电气自动化自动化专业毕业设计

电气自动化自动化专业毕业设计
目录
前言 (VI)
第1章毕业设计概述 (1)
1.1 毕业设计题目 (1)
1.2 毕业设计目的 (1)
1.3毕业设计容 (1)
第2章负荷计算 (2)
2.1负荷概述 (2)
2.2负荷计算 (2)
第3章无功功率补偿 (7)
3.1并联电力电容器补偿 (7)
3.2无功补偿容量的计算 (7)
第4章主变压器选择 (9)
4.1变电所变压器容量、台数、型号选择 (9)
4.1.1变压器容量 (9)
4.1.2主变压器台数和型号 (9)
4.1.3主变压器确定 (10)
4.2干式变压器的结构 (10)
4.3干式变压器的特点 (11)
4.4干式变压器的使用注意事项 (11)
第5章变电所电气主接线 (12)
5.1对电气主接线的基本要求和原则 (12)
5.1.1电气主接线的基本要求 (12)
5.1.2电气主接线的原则 (12)
5.2电气主接线设计程序 (13)
5.3主接线设计 (14)
第6章短路计算 (18)
6.1短路概述 (18)
6.3短路危害 (18)
6.4短路计算 (19)
第7章电气设备选择与校验 (23)
7.1电气设备及分类 (23)
7.2电气设备选择与校验 (23)
7.3高压断路器选择与校验 (24)
7.3.1高压断路器的选择 (24)
7.3.2高压断路器的校验 (25)
7.4隔离开关选择与校验 (26)
7.4.1隔离开关原理与类型 (26)
7.4.2隔离开关运行与维护 (26)
7.4.3隔离开关的校验 (26)
7.5互感器选择与校验 (27)
7.5.1互感器应用 (27)
7.5.2电流互感器原理与结构 (28)
7.5.3电流互感器校验 (29)
7.6电压互感器 (30)
7.6.1电压互感器原理 (30)
7.7母线选择与校验 (31)
7.7.1 母线的选择 (31)
7.7.2母线校验 (32)
第8章继电保护 (33)
8.1继电保护 (33)
8.1.1对继电保护的基本要求 (33)
8.1.2继电保护原理 (33)
8.2过电流与速断保护整定值的计算 (34)
8.2.1过电流整定值计算 (34)
8.2.2速断保护整定值计算 (36)
第9章配电装置 (38)
9.1对配电装置的基本要求 (38)
9.2配电装置的类型 (38)
9.3配电装置的应用 (38)
9.4配电装置的设计步骤 (39)
第10章防雷保护设计 (42)
10.2雷电的危害 (42)
10.3防雷保护装置 (42)
10.4防雷设计 (43)
10.5防雷保护计算 (43)
总结 (47)
参考文献 (48)
致谢 (49)
附录Ⅰ (50)
附录Ⅱ (55)
前言
经济的迅速发展，科学技术的不断进步促使社会中各行各业都在不断地发展壮大，特别是各种高、新、尖、精的技术应用，而所有的一切都离不开电，而电的中枢—变电所更是必不可少，起到至关重要的作用。

电是一个广义的畴，伴随负荷的不同，对电的要求也会随之改变。

10kV的变电所应用较为广泛，其涉及工业、农业等诸多领域，所以说对10kV变电所的设计具有十分重要的意义。

对此题目的设计除了注重实际应用外，还应考虑可靠性、经济性和电能的质量。

如线路保护、接地保护、变压器保护等保护的有关问题及其设备元件的选择。

此题目的设计涉及《发电厂电气部分》、《电力系统分析》、《电力系统继电保护》、《电力系统自动化》等所学习过的课程及相关容。

此设计的题目是针对10kV变电所进行的扩大初步设计，在设计伊始，在工程技术人员的陪同下对变电所进行了参观学习，并把所设计的有关容做了整体的记录，参观过程中通过技术人员的指导和结合自身的实际情况，选择变电所的高低压部分设计，这部分设计相信对自己将来的工作也会有很大的帮助。

