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论文题目 煤矿供电系统设计 专 业 电气工程及其自动化 本 科 生 折增亮 签名 指导教师 鲁坚丘 签名 摘 要 本文根据黄家沟煤矿供电系统负荷统计的原始资料 依据地面和井下供电系统实际 的生产需求 经过地面和井下负荷计算 变压器选型设计等过程 对黄家沟煤矿供电系 统进行了全面的设计 本设计对黄家沟煤矿从电源进线 110kV 侧开始 整个过程主要包括矿井全部负荷的 统计和计算 总降压变压器和低压变压器的选型设计 系统主接线方式选择 各种高低 压电器设备和电缆的选型设计 采用标幺值进行短路电流计算 并对电气设备和线路的 热稳定性 动稳定性及电压损失进行校验 供电系统的继电保护设计 变电所防雷设计 井下接地网的布局与设计等 根据煤矿供电的特殊性要求 110kV 侧主接线为全桥接线 10kV 侧主接线为单母线 分段方式 两台变压器采用分列运行 根据国家标准和煤炭行业标准 对煤矿供电系统高低压设备 线路等在技术参数 性价比 企业检验标准等方面进行分析后完成选型设计 最终使整个供电系统满足全矿 井生产供电的需要 关键词 供电系统 负荷计算 短路计算 设备选型 继电保护 Subject Mine power supply system design Specialty Electrical Engineering and Automation Name She Zengliang Signature Instructor Lu Jianqiu Signature ABSTRACT This article fully designs the power supply system of Huangjiagou Mine by the courses of surface and underground load calculation the design of type selection of transformer and so on according to the original datas of load ststistics of Huangjiagou Mine and the actual production needs of surface and underground power supply system The design of Huangjiagou Mine beginning at 110kV power line side which is including load statistics and calculation the design of type selection of low voltage transformer and main transformer the run way of power supply system the power supply equipments and cables selection the short circuit current calculation and the system uses short circuit to check the dynamic and thermal stability of equipments the design of power system relay protection device the design of substation lightning protection underground grounding grid layput and design etc Depending on the characteristics of coal power supply system the 110kV side of the main terminal for the Full bridge connection and the 10kV side of the main wiring for sectionalized single bus configuration the two main transformers operating mode use disaggregated way The article finishes the designs of type selection on analysising the fields of the high and low voltage equipment and lines of power supply system etc in the scope of the technical parameters performance price ratio enterprise test standards and so on Finally the design makes entire power supply system to meet all mine production needs KEY WORDS power supply system load calculation short circuit