毕业设计（论文）-九里山矿山供电设计.doc

太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书目 录全套图纸加扣3012250582 1 概述12 负荷计算与变压器选择32.1 负荷分级与负荷曲线32.1.1 供电负荷分级32.1.2 负荷曲线32.2 矿井用电负荷计算42.2.1 设备容量确定42.2.2 需用系数的含义52.2.3 需用系数法计算电力负荷62.3 功率因数的改善92.4 主变压器的选择102.4.1 变电站主变压器容量的确定102.4.2 主变压器台数的确定112.4.3 主变压器损失计算112.4.4 主变压器选型112.5 全矿年电耗与吨煤电耗123 供电系统的拟订与短路计算153.1 短路电流的分类与计算目的153.1.1 短路的原因153.1.2 短路的种类153.1.3 短路的危害153.1.4 短路电流计算的目的153.1.5 短路电流计算的标么值法173.2 短路电流计算183.2.1 计算各元件的电抗标么值183.2.2 短路电流计算193.2.3 短路电流的限制及限流电抗器的选择233.2.4 电抗器的选择233.3 九里山矿供电系统简图243.3.1 主接线形式253.3.2 单元接线253.3.3 桥形接线253.3.4 单母线分段式接线264 设备选型284.1 35kv设备选型284.1.1 35KV架空线、母线的选择284.1.2 电压互感器、熔断器的选择294.1.3 电流互感器的选择304.1.4 35KV避雷器选择304.1.5 带接地刀闸的隔离开关选型304.1.6 隔离开关的选择314.1.7 35kV断路器的选择324.2 10千伏电气设备的选择344.2.1 母线的选择344.2.2 母线瓷瓶及穿墙套管354.2.3 断路器选择354.2.4 隔离开关选择364.2.5 电流互感器器选择364.2.6 下井电缆型号及截面的选择364.2.7 电压互感器的选择374.2.8 配电柜的选择375 继电保护方案及整定405.1 概述405.2 继电保护的优化配置及整定原则415.3 供电系统继电保护配置情况415.4 35KV进线保护425.4.1 限时速断保护的整定计算425.4.2 过流保护的整定计算425.4.3 35kV母联开关保护435.5 主变压器保护435.5.1 主变差动保护435.5.2 主变过流保护455.5.3 主变过负荷保护465.6 10kV母联保护.465.7 各10kV出线保护476 变电所室内外布置536.1 电气总平面布置的特点536.2 变电站土建要求536.3 电气照明547 防雷保护及接地567.1 变电所的防雷567.1.1变电所的防雷设计原则567.1.2变电所主要防雷设备567.1.3防雷设计基本经验567.1.4变电所的防雷设计577.2 变电所的接地设计607.2.1 设计原则607.2.2 简单接地设计60结 束 语62致 谢62参考文献64附图1：九里山矿供电系统简图附图2：变电所室内外布置57 1 概述九里山矿于1983年投产，设计生产能力、入洗能力均达90万吨/年。矿井位于焦作煤田东部，井田面积24.7平方公里，地质储量17106.7万吨，是焦煤集团的主力矿井之一，目前其以106万吨的年产煤量居焦煤集团各矿之首，现在部分设备正处于更新中，其属于厚砾石层覆盖区，比较突出的采煤技术是单体支柱放顶煤开采，井深约在400米左右，由于其地下水丰富，矿山总共配有12台大型潜水泵，由与大型潜水泵的利用，其年耗电量大大增加。按其采煤量计算耗电总耗电时间是4000h/年九里山矿无烟煤属中等变质程度无烟煤，现有煤炭产品分块精、精煤和末煤三大系列。主要有：优质洗中块、洗小块、洗粒煤、1洗小块、洗末煤和末煤等。具有发热量高，灰分、硫分低，机械强度高，热稳定性好等特点，素有香煤之称。1991年无烟洗中块获河南省优质产品称号，1993年无烟洗末煤获河南省“兴豫杯”名、优、特、新产品金奖，2001年12月九里山矿成功通过了ISO90012000质量体系认证。该矿以煤为本，大力发展多种经营，投资兴建碳化硅厂、宏源工业厂等企业，碳化硅厂年产优质碳化硅2000吨，加工石墨化电极2500吨。九里山矿供电系统由古九线，九九线，九位线三条35kv进线供电。其矿内变配电所占地约2200平方米，三条进线分别到所内室外三个35/6kv主变压器，平常起用一台主变，地下水丰富的夏季一般开两台主变，室外部四脚分别设置四个15米高的避雷器。