平煤八矿35KV变电所设计

I 绪论 平顶山天安煤业股份有限公司八矿（简称：平煤股份八矿）位于河南省平顶山市区东部，北依焦赞山，南临平安大道，距许平南高速公路 7 公里，西距市中心 11 公里， 311 国道、孟（庙）宝（丰）铁路穿境而过。 八矿始建于 1966 年 10 月 12 日，是我国自行设计和施工的第一座特大型矿井，设计年生产能力 300 万吨， 1981 年 2 月 13 日一期工程投产， 1984 年 12 月 30 日二期工程投产。矿井附设坑口选煤厂于 1977 年 7 月动工兴建， 1985 年 12 月 28日移交投产，年入洗量 180 万吨。 变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个 电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的因素。系统中，变电站成了输电和配电的集节点。 本次设计首先根据任务书上所给系统与线路及所有负荷的参数，分析负荷发展趋势。从负荷增长方面阐明了建站的必要性，然后通过对拟建变电站的概括以及出线方向来考虑，并通过对负荷资料的分析，安全，经济及可靠性方面考虑，然后又通过负荷计算及供电范围 确定了主变压器台数，容量及型号，同时也确定了站用变压器的容量及型号，并进行了短路电流计算等内容，从而完成了 35气一次部分的设计。 录 绪论 . I 第一章负荷计算与变压器选择 . 1 荷计算 . 1 率因数的提高 . 5 变压器的选择 . 6 压器台数选定 . 6 压器容量选择 . 7 电所位置选择 . 7 第二章 输电线路和 主接线的设计 . 9 接线的概述 . 9 接线的分类及其各特点 . 9 统主接线方案的选择 . 10 变压器一次侧的接线 . 10 变压器二次侧的接线 . 11 电系统图统图 . 11 第三章 短路电流计算 . 13 路成因及危害 . 13 路的原因 . 13 算短路的目的 . 14 算短路电流 . 15 第四章设备的选择及 继电 保护 . 19 气设备选择的一般条件 . 19 气设备的选择 . 20 压断路器的选择 . 20 感器的选择与配置 . 21 压成套开关柜选择 . 22 线与出线的选择与校验 . 23 35空线、母线的选择 . 23 6线选择 . 24 电 保护 . 25 压器过流保护 . 25 压器过负荷保护 . 26 压器瓦斯保护 . 27 第五章 供电安全技术 . 28 电所防雷的设计 . 28 电网的防雷保护 . 30 地的分类及作用 . 31 述 . 31 地的分类 . 31 种接地类型的定义及作用 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 第 1 页 第一章负荷计算与变压器选择 荷计算 进行电力设计的基本原始资料是用电部门提供的用电设备安装容量。这些用电设备品种多，数量大，工作情况复杂。如何根据这些资料正确估计所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估计的准确程度，影响电力设计的质量，如估算过高，将增加供电设备的容量，使供配电系统复杂，浪费有色金属，增加初期投资和运行管理工作量。而估算过低，又会使供配电系统投入运行后，供电系统的线路和电气设备由于承担不了实际的负荷电流而过热，加速绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电 系统的正常可靠运行。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。但是负荷情况复杂，影响计算负荷的因素有很多，虽然各类负荷的变化有一定的规律可行，但仍难准确确定计算负荷的大小。实际上，负荷也不是一成不变的，他与设备的性能，生产的组织，生产者的技能及能源供应的状况等多种因素有关。因此负荷计算只能力求接近实际。 求计算负荷的工作称为负荷计算。计算负荷是根据已知的用电设备安装容量确定的，预期不变的最大假想负荷。