新华机械厂降压变电所电气设计

第1章 设计任务

1.1 课程设计名称

某化工厂35KV总降压变电所电气设计

1.2 设计要求

对该化工厂35KV总降压变电所电气设计，进行负荷计算及无功补偿计算，确定该厂变电所变压器的台数与容量、类型，选择变电所主接线方案、短路计算、高低压设备和进出线，确定防雷接地装置，最后按要求写出设计说明书，绘制该厂的主接线图。

1.3 设计依据

1.3.1 工厂负荷情况 1、 设计总平面布置图略。

2、 负荷情况：工厂生产任务及车间组成；本厂规模为小型化工厂。全部为化工产品。车间组成及布置如下：本厂设有一个主厂房，其中有1号生产车间，2号生产车间，3号生产车间，4号生产车间四个生产车间，除上述车间外，还有辅助车间及其

1

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它设施。负荷情况见表1

工厂负荷性质：主要用电工作岗位为三班制，年最大负荷利用小时数为5900小时。本厂80%负荷为一、二级。

2. 供用电协议：

(1)属地供电部门由某110/35KV地区变电所提供两路35KV独立电源，距该厂总降压变电所6.5 Km；35KV母线参数见下表；馈出线断路器设有定时限过流保护和电流速断保护，定时限过流保护整定动作时间为1.7s。35KV母线及馈出线断路器参数表见表2。

表2：35KV母线及馈出线断路器参数表

运行方式 大运行方式

小运行方式 （3）

短路容量 Sdmax=200 MVA （）

S3dmin=110 MVA 出口断路器定时限整定

tOP=1.7s tOP=1.7s (2)供电部门对工厂提出的要求： 1）应在总降压变电所35KV侧计量。

2）10KV功率因数应在0.93以上。 3. 本地区气象及地质条件：

(1)年最高气温40℃，最低气温-18℃，年平均气温12℃。年雷暴日30天。平均海拔650m。冻土层厚度0.9m。

(2)变电所地址地质以粘土为主。 (3)风向以西北风为主，最大风速28m/s。

第2章 负荷计算和无功功率补偿

2.1 负荷计算

2.1.１ 单组用电设备计算负荷的计算公式

a)有功计算负荷（单位为kW） P30=KdPe Kd为需要系数 b)无功计算负荷（单位为kvar） c)视在计算负荷（单位为kVA） d)计算电流（单位为A） I30

Q30P30tan

S30P30 cosS303UN

2

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2.1.2 多组用电设备计算负荷的计算公式 a)有功计算负荷（单位为kW） P30KpP30

式中P30i是所有设备组有功计算负荷P30之和，K0.85～0.95

b)无功计算负荷（单位为kvar）Q30KqQ30j

p是有功负荷同时系数，可取

式中Q30i是所有设备无功Q30之和，Kc)视在计算负荷（单位为kVA）

q是无功负荷同时系数，可取0.90～0.97

22S30P30Q30

d)计算电流（单位为A） I30S30 3UN经过计算，得到各变电所负荷计算表，如表2.1所示（额定电压取380V）

表2.1 各个变电所的负荷计算表

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 车间序号 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 设备容量计算负荷 需要cos 系数 0.80 0.80 0.65 0.20 0.40 0.60 0.30 0.80 0.85 0.75 0.75 0.75 0.75 0.80 0.80 0.80 0.65 0.50 0.65 0.50 1.00 1.00 0.80 0.80 0.80 0.80 tan 名称 Pe/kW 550 560 150 270 500 14 50 6 80 200 200 50 50 P30/kW Q30/kvar S30/kVA 440 448 97.5 54 200 8.4 15 4.8 68 150 150 37.5 37.5 1462.6485 330 336 73.1 90.2 346 14 26.0 0 0 112.5 112.5 28.1 28.1 550 560 121.9 83.0 400 13.0 30 4.8 68 187.5 187.5 35.1 35.1 I30/A 835.6 851.0 185.2 126.1 607.7 19.8 45.6 7.3 103.3 284.9 284.9 53.3 53.3 1号生产车间 2号生产车间 饮水站 3号生产车间 机械车间 幼儿园 仓库 浴室丶理发间 机修车间 锅炉房 水泵房 化验室 油泵房 0.75 0.75 0.75 1.67 1.73 1.67 1.73 0 0 0.75 0.75 0.75 0.75 计入Kp=0.90, 1421.675 2039.730 3099.05 Kq=0.95 3

