观海国际小区箱式变电站设计

'######大学毕业设计（论文）0前言观海国际，地处辽宁省兴城市东部，占地面积约428亩，总建筑面积约70万平方米，容积率2.05，是一个集居住、消费、休闲、文化、娱乐为一体的大型复合态生活之城，以70万平米的建筑体量成就“无量海景臻品社区”的价值序列。观海国际力邀国际知名的规划设计公司——澳大利亚汤臣邓肯环境和建筑设计事务所担当设计。整个社区融多层、高层（6F、15F、16F、18F、20F、23F、24F、26F）、产权式公寓和商业等多种建筑形态为一体。现代简约的建筑风格，精致人性的细节设计，起伏变化的建筑组曲，勾勒完美华丽的城市天际线，矗立城市风尚新地标。开发周期：项目共分四期开发，项目一期为多层住宅和部分高层住宅，共有14栋多层住宅和2栋15F高层住宅，项目大约在今年的10月份进行正式销售。整个项目将于2011年全部竣工，历时4年。地理位置：观海国际紧临的兴海北路、龙兴路，是沟通市内与市外的重要交通干道，也是带动人流、物流的重要交通枢纽。项目东临渤海，107公里蔚蓝风光尽收眼底，兑现靠近海、享受海的生活梦想。北侧靠近兴城市首山自然公园，四季分享天然氧吧鲜氧放松。温泉资源：观海国际充分利用温泉资源优势，依托高新管道技术的支持，将城市地下温泉资源引入社区内部，真正做到温泉入户。建筑与景观：观海国际楼体设计呈现简约、大气、时尚、现代的建筑风格，虚实交幻，简单沉稳的外立面颜色，线条硬朗的立面转折，突出了明亮别致的生活质感，多层建筑的设计中又融入北方传统的斜式屋顶，增强了现代建筑气息与传统文化内涵相呼应的契合力。观海国际绿化率高达50%，并利用一条人工水系贯穿整个社区，做到远可观海、近可戏水的理想境界，同时项目整体景观设计借鉴了兴城滨海旅游城市的特点，以一条集山、水、人文文化于一体的综合性景观中心轴，配合建筑组团的合理分布，共同串起了整个社区，达到举目观景，低头赏园，异步景异的景观效果。配套设施：观海国际以配套完备的复合态生活之城、高品质生活城市综合体为己任，其配套设施齐全完备，3200平米的超大会所、幼儿园、停车场、商业街等配套，不仅强化了社区自身功能，同时，匹配业主尊贵优雅的身份。项目周边有辽宁工程技术学院大学、沈阳师范学院、吉林工业大学等知名学府，项目对面便是兴城市重点高中，兴城第一中学。另外，兴城市第三中学也有将迁至项目附近，文化氛围浓厚。55 ######大学毕业设计（论文）商业规划：观海国际的综合商业街位于社区西侧，紧靠龙兴路，5万平米的商业面积，集购物、餐饮、住宿、休闲、娱乐为一体的“一站式”消费场所。打造的是全功能、全龄化、全方位、新时尚的商业中心。它具有时尚的、年轻的、有情调的、有品位的风格特色。观海国际的商业街分为3层，其空间组合自由灵活，规划设计综合考量其空间的合理性与功能的周到性，使整个商业空间内连续展示亲切、周到、轻松、愉快的商业主题，让消费者的游览、逛街、购物、休闲等在这里真正变成一种前所未有的享受体验。时至今日，观海国际小区的一期工程即将完成，将陆续有居民入住，为了完善本小区的电力系统，保证居民的日常用电，我将对该小区的箱式变电站进行设计。1绪论1.1供配电技术的发展55 ######大学毕业设计（论文）随着市场经济的发展，国家在城乡电网建设和改造中，要求高压直接进入负荷中心，形成高压受电—变压器降压—低压配电的供电格局，所以供配电要向节地、节电、紧凑型、小型化、无人值守的方向发展，箱式变电站(简称箱变)正是具有这些特点的最佳产品，因而在城乡电网中得到广泛应用。其次随着社会发展和城市化进程的加快，负荷密度越来越高，城市用地越来越紧张，城市配电网逐步由架空向电缆过渡，架杆方式安装的配电变压器越来越不适应人们的要求。因此，预装式变电站成为主要的配电设备之一。再次人们对供电质量尤其是供电的可靠性要求越来越高，而采用高压环网或双电源供电、低压网自动投切等先进技术的预装式变电站成为首选的配电设备。与此同时，由于信息化、网络化和智能化住宅小区发展，因此不仅要求箱变安全可靠，同时要求具有“四遥”(遥测、遥讯、遥调、遥控)的智能化功能。这种智能箱式变电站(简称智能箱变)环网供电时，在特定自主软件配合下，能完成故障区段自动定位、故障切除、负荷转带、网络重构等功能，从而保证在一分钟左右恢复送电。1.2箱式变电站的类型、结构与技术特点1.2.1箱式变电站的类型箱式变电站有美式箱式变电站和欧式箱式变电站。美式预装式变电站在我国叫做“预装式变电站”或“美式箱变”，一区别欧式预装式变电站。它将变压器器身、高压负荷开关、熔断器及高低连线置于一个共同的封闭油箱内，构成一体式布置。用变压器油作为带电部分相间及对地的绝缘介质。同时，安装有齐全的运行检视仪器仪表，如压力计，压力释放阀，油位计，油温表等。欧式预装式变电站以前在我国习惯称为“组合式变电站”，它是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置布置在三个不同的隔室内，通过电缆或母线来实现电气连接。1.2.2箱式变电站的结构美式预装式变电站的结构型式大致有三种：1）变压器和负荷开关、熔断器共用一个油箱；2）变压器和负荷开关、熔断器分别装在上下两个不同的油箱内；3）变压器和负荷开关、熔断器分别装在左右两个不同的油箱内。其中1）型为美式箱变的原结构，它的特点是结构紧缩、简洁、体积小、重量轻。2）型和3）型为55 ######大学毕业设计（论文）1）的变形。这种变型的理论根据是：开关操作和熔断器的动作造成的游离碳会影响整个箱变的寿命。由于采用普通油和难燃油作为绝燃介质，使之既可用于户外，又可用于户内，适用于住宅小区、共矿企业及各种公共场所，如机场、车站、码头、港口、高速公路、地铁等。欧式预装式变电站的总体结构包括三个主要部分：高压开关柜、变压器及低压配套装置，其总体结构主要有两种形式：一种为组合式；另一种为一体式。组合式布置是高压开关设备、变压器和低压配电装置三部分个为一室，即由高压室、变压器室和低压室三个隔室组成，可按“目字型”或“品字型”布置，如图1-1所示。“目字型”布置与“品字型”布置相比，“目字型”接线较为方便，故大多采用“目字型”布置。但“品字型”布置结构较为紧凑，特别是当变压器室排布多台变压器时，“品字型”布置较为有利。TMHVTMHVTMLVLVHVLVHVTMHVLVHVTMZLLVTMLVLV(a)目字型布置(b)品字型布置图1-1欧式预装式变电站的整体布置形式Fig.1-1continentalprefabricatedsubstationoveralllayoutoftheformHV—高压室；LV—低压室；TM—变压器室；ZL—操作走廊HV-hyperbaricchamber;LV-low-pressurechamber;TM-transformerroom;ZL-corridoroperation;1.2.3箱式变电站的技术特点箱式变电站的高压室一般是由高压负荷开关、高压熔断器和避雷器等组成的，可以进行停送电操作并且有过负荷和短路保护。低压室由低压空气开关、电流互感器、电流表、电压表等组成的。变压器一般采用S9或干式的等。箱式变中的电器设备元件，均选用定型产品，元器件的技术性能均满足相应的标准要求。为了可靠实现五防要求，各电器元件之间采用了机械联锁，各电器元件都安装在有足够强度和刚度的结构上，以便于导线的连接。操作采用电动方式，不需另配电源，由TV55 ######大学毕业设计（论文）引出即可。另外箱式变还都具有电能检测、显示、计量的功能，并能实现相应的保护功能，还设有专用的接地导件，并有明显的接地标志。此外为适应户外工作环境，箱式变电站的壳顶一般都采用隔层结构，内装有隔热材料，箱体底部和各室之间都有冷却进出风口，采用自然风冷和自动控制的强迫风冷等多种形式，以保证电气设备的正常散热，具有防雨、防尘、防止小动物进入等措施。目前，国内生产的箱式变的电压等级：高压侧为3～35kV、低压侧为0.4～10kV。变压器的容量：当额定电压比为35/10、6、0.4kV时可从几百kVA～上万kVA、当额定电压比为10、6/0.4kV时可从几十kVA～几千kVA。箱式变电站有如下特点：1）技术先进安全可靠箱体部分采用目前国内领先技术及工艺，外壳一般采用镀铝锌钢板，框架采用标准集装箱材料及制作工艺，有良好的防腐性能，保证20年不锈蚀，内封板采用铝合金扣板，夹层采用防火保温材料，箱体内安装空调及除湿装置，设备运行不受自然气候环境及外界污染影响，可保证在－40℃～＋40℃的恶劣环境下正常运行。箱体内一次设备采用单元真空开关柜、干式变压器、干式互感器、真空断路器(弹簧操作机构)等国内技术领先设备，产品无裸露带电部分，为全绝缘结构，完全能达到零触电事故，全站可实现无油化运行，安全性高，二次采用微机综合自动化系统，可实现无人值守。2）自动化程度高全站智能化设计，保护系统采用变电所微机综合自动化装置，分散安装，可实现"四遥"，即遥测、遥信、遥控、遥调，每个单元均具有独立运行功能，继电保护功能齐全，可对运行参数进行远方设置，对箱体内湿度、温度进行控制，满足无人值班的要求。3）工厂预制化设计时，只要设计人员根据变电站的实际要求，作出一次主接线图和箱外设备的设计，就可以选择由厂家提供的箱变规格和型号，所有设备在工厂一次安装、调试合格，真正实现变电所建设工厂化，缩短了设计制造周期；现场安装仅需箱体定位、箱体间电缆联络、出线电缆连接、保护定值校验、传动试验及其它需调试的工作，整个变电站从安装到投运大约只需5～8天的时间，大大缩短了建设工期。4）组合方式灵活箱式变电站由于结构比较紧凑，每个箱体55 ######大学毕业设计（论文）均构成一个独立系统，这就使得组合方式灵活多变，我们可以全部采用箱式，即35kV及10kV设备全部箱内安装，组成全箱式变电所；也可以采用35kV设备室外安装，10kV设备及控保系统箱内安装，这种组合方式，特别适用于农网改造中的旧所改造，即原有35kV设备不动，仅安装一个10kV开关箱即可达到无人值守的要求。5）投资省、见效快箱式变电站(35kV设备户外布置，10kV设备箱内安装)较同规模综自变电站(35kV设备户外布置，10kV设备布置于户内高压开关室及中控室)减少投资40％～50％。6）占地面积小。1.2.4箱式变电站与常规变电站的对比分析箱式变电站（在IEC及欧洲称为高压/低压预装式变电站）是一种集成化程度高，工厂预安装、节能、节地的发展中设备与常规变电站相比，占地为1/20，工期为1/7，投资为1/2。在国外应用极度为广泛，在西欧占变电站总数的70%以上，美国为90%。在我国应用为10%，是一种方兴未艾的装备。三种类型的箱式变电站的特点如下:1）欧洲式：特点是防护性好，多了一个外壳，变压器散热不易，要降低容量运行；2）美国式：特点是变压器保持户外设备本质，散热好，结构紧凑，但是在我国10kV电网系中性不接地系统，因此一相熔丝熔断时不能跳开三相负荷开关，造成非全相运行，危及变压器及用电设备，并且不易实现配电自动化；3）中国式：从欧洲式派生而来，结合中国用户需要改进而成，但是符合中国电力部门各种法规标准要求，可铅封电能计量箱，无功补偿，一应俱全。箱式变电站与常规变电站性能比较见表1-1。预装式变电站是输变电设备发展方向，由前所述，我国应用仅10%左右，而国外已达到的70-90%，所以预装式变电站其社会效益显著，市场前景广阔。表1-1箱式变电站与常规变电站性能对比表Tab.1-1box-typesubstationsubstationperformancecomparedwiththeconventionalform序号对比项目常规变电站箱式变电站1设计工作需要土建、电气二方面设计，工作量较大55 ######大学毕业设计（论文）土建工作仅一个安装基础，箱变本身有典型设计，只须根据用户要求，作一些调整，设计工作也大为减少。2基建时间6个月以上预先基础做好以后，只需4-6小时就可以安装完毕送电。3占地面积（10kv800k为例）大于一般箱变4安装地点和负荷中心距离不能十分接近负荷中心，供电线路较长，电压降落几点能损失较高能贴近负荷中心，甚至直接置于建筑物处，供电线路半径可以很短电压降落及电能损失较少，提高了供电质量。5生产方式土建爱你施工后，现场装配大规模、工作化生产，质量容量得到保证。