这个负荷是设计时作为选择供配电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的额定参数的依据，所以非常重要 。 一级负荷：中断供电将造成人身伤亡，造成重大的政治影响，经济损失，如重大的设备损坏，重大产品报废。或者公共场所秩序的严重混乱。对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽，通信枢纽，国家级承担重大活动的会堂，国家级的体育中心，以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等一级负荷，为特别重要的负荷。在一级负荷中，当中断供电将发生中毒，爆炸和火灾等情况的负荷，一级特别重要的场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。 二级负荷：中断供电将造成较大的政治影响，造成设备局部的破坏或生产流程紊乱且需要较长时间才能恢 复，或者大量的产品报废，重要产品大量减产，造成较大经济损失。中断供电也将影响重要用电单位的正常工作，以及中断供电将造成大型影剧院，大型商场等较多人员集中的重要公共场所秩序的混乱。 我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的基本方法，有需要系数法和二项式法。（ 1）需要系数法：他是国际上普遍采用的计算负荷的基本方法，最为简便。（ 2）二项式法：他的应用局限性较大，不仅考虑了用电设备组最大负荷时的平均负荷，而且考虑了少数容量最大的设备投入运行时对总计算负荷的额外影响，所以二项式法比较适于确定设备台数较少而容量差别较大 的低压干线和分支线的计算负荷。但是二项式计算系数 b， c 和 x 的值，缺乏充分的理论依据，且只有机械工业方面的部分数据，从而使其应用受到一定局限。（ 3）按逐级计算法确定用户的计算负荷 :他是根据用户的供配电系统图，从用电设备开始，朝电流的方向逐 第 2 页 级计算，最后求出用户总的计算负荷的方法称为逐级计算法。 我采用的就是需用系数法： 以一组用电设备来分析需用系数 该组用电设备有 额定总容量为 则当此用电设备组满载运行时需从电网接用容量。 P ； （ 1 式中 用电设备从电网吸收容量， n 台电动机的加权平均效率 . （ 1 然而 n 台电动机同时运行的可能性很小。我们可以定义同时运行系数 全部电动机的总额定容 的总和行的电动机的额定容量在最大负荷期间投入运本次设计所需用席数按照参考质料均已记入表中 其计算公式的一般表达式为： ca d P ,kW ta , c o ,( 3 )ca I S U ,A (1式中 电设备的有功无功视在功率计算负荷； 用电设备的总额定容量； 定电压； 功率因数角的正切值； 用电设备的计算负荷电流； 用系数。 根据负荷资料 ,求出各类成组设备的设备容量、 、有功功率 P、无功功率Q 及视在功率 S。 需用系数法负荷计算的步骤从负载端开始逐级上推，到电源进线为止。 第 3 页 主井提升机 =2000=ca d P =2000=1800 =1800 116 c o =1800( 3 )ca I S U =井提升机 =16000.8,=ca d P =1600=1280 =1600 c o =1600( 3 )ca I S U =风机 =1200=ca d P =1200=960 =960 （ = c o =960( 3 )ca I S U =它同理，在此不做赘述，最后统计结果见表 1 第 4 页 备注18同步机同步机外供电取比 例/%1710010010010010025100100251008050100100计算负荷计算电流/%5. 0,0 功率因数 数 5 设备容量/200016001200800 500 539 800 500 539 25999,。