西北工业大学继续教育学院

毕业论文任务书

一、题目： 

二、指导思想和目的要求：

本论文从电厂工作电源和备用电源，在正常运行时，厂用负荷由工作电源供电，备用电源处于断开状态，而在机组起动、停机、解列及工作电源故障等情况下备用电源工作，工作电源处于断开情况入手，从而实现电厂的安全运行。

三、主要技术指标：

厂用电，感应电动机，快速切换，备自投装置

四、进度与要求：

五、主要参考书及参考资料：

    [1] 陈伯时，《电力拖动自动控制系统》,第四版.机械工业出版，2009

    [2] 贺家李，《电力系统继电保护》.(增订版).中国电力出版社，2004

    [3] ABB SUE3000产品说明书

[4] 余贻鑫,电力系统的安全性与稳定性[M]. 北京: 科学出版社, 1988. 

函授站：西北工业大学函授站   

班   级：　12级电气工程及自动化班 　

专　　业：　电气工程及自动化   学　  生：       

指导教师：　　　　

西北工业大学继续教育学院

毕 业 论 文 意 见 书

设计题目                                            

设 计 者                                           

指导教师                                                      

西北工业大学继续教育学院

毕 业 论 文 指 导 意 见

函授站：西北工业大学函授站    班级： 12级电气工程及自动化班

专业： 电气工程及自动化     成绩：

毕 业 论 文 评 阅 书

题　　目：工厂车间用电源系统快速自动切换装置的设计  　

        函 授 站：　   西北工业大学函授站     　

专    业：　   电气工程及自动化       

班    级：　 12级电气工程及自动化班   

学　　生：　　                    　    

评 阅 人：                              

西北工业大学继续教育学院

毕 业 论 文 评 阅 书

在发电厂中，厂用电的可靠性是发电机组、电厂乃至电力系统安全运行的基 本条件。厂用工作母线失电后，往往通过厂用电快速切换装置将负荷快速切换至 备用电源，以保证电厂正常运行。厂用电快速切换为厂用电的安全可靠运行提供 了有效的技术保证。如何准确判断厂用电切换的条件，在有利的时刻完成切换 操作；以及提高快速切换装置可靠性、快速性和通用性，对保证厂用电快速切换 成功具有重大的意义。 

关键词：  厂用电    感应电动机    快速切换

1、设计任务

1.1设计说明

某地区新建工厂，设备情况如附表所示。经供电部门批准，距离该厂15kM的一10kV电所专用线供电，该变电所的出口短路容量为200MVA。，地区气温为38。C，平均气温为25。C，该厂区土壤电阻率为200Ω/m2。

1.2厂区布局

图1.1

1.3厂区负荷分布

2设计说明

2．1负荷计算

厂区各用电车间的计算负荷，按照如下经验公式计算。

2.1.1、三相类负荷计算公式：

                            （2.1）

为计算有功，为需要系数，为三相设备额定有功容量

                                                         （2.2）

为计算无功，为功率因数角

2.1.2、单相类负荷等效三相负荷计算公式：

                          （2.3）

为等效三相计算有功，为需要系数，为单相设备有功容量

                             （2.4）

为计算无功，为功率因数角

2.1.3、用电车间计算负荷计算公式：

                             （2.5）

i为车间序号，j为车间内负荷类别数，为车间计算有功负荷

                           （2.6）

i为车间序号，j为车间内负荷类别数，为车间计算无功负荷

                        （2.7）

为车间计算视在功率

                          （2.8）

为车间计算负荷电流，为额定线电压

2.1.4计算各车间负荷

2.1.4.1热处理车间

电炉：＝0.8×600＝480；＝=0

通风机：＝0.8×60＝48；＝=47.05

照明：＝1.732×0.9×6＝9.35；＝=16.43

＝＋＋＝480＋48＋9.35＝537.35

＝＋＋＝0＋240＋19.31＝9.31

＝1047.62

＝1591.7A

2.1.4.2、按照以上的计算方法，计算得厂区各车间的计算负荷如表2.1所示。

2.2无功功率补偿计算

2.2.1变压器低压侧的视在计算负荷

由计算负荷表（2.1）可知：

＝6638；＝80.81；＝9277.06；＝14095.44 A

2.2.2低压侧功率因数

＝0.72

2.2.3无功补偿容量

为使高压侧的功率因数0.90，则低压侧补偿后的功率因数应高于0.90，取： 。要使低压侧的功率因数由0.72提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：

