电气工程自动化毕业论文.pdf
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1、第 1 章绪论1.1 选题的背景和意义始于 20 世纪 30 年代的隧道掘进机施工法,随着 5060 年代机械工业和掘进机技术水平的不断提高,得到了特别快的开发。到目前为止,世界上采纳掘进机施工的隧道已超过 1000 座,总长度超过 4000km。掘进机施工法已逐步成为长大隧道修建中要紧的施工方法之一。随着隧道施工技术机械化程度的提高,隧道施工的耗电量也越来越大,且负荷集中。这给电气设计提出了更高要求。为保证施工质量和施工正常,确保隧道施工的可靠性,合理的施工供电设计显得越来越重要。在目前各种形式的能源中,电能具有如下特点:易于与其它形式的能源相互转化;输配简单经济;能够精确操纵、调节和测量。
2、因此,电能在工农业生产和人民日常生活中得到广泛应用,生产和输配电能的电力工业相应得到极大开发。如何正常、可靠、经济、合理地供配电能和使用电能是实现工业电气自动化的重要保证和本原。1.2 国内外研究现状近代电气设计以电能、电气设备、电气自动化技术为主体的综合性应用技术。采纳合理配电方式,采纳高效率变压器、电动机和照明电源、无功功率补偿装置和设备、监控电脑系统等措施,减少电能损耗,节约用电1。供电的开发趋势:(1)电源的开发趋势:电源电压范围得以扩大,随着负荷密度的增加,将采纳高压甚至超高压供电。中、低压配电系统,从增加供电容量提高电能质量和减少电能损耗动身,20kV 和 600V 电压等级正在酝
3、酿应用。(2)电力系统的开发趋势:依据用电负荷的重要级不和用电设备的实际要求,采纳自动操纵技术建立集中监控和保卫,提高故障检测和诊断技术,应用人工智能技术建立高可靠性、高质量、低损耗、运行灵活的电力系统。(3)电气设备的开发趋势:依据标准化、无油化、小型化的技术缘故此,电气设备多项选择用高尽缘裕度、低损耗及智能化、自动化设备。(4)充分利用计算机技术:计算机技术的应用在供电部门和用电单位,通过计算机及其支持软件,将各种信息实时采集、处理、传递,实现有效的操纵和协调,使电气设备的运行监控、系统保卫、用电负荷治理全面实现动态优化治理。(5)电力电子技术在电力系统和用电系统中有着广泛的应用:电力电子
4、技术在电力系统和用电系统的应用产生了特别大的经济效果和节能效果,开发国家在用户终端使用的电能中,有 60%以上的电能至少通过一次以上电力电子变流装置的处理。在配电网系统,电力电子装置用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等,以进行电能质量操纵,改善供电质量。在变电所利用电力电子装置更为操作系统提供可靠的交直流操作电源。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。电力电子技术还将不断开发,在电气领域中实现机电一体化。(6)采纳晶闸管变流装置对长距离、大容量电能实现直流输电:直流输电解决了由于交流线路存在分布电抗和对地分布电容,使电缆中电压升高且不便抑制的咨询题,而且直流输电线路具有
5、架设方便、能耗小、导线截面可得到充分利用及尽缘强度高等优点,使其更适宜远距离大容量输电。直流输电联结不同频率的电网,并可实现定电流操纵,限制短路电流。近年还开发起来依靠电力电子装置实现柔性交流输电(FACTS)。(7)无功补偿和谐波抑制:这对电力系统有重要的意义。晶闸管操纵电抗器、晶闸管投切电容器根基上重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器、有源电力滤波器等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。1.3 供电系统设计的任务研究的要紧内容供电系统的设计是依据电力用户所处的地理环境、地区供电条件、工艺和公用工程设计所提供用电负荷资料等进行的。供电设计一般分为两个时期,初步设
6、计时期和施工图设计时期。初级设计要紧落实供电电源及供电方式,确定供电系统方案;施工图设计时期因此依据初步设计方案具体绘制施工图,选定电气设备2。供电设计的要紧内容按照工艺和公用工程设计所提供用电负荷资料,计算负荷;依据负荷等级和计算负荷,选定供电电源、电压等级和供电方式;确定功率因数及补偿措施;依据环境和计算负荷,选择变电所位置、变压器数量和容量;确定变配电所主接线和户外高压配电方案;选择并校验电气设备及配电网线路载流导体截面;继电保卫系统设计和参数整定计算;确定高压变电所的调度方式;防雷设计和接地设计;绘制供电系统施工图;核算建设所需器材与总投资。第 2 章负荷计算2.1 负荷计算负荷计算的