6生产周期比7：17投资费用比6：18和环境协调性不协调和环境协调一致/ZBW17高度1.6米,不挡视线,美化环境。2电气主接线的确定2.1主接线的基本形式主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，概括为有母线的接线形式和无母线的接线形式两大类。概况地说，对主接线的基本要求包括安全、可靠、灵活、经济四个方面。55 ######大学毕业设计（论文）安全包括设备安全及人身安全。要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。可靠就是主接线应满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常运行时不误动、发生事故时不拒动，能尽可能的缩小停电范围。为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。灵活是用最少的切换，能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电时间最短，影响范围最小。经济是指在满足了以上要求的条件下，保证需要的设计投资最少。因此，主接线的设计应满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理。主要应从投资声、占地面积少、电能损耗小等几个方面综合考虑。2.2箱式变电站对主接线的基本要求概况地说，对主接线的基本要求包括安全、可靠、灵活、经济四个方面安全包括设备安全及人身安全。要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况下的监视系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。可靠就是主接线应满足对不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常运行时不误动、发生事故时不拒动，能尽可能的缩下停电范围。为了满足可靠性要求，主接线应力求简单清晰。电器是电力系统中最薄弱的元件，所以不应当不适当地增加电器的数目，以免发生事故。灵活是用最少的切换，能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电时间最短，影响范围最小。因此，电气主接线必须满足调度灵活、操作方便的基本要求。经济是指在满足了以上要求的条件下，保证需要的设计投资最少。在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线灵活、可靠，必须要选用高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主接线的设计应满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理。主要应从投资声、占地面积少、电能损耗小等几个方面综合考虑。2.3主接线的比较与选择55 ######大学毕业设计（论文）单母线接线是一种原始、最简单的接线，所有电源及出线均接在同一母线上，其优点是简单明显，采用设备少，操作简便，便于扩建，造价低。缺点是供电可靠性低。母线及母线隔离开关等任一元件发生故障或检修时，均需使整个配电装置停电。因此，单母线接线方式一般只在发电厂或变电所建设初期无重要用户或出线回路数不多的单电源小容量的厂中采用。接线方式如图2-1所示。图2-1单母线接线Fig.2-1single-busconnectiona）一路电源进线b）两路电源接线a)allthewayintothepowerlineb)two-waypowercable在主接线中，断路器是电力系统的主开关；隔离开关的功能主要是隔离高压电源以保证其他设备和线路的安全检修。例如，固定式开关柜中的断路器工作一段时间需要检修时，在断路器断开电路的情况下，拉开隔离开关；恢复供电时，应先合隔离开关，然后和断路器。这就是隔离开关与断路器配合操作的原则。由于隔离开关无灭弧装置，断流能力差，所以不能带负荷操作。单母线分段接线是采用断路器（或隔离开关）将母线分段，通常是分成两段。母线分段后可进行分段检修，对于重要用户，可以从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障时，由于分段断路器在继电保护作用下自动将故障段迅速切除，从而保证了正常母线不间断供电和不致使重要用户停电。两段母线自动同时故障的机遇很小，可以不予考虑。在供电可靠性要求不高时，亦可用隔离开关分段，任一段母线发生故障时，将造成两断母线同时停电，在判断故障后，拉开分段隔离开关，完好段即可恢复供电。55 ######大学毕业设计（论文）单母线分段接线既具有单母线接线简单明显、方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。但它的缺点是当一段母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上的所有回路到要长时间停电。单母线分段接线连接的回路数一般可比单母线增加一倍。接线方式如图2-2。图2-2单母线分段接线Fig.2-2asinglesub-busconnection双母线分段接线有如下优点：可轮换检修母线或母线隔离开关而不致供电中断；检修任一回路的母线隔离开关时，只停该回路；母线发生故障后，能迅速恢复供电；各电源和回路的负荷可任意分配到某一组母线上，可灵活调度以适应系统各种运行方式和潮流变化；便于向母线左右任意一个方向顺延扩建。但双母线也有如下的缺点：造价高、当母线发生故障或检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易误动作。但可加装断路器的连锁装置或防误操作装置加以克服。接线方式如图2-3所示。当进线回路数或母线上电源较多时，输送和穿越功率较大，母线发生事故后要求尽快恢复供电，母线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用双母线接线。55 ######大学毕业设计（论文）图2-3双母线接线Fig.2-3dual-busconnection当进线回路数或母线上电源较多时，输送和穿越功率较大，母线发生事故后要求尽快恢复供电，母线和母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用双母线接线。综上可知，单母线接线造价低而供电稳定性低，双母线供电稳定性高但其造价高且接线线路复杂，而单母线分段接线一方面线路简单，造价低，另一方面其供电稳定性也能在一定程度上能够得以保证，而且住宅小区属于三级负荷，并不需要太高的稳定性。所以观海国际小区箱式变电站的10kV母线我决定选用单母线接线方式，0.4kV采用单母线分段接线。55 ######大学毕业设计（论文）3箱式变电站箱体的确定3.1箱体结构的确定箱式变电站按结构主要有美式箱变和欧式箱变。欧式箱变造价低而美式箱变体积小，约为同容量欧式箱变的1/3~1/5。常规土建变电站占地面积最大，欧式箱变次之，美式箱变常规土建变电站建造周期最长，欧式箱变次之。综合考虑一般35kV箱式变电站的箱体选择欧式箱变。3.2合理配置根据实际情况可以采用不同的箱变配置方案，一般将主变压器和电容器等充油设备，放置在箱体外，设置两个箱体，一个35kV箱体，一个10kV箱体，其中一个箱体预留保护装置的位置。考虑节省资金，也可以将35kV断路器等设备放于户外，只设置10kV箱体。箱体的底座和骨架一般采用槽钢和角钢焊接而成，顶盖和四壁采用金属板内衬阻燃材料压制而成，能起到隔热的作用。根据当地实际情况，可在订货时对主体结构提出相应的要求。我县地处盐碱地带，对设备的抗腐蚀性能要求较高，因此除主体框架采取了防腐工艺加工外，箱体的整体外层衬板采用了0.5mm厚的不锈钢板。维护走廊是箱变正常运行和检修中的重要环节，箱变的一个缺陷就是空间狭小，厂家从成本和设备紧凑性考虑，维护走廊一般都尽量压缩。在选型时应该将维护走廊作为一项指标来考虑，不然会给将来的运行和维护，造成很大麻烦。箱体的密封和防尘是一个重要方面，特别是保护装置对防尘等指标要求较高，应引起重视。箱体的底板下面，一般作为电缆室，在考虑箱体基础的设计时，应顾及到电缆的安装和维护方便，应考虑人员出入、通风以及照明等方面的要求。55 ######大学毕业设计（论文）4负荷统计与计算4.1基本概念负荷指的是导线、电缆和电气设备(变压器，断路器等)中通过的功率和电流。该负荷不是恒定值，是随时间而变化的变动值。因为用电设备并不同时运行，即使同时运行，也并不是都能同时达到额定容量。另外，各用电设备的工作制也各有不同，有长期、短时、重复短时之分。在设计时，如果简单地把各用电设备的容量加起来作为选择导线、电缆截面和电气设备容量的依据，结果并不科学。要么过大，使设备欠载，不经济；要么过小，出现过载运行，导致过热绝缘损坏、线损增加，影响导线、电缆或电气设备的安全运行，严重时，会造成火灾事故。为避免这种情况的发生，设计时采用一个假定负荷即计算负荷来表征系统的总负荷应。用计算负荷来选择导线、电缆截面和电气设备比较接近实际，因为计算负荷的热效应与变动负荷的热效应是相等的。计算负荷也称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续负荷，其热效应与某一段时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均作为按民热条件选择电器工导体的依据。求得计算负荷的手段称为负荷计算。我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法的优点是简便，适用于全厂和车间变电所负荷的计算，二项式法适用于机加工车间，有较大容量设备影响的干线和分支干线的负荷计算。但在确定设备台数较少而设备容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，采用二项式法较之采用需要系数法合理，且计算也较简便。在施工图设计时需要进行较详细的负荷计算，主要包括设备容量(安装容量)的计算(即统计与累加)；计算容量(将设备容量乘需要系数)和计算电流的计算。对于最末一级配电箱，可只标注设备容量，并将其作为计算容量(即需要系数为1)。对于干线和整个工程，除需要标注设备容量外，还要标注计算容量和计算电流，以便根据计算容量选择变压器，根据计算电流选择开关和导线等电气设备。55 ######大学毕业设计（论文）在民用建筑中有大量的单相负荷，三相负荷不平衡的问题比较突出。据调查，在目前运行的工程中，多数工程都比较严重的存在着三相不平衡的问题。有的是设计问题，有的是施工问题，有的是使用的随意性。使用的随意性很难解决。工程设计者的责任是在施工图设计时尽量考虑周全些，尽量做到三相负荷分配平衡。减少运行时的特别严重的不平衡现象。当工程设计过程中，某些末端设备无法使三相分配平衡时，则应在干线或每台变压器低压侧尽量调整到三相平衡。末端配电箱的三相不平衡负荷的计算，建议采用如下方法：A.当最大相与最小相负荷之差小于三相总负荷的10％时，当作三相平衡负荷计算；B．当最大相与最小相负荷之差等于或大于三相总负荷的10％时，取最大一相负荷的三倍作为等效三相负荷计算。求得计算负荷的手段称为负荷计算。我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法的优点是简便，适用于全厂和车间变电所负荷的计算，二项式法适用于机加工车间，有较大容量设备影响的干线和分支干线的负荷计算。但在确定设备台数较少而设备容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，采用二项式法较之采用需要系数法合理，且计算也较简便。