current calculation equipment selection relay protection 目 录 1 绪论 1 1 1 煤矿供电概述 1 1 1 1 煤矿供电的可靠性 1 1 1 2 煤矿供电的安全性 1 1 2 黄家沟煤矿简介 1 1 2 1 黄家沟煤矿供电概述 1 2 负荷计算 3 2 1 负荷计算 3 2 1 1 成组用电设备的负荷计算公式 3 2 2 地面变电所负荷的统计与变压器选择 3 2 2 1 低压变电所负荷统计 3 2 2 2 地面低压变电所负荷计算 4 2 3 井下变压器与移动变电站的选择 8 2 3 1 井下变压器选择方法 8 2 3 2 井下变压器选择 8 2 3 3 井下移动变电站的选择 9 2 4 全矿井负荷的计算 10 2 4 1 全矿井高低压负荷统计 10 2 4 2 功率因数补偿 11 3 煤矿系统主接线 12 3 1 煤矿供电系统供电概述 12 3 2 供电类型 12 3 3 黄家沟煤矿供电系统 12 3 4 矿井各级变 配 电所 14 3 4 1 矿井地面变电所 14 3 4 2 井下中央变电所 19 3 3 3 采区变电所 19 4 矿井地面短路计算 21 4 1 概述 21 4 2 地面高压短路电流计算 22 4 2 1 各元件的电抗标幺值 22 4 2 2 短路电流计算 24 4 3 110kV 电气设备的选择 26 4 3 1 地面总降压变电所进出线 母线的选择 26 4 3 2 线路选型设计 27 4 3 3 110kV 侧高压电气设备的选型设计 30 4 3 4 10kV 侧高压电气设备的选型设计 32 5 井下电缆选型设计 35 5 1 矿用电缆概述 35 5 2 井下电缆的选型规范 35 5 3 井下高低压电缆的选型设计 35 5 3 1 电缆长度的确定 36 5 3 2 电缆芯数的确定 36 5 4 井下高压电缆的选型设计 36 5 4 1 高压电缆选择步骤 36 5 4 2 高压电缆选型设计 37 5 5 井下低压电缆的选型设计 38 6 电气设备的选型设计 43 6 1 概述 43 6 2 井下高压配电装置的选型设计 43 6 2 1 高压配电箱 43 6 2 2 高压开关柜 44 6 3 低压控制电器的选型设计 45 6 3 1 采区低压电器设备的选型规范 45 6 3 2 低压控制电器设备 46 7 井下过电流保护整定计算 50 7 1 概述 50 7 2 井下短路电流计算 50 7 2 1 有名值计算法 51 7 2 2 查表法 52 7 3 井下短路电流计算 53 7 4 井下低压电器的保护装置整定 54 8 继电保护 58 8 1 继电保护装置的作用和要求 58 8 2 线路保护 59 8 3 变压器保护 60 8 4 备用电源自动投入与重合闸 62 9 接地 漏电和过电压保护 63 9 1 煤矿井下接地保护的组成 63 9 2 接地电阻的确定 63 9 3 井下保护接地系统 63 9 4 井下漏电保护 63 9 5 过电压保护 64 10 矿井照明 66 10 1 厂区照明 66 10 2 井下照明设计 66 10 3 照明电器的选型设计 67 11 结论 69 致谢 70 参考文献 71 附录 72 1 1 绪论 1 1 煤矿供电概述 电能作为煤炭生产的主要动力 在煤炭生产中占据着十分重要的地位 煤矿供电系 统处于电力系统的末端 属于地方电网的一部分 是电力系统的重要组成部分 煤矿供电电源一般取自不同区域的高压变电所 供电电压等级取决于电力系统的电 压等级 供电距离的远近 企业规模的大小等因素 一般为 110kV 或 35kV 大中型煤矿 多采用 110kV 或 35kV 双回路供电 电源经企业内部总降压变电降压后 以 10 kV 或 6kV 的高压向车间变电所 井下变电所 高压电气设备供电 此为高压供电系统 各 10kV 或 6kV 变电所再次降压后 向各级电气设备供电 此为低压供电系统 所以可靠 安全 经济 合理的供电 对提高煤矿企业经济效益及保证安全生产等方面都具有十分重要的 意义 1 1 1 煤矿供电的可靠性 煤矿供电系统的可靠性要求就是不间断供电 如果供电中断 不仅会影响产量 而且 会发生人身及设备损坏等事故 由于井下生产环境复杂 自然条件恶劣 供电线路 设 备极易受损 易造成因漏电导致发生电火花 引起火灾 瓦斯 煤尘爆炸等恶性事故 因此 根据 煤矿安全规程 的要求 一级负荷为双回路供电 两回线路互为备用 当 一路检修或故障时 则另一路可以不间断地供电 以保障系统供电的可靠性 1 1 2 煤矿供电的安全性 供电安全就是在电能的分配 供应和使用过程中 不得发生人身触电和设备事故 也不得发生火灾 瓦斯 煤尘爆炸等事故 因此 必须按照 煤矿安全规程 的有关规 定 确保煤矿供电系统安全运行 1 2 黄家沟煤矿简介 黄家沟煤矿位于山西省吕梁地区临县湍水头镇黄家沟村 始建于 1971 年 75 年正 式投产 设计生产能力 0 06Mt a 系国有企业 北距县城 39km 南距吕梁市 22km 行政 区划隶属于湍水头镇管辖 地理坐标为北纬 37 42 49 37 44 32 东经 111 05 53 111 08 16 北距临县城 39km 南距吕梁市 22km 行政区划隶属于湍水头镇管辖 为 1 20Mt a 生产能力的新型矿井 1 2 