5 7200装 容量6 20001600180016007501600750设备台数工作 台数5 1 1 2 1 2 1 2 安 装 台 数4 1 1 3 2 3 2 3 额定 电压 /6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 35 用电设备名称2 地面高压主井提升机副井提升机压风机南风井通风机压风机低压设备北风井通风机压风机低压设备地面低压地面工业广场所用变压器锅炉房机修厂坑木场选煤厂水井源工人村其他用电设备井下主排水泵（最大涌水量）主排水泵（正常涌水量）统计计算结果全矿合计全矿计算负荷电容器补偿容量补偿后负荷主变压器损耗全矿总负荷序号1 一 1 2 3 二 1 2 3 三 1 2 3 四 1 2 3 4 5 6 7 8 9 五 1 1 六 1 2 3 4 5 6 表1 第 5 页 率因数的提高 用户中绝大数用电设备，如感应电动机，电力变压器，电焊机，电弧炉及气体放电灯，他们都 要从电网吸收大量无功电流来产生交变磁场，其功率因数均小于 达不到规定的功率因数要求时，必须考虑进行无功功率的人工补偿。 在供电营业规则中规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定： 100以上高压供电的用户，功率因数在 上。其他电力用户个大，中型电力排灌站，功率因数为 上”。并规定，凡功率因数未达到上述规定的，应增添无功补偿装置，通常采用并联电容器进行补偿。这里所指的功率因数，即为最大负荷时的功率 因数。 常用的方法有： 1 提高自然功率因数：功率因数不满足要求时，首先应提高自然功率因数。自然功率因数是指未装任何补偿装置的实际功率因数。提高自然功率因数，就是不添加任何补偿设备，采取科学的措施减少用电设备无功功率的需要量，使供电系统总功率因数提高。它不需要添加设备，是最理想最经济改善无功功率因数的方法。工厂里感应电机消耗无功功率的百分之六十左右，变压器消耗了百分之二十的无功功率，提高功率因数的主要途径也是如何减少感应电机和变压器上消耗的无功功率。合理地配置变电所变压器的容量和台数，当变压器容量选择过大而 负荷又轻时，变压器运行很不经济，系统功率因数恶化。若工厂配电变压器选用两台或多台时，根据不同的负荷来决定投入并联变压器的台数，达到供电变压器经济运行，减少系统消耗的无功功率。 2 人工补偿功率因数：常用的方法有：（ 1）并联电容器：他是目前用户，企业内广泛采用的一种补偿装置，具有有功损耗小，无旋转部分，运行维护方便，根据系统需要增加或减少安装容量和改变安装地点，个人电容器损坏不影响整个装置的运行等优点。同样他也有只能有级调节，不能随无功功率变化进行平滑的自动调节，当通风不良及运行温度过高时易发生漏油，鼓肚，爆炸 故障等缺点。单台静电电容器能发出的无功功率较小，但容易组成所需的补偿容量。静电电容器的补偿方式分为三种：个别补偿，分组补偿和集中补偿。个别补偿是在电网末端负荷处补偿，可以最大限度地减少线路损耗和节省有色金属消耗量。个别补偿利用率低，易受环境条件的影响，适用于长期稳定负荷且需无功功率较大的负载。分组补偿是在电网末端多个用电设备共用一组电容器补偿装，分组补偿的电容器利用率较高，比单个补偿节省容量。集中补偿是将电容器安装在工厂变电所变压器的低压侧或高压侧，一般安装在低压侧，这样可以提高变压器的负荷能力。最好的补偿 方法是采用电容器集中补偿与分散相结合的补偿方法。（ 2）同步电动机补偿：他是通过改变励磁电流来调节和改善供配电系统的功率因数，但是其价格高，维修麻烦，所以同步电机应用不广。（ 3）动态无功功率补偿：若有冲击性负荷 ,一般并联电容器的自动切换装置响应太慢，必须采用大容量，高速动态无功补偿装置。 第 6 页 根据供电营业规则规定： 100以上高压供电用户功率因数要在 1）补偿前：功率因数 2）考虑到无功损耗 大于 以低压侧补偿后的功率因数应略高于 2） =以低压侧装设并联电容器容量为： (查表，补偿率 89*（ =389* 3）补偿后变电所低压侧视在计算负荷： 22 8 9 4 4 3 . 7 3 0 3 . 4 （ ）=算电流 负荷计算中， 列的变压器功率损耗 )= )=压侧计算负荷 ） =389+1） =（ +1） =428的功率因数 足 要求 。 变压器的选择 主变压器容量一般按变电站建成后 5 10 年的规划负荷选择，并适当考虑到远期 10 20 年的负荷发展。对于城郊变电站，主变压器容量应与城市规划相结合。