供电课程设计煤矿地面变电所部分设计.docx

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 变电所主接线方式1.1 变电所主变压器的一次侧接线方式 主接线图即主电路图，即表示系统中电能输送和分配路线的电路图，亦称为一次电路图，而用来控制、指示、监测和保护一次电路及其设备运行的电路图，则称二次电路图，或二次接线图。二次回路是通过电流互感器和电压互感器与主电路相联系的。变配电所的主接线，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。一、对工厂变电所主接线的要求如下： a 安全：应符合有关国家校准和技术犯规和技术犯规的要求，能充分保证人身和设备的安全。 b 可靠：应满足电力负荷特辑是其中一、二次负荷对供电可靠性的要求。 c 灵活：应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且能适应负荷的发展。 d 经济：在满足上述的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。 一般来说，主接线图只表示电气设备的一相连接，因为三相交流电力装置中的所有三相连接方法是相同的，所接的电气设备也一样，这种图称为单线图。为了使看图容易起见，图上只画出系统的主要元件，如发电机、变压器、断路器等，以及其相互间连接。二、 在接线时，变电所主接线的一般要求： a 变电所中的高、低压母线一般采用单母线或单母线分段，车间变电所的变压器一般均分列运行； b 变电所的主接线，应按照电源情况、生产要求、负荷性质、容量大小以及与邻近配变电所的联系等因数确定，力求简单可靠； c 按在母线上的阀型避雷器和电压互感器一般合用一组隔离开关，架空线出现上的阀型避雷器不装设隔离开关； d 全厂只有一台容量较小的配电变压器时其一次侧不宜设高压开关柜。具在下列之一者，应装设母线分段断路器：其一是动装置有要求，其二是倒换电源严重影响生产，第三是出现回路多。为了保证对一、二级负荷进行可靠在企业变电所中一次侧主接线中广泛采用由两电源线路受压和装设两台变压器的上台变压器的桥式主接线。桥式又分为内桥、外桥、全桥三种，内桥、外桥分别如图a、b所示。途中I1、I2为两回路电源线路，断路器QF1和QF2分别接在主变压器TM1和TM2的高压侧，向变电所供电。内桥接线：内桥用在并联工作时某一元件故障以减小电压损失，其倒换线路操作方便，设备投资少，占地面积少。缺点就是操作变压器和扩建不方便，故适用于进线距离长，线路故障多，变压器切换少的地方。外桥接线：对变压器切换方便，比内桥少两个隔离开关，投资少，占地面积小。继电保护简单，易于过渡观察及全桥接线。缺点是倒换线路时，操作不方便，变电所一次侧无线路保护。所以适用于进线短而倒换次数少或变压器采取经济运行要经常切换的终端变电所以及可能发展为有穿越负荷的变电所。全桥接线：适应性强，对线路、变压器的操作灵活、使用方便，但是造价高易于发展成为单母线分段的中间变电所。缺点是设备多、投资大，占地面广。以上三种桥式接线方式，一般用于电压为35110kv双电源进线的终端变电所。而变电所主接线方式分电源进线回数、负荷大小、级别、电源距离和变压器的台数与容量等因图a内桥接线 图b外桥接线数有关。综上所诉，比较三种接线方式的优缺点，并和大隆煤矿的实际情况结合起来，在本设计中采用一次侧主接线为内桥接线。1.2 变电所变压器二次侧接线方式在工厂的变、配电所中，通常可分为一次设备和二次设备两大类。二次设备是指测量表计、控制信号设备、继电保护装置、自动装置和运动装置等。二次接线是根据测量、控制、保护和信号显示的要求，表示设备互相连接关系的电路，也叫二次回路。在二次接线图中应附有主电路的设备和元件，以便于进行了解。变电所主变压器的二次侧接线方式可分为单母线、单母线分段、双母线分段三种方式，这三种方式如图c、d、e所示。图c 单母线制图d 单母线分段制图e 双母线制1.2.1 单母线制尽管母线极少发生故障，但故障的后果极为严重在设计与安装时，需使其可靠，在运行中也要加强维护。