电力工程课程设计报告-第二组

同济大学电气工程系课程设计任务书
设计任务《电力工程》课程综合设计
专业班级电气工程及其自动化
组别第二组
组长姓名刘榕雄1152311
指导老师张明锐
时间：2014年11月17日～2014年11月28日
目录
第一部分设计要求 (3)
一、设计内容 (3)
二、设计成果 (3)
三、设计基础资料 (4)
四、具体要求 (5)
第二部分设计书简要介绍 (6)
第三部分主接线方案的选择 (7)
第四部分主变压器的选择 (8)
第五部分电气元件的选择及校验 (9)
一、低压母线的选择及校验 (9)
二、导线截面的选择 (10)
三、高压断路器的选择及校验 (10)
四、低压断路器的选择 (10)
第六部分功率因数的补偿 (11)
第七部分10kV断路器的控制回路 (12)
一、就地手动合闸 (12)
二、远方遥控合闸 (13)
三、就地手动跳闸 (14)
四、远方自动跳闸 (15)
五、防“跳跃”闭锁 (16)
第八部分平面布置图 (17)
第九部分计算部分 (18)
一、负荷容量的计算 (18)
二、短路电流的计算 (18)
三、母线的热稳定性校验 (19)
四、母线的动稳定性校验 (19)
五、功率因数补偿 (19)
第十部分参考文献 (20)
第十一部分组员分工及心得 (21)
一、组员分工 (21)
二、组员心得 (21)
1、刘榕雄的心得 (21)
2、应承伟的心得 (21)
3、刘元晖的心得 (22)
4、王腾的心得 (22)
5、邓小轩的心得 (22)
第一部分设计要求
一、设计内容
1．根据负荷要求和容量资料，设计变电所的主接线方案。

2．负荷计算，确定变压器容量。

3．计算并选择母线及导线截面。

4．计算系统功率因数，设计功率因数补偿方案，使其能够满足最大补偿容量下功率因数可以达到0.98，设计为3级投切。

5．设计10kV断路器的控制回路，能够满足远动和就地两种控制模式，就地控制具有优先权。

6．短路电流计算：
（1）为保证变电所选用的设备，在短路故障状态时的安全，采用三相短路时的电流进行校验。

（2）使用三相短路电流计算数据，校验断路器的开断容量，母线的动稳定性和热稳定性。

7. 设计变电所的远动监控系统：
（1）设计监控系统结构图；
（2）设计监控系统的遥信功能与信息量表；
（3）设计监控系统的遥测功能与信息量表；
（4）设计监控系统的遥控功能与信息量表。

8. 设计变电所设备的平面布置图，以实际变电所平面尺寸为参考。

二、设计成果
1.设计说明书一份
（1）说明要求书写整齐，条理分明、表达正确、语言简洁。

（2）扼要阐明设计内容、论证各设计内容的最终成果并附必要图表。

2.计算书一份
（1）计算书内容：为各设计内容最终成果的确定提供依据所进行的技术分析、论证和定量计算，如供电线路导线的选择、短路电流的计算、电气设备的
选择等。

（2）计算书要求：计算无误，分析论证过程简单明了，各设计内容结果列表汇总。

3.图纸：要求用标准符号绘制，布置匀称、设备图形按比例大小合适，清晰美
观。

（1）变电所主接线图一张
（2）变电所布置图一张
（3）变电所监控系统图一张（2选1）
（4）断路器控制回路图一张（2选1）
三、设计基础资料
1、变电所设备和容量清单；
2、设备布置方案参考平面图：
3、断路器控制二次原理图（参考）
四、具体要求
1、 时间节点：
1）2014年11月17日 ：设计任务书发布，班长负责分组通知和任务书下达，同学2天内熟悉任务书内容。

2）2014年11月19日上午10点至11点30分，A404教室，指导教师讲解任务书内容，设计答疑。

3）2014年11月19日下午1：30～5：00，电信楼140电气工程系综合实验平台现场实践，动手操作熟悉设备及设计内容，答疑，记录，现场设计。

4）2014年11月20日～2014年11月25日，同学分组讨论设计阶段。

5）2014年11月26日8：30～11：30，下午1：30～4：00电信楼140电气工程系综合实验平台实验室开放，指导教师现场答疑，设计指导、带电操作验证设计计算结果。