1 黄家沟煤矿供电概述 2 根据煤矿供电负荷统计 本矿井宜采用 10kV 供电 由于煤矿用电设备绝大部分为一 二级负荷 按 煤炭工业矿井设计规范 矿井应有两回路电源线路 当任何一回发生故 障停止供电时 另一回应能担负矿井全部符合 煤矿供电电源双回线路引自星原 110kV 变电站 矿井现有 10kV 变电所一座 经煤矿 10kV 总降压变电所降压 通过低压变电所 和其他配电点来为整个煤矿供电 保证煤矿安全 可靠的运行 3 2 负荷计算 2 1 负荷计算 2 1 1 成组用电设备的负荷计算公式 cadN PkP 2 1 tan cacaav QPj 2 2 cos cacaav SPj 2 3 式中 cacaca PQS 为该组用电设备的实际有功功率 kW 无功功率 kVar 和视 在功率 kVA N P 为该组用电设备的总额定容量 单位 kW cos dav kj 为该组用电设备的需要系数和加权平均功率因数 tan av j为与cos av j对应的正切值 以生产系统低压负荷原煤厂储存系统负荷计算 246 2 0 65160 03 cadN PkkWP 2 4 160 03 0 75120 0t2 n a cacaav kVarQPj 2 5 cos160 030 8200 04 cacaav SPkVAj 2 6 其他计算于此类似 计算负荷表如附录 洗煤厂负荷表如附录表 2 1 矿井负荷表如附录表 2 2 2 2 地面变电所负荷的统计与变压器选择 2 2 1 低压变电所负荷统计 统计矿井变电所总计算负荷时 应从供电系统末端开始逐级向电源侧统计 1 首先应该公式计算各个用电设备的计算容量 2 当某一供电干线有多个用电设备组时 则将该干线上各用电设备组的计算负荷 相加后乘以组间最大负荷同时系数 即得该干线的计算负荷 3 得到计算负荷后 进行无功功率补偿后 选择合适的变压器 将变压器的损耗 计算得出 相加后即为变压器一次侧的计算负荷 其公式如下 spca PkP 2 7 sqca QkQ 2 8 22 PSQ 2 9 4 式中 caca PQ 为各组用电设备的有功 无功计算负荷之和 spsq kk 为考虑各组用电设备最大负荷不同时出现的有功 无功组间最大负荷同时系 数 组数越多 其值越小 一般取0 85 0 950 9 0 97 spsq kk PQS S 为干线或变电所二次母线的总有功 无功和视在计算负荷 各级电网的 sp k或 sq k的连乘积不应小于 0 8 2 2 2 地面低压变电所负荷计算 选煤厂生产系统变电所低压负荷计算 1 计算负荷 1543 3 1157 2 cos0 8 caca PkWQkVarj 取 0 90 9 spsq kk 则有 0 9 1543 31388 97 spca kWPkP 2 10 0 9 1157 21041 75 sqca QkQkVar 2 11 22 P1736 23 SQkVA 2 12 2 无功功率补偿 功率因数是电力系统特别是用电户的一项重要电气指标 我国电力规程规定 高压 供电用户功率因数应达到 0 90 以上 其他电力用户功率因数为 0 85 以上 计算公式为 tantan cNATac QPjj 2 13 式中 c Q为补偿后的无功功率 kVar P 为系统的有功计算负荷 kW NAT j为补偿前功率因数角的正切值 tan ac j为补偿后功率因数角的正切值 则有 6240 160000 39 eccrNT SSb 2 14 近似补偿 600 c QkVar 2 15 因此 补偿后的系统无功功率为 1041 75600441 75 ac QkVar H 2 16 补偿后系统视载容量为 22 145P7 53 kSQVA H 2 17 3 变压器的选择 5 生产系统变电所 2 回 10kV 电源引自地面 110kV 变电所 为了保证设备的可靠性 故 设 2 台动力变压器 两台变压器同时工作 当变电所选用两台变压器且同时工作时 每台主变压器的容量应该按下列式计算 cos NTtpactpac SK PK Sj 2 18 式中 NT S为变电所的额定容量 kVA P 为变电所总的有功计算负荷 kW cos ac j为变电所人工补偿后的功率因数 一般应在 0 95 之上 ac S为变电所人工补偿后的视在容量 kVA tp K为故障保证系数 根据企业一 二类负荷所占比重确定 对工矿企业 tp K不应小 于 0 8 工厂企业不小于 0 7 变压器的选择 0 8 1457 531166 02 NTtpac kVASK S 2 19 因此 选用 S11 M 1250 10 10 0 69kV 1250 kVA 动力变压器 负荷率为 2 1166 02250000 58 NTN SSb 2 20 各个变压器型号选择如下表 2 3 表 2 3 变压器型号选择 额定电压 额定损耗 名称 型号 额定 容量 kVA 高压 kV 低压 kV 空载 W 短路 W 生产系统变电所 S11 M 1250 10 1250 10 0 69 1365 12000 主厂房 10KV 变电所 S11 M 1250 11 1250 10 0 69 1365 12000 矿井变电所 S11 M 630 11 630 10 0 4 805 6200 矿井中部 10KV 变电所 S11 M 800 10 800 10 0 4 