 根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为 600A。 (5)变压器五：已知 P991kW，取 cos =0.8，Kxi=0.8，现求其总的计算 负荷，并取有功同时系数、无功同时系数都为 K=0.9,则： 13 222sin1cos10.8.6ita.750.98tan.910.7543.9var.8cos1.07.2336js jjsjsjsjjsnQPkS KVAI AU 根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为 800A。 根据以上计算， P,Q 值可以作为第三章变压器选择，第四章短路电流计 算，第六章无功补偿提供数据，其中电流值可以作为选择电缆型号和选择自动 开关的依据。 表 22 各个变压器负荷统计结果汇总 变压 器名 P/kW Q/kvar S/kVA cosI/A sintan 一号 934 593.127 896.64 0.75 784.38 0.661 二号 770 415.8 693.0 0.8 606.235 0.6 三号 590 379.134 464.62 0.7 705.945 0.714 四号 694 309.802 587.859 0.85 514.859 0.527 五号 1195 645.3 1075.5 0.8 940.846 0.6 0.662 0.75 1.01 0.62 0.75 14 第三章 电气主接线选择设计 主接线设计主要包括选择变压器的容量、台数和电气接线方式。要研究常 用类型的电气接线方案，并根据工厂对供电可靠性的要求，经技术经济比较选 出最合理的电气主接线。 3.1 几种常用主接线方式比较与选择(厂区供电) 3.1.1 双母线接线 图 3.1 双母线接线 如图 3.1 所示，为不分段的双母线主接线图。它具有两组母线 W1、W2， 两组母线之间用母线联络短路器 QF(简称母联)连接起来，每一个回路都经过 一台断路器和两组隔离开关接到两组母线上。但母连短路器 QF 短开时，一组 母线带电，另一组母线不带电。带电的称为工作母线，不带电的称为备用母线。 15 正常运行时，接至工作母线的隔离开关接通，接到备用母线的隔离开关断开。 3.1.2 单母线分段接线 图 3.2 单母线分断接线 如图 3.2,单母线用分段断路器 QF1 进行分段，可以提高供电可靠性和灵 活性。对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电，当一段 母线发生故障时，分段断路器自动将故障段隔离。保证正常段母线不间断供电， 不致重要用户停电。 通过比较可知，方案一比方案二可靠性要高,但从经济技术条件来说，结 合设备选型，综合考虑，方案二在保证供电可靠性的前提下，是比较经济的最 佳方案。 3.2 变压器的选择 3.2.1 变压器台数选择 变压器台数选择原则是： (1)选择一台,适用范围： a、总计算负荷不大于 1250kVA 的三级负荷变电所； b、变电所另有低压联络线，或有其它备用电源，而总的计算负荷不大于 1250kVA 的含有部分一、二级负荷的变电所。 (2)选择两台，适用范围： a、供含有大量一、二级负荷的变电所； b、供总的计算负荷大于 1250kVA 的三级负荷变电； c、季节性负荷变化较大，从技术经济上考虑经济运行有利的。 (3)选择多台,适用范围： 16 a、供电网过大,接地电流过大，对人身及设备安全不利。 b、供电会造成电压严重波动的设备较多。 根据朝阳矿的负荷特点选用五台变压器对厂区供电。 