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2.2 无功功率补偿

无功功率的人工补偿装置：主要有同步补偿机和并联电容器两种。由于并联电容器具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩容方便等优点，因此并联电抗器在供电系统中应用最为普遍。

表2.1 个变电所的负荷计算表

P30 886.95 Q30 702.1 S30 1131.2 1号变电所 2号变电所 3号变电所 4号变电所 236.16 427.7 488.6 79.02 24.7 82.96 337.5 267.14 430 1号变电所：QC1=P30(tan1-tan2)=886.95[tan(arccos0.80)-tan(arccos0.96)]=406.5kvar 2号变电所：QC2=P30(tan1-tan2)=236.16[tan(arccos0.80)-tan(arccos0.95)]=362.3kvar 3号变电所：QC3=P30(tan1-tan2)=79.02[tan(arccos0.50)-tan(arccos0.95)]=21.0kvar 4号变电所：QC4=P30(tan1-tan2)=337.5[tan(arccos0.75)-tan(arccos0.95)]=186.7kvar 1号变电所采用10个BCMJ0.4-40-3并联电容，2号变电所变压器采用9个BCMJ0.4-40-3，3号变压器变压器采用1个BCMJ0.4-20-3，4号变电所变压器采用16个BCMJ0.4-12-3并联电容。

''=（702.1-400.）kvar=302.1kvar ；Q30=（427.7-360）kvar=67.7 kvar Q30（1）（2）''=（24.7-20）kvar=4.7kvar；Q30=（267.14-192）kvar=75 kvar Q30（3）（4）视在功率：

'2'2'2'2P30Q30S30P30Q30=934.9 kVA；S30=245kVA （2）（1）'2'2'2'2S30P30Q30P30Q30=79.3 kVA；S30=347kVA （3）（4）计算电流：

I'30（1）'S303UN'S30=1420.4A；I'30（2）'S303UN'S30=500A

I'30（3）3UN=120A；I'30（4）3UN=527A

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补偿后工厂的功率因数为：

P30P30'

cos1='=0.94；cos2='=0.93

S30S30'P30P30'

cos3='=0.99； cos4='=0.97

S30S30'无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2-3，表2-4，表2-5，表2-6。

表2-3 无功补偿后1号变电所计算负荷

项目 cos 计算负荷 P30/kW 886.95 - 886.95 0.01S30=9.35 896.3 Q30/kvar 702.1 400 302.17 0.05S30=46.7 348.87 S30/kVA 1131.2 - 934.9 I30/A 1718.7 - 1420.4 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10kV侧负荷计算

0.80 - 0.94 - - 961.5 - 1460.9 0.93 表2-4 无功补偿后2号变电所的计算负荷

项目 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10kV侧负荷计算 cos 0.80 - 0.93 - 0.95 计算负荷 P30/kW 236.2 - 236.2 0.01S30=2.45 238.65 Q30/kvar 427.7 360 67.7 0.05S30=12.25 79.95 S30/kVA 488.6 - 245 - 249.8 I30/A 742.4 - 500 - 379.5

表2-5 无功补偿后3号变电所的计算负荷

项目 380V侧补偿前负荷

cos 0.83 计算负荷 P30/kW 79.2 Q30/kvar 24.7 S30/kVA 82.96 I30/A 126 5

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380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10kV侧负荷计算