425 2550 风井 10KV 变电所 S11 M 250 10 250 10 0 4 395 3050 厂前区箱变一 SGB10 800 10 800 10 0 4 1700 11560 厂前区箱变变二 SGB10 800 11 800 10 0 4 1700 11560 地面变电站主变压器 SFZ11 16000 110 16000 110 10 15400 73100 4 变压器损耗的计算 变压器运行过程中 在绕组和铁芯中都会 产生一定的损耗 变压器的功率损耗包括 有功功率损耗和无功功率损耗两部分 6 变压器的有功功率损耗 变压器的有功功率损耗由两部分组成 一部分是变压器额定电压时的空载损耗 通常 为铁损 另一部分是变压器带负荷时绕组中的损耗 通常是铜损 变压器的铜损与变压 器的负荷率的平方成正比 所以变压器的有功功率损耗为 2 TiTT PPPb N D D D 2 21 式中 T PD为变压器的有功功率损耗 kW iT PD为变压器在额定电压时的空载损耗 kW T PND为变压器在额定负荷时的短路损耗 kW b为变压器的负荷率 它等于变压器的实际容量与其额定容量的比值 变压器的无功功率损耗 变压器的无功功率损耗也由两部分组成 一部分是变压器空载时的无功损耗 它与变 压器的空载电流百分数有关 另一部分是变压器带负荷时的无功损耗 它与变压器的短 路电压百分数及变压器的负荷率有关 所以变压器的无功功率损耗为 22 0 100100 s TiTTNTNT IU QQQSSbb N D D D 2 22 式中 T QD为变压器的无功功率损耗 kVar iT QD为变压器空载时的无功功率损耗 kVar T QND为变压器额定负荷时的无功功率损耗 kVar 0 I 为变压器的空载电流百分数 s U 为变压器的短路电压百分数 即阻抗电压 NT S为变压器的额定容量 kVA 如果缺乏变压器的有关数据 变压器的功率损耗可按下列式估算 有功功率为 0 02 TT PPD 2 23 无功功率为 0 1 TT QQD 2 24 5 各低压变电所高压侧计算负荷为 GDt PPP D 2 25 GDt QQQ D 2 26 22 GGG SPQ 2 27 查看变压器手册有 0 1 365 12 0 54 5 iTTs PkWPkWIU N D D 7 带入公式中有 22 1 365 12 0 585 4 TiTT PPkPWb N D D D 2 28 2 0 6 25 18 925 15 100100 s TNTNT IU QSSkVarb D 2 29 其他所选择变压器损耗计算如下表 2 4 表 2 4 变压器损耗计算 变压器损耗 名称 型号 负荷率 有功 kW 无功 kVar 生产系统变电所 S11 M 1250 10 0 58 10 8 50 34 主厂房 10kV 变电所 S11 M 1250 11 0 75 16 23 75 78 矿井变电所 S11 M 630 11 0 39 3 5 8 6 矿井中部 10kV 变电所 S11 M 800 10 0 45 1 88 24 18 风井 10kV 变电所 S11 M 250 10 0 25 1 17 5 25 厂前区箱变一 SGB10 800 10 0 88 10 65 45 17 厂前区箱变变二 SGB10 800 11 0 91 11 27 47 75 地面变电站主变压器 SFZ11 16000 110 0 48 32 2 419 6 生产系统一次侧计算负荷 生产系统低压负荷为 1388 975 98 21399 77 s PkW 2 30 441 7527 87 2492 09 s QkVar 2 31 6240 0 39 16000 cr ec N T S S b 2 32 cos0 94 ss PSj 2 33 其他变电所计算于此类似 计算结果如下表 2 5 表 2 5 变压器负荷计算 名称 有功功率 kW 无功功率 kVar 视在功率 kVA 功率因数 负荷率 生产系统变电所 1399 77 492 09 1483 75 0 94 0 58 主厂房 10kV 变电所 1722 99 857 97 1924 79 0 9 0 75 矿井变电所 471 75 175 58 503 37 0 94 0 39 中部 10kV 变电所 685 87 249 04 729 68 0 94 0 45 风井 10kV 变电所 50 85 42 51 66 27 0 77 0 25 厂前区箱变一 645 21 350 73 734 38 0 88 0 88 8 厂前区箱变变二 668 67 360 8 759 8 0 88 0 91 地面总降压变电站 14070 31 7143 14 15779 67 0 89 0 75 2 3 井下变压器与移动变电站的选择 2 3 1 井下变压器选择方法 井下变电所的选择和地面变电所的选择有一定的区别 井下各动力变电所取决于供电 负荷的大小及负荷种类 井下变压器的选取也采用需要系数法 1 将采区用电设备适当分组 并对各组的工作额定功率相加 求出 N P 2 求出采区变压器的计算容量 cos cadNac SKPj 2 34 式中 d K cos ac j分别是需用系数和加权平均功率因数 采煤工作面的需用系数按经验 公式计算 采用单体支架 