本设计按照以下的步骤进行：
首先：依照主接线的特点，选择各个电压等级的接线方式，进行综合比较，选择最佳接线方式。

其次：进行短路电流计算，根据短路点计算三相短路稳态电流和冲击电流。

再次：根据所选电气元件，结合实际绘制设计图纸，包括主接线图、二次回路图等。

最后进行校验。

以上是理论知识的体现而更中要的一点是在设计中培养自己运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，增强工程观，在设计过程中主要立足于应用所学基本理论和专业知识，大胆地运用新理论、新技术去分析解决实际问题,以便更好地适应工作的需要。

所有的设计查阅资料是必不可少的，而资料的获取应以实际为准，做为一名初次设计者，设计之前应具备一定的设计能力，但是由于缺乏经验，知识体系的不够完善等多种原因，适用于估算。

在估算的过程中，所得理论结果只要与实际偏差不大，对整个电力系统不产生重大的影响，是可行的。

了解整个设计的目的、容和基本要求进行设计的资料推备。

资料准备主要通过查阅(包括上网查问)文献资料和参加生产实习两条渠道进行。

此设计充分吸收
专业理论知识，考虑自己毕业设计的选题方向，有目的、有计划地查阅与选题方向有关的文献资料，特别是在参加生产实习的过程中有意识地搜集生产过程及新技术、新设备、改革新成果的应用等方面资料，这也是为毕业设计课题收集资料的最重要途径。

选定题目后，应再有针对性地查阅一些资料，最后对所有收集的资料进行整理。

并对其进行完善，对于一个完整的设计而言，文字与图纸并存。

文字的详细叙述使容丰富，而图纸则一目了然。

最后由于设计者的水平有限，以及对电气技术日新月异的发展掌握不够，加之国外电气技术和产品的大量引进，我国对电气设计设备技术标准、规还在不断地改进和完善，所以设计难免有不足，希望老师给予批评指正，使本设计更加完善。

第1章毕业设计概述
1.1 毕业设计题目
《工学院综合教学楼变电所扩大初步设计》
1.2 毕业设计目的
本设计是针对变电所进行的扩大初步设计，设计中涉及“发电厂电气部分”、“电力系统分析”、“电力系统继电保护”等课程有关容，通过设计培养学生综合运用所学知识分析、解决本专业领域工程技术问题的能力；培养学生独立自学能力；使学生受到工程师的基本训练，即工程设计和科学研究的初步能力；包括：调查研究、搜集资料（含文献检索）；方案论证、技术方案的计划与实施；理论分析、设计和计算；撰写学术论文或设计说明书等的能力。

1.3毕业设计容
主变压器选择；变电所电气主接线设计；短路电流计算；电气设备选择（母线、高压断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和补偿电容器）；配电装置设计；继电保护设计；防雷保护设计；绘制电气主接线图，绘制配电装置平面图及直击雷保护围图。

1.进行10kV变电所扩大初步设计；
2.完成任务书中的全部容；
3.绘制变电所电气主接线图；
4.绘制配电装置平面图及直击雷保护围图；
5.毕业设计说明书按统一格式打印装订成册；
6.说明书文字在1 .5万字以上，语言通顺简练，图表画法符合国家标准；
7.完成与设计有关的英文资料翻译；
第2章主变压器选择
在发电厂和变电站中，用来向电力系统或用户输送功率的变压器，称为主变压器。

在输配电系统中，变压器起到桥梁作用，变压器是借助电磁感应原理，以相同的频率，交换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

4.1变电所变压器容量、台数、型号选择
4.1.1变压器容量
变压器空载运行时需用较大的无功功率，这些无功功率需由供电系统供给，变压器容量如选的过大，不但增加投资，而且使变压器长期处于轻载运行，出现“大马拉小车”现象，使空载的损耗增加，功率因数降低，网络损耗增加。

若容量选的小，会使变压器长期过负载，易损坏设备。

变压器的最佳负载率在40%-70%之间，负载过高，损耗明显增加，另一方面，由于变压器容量裕度小，负载稍有增长，便需要增容，更换大容量的变压器，势必增加投资，且影响供电。