表4-1来自建筑电气手册，供参考表4-1建筑用电指标Tab.4-1Indicatorsoftheconstructionofelectricity建筑类别装置指标VA/m2住宅30~40公寓50~70旅馆60~100办公80~120商业一般（60~120）大中型（100~200体育60~100剧场80~120医疗60~100教学大学（40~60）中小学（20~30展览100~120演播600~800W/m2停车库10W/m255 ######大学毕业设计（论文）4.2观海国际小区一期工程总体负荷统计与计算观海国际小区的具体负荷统计参看表4-2:负荷计算：表4-2观海国际小区负荷统计Tab.4-2guanhaiinternationalstatisticalareaload负荷类型负荷/kw所需设备数需要系数功率因数tanA1照明负荷1800.40.800.75A2照明负荷2400.40.850.62A3照明负荷1800.50.850.62A4照明负荷2160.50.800.75A5照明负荷2160.40.850.62A6照明负荷2160.40.800.75A7照明负荷2880.40.850.62A8照明负荷2160.50.800.75A9照明负荷2160.40.850.62A10照明负荷2160.50.800.75A11照明负荷2160.50.850.62A12照明负荷2880.50.800.75A13照明负荷2160.50.850.62A14照明负荷2160.40.850.62A15照明负荷2880.40.800.75A16照明负荷1250.40.800.75动力负荷550.40.750.88A17照明负荷2160.40.850.62A18照明负荷2880.50.850.62A19照明负荷2160.50.800.75A20照明负荷1250.40.850.62动力负荷550.40.750.88A21照明负荷1920.50.800.75动力负荷550.40.750.88A22照明负荷1920.40.850.62动力负荷550.40.750.88A23照明负荷2160.40.800.75动力负荷750.40.750.88A24照明负荷2160.40.850.62动力负荷750.40.750.8855 ######大学毕业设计（论文）供水站动力负荷3306台水泵0.60.850.62温泉水站动力负荷3306台水泵0.60.800.75换热站动力负荷2755台水泵0.80.900.48消防水泵动力负荷3306台水泵10.850.62照明照明负荷55275个0.50.800.75幼儿园照明负荷500.50.800.7555 ######大学毕业设计（论文）55 ######大学毕业设计（论文）5无功功率补偿的计算所谓无功功率通俗地讲就是不消耗电能的用电设备所消耗的功率。比如把一只电容器接入交流电路中，电路就会对电容器进行充放电，这样就引成电流，充电时电容器畜存电能，放电时电容器把电能又还给电源，这样电容器这个用电设备本身并不消耗电能，然而它却有功率（功率等于电压乘以电流强度），这就是无功功率，电容器虽然不消耗电能，但是因为有电流，所以电力线路上会消耗电能（电线都有电阻），对供电的电源变压器来说更是一种负担，因为变压器的容量（它能提供的功率）是有限的，无功功率会占用变压器的容量，使正常供电受到限止。同样，把一只电感器接入交流电路，也会产生无功功率。不过电容器使电流相位超前，而电感器使电流相位滞后，它们的作用正好相反，可以相互抵消。一般的用电设备都是电感性的，如工厂里的电动机，它会产生感性无功功率，不但使电力线白白消耗电能，增加电力线路的负担，更是白白占用电源变压器的容量，是非常有害的。这时在电动机上并联电容器，使感性负载与容性负载的作用相互抵消，这对电力线路和变压器来说就没有无功功率的影响了。无功补偿装置说白了就是配套的电容器（由许多只电容器并联而成），它由自动控制设备自动接入电路，既不会补偿不足，也不会补偿过头。考虑同期系数计算有功功率时取：最大负荷时的同时利用系数则（5-1）计算无功功率时取（5-2）所以总视在功率负荷55 ######大学毕业设计（论文）（5-3）（5-4）所以，需要进行补偿功率因素。取，我根据民用建筑设计手册选择年平均有功负荷系数为0.75。（5-5）取:=322.33，则补偿后变电所高压侧压侧的视在计算负荷为：（5-6）变压器的功率损耗为：（5-7）（5-8）变电所高压侧的计算负荷为：（5-9）（5-10）（5-11）补偿后的功率因数为：满足（大于0.90）的要求。55 ######大学毕业设计（论文）6变压器容量、接线组别的确定6.1变压器的选择箱变用变压器为降压变压器，一般将10KV降至380V/220V变压器容量一般为160～1600KVA，最常用的容量为315～630KVA。其器身为三相三柱或三相五柱结构、Dyn11或Yyn0联结，熔断器连接在“△”外部。三相五柱式Dyn11变压器的优点是带三相不对称负荷能力强，不会因三相负载不对称造成中性点电压偏移，负载电压质量可得到保证，这种变压器具有很好的耐雷特性。对于Dyn11联结变压器来说，其3n次（n为整数）谐波励磁电流在其三角形结构的一次绕组内形成环流，不注入公共的高压电网中去，这较之一次绕组接成星型接线的Yyn0联结变压器更利于抑制高次谐波电流；Dyn11联结变压器的零序阻抗较之Yyn0联结变压器的小得多，从而更有利于低压单相接地短路故障的保护和切除；当接用单相不平负荷时，由于Yyn0联结变压器要求中性线电流不超过二次绕组额定电流的25%，因而严重影响了接用单相负荷的容量，影响设备能力的发挥。因此国家规定在TT和TN系统中，推广Dyn11联结变压器。但是Yyn0联结变压器一次绕组的绝缘要求稍低于Dyn11，从而制造成本稍低于Dyn11联结的变压器。变压器联结方式如图6-1。55 ######大学毕业设计（论文）图6-1变压器的Yyn0联结和Dyn11联结Fig.6-1Yyn0transformerconnectionandlinkDyn11综合考虑我选择4台额定电压为1000kv的10kV箱式变电站变压器，其型号为BS7-1000/10，因为三相五拄Dyn11连接变压器带三相不对称负载能力强，不会因三相负载不对称造成中性点电压偏移，负载电压质量可得到保证；此外，这种变压器还具有很好的耐雷特性。因此变压器的连接组别为三相五柱Dyn11，阻抗电压为=7.0%，采用油浸式变压器。由于三相五拄Dyn11联结，如果熔断器一相熔断后，会造成低压侧两相电压不正常，为额定电压的1/2，会使负载欠压运行。因此将熔断器连接在“△”内部。因为这样如果熔断器一相熔断后不会造成低压侧两相电压不正常，熔断器所对应的低压侧相电压几乎为零，其它两相电压正常。4个箱式变电站将全部从温医60号杆进线，走地下电缆。下面4个表格分别明示了4个箱式变电站所的供电范围表6-1各变电箱供电范围Tab.6-1Supplyareaofthetransformerbox箱式变电站1视在功率/KVA机械个数A17127.07A2088.13A21149.355 ######大学毕业设计（论文）A22119.67A23148A24141.66换热站2445台温泉水泵77.62台供热水泵77.62台路灯8.7570个消防水泵611个箱式变电站2视在功率/KVA机械个数A4135A9101.66A12180A13127.07A1688.13A8108温泉水泵77.62台供热水泵77.62台路灯8.7570个消防水泵611个箱式变电站3视在功率/KVA机械个数续上表6-1:幼儿园54A190A2111.40A3105.89A6108A7101.66A15144温泉水泵38.81台供热水泵38.81台路灯8.12565消防水泵1222台箱式变电站4视在功率/KVA机械个数A5101.66A10135A11127.07A14101.66A18169.43A19135温泉水泵38.81台供水泵38.81台55 ######大学毕业设计（论文）路灯8.7570消防水泵1222台6.4箱式变电站总体布置10kV箱式变电站高压室额定电压10kV，低压室额定电压0.4kV。主变压器额定容量为1000kVA，接在10kV母线上。采用电缆或架空进、出线。在结构设计上具有防压、防雨和防小动物等措施及占地面积小、操作方便，安全可靠、可以移动等特点。箱式变电站主要包括4部分，分别为框架、高压室、低压室、变压器室。1）框架：基本结构是由槽钢、角钢和钢板焊接而成，外部用新材料色彩钢板制作。2）高压室：装备真空断路器。包括三工位负荷开关、熔断器、互感器、避雷器等。3）低压室：装备全国统一设计的GGD型固定式低压配电屏、包括主开关柜、计量柜、多路出线柜、耦合电容器。4）变压器室：配备1000kVA油浸式变压器。室顶装有温度监控仪启动的轴流风扇。7短路计算7.1短路电流的定义电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。三相系统中发生的短路有4种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90％。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需3～5秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会55 ######大学毕业设计（论文）产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件.7.2短路电流的计算条件1.假设系统有无限大的容量.用户处短路后,系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多.具体规定:对于3~35KV级电网中短路电流的计算,可以认为110KV及以上的系统的容量为无限大.只要计算35KV及以下网络元件的阻抗.2.在计算高压电器中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗,而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻.3.短路电流计算公式或计算图表,都以三相短路为计算条件.因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流.能够分断三相短路电流的电器,一定能够分断单相短路电流或二相短路电流.7.3短路电流的计算7.3.1标么制法进行短路电流计算图7-1短路电流等效电路图Fig.7-1equivalentcircuitofshortcircuitcurrent本校区变电所的供电系统采用两路电源供线，一路为距校区5km55 ######大学毕业设计（论文）的馈电变电站经架空线（系统按∞电源计），该干线首段所装高压断路器的断流容量为；一路为邻校高压联络线。下面采用标么制法进行短路电流计算。取基准容量,基准电压，所以：（7-1）（7-2）7.3.2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：（7-3）2.架空线路的电抗标么值：查手册得，因此：（7-4）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：（7-5）7.3.3高压侧K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：（7-6）2.三相短路电流周期分量有效值：（7-7）3.其他三相短路电流：（7-8）（7-9）(高压系统)（7-10）55 ######大学毕业设计（论文）4.三相短路容量：（7-11）7.3.4低压侧K"点短路电路总电抗标么值及三相短路电流和短路容量1.电抗标么值：（7-12）2.三相短路电流周期分量有效值：（7-13）3.其他三相短路电流：（7-14）（7-15）(高压系统)（7-16）4.三相短路容量：（7-17）8设备选型8.1电气设备选择条件电器设备选择的一般条件如下：1.按正常条件选择电器设备按正常条件选择，就要考虑电器装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电器装置所处的位置特征；电器要求是指电器装置对设备的电压、电流、频率（一般为50HZ）等方面的要求；对一些断路电器如开关、熔断器等，还应考虑起断流能力。