6）2014年11月28日8：00～11：30，A404教室，设计交流，指导教师总体讲解，同学分组讲解设计成果。

7）2014年11月29、30日，设计报告撰写提交。

第二部分设计书简要介绍
10kV配电网属中压配电网，它延伸至用电负荷的中心或居民小区内，直接面对工矿企业和居民等广大用户的供电需要，起着承上启下确保用户供电的作用，因此10kV配电网所处的地位十分重要。

在配电工程中，能否保证系统安全、经济可靠地运行，工程的设计质量是一个重要的条件。

在实验室模拟的情况下，就是首先通过升压变压器将220V的工频电流升到10kV的高压，然后经过模拟长距离输电的等效阻抗到降压变压器，降到380V
后传输到负载。

上面的设计指导书就要求我们设计一个实验室模拟情况下的
10kV变电站系统。

整个系统涉及到负荷容量、短路电流的计算，主接线方式、母线、导线以及变压器、断路器的选择，还有无功功率的补偿、远动监控系统的设计等等。

根据10kV变电站的特性，本次设计只涵盖了从高压10kV开始经过变压器降到380V并传送到负载这一部分，并从主接线选用、短路电流、设备选型、继保配置、设备布置、配网自动化等方面论述了10kV 变电站设计的主要内容和设计程序。

关键词：电气主接线，无功补偿，断路器回路，短路电流计算
第三部分 主接线方案的选择
在发电厂和变电所中，发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电容器、互感器、避雷器等高压电器设备，以及将它们连接在一起的高压电缆和母线，按其功能要求组成的接收和分配电能的主回路，叫做电气主接线。

电气主接线的正确与否对电力系统的安全、经济运行，对电力系统的稳定和调度的灵活性，以及电器设备的选择等等都有重大影响。

在选择电气主接线时，应注意电压等级、进出线回路数、负荷性质等条件，并应满足可靠性、灵活性、经济性以及先进性等要求。

考虑到是380V 低压侧需要安置母线，且出线只有4回时，从经济的角度出发初步考虑单母线接线和单母线分段。

由于单母线分段比单母线接线可靠性更好且在今后的可扩建性上比单母线接线更方便，故最终我们组选择单母线分段的主接线方案。

Ⅱ
10kV 电源RN2-10/0.5-15户内高压熔断器
ZN63A （VS1）-12手车式高压真空断路器
SCB10-50kVA/10kV/0.4kV 环氧树脂浇注干式变压器
LA-10kV
干式户内电流传感器SH204-C40低压断路器380V 母线
SH204-C40低压断路器LMZJ1-0.5低压电流互感器
20kVar 电容补偿柜5kVar 电抗器5kVA 电动发电机组20kW 电加热炉
第四部分主变压器的选择
主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。

若主变压器容量选择过大，会使变电设备能力无法充分利用，不仅造成投资浪费，还会引起运行费用的增加；反之，若主变压器容量选择过小，则会无法满足负荷的供电需求，也会影响发电机的发电能力。

由负荷计算可得负荷容量为27.70kV A，主变压器的负载率取0.65，故变压器的额定容量应不小于42.62kV A（27.70/0.65=42.62）。

目前，国家的标准容量（单位：kV A）为：30 ,50 ,63 ,80 ,100 ,125 ,160 ,200 ,250,315 ,400 ,500 ,630 ,800 , 1000 ,1250 ,1600 ,2000，此外主变压器的容量一般按变电所建成5~10年的规划负荷选择，故主变压器容量初步确定为50kV A。

考虑到实验室模拟情况下的负荷为三级负荷，一台50kV A主变压器即可满足要求。

容量确定后，从以下几个方面确定变压器的型式：
一、相数的确定
由于330kV A及以下变电所的主变压器若无特殊情况均应采用三相变压器，此次10kV A变电站主变压器采用三相变压器。