采用单母分段的主接线形式，主母线分为三段，每段母线间以断路器隔开投入使用时是少油断路器，刚改用高压六氟化硫断路器，稳定性及灭弧能力大大提高 设备名称负荷等级电压v线路类型电机型式单机容量kv安装/工作台数工作设备总容量kw需用系数功率因数离35kv变电所的距离km主井提 升110000CY1400 2/1140008708404副井提 升110000CY10002/1100008508204扇风机 1110000KT8002/180008708224扇风机2110000KT8002/180008708222压风机110000K T3005/390008608602排水泵110000CX68012/4272008608608机修厂3380C45045006007503综采车间3380C48048007007806洗煤厂2380K120007608405村3380K45008008025排地面低压水泵1380C 13501250076082005井下低压2660CX2600072078表 1.1 全矿负荷统计及相关数据矿井年产量：110万吨 井筒深度： 0.4km，服 务 年 限：100年 该矿井为地下水丰富矿井。矿区冻土带厚度为0.3km，变电所土质为粘土;两回35kV架空电源线路长度：=6km;两回上级35kV电源出线断路器过流保护动作时间： =3s;本所35KV电源母线最大运行方式下的系统电抗: =0.28 (=100MVA);本所35KV电源母线最小行方式下的系统电抗:=0.37 (=100MVA);井下10KV母线上允许短路容量: =50MVA;电费收取办法：两部点价制，固定部分按最高负荷收费；井下10KV电缆（不含下井电缆）总长度: =20km本所10KV母线上补偿后功率因数要求值： =0.95最热月室外最高气温月平均值： 最热月室内最高气温月平均值: 最热月土壤最高气温月平均值: 2 负荷计算与变压器选择2.1 负荷分级与负荷曲线2.1.1 供电负荷分级 本矿采用三级负荷：为一般电力负荷。一级负荷属重要负荷，如中断供电将造成十分严重的后果，因此要求应由两个电源供电，对于一级负荷中特别重要的负荷，除要求两个电源外南海要求必须增设应急电源，为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。九里山矿属于比较重要的工业部门，其供配电采用三条进线（古九线，九九线，九位线），下设三个35kv的电力变压器，平常用一台主变，当地下水丰富的夏秋季一般采用两台运行，一台备用。2.1.2 负荷曲线1年最大负荷：就是全年中负荷最大的工作班内（这一工作班的最大负荷不是偶然出现的而是全年至少出现2-3次）消耗电能最大的半小时平均功率。并分别用符号、表示年有功最大负荷、年无功最大负荷和年视在功率最大负荷。1.13.16.19.111.14012年负荷曲线2-1 年每日最大负荷曲线2-2 年最大负荷和最大负荷利用小时年最大负荷小时是一个假想的时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗电能，用表示，如图2-2所示，年最大负荷延伸到的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，既全年实际消耗的电能。因此年最大负荷利用小时： ， h （2-1）式中全年消耗的有功电能，kw.h。 而一般计算矿用最大负荷利用小时可以用公式近似计算： （2-2）其中W既为矿井年产煤量（万吨/年），九里山矿年产量设计为90万吨，实际年产量106万吨。为两班制企业，按公式2-2计算其年耗电量为4000小时左右。2.2 矿井用电负荷计算 2.2.1 设备容量确定将不同工作制的铭牌功率换算为统一的功率。电动机1） 长期工作制（连续运转时间在2小时以上者）的电动机，按电动机的额定容量。2） 短时工作制（连续运转时间在10分钟至2小时范围内）的电动机按电动机的额定容量确定。如此类电动机正常不使用（事故或检修时用）支线上的负荷按额定容量确定；干线上的负荷可不考虑。3） 反复短时工作制（运转时为反复周期地工作，每周期内的接电时间不超过10分钟者）的电动机，按电动机暂载率为25%时的额定容量确定，当电动机铭牌上的额定容量不是25%的暂载率时，应按下式换算 (2-3) 式中 换算的额定容量，千瓦； 与某一暂载率相应的电动机铭牌功率，千瓦； 与相对应的暂载率； 换算的暂载率，既25%。2.2.2 需用系数的含义以一组用电设备来分析需用系数值的含义。设该组用电设备有n台电动机，其额定总容量为（kw）。则当此用电设备组满载运行时需从电网接用容量 ； KW （2-4）式中 用电设备从电网吸收容量，KW； n台电动机的加权平均效率， （2-5）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本次设计所需用席数按照参考质料均已记入表中2.2.3 需用系数法计算电力负荷在确定了容量后可以按需用系数法计算负荷1） 用电设备组计算负荷的确定用电设备组是由工艺性质相同、需用系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。