- 0.99 - 0.99 - 79.02 0.01S30=0.793 79.813 20 4.7 0.05S30=4.148 8.848 - 79.3 - 80.3 - 120.6 - 122 表2-6 无功补偿后4号变电所的计算负荷

项目 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10kV侧负荷计算 cos 0.75 - 0.97 - 0.96 计算负荷 P30/kW 337.5 - 337.5 0.01S30=3.47 340.97 Q30/kvar 267.14 65 75 0.05S30=17.35 92.35 S30/kVA 430 - 347 - 353.3 I30/A 653.3 - 527 - 536.8 也可算出4变电所的总补偿：

QCP1tan2)1462.6485[tan(arccos0.80)tan(arccos0.99)]888.6 30(tan并联电容器为BGMJ0.4-12-3型52台，总共容量为12kvar74888kvar。补偿前后，变压器低压侧的有功计算负荷基本不变。

'无功计算负荷：Q30(1421.675888)kvar533.7kvar ''2'2P30Q301518.6kVA 视在功率：S30'S30计算电流：I2307.2A

3UN'P1462.6cos300.96 'S301518.6'30在无功补偿前，该变电所主变压器T的容量为应选为2100VA,才能满足负荷用电的需要；而采取无功补偿后，主变压器T的容量选为1600kVA的就足够了。

变压器的功率损耗为

PS300.01 1518.6=15.2kW T0.01

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QT0.05S300.05 1518.6=75.9kvar 变压所高压侧的计算负荷为

'P.615.21477.8kW 301462'Q30533.775.9609.6kvar 'S301477.82609.621598.6kVA

补偿后工厂的功率因数为

''S30P301477.8'cos'0.924 I3092.3A

Q301598.63UN'无功补偿后工厂380V侧和10kV侧的负荷计算如表2.1所示。

表2.7 无功补偿后工厂的计算负荷

cos 计算负荷 项目 P30/kW 380V侧补偿前负荷 380V侧无功补偿容量 380V侧补偿后负荷 主变压器功率损耗 10kV侧负荷计算 0.80 0.96 0.924 1462.6 1462.6 0.01S30=15.2 1477.8 Q30/kvar 1421.7 888 533.7 0.05S30=75.9 609.6 S30/kVA 2039.7 2307.2 1598.6 I30/A 3099.1 2307.2 92.3 第3章 变电所主变压器及主接线方案的选择

3.１ 变电所主变压器的选择

根据工厂的负荷性质和电源情况，工厂变电所的主变压器考虑有下列两种可供选

择的方案：

a)装设一台变压器 一般工厂变电所采用的中小型变压器多为油浸自冷式，故型号选择为S9型，容量根据式SNTS30选择，SNT为主变压器容量，S30为总的计算负荷，即：SNT1250 kVAS301218.6 kVA，故选一台S9-1250/10（6）型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，由邻近单位相联的高压联络线来承担。

b)装设两台变压器 型号也为S9型，而每台变压器容量根据式（3-1）、（3-2）选择，即

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（3-1） SNT(0.6~0.7)1218.6 kVA(731.16~853.02)kVA

SNTS30()(228.864.3434.3)kVA727.4kVA （3-2） 因此选两台S9-800/10（6）型低损耗配电变压器。工厂二级负荷所需的备用电源，由邻近单位相联的高压联络线来承担。所选主变压器的联结组均为Yyn0 。

3.2 主接线方案的技术经济比较

从主接线方案的技术指标考虑：装设一台变压器在供电安全性可满足要求，在供电可靠性可基本满足要求，在供电质量上选一台变压器，电压损耗较大，灵活性较差，扩建适应性较差；而装设两台变压器在供电可靠性及安全性上满足要求，且电压损耗较小，由于装设两台变压器，灵活性较好，且扩建适应性更好些。