二、绕组数及连接方式的确定
采用三绕组及yn联结方式
三、调压方式的确定
由于负载容量不大，投切负载时不会产生大的电压波动，故选择无励磁调压方式。

四、冷却方式的确定
由于是室内变压器，考虑到安全因素，采用空气自冷或风冷的方式。

因此选择SCB10-50kV A/10kV环氧树脂浇注干式变压器
第五部分 电气元件的选择及校验
一、低压母线的选择及校验
由公式U
S I c
3c =
可得低压侧负荷电流Ic=42.09A ，其中线电压U 取低压侧380V 。

由于铜母线比铝母线的导电性能好很多，因此选择铜制母线。

由下表选择单片TMY-315⨯铜母线，该母线能持续通过的安全电流为210A ，比负荷电流42.09A 大，可满足长期发热要求；
下面进行母线的动热稳定性校验 母线的热稳定校验
母线的最小截面积()
2
m in 95.11mm S =
母线的实际截面积245153mm S =⨯=，满足热稳定条件min S S >。

母线的动稳定校验
导体最大相间应力Pa ph
61012.0⨯=σ
查资料可知硬铜的最大允许应力Pa al 6
10170⨯=σ，满足动稳定条件为
al ph σσ≤。

二、导线截面的选择
一般铜线安全计算方法是：
2.5平方毫米铜电源线的安全载流量－－28A 。

4平方毫米铜电源线的安全载流量－－35A 。

6平方毫米铜电源线的安全载流量－－48A 。

10平方毫米铜电源线的安全载流量－－65A 。

16平方毫米铜电源线的安全载流量－－91A 。

25平方毫米铜电源线的安全载流量－－120A 。

故铜导线的截面积选择102mm
三、高压断路器的选择及校验
根据高压侧的电压选择额定电压为10kV 的断路器，我们初步选择ZN63A （VS1）-12型系列户内高压真空断路器。

由下图可得该断路器的开断容量为415MV A ，大于三相短路容量1.18MV A ，故满足要求。

四、低压断路器的选择
低压侧根据低压侧电压选择额定电压为380V 的SH204-C40断路器。

断路器额定电流=1.2～2倍计算电流。

根据被保护负载的不同，小型断路器具有不同的保护特性:
B 型曲线脱扣特性:
瞬时脱扣范围(3 ~ 5) In ，用于保护短路电流较小的负载(如电源、长电缆等) C 型曲线脱扣特性:
瞬时脱扣范围(5 ~ 10) In ，用于保护常规负载和配电线缆 D 型曲线脱扣特性:
瞬时脱扣范围(10 ~ 14) In ，用于保护起动电流大的冲击性负载(如电动机，变压器等)。

因此选择D 型曲线的过电流脱扣器。

第六部分 功率因数的补偿
按系统的最小的功率因数，即只有电动发电机组和电抗器投入使用，此时功率因数%72.44cos 0=ϕ，为了将功率因数补偿到0.98，此时补偿功率
kVar Q C 2.70=，即投入两组补偿电容即可。

按最大功率因数，即电加热炉、电动发电机组以及电抗器都投入使用，
%6.86cos 1=ϕ，
为了将功率因数补偿到0.98，此时补偿功率kVar Q C 05.91=，也只需要投入两组补偿电容。

第七部分10kV断路器的控制回路
一、就地手动合闸
步骤：
1.控制开关S旋至“就地”位置、遥控压板XB2打开，
2.按下控制开关“SA合”，(+W)―S―SA合―KCFV2―K3―QF2―YC―（-W）接通,断路器合闸，
3. QF1闭合、触点QF2断开，
4.（+W）―K7―HR―QF1―YT―（-W）接通，于是红灯发光，表明断路器处于合闸状态，
5.同时合闸位置继电器K7也励磁动作，发出合闸信息。