各用电设备间无一定顺序启动的一般机组工作面 max 0 2860 714 N d N P K P 2 35 采用自移动支架 各用电设备间按一定顺序启动的机械化采煤工作面 max 0 40 6 N d N P K P 2 36 式中 maxN P为最大一台电机的额定功率 kW 3 采取变电所变压器总额定容量 NT S应大于或等于计算容量 即 NTca SS 2 37 4 井下所选变压器型号的确定 井下变电所 由于运输条件和硐室高度限制及安全等原因 对采掘工作面供不设备用 变压器 以减少设备容量和硐室开拓量 2 3 2 井下变压器选择 确定变压器的型号时 应考虑变压器的容量 电压等级 体积大小及运输方便等因素 应选用 KBSG 型矿用防爆干式变压器 或选择 KBSGZY 型矿用隔爆移动变电站 以一水平带式输送机机头变电所为例 由负荷表一水平带式输送机机头变电所低压负荷 查负荷表有15 cos0 80 8 Nyd PkWKj 则 0 8 15 15 cos0 8 dN ca ac KP SkVA j 2 38 9 考虑到将来负荷的增加以及留有一定的裕度且满足 NTca SS 所以 根据国家标准和煤炭行业标准 11 采区带式输送机机头变电所采用 KBSG 50 10 10 0 69kV 50kVA 矿用隔爆干式变压器 其他井下变电所计算与此相似 变压器选择表如下表 2 6 表 2 6 井下变压器型号选择 额定电压 名称 型号 额定容量 kVA 高压 kV 低压 kV 台数 井下中央变电所 KBSG 400 10 0 69 400 10 0 69 1 采区变电所 KBSG 400 10 0 70 400 10 0 69 2 11 采区带式输送机机头变电所 KBSG 50 10 0 69 50 10 0 69 1 一水平带式输送机机头变电所 KBSG 50 10 0 69 50 10 0 69 1 2 3 3 井下移动变电站的选择 根据井下综采工作面配电需要 在 1103 综采工作面设置六个移动变电站 其中 1103 综采工作面可伸缩带式输送机及制氮机设置三个移动变电站 1103 综采工作设置两个移 动变电站 1103 综采工作面回风巷设置一个移动变电站 以 1103 综采工作面可伸缩带式输送机及制氮机 1 移动变电站为例 查负荷表有 1 980 0 57 cos0 7 ed PkWkj 则 计算负荷为 1 1 980 0 57 798 cos0 7 ed k P SkVA j 2 39 考虑到可发展留有一定的裕度 根据国家标准和煤炭行业标准 选择 KBSGZY 1250 10 1 2 型移动变电站 其他移动变电站选择与 1 移动变电站类似 其选择如下表 2 7 表 2 7 移动变电站选型 名称 序号 型号 容量 额定电压 1 移动变电站 KBSGZY 1250 1250 10 1 2kV 2 移动变电站 KBSGZY 200 200 10 0 69kV 1103 综采面可伸缩输送机及制氮机 3 移动变电站 KBSGZY 800 800 10 1 2kV 4 移动变电站 KBSGZY 800 800 10 1 2kV 1103 综采面 5 移动变电站 KBSGZY 2000 2000 10 3 45kV 10 1103 综采面回风巷 6 移动变电站 KBSGZY 200 200 10 0 69kV 2 4 全矿井负荷的计算 2 4 1 全矿井高低压负荷统计 1 从表中可以知道 选煤厂高低压计算负荷合计 4528 36 2441 22 cos0 88 XMXM PkWQkVarj 取 0 950 95 spsq kk 则有 0 95 4528 364301 94 XMspca PkPkW 2 40 0 95 2441 222319 16 XMsqca QQkVakr 2 41 22 P4887 25 XM SQkVA 2 42 矿井高低压计算负荷合计 10817 97 8227 76 cos0 8 KJKJ PkWQkVarj 取 0 90 9 spsq kk 则有 0 9 10817 979736 17 KJspca PkPkW 2 43 0 9 8227 767404 98 KJsqca QkQkVar 2 44 22 P12232 2 KJ SQkVA 2 45 因此 黄家沟煤矿全部计算负荷为 4301 949736 14038 7111 GXMKJ kWPPP 2 46 2319 167404 9724 149 8 GXMKJ QVaQQkr 2 47 cos0 82j 2 48 2 主变压器的选择 主变压器的选择与低压变压器选择方法类似 计算公式一样 即 0 8 15565 43 12452 3 co s tp NTtpac ac K P SkVAK S j 2 49 根据 煤炭工业设计规范 矿井总降压变压器一般选用两台 保证对一 二级负荷 的可靠供电 因此 选用两台台主变压器 两台同时工作来提高供电系统的可靠性 依 据国家标准和煤炭行业标准 总降压变压器的型号为 SFZ11 16000 110 三相风冷式有载 调压变压器 选用变压器为 SFZ11 16000 110 三相风冷式有载调压变压器 计算变压器的损耗 主变压器的负荷系数为 15565 43 0 48 232000 G NT S S b 2 50 11 主变压器的损耗 有功损耗 22 15 