母线制分为单母线、单母线分段和双母线制。母线制与进线回路数有关，如果只有一回进线，为了提高可靠性，把母线搞得很复杂是没有什么意义的。一回进线只能用单母线制，当然这种母线制的可靠性和灵活性都很低，母线及母线隔离开关（如图c）发生故障时将影响全部负荷的用电，直到故障全部消失为止，而清扫和修理母线和隔离开关时，必须停止整个系统的供电。1.2.2单母线分段制在两回进线的条件下，便可以实现单母线分段制。单母线可以采用隔离开关或断路器分段。用隔离开关分段可以消除部分段母线的部分缺点。只要分段开关是断开的，就可以对每段母线及母线隔离开关进行修理但当隔离开关合闸时，任一段母线的故障仍将破坏全长的供电。如分段开关采用断路器，则比较优越（如图d），在QF上具备相应的保护，在断路器和扎实的母线发生故障时，母线断路器同时切断（QF1或QF2），另一段非故障母线保持工作。隔离开关的可靠性和灵活性虽然较低，但如果分段母线是单独运行的，母线隔离开关QS只在确定一回路电流进线发生故障并切除的条件下方可投入，基本上也能满足供给二级负荷用户的要求。单母线分段制的缺点主要体现在以下两个方面；a 某分段上的母线，母线隔离开关发生故障或检修时，电源只能通过一回进线供电，供电效率较低，从而使部分用电停电；b 当分段上进行修理时，该段重要用户时区备用。所以为了减小故障影响范围，可将母线多分段，对重要用户可以三段同时供电。若分为两段，电路的备用能力对一级负荷需按100%考虑，当分为三段时则备用容量可按50%考虑，在线路较长时，通过技术经济比较比较可增设分段以减小电网对备用的能力的要求。1.2.3双母线制当工厂负荷大，重要负荷多，以致使馈电回电路太多，采用单母线分段制存在一定的困难时，则考虑采用双母线，图e为双母线接线图 B1为工作母线 B2为备用母线 每一馈电线路经一个断路器和两个隔离开关接于双母线上。双母线制的优点是：一是轮流修理母线而不至于引起供电中断；而是修理任一母线隔离开关仅使本回路断开；三是在工作母线发生故障时，通过备用母线能迅速恢复供电；四是修理其一回路德断路器时可利用备用母线及母线联络断路器（QF3），不使本回路长期中断。同时，其主要缺点是母线隔离开关用作操作电源时，在负载情况下进行各种切换操作过程的失误，将引起母线短路，造成严重的后果。此外，母线隔离开关的数目增加 连锁机构复杂，造价高，为了保证第一类负荷的不间断供电，往往在工作母线上海需要分段的办法。在工厂变电所中不推荐使用双母线制， 除因其具有缺点之外，工厂配电所，车间配电所都分散装置， 因而每个配电所内馈电线路并非很多，采用双母线是乎没有很大必要。 此外，绝对不允许提点的重要负荷，采取其他办法满足备用要求，故除特大型工厂重降压变电所或工厂具有大容量自备电厂偶尔有要求外，机械制造工厂一般情况下很少用到。在实际中，矿井变电所一般采用单母线分段，这主要体现在：a 对于大中型矿井地面变电所，主要变压器容量较大的断路器分段；b 对于中小型矿井地面变电所，主要变压器容量较小，且出现回路数较小采用隔离开关分段；c 对主变电所容量超过10000KVA以上的大型矿井变电所， 6KV受电侧可能装设电抗器等，但采用单母线分段制的接线方式。当某受电线路或变压器因故障及检修停止运行时，可通过母线分段断路器的联络 保证继续对两段母线上的重要负荷进行供电，所以它应用于一 二级负荷且进线较多的变电所。其不足之处时当其中任一母线需要检修或发生故障时，接于该段母线的全部进 出线均应停止运行，为此一 二级负荷必须由接于两段母线的环形系统或双回路供电，以使互为备用。双母线结构如图e所示 。变电所每回进出线通过隔离开关可以接在任一段母线上， 两母线之间用断路器联络。因此不论那一段电源与母线同时发生故障 ，都不影响对用户的供电，故可靠性高，运行灵活，这种接线主要用于负荷容量大，可靠性要求高，仅出现回路多的重要变电所。综上所述，比较这三种接线方式的优缺点，并根据大隆煤矿的实际情况，在该设计中采用单母线分段接线方式即可满足要求，而且造价合理。1.3变电所主变压器的运行方式变电所主变压器运行方式主要有三种： 第一种是两台变压器一使一备， 第二种是两台变压器同时工作 ，这种又可分为列和并列两种运行方式； 第三种是两台工作， 一台备用 。