2025年注冊(cè)電氣工程師考試電氣設(shè)備與控制專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練試卷：設(shè)備選型與控制策略考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、某工廠變電所擬新建一臺(tái)變壓器，變壓器一次側(cè)接額定電壓為110kV的電網(wǎng)，二次側(cè)需滿(mǎn)足最大負(fù)荷為8000kW，同時(shí)需要供給功率因數(shù)為0.8（滯后）的照明負(fù)荷和功率因數(shù)為0.9（滯后）的恒定無(wú)功負(fù)荷共300kVar。電網(wǎng)允許變壓器二次側(cè)電壓最高為105kV，最小為95kV。變壓器計(jì)劃年運(yùn)行時(shí)間為7200小時(shí)，綜合負(fù)荷率0.8。請(qǐng)選擇該變壓器的容量、接線組別和調(diào)壓方式，并計(jì)算其在最大負(fù)荷及平均負(fù)荷下的運(yùn)行效率（不計(jì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域的影響）。說(shuō)明選擇依據(jù)。二、某車(chē)間低壓配電線路，全長(zhǎng)120米，采用BV型銅芯塑料絕緣導(dǎo)線穿KBG32管敷設(shè)，環(huán)境溫度為30℃。線路末端連接一臺(tái)額定功率為22kW、功率因數(shù)為0.85、額定電流約為42A的異步電動(dòng)機(jī)。請(qǐng)計(jì)算該導(dǎo)線的最小截面積（考慮發(fā)熱和電壓損失）。若該線路擬采用自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)作為保護(hù)電器，請(qǐng)選擇合適的開(kāi)關(guān)型號(hào)規(guī)格，并簡(jiǎn)述其選擇依據(jù)。三、某變電站10kV出線線路，長(zhǎng)度15km，終端連接一臺(tái)S9-500kVA變壓器。線路采用LGJ-95/20型鋼芯鋁絞線架空敷設(shè)，終端變壓器低壓側(cè)額定電壓為0.4kV。請(qǐng)計(jì)算該線路在正常負(fù)荷（cosφ=0.85）下的電壓損失。若需在變壓器低壓側(cè)安裝電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，使系統(tǒng)功率因數(shù)提高到0.95，請(qǐng)計(jì)算所需補(bǔ)償?shù)娜萘勘恚╧Var），并簡(jiǎn)述補(bǔ)償方式的選擇考慮。四、分析比較VCB（真空斷路器）和SW6-110G（少油斷路器）在結(jié)構(gòu)、性能、運(yùn)行維護(hù)、環(huán)保等方面的主要差異。在什么情況下優(yōu)先選用VCB作為變電站或工廠變電所中的高壓設(shè)備？五、設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的工廠車(chē)間電力系統(tǒng)主電路控制方案。要求：系統(tǒng)包含一臺(tái)主變壓器（TN-S接零保護(hù)系統(tǒng)），低壓側(cè)設(shè)有兩臺(tái)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)分別控制生產(chǎn)動(dòng)力負(fù)載和生活照明負(fù)載。生產(chǎn)動(dòng)力負(fù)載由接觸器控制，可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止功能，并具有過(guò)載和短路保護(hù)。生活照明負(fù)載由一個(gè)斷路器直接供電。請(qǐng)簡(jiǎn)述主電路的接線方式（無(wú)需畫(huà)出電路圖），并說(shuō)明控制回路中應(yīng)包含哪些基本的保護(hù)環(huán)節(jié)及其作用。六、解釋繼電保護(hù)“靈敏性”和“選擇性”的含義。在圖1所示（此處無(wú)圖，但假設(shè)有一個(gè)單電源輻射形線路保護(hù)示意圖）的線路AB上，若A點(diǎn)發(fā)生相間短路，保護(hù)1和保護(hù)2均動(dòng)作。請(qǐng)說(shuō)明保護(hù)1和保護(hù)2的動(dòng)作行為是否符合選擇性要求？若不符合，應(yīng)如何調(diào)整（通過(guò)調(diào)整保護(hù)定值或原理）以滿(mǎn)足選擇性原則？七、闡述變頻器（VFD）在交流電機(jī)控制中的基本工作原理。簡(jiǎn)述使用變頻器控制電機(jī)時(shí)，對(duì)電機(jī)選型和電網(wǎng)的影響，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。八、根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50217）相關(guān)規(guī)定，說(shuō)明電纜長(zhǎng)期允許載流量計(jì)算中，需要考慮哪些修正系數(shù)？并解釋每個(gè)修正系數(shù)的含義及其對(duì)電纜載流量影響的規(guī)律。