在一个车间中，可以根据具体情况将用电设备分为若干组，再分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为 KW KVA KVA A （26）式中、该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷；该用电设备组的设备总额定容量，KW额定电压，Vtan功率因数角的正切值该用电设备组的计算负荷电流，A需用系数2） 多个用电设备组的计算负荷在配电干线上或矿井变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，但是各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或矿井变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数。具体计算公式如下： i=1，2，3.m (2-7)式中、为配电干线或变电站低压母线有功、无功、视在功率计算负荷；同时系数m 为配电干线或变电站低压母线上所接用电设备总数;该干线或低压母线上的额定电压，V该干线变电站低压母线上的计算负荷电流，A需用系数、分别对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角的正切值、总设备容量（B） 根据要求及需用系数负荷计算公式，分别计算矿用负荷1) 主井提升机(公式)e=1400kw Kd=0.87 cos=0.84tan=tan(artcos)=0.64 P10=KdPe=0.87*1400=1176kwQ10=P10tan=1176*0.64=752.64kvaS10=P10/cos= =1176/0.84=1396kvaI10=S10/UN=1396kva/1.732*6000=134a2) 副井提升机e=1000kw Kd=0.85 cos=0.82tan=tan(artcos)=0.6980P20=KdPe=0.85*1000=850kwQ20=P20tan=850*0.698=593kvaS20=P20/cos= =850/0.82=1036kvaI20=S20/UN=1036/1.732*6000=99a3) 扇风机1e=800kw Kd=0.87 cos=0.82tan=tan(artcos)=0.6980P30=KdPe=0.87*800=696kwQ30=P30tan=696*0.698=485kvaS30=P30/cos= =696/0.82=848kvaI30=S30/UN=848/1.732*6000=81a4) 扇风机2e=800kw Kd=0.87 cos=0.82tan=tan(artcos)=0.6980P40=KdPe=0.87*800=696kwQ40=P40tan=696*0.698=485kvaS40=P40/cos= =696/0.82=848kvaI20=S20/UN=1060/1.732*6000=81a5) 压风机e=300kw Kd=0.86 cos=0.82 n=3e=3*300=900kwtan=tan(artcos)=0.6980P50=KdPe=0.86*900=774kwQ50=P50tan=774*0.698=540kvaS50=P50/cos= =774/0.82=943kvaI50=S50/UN=943/1.732*6000=90a6）排水泵e=680kw Kd=0.86 cos=0.86 n=4e=4*680=2720kwtan=tan(artcos)=0.5933P60=KdPe=0.86*2720=2339kwQ50=P60tan=2339*0.5933=1388kvaS60=P60/cos= =2399/0.86=2789kvaI60=S60/UN=2789/1.732*6000=268a这样井下6kv低压母线上（不包括排水泵）低压母线有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流如下：1176850696696774=4192kw=752.64+593+485+485+540=2855kva=4730kva=4730/1.7326000455a同理可得380v线上各负荷的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流以及（表21）380v线上的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流： 表2-1设备名称 地面低压10267161251机修厂270243363综采车间336270431洗煤厂9127311169韩蒋村360270450井下低压2016161725841026270336360912=2904kw=716+243+270+270+731=2230kva=3661kva这样可求得变电所变电所总的有功功率为11451KW，无功功率为8090K。考虑同时需用系数K，有功功率取0.8，无功功率取0.9，得：总的有功功率为9160KW，总的无功功率为7281 K。计算可得功率因数约为0.79，需用电容器补偿。2.3 功率因数的改善经计算全矿功率因数9160/1170=0.78950MVA，因此需选择限流电抗器。