总之选择变压器的容量，要以现有的负荷为依据，按照5-10年的发展计划来确定，按照工学院综合楼变电所的设计选用的变压器容量为1000kVA。

4.1.2主变压器台数和型号
1．台数
变压器的台数应根据负荷的特点和经济运行进行选择，要由负荷大小，对供电的可靠性和电能质量的要求来决定，并兼顾节约电能、降低运行造价、维护设备等因素，确定变压器台数应综合考虑，进行认真的技术经济比较。

按负荷的等级和大小来说，对于带一、二级负荷的变电所，当一、二级负荷较多时，应选两台或两台以上变压器，如只有少量的一、二级负荷并能从相邻的变电所取得低压备用电源，可以只采用一台变压器。

对于像工学院综合楼来说主要负荷是二、三类负荷，二级负荷主要是消防电梯、应急照明等负荷；而三级负荷主要是电力设备和普通照明，根据需要拟装设两台变压器。

2．型号
主变压器的型号选择主要考虑以下因素：1）.变电所的所址选择；2）.建筑物的防火等级；3）.建筑物的使用功能；4）.主要用电设备对供电的要求；5）.当地供电部门对变电所的管理体制等。

设置在一类高、低压主体建筑中的变压器，应选择干式、气体绝缘或非可燃性液体绝缘的变压器；二类高、低压主体建筑也宜如此，否则应采取相应的防火措施。

主变压器安装在地下时，根据消防要求，不得选用可燃性油变压器，地下层一般比较潮湿，通风条件不好，也不宜选用空气绝缘的干式变压器，而宜采用环氧树脂浇注型或者六氟化硫型变压器，综合所述结合校的具体情况选型为SCB9-1000/10KV变压器。

4.1.3主变压器确定
位于工学院综合楼地下变电所的主变压器型号为环氧树脂浇注型，其技术参数如表2-1所示。

4.2干式变压器的结构
为了确保供电安全，迫切需要即可深入负荷中心又无燃烧危险的变压器，而当今，随着社会进步，干式变压器得到了广泛的应用，根据国家标准《干式变压器》定义，所谓干式变压器，就是指铁心和绕组不浸入液体中的变压器。

干式变压器的结构与油浸式变压器的差别不大，采用晶粒取向电工钢片，轭45全斜接缝，心柱用钢带或自干型绝缘粘带绑扎，也有用粘结剂将铁和柱采用
心胶合，铁心为防止因凝结而引起锈蚀，在铁心表面涂有耐热的防锈覆盖漆或树脂，容量较大时，铁芯中要有气道，气道尺寸为15-20mm，而干式变压器的绕组材料是铜箔或铝箔，有时也采用铜线绕制，而低压线圈（1000V及以下），用铜箔（或铝箔）与预浸环氧树脂的绝缘材料紧密绕制，采用缠绕玻璃纤维加强树脂包封，经过工艺处理后，使高低压线圈各自成为一个坚固的整体，不但具有很强的承受短路能力，而且经过冷热循环试验，证明了线圈具有耐潮、耐裂、阻燃和自
熄功能。

由于干式变压器的适用材料不同，其绝缘等级也不同，绝缘材料等级与绝缘材料最高允许温度见表4-2。

4.3干式变压器的特点
1.占地面积小，不必单独建设变压器室，它可以和10kV的高压柜，380/220V 的低压配电柜装在一个室。

2.运行、维修量小。

3.具有耐热、防尘、耐潮的特点，适合于安装负荷中心，对系统经济运行节电起到了一定作用。

4.损耗小、噪声小。

5.绝缘性好，局部放电量小，耐雷电冲击力强。

6.机械强度高,抗温度变化，抗短路能力强。

7.价格昂贵。

8.寿命期后，不易回收，污染环境。

4.4干式变压器的使用注意事项
1.干式变压器选择不同的外壳，是由所处的环境和防护要求而定。

2.干式变压器绕组的绝缘，很大程度影响变压器的安全和使用寿命。

3.自然空气冷却和强迫空气冷却。

4．干式变压器的过载能力与环境温度、载前的负荷情况、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数有关。

第3章变电所电气主接线
电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。

用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系的单线接线图，称为主接线电路图。

电气主接线是变电所电气设计的首要部分，也是构成电力系统的首要环节。

对电气主接线的基本要求概括地说应包括电力系统整体及变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性。