3.2.2 变压器的选择计算 在负荷计算中变压器的有功功率和无功功率损耗可以按照以下简化公式计 算: 对 SJL1 等型的电力变压器 P T = 0.02Sjs (31) QT 0.08Sjs (32) 对 SL7,S7,S9 等低损耗电力变压器 P T = 0.0015Sjs (33) QT 0.06Sjs (34) (1)对于变压器一：现已知 P=934KW，S js=896.64KVA,其有功和无功损耗 计算，及其变压器的视在功率，功率因数计算如下: 0.15.896.417.3TjsPSKW6QVA 3090.4js 285varkPS 2641.922 7.586“cos 根据以上计算的视在功率，选择变压器一的容量为 1000kVA。再根据工程 手册工变压器的型号，现选用 S91000/10 型的三相电力变压器，它表示三相、 油浸自冷式、铜导线绕组、额定容量为 1000kVA、高压侧绕组电压为 10kV，第 九次系列设计的电力变压器，联结组别为 Y，yn0。 (2)对于变压器二：现已知 , 其有功和无功损耗计kWP70693,jsSKVA 算，及其变压器的视在功率，功率因数计算如下: 0.15.6931.8TjsPS654Q70.jsT kvarKVAPS 28.70.3.222 17 78.042.5cosSP 根据以上计算的视在功率，选择变压器二的容量为 800kVA。再根据工程 手册工变压器的型号，现选用 S9800/10 型的三相电力变压器，它表示三相、 油浸自冷式、铜导线绕组、额定容量为 800kVA、高压侧绕组电压为 10kV，第 九次系列设计的电力变压器，联结组别为 Y，yn0。 (3)对于变压器三：现已知 ， 其有功和无功损kWP59046.2,jsSKVA 耗计算，及其变压器的视在功率，功率因数计算如下: 2220.1.46.2.9678var5903.63701.64.5.978.cos5jsjsTPSkQkSPKVA019 根据以上计算的视在功率，选择变压器三的容量为 630kVA。再根据工程 手册工变压器的型号，现选用 S9630/10 型的三相电力变压器，它表示三相、 油浸自冷式、铜导线绕组、额定容量为 630kVA、高压侧绕组电压为 10kV，第 九次系列设计的电力变压器，联结组别为 Y，yn0。 (4)对于变压器四： 现已知 ， 其有功和无功损耗计算，及其变压kWP694587.9,jsSKVA 器的视在功率，功率因数计算如下: 2220.18.16357var94049.630.8536cos07jsjsT kWQkSPKVA .5 根据以上计算的视在功率，选择变压器四的容量为 630kVA。再根据工程 手册工变压器的型号，现选用 S9630/10 型的三相电力变压器，它表示三相、 油浸自冷式、铜导线绕组、额定容量为 630kVA、高压侧绕组电压为 10kV，第 九次系列设计的电力变压器，联结组别为 Y，yn0。 18 (5)对于变压器五：现已知 ， 其有功和无功损kWP91891.,jsSKVA 耗计算，及其变压器的视在功率，功率因数计算如下: 2220.15.8.37654var90.1.96.87436.87.07.5.cos10jsjsTPSkQWkSPKVA95 根据以上计算的视在功率，选择变压器五的容量为 1250kVA。再根据工程 手册工变压器的型号，现选用 S91250/10 型的三相电力变压器，它表示三相、 油浸自冷式、铜导线绕组、额定容量为 1250kVA、高压侧绕组电压为 10kV，第 九次系列设计的电力变压器，联结组别为 Y，yn0。根据以上计算制表如下： 表 31 各个变压器型号统计 变压器名 S型号 容量 (KVA) cos联结组别 一号 二号 三号 四号 五号 958.492 704.428 555.917 607.253 1079.56 S9-1000/10 S9-800/10 S9-630/10 S9-630/10 S9-1250/10 1000 800 630 630 1250 0.720 0.787 0.681 0.823 0.673 Y，yn0 Y，yn0 Y，yn0 Y，yn0 Y，yn0 19 第四章 短路计算 为保证电力系统的安全、可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，不仅 要考虑系统在正常状态下的运行情况，还应该考虑系统发生故障时的运行情况 及故障产生的后果等。