=6638×0.6352＝4216.25

取: =480×9个＝4320，则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：

＝2160.81

6980.84

计算电流为： 10606.6 A

2.2.4变压器的功率损耗

有功损耗： 104.71

无功损耗： 418.85

2.2.5变电所高压侧的计算负荷

6638＋104.71＝6742.71

2160.81＋418.85＝2579.66

7219.33

416.82 A

补偿后的功率因数为： 0.93>0.9，满足要求。

2.2.6年耗电量的估算

年有功电能消耗量及年无功电能耗电量可由下式计算得到：

年有功电能消耗量：

                      （2.12）

年无功电能耗电量：

                      （2.13）

结合本厂的情况，年负荷利用小时数为4800h，取年平均有功负荷系数，年平均无功负荷系数。由此可得本厂：

年有功耗电量： 

年无功耗电量： 

2.3变电所位置和形式选择

由于本厂有二级重要负荷，考虑到对供电可靠性的要求，采用两路进线，一路经10kV公共市电架空进线（中间有电缆接入变电所），另一路引自邻厂高压联络线。

变电所的形式由用电负荷的状况和周围环境情况确定，根据《变电所位置和形式的选择规定》及GB50053－1994的规定，结合本厂的实际情况，这里变电所采用单独设立方式，其设立位置参见《厂区供电线缆规划图》，内部布置形式参见《变电所平面布置图》。

2.4变电所主变压器台数和容量

1、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，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。

2、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：

                   （2.14）

(2)任一台变压器单独运行时，应满足：，即满足全部一、二级负荷需求。

代入公式（2.14）可得： =（0.6~0.7）×7219.33=（4331.6~5053.5）。

另外，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5~10年的负荷发展，初步取=5000 。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。型号：SC10-5000/10 ，其主要技术指标如表2.2所示：

表2.2  SC10-5000/10的主要技术指标

1、方案一

高、低压侧均采用单母线分段。优点：用断路器把母线分段后，对重要用户可以从不同母线段引出两个回路，用两个电路供电；当一段母线故障时，分段断路器自动切除故障母线保证正常段母线不间断供电和不致使重要用户停电 。缺点：当一段母线或母线隔离开关检修时该母线各出线须停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时需向两个方向均衡扩建。

2、方案二

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。

3、方案三

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一。

根据所选的接线方式，画出主接线图，参见《变电所高压电气主接线图》。

2.6短路电流的计算

本厂的供电系统简图如图2.1所示。采用两路电源供线，一路为距本厂6km的馈电变电站经LGJ-185（额定载流515A>416.82 A）架空线（系统按∞电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻厂高压联络线。下面计算本厂变电所高压10kV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量，如图2.1所示短路点。

图2.1 供电系统短路点 

2.6.1、确定基准值

根据公式（2.15）、（2.16）、（2.17）

                       （2.15）

                         （2.16）

                           （2.17）

可得：

；

2.6.2、计算电抗标么值

计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：（忽略架空线至变电所的电缆电抗）

（1）电力系统的电抗标么值：

                   (2.18)

（2）架空线路的电抗标么值：查手册得，因此：

           (2.19)

（3）电力变压器的电抗标么值：由所选的变压器的技术参数得，因此：

                (2.20)

可绘得短路等效电路图如图2.2所示。

图2.2

2.6.3、计算k-1点的短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量

（1）总电抗标么值：

（2）三相短路电流周期分量有效值：

（3）其他三相短路电流：

（4）三相短路容量：

2.6.4 计算k-2点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量

（1）总电抗标么值：

（2）三相短路电流周期分量有效值：

（3）其他三相短路电流：

（4）三相短路容量： 

2.7  变电所一次设备的选择与校验

2.7.1变电所高压一次设备的选择

根据机械厂所在地区的外界环境，高压侧采用天津城电器有限公司生产的JYN2-10（Z）型户内移开式交流金属封闭开关设备。此高压开关柜的型号：JYN2-10/4ZTTA（说明：4：一次方案号；Z：真空断路器；T：弹簧操动；TA ：干热带）。其内部高压一次设备根据本厂需求选取，具体设备见《变电所高压电气主接线图》。初选设备：

高压断路器： ZN24-10/1250/20     高压熔断器：RN2-10/0.5 -50 

电流互感器：LZZQB6-10-0.5-200/5  电压互感器：JDZJ-10     接地开关：JN-3-10/25

母线型号：TMY-3（504）；TMY-3（8010）+1（606）

绝缘子型号：ZA-10Y抗弯强度： 3.75kN（户内支柱绝缘子）

从高压配电柜引出的10kV三芯电缆采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，型号：YJV-350，无钢铠护套，缆芯最高工作温度。