473 1 0 4832 2 TiTT PPPkWb N D D D 2 51 无功损耗 2 0 32387419 100100 s TNTNT IU QSSkVarb D 2 52 2 4 2 功率因数补偿 一 提高功率因数的意义 功率因数是电力系统特别是用户的一项重要的电气指标 在煤矿供电系统中 有大量的感性电动机和变压器 消耗大量无功 使的发电和输电 不能充分的利用 因此必须提高功率因数 1 提高电力系统的供电能力 2 减少供电网络中的电压损失 提高供电质量 3 降低供电网络中的功率损耗 4 降低企业产品的成本 二 提高功率因数的方法 1 提高用电设备本身的功率因数 2 用人工补差法提高功率因数 三 并联电力电容器提高功率因数 1 主要方式 高压集中补偿 低压成组补偿 分散就地补偿 2 补偿容量的确定 一般功率补偿后 功率因数达到 0 9 左右 补偿容量为 tantan cGNATac QPjj 2 53 目前煤矿的无功补偿仍以高压集中补偿为主 即在地面 6 10kV 母线上装设电力电容 器组来提高功率因数 由计算有 tantan14038 11 0 70 48 3088 38 cGNATac QPkVarjj 2 54 近似于 3000 c QkVar 2 55 由于电容器补偿效果较差 加之投入电容器组时合闸涌流和分闸时会造成的操作过电 压 本次设计选用两套磁控式动态无功补偿 MSVC 两套 保证系统功率因数始终保持 0 9 以上 减少功率损耗 达到合理利用能源及节能的目的 12 3 煤矿系统主接线 3 1 煤矿供电系统供电概述 煤矿安全规程 规定 矿井应有两回路电源线路 当任一回路发生故障停止供电时 另一回路应能担负矿井全部负荷 年产 60000t 以下 不含 60000t 的矿井采用单回路供 电时 必须有备用电源 备用电源的容量必须满足通风 排水 提升等要求 并保证主 要通风机等在 10min 内可靠启动和运行 备用电源应有专人负责管理和维护 每 10 天至 少进行一次启动和运行试验 试验期间不得影响矿井通风等 试验记录要存档备查 本煤矿供电系统 两回电源进线均取自黄家沟 110kV 变电站 可以可靠供电 正常 情况下 矿井 2 回电源采用分列运行方式 1 回路运行时另 1 回路必须带电备用 以保证 供电的连续性 3 2 供电类型 一 深井供电系统 当煤层埋藏较深 井田范围较大 井下用电量较大时 一般采用深井供电系统 深井 供电系统的供电方式是由矿山变电所的 10kV 母线上引出下井电缆 沿井筒送到井下中央 变电所 然后再从中央变电所通过沿巷道敷设的高压电缆 把电能输送到井下各高压用 户和采区变电所 其特征为由地面变电所 井下中央变电所和采区变电所构成三级高压 供电 大型矿井一般采用上述三级供电方式 而中小型矿井一般采用两级供电方式 即 地面变电所 采区变电所 二 浅井供电系统 浅井供电系统适用于煤层埋藏距地表不超过 150m 井下涌水量不大且电力负荷较小 的中 小型矿井 处于经济和运行方便的考虑 井下电力设备多为低压 此时可采用由 地面变电所通过井筒 钻孔或辅助风井将低压 局部高压 电能送至井下的浅井供电系 统 浅井供电的特征是两级供电 高压电缆不下井 在井底车场设置配电所 它接受来 自地面变电所用电线送来的低电压 配电所向井底车场及附近巷道低压动力及照明供电 3 3 黄家沟煤矿供电系统 本矿井设计采用三级供电方式为深井供电方式 设计供电系统如图 3 1 13 110kV进线I110kVII 10kV T1 T2 母线I10kV 母线II 井筒井筒 井下中央变电所 10kV井下中央变电所 10kV 1 变 压器 2 变 压 器 备 用 备 用 2 水泵 1 水 泵 一水平 带式输 送机机头 变电所 采区 工作面 0 66 1 14kV 采区低压负荷 采区变电所 KBZ 采区工作面负荷 移动变电站 黄家沟供电示意图 KBSG KBSGZY 图 3 1 黄家沟煤矿供电示意简图 1 矿井地面变电所由两条 110kV 线路供电 电源引自星原 110kV 变电所 10kV 不同 母线上 正常情况下 矿井 2 回电源采用分列运行方式 1 回路运行时另 1 回路必须带电 备用 以保证供电的连续性 地面变电所将 110kV 降为 10kV 再经 10kV 母线将电能分 配给地面高压用电设备 为了保证供电的可靠性 其中一 二类负荷分别由不同段母线 供电 同时 地面变电所将 10kV 降压为 380V 220V 供地面低压动力及照明用电 2 从地面变电所不同的 10kV 母线上引出高压电缆 通过井筒下井送到井下中央变 电所 井下中央变电所直接将高压电能转送到各采区变电所和井底车场及其附近巷道 硐室的高压用电设备 如主排水泵 变流设备等 并在井下中央变电所还设置了变压器 将 10kV 电压降到 380V 660V 向井底车场附近巷道 硐室的低压动力设备供电 此外 14 还设置了照明 信号综合保护装置 将 380V 660V 电压进一步降到 127V 供井底车 场及附近硐室照明 信号专用 3 采区变电所将中央变电所送来的 10kV 电压降为 380V 或 660V 用低压电缆向各 工作面配电点及用电设备供电 中央变电所供电经移动变电所将电压降为 1140V 或 660V 后 有工作面配电点向综采和高档普采工作面的各种用电设备供电 采区变电所及附近 