从经济指标考虑，装设一台变压器比装设两台变压器经济的多。

综上所述，由于装设一台变压器可满足技术指标的要求且经济合理，因此选择一台变压器即可。

3.3 变电所主接线方案的选择

如图3-1所示

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图3-1 装设一台主变压器的主接线方案

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第4章 短路电流的计算

4.１ 绘制计算电路

(1) ～ ∞系统 500MVA (2) 6.5km 36.8kV S9-1250 10.5kV

图4-1 短路计算电路

K-1 (3) K-2 4.2 确定短路计算基准值

设基准容量Sd100MVA，基准电压UdUc1.05UN，Uc为短路计算电压，即高压侧Ud136.8kV，低压侧Ud210.5kV，则

Id1Sd3Ud1Sd100MVA336.8kV100MVA310.5kV1.6kA （4-1）

Id23Ud25.5kA （4-2）

4.3 计算短路电路中各个元件的电抗标幺值

4.3.１ 电力系统

已知电力系统出口断路器的断流容量Soc=1000MVA，故

X1100MVA/1000MVA0.1

（4-3）

4.3.2 架空线路

架空线路电抗x00.35/km，而线路长6.5km，故

X2x0lSd100MVA(0.356.5)2.06 22Uc(10.5kV) （4-4）

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4.3.3 电力变压器

查表得变压器的短路电压百分值Uk%=4.5，故

XUk%Sd3100S4.5100MVA2.8

（4-5）

N1001600kVA 因此绘制短路计算等效电路如图4-2所示。

10.1 22.06 k-1

32.8 k-2

图4-2 短路计算等效电路

4.4 k-1点（10.5kV侧）的相关计算

4.4.１ 总电抗标幺值

X**(k1)X1X20.12.062.16

（4-6）

4.4.2 三相短路电流周期分量有效值

I*d1k1IX*1.6kA2.160.7kA （4-7）

(k1)4.4.3 其他短路电流

I''(3)I(3)I(3)k10.7kA

（4-8）

i(3)sh2.55I''(3)2.550.7kA1.8kA

（4-9）

I(3)sh1.51I''(3)1.510.7kA1.0kA （4-10）

4.4.4 三相短路容量

S(3)k1SdX*100MVA(k1)2.1646.3MVA （4-11）

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4.5 k-2点（0.4kV侧）的相关计算

4.5.1 总电抗标幺值

***X(k2)X1X2X30.12.162.85.06 （4-12）

4.5.2 三相短路电流周期分量有效值

*Ik2Id2X*(k2)5.5kA1.1kA 5.06 （4-13）

4.5.3 其他短路电流

(3)(3)I''(3)IIk21.1kA

（4-14）

（4-15） （4-16）

(3)ish1.84I''(3)1.841.1kA2.0kA

(3)Ish1.09I''(3)1.091.1kA1.2kA

4.5.4 三相短路容量

)Sk(32Sd*X(k2)100MVA 19.8MVA

5.06 （4-17）

以上短路计算结果综合图表4-1所示。

表4-1 短路计算结果 三相短路电流 短路计算点 k-1 k-2 三相短路容量/MVA (3)ish (3)Ish Ik(3) 0.7 1.1 I''(3) 0.7 1.1 (3)I Sk(3) 46.3 19.8 0.7 1.1 1.8 2.0 1.0 1.2 12

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第5章 降压变电所一次设备的选择校验

5.1 10kV侧一次设备的选择校验

5.1.1 按工作电压选则

设备的额定电压UNe一般不应小于所在系统的额定电压UN，即UNeUN，高压设备的额定电压UNe应不小于其所在系统的最高电压Umax，即UNeUmax，高压开关设备、互感器及支柱绝缘子额定电压UNe12kV，Umax11.5kV，UN10kV，

穿墙套管额定电压UNe11.5kV，熔断器额定电压UNe12kV。 5.1.2 按工作电流选择

设备的额定电流INe不应小于所在电路的计算电流I30，即INeI30 5.1.3 按断流能力选择

设备的额定开断电流Ioc或断流容量Soc，对分断短路电流的设备来说，不应小于它可能分断的最大三相短路电流有效值Ik(3)或三相短路容量Sk(3)，即

(3)IocIk(3)或SocSk(3)