5.1对电气主接线的基本要求和原则
5.1.1电气主接线的基本要求
1．可靠性
所谓可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。

衡量可靠性的客观标准是运行实践。

经过长期运行实践的考验，对变电所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。

主接线的可靠性不仅要考虑—次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。

同时，可靠性不是绝对的，而是相对的。

一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能是不可靠的。

2．灵活性
主接线的灵活性有以下几方面要求；
1)调度要求。

可以灵活的投入和切除变压器、线路、调配电源和负荷，能够满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。

2)检修要求。

可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修，且不致影响对用户的供电。

3)扩建要求。

可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改建量最小。

3．经济性
经济性主要是投资省、占地面积小、能量损失小。

5.1.2电气主接线的原则
1．考虑变电所在电力系统中的地位和作用
变电所在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素。

变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。

2．考虑近期和远期的发展规模
变电所主接线设计应根据5—10年电力系统发展规划进行。

应根据负荷的大小和分布、负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

3．考虑负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响
对一级负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电；对二级负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电。

三级负荷一般只需一个电源供电。

4．考虑主变台数对主接线的影响
变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。

通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。

而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性要求低。

5．考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响
发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电、适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。

电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不问。

例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。

5.2电气主接线设计程序
1、电气主接线的设计程序
电气主接线的设计伴随着变电所的整体设计，即按照工程基本建设程序，历经可行性研究阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段等四个阶段。

在各阶段中随要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计思路、方法和步骤相同。

(1)对原始资料进行分析，具体容如下：
1)本工程情况。

主要包括：变电所类型；设计规划容量；变压器容量及台数；运行方式等。

2)电力系统情况。

电力系统近期及远景发展规划(5—10年)；变电所在电力系统中的位置(地理位置和容量位置)和作用；本期工程和远景规划与电力系统
连接方式以及各级电压中性点接地方式等。

3)负荷情况。

负荷的性质及地理位置、电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷在原始资料中虽已提供，但设计时应该认真地辩证地分析。

因为负荷的发展和增长速度受政治、经济、工业水平和自然条件等方面影响。

如果设计时，只依据负荷计划数字，而投产时实际负荷小了，就等于积压资金，否则电量供应不足，就会影响其他工业的发展。

4)环境条件。

当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔、地震等因素对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。

特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应子以重视。

对重型设备的运输条件也应充分考虑。

5)设备制造情况。

为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。

(2)拟定主接线方案。

根据设计任务书的要求，在原始资料分析的基础上，可拟定若干个主接线方案。

因为对电源和出线回路数、电压等级、变压器台数、容量以及母线结构等考虑的不同，会出现多种接线方案(近期和远期)。

应依据对主接线的基本要求，从技术上论证各方案的优缺点，淘汰一些明显不合理的方案，最终保留2—3个技术上相当，又都能满足任务书要求的方案，再进行可靠性定量分析计算比较，最后获得技术合理、经济可行的主接线方案。

(3)主接线经济比较。

(4)短路电流计算。

对拟定的电气主接线，为了选择合理的电器，需进行短路电流计算。

(5)电器设备的选择。

(6)绘制电气主接线图及其他必要的图纸。

(7)工程概算。

包括：主要设备器材费；安装工程费；其他费用。

5.3主接线设计
主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种形式，分为两大类：有汇流母线的接线形式、无汇流母线的接线形式。

变电所电气主接线的基本环节是电源(变压器)、母线和出线(馈线)。

各个变电所的出线回路数和电源数不同，且每路馈线所传输的功率也不一样。

在进出线数较多时(一般超过4回)，为便于电能的汇集和分配，采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便有利于安装和扩建。

但有母线后，配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多。

无汇流母线的接线使用开关电器较少，占地面
积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的变电所。

有汇流母线的接线形式主要有：单母线接线和双母线接线。

设计中仅以单母线接线为例。

一、单母线接线
图 5-1 单母线接线
如图 5-1 所示，单母线接线的特点是整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上。