1）考虑所选设备的工作环境。如户内、户外、防腐、防暴、防尘、放火等要求，以及沿海或湿热地域的特点。2）所选设备的额定电压应不低于安装地点电网电压即55 ######大学毕业设计（论文）（8-1）一般电器设备的电压设计值满足1.1应而可在应1.1下安全工作。3）电器的额定电流是指在额定周围环境温度θ0下，电器的长期允许电流应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续的工作电流，即（8-2）本设计所选择的变压器BS7-1000/10其额定电流：（8-3）由式可以推算，当电器的环境温度θ高于40℃（但不高于60℃）时，环境温度每升高1℃，应减少允许电流1.8%；当使用环境低于40℃时，每降低1℃，允许电流增加0.5%。2.按短路条件校验1）动稳定校验动稳定（电动力稳定）是指导体和电器承受短路电流机械效力的能力。满足稳定的条件（8-4）或（8-5）式中、—设备安装地点短路冲击电流的峰值及其有效值（kA）、-设备允许通过电流的峰值及其有效值（kA）55 ######大学毕业设计（论文）对于下列情况可不校验动稳定或热稳定。a用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定。b电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动、热稳定，因为短路电流很小。c电缆一般均有足够的机械强度，可不校验动稳定。2）热稳定校验短路电流通过时，电器各部件温度不应超过短时发热最高允许值，即（8-6）式中—设备安装地点稳态三相短路电流；—短路电流假想时间；—t秒内允许通过的短路电流值或称t秒热稳定电流（kA）；t—厂家给出的热稳定计算时间，一般为4s、5s、1s等。8.2高低压电器设备选择的要求1）高压一次设备的选型高压一次设备的选择，必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应安全可靠的运行，运行维护方便，投资经济合理。高压电器的选择和校验可按表8-1所列各项条件进行。现仅对选择的特殊条件或简要步骤予以介绍。2）低压一次设备选型低压一次设备的选择，与高压一次设备的选择一样，必须考虑安装地点并满足在正常条件下和短路故障条件下工作的要求；同时设备工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。表8-1高压电器选择与校验条件Tab.8-1high-voltageelectricalconditionswithchecksum项目设备额定电压额定电流开断电流动稳定热稳定高压断路器≥≥≥55 ######大学毕业设计（论文）≥≥隔离开关—高压熔断器≥或。低压一次设备的选择校验项目如表8-2所列。表8-2低压一次设备的选择校验项目Tab.8-2thechoiceofalow-voltageequipmentvalidationproject设备名称电压（V）电流（A）断流能力（kA）短流电流校验动稳定度热稳定度低压熔断器√√√——低压负荷开关√√√√√低压断路器√√√√√8.3断路器的选型断路器型式的选择应综合考虑安装地点环境的条件、使用的技术条件和安装调试与维护护方便等因素。先对几种内型短路器的技术性能和运行维护方面的特点简要介绍如下。少油短路器开断电流大，对35以下可采用加并联以提高额定电流；10kV以上为积木结构。该断路器全开断时间短。增加压油活塞装置加强机械油吹后，可开断空载长线。少油断路器使用较早，运行经验丰富，易于维护，噪声低，油量少；它易劣化，需要一套油处理装置。六氟化硫（SF6）断路器的额定电流和开断能力都可以作得很大；开断性能好，可适用于各种工况开断；SF6气体灭弧、绝缘性能好，所以断开电压做得较高；断开开距小。运行噪声低，维护工作量小，检修间隔期长，运行稳定、安全可靠、寿命较长；断路器价格较高。真空断路器连续多次操作，且开断性能好，灭弧迅速、动作时间短；运行维护简单，灭弧室不需要检修；噪声低，无火灾爆炸危险；价格较昂贵。55 ######大学毕业设计（论文）综合考虑10kV箱式变电站10kV侧选用ZN23-10型真空断路器，技术参数如表8-3所示。表8-3ZN23-35型真空断路器的技术参数Tab.8-3ZN23-35vacuumcircuitbreakerstechnicaldata类别型号额定电压kV额定电流A断流容量kA动稳定电流峰值kV热稳定电流kA固有分闸时间≤合闸时间≤陪用操动机构开断电流kA真空ZN23-10106306325（4s）0.06s0.075sCT1225真空ZN28-040.42002020（4s）0.06s0.1s200.4kv低压侧我选择的是DZ20系列塑料外壳式断路器，具体型号如表8-4所示：表8-4低压侧断路器选择Tab.8-4choiceoflow-pressuresideofcircuitbreaker建筑名称额定电流/A断路器型号A1129.9DZ20C-160A2160.79DZ20Y-200A3152.84DZ20C-160A4194.86DZ20Y-200A5146.73DZ20C-160A6155.88DZ20C-160A7195.64DZ20Y-200A8194.86DZ20Y-200续上表8-4：A9146.73DZ20C-160A10194.86DZ20Y-200A11183.41DZ20Y-200A12259.81DZ20C-40055 ######大学毕业设计（论文）A13183.41DZ20Y-200A14146.73DZ20C-160A15207.85DZ20C-250A16127.20DZ20C-160A17183.41DZ20Y-200A18244.55DZ20C-250VA19194.86DZ20Y-200A20127.20DZ20C-160A21215.50DZ20C-250A22172.73DZ20Y-200A23213.62DZ20C-250A24204.47DZ20C-250幼儿园77.94DZ20Y-100消防水泵88.05DZ20Y-100供水泵48.50DZ20Y-100温泉水泵48.50DZ20Y-100换热站352.18DZ20C-400路灯1，2，412.63DZ20Y-100路灯311.73DZ20Y-1008.4电容器的选择8.4.1并联电容器组成提高功率因素原理把电容并联在电网中将取得超前电压90度的无功电流，来补偿用电设备中滞后于电压的感性无功电流，使电网总功率因素得到提高55 ######大学毕业设计（论文）1）补偿前:在U作用下，(8-7)电流比电压滞后角，很低。2）并联电容器组后：(8-8)(8-9)比超前π/2，可知与夹角，所以，，即功率因数得到提高。8.4.2电容器组接线方式的确定在工业企业采用并联电容器来提高功率因数时，电容器装设部位的补偿方式分别有单独补偿、分组补偿和集中补偿三种。为了提高功率因数，可采用并联电容器补偿供电系统中所需的无功功率。因为有△接和Y接两种接线方式，而本设计采用△接，原因如下所述：1）△接可以防止由于电容器容量不对称时，由于中性点位移而使有的相电压欠压，有的过电压，从而造成电容器组烧毁的现象。2）若发生一相断线时，只影响各项补偿容量有所减少，不至于严重不平衡。△接：如A相断线，C=Q/U，3组不变，1、2组变化。U减小→C减小→Q减小。不会造成严重不平衡。Y接：若2线路断开，C=0，1、2组不变，将造成严重不平衡，中性点位移。会使有的相电压升高，而烧毁电容器组。3）△接线可以充分发挥电容器组的补偿能力。(8-10)(8-11)综上所述，电力电容器组采用△接线。8.4.3各相补偿电容个数=170.52，=160.34，=165.28，=169.12，55 ######大学毕业设计（论文）并联电容器可选择国家生产的系列电容器YWW10.5-25-1，12kvar的电容量。变电箱1无功补偿，则每相补偿的电容为：只，将所有补偿放到10kv侧进行补偿，把补偿容量分为两组电容去补偿，考虑3相分配，取3的整数倍，N取18只，每相补偿容量np=18/3=6只，考虑到分为两段支路，即为2的倍数，则每段每相n=6/2=3只。即采用18个电容器，每组每相用3个12kvar的电力电容器并联进行无功补偿。同理可得出变电箱2、变电箱3和变电箱4同样采用18个电容器，每组每相用3个12kvar的电力电容器并联进行无功补偿。8.5高压熔断器的选择熔断器额定电流的选择，除了根据环境条件确定采用户内或户外、根据用于保护电力线路和电气设备还是保护互感器确定采用RN1（及其改进型RN3、RN5、RN6）或RN2等项目外，还包括熔管的额定电流和熔体的额定电流选择。1）熔管额定电流为了保证熔断器壳不致过热毁坏，要求熔断器熔管的额定电流不小于熔体的额定电流即：≥（6）2）熔体的额定电流=k（7）式中Imax—熔断器所在电路最大工作电流；k—可靠系数。为防止熔体误动作而考虑留有一定裕度。对于变压器回路k的取值，在不计电动机自起动时k=1.1~1.3，记入自起动时k=1.5~2.0；对于电力电容器回路，一台电容器时k=1.5~2.0，一组电容器时k=1.3~1.8。3）熔断器开断电流校验55 ######大学毕业设计（论文）≥（或）（8）对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击电流的有效值Ish进行校验；对于有限流作用的熔断器，在电流过最大值之前已截断，故不计非周期分量的影响，而取I∞（Ik）进行校验。高压熔断器选用RW5-10/25如表8-5所示。表8-5高压熔断器技术参数Tab.8-5technicalparametersofhigh-voltagefuse型号额定电压额定电流溶丝额定电流额定开断电流断路容量上限下限RW5-10/251025A40A6.3kA200MVA15MVA8.6隔离开关的选型隔离开关高压侧选用GW14-10/200，其技术数据如表8-6所示。表8-6高压隔离开关技术数据Tab.8-6technicaldataofhighpressureisolationswitch型号额定电压（kA）额定电流（A）极限通过电流峰值（kA）热稳定电流s45sGW14-10/200102004031.5低压侧选择的是HD17系列刀型隔离器如表8-7：表8-7低压侧隔离开关选择Tab.8-7choiceoflow-voltagesideoftheisolationswitch建筑名称额定电流/A隔离开关型号A1129.9HD17-20055 ######大学毕业设计（论文）A2160.79HD17-200A3152.84HD17-200A4194.86HD17-200A5146.73HD17-200A6155.88HD17-200A7195.64HD17-200A8194.86HD17-200A9146.73HD17-200A10194.86HD17-200A11183.41HD17-200A12259.81HD17-200A13183.41HD17-200A14146.73HD17-200A15207.85HD17-400续上表8-7：A16127.20HD17-200A17183.41HD17-20055 ######大学毕业设计（论文）A18244.55HD17-400VA19194.86HD17-200A20127.20HD17-200A21215.50HD17-400A22172.73HD17-200A23213.62HD17-400A24204.47HD17-400幼儿园77.94HD17-100消防水泵88.05HD17-100供水泵48.50HD17-100温泉水泵48.50HD17-100换热站352.18HD17-400路灯1,212.63HD17-100路灯311.73HD17-100路灯412.63HD17-1008.7开关柜的选型制造厂生产各种不同电路的开关柜、配电屏或标准元件，品种很多。55 ######大学毕业设计（论文）设计时可按照主接线选择相应电路的柜、屏或元件，组成一套配电装置。