試卷答案一、答：選擇變壓器容量：根據(jù)最大負(fù)荷S_max=P_max/cosφ+Q_max=8000kW/0.8+300kVar=10000kVar+300kVar=10300kVA?？紤]同時(shí)率，初步選擇S_N=12500kVA。變壓器二次側(cè)額定電壓U_2N=0.4kV，最大允許電壓損失ΔU_max=(105-95)/110*100%=9.09%。線路阻抗近似計(jì)算Z_line≈(ρL)/(S_N*πD2)或查表。假設(shè)阻抗Z_line=0.08+j0.25Ω/km（示例值，實(shí)際需計(jì)算或查表）。電壓損失ΔU=I_line*Z_line=(S_max/(√3*U_2N))*Z_line=(10300*10^3)/(√3*400*10^3)*(0.08+j0.25)V=36.8+j117V。相對(duì)電壓損失ΔU_%=(36.8+j117)/400*100%=9.2+j29.25%。實(shí)際最高電壓損失遠(yuǎn)超9.09%，需加大容量或減小線路阻抗?？紤]經(jīng)濟(jì)性和裕度，選擇S_N=16000kVA變壓器。接線組別：變電站連接110kV電網(wǎng)，通常選用Dyn11接線組別，具有三次諧波抑制好、輸出電壓為星形連接線電壓的特點(diǎn)。調(diào)壓方式：由于二次側(cè)電壓波動(dòng)范圍較大（95V-105V），且負(fù)荷功率因數(shù)可能變化，宜選用有載調(diào)壓變壓器（OLTC），通常為帶有多檔位的調(diào)壓抽頭，例如±2×2.5%或±5%。計(jì)算效率：最大負(fù)荷時(shí)，I_N=S_N/(√3*U_N)=16000*10^3/(√3*400*10^3)=23.09A。損耗P_loss=P_cu*(I_N/I_N)^2+P_fe=I_N^2*R_d+P_fe。假設(shè)空載損耗P_fe=60kW，短路損耗P_cu=80kW，R_d=P_cu/(S_N*(I_N/I_N)^2)=80/(16000*(23.09/16000)^2)Ω。P_loss_max=(23.09^2*R_d)+60kW。輸出功率P_out=8000kW+300kVar*tan(acos(0.8))=8000+300*0.75=8450kW。效率η_max=P_out/(P_out+P_loss_max)。平均負(fù)荷時(shí)，I_avg=0.8*I_N=18.47A。P_loss_avg=(18.47^2*R_d)+60kW。輸出功率P_out_avg=8000kW*0.8+300kVar*tan(acos(0.8))*0.8=6400+300*0.6=6680kW。效率η_avg=P_out_avg/(P_out_avg+P_loss_avg)。選擇依據(jù)：依據(jù)計(jì)算得出的容量滿(mǎn)足負(fù)荷需求并留有裕度，Dyn11接線適用于配電系統(tǒng)，有載調(diào)壓能適應(yīng)電壓波動(dòng)和負(fù)荷變化，效率計(jì)算驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)性。二、答：計(jì)算負(fù)荷電流I=P/(√3*U*cosφ)=22000W/(√3*400V*0.85)≈44.6A?？紤]線路損耗和末端最小載流量要求，選擇截面積需大于計(jì)算電流。查表得知，BV-0.6/1kV，在KBG32管穿線，30℃環(huán)境下，40A長(zhǎng)期允許載流量約為35-45A。選擇導(dǎo)線截面積至少為6mm2(對(duì)應(yīng)載流量約40A以上)。保護(hù)電器選擇：根據(jù)線路末端短路電流計(jì)算或查表選擇自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)。假設(shè)末端短路電流約幾千安?？蛇xDW45N-630/3P或DZ20Y-630/3P。選擇依據(jù)：導(dǎo)線截面積依據(jù)載流量和敷設(shè)條件選擇，保護(hù)電器依據(jù)負(fù)荷電流和預(yù)期短路電流選擇，確保保護(hù)選擇性和靈敏度。三、答：計(jì)算電壓損失：LGJ-95/20導(dǎo)線參數(shù)查表得：R_0≈0.33Ω/km,X_0≈0.429Ω/km。線路阻抗Z_line=R_0+jX_0=0.33+j0.429Ω/km。正常負(fù)荷電流I=S/(√3*U_N)=(500*10^3+8400)/(√3*4000)A≈72.7A。電壓損失ΔU=I*Z_line*L=72.7*(0.33+j0.429)*15V≈361+j472V。相對(duì)電壓損失ΔU_%=(361+j472)/4000*100%≈9.03%+j11.8%。計(jì)算補(bǔ)償容量：補(bǔ)償前功率因數(shù)tanφ_1=1/cosφ_1=1/0.85≈1.179。補(bǔ)償后功率因數(shù)tanφ_2=1/cosφ_2=1/0.95≈1.054。需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率Q_C=P*(tanφ_1-tanφ_2)=500*(1.179-1.054)=112.5kVar。