根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。同级电网的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。 压器台 数选定 总之，主变压器容量一般按变电所建成后 5的规划负荷选择，并适当考虑到远期 10的负荷发展。对于城郊变电所 ,主变压器容量应与城市规划相结合。，对于户内变压器，由于散热条件差，一般变压器室的出风口与进风口间有 15度的温差，从而使处在室中间的变压器环境温度比户外变压器环境温度高出的 8度，因此户内变压器的实际容量在所计算的容量还要减少 8%。根据变电所所带负荷的性质和电网结构来确定变压器的容量。对于有重要负荷变压器的变电所，应考虑当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许进间内，应保证用户的一级和二级负荷；对一般性变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应能保证全部负荷的 70%同级电压的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。 还要指出：由于变压器的负荷时变动的，大多数时间是欠负荷运行，因此必要时可以适当过负荷，并不会影响其使用寿命，油浸式变压器，户外正常过负荷30%，户内可正常过负荷 20%。但是干式变压器一般不考虑过负荷。最后还必须指出，变电所主变压器台数及容量的确定，应结合主接线方案，按经济比较择优选择。 第 7 页 通过上面的分析：因为考虑到 八矿 变电所属于车间变电所，并且二级负荷占30%。所以应装设两台变压器。 当装设两台变压器 时： 30%以我选择 10 列油浸式铜线电力变压器 0（ 。并采用 线。 压器容量选择 变电所主变的容量是由供电负荷（综合最大负荷）决定的。 )(867139107740 2222 K V 每台变压器的容量按计算负荷的 80%选择。 6 9 3 7%808 6 7 1*%80 （ 经查表选择变压器的型号为 5，即额定容量为 8000 因为%92%1 0 08 6 7 18 0 0 0 %80 ，即选择变压器的容量满足要求。 电所位置选择 选择变电所位置时 ，应依照国家十至二十年的长远规划和五至十年的系统设计，搞清所选变电所的负荷分布，近期和远期在系统中的地位和作用，系统连接方式，电源潮流，负荷对象，供电要求等，以满足国民经济发展的需要，从而使所址位置选择得比较合理。变电所位置的选择必须适应电力系统发展规划和布局的要求，尽可能的接近主要用户，靠近负荷中心。这样，必然就会减少输电线路的投资和电能的损耗，既经济又节省能源。 因此变电所位置的确定遵循以下原则： (1)接近负荷中心。接近负荷中心主要从节约一次投资和减少运行时电能损耗的角度出发。 (2)进出线方便。要有 足够的进出线走廊，提供给架空进线、电缆沟或电缆隧道。 (3)靠近电源侧。变电所应靠近电源进线侧布置，以免过大的功率倒送，产生不必要的电能损耗和电压损失。 (3)满足供电半径的要求。由于电压等级决定了线路最大的输送功率和输送距离，供电半径过大导致线路上电压损失太大，使末端用电设备处的电压不能满足要求。因此变电所的位置应保证所有用电负荷均处于该站的有效供电半径内，否则应增加变电所或采取其他措施。 第 8 页 (4)运输设备方便。 (5)避免设在有剧烈震动和高温的场所。 (6)避免设在多尘或有腐蚀性气体的场所，避免设在潮湿或 易积水场所。 第 9 页 第二章 输电线路和 主接线的设计 接线的概述 电气主接线是指变电所中的一次设备按照设计要求连接起来的，表示接受分配电能的电路，也称为主电路。电气主接线中的设备用标准的图形符号和文字负荷表示的电路称为主接线图。电气主接线的形式，将影响到配电装置的布置，供电可靠性。运行灵活性和二次接线，继电保护等问题。电气主接线对变电所以及电力系统的安全，可靠经济的运行起着重要的作用。 电气主接线的作用：（ 1）它是电气运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据。