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电气工程及其自动化专业电力系统基础课程设计1000字设计报告

题目：某工业园区10kV配电网设计与分析

一、设计任务与目标

设计背景

某工业园区需新建一座10kV变电站，为区域内5家工厂供电，总负荷容量为8MW，功率因数0.85。要求设计合理供电方案，完成潮流计算、短路分析及设备选型。

设计目标

掌握电力系统基本设计流程；

验证潮流分布与电压稳定性；

校验短路电流并选择保护设备；

培养工程实践与仿真分析能力。

二、设计内容与步骤

1.基础数据整理与系统结构设计

负荷分配：将总负荷8MW按工厂位置分配至5条馈线，最大单条负荷2.5MW（馈线L3），最小1.2MW（馈线L5）。

主接线图设计：采用单母线分段接线，配置2台10/0.4kV变压器（容量选为2×6300kVA），预留1台备用。

参数设定：

电源侧短路容量：200MVA；

线路阻抗：架空线电阻0.17Ω/km，电抗0.35Ω/km（线路长度0.5~2km）；

变压器参数：Uk%=6%，ΔP=12kW。

2.潮流计算与分析

计算方法：采用简化牛顿-拉夫逊法，忽略接地支路，建立节点导纳矩阵。

计算步骤：

标幺值计算：基准容量取100MVA，电压基准10.5kV；

建立各元件（线路、变压器）的等效电路模型；

迭代求解各节点电压幅值与相角。

结果示例：

母线电压：10.2kV（满足±7%允许范围）；

最大电压损耗：馈线L3末端为4.3%（低于5%限值）。

3.短路电流计算与设备选型

短路类型：三相短路（最严重工况）；

计算点：变压器高压侧（10kV母线）与低压侧（0.4kV母线）；

计算结果：

10kV母线短路电流：Ik=18.6kA（周期分量有效值）；

冲击电流：ich=2.55×Ik=47.4kA；

设备选型依据：

断路器：额定电流1600A，开断能力25kA（裕度≥20%）；

电流互感器：变比1500/5，准确级0.5。

4.保护配置方案

主保护：

10kV出线：配置电流速断保护与过电流保护；

变压器：差动保护+瓦斯保护（主变内部故障）。

后备保护：

母线分段开关设低电压闭锁过流保护。

三、仿真验证与结果分析

1.MATLAB/Simulink仿真建模

搭建系统模型（图1），设置负荷动态特性与故障点；

关键仿真结果：

正常运行时，各节点电压波动范围10.1~10.3kV；

三相短路时，断路器动作时间0.12s，切除故障。

2.结果对比与误差分析

参数

理论计算值

仿真值

误差

母线电压（kV）

10.2

10.18

0.2%

短路电流（kA）

18.6

18.9

1.6%

误差来源：仿真中计入线路电容效应，理论计算忽略谐波分量。

四、设计总结与改进方向

1.设计成果

完成工业园区配电网结构设计，满足负荷需求与电能质量要求；

通过短路校验选定合格设备，保护配置合理可靠；

仿真验证表明系统稳定性良好，设计方案可行。

2.存在问题与优化建议

问题：馈线L3末端电压接近下限，重载时存在低电压风险；

改进措施：

增设无功补偿装置（SVG）至馈线末端，提升功率因数至0.95；

调整变压器分接头（+5%抽头），提高母线电压水平。

3.课程设计收获

深化了对电力系统“安全、经济、可靠”三性原则的理解；

掌握了潮流计算、短路分析的核心方法及MATLAB仿真工具；

认识到实际工程中需综合考虑理论计算与设备选型规范。