3.2.4 电抗器的选择下面我们由井下负荷计算下井总负荷电流。井下负荷为： kW kvar 则下井总负荷电流： A下井电缆根数Cn按下式确定： （取偶数） 式中 Pp ,Qp井下主排水泵计算有功、无功负荷，kW、kVar; Pd, Qd井下低压总的计算有功、无功负荷，kW、kVar; 360下井电缆150mm2经45度修正后的安全载流量，若矿井负荷较少可据此原理选用120mm2，95 mm2等； 1规程规定所必须的备用电缆。井下计算负荷为2016kW，工作电流为248.7A ,经计算与方案比较，决定选用四根YJV426000 395交联聚乙烯绝缘电力电缆作为下井电缆。下井电缆的具体参数见表3.2。表3-2 下井电缆（铜芯）型号 YJV426截面2535507095120150IY40,A135164194242293335380外径38.841.444.447.651.254.557.7重量1.92.32.83.54.45.36.3电导率 48.5m/mm2 (线芯温度为50度)下井电缆为四根，如果其中一根发生故障，其余三根要负担全矿井下负荷电流，此时，每根电缆通过的电流为： A为限制井下短路电流，按规程规定则系统总阻抗为：因下井电缆为四根，分裂运行，每两根并联，故应串入的电抗为： 式中为系统在最大运行方式电抗前的最大阻抗。母线电压为6kV，由以上计算的负荷电流，及一条电缆损坏时，其余三条供电的条件，可选用kV，A的水泥电抗器四台，每台电抗器计算如下： 由计算，我们可选用型号为NKL6-200-3的水泥电抗器，此电抗器百分值为3 3.3 九里山矿供电系统简图3.3.1 主接线形式变电站的主接线是由各种电气设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，用以接受和分配电能，是供电系统的组成部分，它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数容量等因素有关。3.3.2 单元接线发电机与变压器直接连接成一个单元，组成发电机变压器组，称为单元接线。它具有接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，使得在发电机和变压器低压侧短路时，短路电流相对而言于具有母线时，有所减小等特点；这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择出口断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。3.3.3 桥形接线当只有两台变压器和两条输电线路时，多采用桥形接线，使用断路器数目最少；桥形接线可分为内桥式和外桥式；内桥式桥连断路器设置在变压器侧，外桥式桥连断路器则设置在线路侧。桥连断路器正常运行时处于闭合状态。当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，用用内桥式接线比较合适；外桥式接线则在出线较短，且变压器随经济运行的需要需经常切换，或系统有穿越功率流经本厂时，就更为适宜。外桥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分段接线，且投资少，占地面积小，缺点是倒换线路时操作不方便，变电所一侧无线路保护，适用于进线短而倒闸次数少的变电所或变压器经常驻需要切换以及可能发展为有穿越负荷的变电所。内桥结线一次侧可设线路保护，倒换线路时操作方便，设备投资与占地面积无较全桥少，缺点是操作变压器和扩建成全桥或单母分段不如外桥方便，适用于进线距离行，变压器切换少的终端变电所。桥型接线见图3.3所示 图3.3 桥型接线3.3.4 单母线分段式接线 有穿越负荷的两回电源进线的中间变电所，其受、配电母线以及桥式接线变电所主变二交侧的配电母线，多采用单母分段，多用于具有一二级负荷，且进出线较多的变电所，不足之处是当其中任一段母线需要检修或发生故障时，接于该母线的全部进出线均应停止运行。W1QF1W2 图3.4 单母线分段式接线方案比较：单元接线当其中一元件发生故障时整个单元都要停电检修，不能满足矿山供电的要求。 单母线分段接线一般用于进出线回路较多的中间变电所。 我们在35千伏侧选用全桥型接线，全桥型接线灵活可靠，也可扩展成为单母线分段接线。而10千伏侧我们则选用单母线分段接线。综合比较九里山矿的35kv侧采取外桥形式的主接线，而其10kv线路上采取单母分段，共分三段，每段之间用断路器，隔离开关连接。 图3.5 九里山矿供电系统简图4 设备选型4.1 35kv设备选型4.1.1 35KV架空线、母线的选择变电所中各种电压配电装置的母线,以及电器间的连接大都采用铜、铝或钢的矩形、圆形、管形裸导线或多芯绞线。铜的导电性好，抵制化学侵蚀性强，因此在大电流装置中或在由化学侵蚀的地区宜采用铜导线。铝导线比重小，比较经济，在屋内外配电装置中都广泛采用铝母线。母线的截面形状，35KV及以下的屋内配电装置中，都采用矩形截面。