1.3.1两台变压器一使一备（明备用）此时两台变压器均按100%的负荷选择。 该运行方式在实际中并不经济， 因为电力部门是按照变压器台数及容量收取电费而不管任一时刻有几台变压器工作 。因此备用的那一台在无形中消耗费用 ，所以这种方式只适用于小型工矿企业。1.3.2两台变压器同时工作（暗备用）两台变压器同时运行，正常情况下每台变压器各承担约全部负荷的50%。因此，每台变压器的容量按全部最大负荷的70%选择。当一台出故障后，另一台全负荷工作。一、分列运行其优点是短路电流小，继电保护装置简单便宜，冲击负荷电压波形的影响面积小。二、并列运行其主要优点集中体现在：a 提高供电可靠性：当某台变压器运行中发生故障时，而从系统中迅速切除后， 并列运行的其他变压器可以继续供电，这一点对用户的一级重要负荷来说，显得尤其重要。b 有利于经济运行：变压器并列运行时，可以根据实际负荷的变化和需要，灵活调节投入的台数及容量，避免变压器承担过重负荷或过轻负荷，降低电能损耗，提高系统功率因数。c 便于安排计划检修：当某台变压器需要检修时 ，可以根据负荷先并排上一台变压器，在将需要检修的变压器停下来， 达到检修供电两不误。减少初期投资：变电所的负荷，一般总是逐渐增加起来的，如果采用变压器并联运行方式，可以根据负荷的发展分期安装多台变压器，从而减少基建工程的初期投资。1.3.3两台工作， 一台备用该方式变压器台数较多，开支较大，大多用于特大型工矿型企业。通过综合分析，可知两台变压器分列运行时，继电保护简单，具有一定的可靠性。当一台变压器故障时，另一台可保证全矿20%负荷的供电。即可为一，二级负荷，减少停电，它们的母线开关即可隔离开关，即可采用断路器。对可靠性要求较高或产量较大的矿井，主变压器一般采用两台，特殊情况下也可用三台。当一台故障时，另一台必须保证安全或原煤矿产负荷的用电。对于一用一备的变压器应用损耗的变压器，把损耗高的变压器作为备用。综上所述，同时结合大隆煤矿的生产规模，在本设计中采用两台变压器分列运行方式。2负荷计算及主变压器的选择2.1负荷计算工厂进行电力设计的基本原始资料是公益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。如果根据这些资料正常估计工厂所需的电力和电量是一个非常重要的问题。估算的准确程度将影响工厂电力设计的质量，若估算过高，将增加供电设备容量，使工厂电网复杂，浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量：同时如果估算过低，又会使工厂投入生产后，供电系统的线路及电气设备由于承受不了实际负荷电流过热，加速其绝缘老化的速度并降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。负荷计算就是求计算负荷的这项工作。在进行负荷计算时，往往要借助于负荷曲线求得的系数。它可分为需求系数法，利用系数法，形状系数法和附加系数法四种。2.1.1计算方法的确定一、需要系数法，步骤如下：a 将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量；b 查出各组用电设备相应的需要系数及对应的功率因数，并利用下式求解，即： Pa1=kd1PN1 Qa1=Pa1tan1 Pa2=kd2PN2 Qa2=Pa2tan2 于是得到：Pc=Pai Qc=Qai Sc=Pc2+Qc2c 利用需要系数法求车间或全厂设计负荷时，需要在各级配电点乘以同期系数K，其取值一般为0.850.95，但他们的连续乘积建议不小于0.8。由于越趋向电源端，负荷越稳定，所以对应的K也大二、系数法，步骤如下：a 将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量；b 查出各用电设备相应的利用系数，及对应的功率因数，并利用下式求解，即： Pav1=kx1PN1 Qav1=kx1tan1 Pav2=kx2PN2 Qav2=kx2tan2 于是得到：Pav=Pavi Qav=Qavi c 求负荷的有效值PaPc=kzPav1.051.1Pav Qc=kzQav1.051.1Qav Sc=Pc2+Qc2三、附加系数法，步骤如下：a 将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量；b 查出各组用电设备相应的功率因数；c 求出上述用电设备组的加权利用系数；kx=kx1PN1+kx2PN2+PN1+PN2+=kxiPNiPNid 求出上述用电设备组的等效台数neqe 查出曲线kf=fkx,n，得出kf。