毕业设计 采区供电设计计算

第一节 矿井变电所 煤矿开采分为地下开采和露天开采 本书主要介绍地下开采的井工煤矿供电系统 简称矿井供电系统 矿井供电系统 对可靠性和安全性要求高 系统结构也较露天矿供电系统复杂 煤矿安全规程 对煤矿井下供电的主要要求是 1 煤矿安全规程 2010 年版 第四百四十二条规定 井下各水平中央变 配 电所 采区变 配 电所 主排井下各水平中央变 配 电所 采区变 配 电所 主排 水泵房和下山开采的采区排水泵房的供电线路 不得少于两回路 当任一回路停止供电时 其余回路应能承担全部负荷的水泵房和下山开采的采区排水泵房的供电线路 不得少于两回路 当任一回路停止供电时 其余回路应能承担全部负荷的 供电 向局部通风机供电的井下变供电 向局部通风机供电的井下变 配配 电所应采用分列运行方式 电所应采用分列运行方式 向煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 突出矿井自救系统供风的压风机 井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变 配 向煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 突出矿井自救系统供风的压风机 井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变 配 电所馈出的供电线路 上述供电线路应来自各自的变压器和母线段 线路上不应分接任何负荷 上述设备的控制回路和辅电所馈出的供电线路 上述供电线路应来自各自的变压器和母线段 线路上不应分接任何负荷 上述设备的控制回路和辅 助设备 必须有与主要设备同等可靠的备用电源 助设备 必须有与主要设备同等可靠的备用电源 2 煤矿安全规程 2010 年版 第一百二十八条规定 高瓦斯矿井 煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 突出矿井 低高瓦斯矿井 煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 突出矿井 低 瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷 半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷 半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备 用局部通风机 并能自动切换 正常工作的局部通风机必须采用三专 专用开关 专用电缆 专用变压器 供电 备用局用局部通风机 并能自动切换 正常工作的局部通风机必须采用三专 专用开关 专用电缆 专用变压器 供电 备用局 部通风机电源必须取自同时带电的另一电源 当正常工作的局部通风机故障时 备用局部通风机能自动启动 其他掘进工部通风机电源必须取自同时带电的另一电源 当正常工作的局部通风机故障时 备用局部通风机能自动启动 其他掘进工 作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部通风机 但必须采用三专供电 作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部通风机 但必须采用三专供电 使用局部通风机供风的地点必须实行风电闭锁 保证当正常工作的局部通风机停止运转或停风后能切断停风区内全部使用局部通风机供风的地点必须实行风电闭锁 保证当正常工作的局部通风机停止运转或停风后能切断停风区内全部 非本质安全型电气设备的电源 正常工作的局部通风机故障 切换到备用局部通风机工作时 该局部通风机供风范围内应非本质安全型电气设备的电源 正常工作的局部通风机故障 切换到备用局部通风机工作时 该局部通风机供风范围内应 停止工作 排除故障 待故障排除 恢复到正常工作的局部通风机后方可恢复工作 停止工作 排除故障 待故障排除 恢复到正常工作的局部通风机后方可恢复工作 一 矿井变电所概貌 矿井供电系统主要由地面变电所 井下中央变电所和采区变电所三级变电所构成 