補(bǔ)償方式選擇：在變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償（并聯(lián)電容器組）是比較常見(jiàn)的方式，可以提高整個(gè)變電所的功率因數(shù)，且管理和維護(hù)相對(duì)方便。選擇依據(jù)：電壓損失計(jì)算基于線路參數(shù)和負(fù)荷電流，補(bǔ)償容量根據(jù)功率因數(shù)變化計(jì)算，集中補(bǔ)償方式簡(jiǎn)單有效。四、答：主要差異：1.結(jié)構(gòu)：VCB為真空滅弧室結(jié)構(gòu)，無(wú)油；SW6為油浸式滅弧室結(jié)構(gòu)，充油。2.性能：VCB開(kāi)斷速度快，觸頭磨損小，電氣壽命長(zhǎng)，無(wú)火災(zāi)和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；SW6開(kāi)斷速度慢，觸頭磨損大，電氣壽命短，受油質(zhì)和溫度影響大。3.運(yùn)行維護(hù)：VCB維護(hù)量小，只需定期檢查真空度；SW6需定期檢查油位、油質(zhì)，維護(hù)量大。4.環(huán)保：VCB無(wú)污染，符合環(huán)保要求；SW6使用礦物油，存在火災(zāi)和漏油污染風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)先選用條件：在環(huán)境要求高（如室內(nèi)、環(huán)保嚴(yán)格區(qū)域）、空間允許、對(duì)供電連續(xù)性要求高、運(yùn)行維護(hù)方便的場(chǎng)合，以及電壓等級(jí)不高（如6kV、10kV）的變電站或工廠變電所中，優(yōu)先選用VCB。五、答：主電路接線方式（概念描述）：變壓器低壓側(cè)出線首先連接總開(kāi)關(guān)QF1（自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)），再分支出兩路。一路至生產(chǎn)動(dòng)力負(fù)載開(kāi)關(guān)QF2（自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)），其下串聯(lián)接觸器KM的主觸頭、熱繼電器FR的熱元件和輔助觸點(diǎn)。另一路至生活照明負(fù)載開(kāi)關(guān)QF3（自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)），直接供電?？刂苹芈罚ǜ拍蠲枋觯嚎刂齐娫从勺儔浩鞯蛪簜?cè)引出，經(jīng)過(guò)熔斷器保護(hù)。生產(chǎn)動(dòng)力負(fù)載的控制：?jiǎn)?dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM線圈得電吸合，主觸頭閉合，接通動(dòng)力負(fù)載電源。同時(shí)，接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)自鎖。停止時(shí)，按下停止按鈕SB2，KM線圈失電釋放，主觸頭斷開(kāi)，負(fù)載斷電，自鎖解除?？刂苹芈分袘?yīng)有SB1、SB2按鈕，KM線圈，F(xiàn)R的常閉觸點(diǎn)（作為過(guò)載保護(hù)），QF1、QF2的常閉輔助觸點(diǎn)（實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖，防止帶負(fù)荷合閘）。生活照明負(fù)載控制：通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)或斷路器直接控制，或加入時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制。保護(hù)環(huán)節(jié)：QF1、QF2、QF3具有短路和過(guò)載保護(hù)（過(guò)電流脫扣器）；控制回路有熔斷器保護(hù)；生產(chǎn)動(dòng)力控制回路有熱繼電器FR提供過(guò)載保護(hù)，并有接觸器輔助觸點(diǎn)、按鈕、開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的聯(lián)鎖保護(hù)。六、答：靈敏性：指繼電保護(hù)裝置對(duì)其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障的識(shí)別能力，通常用靈敏系數(shù)K_s來(lái)衡量，K_s=故障時(shí)最小故障量/保護(hù)整定值。要求K_s≥1.25~1.5（根據(jù)保護(hù)類(lèi)型和重要性不同）。選擇性：指當(dāng)保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，只有故障點(diǎn)所在的保護(hù)裝置動(dòng)作，而相鄰線路或下一級(jí)線路的保護(hù)裝置不動(dòng)作（或只作為后備）。這是基于選擇性原則整定保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限（t動(dòng)），使得tn（靠近故障點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)限）<tn+1（下一級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限）。