7、内容和目的计算负荷是一个假想的持续性负荷,通常采纳 30min 的最大平均负荷。那个负荷是设计时选择电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等额定参数的依据。在工程上为方便计,亦可作为电能消耗量及无功功率补偿的计算依据3。需要系数负荷计算步骤依据施工用电平面布置和用电系统图,负荷计算应从开关箱、分配电箱、总电源箱逐级进行,负荷计算通常采纳需要系数法。(1)用电设备组的计算负荷及计算电流有功功率无功功率Q30 P30tg(kvar)P30 KxPekW(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)视在功率S30P30Q30kVA22计算电流3UN(2)车间变电所或配电干线的计算负荷系数
8、。有功功率I30S30A车间变电所或配电干线的计算负荷为各用电设备组的计算负荷之和再乘以同时P30 KpKxPekW无功功率视在功率S30P302(2-5)(2-6)(2-7)Q30 KqKxP30tgkvar Q30kVA2以上式中:用电设备组的设备功率 kW需要系数用电设备功率因数角的正切值、用电设备额定电压 kV(3)总落压变电所或配电所的计算负荷总落压变电所或配电所的计算负荷,为各配电干线的计算负荷之和再乘一同时系数和。对配电所的和,分不取 0.81 和 0.951;对总落压变电所的和,分不取 0.80.9和 0.930.97。计算变电所高压侧负荷时,应加上变压器的功率损失。当简化计算
9、时,同时系数和都取值。按需要系数负荷计算的结果(1)出口场区负荷计算结果列表如下:表 2-1 出口场区用电负荷一览表用电设备312 出碴机风机混凝土喷射空压机用电负荷kW9555安装容量kW9555需用系数%60100Costg实际负荷kW5755无功功率kvar视在功率kVA计算电流I30/A41416024.655110808866110拌合站水泵房水泵污水处理厂洞壁照明50753050150305040502560151253310010303续表 2-1用电设备场区照明生活办公合计用电负荷kW40100544安装容量kW40100674需用系数%5570取Costg实际负荷kW2270
10、无功功率kvar0视在功率kVA22492计算电流I30/A10(2)支洞场区负荷计算结果列表如下:表 2-216#支洞场区用电负荷一览表用电设备312 出碴机风机排水水泵排水水泵混凝土喷射空压机拌合站水泵污水处理厂洞壁照明场区照明生活办公合计用电负荷kW955525554155507530340100544安装容量kW95552555411105015030340100674需用系数%60100804060805040501005570取Costg实际负荷kW575520228825601532270无功功率kvar6600视在功率kVA23110322538计算电流I30/A1258171
11、100(3)出口作业区负荷计算结果列表如下:表 2-3 出口作业区用电负荷一览表设备名称新奇风机行吊洞壁照明1#污水处理厂机车修理间水泵站TBM 修理间刀具修理间空气压缩机锅炉房钢筋车间机械修理间拌和站2#污水处理厂场地照明生活用电出碴皮带机驱动备用用电负荷kW1101807030309010015055505010055305020020020安装容量kW22018070303027010015011050501001653050200600需用系数%95251005050606060605070605550608080取Cos11tg050实际负荷kW2094570151516260906
12、62535601530160480201647.75无功功率kvar04522015视在功率kVA707530251970计算电流I30/A113.95合计(4)支洞作业区负荷计算结果列表如下:表 2-416#支洞用电负荷一览表设备名称用电负荷安装容量需用系数Costg实际负荷无功功率视在功率计算电流kW新奇风机卷扬机支洞照明拌和站水泵机械修理间污水处理厂锅炉房场地照明生活用电11013215759010030504075合计kW110264157527010030504075%957010055606050506085取1100kW15162601525246kvar0220kVA1524I
13、30/A供电电源、电压等级和供电方式的选择施工场地主洞和支洞的场区平面图如附录图所示。kW;主洞皮带机600kW;通风220kW 以及场地用电。16#支洞的负荷:支洞皮带机750kW;主动皮带机600kW;通风 330kW;排水23kW 以及场地用电。其中各处通风、洞内照明、排水属一级负荷。出口 66kV 变电所距离洞口 200m,容量为 8150kVA。16#支洞 66kV 变电所离支洞洞口 100m,容量为 1000kVA。依据以上情况,主洞 66/10kV 的总落压变电所设两台主变压器,一台供场区和作业区,再由场区作业区的 kV 箱式变电站低压电缆4输电给各车间或设备的配电箱;另设一台临