地面变电所的受电电压为 6 110kV 井下配电高压为 6kV 或 10kV 用电设备电压多为 660V 和 1140V 大功率电动机采用 6kV 或 10kV 供电 1 地面变电所 地面变电所是矿井供电系统的枢纽 地面变电所一般设置在矿井工业广场边沿 离井口较近 远离储煤场和矸石山的地方 为了保证供电可靠性 变电所有两条电源进线 大中型煤矿电源电压多为 35kV 特大型煤矿可采用 110kV 变电所通 常设置两台主变压器 主变压器二次侧电网额定电压为 6kV 或 10kV 用两条或两条以上的电缆线路向井下和其他一级负 荷供电 变电所内设置两台低压变压器供应地面 380 220V 动力和照明用电 小型煤矿电源电压多为 6kV 或 10kV 变电所 不设置主变压器 地面变电所 35kV 侧有两种设备布置方式 一是把开关 互感器 母线等电气设备置于室外 安装在由钢筋混凝土或 钢材制成的门架上 二是在室内用高压开关柜组成 新建矿井地面变电所多采用此方式 地面变电所 6 10 kV 侧采用高压开关柜组成 地面变电所的主要电气设备有隔离开关 断路器 变压器 互感器 避雷器等 地面变电所的主要用户有井下负荷 矿井主通风机 矿井主井提升机 矿井副井提升机 矿井压风机 地面低压变压 器 其他辅助生产设施等 2 井下中央变电所 井下中央变电所是井下供电系统的核心 通常井下中央变电所设置在井底车场副井井底附近 与中央水泵房相邻 有条件时还与电机车用的变流所联合建筑 为了防水 变电所地面应比其出口与井底车场或大巷连接处的底板标高高 0 5m 为了防火 中央变电所硐室用砌碹或其他可靠方式支护 硐室必须装设向外开的防火铁门 铁门上应装设便于关严的 通风孔 铁门内可加设向外开的铁栅栏门 平时铁栅栏门关闭 防火铁门打开 以利于通风 在发生火灾时 将防火铁门 关闭 便于灭火和防止火灾蔓延 从硐室出口防火铁门起 5m 以内巷道应用砌碹或其他不燃性材料支护 硐室内还必须设 置足够数量扑灭电气火灾的灭火器材 为了使变电所有良好的通风条件 当硐室长度超过 6m 时 必须在硐室的两端各设一个出口 通常变压器与配电装置分开布置 高压配电装置和低压配电装置分开布置 设备与墙壁之间 各设备之间应留有足够 的维护与检修通道 完全不需要从两侧或后面维护检修的设备 可互相靠紧或靠墙放置 中央变电所内的主要电气设备有矿用隔爆型高压配电箱或矿用一般型高压开关柜 矿用变压器 矿用隔爆型低压馈电 开关等 中央变电所的主要负荷有主排水泵 采区 井底车场低压负荷等 3 采区变电所 采区巷道布置如图 2 4 所示 采区变电所通常设置在两个上 下 山巷道之间的联络巷中或运输大巷采区装车站附近 若采区变电所设置在两个上 下 山巷道之间的联络巷中 可以使采区变电所到各区段工作面运输巷的距离基本相同 适合于大型采区 若采区变电 所设置在运输大巷采区装车站附近 运输 安装更方便 但变电所距最上部区段的距离大 适合于用移动变电站供电的工 作面 采区变电所的防水 防火 通风等安全措施 除底板标高没有严格规定外 其它与中央变电所相同 变压器可与配电 设备布置在同一硐室内 变电所的高 低压设备应分开布置 各设备之间 设备与墙壁之间均应留有维护和检修通道 不 从侧面和背后检修的设备不留通道 采区变电所内的主要电气设备有矿用隔爆型高压配电箱 矿用变压器 矿用隔爆型低压馈电开关等 采区变电所的主要负荷有采煤工作面 掘进工作面 采区集中运输设备 上山绞车 皮带输送机 排水设备 掘进工 作面局部通风机等 二 采煤工作面配电 1 综合机械化采煤工作面配电 综合机械化采煤工作面生产设备单机功率和总功率大 输电距离长 回采速度快 必须采用移动变电站供电 图 2 5 是综采工作面机电设备布置图 图中未画出液压支架 指示线所指为该设备电动机所在位置 箭头所指为煤流方向 采区变电所用 6 10 kV 高压向移动变电站送电 经移动变电站降压后向工作面生产设备供电 综采工作面设备的额 定电压通常为 1140V 大型高产高效工作面使用 3300V 工作面内的生产设备由 1 号移动变电站供电 1 号移动变电站设置在下顺槽距离工作面 150 300 米 工作面配电点设 置在移动变电站附近 条件许可时 也可将 1 号移动变电站设置在上顺槽 