2.7.2变电所高压一次设备的校验

根据《高压一次设备的选择校验项目和条件》，在据电压、电流、断流能力选择设备的基础上，对所选的高压侧设备进行必需的动稳定校验和热稳定度校验。

2.7.2.1设备的动稳定校验

（1）高压电器动稳定度校验

校验条件： 

由以上短路电流计算得=； =。并查找所选设备的数据资料比较得：

高压断路器ZN24-10/1250/20 　=50kA ，满足条件；

电流互感器LZZQB6-10-0.5-200/5 　=79kA，满足条件；

JN-3-10/25接地开关　　=63 kA ，满足条件。

（2）绝缘子动稳定度校验

校验条件：  母线采用平放在绝缘子上的方式，则：（其中=200mm； =900mm），所以： = 满足要求。　  

（3）母线的动稳定校验

校验条件：    TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。10kV母线的短路电流=； = 三相短路时所受的最大电动力：         =

母线的弯曲力矩：   

母线的截面系数： 

母线在三相短路时的计算应力：  

可得， =140MPa=，满足动稳定性要求。

2.7.2.2高压设备的热稳定性校验

（1）高压电器热稳定性校验

校验条件：  查阅产品资料：

高压断路器： =31.5kA,t=4s；

电流互感器： =44.5kA ,t=1s；

接地开关： =25kA,t=4s。取， =，将数据代入上式，经计算以上电器均满足热稳定性要求。

（2）高压母线热稳定性校验

校验条件： A=查产品资料，得铜母线的C=171，取。

母线的截面：

A=504=200

允许的最小截面：

从而，，该母线满足热稳定性要求 。      

（3）高压电缆的热稳定性校验

校验条件： 

A=

允许的最小截面：

所选电缆YJV-350的截面 A=50从而，，该电缆满足热稳定性要求 。  

2.7.3变电所低压一次设备的选择

低压侧采用的也是天津长城电器有限公司生产的GGD2型低压开关柜，所选择的主要低压一次设备参见附图四《变电所低压电气主接线图》。部分初选设备：

低压断路器：NA1 型智能万能断路器、TMS30型塑壳无飞弧智能断路器     

低压熔断器：NT系列

电压互感器：JDZ1系列

电流互感器：LMZJ1 、LMZ1 系列   

母线型号： TMY-3（8010）+1（606）

绝缘子型号：ZA-6Y抗弯强度： 3.75kN（户内支柱绝缘子）

另外，无功补偿柜选用2个GCJ1-01型柜子，采用自动补偿，满足补偿要求。

2.7.4变电所低压一次设备的校验

由于根据《低压一次设备的选择校验项目和条件》进行的低压一次侧设备选择，不需再对熔断器、刀开关、断路器进行校验。关于低压电流互感器、电压互感器、电容器及母线、电缆、绝缘子等校验项目与高压侧相应电器相同，这里仅列出低压母线的校验：380kV侧母线上母线动稳定性校验：校验条件：

  TMY母线材料的最大允许应力=140MPa。

380kV母线的短路电流、，三相短路时所受的最大电动力为：

母线的弯曲力矩：

  母线的截面系数：

母线在三相短路时的计算应力：

 可得， =140MPa=，满足动稳定性要求。

380V侧母线热稳定性校验：校验条件：

A=

查产品资料，得铜母线的C=171，取。

母线的截面：      A=8010=800

允许的最小截面：，从而，满足热稳定性要求 。  

2.8变电所高、低压线路设计

为了保证供电的安全、可靠、优质、经济，选择导线和电缆时应满足下列条件：发热条件；电压损耗条件；经济电流密度；机械强度。

根据设计经验：一般10KV及以下的高压线路和低压动力线路，通常先按发热条件选择导线和电缆截面，再校验其电压损耗和机械强度。对于低压照明线路，因对电压水平要求较高，通常先按允许电压损耗进行选择，再校验其发热条件和机械强度。

2.8.1高压线路导线的选择

架空进线后接了一段交联聚乙烯绝缘电力电缆YJV 8.7/10kV-3300做引入线（直埋），高压主接线如附图三所示。

高压侧计算电流，所选电缆的允许载流量，满足发热条件。

2.8.2低压线路导线的选择

由于没有设单独的车间变电所，进入各个车间的导线接线采用TN-C-S系统；从变电所到各个车间及宿舍区用埋地电缆供电，电缆采用VV22型铜芯交联聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆，根据不同的车间负荷采用不同的截面。其中导线和电缆的截面选择满足条件：