14、时变压器单独供电给 TBM,工程过半后,再改用 16#支洞建的相同变压器供电。如此有利于解决因隧道过长压落过大咨询题。在出口场区单独建设一台 66kV/10kV变压器,由 10kV高压电缆沿洞壁送进 TBM本机变压器。电缆长度 9.5km。掘进到一半时,由16#支洞处的一台 66kV/10kV 变压器提供电源(架空引来 66kV),再由电缆引至TBM 本机变压器。由于线路较长,先补偿 TBM 的功率因数到 0.90,如此能够落低选择导线截面,节约资金。,能够得出,把功率因数调到 0.9,因此,需补偿:并联型电容器,现在初选,X0 0.095kmR0 0.18kmU pR0L qX0LUN故线路
15、的电压损耗为:(2-8)(2-9)线路的电压损耗百分值为:式中电压损耗百分比单位长度电阻。单位长度电抗。线路额定电压,取为 10kVU%100UUN将数据代进公式中,得。满足 TBM 用电电压落小于 10%的要求支洞先建一个 66/10kV 的总落压变电所,变电所一次侧双电源进线,采纳内桥式接结线,因为内桥接式结线运行灵活性较好,供电可靠性较高,适用于一、二级负荷供电。多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的契机较多、同时变电所的变压器不需要经常切换的总落压变电所。然后电缆引出两路 10kkV 箱式变电站,由低压电缆馈出到各车间或设备的配电箱。2.3 功率补偿功率因数对供电系统的碍事:供电系
16、统5输送的功率包括两局限:有功功率和无功功率。当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下,无功功率增大,即供电系统的功率因数落低将会引起:(1)系统中输送的总电流增加,使得供电系统中的电器元件,如变压器、电气设备、导线等容量增大,从而使工厂内部的起动操纵设备、测量仪表等规格尺寸增大,因而增大了初投资费用。(2)由于无功功率的增大而引起的总电流的增加,使得设备即供电线路的有功功率损耗相应地增大5。(3)由于供电系统中的电压损失正比于系统中流过的电流,因此总电流增大,会使供电系统中的电压损失增加,使得调压困难。对电力系统的发电设备来讲,无功电流的增大,使发电机转子的往磁效应增加,电压落低。无功功率
17、对电力系统及工厂内部的供电系统都有极不良的碍事。因此,供电单位和工厂内部都有落低无功功率需要量的要求,无功功率的减少就相应地提高了功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费,因此功率因数的凹凸也是供电系统的一项重要的经济指标。在工厂供电系统中,尽大多数用电设备都具有电感的特性。这些设备不仅需要从电力系统汲取有功功率,还要汲取无功功率以产生这些设备所必需的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下,无功功率增大,就会落低供电系统的功率因数。工厂供电系统设计时期要依据设计计算的功率因数与供电部门所要求的功率因数进行对比,要是不满足要求,应提高功率因数6所用的补偿装置类型和容量。提高功率因数的方法:
18、(1)提高自然功率因数:不添置任何补偿设备,采取措施减少供电系统中无功功率的需要量。是最经济的提高功率因数的方法。合理选择感应电动机和变压器减少感应电动机和变压器的无功功率消耗是提高自然功率因数的要紧设施之一。(2)功率因数的人工补偿:供电单位在工厂进行初步设计时对功率因数要提出一定的要求,它是依据工厂电源进线、电力系统发电厂的相对位置以及工厂负荷的容量决定的。依据全国供电规因此的有关,要求一般工业用户的功率因数为以上。目前国内外工矿企业广泛采纳静电电容器补偿装置进行补偿。补偿方式分为:个不补偿、分组补偿和集中补偿。由于静电电容器制造工艺上的缘故,低压电容器的价格要比同容量的高压电容器高。因此
19、,采纳高压集中补偿,电容器本身价格对比低廉,电容器利用率高,易于治理,但投切电容器的开关设备及保卫装置价格对比高,采纳低压静电电容器在变电所低压侧集中或在车间中分散,甚至对电气设备个不补偿,补偿效果较高压侧好,开关及保卫设备价格低且易于实现自动投切,缺点是置于负荷末端的补偿电容器利用不充分。针对我国目前情况,低压静电电容器与高压静电电容器价格区不不大,没有按照技术经济分析的方法确定每台开关电器连接电容器的最优容量,特别是高压断路器等高压设备的价格高昂,因此采纳低压补偿的方案。功率因数补偿:(1)场区:变压器的功率损耗:变电所高压侧的计算负荷为:(2)作业区:变压器的功率损耗:变电所高压侧的计算