电动机在下顺槽口的可伸缩皮带输送机和其他 小型设备由 2 号移动变电站供电 也可以不设 2 号移动变电站 由采区变电所内的变压器直接用低压供电 综采工作面的主要电气设备有移动变电站 矿用隔爆型电磁启动器等 上 山 皮 带 1 2号移变 1号移变 2 3 可伸缩皮带输送机 4 配电点 5 5 6 2 6 7 8 9 图 2 5 综采工作面机电设备布置示意图 1 采煤机 2 刮板输送机 3 乳化液泵 4 喷雾泵 5 回柱绞车 6 调度绞车 7 可伸缩皮带输送机电动机 8 小水泵 9 转载机 10 矿用低压防爆开关 10 10 10 10 2 炮采工作面配电 图 2 6 是炮采工作面机电设备布置图 炮采工作面和普通机采工作面设备功率较小 通常由采区变电所用 660V 低压供 电 当工作面离采区变电所太远时 也可采用移动变电站供电 移动变电站可安放在运输巷口附近 为了安全操作工作面 的机械设备 必须在工作面附近集中设置控制开关和电磁起动器 这些设备的放置地点即为工作面配电点 工作面配电点 一般设在距采煤工作面 50 100m 处 工作面配电点随工作面的推进移动 上 山 皮 带 2 3 配电点 5 5 6 2 6 7 4 图 2 6 炮采工作面机电设备布置示意图 1 低压防爆开关 2 工作面刮板输送机 3 乳化液泵 4 小水泵 5 回柱绞车 6 调度绞车 7 顺槽刮板输送机 8 煤电钻综保装置 9 煤电钻 1 7 7 7 7 1 4 8 8 9 9 1 1 1 3 掘进工作面配电 掘进工作面分为综合机械化掘进工作面和钻爆法掘进工作面两种 综合机械化掘进工作面的配电方式同综合机械化采煤工作面 用移动变电站供电 为减少搬迁次数 移动变电站可距 掘进工作面 300 500m 钻爆法掘进工作面的配电方式同炮采工作面 由采区变电所用 660V 低压供电 掘进工作面配电 点 一般距掘进工作面 80 100m 三 煤矿井下变电所的结线与硐室布置 1 井下中央变电所 井下中央变电所是井下供电系统的核心 其主结线如图 4 25 所示 根据 煤矿安全规程 的规定 井下中央变电所的供电线路 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 所以 为了保证井下供电的可靠性 由地面变电所引至中央变电所的电缆数目至少应有两条 并分别引 自地面变电所的两段 6 10 kV 母线 中央变电所的高压母线采用单母线分段结线方式 母线段数与下井电缆根数对应 各段母线通过高压开关联络 正常 时联络开关断开 母线采用分列运行方式 当某条下井电缆故障退出运行时 合上母线联络开关 恢复对该段母线负荷的 供电 下井 一路 母联 西 翼 采 区 一 路 主 排 水 泵 备 用 主 排 水 泵 井 底 车 场 低 压 负 荷 井底车场低压负荷 T1 T2 主 排 水 泵 东 翼 采 区 二 路 东 翼 采 区 一 路 660V 图 4 25 中央变电所主结线图 6 10 kV 下井 二路 6 10 kV 西 翼 采 区 二 路 中央变电所向每个采区变电所馈送两条电缆线路 主排水泵是一级负荷 但由于水泵总数中已包括备用水泵和检修水泵 因此每台水泵用一条专用电缆供电 可直接用 中央变电所的高压开关启动和停止 所有水泵必须均匀分配在各段母线上 不得集中接于一段母线 当主水泵为低压电动 机时 配电变压器最少应有两台 变压器低压侧亦采用单母线分段结线 每台变压器的容量均应满足最大涌水期时需开动 的全部负荷的供电要求 通常井下中央变电所设置在井底车场副井井底附近 与中央水泵房相邻 有条件时还应与电机车用的变流所联合建筑 为了防水 变电所地面应比其出口与井底车场或大巷连接处的底板标高高 0 5m 为了使变电所有良好的通风条件 当硐室长度超过 6m 时 必须在硐室的两端各设一个出口 硐室用砌碹或其他可靠方式支护 硐室必须装设向外开的防火铁门 铁门上应装设便于关严的通风孔 铁门内可加设 向外开的铁栅栏门 平时铁栅栏门关闭 防火铁门打开 以利于通风 在发生火灾时 将防火铁门关闭 便于灭火和防止 火灾蔓延 从硐室出口防火铁门起 5m 以内巷道应用砌碹或其他不燃性材料支护 硐室内还必须设置足够数量扑灭电气火 灾的灭火器材 应将变压器与配电装置分开布置 高 低压配电装置分开布置 