对于分断设备负荷电流的设备来说，则为IocIOLmax，IOLmax为最大负荷电流。 5.1.4 隔离开关、负荷开关和断路器的短路稳定度校验 a)动稳定度校验条件

(3)(3)或ImaxIsh imaxish(3)(3)

注：imax、Imax分别为开关的动稳定电流峰值和有效值，ish、Ish分别为开关所处

的三相短路冲击电流瞬时值和有效值。

(3)2b)热稳定度校验条件 It2tItima

(3)注：I为短路稳定电流，tima为热效时间，It为电器的热稳定电流，t为电器的热

稳定试验时间。

对于上面的分析，如表5-1所示，由它可知所选一次设备均满足要求。

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表5-1 10 kV一次侧设备的选择校验

选择校验项目 参数 装置地点条件 电压 电流 断流能力 动稳定度 (3) ish热稳定度 (3)2Itima UN IN Ik(3) 数据 10kV 72.2A 4.78kA 12.19kA 4.7821.943.4 额定参数 高压少油断路器SN10-10I/630 高压隔离开关一次设备型号规格 6GN8-10T/200UNe INe 630A Ioc imax It2t 10kV 16kA 40 kA 16241024 10kV 200A - 25.5 kA 1025500 高压熔断器RN2-10 电压互感器JDZ2-10 电压互感器JDZJ-10 电流互感器LQJ-10 避雷器FS4-10 户外隔离开关GW4-12/400 10kV 10/0.1kV 0.5A - - - - - - - 100.10.1//kV333 10kV 10kV 12kV - - - - 100/5A - 400A - - - - - 25kA - - 1025500 5.2 380V侧一次设备的选择校验

同样，做出380V侧一次设备的选择校验，如表5-2所示，所选数据均满足要求。

表5-2

选择校验项目 参数 数据 电压 380V一次侧设备的选择校验 电流 断流 能力 动稳 定度 (3) ish热稳定度 (3)2Itima 装置地点条件 UN 380V IN 1798.1A Ik(3) 30.32kA 55.78kA 30.3220.7643.5 14

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一次设备型号规格 额定参数 低压断路器DW15-2500 电流互感器LMZJ1-0.5 UNe 380V INe 2000A Ioc 60kA imax - It2t - 380V 2000/5A - - - 5.3 高低压母线的选择

高低压母线水平平放，档距为900mm，档数大于2，相邻两相母线的轴线距离为160mm，查附录表17得到，10kV母线选LMY-3(404mm),即母线尺寸为40mm4mm;380V母线选LMY-3（12510）+10010，即相母线尺寸为125mm10mm，而中性线母线尺寸为100mm10mm。

a)校验动稳定度

按公式(5-1)校验 alc (5-1)

式中al为母线材料的最大允许应力(Pa)，硬铝母线(LMY)型，al70MPa。

(3)c为母线通过ish时，所受到的最大计算应力。

上述最大计算应力按下式计算：cM为母线通过i(3)shM WF(3)l时，所受到的弯曲力矩，当母线档数大于2时，M

10b2hW为母线的截面系数，母线水平放置，W

6F(3)为发生三相短路时两导体之间产生的电动力

l107N/A2 ab为母线截面的水平宽度，h为母线截面的垂直高度。

(3)F(3)3ish2经计算得，高压侧母线c16.19MPa70MPa。 计算同上得到低压侧母线c22.3MPa70MPa。 b)校验热稳定度

按式AAminI(3)timaC，A为母线截面积，单位为mm2；Amin15

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为满足热稳定度条件的最小截面积，单位为mm2；C为材料热稳定系数，单位是