巷道中的照明设备 由设在采区变电所中的矿用照明变压器供电 采区巷道中的照明 信号由照明 信号综合保护供电 3 4 矿井各级变 配 电所 3 4 1 矿井地面变电所 矿井地面变电所是全矿供电的枢纽 担负着向井上 井下变 配电 以及测量 保护 盒主要电气设备工作状态监视等任务 矿井 10kV 变电所采用户内布置形式 设有高压配电室 电容器室 控制值班室及资 料备品库 变电所室外污秽等级按 级考虑 1 位置选择原则 矿井地面变电所位置的确定 关系到矿井供电可靠性和技术经济的合理性 在确定地 面变电所的位置时 应考虑一下原则 尽量靠近负荷中心 以缩短供电线路的长度 使电能损耗 电压损失和有色金属 消耗尽量减少 进出线要方便 尽量避免线路相互交叉和跨越 交通方便 利于变 配电设备的运输 地质和地理条件好 避免遭受洪水和雷电的侵袭 避开滑坡 在煤田上避免压煤 躲开采空区 塌陷区 应当避开化工厂 锅炉房和矸石山等工业污染源 避免设在有剧烈震动的场所 占地要少 但应留有发展的 扩建的余地 根据上述原则 矿井地面变电所一般设在工业广场边缘 离井口不太远的地方 2 地面变电所的布置 地面变电所的布置是根据电压等级 配电装置的形式 母线种类 出线走廊的条件 以及地形情况等因素 因地制宜的决定的 变电所的布置包括主变压器 室内外配电装置和主控室等重要部分 主变压器将电 15 压降为 10kV 后 分别经高压开关与变电所相应的二次母线相连接 然后通过接于各母线 段上的成套高压开关设备将电能分配到地面备高压用户和井下中央变电所 此外 在变 电所的一次和二次母线上还接有避雷器和电压互感器 它们担负着变电所电气设备 配 出线路及用电设备的保护 测量 监视等任务 在变电所的二次母线上一般还接有动态 无功功率补偿装置 MSVC 用以提高变电所的功率因数 3 矿井地面变电所的主接线 变电所的主接线是指由各种电气设备 变压器 断路器 隔离开关 互感器 避雷器 等 所连接的受电 变电和配电的电路系统 变电所主接线的形式与变电所设备的选择 布置 运行的可靠性和经济性 以及继电保护的配置都有密切的关系 它是变电所设计 的重要环节 在拟定变电所主接线方案是 应满足可靠 简单 安全 运行灵活 经济 合理 操作维护方便和适应发展等一般原则 各级变电所主接线具体分为一次接线 二 次母线和配出线 3 个部分 1 一次接线 一次接线指变电所受电线路与主变压器的连接 一次接线可分为线路变压器组接线 桥式接线和单母线分段式接线等几种 煤矿地面变电所一般具有两路和两台主变压器的 终端变电所 通常采用桥式接线 下面是三种接线方式如图 图 3 2 a 所示为外桥接线 它是一次母线联络断路器 桥断路器 位于线路断路器 的外侧而得名 这种接线形式的优点是对变压器切换方便 比内桥接线少两组隔离开关 继电保护简单且易于过渡到全桥或单母线分段接线 而且投资少 占地面积小 其缺点 是倒换线路时操作不方便 这种接线主要适用于电源线路短 故障少 不需要经常切换 线路 变电所负荷变化较大 需要经常改变变压器运行方式 以及没有穿越功率的终端 变电所 图 3 2 b 所示为内桥接线 它是因一次母线的联络断路器 桥断路器 位于线路断 路器内侧而得名 内桥接线的优点是一次侧可设线路保护 倒换线路比较方便 设备投 资和占地面积均比全桥少 其缺点是操作变压器不便 也不利于发展成为全桥和单母线 分段接线 另外 变压器经隔离开关与一次母线相连接 在环形供电的变电所进行操作 时 常被迫用隔离开关切 合空载变压器 当变压器容量较大时 其空载电流将超过隔 离开关的切 合能力 此时则必须改用全桥接线 故适用于进行距离长 线路故障可能 性大 需要经常对线路进行检修和切换 而变电所负荷稳定 不需要经常改变变压器的 运行方式的变电所 16 图 3 2 c 所示为全桥接线 它是内桥和外桥的综合接线形式 这种接线具有内桥和 外桥接线方式的共同优点 它适用性强 操作方便 运行灵活 易于扩展成单母线分段 式的中间变电所 这种接线克服了内桥和外桥接线中改变变压器和线路运行方式时所造 成的短时停电现象 全桥接线的主要缺点是所用设备多 占地面积大 投资大 图 3 2 桥型接线 经过合理选择 考虑可靠性 经济性等要求 黄家沟煤矿地面变电站一次侧接线系统 采用全桥接线方式 2 二次接线 与主变压器二次侧连接的母线称为二次母线 按变电所在供电系统中的重要性 二次 母线主要有三种形式 单母线 在单母线接线方式中 进 出线均设有用于切断负荷与故障电流的断路器 并设有与 母线连接的 母线隔离开关 和与线路连接的 线路隔离开关 这种线路的优点是线路简 单 配电装置造价低 主要缺点是在性能上不够灵活可靠 特别是在处理母线系统故障 或检修时 需要停电 适合用于容量小 不太重要的变电所 接线示意图如图 3 3 17 图 3 3 单母线接线 双母线 对于容量大 供电可靠性要求高 进出线回路数多的重要变电所 常采用双母线接线 方式 优点是供电可靠 运行灵活 缺点是使用设备多 投资大 接线复杂 操作安全 性差 多用于负荷容量大 可靠性要求高的重要区域变电所 适用于 进出线回数较多 容量较大 出线带电抗器的 6kV 10kV 配电装置 35kV 60kV 出线超过 8 回 或连接电源较大 负荷较大时 110kV 出线为 6 回以上时 220kV 出线为 4 回以上时 接线示意图如图 