利用Pc=PN=kfkxiPNi，求出计算负荷的有功功率及相应的计算负荷无功功率。用第二、第三种方法求计算负荷不需要乘以同期系数K。由于后两种方法不常用，所以本设计采用需要系数法来计算负荷。2.1.2大隆煤矿计算负荷的过程一、首先将用电设备分组a 地面高压组：主井绞车、副井绞车、压风机、主扇、回风机。其额定容量分别为Pna1Pna2表示；b 井下高压组：主排石泵、井下中央变电所、一采区变电所、二采区变电所、三采区变电所、四采区变电所、综采。其额定容量分别为Pnb1Pnb2表示；c 地面低压组：机修厂、选煤厂、矿山变电所、瓦斯泵站、工业广场、铁路运销处、自家用照明、小明2号联络、采石场、工人村。其额定容量分别为Pnc1Pnc10表示。二、根据用电设备需要系数及功率因素进行计算a 地面高压组：主井绞车 Pa.1=Pna1kda1=21000.88=1848kWQa.1=Pa.1tan1=18480.855=-1580kvar副井绞车 Pa.2=Pna2kda2=10000.82=820kWQa.2=Pa.2tan2=8200.54=442.8kvar压风机 同步Pa.31=Pna31kda31=2400.83=199.2kWQa.31=Pa.31*tan31=199.20.484=-96.8kvar 绕线Pa.32=Pna32kda32=1300.83=107.9kWQa.32=Pa.32tan32=107.90.54=58.24kvar 则Pa.3=Pa.31+Pa.32=199.2+107.9=307.1kWQa.3=Qa.31+Qa.32=-96.8+58.24=-38.56kvar主扇 Pa.4=Pna4kda4=8500.81=688.5kWQa.4=Pa.4tan3=688.50.646=444.7kvar回风机 Pa.5=Pna5kda5=8500.93=790.5kWQa.5=Pa.5tan3=790.50.698=551.8kvar则 Pa=Pa.i=1848+820+307.1+688.5+790.5=4454.1kW Qa=Qa.i=-1580+442.8+-38.56+444.7+551.8=-179.26kvar b 井下高压组：主排水泵 Pb.1=Pnb1kdb1=7000.8=560kWQb.1=Pb.1tan1=5600.75=420kvar井下中央变电所 Pb.2=Pnb2kdb2=6000.9=540kWQb.2=Pb.2tan2=5400.882=476.2kvar一采区变电所 Pb.3=Pnb3kdb3=5000.7=350kWQb.3=Pb.3tan3=3501.169=409.2kvar二采区变电所 Pb.4=Pnb4kdb4=5000.7=350kWQb.4=Pb.4tan4=3501.169=409.2kvar三采区变电所 Pb.5=Pnb5kdb5=7000.69=483kWQb.5=Pb.5tan5=4831.138=549.8kvar四采区变电所 Pb.6=Pnb6kdb6=7000.69=483kWQb.6=Pb.6tan6=4831.138=549.8kvar综采 Pb.7=Pnb7kdb7=6800.68=462.4kWQb.7=Pb.7tan7=462.41.108=512.3kvar则 Pb=Pb.i=560+540+350+350+483+483+462.4=2908.4kW Qb=Qb.i=420+476.2+409.2+409.2+549.8+549.8+512.3=3326.5kvarc 地面低压组：机修厂，选煤厂 