设备与墙壁之间 各设备之间应留有足够的维护与检 修通道 完全不需要从两侧或后面维护检修的设备 可互相靠紧或靠墙放置 考虑发展余地 变电所的高压配电设备的备 用位置应按设计最大数量的 20 考虑 且不少于两台 低压设备的备用回路 也按最多馈出回路数的 20 考虑 2 采区变电所 采区变电所是采区供电的中心 井下中央变电所送来的高压电力 经采区变电所直接配送或降压后配送至采掘工作面 及采区其他用电设备 根据 煤矿安全规程 的规定 采区变 配 电所的供电线路 不得少于两回路 当任一回路停止供电时 其余回路应 能承担全部负荷的供电 供电线路应来自各自的变压器和母线段 线路上不应分接任何负荷 向局部通风机供电的井下变 配 电所应采用分列运行方式 高瓦斯矿井 煤 岩 与瓦斯 二氧化碳 突出矿井 低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷 半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷 掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机 并能自动切换 正常工作的局部通风机必须 采用三专 专用开关 专用电缆 专用变压器 供电 备用局部通风机的电源必须取自同时带电的另一电源 当正常工作 的局部通风机故障时 备用局部通风机能自动启动 其他掘进工作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部 通风机 但必须采用三专供电 图 4 26 是下山 综采采区变电所主结线图 双回路电源 单母线分段结线 采用分列运行方式 综采和综掘工作面采 用 6kV 或 10kV 高压供电 图示采区变电所的采区主排水泵为高压电动机 当主排水泵为低压电动机时 为水泵供电的变 压器低压侧也应采用单母线分段结线 上山绞车 上山皮带输送机 局扇等重要设备采用专用线路供电 综 采 工 作 面 综 掘 工 作 面 6 10 kV 660V 东翼采区 二路 图 4 26 下山 综采采区变电所主结线图 东翼采区 一路 备 用 水 泵 水 泵 水 泵 其 他 负 荷 上 山 绞 车 备 用 局 扇 照 明 上 山 皮 带 工 作 局 扇 工 作 局 扇 备 用 局 扇 上山采区没有主排水泵 炮采工作面通常由采区变电所用 660V 低压供电 采区变电所通常设置在两个上 下 山巷道之间的联络巷中或运输大巷采区装车站附近 采区变电所的防水 防火 通风等安全措施 除底板标高没有严格规定外 其它与中央变电所相同 变压器可与配电 设备布置在同一硐室内 变电所的高 低压设备应分开布置 各设备之间 设备与墙壁之间均应留有维护和检修通道 不 从侧面和背后检修的设备不留通道 3 工作面配电 1 综采工作面配电 综合机械化采煤工作面 单机功率和总功率大 输电距离长 回采速度快 必须采用移动变电站供电 综采工作面机 电设备布置参见图 4 27 综采工作面设备的额定电压通常为 1140V 大型高产高效工作面已使用 3300V 综采工作面配电结线如图 4 28 所示 工作面内的生产设备由 1 移动变电站供电 1 移动变电站距离工作面 150 300 米 在电压损失满足要求的条件下 距离大些可以减少搬移次数 工作面配电点设置在移动变电站附近 开关和乳化液泵 站可安装在平板车或滑橇上 与移动变电站组成串车便于移动 电动机在工作面运输巷口的可伸缩皮带输送机和其他小型 设备由 2 移动变电站供电 当皮带输送机功率不太他时 也可以不设 2 移动变电站 由采区变电所内的变压器供电 工作 面运输巷的调度绞车要担负 1 移动变电站和工作面配电点的搬移任务 因此不能由 1 移动变电站供电 2 炮采工作面配电 炮采工作面机电设备布置见图 2 5 炮采和普通机采工作面设备功率较小 通常由采区变电所用 660V 低压供电 当工 作面离采区变电所太远时 也可采用移动变电站供电 移动变电站可安放在运输巷口附近 为了安全操作工作面的机械设备 必须在工作面附近集中设置控制开关和起动器 这些设备的放置地点即为工作面配 电点 采煤工作面配电点 一般设在距采煤工作面 50 100m 处 