分析：圖示線路A點(diǎn)故障，保護(hù)1和保護(hù)2均動(dòng)作。若保護(hù)1是靠近電源端（或主保護(hù)），保護(hù)2是下一級(jí)（后備保護(hù)），則此行為符合選擇性原則，保護(hù)2作為后備。但更常見(jiàn)的情況是，若保護(hù)1和保護(hù)2都是針對(duì)A點(diǎn)故障的主保護(hù)，且整定值和時(shí)限未正確配合，或者存在其他故障點(diǎn)（如B點(diǎn)故障），可能導(dǎo)致此現(xiàn)象。若僅A點(diǎn)故障保護(hù)1動(dòng)作符合選擇性，保護(hù)2動(dòng)作則說(shuō)明選擇性不符合。調(diào)整方法：若保護(hù)1動(dòng)作正確，保護(hù)2誤動(dòng)，應(yīng)提高保護(hù)2的整定值（增大動(dòng)作電流或延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)限），使其低于或滯后于保護(hù)1的動(dòng)作特性。若保護(hù)2應(yīng)動(dòng)而未動(dòng)（作為后備），則需降低其整定值或縮短其動(dòng)作時(shí)限，確保在A點(diǎn)故障時(shí)能可靠動(dòng)作。七、答：變頻器工作原理：變頻器通過(guò)整流環(huán)節(jié)將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再通過(guò)逆變環(huán)節(jié)將直流電按設(shè)定的頻率和電壓波形轉(zhuǎn)換回交流電，從而控制供給交流電機(jī)的電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。對(duì)電機(jī)選型影響：變頻器輸出為PWM波形，頻率和電壓可調(diào)，對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速性能要求不同。通?？蛇x用普通籠型異步電機(jī)，但需注意變頻器品牌和電壓匹配。對(duì)于需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)或特殊轉(zhuǎn)矩特性的場(chǎng)合，可能需要選用變頻器專(zhuān)用電機(jī)。對(duì)電網(wǎng)影響：整流環(huán)節(jié)產(chǎn)生諧波電流，可能對(duì)電網(wǎng)造成污染。啟動(dòng)和調(diào)速過(guò)程中的電壓波動(dòng)可能影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。改進(jìn)措施：選用諧波濾波器（如無(wú)源或有源濾波器）減少諧波污染；變頻器與電網(wǎng)之間加入電抗器，可減小諧波和啟動(dòng)電流沖擊；合理設(shè)置變頻器參數(shù)，如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、加減速時(shí)間，減少對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)；在電網(wǎng)容量有限或?qū)χC波要求嚴(yán)格時(shí)，選用多臺(tái)變頻器錯(cuò)峰運(yùn)行。八、答：電纜長(zhǎng)期允許載流量計(jì)算中需要考慮的修正系數(shù)及其含義和規(guī)律：1.環(huán)境溫度修正系數(shù)(K_T)：用于修正實(shí)際環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算溫度（通常是25℃）不同時(shí)對(duì)電纜載流量的影響。規(guī)律：環(huán)境溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度，K_T<1，實(shí)際載流量減??；環(huán)境溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度，K_T>1，實(shí)際載流量增大。計(jì)算公式：實(shí)際載流量=計(jì)算載流量*K_T。2.敷設(shè)方式修正系數(shù)(K_C)：用于修正電纜敷設(shè)方式（如直埋、穿管、架空等）不同時(shí)，散熱條件不同對(duì)電纜載流量的影響。規(guī)律：散熱條件好（如架空、電纜溝、空氣中多根并排敷設(shè)）的K_C>1；散熱條件差（如直埋、穿管、電纜橋架內(nèi)密集敷設(shè)）的K_C<1。3.散熱條件修正系數(shù)(K_S)：與K_C功能類(lèi)似，有時(shí)也單獨(dú)列出或包含在K_C中，特別強(qiáng)調(diào)電纜自身體積、數(shù)量對(duì)散熱的影響。規(guī)律：電纜數(shù)量多、排列密集、自身體積大時(shí)，K_S<1；反之，K_S>1。4.電纜間距修正系數(shù)(K_D)：當(dāng)多根電纜并行敷設(shè)時(shí)，電纜之間的