20、负荷为:I30 726.5kVA(3)高压 10kV 侧母线上:变压器的功率损耗:(4)高压 66kV 侧母线上:3UN 41.9A2.4 变压器的选择变压器选择:依据负荷计算7和功率补偿的结果,依据变电所主变压器容量的选择要求:1、只装一台主变压器时,主变压器容量,为全部用电设备的计算负荷。2、装设两台主变压器时,每台变压器的容量,且。总落压变电所为户外式变电所8,选择两台型号为的变压器并列运行;场区选择一台型号为的变压器;作业区选择一台型号为的变压器。由因此临时施工用电,且容量不是特别大,决定均采纳对比经济的箱式9变电站形式。变压器位置应该定:变压器的位置应考虑便于运输、运行和检修,同时应
21、选择正常可靠的地点,因此应满足以下几个方面:(1)变压器应在高压进线方便处,且应尽量接近高压线。(2)变压器必须安设在其供电范围的负荷中心,使其投进运行时线路损耗最小,且满足电压要求。一般情况下还应安设在大负荷的四面。当配电电压在380V 时,供电半径10不应大于 700m,一般以 500m 为宜。高压变电站之间的距离,一般在 1000m左右。(3)洞内变压器应安装在避车洞或不用的横通道处,变压器与四面及上下洞壁的距离不得小于 30cm,同时按 要求设置正常防护措施。第 3 章短路计算与电气设备的选择短路,确实是根基供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出值的大电流。当短路电流通过
22、电气设备时,设备温度急剧上升,过热会使尽缘加速老化或损坏,同时产生特别大的电动力,使设备的载流局限变形或损坏。短路电流在线路上产生特别大压落,碍事设备运行。为了选择和校验电气设备、载流导体和整定供电系统的继电保卫装置,需要计算三相短路电流;在校验继电保卫装置的灵敏度时还要计算不对称短路的短路电流值;校验电气设备及载流导体的动稳定度和热稳定度,就要用到短路冲击电流、稳态短路电流和短路容量。短路计算相关公式:系统的电抗:变压器的电抗:线路的电抗:三相短路电流:(3)IKUc2XsSocUk%Uc2XT100SNXwl X0l(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)Uc3Xk三相
23、短路次暂态电流和稳态电流:三相短路容量:33I3 I IK(3)(3)SK3UcIK3.1 最大运行方式下的短路计算图 3-1 短路计算电路图图 3-2 短路等效电路图计算 K-1 点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗系统的电抗:,因此高压架空线路的电抗:,因此电源点至短路点的电路总电抗(2)计算三相短路电流和短路容量短路电流周期重量有效值短路次暂态电流和稳态电流短路冲击电流及第一周期全电流有效值三相短路容量计算 K-2 点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗系统的电抗:高压架空线路的电抗:型电力变压器的
24、电抗:,因此,电源点至短路点的总电抗(2)计算三相短路电流和短路容量短路电流周期重量有效值短路次暂态电流和稳态电流短路冲击电流及第一周期全电流有效值三相短路容量计算 K-3 点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗系统的电抗:高压架空线路的电抗:型电力变压器的电抗:电缆线路的电抗:,型电力变压器的电抗:电源点至短路点的总电抗(2)计算三相短路电流和短路容量短路电流周期重量有效值短路次暂态电流和稳态电流短路冲击电流及第一周期全电流有效值三相短路容量计算 K-4 点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗系统的电抗:
25、高压架空线路的电抗:型电力变压器的电抗:电缆线路的电抗:型电力变压器的电抗:电源点至短路点的总电抗(2)计算三相短路电流和短路容量短路电流周期重量有效值短路次暂态电流和稳态电流短路冲击电流及第一周期全电流有效值及三相短路容量表 3-1 最大运行方式下的短路计算结果短路计算点33.2 最小运行方式下的短路计算求 K-1 点的短路电路总电抗及三相短路电流和短路容量(1)计算短路电路中各元件的电抗和总电抗:系统的电抗:现在,因此高压架空线路的电抗:电源点至短路点的总电抗:(2)计算三相短路电流和短路容量:短路电流周期重量的有效值:短路次暂态电流和稳态电流有效值:短路冲击电流及其有效值:三相短路容量:
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