二、远方遥控合闸
步骤：
1.控制开关S旋至“远方”位置、遥控压板XB2接通,（+W）―S―XB2
―K2―R―（-W）接通，
2.K2励磁并动作，发出可进行操作信息，通过远方合闸继电器K5动作，使其常开触点K5闭合，
3.(+W)―S―XB2-K5―KCFV2―K3―QF2―YC―（-W）接通，断路器合闸
以下与就地手动合闸相同。

三、就地手动跳闸
步骤：
1.控制开关S旋至“就地”位置、遥控压板XB2打开,按下控制开关“SA跳”，（＋W）―S―SA跳―K1―(-W)接通，
2.K1励磁并动作，其常开触点闭合，（+W）―K1―KCF1―QF1―YT―（-W）接通，断路器跳闸，
3.QF1断开，切断跳闸线圈YT的电源；QF2闭合，绿灯HG发光，表明断路器处于跳闸状态，跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息。

四、远方自动跳闸
步骤：
1.控制开关S旋至“远方”位置、遥控压板XB2接通, （+W）―S―XB2―K2―R―（-W）接通，
2.K2动作，发出可进行操作信息，通过远方跳闸继电器K4动作，使其常开触点K4闭合，
3.K1励磁并动作，其常开触点闭合，（+W）―K1―KCF1―QF1―YT―（-W）接通，断路器跳闸，
4.QF1断开，切断跳闸线YT的电源；QF2闭合，绿灯HG发光，表明断路器处于跳闸状态，跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息。

五、防“跳跃”闭锁
原理：
1.当操作断路器跳闸时，电流线圈KCFⅠ励磁，其常开触点KCFⅠ1和KCFⅠ2闭合。

2.当合闸于故障的线路并出现控制开关“SA”正电源持续存在时, 电压线圈KCFV启动，其常闭触点KCFV2断开，切断了合闸回路，避免断路器的再次合闸。

第八部分平面布置图
第九部分 计算部分
一、负荷容量的计算
电加热炉：P=20kW ，Q=kVar P 83.529.020tan =⨯=ϕ(功率因数取0.96)； 电动发电机组：kW S P 48.05cos =⨯==ϕ,kVar S Q 36.05sin =⨯==ϕ(功率因数取0.8)；
根据负荷计算，22Q P S +=，按最大负荷计算，P=20+4=24kW ，Q=5.83+3+5=13.83kVar ，故S=27.70 kV A ，此时功率因数为cos ϕ=0.866； 负荷电流U
S
I 3c =
=42.09A ，其中线电压U 取低压侧380V 。

二、短路电流的计算
在算低压侧短路电流时通常采用有名值法计算，即将各电气参数归算到低压侧（0.4kV ）网络内，然后相加求出总阻抗。

由于等效短路电路中的电抗远大于电阻，所以往往就用总电抗直接代入总阻抗中计算。

短路电流计算公式
d
p d
d
p X U X
R U I ⨯≈
+⨯=
3322，其中Up 为低压侧的电压平均值，Xd 为折算到低
压侧的电抗。

由于高压侧系统容量折算后的低压电抗、高压侧阻抗（包括断路器、刀开关的等效阻抗）折算后的低压阻抗以及变压器的电阻相对于变压器的电抗来说可以忽略不计，故23240010
5004
.0%⨯⨯==
≈p e B d U S u X X ，其中B X 为变压器的电抗。

代入后可得三相短路电流I=1.80kA 。

冲击系数ch K 取1.8
短路冲击电流kA I K i sh sh 61.480.18.122=⨯⨯==
短路冲击电流有效值()2
218.12180.1)1(21-+⨯=-+=sh sh K I I
kA 73.251.180.1=⨯=
三相短路容量MVA I U S p 18.13=⨯⨯=
三、母线的热稳定性校验
取短路持续时间为s t jx 2.1=，由铜母线的热稳定校验公式jx t I
S 165
min =得 母线的最小截面积()
23min
95.112.11651080.1165mm t I S jx =⨯⨯==
四、母线的动稳定性校验
单位长度导体所受相间电动力
()
m N i f sh ph /19.911061.44
.01
1073.111073.1237-27=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-βα
其中sh i 为三相短路冲击电流，α为相间距离，取0.4m ，β为动态应力系数； 导体最大相间应力Pa W L f ph ph
65
-2
2
1012.01007.1102.119.910⨯=⨯⨯⨯==σ W 为导体的截面系数，由于导体布置方式为单条平放，故
()
35-2
21007.16
08.001.06m bh W ⨯=⨯==。