高压开关柜和低压配电屏的选择，应满足变配电所一次电路图的各要求并经几个方案的技术经济比较后，优选出柜、屏的型式及其一次线路方案编号，同时确定其中所有一、二次设备的型号和规格。向开关电器厂订购高压开关柜时应向厂家提供一、二次电路的图纸及有关技术资料。10kV开关柜选用XGN6-10-101型。8.8电缆的选择1）电线电缆选用的一般原则在选用电线电缆时，一般要注意电线电缆型号、规格(导体截面)的选择。1.电线电缆型号的选择选用电线电缆时，要考虑用途，敷设条件及安全性；例如，根据用途的不同，可选用电力电缆、架空绝缘电缆、控制电缆等；根据敷设条件的不同，可选用一般塑料绝缘电缆、钢带铠装电缆、钢丝铠装电缆、防腐电缆等；根据安全性要求，可选用不延燃电缆、阻燃电缆、无卤阻燃电缆、耐火电缆等。2.电线电缆规格的选择确定电线电缆的使用规格(导体截面)时，一般应考虑发热，电压损失，经济电流密度，机械强度等选择条件。根据经验，低压动力线因其负荷电流较大，故一般先按发热条件选择截面，然后验算其电压损失和机械强度；低压照明线因其对电压水平要求较高，可先按允许电压损失条件选择截面，再验算发热条件和机械强度；对高压线路，则先按经济电流密度选择截面，然后验算其发热条件和允许电压损失；而高压架空线路，还应验算其机械强度。说明：1）同一规格铝芯导线载流量约为铜芯的0.7倍，选用铝芯导线可比铜芯导线大一个规格，交联聚乙烯绝缘可选用小一档规格，耐火电线电缆则应选较大规格。2）本表计算容量是以三相380V、Cosφ＝0.85为基准，若单相220V、Cosφ＝0.85，容量则应×1/3。3）当环境温度较高或采用明敷方式等，其安全载流量都会下降，此时应选用较大规格；当用于頻繁起动电机时，应选用大2～3个规格。4）本表聚氯乙烯绝缘电线按单根架空敷设方式计算，若为穿管或多根敷设，则应选用大2～3个规格。5）以上数据仅供参考，最终设计和确定电缆的型号和规格应参照有关专业资料或电工手册。55 ######大学毕业设计（论文）观海国际小区由于是开放性住宅小区，电缆需要在地下铺设，所以根据建筑电气手册可知，我决定高压侧选取4条交联聚乙烯绝缘电力电缆。如表8-9：表8-910kv高压侧电缆选型表Tablet.8-9the10kvcableselectiontable变电名称高压侧相电流/A电缆型号变电箱157.74YJV-316变电箱257.74YJV-316变电箱357.74YJV-316变电箱457.74YJV-316该电缆具有如下优点：1）具有优异的机械物理性能，耐环境应力开裂性能好，有优良的耐磨性，比PVC和PE更能承受集中的机械应力。2）耐各种化学溶剂，在周围各种腐蚀性媒质中比较稳定。3）交联聚乙烯绝缘电线的外径比同种规格截面的全聚氯乙烯绝缘电线外径小，在穿管施工中可以减小使用管径，或在同一管径条件下穿更多电线，降低建筑安装成本。4）交联聚乙烯绝缘电线产品比聚氯乙烯绝缘电线产品的重量要轻许多，更便于安装运输，降低劳动强度，降低运输费用。5）交联聚乙烯绝缘电线长期工作时最高额定温度可达90℃，短路时（最长持续时间不超过5S）电线导体的最高温度可达250℃，载流量大于聚氯乙烯绝缘电线。6)燃烧时不释放腐蚀性气体及有毒气体，不会产生二次危害，符合现代消防安全要求是一种新型的环保产品。7)良好的电气性能，绝缘电阻与PVC电线(缆)相比要高得多，且介质损耗角正切值tgδ很小，基本不随温度的变化而变化。低压侧我选取的是3芯聚氯乙烯绝缘电缆，具体参数如表8-10：表8-10400v低压侧电缆选型表Tablet.8-10the400vcableselectiontable建筑名称额定电流/A电缆型号55 ######大学毕业设计（论文）A1129.9VV22VLV22A2160.79VV22VLV22A3152.84VV22VLV22A4194.86VV22VLV22A5146.73VV22VLV22A6155.88VV22VLV22A7195.64VV22VLV22A8194.86VV22VLV22A9146.73VV22VLV22A10194.86VV22VLV22A11183.41VV22VLV22A12259.81VV22VLV22A13183.41VV22VLV22A14146.73VV22VLV22A15207.85VV22VLV22A16127.20VV22VLV22A17183.41VV22VLV22A18244.55VV22VLV22VA19194.86VV22VLV22A20127.20VV22VLV22续上表8-10:A21215.50VV22VLV22A22172.73VV22VLV22A23213.62VV22VLV2255 ######大学毕业设计（论文）A24204.47VV22VLV22幼儿园77.94VV22VLV22消防水泵88.05VV22VLV22供水泵48.50VV22VLV22温泉水泵48.50VV22VLV22换热站352.18VV22VLV22路灯112.63VV22VLV22路灯212.63VV22VLV22路灯311.73VV22VLV22路灯412.63VV22VLV229避雷与接地装置的确定9.1电力系统防雷的重要性随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高，电力自动化系统已使用了相当数量的计算机、RTU和其它微电子设备。县级电力调度及其变电所由于所在地土壤电阻率较高或地处山区，其地网的接地电阻往往很难达到电力标准规范中的要求，为防雷工作增加了许多难度55 ######大学毕业设计（论文）。由于一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至μA级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，有的县电力局调度大楼和电力局所属自动化显示系统、通讯系统(Modem、载波机、程控交换机等)常常损坏，造成较大的直接和间接经济损失，影响当地电力系统的正常调度、工农业生产和人民的日常生活。因此，电力系统的防雷工作非常重要。9.2变电箱的防雷措施箱式变电站遭受的雷击是下行雷，其防护主要是两方面，一是接地，二是变压器的防护。9.2.1变电箱接地与等电位连接A、环行接地网接地是防雷的基础，标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极，在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐，更合理的方法是利用建筑物的基础钢筋地网作为共用接地系统，这有事半功倍之效。如建筑物没有基础钢筋地网，宜在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环型接地体。环行接地体与建筑物水平距离不应小于2m。接地体的冲击接地电阻不宜大于4欧姆，如达不到要求可用添加降阻剂和增加接地体数量等方法来降低阻值。为使雷电浪涌电流泄入大地，使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、过电流的危害，所有建筑物、电气设备、线路、网络等不带电金属部分，金属护套，避雷器，以及一切水、气管道等均应与共用接地系统作金属性连接。B、等电位连接将建筑物电气装置内外露可导电部分、电气装置外可导电部分、人工或自然接地体用导体连接起来以达到减少电位差称为等电位联结。在IEC和GB50057-94标准中指出等电位连接是内部防雷措施的一部分，其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电位，是用连接导线或过电压（电涌）保护器，将处在需要防雷空间内的防雷装置和建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来，形成一个等电位连接网络，以实现均压等电位。利用钢筋混凝土结构的建筑物内所有金属构件的多重连接，建立一个三维的连接网络是实现等电位连接的最佳选择。所有从室外进入的金属导体（包括水管、气管，电缆屏蔽层或电缆屏蔽管）应在进入防雷区的交界处就近直接接地，不能直接接地的导体（如电力线、传输线等）应通过避雷器接地，电力、通信电缆应穿金属管并埋地进入机房，穿管埋地的距离应大于25米55 ######大学毕业设计（论文）。室内设备的金属部分应可靠接地，所有的接地必须接在同一个接地基准点上，这个基准点在工程上称为汇流排或均压环，这样就能保证室内设备不会因为地电位升高而产生电位差。建筑物外部防雷装置是直接安装在建筑物顶面，防雷装置与各种金属物体之间的安全距离不可能得到保证。为防止防雷装置与邻近的金属物体之间出现高电位反击，进小其间的电位差，除了将屋内的金属物体做好等电位连接外，应将各种接地（交流工作地、安全保护地、支流工作地、防雷接地等）共用一组接地装置。上述四种接地的接地引出线可与环行接地体相连形成等电位连接，但防雷接地在环行接地体上的接地点与其他几种接地的接地点之间的距离宜大于10m。9.2.2变压器的防护变压器的基本保护措施是靠近变压器安装避雷器，这样可以防止线路侵入的雷电波对变压器的破坏。装设避雷器时，要尽量靠近变压器，并尽量减少连线的长度，避雷器与被保护设备间的电气距离越近，在避雷器放电时，加在变压器上的残余电压就越低，以提高变压器的耐雷水平。同时，避雷器的接线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样，当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主绝缘上的电压就只剩下避雷器的残压了(不包括接地电阻上的电压压降)，就减少了雷电对变压器破坏的机会。9.3观海国际小区的防雷接地设计避雷器：采用FZ系列电站用阀式避雷器，型号为FZ-10。接地：观海国际小区变电箱的统一采用接地装置为接地线和接地体的组合，结合该小区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。大接地体采用3块的镀锌扁钢，间隔为2.5米，打入地下0.8米深，再用的镀锌角钢将镀锌角钢连接起来，接入变电所变压器的中性线。这样就能形成有效的接地。10技术经济分析对于观海国际小区一期供电，在主接线方面我一开始设计了2套方案,分别是：1）方案一采用单母分段母线的接线方式。2）方案二采用双母分段带旁路母线的接线方式55 ######大学毕业设计（论文）单母线接线造价低而供电稳定性低，双母线供电稳定性高但其造价高且接线线路复杂，而单母线分段接线一方面线路简单，造价低，另一方面其供电稳定性也能在一定程度上能够得以保证，而且住宅小区属于三级负荷，并不需要太高的稳定性。由以上的分析，最终将方案二淘汰掉。确定方案一作为本次观海国际小区一期工程箱式变电站设计的主接线设计的选择方案。而关于变压器的选择我也有两种方案,分别是；1）方案一采用4个箱式变电站，分别选用额定电压为1000kva的变压器。2）方案二采用3个箱式变电站，分别选用额定电压为1600kva的变压器。两种方案的选择我主要从价格方面来考虑。方案一，1000kva变压器的价格大约是128000元，而和其配套的YJV-316型电缆的价格为37.78元/平米，长度约为426米，那么其总价约为：元（10-1）方案二，16000kva变压器的价格大约为200000元，而和其配套的YJV-325型电缆的价格为53.34元，其长度约为312米，那么其总价约为：元（10-2）从上面的价格可以看出，方案一笔方案二节约大约9万元人民币，所以从经济方面考虑，我选择方案一作为本次观海国际小区一期工程箱式变电站设计的变压器选择方案。11结论55 ######大学毕业设计（论文）本设计主要对10kV箱式变电站进行设计，系统的阐述了箱式变电站的结构、特点以及其应用领域和市场前景。所做的工作主要包括四个方面：首先是箱式变电站整体结构设计，包括主变器和站用变压器容量，接线组别的确定，以及高压室、低压室、和变压器室的的布置。其次是箱式变电站的一次系统设计及设备选型，10kV侧母线采用单母线，0.4kV侧母线采用单母线分段接线方式。