（ 2）它表明了变压器，断路器和线路等电气设备的 数量，规格，连接方式及可能的运行方式。（ 3）主接线的好坏直接影响到电力系统的安全，稳定，灵活，经济运行，也直接影响到工农业的生产和人民的生活。电气主接线设计是电力系统总体设计的组成部份。变电所主接线形式应根据变电所在电力系统中的地位、作用、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节约投资等要求。 主接线设计的基本要求为： (1)供电可靠性。主接线的设计首先应满足这一要求；当系统发生故障时，要求停电范围小，恢复供电快。应符合有关国家标准和技术规范的要求，能充分保证人身和设备 的安全。应满足电力负荷特别是其中一二级负荷对供电可靠性的要求。 (2)适应性和灵活性。能适应一定时期内没有预计到的负荷水平变化；改变运行方式时操作方便，便于变电所的扩建。应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检查，且适应负荷的发展。 (3)经济性。在确保供电可靠、满足电能质量的前提下，要尽量节省建设投资和运行费用，减少用地面积。并节约电能和有色金属消耗量。 (4)简化主接线。配网自动化、变电所无人化是现代电网发展必然趋势，简化主接线为这一技术全面实施，创造更为有利的条件 。 (5)设计标准化。同类型变电所采用相 同的主接线形式，可使主接线规范化、标准化，有利于系统运行和设备检修。 参考 35 110电所设计规范第 。变电所的主接线应根据变电所所在电网中的地位、出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求。 接线的分类及其各特点 本变电所是 35/6电源进线的终端变电所，属双回路供电。主变容量16000拟定选用桥式接线。 桥式接线分为内桥、外桥、全桥三种。下对其可行性作简单比较。 内桥接线：它由两台受电线路的断路 器和内桥上的母联断路器组成。主变压 第 10 页 器与一次母线的隔离开关联结。它的优点是切换进线方便，设备投资、占地面积相对全桥少，缺点是倒换变压器不方便，继电保护较复杂，适用于距离较长，变压器切换不很频繁的变电所。 这种接线一次侧可设线路保护，但主变压器和受电线路保护的短路器均由受电断路器承担，互有影响，这是它的主要缺点。 主变压器一次由隔离开关与母线联接，对环形供电的变电所，在操作时常被迫用隔离开关切合空载变压器。当主变压器电压为：电压 35量 7500上时，其空载电流超过了隔离开关的切合能力。此时必须改用由 五个断路器组成的全桥接线。 外桥接线：它由主变压器一次侧两断路器和外桥上的联络短路器组成，进线由隔离开关受电。 这种接线对变压器的切换方便，比内桥少两组隔离开关，继电保护简单，易于过渡到全桥或单母线分段的结线，且投资少，占地面积小。缺点是倒换线路时操作不方便。所以这种接线适用于进线短而倒闸次数少的变电所，或变压器采用经济运行需要经常切换的终端变电所。 全桥接线：它由进线的两台断路器、变压器一次侧的两断路器和 35流母线上的联络短路器组成。 这种接线方式适应性强，对线路、变压器的操作均方便，运行灵活，且易 于扩展成单母线分段式的中间变电所（高压有穿越时负荷时）。继电保护全面。缺点是设备多，投资大，且变电所占地面积大。 统主接线方案的选择 基于本变电站所主变容量较大以及煤矿对供电可靠性运行的灵活性，操作方便等的严格要求，结合以上分析，决定采用全桥接线作为本变电所的主接线方式。 变压器一次侧的接线 主变压器一次侧有隔离开关与母线连接，对环形系统中的电压等级 35变压器容量为 7500以上时，超过了隔离开关切合空载变压器的能力，此时必须采用有五个断路器组成的全桥接线，全桥接线比外桥接线 或内桥接线多了二个断路器，在经济上不太合算，但由于矿上用电的安全性是最重要的，而全桥接线具备了外桥和内桥的优特点，故本设计采用全桥接线形式。 第 11 页 图 2桥接线 变压器二次侧的接线 本设计采用单母分段，母线用断路器分段，这不仅便于分段检修母线，而且可减小母线故障影响范围。可以提高可靠性和灵活性。