五、功率因数补偿
按系统的最低的功率因数，即只有电动发电机组和电抗器投入使用，
kW 48.050=⨯=P ，kV ar 856.050=+⨯=Q ，%72.44cos 0=ϕ，
为了将功率因数补偿到0.98，此时补偿功率
()kVar P Q C 2.72.0-24)tan (tan 000=⨯=-=ϕϕ;
按最大功率因数，即电加热炉、电动发电机组以及电抗器都投入使用，
1P =24kW ，1Q =13.83kVar ，%6.86cos 1=ϕ，
为了将功率因数补偿到0.98，此时补偿功率
()()kVar P Q C 05.920.0577.024tan tan 111=-⨯=-=ϕϕ。

第十部分参考文献
[1]同济大学.工厂供电[M].上海：中国建筑工业出版社，2008-5-1：332-334
[2]鞠平.电力工程[M].北京：机械工业出版社，2011-07
[3]陈珩.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007
[4]西北电力设计院.电力工程设计手册[M].上海：上海人民出版社，1972-03
[5]徐永根.工业与民用配电设计手册[M].北京：水利电力出版社，1994
[6]吴文传,张伯明,孙宏斌.电力系统调度自动化[M].北京：清华大学出版社，2011
第十一部分组员分工及心得
一、组员分工
1152311 刘榕雄：相关资料的收集和整理，计算过程验证与结果校验，设计书的整理。

1152317 应承伟：负荷、功率因数、无功功率补偿以及短路电流的计算，母线动热稳定性的校验，主接线方案的确定，母线及导电截面的选择，PPT的制作，设计书的撰写。

1152325 刘元晖：变电所资料的收集与整理，计算结果的校验，PPT的制作与排版，设计书的整理与排版。

1152326 王腾：变压器，断路器的选型与确定，控制回路的确定及绘图，主接线图以及平面布置图的制作，PPT的整理，最终答辩，设计书的撰写与整理。

1152328 邓小轩：设备资料的收集与整理，相关计算结果的校验，设计书的整理。

二、组员心得
1、1152311刘榕雄的心得
本次电力系统的课程设计我主要负责的是前期资料的搜集和整理，中期配合组员完成计算过程，以及后期的报告整理。

在刚接到课程任务书的时候，我们组里的人对这些要求和内容都感觉既陌生又熟悉，虽然曾经在电力系统课上接触过相似的内容，但是这样的实际设计题还是第一次。

我主要负责的是到图书馆借阅相关的书籍，特别是我们同济大学自己编的工厂供电一书，以及到网上查阅相关资料，为接下来的设计和计算做好准备工作。

由于在准备考研，我必须说自己的大部分时间都花在了复习考研上，所以在中期的计算过程中，我只能用自己在电路理论这门考研课上比较熟悉的知识来协助组内的成员完成相关计算。