电力系统短路是各种系统故障中出现最多、情况最严重 的一种。所谓“短路” ，就是电力系统中一切不正常的相与相之间或相与地(指 中性点直接接地系统)之间发生通路的情况。 4.1 短路计算的方法与步骤 4.4.1 欧姆法 (1) 计算短路回路中各主要元件的阻抗； (2) 绘短路回路等效电路，按阻抗串并联求等效阻抗求等效阻抗的方法， 化简电路，计算短路回路的总阻抗； (3) 计算三相短路电流周期分量有效值及其它短路电流和三相短路容量； (4) 列出短路计算表。 4.4.2 标幺值法 (1) 设顶基准容量 Sd 和基准电压 Ud，计算短路点基准电流 Id； (2) 计算短路回路中各主要元件的电抗标幺值； (3) 绘短路回路的等效电路，按阻抗串并联回路求等效阻抗的方法，化简 电路，计算短路回路的总电抗标幺值； (4) 计算三相短路电流周期分量有效值及其它短路电流和三相短路容量； (5) 列出短路计算表。根据朝阳矿的特点及短路类型选用欧姆法进行短路 计算。 4.2 短路计算 (1)对于第一台变压器，如图 41 为变压器低压侧发生三相短路。现已知 电力系统为系统，不考虑电抗，即电抗为 0，电力变压器为 1000kVA，短路 电流 Uk(%)为 4.5。 20 按照欧姆法计算进行三相计算，计算顺序内容，K 点短路计算。 图 41 电力系统图 1 电力系统的电抗为 据已知得 X1=0 电力变压器的电抗为： N aKTSUX20% ,计算得 3102.7TX 三相短路电流 ： kAIk .312.734)( 及 )3(I)(Ik0)()()3( shiisk .59.84.1 )3( kI63472)3( 三相短路容量 MVASk 1 (2)对于第二个变压器，如图 42 为变压器低压侧发生三相短路。现已知 电力系统为系统，不考虑电抗，即电抗为 0，电力变压器为 800kVA，短路电 流 Uk(%)为 4.5。 图 42 电力系统图 2 按照欧姆法进行三相计算，计算顺序内容，K 点短路计算。 电力系统的电抗为 据已知得 X1=0 电力变压器的电抗为： 计算得 NaKTSUX 210%3910TX 21 三相短路电流： (3)30.425.691kIkA 及 )3(I)(3)()() .kI shi .84.7shi )3( (3)109256.9Ik 三相短路容量 .18kSMVA (3)对于第三台变压器，如图 43 为变压器低压侧发生三相短路。现已知 电力系统为系统，不考虑电抗，即电抗为 0，电力变压器为 630kVA，短路电 流 Uk(%)为 4.5。 图 43 电力系统图 3 按照欧姆法进行三相计算，计算顺序内容，K 点短路计算。 电力系统的电抗为 据已知得 X1=0 电力变压器的电抗为 N aKTSUX210% ,计算得 31042.TX 三相短路电流 kAIk .042.33)( 及 )3(I)(Ik.)()()3( shiisk 17.08.1 )3( kI04.29)3( 三相短路容量 MVASk.4 (4)对于第四台变压器，如图 44 为变压器低压侧发生三相短路。现已知 电力系统为系统，不考虑电抗，即电抗为 0，电力变压器为 630kVA，短路电 流 Uk(%)为 4.5。 22 图 44 电力系统图 4 按照欧姆法进行三相计算，计算顺序内容，K 点短路计算。 电力系统的电抗为 据已知得 X1=0 电力变压器的电抗为 N aKTSUX210% ,计算得 31042.TX 三相短路电流 kAIk .042.33)( 及 )3(I)(Ik.)()()( shiisk 17.08.13 )3( kI04.29)( 三相短路容量 MVASk.4 3 (5)对于第五台变压器，如图 45 为变压器低压侧发生三相短路。