煤矿供电系统毕业设计论文x

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目 录

TOC \o "1-5" \h \z \o "Current Document" 第一章绪论 4

\o "Current Document" 1.1朝阳矿供电系统简介 4

\o "Current Document" 1.2本设计的原始资料 4

电压等级 5

1.2.2设计容量 5

1.2.3进出线及负荷情况 5

1.2.4.环境条件 5

\o "Current Document" 第二章负荷计算 6

\o "Current Document" 2.1负荷计算目的 6

\o "Current Document" 2.2负荷计算 6

2.2.1与负荷计算有关的物理量 6

\o "Current Document" 2.3计算负荷的实用计算方法 8

2.3.1求计算负荷 8

\o "Current Document" 第三章电气主接线选择设计 14

\o "Current Document" 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 15

\o "Current Document" 3.2变压器的选择 15

变压器台数选择 15

变压器的选择计算 16

\o "Current Document" 第四章短路计算 19

\o "Current Document" 4.1短路计算的方法与步骤 19

欧姆法 19

4.4.2标幺值法 19

\o "Current Document" 4.2短路计算 19

\o "Current Document" 第五章电气设备的选择 23

\o "Current Document" 5.1导线截面的选择 23

\o "Current Document" 5.2母线的选择 27

\o "Current Document" 5.3断路器及隔离开关的选择 30

断路器的选择 30

隔离开关的选择 31

按短路条件进行校验 31

\o "Current Document" 第六章无功补偿 33

\o "Current Document" 6.1功率因数的基本概念 33

\o "Current Document" 6.2提高功率因数的方法 33

\o "Current Document" 6.3并联电容器的补偿方式 33

低压集中补偿 33

\o "Current Document" 6.4无功功率补偿计算 34

\o "Current Document" 第七章防雷与接地 37

\o "Current Document" 7.1避雷针 37

避雷针的作用 37

7.1.2避雷针的装设原则 37

\o "Current Document" 7.2避雷器 38

避雷器的作用 38

避雷器的工作原理 38

\o "Current Document" 7.3保护接地 39

工作原理 39

7.3.2适用范围 39

接地类型 39

\o "Current Document" 第八章结束语 40

\o "Current Document" 参考文献 41

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。

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LGJ-150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LGJ-185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 11140KV，其中地面1640KV，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-3X 185

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1890KV，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-3 X 95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2620KV，其中地面1120KV，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-3X 70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

电压等级

10KV/660V,380V;

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

⑴、由矿中央变电所引进两趟110KV进线;

⑵、变电所出线为电缆出线；

⑶、负荷功率因数为0.8左右；

1.24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。

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：

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。

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。

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

、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、无功和视在最大负何。

所谓最大工作班，是指一年中最大负荷月份内最少出现 2— 3次的最大负荷

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2— 2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) (2 — 1)

同理

Tmax(无功)=Wq/Q max (2 —2)

式中W全年消耗的电量；

Wp—有功电量(kw ? h);

Wq 无功电量(kvar ? h);

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

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2— 1(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(KW?h)除以时间t，即

Ppj=Wp/t (kw) (2 —3)

式中 Wp――由0到t时间内消托的有功电能 Wp(kW- h)。

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

—Ppj/ Pmax

=Qpj/ Qmax

(2 — 4)

(2 — 5)

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. 70—0. 75; ： = O. 76-0. 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%— 15%左右。相同类型的工厂 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 (2 — 6)

利用系数 Kl= Pn (2 — 7)

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：

对长期工作制的用电设备，Ps= Pn(额定功率)；

⑵ 对短时但连续工作制的用电设备，Ps= Pn；

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=100%(2—

Jc=

100%

(2— 8)

式中tg——工作时间；

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

Pjs 二 KxPs(kW)

(2 — 9)Qjs

(2 — 9)

S = Pj； Q； (kVA)

Ijs = Sjs/( ?、3Un)(A)

式中Ps、Qjs、Sjs――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）；

tan ――与运行功率因数角相对应的正切值； 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:

Kx

(2 —10)

式中 一一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， V 1）；

K E――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 EV1,

参见表2 — 1，对于一台电动机而言Ke=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，Kf V 1）；

1 ――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,

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 0. 95— 0. 98）。

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I

表2— 1、需用系数法的同时系数Ke （供参考）

应用范围

K e

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

0.7-0.8

2、热加工车间

0.7-0.9

3、动力站

0.8-1.0

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

0.9-1.0

2、计算负荷为 5000kW-10000Kw

0.85

3、计算负荷超过10000kW

0.80

注：d、无功负荷的同时系数一般采用与有功负荷的同时系数 K曲目同数;