3 4 图 3 4 双母线接线 单母线分段 18 单母线分段 通常每段接一个或两个电影 其负荷分别接在各段上 使各段负荷尽量 与电源功率相平衡 尽量减少各段之间的功率交换 优点是所用设备少 经济 系统简 单 操作安全 并有一定的可靠性 适用于出线回路不是很多 母线故障可能性比较少 的变电所作为主接线 适用于 变电站有两台主变压器时的 6kV 10kV 配电装置 35kV 63kV 配电装置出 线 4 8 回 110kV 220kV 配电装置出线 3 4 回 接线示意图如图 3 5 图 3 5 单母线分段接线 本煤矿系统 二次侧接线采用单母线分段的接线方式 配出线是指矿井地面变电所二次母线上引出的高压配电线路 矿井地面变电所常采用 成套装置对线路和设备进行控制 保护 测量和工作状态的指示 其具体出线根据矿井 负荷确定 4 无功补偿谐波滤波 根据煤矿无功计算 目前补偿装置容量不能满足煤矿无功补偿的要求 因此需增加 两套无功补偿装置 由于电容器分组投切补偿效果较差 加之投入电容器组时合闸涌流 和分闸时会造成的操作过电压 本次设计选用两套磁控式动态无功补偿 MSVC 两套 补偿容量为 3000kVar 安装于户外 5 单相电容电流 经统计本矿井 10kV 电缆总长度约 15km 经计算本矿井 10kV 变电所 10kV 系统单相 接地电容电流约 15A 未超过 煤矿安全规程 规定的允许值 20A 无须采取补偿措施 6 过电压保护及接地 防止雷电波侵入对电气设备的破坏 10kV 电压等级的每段母线上均装设金属氧化锌 避雷器 由于高压开关柜内装设真空断路器 熄弧能力强 容易产生操作过电压 因此 19 每台真空断路器均配置金属氧化锌避雷器以防止内部过电压对电气设备的损坏 同时防 止外部操作过电压的侵入 在变电所内设有以水平接地极为主的人工接地网 接地网外 缘闭合 内敷水平均压带 其接地电阻应不大于 1 变电所必须安装总接地网 设备 管道 结构钢筋 电缆外皮必须与总接地网连接 3 4 2 井下中央变电所 1 概述 井下中央变电所又称井下主变电所 它直接由地面变电所供电 是井下供电的中心 它担负着整个井下受电 配电 变电的重要任务 根据 煤矿安全规程 规定 对井下变 配 电所 含井下各水平中央变 配 电所 和采区变 配 电所 主排水泵房和下山开采的采区排水泵房供电的线路 不得少于两 回路 当任一回路停止供电时 其余回路应能担负全部负荷 根据井下负荷统计情况 确定两回下井电缆由矿井10kV变电所经主斜井引至二水平 主变电所 两回电缆分别引自矿井10kV变电所10kV侧两段不同的母线段上 满足供电系统的可靠性 主变电所两回电源同时工作 互为备用 当任一回电源因 故停止供电时 另一回电源仍能保证所供全部负荷用电 2 井下中央变电所及其位置确定原则 井下中央变电所位置的确定原则 尽量靠近负荷中心 以节省电缆并减少电能损耗和电压损失 电缆进出线和设备运输要方便 变电所通风要良好 以便散热和降低瓦斯浓度 地质条件好 顶 底板的岩层要稳定 尽量少压煤并避免淋水等不利因素 以防 电气设备受损 受潮 根据以上要求 一般中央变电所设置在井底车场附近 并与中央水泵房相邻 3 3 3 采区变电所 采区变电所是采区供电的中心 它担负着整采区的受电 配电 变电任务 变电所两回 10kV 电源用引自井下中央变电所主变电所 变电所内安装 2 台 KBSG 400kVA 10 0 69kV 隔爆干式变压器及 ZBZ 4 0M 4kVA 矿用隔爆型照明信号综合保 护装置两台 本变电所向 11 采区带式输送机机头变电所 1103 综采工作面 1102 综掘 工作面 12 采区大巷综掘工作面 1102 综掘工作面局部通风机 12 采区大巷综掘工作面 局部通风机提供 10kV 电源 向 1102 顺槽综掘工作面 12 采区大巷综掘工作面局扇提供 20 双回单回 660V 电源 向 11 采区辅助运输巷无极绳连续牵引车及 1103 工作面辅助运输巷 无极绳连续牵引车提供单回 660V 电源 变电所主接线方式为单母线分段 21 4 矿井地面短路计算 4 1 概述 在三相供电系统中 破坏供电系统正常运行的故障中最为常见且危害性最大的就是各 种短路 中性点不接地系统有相与相之间的短路 中性点接地系统有相与相之间的短路 和相与地之间的短路 短路的类型包括有三相短路 两相短路 单相短路 两相接地短 路 单相接地短路等 1 计算短路电流的目的 计算短路电流是为了使供电系统安全 可靠运行 减小短路所带来的损失和影响 所 计算短路电流用于解决下列技术问题 1 选择校验电气设备 在选择电气设备时 需要计算出可能通过电气设备的最大 短路电流及其短路电流产生的热效应及动力效应 以便校验电气设备的热稳定性和动 稳定性 确保电气设备在运行中不受短路电流的冲击而损坏 2 选择和整定继电保护装置 为了确保继电保护装置的灵敏 可靠 有选择性地 切除电网故障电路 在选择 整定继电保护装置时 需计算出保护范围末端可能产生 的最小两相短路电流 用于校验继电保护装置动作灵敏度是否满足要求 3 选择限流装置 当短路电流过大造成电气设备选择困难或不经济时 可在供电 线路串接限流装置来限制短路电流 是否采用限流装置 必须通过短路电流的计算来 决定 同时便于确定限流装置的参数 4 选择供电系统的接线和运行方式 不同的接线盒运行方式条