工作面配电点随工作面的推进而移动 图 4 29 为炮采工 作面运输巷的配电结线图 图中示意画出两台顺槽刮板输送机 这种配电方式称为干线式 回风巷配电结线与此类似 采 煤 机 刮 板 输 送 机 转 载 机 乳 化 液 泵 喷 雾 泵 乳 化 液 泵 综采 工作 面皮 带输 送机 其他 小型设备 1140V 660 1140 V 1 移动变电站 2 移动 变电站 来自采区变电所 6 10 kV 图 4 28 综采工作面配电结线图 3 掘进工作面配电 综合机械化掘进工作面用移动变电站供电 为减少搬迁次数 移动变电站可距掘进工作面 300 500m 钻爆法掘进工 作面由采区变电所用 660V 低压供电 掘进工作面配电点 一般距掘进工作面 80 100m 来自采区变电所 660V 工作面配电点 第 一 部 刮 板 第 二 部 刮 板 工 作 面 刮 板 乳 化 液 泵 回 柱 绞 车 煤 电 钻 127V 图 4 29 炮采工作面运输巷配电结线图 煤电钻 综保装置 第二节 负荷计算 当我们为采区供电系统选配开关 变压器和电缆时 首先要计算这些设备所负担的功率和电流 这叫负荷计算 负荷 计算是正确选择开关 变压器等电气设备和电缆截面的基础 负荷计算要计算的参数有三个 一是负荷的有功计算功率 简称计算功率 用 Pca表示 它是负荷在运行时实际需要 的长时最大有功功率 单位是 kW 千瓦 二是负荷的视在计算功率 用 Sca表示 它是负荷在运行时实际需要的长时最 大视在功率 单位是 kVA 千伏安 用来选择变压器容量 三是长时工作电流 用 Ica表示 它是负荷在实际运行时的长时 最大工作电流 单位是 A 安 用来选择开关和电缆截面 这里的长时功率 长时电流是指持续 30min 的平均功率和平均电流 与长时功率 长时电流相对的是瞬时功率 瞬时 电流 瞬时功率 瞬时电流有时会远大于长时功率 长时电流 但持续时间往往很短 不能作为选择电气设备的依据 例 如电动机起动时的瞬时最大电流可达其额定电流的数倍 但持续时间只有几秒 一 负荷计算的方法 1 一台电动机的负荷计算 通常我们能够从铭牌上知道一台电动机的额定功率 PN 和额定电流 IN 则 5 1 Nca ca N ca ca Nca 85 0 cos II PP S PP 在生产现场常常只知道电动机的额定功率和额定电压 而不知道额定电流 电动机的额定电流可用式 5 2 计算 但 有些参数需要查电机手册才能得到 现场计算很不方便 5 2 NNN N N cos3 U P I 式中 PN 电动机额定功率 kW UN 电动机额定电压 kV N 电动机额定效率 cos N 电动机额定功率因数 下面介绍迅速估算电动机额定电流的方法 准确性可满足工程计算要求 当电动机额定电压为 380V 时 IN 2PN 当电动机额定电压为 660V 时 IN 1 15PN 当电动机额定电压为 1140V 时 IN 0 66PN 当电动机额定电压为 6kV 时 IN 0 12PN 当电动机额定电压为 10kV 时 IN 0 07PN 例例 5 1 有一台额定电压为 660V 额定功率为 40kW 的电动机 试估算其额定电流 解解 当电动机额定电压为 660V 时 IN 1 15PN 把额定功率等于 40kW 代入公式 IN 1 15 40 46A 2 一个用电设备组的负荷计算 生产工艺相同或相近 在生产过程中相互协同共同完成一项生产任务的多台生产机械称为一个用电设备组 采区有采 煤工作面 掘进工作面 集中运输等几类用电设备组 设一个用电设备组有 n 台电动机 每台电动机的额定功率已知为 PN1 PN2 PN3 PNn 则总额定功率为 5 3 Nn2N1NN PPPP 但是这些电动机在生产运行时 一般不会同时工作 同时工作的电动机一般也不会同时满载 因此实际需要的功率 Pca 总小于 PN 5 4 Ndeca PKP 由 Pca可计算出 Sca和 Ica 5 5 cos ca ca P S 5 6 N ca N ca ca 3cos3U S U P I 式中 UN 额定电压 kV Kde 用电设备组的需用系数 cos 用电设备组的加权平均功率因数 Kde和 cos 均可由表 5 1 查得 根据工作面的产量 地质状况以及生产工艺选择合适的数值 