现已知 电力系统为系统，不考虑电抗，即电抗为 0，电力变压器为 1250kVA，短路 电流 Uk(%)为 4.5。 图 45 电力系统图 5 按照欧姆法进行三相计算，计算顺序内容，K 点短路计算。 电力系统的电抗为 据已知得 X1=0 电力变压器的电抗为 N aKTSUX210% ,计算得 31076.5TX 三相短路电流 kAIk 9.4076.533)( 及 )3(I)(Ik.)()()( shiisk09.48.13 )3(I6.3)( 三相短路容量 MVASk 7.2.3 23 这时可以根据三相短路容量选择出口断路器的容量。 第五章 电气设备的选择 正确地选择电气设备的目的是为了使导体和电器无论在正常情况或故障情 况下，均能安全、经济合理的运行。在进行设备额选择时，应根据工程实际情 况，在保证可靠、的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节约投资，选 择合适的电气设备。 电气设备选择的一般原则： (1)选择设备的额定电压和额定电流、按短路故障电流校验设备的动稳定 和热稳定性。 (2)按工作环境，运行要求，经济效果和货源情况，选择设备的型号规格。 例如选屋外或室内设备，选防爆型或普通型设备，选不适于频繁操作的少油断 路器还是选用适于频繁操作的真空断路器等。 (3)按装设地点的三相短路容量 Sd，校验开关电器的断流能力 (断流容量)。 要求设备的额定断流容量 不小于装设地点的 Sd，即kdSdkd或 I 式中 设备在额定电压下的切断电流；kdI 安装地点的三相短路电流。d 开关电器安装在低于额定电压电路时，其断流容量有所降低，可按下式计 算： /ksdNSU 式中 开关电器的额定电压 安装地点的实际电压 对应实际电压的新断流容量kd 电气设备要能安全、可靠的工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短 路条件来校验其热稳定和动稳定性。 5.1 导线截面的选择 架设电网时，为保证整个供电系统供电的安全、可靠，减少建设的初期投 24 资，及以后每年支付的运行费用，选择导线和电缆截面时应满足以下条件： 一、按发热条件选择导线截面 每一种导线通过电流时,由于导线本身的电阻及电流的热效应都会使导线发热, 温度升高.如果导线温度超过一定限度,导线绝缘就要加速老化,甚至损坏或造 成短路失火等事故.为使导线能长期通过符合电流而不过热,对一定截面的导线 就有一个规定的容许电流值,称为允许载流量.这个数值是根据导线绝缘材料的 种类允许温升表面散热情况及散热面积的大小等条件来确定的.按发热条件 选择导线截面,就是要求根据计算负荷求出的总计算电流 不可超过这个允CI 许载流量 ,即:NI (51)CNI 若视在负荷为 ,电网额定线电压为 ,则有SNUNI3 (52) 若导线敷设点的环境温度与导线允许载流量采用温度不同时，则导线的允 许载流量应乘校正系数： (53)()()aloaloK 式中 导线正常工作时的最高允许温度；al 导线的允许载流量所采用环境温度；o 一导线敷设地点实际环境温度。 必须注意：按发热条件选择的导线截面积还必须注意与保护装置(熔断器 及短路器等)配合，若配合不当可能导致导线因过流而发热起燃，但保护装置 不动作的情况。 二、按线路电压损失选择导线 (1)同一截面法 根据允许电压损失 ，计算出允许电压损XUA 失 再算出导线电抗产生的电压损失XUA f (54)0/f NXQLA 式中 导线每公里之电抗值( )；0 /km 各干线通过的无功功率(kvar)与本段干线长度(km)的乘积QL 线路额定电压(kv)。N 般架空线路可假定 =0.4( )，再算电阻产生的电压损失0X/k dUA (55)dUAfA (56)0/()LS 25 然后利用公式求出所需截面： XdPLSUA (57) 式中 导线材料的电导系数； 一一各段干线上通过的有功功率(kw)与该段干线(km)的乘积；PL 算出截面后，选出标准截面与允许电流 (A)值。