因为它的冷却条件好，对交流肌肤效应的影响小。35KV室外高压架空线、母线一般选用钢芯铝绞线，导线截面应按经济电流密度选择，按长时允许电流进行校验，并应校验其电压损失是否合乎要求。高压线路的电压损失不允许超过5%，此外架空线路的导线应有足够的机械强度，不应由于机械强度不够而发生事故。a. 按经济电流密度计算： A=I/J（mm）式中 A导线经济截面积，mm； J经济电流密度， A/ mm； I最大工作电流，A；I=P1.05/Ucos=100001.05/350.95=182A式中 U线路额定电压，千伏； P最大负荷，千瓦； cos功率因数； 由最大负荷利用小时数为4000，得J=1.15A=182/1.15=158 mm,选A=185 mm，其型号为钢芯铝绞线LGJ185b. 按长时允许电流校验，查得LGI170的屋外载流量为515A(25),钢芯铝绞线最高温升不超过+70，假设导线长期工作温度为40，则40时的载流量为：I=515=446A182符合要求c. 三相架空线路损失校验按下式计算U%=式中R线路单位长度电阻，/km；取0.163X线路单位长度电抗，/km；取0.365设线间几何间距为2m，已知P=9160、L=6km、tan=0.25U%=1.145 校验合格d. 母线按短路热稳定进行校验A 已知t=3s I=5.571kA, 式中A所选导线截面，mm；C材料热稳定系数，C=95；K集肤效应系数，取1；I短路稳定的最大有效值；A=102mm185 mm 校验合格所以35KV母线和架空线，均选用LGJ185型钢芯铝绞线4.1.2 电压互感器、熔断器的选择互感器是交流供电系统中一次回路将交流电流或电压按比例降低供二次回路仪表使用。根据一次额定电压选择。并按二次负荷大小及负荷准确等级校验。本设计为终端变电所，不进行绝缘检测，只需测量线路电压，可选两台双圈油浸互感器，其型号为JDJJ235，属户外式电压互感器，采用V型接法分别接在35KV两段母线上，配用二个RN35型限流熔断器，该产品仅作为电压互感器短路保护之用，其最大切断电流为17KA，最大切断容量1000MVA。另外选用3个RW35/200800户外跌落式熔断器，配合3台变压器。 电压互感器地选择： ue=35kV，根据产品手册选用JDJJ2-35型电压互感器。其技术参数如表4.1所示。 表4.1 JDJJ2-35型电压互感器技术参数一次电压（kV）35/ 额定容量为0.5级150Va,一级250VA 基本二次线圈(kV) 0.1/ 3级500VA辅助二次线圈(kV) 0.1/最大容量1000VA电压互感的校验 按准确等级与二次负荷校验。矿井变电所35千伏主接线为全桥接线，各计费及考核有功电度表五块。共计十块。按35千伏设备分段运行，每段互感器承担的负荷为五块。查电力工程设计手册表3410得每相电度表电压线圈消耗为1.5va 电度表总消耗功率为p51.512.99150 符合要求。4.1.3 电流互感器的选择电流互感器选用LCW35型户外支持式、多匝油浸瓷绝缘的高压电压互感器，单独装设，利用一次线圈的串并联，可得到不同的变比，选用额定电流变比为151000/5，准确级次0.5，1S热稳定倍数65，动稳定倍数100。4.1.4 35KV避雷器选择一般选用变电站避雷器FZ-35型，选两组分放在35KV两段母线上，与电压互感器供用一个间隔。4.1.5 带接地刀闸的隔离开关选型表4.2 GW-35GD/600型隔离开关项目实际需要值GW-35GD/600电压电流动稳定热稳定35kvI=1.05S/U=182.2Ai=5.571KAI2.31=1.16KA35kv600A50KAI=14KA 从上表计算中可知，该电器的额定值都大于实际值，选用该设备符合要求，其操作机构配套选用CSG型。4.1.6 隔离开关的选择初步拟定选用隔离开关型号为GN2-35/1000,校验:(1) GN2-35/1000的额定电压为35kV, 而35kV，满足要求。(2) GN2-35/1000的额定电流为1000A =符合要求。(3)=70kA,=5.571kA满足动稳定校验。(4)热稳定校验=25KA T=3S满足热稳定校验。4.1.7 35kV断路器的选择额定电压选择 断路器的额定电压应大于或等于所在电网的工作电压,即额定电流选择 断路器的额定电流应大于或等于它的最大长期工作电流，即 由于高压断路器没有连续过载的能力，在选择其额定电流时，应满足各种可能的运行方式下电路持续工作电流的要求，即取最大长期工作电流当断路器使用的环境温度高于设备最高允许环境温度，即高于40但不超过60时，环境温度每增高1，工作电流可减少为额定电流的1.8；当使用的环境低于40时，环境温度每降低1，工作电流可增加为额定电流0.5，但其最大负荷不得超过的 20。开断电流选择 在给定的电网电压下，断路器的开断电流不应小于实际瞬间的短路电流周期分量，即 当断路器的较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流进行选择，即动稳定校验若断路