②、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 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 口具体如下：

Pjs '、 (KxiPsi )(i =1,2, ,m)

i-1 m

Qjs = K M ■/ (Kxi tan iPsi )(k var)

i A

: 2 2

Ijs =Sjs(、3Un)(A)(2— 11)S

Ijs =

Sjs

(、3Un)(A)

(2— 11)

式中Pjs、Qjs、Ss――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 E――同时系数，参见表 2—1 ;

m该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备总数；

Kxi, tan i ,Psi――分别为某一用电设备组的需用系数，功率因数角正切值， 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：

变压器一：已知 P= 934kW 取cos「=0.75，Kd=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，贝

sin 即— cos2不--d - 0.75^0.661

0.6610.75

0.661

0.75

-0.882

Qjs =0.9 0.8 Ptan =0.9 0.8 0.882 934 = 593.127kvar

Sjs =Pjs

Sjs =

Pjs

934 0.8 0.9

0.75

=896.640KVA

根据负荷电流，选择自动开关的额定电流为800A。

变压器二：已知 P= 770kW 取 cos ?=0.8，Ke =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:

si n = 1-8靳"=1-0.8 =0.6

tansin cos ;：= 0.75Qjs =

tan

sin cos ;：

= 0.75

Qjs =0.9 0.8 Ptan d0.9 0.8 770 0.75 =415.8 k var

s

Sjs

旦二 0.9 0.8 770 = 693.0 KVA cos

0.8

606.235 A

、3 660

根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为700A

变压器三：已知P= 590kW 取cos申=0.7 , Kd=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寸0.9，贝

sin「二；1 - cos2「二.1-0.7^0.714

sin cos；：-1.020Qjs =0.9 0.7 Ptan =0.9 0.7 590 1.020 = 379.134kvarIjsPjscos；：°.9 O' 590 = 464.62KVA0.8Sjs464.62r :- 705.945A

sin cos；：

-1.020

Qjs =0.9 0.7 Ptan =0.9 0.7 590 1.020 = 379.134kvar

Ijs

Pjs

cos；：

°.9 O' 590 = 464.62KVA

0.8

Sjs

464.62

r :- 705.945A

.3 380

根据负荷电流,选择自动开关的额定电流为800A

⑷变压器四：已知P= 694kW 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寸0.9，则:

sin =

?.、1 —cos2即 V0.852 =0.527

tan :

-0.620

Qjs =0.9 0.8 Ptan =0.9 0.8 694 0.620 = 309.802k var

js

Sjs

=Pjs2 Qjs2

Pjs

0.9 0.8 694

0.85

=587.859KVA

Ijs

Sjs

3Un

587.859

3 660

-514.258A

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 P= 991kW 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丁0.9,贝

sin — cos2 = 1—0.82=0.6

巧 sin ?

tan 0.75

cos?

Qjs =0.9 0.8 P tan =0.9 0.8 991 0.75 = 743.97 k var

Sjs且』9

Sjs

且』9 °8 991 =891.9KVA

cos ;：

0.8

Ijs= 780.233A_Sjs_

Ijs

= 780.233A

.3Un 3 660

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2-2各个变压器负荷统计结果汇总

变压

器名

P/kW

Q/kvar

S/kVA

cos^

I/A

sin中

tan ?

■ 口、 号

934

593.127

896.64

0.75

784.38

0.661

0.662

二号

770

415.8

693.0

0.8

606.235

0.6

0.75

三号

590

379.134

464.62

0.7

705.945

0.714

1.01

四号

694

309.802

587.859

0.85

514.859

0.527

0.62

五号

1195

645.3

1075.5

0.8

940.846

0.6

0.75

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。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

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

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:

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。

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。

选择多台,适用范围：

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。

322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

对SJLi等型的电力变压器

Pt = 0.02Sjs (3 — 1)

QT ~0.08Sjs (3 — 2)

对SL7,S7,S9等低损耗电力变压器

△ Pt = 0.0015Sjs (3

—4)

△ QT ~0.06Sjs (3

(1)对于变压器一：现已知P=934KW, Sjs=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

R =0.015Sjs =0.015 896.64 = 17.933KW

Qt ： 0.06Sjs = 0.06 896.64 = 71.731KVA

P 二 Rs ：P=934 0.8 0.9 17.933 = 690.413KW

Q JQjs Q= 593.127 71.731= 664.858k var

S』2 Q 2 = ■■690.4132 664.858 ^958.492KVA

P'