UXI (2)不同截面法 利用下式求出不同线段导线的计算截面 ：nSnnXdPLSA (58) 第一段导线截面积： 1nPS (59) 第 段导线截面积( )：jSj1jnPS (510) 式中 第段导线上通过的有功功率(kw)；1P 第 j 段导线上通过的有功功率(kW)。j 线路电压损失的大小是与导线的材料、截面的大小、线路的长短和电流的 大小密切相关的，线路越长，负荷越大，线路电压巡视也越大。在工程计算中， 可采用计算相对电压巡视的一种简单公式： %CsPlU (511) 或用下式来进行计算 LPuLtgXR10)( (512) 式中，P 有功负荷(kW)； L从负荷点到线路首端的长度(km)； 26 单位长度线路的相电阻；0R 单位长度线路的相电抗；X U 线路电压(kV) ； 三相线路每 kW km 的电压损失百分值()。%uA 求出计算截面积。选用标称截而时对靠近电源的线段可稍向大套用。靠 近负荷的线段尽量向小靠。 三、按经济电流密度选择导线截面 把投资和运行费用全面考虑，比较经济合理的电流密度称之为经济电流密 度，由于电线,电缆截面的大小,直接关系到线路投资和电能损耗的大小,截面 小一些可节约线路的投资,但却会增加线路上能量的损耗;而截面选择得大,虽 然可以减少线路上的能量损耗,但投资则会相应地增加.因此,在选择导线截面 时要综合考虑线路的投资效益和经济运行,可以用一个最经济的电流密度来确 定电线和电缆的截面.其计算方法为: I=SJ (513) 式中: I-线路上流过的电流; S-导线的横截面积; J -经济电流密度。 四、按机械强度选择导线截面 架空线路经常遭到大风覆冰及低温的考验，为保证安全运行，可靠供电， 我国规定架空导线允许使用的最小截面如表 48 所示。如计算出截面低于表 中规定数值也必须按表上数值选用。 上述四种选择方法，必须同时满足机械强度、发热、允许电压损失等要求 方可保证 安全使用，对电缆或较短架空线路，可按允许载流量选择，再以允 许电压损失校验。 下面以变压器一(出线)为例进行导线选择计算: 由前变压器的选择中可知，所选变压器的额定容量为 1000kVA，低压侧平 均功率因数为 ，从变压器出线的长度为 180m。cos0.9 按发热条件选择 采用三相铜芯聚氯乙烯绝缘电缆 由 kAUSIN874.0631 查表可知，选择电缆铜芯截面为 370mm时 27 25C 载流量为 1285A874A，因此选择线芯为 210 mm的三相铜芯油浸纸 绝缘电缆，即 ZQ22370 型。 校验电压损失 查表得 ，因此3%2.910ukWm 实际电压损耗百分比为 远小于%362.018.)09.(.3LPU 允许电压损耗 。5 故电压损耗满足要求 校验机械强度 根据表规定，机械强度的要求是完全能够满足的。 校验短路热稳定度 满足短路若稳定度的最小截面为 (514)CtIAima/)3(in 式中， 5.0 2)(Kimatk C 查表，得 2/148sA 因此 22min 35.160)148/(5.03 msA 由此可见，以上所选电缆线芯截面 370 mm满足热稳定度的要求。 因此，选择线芯为 210mm的三相铜芯油浸纸绝缘电缆，即 ZQ22370 型。 按照以上计算方式可以选择其他几组变压器出线都为 ZQ22370 型。 5.2 母线的选择 一、母线的材料、结构和排列方式 母线的材料有铜和铝两种。铜的电阻率低机械强度大，抗腐蚀性强。是 很好的母线材料。但由于铜在工业上有很多重要用途、而且储量不多，价格较 贵，因此铜母线仅用于空气中含腐蚀性气体(如靠近海岸或化工厂等)的配电装 置中。 铝的电阻率为铜的 1.72 倍，重量只有铜的 30，而且储藏量多、价格 也低，因此广泛应用于屋内外的配电装置中。 28 工厂供电系统 10kv 以下母线主要是用矩形铝母线，而母线的三相排列布 置则根据具体情况而定。 二、母线截面的选择 母线截面的选择参照导线截面的选择。 