对矿上的重要用户从不同分段上引接，以便在母线上某一段发生故障的时候，能保证重要用户的正常供电，简单清晰，设备少，操作方便，且有利于扩建。 图 2变压器二次侧接线 电系统图统图 第 12 页 图 2矿供电系统接线图总览 第 13 页 第三章短路电流计算 路成因及危害 路的原因 用户供配电系统要求安全，可靠，不间断地供电，以保证生产和生活的需要，但是由于各种原因，系统难免出现故障，其中最严重的故障就是短路。所谓短路，是指供配电系统正常运行之外的相与相或相与地之间的短接。 短路的原因主要有： 1）电气设备存在隐患，如设备的绝缘材料自然老化，绝缘材料机械损伤，设备缺陷未被发现和消除，设计安装有误等。 2）运行，维护不当，如不遵 守操作规程而发生误操作，技术水平低，管理不善等。 3）自然灾害，如雷电过电压击穿设备绝缘，特大的洪水，大风，冰雪，地震等引起的线路倒杆，断线等。 短路的种类：（ 1）三相短路：是指供电系统中三相导线间发生对称性的短路。（ 2）两相短路：是指三相供电系统中任意两相间发生短路。（ 3）单相短路：是指供电系统中任一相经大地与电源中性点发生短路。（ 4）两相接地短路：是指中性点不接地的电力系统中两不同相的单相接地所形成的相间短路。也指两相短路又接地的情况。上述的三相短路，属于对称性短路，其他形式的短路都属于不对称短路。电力系 统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小。从短路电流大小来看，一般三相短路的短路电流值最大，造成的危害也最严重，而两相短路的短路电流值最小。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择校验电气设备用的短路电流采用系统最大运行方式下的三相短路电流。而在继电保护的灵敏度计算中，则采用系统最小运行方式下的两相短路电流。 路的危害 由于短路后电路的阻抗比正常运行时电路的阻抗小得多，所以短路电流比正常电流一般要大几十倍甚至几百倍。在大的电力系统中，短路电流可 达到几万安甚至几十万安。在电流急剧增加的同时，系统中的电压降大幅度下降。所以短路的后果往往都是破坏性的，其主要危害大致有如下几个方面。（ 1）元件发热：热量与电流的平方成正比，所以强大的短路电流将引起电机，电器及载流导体的发热。由于短路电流很大，即使流过的时间很短也会使这些元件引起不能允许的过热，而招致损坏。（ 2）短路电流引起很大的机械应力。电流流过导体时产生的机械应力与电流的平方成正比。在短路刚发生后，电流达到最大值（即所谓的冲击电流），这时机械应力最大。如果导体和它的固定支架不够坚韧，可能遭到破坏。（ 3） 破坏电气设备正常运行。短路时电压降低可使电器的正常工作受到破坏。例如感应电动机的转矩与外加的电压平方成正比，当电压降低很多时，转矩可能不足以带动机械工作，而使电动机停转。破坏系统稳定。严重的短路必将影响到电 第 14 页 力系统运行的稳定性。它可使并列运行的发电机组失步，造成与系统解散。干扰通信系统：接地短路对于高压输电线路平行架设的通信线路可产生严重的电磁干扰。由此可见：短路的后果是十分严重的。为保证电气设备和电网安全可靠地运行，首先应设法消除可能引起短路的一切原因，其次在发生短路后应尽快切除故障部分和快速恢复电网电压。 为此，可采用快速动作的继电保护装置，以及选用限制短路电流的电气设备（如电抗器）等。 算短路的目的 短路计算的目的：为了确保电气设备在短路情况下不致于损坏，减轻短路危害和防止故障扩大，必须事先对短路电流进行计算，计算短路电流的目的有： （ 1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流计算。 （ 2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。 （ 3）在 设计户外高压配电装置时，需按短路条件效验软导线的相间和相对地的安全距离。 （ 4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。 （ 5）接地装置需根据短路电流进行设计 第 15 页 算短路电流 短路电流的计算方法有欧