一段母线发生故障，自动装置可以保证正常母线不间断供电。重要用户可以从不同分段上引接。母线由分段断路器进行分段。当一段母线发生故障时，由自动装置将分段断路器跳开，不会发生误操作。从可靠性、灵活性、经济性以及可扩建性等几方面考虑，我认为单母线分段接线方式较适合本设计要求，故高、中、低压三侧均采用单母线分段接线方式。在主接线方案确定以后，进行了无功补偿、短路电流计算、设备选择。根据力求可靠、经济，以及符合电力设备发展现状的要求，结合该变电站的现状，先后对主变，站用变，断路器，进行了选择和校验，使之符合国家规程的规定，运行可靠，经济合理。同时，结合上面的计算和分析，根据该站所处自然环境等特点以及运行、检修的要求，选择4kV为屋内布置单层结构，10kV采用屋外普通中型配电装置。对于总平面设计，要因地制宜，充分利用荒地、劣地，不占或少占良田的思想，设计总平面布置图，要使变电箱的总体设计轮廓明朗。至此，观海国际小区10kV降压变电站电气部分设计的一次设计完成。致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及帮助我的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师罗伟老师。罗老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为烦琐，但是罗老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩罗55 ######大学毕业设计（论文）老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢李贵杨科长热心的帮助带我们参观了校变电所，是我对变电过程有了了解。最后要感谢的是我的同学对我无私的帮助，特别是在制图软件的使用方面，正因为他们我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校——辽宁工程技术大学大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！！！。在这即将离校的时刻我祝大家身体健康，万事如意，工作顺利！参考文献[1]费广标.10kV箱式变电站模式设计[M].中国电力出版社，2003[2]朱宝骅.一种新型箱式变电站-集成变配电站[J].电工技术杂志，2002（2）[3]麦艳红.新型箱式变电站的应用与分析[J].广西水利水电，2001（1）[4]熊作胜.关于10kv箱式变电站的技术改进[J].电气时代,2001（3）[5]吕亚杰.箱变的结构及适用型分析[J].大同职业技术学院学报，2001（1）[6]蔡心一，颜长斌.欧式、美式、国产式箱变的特性分析[J].江苏电器，2001（1）[7]高颂九.预装式变电站小区布点及容量选择分析[J].变压器,2002(11)[8]赵磊.对箱式变电站设计的建议[J].农村电气化,2002(4)55 ######大学毕业设计（论文）[9]刘涤尘.电气工程基础[M].武汉理工大学出版社,2002(1)[10]输变电常用标准汇编[M].中国标准出版社,2001(3)[11]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京,水利电力出版社,1994[12]苏文成.工厂供电[M].北京,机械工业出版社,1981[13]文锋.发电厂及配电所的控制[M].北京,中国电力出版社,1998[14]同济大学电气工程系编.《工厂供电》.中国建筑工业出版社.P22[15]《新编电气工程师实用手册》上册、下册.中国水利水电出版社.P304[16]《中国电力百科全书第二版电力系统卷》.中国电力出版社.P217[17]中小型变电所实用设计手册.[18]《电气设备实用手册.[上、下]》.中国水利水电出版社.P184[19]《中国电力百科全书·第二版·输电与配电卷》.中国电力出版社P37~P38.[20]《电气运行》.中国水利水电出版社.P191[21]《新编电气工程师实用手册上册》.中国水利水电出版社.P288～P289。[22]《3~10KV高压配电装置设计规范》[25]N.R.DraperandH.smith.AppliedRegressionAnalysis，wiley，NewYoek，2ndedu.1981.[26]M.H.J.Bollen,UnderstandingPowerQualityProblems:VoltageSagsandInterruptions.Piscataway,NJ:IEEEPress,1999.[27]R.C.Dugan,M.F.McGranaghan,andH.W.Beaty,ElectricalPowerSystemsQuality.NewYork:McGraw-Hill,1996[28]MembersForAuthorsTechnicalSupportFrequentlyAskedQuestions(FAQs)FeedbackIEEEXploreDemoAccessibilityHome|Login|Logout，1998附录A译文直流电机导论负载运行的变压器直流电机以其多功用性而形成了鲜明的特征。通过并励、串励和特励绕组的各种不同组合，直流电机可设计成在动态和稳态运行时呈现出宽广范围变化的伏-安或速度-转矩特性。由于直流电机易于控制，因此该系统用于要求电动机转速变化范围宽或能精确控制电机输出的场合。定子上有凸极，由一个或一个以上励磁线圈励磁。励磁绕组产生的气隙通以磁极中心线为轴线对称分布，这条轴线称为磁场轴线或直轴。55 ######大学毕业设计（论文）我们知道，每个旋转的电枢绕组中产生的交流电压，经由一与电枢连接的旋转的换向器和静止的电刷，在电枢绕组出线端转换成直流电压。换向器一电刷的组合构成机械整流器，它产生一直流电枢电压和一在空间固定的电枢磁势波形。电刷的放置应使换向线圈也处于磁极中性区，即两磁极之间。这样，电枢磁势波形的轴线与磁极轴线相差90°电角度，即位于交轴上。在示意图中，电刷位于交轴上，因为此处正是与其相连的线圈的位置。这样，如图所示电枢磁势波的轴线也是沿着电刷轴线的。（在实际电机中，电刷的几何位置大约偏移图例中所示位置90°电角度，这是因为元件的末端形状构成图示结果与换向器相连。）电刷上的电磁转矩和速度电压与磁通分布的空间波形无关；为了方便起见，我们假设气隙中仍然是正弦磁密波，这样便可以从磁场分析着手求得转矩。转矩可以用直轴每极气隙磁通和电枢磁势波的空间基波分量相互作用的结果来表示。电刷处于交轴时，磁场间的角度为90°电角度，其正弦值等于1，则对于一台P极电机式中由于转矩的正方向可以根据物理概念的推断确定，因此负号已经去掉。电枢磁势锯齿波的空间基波是峰值的8/。上式变换后有式中=电枢外部电路中的电流；=电枢绕组中的总导体数；=通过绕组的并联支路数；且其为一个由绕组设计而确定的常数。简单的单个线圈的电枢中的整流电压前面已经讨论过了。将绕组分散在几个槽中的效果可用图形表示，图中每一条整流的正弦波形是一个线圈产生的电压，换向线圈边处于磁中性区。从电刷端观察到的电压是电刷间所有串联线圈中整流电压的总和，在图中由标以55 ######大学毕业设计（论文）的波线表示。当每极有十几个换向器片，波线的波动变得非常小，从电刷端观察到的平均电压等于线圈整流电压平均值之和。电刷间的整流电压即速度电压，为式中为设计常数。分布绕组的整流电压与集中线圈有着相同的平均值，其差别只是分布绕组的波形脉动大大减小。将上述几式中的所有变量用SI单位制表达，有这个等式简单地说明与速度电压有关的瞬时功率等于与磁场转矩有关的瞬时机械功率，能量的流向取决于这台电机是电动机还是发电机。直轴气隙通由励磁绕组的合成磁势产生，其磁通-磁势曲线就是电机的具体铁磁材料的几何尺寸决定的磁化曲线。在磁化曲线中，因为电枢磁势波的轴线与磁场轴线垂直，因此假定电枢磁势对直轴磁通不产生作用。这种假设有必要在后述部分加以验证，届时饱和效应会深入研究。因为电枢电势与磁通成正比，所以通常用恒定转速下的电枢电势来表示磁化曲线更为方便。任意转速时，任一给定磁通下的电压与转速成正比，即图中表示只有一个励磁绕组的磁化曲线，这条曲线可以很容易通过实验方法得到，不需要任何设计步骤的知识。在一个相当宽的励磁范围内，铁磁材料部分的磁阻与气隙磁阻相比可以忽略不计，在此范围内磁通与励磁绕组总磁势呈线性比例，比例常数便是直轴气隙磁导率。直流电机的突出优点是通过选择磁场绕组不同的励磁方法，可以获得变化范围很大的运行特性。励磁绕组可以由外部直流电源单独激磁，或者也可自励，即电机提供自身的励磁。励磁防哪个法不仅极大地影响控制系统中电机的静态特性，而且影响其动态运行。55 ######大学毕业设计（论文）他励发电机的连接图已经给出，所需励磁电流是额定电枢电流的很小一部分。励磁电路中很小数量的功率可以控制电枢电路中相对很大数量的功率，也就是说发电机是一种功率放大器。当需要在很大范围内控制电枢电压时，他励发电机常常用于反馈控制系统中。自励发电机的励磁绕组可以有三种不同的供电方式。励磁绕组可以与电枢串联起来，这便形成了串励发电机；励磁绕组可以与电枢并联在一起，这便形成了并励发电机；或者励磁绕组分成两部分，其中一部分与电枢串联，另一部分与电枢并联，这便形成复励发电机。为了引起自励过程，在自励发电机中必须存在剩磁。在典型的静态伏-安特性中，假定原动机恒速运行，稳态电势和端电压关系为：式中为电枢输出电流，为电枢回路电阻。在发电机中，比大，电磁转矩T是一种阻转矩。他励发电机的端电压随着负载电流的增加稍有降低，这主要是由于电枢电阻上的压降。串励发电机中的励磁电流与负载电流相同，这样，气隙磁通和电压随负载变化很大，因此很少采用串励发电机。并励发电机电压随负载增加会有所下降，但在许多应用场合，这并不防碍使用。复励发电机的连接通常使串励绕组的磁势与并励绕组磁势相加，其优点是通过串励绕组的作用，每极磁通随着负载增加，从而产生一个随负载增加近似为常数的输出电压。通常，并励绕组匝数多，导线细；而绕在外部的串励绕组由于它必须承载电机的整个电枢电流，所以其构成的导线相对较粗。不论是并励还是复励发电机的电压都可借助并励磁场中的变阻器在适度的范围内得到调节。任何用于发电机的励磁方法都可用于电动机。在电动机典型的静态转速-转矩特性中，假设电动机两端由一个恒压源供电。在电动机电枢中感应的电势与端电压间的关系为式中此时为输入的电枢电流。电势此时比端电压小，电枢电流与发电机中的方向相反，且电磁转矩与电枢旋转方向相同。在并励和他励电动机中磁场磁通近似为常数，因此转矩的增加必须要求电枢电流近似成比例增大，同时为允许增大的电流通过小的电枢电阻，要求反电势稍有减少。由于反电势决定于磁通和转速，因此，转速必须稍稍降低。与鼠笼式感应电动机相类似，并励电动机实际上是一种从空载到满载速降仅约为5%的恒速电动机。起动转矩和最大转矩受到能成功换向的电枢电流的限制。55 ######大学毕业设计（论文）并励电动机的突出优点是易于调速。在并励绕组回路装上变阻器，励磁电流和每极磁通都可任意改变，而磁通的变化导致转速相反的变化以维持反电势大致等于外施端电压。通过这种方法得到最大调速范围为4或5比1，最高转速同样受到换向条件的限制。通过改变外施电枢电压，可以获得很宽的调速范围。在串励电动机中，电枢电流、电枢电势和定子磁场磁通随负载增加而增加（假设铁芯不完全饱和）。因为磁通随负载增大，所以为了维持外施电压与反电势之间的平衡，速度必须下降，此外，由于磁通增加，所以转矩增大所引起的电枢电流的增大比并励电动机中的要小。因此串励电动机是一种具有明显下降的转速-负载特性的变速电动机。对于要求转矩过载很多的应用场合，由于对应的过载功率随相应的转速下降而维持在一个合理的范围内，因此，这种特性具有特别的优越性。磁通随着电枢电流的增大而增大，同时还带来非常有用的起动特性。在复励电动机中，串励磁场可以连接成积复励式，使其磁势与并励磁场相加；也可以连接成差复励式，两磁场方向相反。差复励连接很少使用。积复励电动机具有界于并励和串励电动机之间的速度-负载特性，转速随负载的降低取决于并励磁场和串励磁场的相对安匝数。这种电动机没有像串励电动机那样轻载高转速的缺点，但它在相当的程度上保持着串励方式的优点。