S"

690.413

-0.720

958.492

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S9- 1000/10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 丫，yn0。

⑵对于变压器二：现已知 P = 770kW , $二693KVA,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：

R =0.015Sjs =0.015 693 = 13.86kW

Qt ： 0.06Sjs =0.06 693 = 55.440KVA

P'： = Pjs % =770 0.8 0.9 13.86 = 554.4kW

Q =Qjs Q =379.14 55.44 = 434.58k var

S 二 P 2 Q 2 二-554.42 434.582 = 704.428KVA

p * 554 4

cos—匸 5544 =0.787

S" 704.428

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S9-800/10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 丫，yn0。

对于变压器三：现已知 P =590kW，民=464.62KVA,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 ：

：P=0.015Sjs =0.015 464.62 =6.969kW

：Q ： 0.06Sjs =0.06 464.62 = 27.877kvar

p：=PjS .R =590 0.7 0.9 6.969 =378.669kW

Q^Qjs ：Qt =379.134 27.877 = 407.011k var

S J P 2 Q2 =炸378.6692 407.0112 =555.917 KVA

cos378.669555.917

cos

378.669

555.917

-0.681

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S9-630/10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 丫，ynO

对于变压器四:

现已知P =694kW，Sjs =587.859KVA,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：

：P =0.015Sjs =0.015 587.859 =8.818kW

Q ： 0.06Sjs =0.06 587.859 = 35.272 k var

P 二Ps H=694 0.9 0.8 8.818 =499.68kW

Q =Qjs ：Qt = 309.802 35.272 = 345.074 k var

S P2 Q 2 . 499.682 3 45.0742 6 07.253KVA

-0.823P 499.68 cos ■■

-0.823

S 607.253

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S9-630/10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 丫，ynO。

对于变压器五：现已知P =991kW，乂 =891.9KVA,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 ：

? ：P =0.015Sjs =0.015 891.9 =13.379kW .Q ： 0.06Sjs =0.06 891.9 = 53.514k var pJPjS ..r =991 0.9 0.8 13.379 =726.899kW

Q 二 Qjs ：Qt =743.97 53.514 = 797.484k var

S P 2 Q 2 726.8992 797.4842 =1079.56KVA

COS ;：

COS ;：

726.899

1079.56

= 0.673

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S9- 1250/10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 丫，yn0。根据以上计算制表如下：

表3- 1各个变压器型号统计

变压器名

S円

型号

容 量

(KVA)

cos?

联结组别

■ 口、 号

958.492

S9-1000/10

1000

0.720

丫，

yn0

二号

704.428

S9-800/10

800

0.787

丫，

yn0

三号

555.917

S9-630/10

630

0.681

丫，

yn0

四号

607.253

S9-630/10

630

0.823

丫，

yn0

五号

1079.56

S9-1250/10

1250

0.673

丫，

yn0

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

欧姆法

计算短路回路中各主要元件的阻抗；

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；

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；

列出短路计算表。

4.4.2标幺值法

设顶基准容量Sd和基准电压Ud,计算短路点基准电流Id；

计算短路回路中各主要元件的电抗标幺值；

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；

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；

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4—1为变压器低压侧发生三相短路。现已知电 力系统为X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。

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

5=?3(-0Uk5图4—1电力系统图电力系统的电抗为据已知得

5=?

3(-0

Uk5

图4—1电力系统图

电力系统的电抗为

据已知得X1=0

2

Uk%5n

Xt

电力变压器的电抗为:

100 Sn，计算得 Xt =7.2 10?」

400 」=32.07kA、3 7.2

400 」=32.07kA

、3 7.2 10

Ik(3)

1=0

10 5

「(3)及 I (3)

i (3)

i sh

I (3)

I sh

三相短路容量

I (3) = I：⑶=Ik(3) =32.07kA

isk⑶=1.84 32.07 =59.02kA

I sk(3) =1.09 32.07 = 34.96kA

Sk⑶=3 0.4 32.07 =22.21MVA

三相短路电流：

(2)对于第二个变压器，如图4-2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4 — 2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X仁0

电力变压器的电抗为:XtU K

电力变压器的电抗为:

Xt

U K % U aN

100 Sn

计算得Xt=9 10叫」

1：3) 0. 4 3 “5. 6 6A

三相短路电流:9 1X)

三相短路电流:

I ''⑶=|

I ''⑶=|(3)=lk3) =25.66kA

iS3) -1.84 25.66 = 47.21kA

I S3)=1.09 25.66 = 27.97kA

Sk3) ~3 0.4 25.66 “7.78MVA

"(3)

i(3)

ish

I (3)

1 sh

三相短路容量

(3)对于第三台变压器，如图4-3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

s-w1=43Mar. H图4 — 3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Xt据已知得X1=02UK%UaN电力变压器的电抗为100 Sn，

s-w

1=43

Mar. H

图4 — 3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

Xt

据已知得X1=0

2

UK%UaN

电力变压器的电抗为

100 Sn，计算得 Xt =11.42 10备

三相短路电流

"⑶

Ik⑶

: 400 -20.22kA

、3 11.42 10

=I：：(3)= Ik(3) =20.22kA

= 1.84 20.22 =37.21kA

(3)

Isk =1.09 20.22 = 22.04kA

Sk⑶二 3 0.4 20.22 二 14.01MVA

4 — 4为变压器低压侧发生三相短路。现已知

即电抗为 0,电力变压器为630kVA短路电

■(3)

I (3)及當

i⑶

ish

I⑶

1 sh

三相短路容量

⑷对于第四台变压器，如图 电力系统为X系统，不考虑电抗， 流 Uk(%)为 4.5。

I

?⑶

i sk

图4 — 4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X仁0

2

XT电力变压器的电抗为100 Sn ，计算得 Xt =11.42 10?」三相短路电流"(3)I

XT

电力变压器的电抗为

100 Sn ，计算得 Xt =11.42 10?」

三相短路电流

"(3)

I (3)及I :⑶

i⑶

i sh

(3)

1 sh

三相短路容量

Ik⑶

400

3 = 20.22kA

.3 11.42 10

=I 二⑶=Ik(3) =20.22kA

= 1.84 20.22 =37.21kA

(3)

Isk =1.09 20.22 = 22.04kA

氏⑶=3 0.4 20.22 = 14.01M VA

I

⑶

sk

..⑶

对于第五台变压器，如图4-5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。

5=wiU林1=0图4—5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。

5=wi

U林

1=0

图4—5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X仁0

2

UK%UaN

Xt

电力变压器的电抗为

100 Sn，计算得 Xt =5.76 10?」

三相短路电流

"(3)

I (3)及圜

i(3)

i sh

I (3)

1 sh

三相短路容量

Ik⑶

: 400 & =40.09kA

-3 5.76 10

I (3)二 I 二⑶二 Ik(3) =40.09kA isk(3)=1.84 40.09 =73.77kA Isk(3) =1.09 40.09 = 43.69kA

Sk⑶二.3 0.4 40.09 二 27.77MVA

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，积极而稳妥地米用新技术，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：

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。

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。

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Skd不小于装设地点的Sd,即

Skd 亠 Sd 或1 kd 亠1 d

式中Ikd ――设备在额定电压下的切断电流；

Id ――安装地点的三相短路电流。

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：

Sk^Skd u/Un

式中 un——开关电器的额定电压

u ——安装地点的实际电压

Skd ――对应实际电压的新断流容量

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 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 1“不可超过这个允

许载流量In,即：

1 N 亠1、C ( 5— 1)

若视在负荷为SC ,电网额定线电压为UN，则有

匕 _ S'c

(5-2)C「，

(5-2)

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：

K 日=—日o)/(日al —日o) (5 - 3)

式中 脣一一导线正常工作时的最高允许温度；

乙一一导线的允许载流量所采用环境温度；

讨一一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；Ux %，计算出允许电压损失丁Ux ?再 算出导线电抗产生的电压损失 Uf

、Uf=X°'QL/UN (5 — 4)

式中 X。——导线每公里之电抗值(门/km);

、QL ――各干线通过的无功功率(kvar)与本段干线长度(km)的乘积 Un――线路额定电压(kv)。

—般架空线路可假定X。=0.4(门/km)，再算电阻产生的电压损失 Ud

Ud =、UX — Uf (5 — 5)

】厂 L/( S) (5 — 6)

然后利用公式求出所需截面:

' PL

(5—7)

(5—7)

式中 一一导线材料的电导系数；

7 PL 一一各段干线上通过的有功功率(kw)与该段干线(km)的乘积; 算出截面后，选出标准截面与允许电流lux (A)值。

(2)不同截面法 利用下式求出不同线段导线的计算截面 :

(5—8)Ux

(5—8)

第一段导线截面积:

(5 — 9)

第Sj段导线截面积(1空j乞n):

(5 —10)

式中 P ――第一段导线上通过的有功功率(kw)；

P ――第j段导线上通过的有功功率(kW)。

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：

u % 二 pi %

(5 -

(5 - 11)

或用下式来进行计算

(R。X0

(R。

X0tg )

*P *L

=u% ? P *L

10

10

(5 - 12)

式中，P——有功负荷(kW);

L 从负荷点到线路首端的长度(km)；

& ――单位长度线路的相电阻；

X。一一单位长度线路的相电抗；

U ――线路电压（kV）；

■ ：u% ――三相线路每kW\km的电压损失百分值（％）。

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 （5— 13）

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 4—8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cos' =0.9，从变压器出线的长度为180m

按发热条件选择

采用三相铜芯聚氯乙烯绝缘电缆

S =

S = 1000

、-3U N 3 660

=0.874kA

查表可知，选择电缆铜芯截面为 3X 70mm时

25oC载流量为1285心874A,因此选择线芯为210 mn2的三相铜芯油浸纸 绝缘电缆，即ZQ22-3X 70型。

校验电压损失

查表得：u% =2.239 10；kW?km，因此

实际电压损耗百分比为

U% f；u% ?L =2.239 10； (0.9 1000) 0.18 = 0.362% 远小于

允许电压损耗2% =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

Amin 二丨⑶.. tma /C (5 - 14)

I (：3^ I K3) = 32kA

式中，Ima =如 +°.5=°.55

C查表，得

C = 148A s/ mm2

因此

Amin =32000 0.55s/(148A . s)mm2 = 160.35mm2

由此可见，以上所选电缆线芯截面 3X 70 mn2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 ZQ22-3X 70型。

　按照以上计算方式可以选择其他几组变压器出线都为 ZQ22-3X 70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1.7 — 2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

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Smin时，便是稳定的，反之不稳定。Smin按下式计算

(5—15)

其中，if ――三相短路电流(A)；

Ksk ――集肤效应系数；

ti ――假想时间。

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 i,,i2时，两导

体的轴线距离为a，导体间的电动力为：

TOC \o "1-5" \h \z F =2讣2 (L/a) 10 N (5 —16)

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

F ⑵=2iS?2 (L/a) 10^N (5 —17)

式中 iS2)――二相短路冲击电流(A)

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

F ⑶ i3iS3)2— 10 N (5 —18)

a

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:

- ％ (' 二 M .. W) (5 —19)

式中 二c ――作用于母线三相短路冲击电流的计算应力 (MPa)

-al 母线最大允许应力(MPa)，硬铝为70，硬铜为140；

M――母线通过ish时受到的弯曲力矩；

W 母线截面系数，单位为m3。

F面以变压器一为例进行母线选择计算:

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

larm =lj 二 S ?3Un COS =690.413、3一660 0.9 = 0.671kA

根据最大长时工作电流选 80 x 10mm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42oC,其长时允许电流根据公式

I.-Ia^ 二25 (5 - 20)来修正。

其中，為m ――母线最高允许温度，一般为 70oC；

V 最高环境温度；

Ial 母线截面长时最大允许电流(A)；

Ial ――长时允许电流修正值。

所以可得 Ial 二 Ial Calm=^alm二25 =1747, 70二42 70二25 = 1378.1A

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

Ial =1378.1 0.92 =1267.9A _0.671kA 故长时允许电流符合要求。

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F八3iShL 10^N来计算。其中短路电流ld3)=22kA(这在第五章的短路电

a

流计算中算出)。

iSh =1.84Id3) =1.84 22 =40.85kA

2 L 2 1 218

F =0.172iSh 0.172 40.85 1398.4 N

Sh a 0.25

母线的最大弯矩为

FL 1398.4".218

M max 170.3N *m

10 10

母线的计算应力为

.：；,沁 __2 170.3 -0.16 108 N/m2

W 80 "0 汉 10 /

Smin322 10175.1.6 2.72二

Smin

3

22 10

175

.1.6 2.7

2

二 261.3mm

小于铜材料的允许弯曲应力

故其动稳定符合要求。

母线的热稳定校验

根据公式

1.372 X 108N/m2,

Smin

(5 - 21)

来确定母线最小热稳定截面。

查得 Ksk=1.6 C = 175,取ti=2.7s

Smin22 103

Smin

22 103

175

J.6 2.7

=261.3mm2

小于所选铜母线截面80X10mm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 80X 10mm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