1）相线截面的选择以满足发热条件即，；

2）中性线（N线）截面选择，这里采用的为一般三相四线，满足；

3）保护线（PE线）的截面选择

（1）时，；

（2）时， 

（3）时， 

4）保护中性线（PEN）的选择，取（N线）与（PE）的最大截面。

结合计算负荷，可得到由变电所到各个车间的低压电缆的型号为见表2.3： 

2.9变电所二次回路设计及继电保护的整定

2.9.1二次回路方案选择

2.9.1.1二次回路电源选择

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。

2.9.1.2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。

2.9.1.3电测量仪表与绝缘监视装置

这里根据GBJ63-1990的规范要求选用合适的电测量仪表并配用相应绝缘监视装置。

（1）10kV电源进线上：电能计量柜装设有功电能表和无功电能表；为了解负荷电流，装设电流表一只。

（2）变电所每段母线上：装设电压表测量电压并装设绝缘检测装置。

（3）电力变压器高压侧：装设电流表和有功电能表各一只。

（4）380V的电源进线和变压器低压侧：各装一只电流表。

（5）低压动力线路：装设电流表一只。

2.9.1.4电测量仪表与绝缘监视装置

在二次回路中安装自动重合闸装置（ARD）（机械一次重合式）、备用电源自动投入装置（APD）。

2.9.2继电保护的整定

    继电保护要求具有选择性，速动性，可靠性及灵敏性。由于本厂的高压线路不很长，容量不很大，因此继电保护装置比较简单。对线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护；对线路的单相接地保护采用绝缘监视装置，装设在变电所高压母线上，动作于信号。

继电保护装置的接线方式采用两相两继电器式接线；继电保护装置的操作方式采用交流操作电源供电中的“去分流跳闸”操作方式（接线简单，灵敏可靠）；带时限过电流保护采用反时限过电流保护装置。型号都采用GL-25/10 。其优点是：继电器数量大为减少，而且可同时实现电流速断保护，可采用交流操作，运行简单经济，投资大大降低。

此次设计对变压器装设过电流保护、速断保护装置；在低压侧采用相关断路器实现三段保护。

2.9.2.1变压器低压侧继电保护

变电所内装有两台10/0.4－5000的变压器。低压母线侧三相短路电流为，低压侧继电保护用电流互感器的变比为600/5A，继电器采用GL-25/10型，接成两相两继电器方式。下面整定该继电器的动作电流，动作时限和速断电流倍数。

a)过电流保护动作电流的整定：  

， 

   （2.21）

故其动作电流：

        （2.22）

动作电流整定为15A。

b)过电流保护动作时限的整定

由于此变电所为终端变电所，因此其过电流保护的10倍动作电流的动作时限整定为。

c)电流速断保护速断电流倍数整定

取，，故其速断电流为：

，因此速断电流倍数整定为：。

2.9.2.2  10KV侧继电保护

在此选用GL-25/10型继电器。由以上条件得计算数据：变压器一次侧过电流保护的10倍动作时限整定为0.5s；过电流保护采用两相两继电器式接线；高压侧线路首端的三相短路电流为2.614kA；变比为200/5A保护用电流互感器动作电流为9A。下面对高压母线处的过电流保护装置进行整定。（高压母线处继电保护用电流互感器变比为200/5A）

（1）整定的动作电流：

取， ，，故， 根据GL-25/10型继电器的规格，动作电流整定为7A 。

（2）整定的动作时限：

母线三相短路电流反映到中的电流： 

对的动作电流的倍数，即：，由《反时限过电流保护的动作时限的整定曲线》确定的实际动作时间： =0.6s。的实际动作时间：，母线三相短路电流反映到中的电流：，对的动作电流的倍数，即：，所以，由10倍动作电流的动作时限曲线查得的动作时限：。

（3）0.38KV侧低压断路器保护

 (a)瞬时过流脱扣器动作电流整定：满足，：对万能断路器取1.35；对塑壳断路器取2～2.5。

(b)短延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：满足: 取1.2。

另外还应满足前后保护装置的选择性要求，前一级保护动作时间比后一级至少长一个时间级差0.2s(0.4s,0.6s)。

(c)长延时过流脱扣器动作电流和动作时间整定：满足：  取1.1。

(d)过流脱扣器与被保护线路配合要求：满足：  ：绝缘导线和电缆允许短时过负荷倍数(对瞬时和短延时过流脱扣器，一般取4.5；对长延时过流脱扣器，取1.1～1.2)。