由于我在电力系统这门课上学习的知识比较牢固，有时候也帮助组内成员理解一些相关概念。

在后期的报告撰写上，我帮助完成了报告的整理，减轻了组员的负担，在答辩的基础上对计算结果和设计结果做了一些改进。

总体来说，这次课程设计的收获很大，很感谢系里给了我们这样的一次机会能亲身实践和设计，使得知识和实践相结合，这一过程也离不开张老师一路上的指导。

最后，由于自己还要忙于考研，对于时间分配和管理的能力也得到了提升，并且要对组内的王腾和应承伟两位同学表示感谢，因为他们完成了这次课程设计的很多工作。

而我自己也十分希望以后能继续深入学习电力系统。

2、1152317应承伟的心得
本次课设我主要负责资料的整理、设计方案的确定、ppt以及报告的制作等。

刚拿到这个设计说明书时，我就把里面的要求仔细的研读了一遍。

发现很多
东西都可以在课本上找到，所以我当时就挺放心的。

但是随着项目的进行，我发现也就主接线的设计比较容易，因为负载少且电压等级低。

但是从负荷容量的计算和电压器容量的确定开始我们就开始出问题了。

首先负荷容量的计算我对那些负载应该参与计算不确定，而在算的过程中也经常忘记了某一负载的无功或者有功功率。

在负荷容量确定后，我们在变压器的容量确定上也犯了很大错误，忘了变压器的额定电压是分等级的，而不是想定在多少就定在多少。

还有就是无功的补偿，从这次设计中我们知道了实际中的补偿并不是单纯的计算，还要考虑负载的负荷率。

只有在考虑了负载的平均负荷率后再考虑无功补偿才有意义。

在短路点计算方面我也收获不少，在电气设备的选择方面我体会到了团队协作的重要性，小组成员对于相关设备型号的确定给了我很大帮助。

断路器回路的设计这一要求让我对断路器的控制及信号回路的工作原理有了一个深入的了解，而一些图形的初步绘制也让我解除了一些绘图软件。

总之，这次小设计让我对电力系统设计有了一个全新的认识，对其中的一些细节也有了较深的了解，这对于我们缺乏实际操作动手能力的在校大学生在知识及能力方面是一个很好的补充。

3、1152325刘元晖的心得
通过这次电力工程课程设计，我学会了不少新的东西，更多的是对过去学到过的但还没有切身体会过的内容有了进一步了理解，使自己头脑中模糊的印象变得清晰起来。

在经历了课程设计后，发现课本上介绍的东西相对来说比较抽象，没有自己动手来的具体。

通过分析问题，讨论步骤，设计方案，分析方案，数据计算一直到解决问题，每一步都是在往更深层次方向前进。

作为一名工科生，光靠理论是不够的，还需要大量的动手和实验与之配合，而课程设计正好给予了我们这样的机会，使我们在动手操作和思考中学到新知识，巩固旧知识。

由于在考研备战，所以在本次课程设计中参与的方案设计及计算方面较少，主要是在结果校验及PPT成果展示、报告书陈述上负责，包括对组员作出的计算结果的分析和校验、PPT的制作与排版，设计书的整理与排版等。

4、1152326王腾的心得
本次课设我主要的工作就是相关设备的选型和图形的绘制。

在这之中，因为要选择合适的变压器和断路器，就需要在网上收集很多厂家的设备资料，并且和供应商沟通，我发现设备的更新换代非常迅速，书本上面介绍的设备，很多现在都已经停产或者很少使用了，出现了很多安全性、可靠性更高，拥有更多辅助功能和通信功能的开关设备成为现在的主流产品。

在图形的绘制这里，我用的是Visio 2003版的图形绘制软件，虽然没有CAD 专业，但是非常的简单，它的器件库里就有电气工程的大部分设备。

主接线图和平面图的绘制让我学到了，电气专业图形绘制还是有许多规范的，虽然我画的还有很多错误，但是通过这次课设，我也了解到了电气工程专业所要求的严谨、求实都反映在了这一张张的图纸上面。

这也督促着我在以后的学习工作中要严谨求实，对任何工作都要态度认真。

5、1152328邓小轩的心得
课程实践还是很重要的，总会带来课堂上学不来的东西，同时加深对课程内容的理解。

课本交给了我们理论知识，但是没有交给我们，实际的断路器是什么
样的，同时实际工程中，有着大量的行业规定，国家标准，还有许多需要注意的地方，并不是一蹴而就的事情，需要不断地修改，同时需要实验仿真进行验证，才能完成。

电气自动化专业是一个实践性很强的专业，需要大量的实验来巩固理论知识，加深理解。

这次实践，完成了从高压到低压的全面教学工作，电器的选型、导线的选型、配电室配置已经是设计院的实际工作了，增强了工作技能。

由于最近准备考研，所以参与的并不多，但是对整个工作有全面的了解，尤其是最后的汇报，让我彻底明白了整个工作。