直流电机的应用优势在于可接成并励、串励和复励等各种励磁方式，因而可提供多种性能各异的运行特性。其中有一些特性在本文中已大致提及。如果增加附加的电刷组以至于从换向器上另外可得到一些电压，那么还会存在更多的运用场合，因此直流电机系统的多用性，及其不论对人工还是自动控制的适应性，是它们的显著特性。附录Ｂ外文原文IntroductiontoDCMachinesTheTransformeronloadDCmachinesarecharacterizedbytheirversatility.Bymeansofvariouscombinationofshunt,series,andseparatelyexcitedfieldwindingstheycanbedesignedtodisplayawidevarietyofvolt-ampereorspeed-torquecharacteristicsforbothdynamicandsteadystateoperation.Becauseoftheeasewithwhichtheycanbecontrolled,systemsofDCmachinesareoftenusedinapplicationsrequiringawiderangeofmotorspeedsorprecisecontrolofmotoroutput.TheessentialfeaturesofaDCmachineareshownschematically.Thestatorhassalientpolesandisexcitedbyoneormorefieldcoils.Theair-gapfluxdistributioncreatedbythefieldwindingissymmetricalaboutthecenterlineofthefieldpoles.Thisaxisiscalledthefieldaxisor55 ######大学毕业设计（论文）directaxis.Asweknow,theACvoltagegeneratedineachrotatingarmaturecoilisconvertedtoDCintheexternalarmatureterminalsbymeansofarotatingcommutatorandstationarybrushestowhichthearmatureleadsareconnected.Thecommutator-brushcombinationformsamechanicalrectifier,resultinginaDCarmaturevoltageaswellasanarmaturem.m.f.wavewhichisfixedinspace.Thebrushesarelocatedsothatcommutationoccurswhenthecoilsidesareintheneutralzone,midwaybetweenthefieldpoles.Theaxisofthearmaturem.m.f.wavethenin90electricaldegreesfromtheaxisofthefieldpoles,i.e.,inthequadratureaxis.Intheschematicrepresentationthebrushesareshowninquaratureaxisbecausethisisthepositionofthecoilstowhichtheyareconnected.Thearmaturem.m.f.wavethenisalongthebrushaxisasshown..(Thegeometricalpositionofthebrushesinanactualmachineisapproximately90electricaldegreesfromtheirpositionintheschematicdiagrambecauseoftheshapeoftheendconnectionstothecommutator.)Themagnetictorqueandthespeedvoltageappearingatthebrushesareindependentofthespatialwaveformofthefluxdistribution;forconvenienceweshallcontinuetoassumeasinusoidalflux-densitywaveintheairgap.Thetorquecanthenbefoundfromthemagneticfieldviewpoint.Thetorquecanbeexpressedintermsoftheinteractionofthedirect-axisair-gapfluxperpoleandthespace-fundamentalcomponentofthearmaturem.m.f.wave.Withthebrushesinthequadratureaxis,theanglebetweenthesefieldsis90electricaldegrees,anditssineequalsunity.ForaPpolemachineInwhichtheminussignhasbeendroppedbecausethepositivedirectionofthetorquecanbedeterminedfromphysicalreasoning.Thespacefundamentalofthesawtootharmaturem.m.f.waveis8/timesitspeak.SubstitutioninaboveequationthengivesWhere=currentinexternalarmaturecircuit;55 ######大学毕业设计（论文）=totalnumberofconductorsinarmaturewinding;=numberofparallelpathsthroughwinding;AndIsaconstantfixedbythedesignofthewinding.Therectifiedvoltagegeneratedinthearmaturehasalreadybeendiscussedbeforeforanelementarysingle-coilarmature.Theeffectofdistributingthewindinginseveralslotsisshowninfigure,inwhicheachoftherectifiedsinewavesisthevoltagegeneratedinoneofthecoils,commutationtakingplaceatthemomentwhenthecoilsidesareintheneutralzone.Thegeneratedvoltageasobservedfromthebrushesisthesumoftherectifiedvoltagesofallthecoilsinseriesbetweenbrushesandisshownbytheripplinglinelabeledinfigure.Withadozenorsocommutatorsegmentsperpole,theripplebecomesverysmallandtheaveragegeneratedvoltageobservedfromthebrushesequalsthesumoftheaveragevaluesoftherectifiedcoilvoltages.Therectifiedvoltagebetweenbrushes,knownalsoasthespeedvoltage,isWhereisthedesignconstant.Therectifiedvoltageofadistributedwindinghasthesameaveragevalueasthatofaconcentratedcoil.Thedifferenceisthattherippleisgreatlyreduced.Fromtheaboveequations,withallvariableexpressedinSIunits:Thisequationsimplysaysthattheinstantaneouselectricpowerassociatedwiththespeedvoltageequalstheinstantaneousmechanicalpowerassociatedwiththemagnetictorque,thedirectionofpowerflowbeingdeterminedbywhetherthemachineisactingasamotororgenerator.Thedirect-axisair-gapfluxisproducedbythecombinedm.m.f.ofthefieldwindings,theflux-m.m.f.characteristicbeingthemagnetizationcurvefortheparticulariron55 ######大学毕业设计（论文）geometryofthemachine.Inthemagnetizationcurve,itisassumedthatthearmaturem.m.f.waveisperpendiculartothefieldaxis.Itwillbenecessarytoreexaminethisassumptionlaterinthischapter,wheretheeffectsofsaturationareinvestigatedmorethoroughly.Becausethearmaturee.m.f.isproportionaltofluxtimesspeed,itisusuallymoreconvenienttoexpressthemagnetizationcurveintermsofthearmaturee.m.f.ataconstantspeed.Thevoltageforagivenfluxatanyotherspeedisproportionaltothespeed,i.e.Figureshowsthemagnetizationcurvewithonlyonefieldwindingexcited.Thiscurvecaneasilybeobtainedbytestmethods,noknowledgeofanydesigndetailsbeingrequired.Overafairlywiderangeofexcitationthereluctanceoftheironisnegligiblecomparedwiththatoftheairgap.Inthisregionthefluxislinearlyproportionaltothetotalm.m.f.ofthefieldwindings,theconstantofproportionalitybeingthedirect-axisair-gappermeance.TheoutstandingadvantagesofDCmachinesarisefromthewidevarietyofoperatingcharacteristicswhichcanbeobtainedbyselectionofthemethodofexcitationofthefieldwindings.ThefieldwindingsmaybeseparatelyexcitedfromanexternalDCsource,ortheymaybeself-excited;i.e.,themachinemaysupplyitsownexcitation.Themethodofexcitationprofoundlyinfluencesnotonlythesteady-statecharacteristics,butalsothedynamicbehaviorofthemachineincontrolsystems.Theconnectiondiagramofaseparatelyexcitedgeneratorisgiven.Therequiredfieldcurrentisaverysmallfractionoftheratedarmaturecurrent.Asmallamountofpowerinthefieldcircuitmaycontrolarelativelylargeamountofpowerinthearmaturecircuit;i.e.,thegeneratorisapoweramplifier.Separatelyexcitedgeneratorsareoftenusedinfeedbackcontrolsystemswhencontrolofthearmaturevoltageoverawiderangeisrequired.Thefieldwindingsofself-excitedgeneratorsmaybesuppliedinthreedifferentways.Thefieldmaybeconnectedinserieswiththearmature,resultinginashuntgenerator,orthefieldmaybeintwosections,oneofwhichisconnectedinseriesandtheotherinshuntwiththearmature,resultinginacompoundgenerator.Withself-excitedgeneratorsresidualmagnetismmustbepresentinthemachineirontogettheself-excitationprocessstarted.55 ######大学毕业设计（论文）Inthetypicalsteady-statevolt-amperecharacteristics,constant-speedprimemoversbeingassumed.Therelationbetweenthesteady-stategeneratede.m.f.andtheterminalvoltageisWhereisthearmaturecurrentoutputandisthearmaturecircuitresistance.Inagenerator,islargethan;andtheelectromagnetictorqueTisacountertorqueopposingrotation.Theterminalvoltageofaseparatelyexcitedgeneratordecreasesslightlywithincreaseintheloadcurrent,principallybecauseofthevoltagedropinthearmatureresistance.Thefieldcurrentofaseriesgeneratoristhesameastheloadcurrent,sothattheair-gapfluxandhencethevoltagevarywidelywithload.Asaconsequence,seriesgeneratorsarenotoftenused.Thevoltageofshuntgeneratorsdropsoffsomewhatwithload.Compoundgeneratorsarenormallyconnectedsothatthem.m.f.oftheserieswindingaidsthatoftheshuntwinding.Theadvantageisthatthroughtheactionoftheserieswindingthefluxperpolecanincreasewithload,resultinginavoltageoutputwhichisnearlyconstant.Usually,shuntwindingcontainsmanyturnsofcomparativelyheavyconductorbecauseitmustcarrythefullarmaturecurrentofthemachine.Thevoltageofbothshuntandcompoundgeneratorscanbecontrolledoverreasonablelimitsbymeansofrheostatsintheshuntfield.Anyofthemethodsofexcitationusedforgeneratorscanalsobeusedformotors.Inthetypicalsteady-statespeed-torquecharacteristics,itisassumedthatthemotorterminalsaresuppliedfromaconstant-voltagesource.Inamotortherelationbetweenthee.m.f.generatedinthearmatureandtheterminalvoltageisWhereisnowthearmaturecurrentinput.Thegeneratede.m.f.isnowsmallerthantheterminalvoltage,thearmaturecurrentisintheoppositedirectiontothatinamotor,andtheelectromagnetictorqueisinthedirectiontosustainrotationofthearmature.Inshuntandseparatelyexcitedmotorsthefieldfluxisnearlyconstant.Consequently,increasedtorquemustbeaccompaniedbyaverynearlyproportionalincreaseinarmaturecurrent55 ######大学毕业设计（论文）andhencebyasmalldecreaseincountere.m.f.toallowthisincreasedcurrentthroughthesmallarmatureresistance.Sincecountere.m.f.isdeterminedbyfluxandspeed,thespeedmustdropslightly.Likethesquirrel-cageinductionmotor,theshuntmotorissubstantiallyaconstant-speedmotorhavingabout5percentdropinspeedfromnoloadtofullload.Startingtorqueandmaximumtorquearelimitedbythearmaturecurrentthatcanbecommutatedsuccessfully.Anoutstandingadvantageoftheshuntmotoriseaseofspeedcontrol.Witharheostatintheshunt-fieldcircuit,thefieldcurrentandfluxperpolecanbevariedatwill,andvariationoffluxcausestheinversevariationofspeedtomaintaincountere.m.f.approximatelyequaltotheimpressedterminalvoltage.Amaximumspeedrangeofabout4or5to1canbeobtainedbythismethod,thelimitationagainbeingcommutatingconditions.Byvariationoftheimpressedarmaturevoltage,verywidespeedrangescanbeobtained.Intheseriesmotor,increaseinloadisaccompaniedbyincreaseinthearmaturecurrentandm.m.f.andthestatorfieldflux(providedtheironisnotcompletelysaturated).Becausefluxincreaseswithload,speedmustdropinordertomaintainthebalancebetweenimpressedvoltageandcountere.m.f.;moreover,theincreaseinarmaturecurrentcausedbyincreasedtorqueissmallerthanintheshuntmotorbecauseoftheincreasedflux.Theseriesmotoristhereforeavarying-speedmotorwithamarkedlydroopingspeed-loadcharacteristic.Forapplicationsrequiringheavytorqueoverloads,thischaracteristicisparticularlyadvantageousbecausethecorrespondingpoweroverloadsareheldtomorereasonablevaluesbytheassociatedspeeddrops.Veryfavorablestartingcharacteristicsalsoresultfromtheincreaseinfluxwithincreasedarmaturecurrent.Inthecompoundmotortheseriesfieldmaybeconnectedeithercumulatively,sothatits.m.m.f.addstothatoftheshuntfield,ordifferentially,sothatitopposes.Thedifferentialconnectionisveryrarelyused.Acumulativelycompoundedmotorhasspeed-loadcharacteristicintermediatebetweenthoseofashuntandaseriesmotor,thedropofspeedwithloaddependingontherelativenumberofampere-turnsintheshuntandseriesfields.Itdoesnothavethedisadvantageofveryhighlight-loadspeedassociatedwithaseriesmotor,butitretainstoaconsiderabledegreetheadvantagesofseriesexcitation.TheapplicationadvantagesofDCmachineslieinthevarietyofperformancecharacteristicsofferedbythepossibilitiesofshunt,series,andcompoundexcitation.Someofthese55 ######大学毕业设计（论文）characteristicshavebeentoucheduponbrieflyinthisarticle.Stillgreaterpossibilitiesexistifadditionalsetsofbrushesareaddedsothatothervoltagescanbeobtainedfromthecommutator.ThustheversatilityofDCmachinesystemsandtheiradaptabilitytocontrol,bothmanualandautomatic,aretheiroutstandingfeatures.55'