Pc.1=Pnc1kdc1=14500.38=551kWQc.1=Pc.1tan1=5511.265=697.3kvar矿山变电所 Pc.2=Pnc2kdc2=2500.7=175kWQc.2=Pc.2tan2=1751.02=178.5kvar瓦斯泵站 Pc.3=Pnc3kdc3=1500.30=45kWQc.3=Pc.3tan3=450.936=42.1kvar工业广场 Pc.4=Pnc4kdc4=5250.90=472.5kWQc.4=Pc.4tan4=472.50=0kvar铁路运销处 Pc.5=Pnc5kdc5=1400.70=98kWQc.5=Pc.5tan5=981.02=99.98kvar自家照明用 Pc.6=Pnc6kdc6=1000.85=85kWQc.6=Pc.6tan6=850=0kvar小明2号联络 Pc.7=Pnc7kdc7=9700.27=261.9kWQc.7=Pc.7tan7=261.90.829=217.0kvar采石场 Pc.8=Pnc8kdc8=12230.48=587kWQc.8=Pc.8tan8=5871.169=686.3kvar总机厂 Pc.9=Pnc9kdc9=16150.52=839.8kWQc.9=Pc.9tan9=839.81.232=1035kvar工人村 Pc.10=Pnc10kdc10=6250.33=206.3kWQc.10=Pc.10tan10=206.30.964=198.8kvar则 Pc=Pc.i=551+175+45+472.5+98+85+261.9+587+839.8+206.3= 3321.5kW Qc=Qc.i697.3+178.5+42.1+0+99.98+0+217+686.3+1035+198.8=3154.98kvar低压侧计算负荷取各组负荷的同期系数为：K=0.9，于是PLV=KPa+Pb+Pc=0.9*4454.1+2908.4+3321.5=9615.6kWQLV=KQa+Qb+Qc=0.9*-179.26+3326.5+3154.98=5672kvar S=PLV2+QLV2=9615.62+56722=124631347.4=11163.84kVAcos=PLVSLV=9615.611163.84=0.862.2电容器的选择一、提高功率因数的原因低压电网中的负荷多为感性负荷，普遍的自然功率因数较低。因此，必须设法提高底层电力网的功率因数。一般工矿企业消耗的无功功率，电动机占70%，变压器占20%，线路占10%。所以要合理选择电动机和变压器，使电动机平均负荷为其额定功率45%以上，变压器负荷率为60%以上，如能达到75%85%时，更为合适。当变压器负荷率太低时，断开部分轻载变压器，减少变压器的轻载运行。当企业的自然总平均功率因数较低时，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，应采用必要的无功功率补偿设备，进一步提高工矿企业的功率因数。目前补偿低层电力网无功功率的基本原则是：无功功率就地补偿以减少无功功率在电力网中流动而产生的不必要的功率损耗。当前唯一有效且经济的办法是根据低压系统中的无功潮流，选择适宜的补偿方式来安装并联电容器。二、并联电容器无功补偿的工作原理低压电力网中负荷的性质是电感性和电阻性的，如电动机、电焊机等。在安装低压并联电容器进行无功补偿时，可用如图f的等效电路加以说明。根据电工原理可知，在交流电路中，纯电阻负载的电流I与端电压U同相，而纯电感负载的电流I比端电压U滞后90；纯电容元件的电流I比端电压U超前90。由于低压电力网中的负载基本上是电阻性、电感性或电阻、电感混合性的负载，这样电路中的总电流I将滞后于端电压U一个角度（090），从图可知在负荷两端中补偿电容器室，电路中的电容电流总要抵消一部分或全部的电感电流，使得电路中的总电流I减少到IC，而总电流与端电压U之间的相位差由减少到1，因此功率因数从cos增加到cos1补偿前I1=-U1Z1=-U1R2+XL2， tan1=XLR，电流I1比电压滞后1角度，cos1很低：I=UXc，IC比U超前90I=I1+Ic，I与U夹角为三、 电容器组的接线方式的确定：可以用接和Y接两种方式，本设计采用接，因为：a 接线可以充分发挥电容器组的补偿能力。