(3)为母线通过的三相短路稳态电流，单位为A；timaAs/mm2，可由附录表7查得；I(3)短路发热假想时间，单位为s。本母线中I4780A，tima0.50.20.7s，此母线

的短路保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s， C87As/mm2，把这些数

(3)据代入公式中得AminItima0.7478046mm2A160mm2。 C870.7291.6mm2A1250mm2，因此，以上87同理，低压母线截面Amin30320高低压母线选择适当。

第6章 变压所进线的选择

6.1 10kV高压进线和引入电缆的选择

6.1.1 10kV高压进线的选择校验

采用LGJ型钢芯铝绞线架空敷设，接往10kV公用干线。

a).按发热条件选择 由I30=70.4A及室外环境温度33度，查附录表16得，初选LGJ-35,其35度时的Ial149AI30,满足发热条件。

b).校验机械强度 查附录表14得，最小允许截面积Amin16mm2，而LGJ-35满足要求，故选它。

选标准截面35mm2，即LGJ-35满足要求。

6.1.2 由高压配电室至主变的一段引入电缆的选择校验

采用YJL22-10000型交联聚乙烯绝缘的铝芯电缆埋地敷设。

a)按发热条件选择 由I30=70.4A及土壤环境25度，查表附录18得，初选缆线芯截面为50mm2的交联电缆，其Ial120AI30,满足发热条件。

b)校验热稳定度

按式AAminI(3)timaC，A为电缆截面积，单位为mm2；Amin 16

新华机械厂降压变电所电气设计

为满足热稳定度条件的最小截面积，单位为mm2；C为材料热稳定系数，单位是

(3)为电缆通过的三相短路稳态电流，单位为A；timaAs/mm2，可由附录表7查得；I(3)短路发热假想时间，单位为s。本电缆线中I4780A，tima0.50.20.7s，终端

变电所保护动作时间为0.5s，断路器断路时间为0.2s， C84As/mm2，把这些数

(3)据代入公式中得AminItimaC47800.747.6mm2A50mm2。 84因此JL22-10000-3 50-DB电缆满足要求。

电缆的机械强度很好，无需校验器短路动稳定度。

第7章 变电所二次回路方案的选择

a)高压断路器的操作机构控制与信号回路 断路器采用手动操动机构，其控制与信号回路如《工厂供电设计指导》图6-12所示。

b)变电所的电能计量回路 变电所高压侧装设专用计量柜，装设三相有功电度表和无功电度表，分别计量全厂消耗的有功电能表和无功电能，并以计算每月工厂的平均功率因数。计量柜由上级供电部门加封和管理。

c)变电所的测量和绝缘监察回路 变电所高压侧装有电压互感器。其中电压互感

)的接线，器为3个JDZJ——10型，组成Y0/Y0/(开口用以实现电压测量和绝缘监察。

作为备用电源的高压联路线上，装有三相有功电度表和三相无功电度表、电流表。高压进线上，也装上电流表。低压侧的动力出线上，均装有有功电度表和无功电度表，低压照明线路上装上三相四线有功电度表。低压并联电容器组线路上，装上无功电度表。每一回路均装设电流表。低压母线装有电压表，仪表的准确度等级按要求

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新华机械厂降压变电所电气设计

图7-1手动操作断路器控制和信号回路

第8章 设计总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次对机械厂变电所的设计的实验，更加清楚的了解了对变电所配电所的具体设计方案，能够注重细节的设计，注重实际的需要及影响。导线，变压器和各个开关柜列应考虑多个方面的影响来选取最适合的方案。在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

最后更应该感谢指导老师们的细心指导。正是由于老师的辛勤培养,谆谆教导,才使此次课程设计得以圆满完成!

参考文献

[1] 刘介才. 工厂供电 [M]. 第五版. 北京：机械工业出版社，2009 [2] 刘介才. 供配电技术 [M]. 第二版. 北京：机械工业出版社，2004 [3] 刘介才. 工厂供电设计指导[M] 北京：机械工业出版社，2009

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