三、按短路条件校验母线的热稳定 按正常条件选择的母线截面，必须校验它们在短路时的热稳定。工程上为 简化计算常采用短路时发热满足最高允许温度的条件下，当所选的导线截面大 于或等于 时，便是稳定的，反之不稳定。 按下式计算minS minS(3)indskiIKtC (515) 其中， 三相短路电流(A)；(3)dI 集肤效应系数；skK 假想时间。it 四、按短路条件校验母线的动稳定校验 由电工基础知，处在空气中的两平行导体分别通以电流 时，两导12,i 体的轴线距离为 a，导体间的电动力为： (516)712(/)0FiLaN 上式适用于圆截面的实芯和空芯导体，对于每项只有一条矩形截面导体的 线路一般也适用的，如果三相线路发生两相短路，可应用下式计算导线之间的 电动力 (517)(2)()27/10shFiLa 式中 二相短路冲击电流(A)()shi 如果三相线路中发生三相短路时，则三相短路电流在中间相产生的电动力 最大为 (518)(3)(3)2710shLFiNa 对母线等硬导体，一般按短路时所受到的最大应力来校验其动稳定度，满 足的条件： (519)()alcMW 式中 作用于母线三相短路冲击电流的计算应力c ()aMP 母线最大允许应力 ，硬铝为 70，硬铜为 140；alaP M母线通过 时受到的弯曲力矩；shi W母线截面系数，单位为 。3m 29 下面以变压器一为例进行母线选择计算： (1)根据负荷统计中的计算电流知，负荷电流小，同时考虑到年利用小时少， 所以采用铜母线。又由于是对较大负荷的供电，且是低压供电，所以母线形状 选择矩形。因为它较实心圆母线，具有冷却条件好，交流电阻率小，在相同的 条件下，截面较小的优点。 由上所述，选择矩形铜母线。其最大长时工作电流按计算电流来确定，即 3cos690.41360.971armjNISUkA 根据最大长时工作电流选 8010mm2矩形铜母线，查得其最大允许载流量 为 1747A。 由于环境最高温度为 42C，其长时允许电流根据公式 (520)来修正。 5allalmalI 其中， 母线最高允许温度，一般为 70C； 最高环境温度； 母线截面长时最大允许电流(A)；alI 长时允许电流修正值。 所以可得 251740275138.allalmalI A 考虑到动稳定度，母线采用平放，其允许电流值应降低 8，故为kAIal 6.09.172.01378 故长时允许电流符合要求。 (2)母线的动稳定校验 GCK 配电柜宽 1.2m 柜间空隙为 0.018m，母线中心距 a 为 0.25m。由于采 用中间进线，故并联运行时，母线两端短路母线所受的电动力最大，其数值根 据公式 来计算。其中短路电流 =22kA(这在第五章的短路27310shLFiNa(3)dI 电流计算中算出)。 ().84.4.85shdiIkA2217398.40.shi N 母线的最大弯矩为 mFLM.718.4390max 母线的计算应力为 82ax297.0.61/8NW 30 3 2min210.6271.375Sm 小于铜材料的允许弯曲应力 1.372108N/m2, 故其动稳定符合要求。 (3)母线的热稳定校验 根据公式 (3)mindskiISKtC (521) 来确定母线最小热稳定截面。 查得 C175，取1.6skK2.7its3 2min1061.35Sm 小于所选铜母线截面 8010mm2，故其热稳定符合要求。 按照以上计算方法可以得到另外四个变压器母线截面也为 8010mm2，符 合要求。 对于其他与变压器相接的电气设备的电缆型号经查表、计算与统计，结果 见供电系统大图标识。 5.3 断路器及隔离开关的选择 5.3.1 断路器的选择 断路器是供电系统中重要的电器设备之一。它能在有负荷的情况下接通和 断开电路，当系统产生短路故障时，能迅速切断短路电流。它不仅能通断正常 负荷电流，而且能通断一定的短路，它还能在保护装置的作用下自动跳闸切除 短路故障。 