b 接可以防止由于电容器容量不对称时，由于中性点位移而使相电压有的欠压，有的过压，造成电容器组烧毁现象。 c 若发生一相断线，只影响各相补偿容量有所减少，不至于严重不平衡。接：若A相断线，C=QU，三相不变，1、2绕组变化，U下降则C, Q也下降，没有造成严重不平衡。Y接：若3线路断线，c=0, 1、2绕组C不变，将造成严重不平衡，中性点位移，会使有的相位升高而烧毁电容器组。Qc=UI=CU2Qcr=CU3=CU23=Qc3Qc=3Qcr综合以上观点：本次设计电力电容器采用接线。2.2.1功率因数提高a 无功补偿方式有高压集中补偿，低压成组补偿，分散就地补偿。b 无功补偿容量cos1=PavSav=11+QcPc2 若采用固定补偿装置，补偿容量QBQB=Pctan1-tan2 若采用分组自动投切补偿容量QBQB=Pctan1-tan2本次设计采用自动投切补偿。2.2.2电容器的补偿a 全矿的自然功率因数已经计算出：cos=PLVSLV=9615.611163.84=0.86b 把功率因数由0.86提高到0.95时，所需的补偿容量QB=Pctan1-tan2=9615.6tan30.68-tan18.19=2545.2kvarc 由于电力电容器额定容量选6.3kv,12 kvar，YY6.3-12-1型浸油移相电容器。则N=QcqcVWVN=2545.21266.32234个每相电容器数n为n=2343=78个d 因该矿采用单母线分段，故取实际每相电容器n为78个，则实际电容器的总数为N=783=234个2.3变压器的选择当变电所的受电电压在35KV及以上时如受电电压为10KV，但矿井高压设备为6KV，应选择主变压器。变压的容量按总的计算负荷及变压器数目来决定。当矿井自然功率因数小于0.9时，应按人工补偿后的实际功率因数，重新算出变电所的视在功率，作为选择变压器的依据。一、选择总降压变电所变压器的数量和容量时，应考虑以下的条件：a 电源可供进线的条件；b 用电负荷的分类及不能供电中断的程度；c 工厂负荷的均衡性，为减少电能损耗，有时需要选择两台；d 工厂中有无大型冲击负荷，如大型高压电动机，大型电炉等；e 运输及建筑物高度等。二、变压器容量的选择：决定变压器的单元容量的主要因素。a 设置变压器时的初期负荷；b 变压器事故时的决策，其中负荷的因素占很大比重。随着电力系统的急剧扩大，各种电压等级的变压器容量在依次增大。对连接变压器的系统的运行电压的实际情况，特别时高阻抗的变压器，其电压变动率和过励磁限度（5）等都要进行综合的判断。并不得少于全部计算负荷的80。变压器容量的确定应以变电所所承受的全矿总的计算负荷为主要依据，变压器的数量应根据负荷的性质对电的可靠性要求的程度来确定。一般供电可靠性要求较高的变电所主变压器选择两台。本设计主要选两台变压器分别运行，其中一台故障时，另一台可保证安全和原生产用电，并不得少于全矿总负荷的80。全矿的总负荷已确定，见附录表。三、变压器负荷计算a 补偿后变压器低压侧计算负荷为9615.6kW+3126.8kvarSC=9615.62+3126.82=10111.2kVAb 变压器高压侧计算负荷变压器的损耗计算PT=0.01Sc=0.0110111.2=101.1kWQT=0.05Sc=0.053126.8=156.34kvar变压器高压侧负荷计算为PHV=PLV+PT=9615.6+101.1=9716.7kWQHV=QLV+PT=3126.8+156.34=3283.14kvarSc=PHV2+QHV2=9716.72+3283.142=10256.4kVA由于本设计选用两台变压器采用暗备用，则S=70%Sc=0.710256.4=7179.5kVA即选SLF为10000/35，2台。结束语参考文献刘介才主编.工厂供电设计指导.北京:机械工业出版社.1999刘介才主编.工厂供电简明设计手册.北京:机械工业出版社.1999西安理工大学 余健明 同向前 苏文成 编.供电技术（第四版）. .北京:机械工业出版社.2008供电课程设计指导书附录A 大隆煤矿负荷统计表序号设备名称电机型式电机容量（