(e)热脱扣器动作电流整定：满足：  取1.1，一般应通过实际运行进行检验。

可根据以上整定要求，参考相关产品资料对低压侧的NA1和TMS30系列低压断路器进行整定，在此不详述。

2.10防雷和接地装置的确定

2.10.1防雷装置确定

雷电引起的大气过电压会对电器设备和变电所的建筑物产生严重

的危害，因此，在变电所必须采取有效的防雷措施，以保证电器设备的安全。下面分情况对防雷装置进行选择。

2.10.2直击雷的防治

根据变电所雷击目的物的分类，在变电所的中的建筑物应装设直击雷保护装置。在进线段的1km长度内进行直击雷保护。防直击雷的常用设备为避雷针。所选用的避雷器：接闪器采用直径的圆钢；引下线采用直径的圆钢；接地体采用三根2.5m长的的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。

2.10.3雷电侵入波保护

由于雷电侵入波比较常见，且危害性较强，对其保护非常重要。对变电所来说，雷电侵入波保护利用阀式避雷器以及与阀式避雷器相配合的进线保护段；为了其内部的变压器和电器设备得以保护，在配电装置内安放阀式避雷器。

2.10.4接地装置确定

接地装置为接地线和接地体的组合，结合本厂实际条件选择接地装置：交流电器设备可采用自然接地体，如建筑物的钢筋和金属管道。

本厂的大接地体采用扁钢，经校验，截面选择为，厚度为。

铜接地线截面选择：低压电器设备地面上的外露部分截面选择为（绝缘铜线）；电缆的接地芯截面选择为。

所用的接地电阻选择：查表得接地电阻应满足R5，Re120V/IE，根据经验公式：其中：为同一电压的具有电联系的架空线线路总长度；为同一电压的具有电联系的电缆线路总长度，则 =4.67，所以变电所的接地电阻应选为5。

总 结

通过本次设计，所学理论知识很好的运用到了实际的工程当中，在具体的设计过程中，真正做到了学以致用，并使自己的实际工程能力得到了很大的提高，主要体现在以下几个方面。

1、知识系统化能力得到提高

设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。

2、计算和微机应用能力得到提高

通过本次锻炼，使自己计算准确度有了进步；绘图方面，熟练了对AUTOCAD、天正电气、WORD等软件的掌握。

3、自学能力提高

此次设计过程中遇到了很多的困难，为了解决问题，激发了对获取知识的寻求，自学能力得到提高。

致 谢

本课程设计是在老师的精心指导和严格要求下完成的。从在做设计以来，我不仅在专业上有了很大的进步，而且恩师的严谨治学态度、务实工作作风、高度的责任心，也使我受益非浅。在此，我要向申红军老师表示深深的敬意和衷心的感谢!

此外，我在学习期间，还得到许多老师、同学、朋友的帮助，在此表示衷心的感谢!

通过此次论文是我对自己的专业有了进一步的认识，也使自己的专业知识得到了一定的提高。

最后衷心的祝愿老师们工作顺利，身体健康！！

参考文献

1.《工厂供电》 2005年7月第4版　 机械工业出版社　 刘介才 编

2.《中小型变电所实用设计手册》 2000年5月第1版  中国水利水电出版社  雷振山 编

3.《实用供配电技术手册》 2002年1月第一版  中国水利水电出版社  刘介才 编

4.《常用供配电设备选型手册 》1998年2月第一版煤炭工业出版社 王子午 徐泽植 编

5.《10kV及以下供配电设计与安装图集》中册 2002年1月第一版  煤炭工业出版社  陈昌 编

6.《工厂常用电气设备手册下册补充本（一），（二）》 2003年二月第一版 中国电力出版社 

7.《建筑工程常用材料设备产品大全》 1992年10月第一版 中国建筑工业出版社 

8.《工业与民用配电设计手册第二版》 1994年12月第一版 中国电力出版社 

9.《现代建筑电气设计实用指南》 2000年1月第一版 中国水利水电出版社

10.《建筑电气设计与施工》 2000年9月第一版 中国建筑工业出版社

附录一：《变电所平面布置图》

附录二：《厂区供电线路规划图》

附录三：《变电所高压配电主接线图》下载本文