供电电源是变压器或高压进线回路。

母线既可以保证电源并列工作，又能使任一条出线回路都可以从电源l或2获得电能。

每条引出线回路中部装有断路器和隔离开关，靠近母线侧的隔离开关QS2称作母线隔离开关，靠近线路侧的QS3称为线路隔离开关(在实际变电所中，通常把靠近电源侧的隔离开关称为甲刀闸，把靠近负荷侧的隔离开关称为乙刀闸)。

由于断路器具有开合电路的专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，故用来作为接通或切断电路的控制电器。

隔离开关没有灭弧装置．其开合电流能力极低，只能于设备停运后退出工作时断开电路，保证与带电部分隔离，起着隔离电压的作用。

所以，同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置隔离开关，以便检修断路器时隔离电源。

若馈线的用户侧没有电源时，断路器通往用户则可以不装设线路隔离开关。

但如果费用不大，为了防止过电压的侵入。

也可以装设。

同一回路中串接的隔离开关和断路器，在运行操作时，必须严格遵守下列操作顺序：
如对馈线送电时，须先合上隔离开关QS2和QS3，再投入断路器QF2；如欲停
止对其供电，须先断开QF2，然后再断开QS3和QS2。

为了防止误操作，除严格按照操作规程实行操作票制度外。

还应在隔离开关和相应的断路器之间，加装电磁闭锁、机械闭锁。

接地开关(又称接地刀间)QS4是在检修电路和设备时合上，取代安全接地线的作用。

当电压在110kV及以上时，断路器两侧的隔离开关扣线路隔离开关的线路侧均应配置接地开关。

对35kV及以上的母线，在每段母线上亦应设置1—2组接地开关或接地器，以保证电器和母线检修时的安全。

1．单母线接线的优缺点
优点：接线简单清晰、设备少、操作方便、便于扩建和采用成套配电装置。

缺点：灵活性和可靠性差，当母线或母线隔离开关故障或检修时，必须断开它所连接的电源，与之相连的所有电力装置在整个检修期间均而停止工作。

此外，在出线断路器检修期间，必须停止该回路的供电。

2．单母线接线的适用围
一般适用于一台主变压器的以下两种情况：
(1)6-10kV配电装置的出线回路数不超过5回。

(2)35-66kV配电装置的出线回路数不超过3回。

二、单母线分段接线
为了克服一般单母线接线存在的缺点，提高它的供电可靠性和灵活性，可以把单母线分成几段，在每段母线之间装设一个分段断路器和两个隔离开关。

每段母线上均接有电源和出线回路，便成为单母线分段接线，如图5-2所示。

1．单母线分段接线的优缺点
优点：①用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同段引出两个回路，有两个电源供电；②当一证正常段母线不间断供电和不致使大面积停电。

缺点：①当一段母线或母线隔离开关故障或检修时，该段母线的回路都要在检修期间停电；②当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；③扩建时需向两个方向均衡扩建。

2．适用围
(1)6一10kV配电装置出线回路数为6回及以上时。

(2)35—66kV配电装置出线回路数为4—8回时。

图5-2 单母线分段接线
现阶段最常用的接线形式有两种：单母线接线和单母线分段接线，依据工学院变电所中实际情况的了解，以及对单母线接线和单母线分段的比较，并且从经济性、可靠性、灵活性三个方面的对比，选择单母线接线方式。

工学院变电所为终端变电所高压为10kV低压为0.4kV。

这在主接线的选择上确定了围，根据5-10年的发展计划设计，并依据工学院的供电情况，拟装设两台主变压器。

1．10kV主接线
根据设计要求及综合考虑，10kV侧两条铜电缆，一条运行，一条备用两条电缆的各种参数均相同，来自供电中心的高压电经隔离开关、调相机、电流互感器接到母线上，而后经隔离开关、计量柜进入母线接到两台变压器上，其间由隔离开关和断路器分离。

如附录Ⅱ。

2．0.4kV主接线
所谓0.4kV是一种电压等级,按正常工作需用380kV，10kV高压经过变压器降压后为0.4kV等级，低压经过隔离开关、电流互感器、高压断路器接到母线上，而后经过隔离开关、仪表通过低压母线接到降压变压器母线上，两台变压器低压分别带有不同的负荷这是0.4kV。

如附录Ⅱ所示。