断路器是根据其主要技术参数来选择的。除了前面所述之一般条件外，还 应满足额定切断电流或切断容量的条件，即 (522)NdId或 S 式中 断路器在额定电压下的切断电流(切断容量)；dI 断路器安装地点发生三相短路时的次暂态短路电流； 短路容量；dS 选择断路器时，除考虑电流和电压的额定值外，还要校验断流容量，短路时的 31 动稳定和热稳定是否符合要求。其他技术指标和运行指标是否能够满足。同时 还要选择配套的操作机构。 根据以上原则，10KV 侧断路器选择型号 ZN28A-12/630-25, ZN28A-12 系 列户内高压真空断路器是三相交流 50HZ、额定电压 12KV 的户内装置。主要装 设在固定开关柜中，用于工矿企业、发电厂及变电站电路的保护和控制，并适 用于频繁操作的场所，是少油路器开关柜改造、换断代的产品。本断路器总体 结构为开关本体与操作机构于一体式或分体式安装两种形式。一体式结构即为 ZN2812 基本型；分体式结构为 ZN28A-12 型，可安装于各种固定式开关柜中， 如 GG-1A(Z)、XGN2-10(Z)等。 5.3.2 隔离开关的选择 隔离开关是一种没有灭弧装置的控制电器，其功能主要是隔离高压电源， 以保证其他电气设备的安全检修，因此不允许带负荷操作。 选用时，应根据其额定电压，额定电流，安装地点环境条件规格型号，然 后按短路电流进行校验。选隔离开关同时还需选定配套的操作机构。 根据以上原则 10KV 侧隔离开关选择型号 GN19-12C 系列, GN19- 12、12C/400、630、1000、1250 型户内高压隔离开关(以下简称隔离开关)额 定电压为 12KV，三相交流 50Hz 户内装置，作为有电压而无负荷的情况下分合 电路之用。 5.3.3 按短路条件进行校验 一、热稳定校验 校验电气设备的热稳定性，就是校验设备的载流部分在短路电流的作用下， 其金属导电部分的温度不应超过最高允许值。如能满足这一条件，则所选出的 电器设备符合热稳定的要求。 做动稳定校验时，以通过电气设备的三相短路电流为依据，工程计算中常 用下式校验所选用的电气设备是否满足热稳定的要求，即 (523)tItheq2 式中， -三相短路电流周期分量的稳定值(KA)；I -等值时间；eqt Ith-制造厂规定的在 t 秒内电器的热稳定电流(KA)； T -为与 Ith 相对应的时间(s)。 二、动稳定校验 32 当电气设备中有短路电流通过时，将产生很大的电动力，可能对电气设备 产生严重的破坏作用。用最大允许电流的幅值 或最大有效值 表示其电maximaxI 动力稳定的程度，它表明电器通过上述电流时，不致因电动力的作用而损坏。 满足动稳定的条件为 或 (524)maxishmaxIsh 式中， 或 -三相短路时的冲击电流及最大有效值电流。I 三、断路器校验如下： (1)额定电压 =12KV, =10KV,所以 符合技术条件。MUWMUW (2)额定电流 =630A,最大长期工作电流为I ASNTWAX 91.41036253 所以 符合技术条件。MI (3)断路器开断电流为 =40KA, =32.07KA, ,符合技术条件。brIIbrI (4) , , ，满足动稳定校验。Ki5.31max6.0shimaxshi (5) , , , , ,40thIAt3KA2eqt 2640thkAs ,2279.eqk2theqI 四、隔离开关校验如下： 10KV 侧隔离开关型号为 GN19-12C/400, GN19-12C/630。 (1)额定电压 =12KV, 10KV， ，符合技术条件。NUNWNUW (2)额定电流 1250A，最大长期工作电流I MAXI31506.3TMAXNS =1250A NI WAXI 因此符合技术条件。 (3) 63KA， 15.7KA, 满足动稳定校验。maxishimaxshi 33 第六章 无功补偿 6.1 功率因数的基本概念 工厂供配电系统中