地质条件好 产量高的 工作面 Kde和 cos 可取较大的值 反之 取较小的值 上述负荷计算方法 称为需用系数法 负荷计算的方法还有利用系数法 二项式法 不再赘述 表 5 1 煤矿各组用电设备的需用系数和加权平均功率因数 用电设备组名称 需用系数 Kde 功率因数 cos tan 备注 井底 车场 无主排水泵 有主排水泵 0 6 0 7 0 75 0 85 0 7 0 8 1 02 0 75 无机组缓倾斜采煤工作面0 4 0 60 6 1 33 有机组缓倾斜采煤工作面0 6 0 750 6 0 71 33 1 02 急倾斜采煤工作面0 6 0 650 6 0 71 33 1 02 无掘进机煤巷掘进工作面0 3 0 40 61 33 采 区 有掘进机煤巷掘进工作面0 50 6 0 71 33 1 02 井下 运输 架线式电机车 蓄电池电机车 输送机和绞车 0 4 0 7 0 8 0 6 0 7 0 9 0 9 0 7 0 48 0 48 1 02 例例 5 2 一个缓倾斜炮采工作面 供电电压 660V 有 SGB 620 40T 刮板输送机 5 台 额定功率 40kW BRW80 20 乳 化液泵站 2 台 一台工作 一台备用 额定功率 30 kW JH 8 回柱绞车 2 台 额定功率 7 5kW 小水泵 2 台 额定功率 5 5kW JD 11 4 调度绞车 2 台 额定功率 11 4kW 煤电钻 2 台 额定功率 1 2kW 试计算该工作面的负荷 Pca Sca和 Ica 解解 1 计算总额定功率 kW 2 281 2 1 4 115 55 7230405 Nn2N1NN PPPP 2 查表 5 1 缓倾斜炮采工作面 Kde取 0 5 cos 取 0 6 3 计算有功计算功率 kW 6 140 2 2815 0 Ndeca PKP 4 计算长时负荷电流 A cos3 N ca ca U P I 205 606607321 6140 5 计算视在功率 kVA234 6 0 6 140 cos ca ca P S 例例 5 3 试计算项目中的综采工作面设备的负荷并选择工作面移动变电站容量 解解 项目中的综采工作面设备 除下顺槽可伸缩皮带输送机和上顺槽设备外 均由工作面移动变电站供电 1 计算总额定功率 kW4 988 5 55 7 4 11125751322500 Nn2N1NN PPPP 2 查表 5 1 综采工作面 Kde取 0 7 cos 取 0 7 3 计算有功计算功率 kW692 4 9887 0 Ndeca PKP 4 计算视在功率 kVA988 7 0 692 cos ca ca P S 可选取一台 KBSGZY 1000 10 1 2 型矿用隔爆型移动变电站 3 多个用电设备组的负荷计算 当一个变压器 开关或一条电缆向两个或两个以上用电设备组供电时 就需要计算这多个用电设备组的总功率和总电 流 步骤如下 1 计算各组的 PN 2 查表 5 1 选取各组的 Kde cos 和 tan 3 计算各组的 Pca和 Qca 5 7 tan caca PQ 4 计算 Pca 和 Qca 5 8 3ca2ca1caspca PPPKP 5 9 3ca2ca1casqca QQQKQ 式中 Ksp 用电设备组间的有功功率同时系数 取 0 85 0 95 Ksq 用电设备组间的无功功率同时系数 取 0 9 0 97 为简化计算 当只有 2 3 组用电设备时 Ksp和 Ksq可取 1 5 计算 Sca 5 10 2 ca 2 caca QPS 例例 5 4 设一个炮采工作面和一个掘进工作面由一台变压器供电 已知 炮采工作面 Pca1 140 6kW cos 1 0 6 tan 1 1 33 掘进工作面 Pca2 58kW cos 2 0 6 tan 2 1 33 电动机额定电压 660V 试计算变压 器的总负荷 并选择变压器的容量 解 kvar18733 1 6 140tan 11ca1ca PQ kvar7733 1 58tan 22ca2ca PQ kW 6 19858 6 140 2ca1caca PPP kvar26477187 2ca1caca QQQ kVA330264 6 198 222 ca 2 caca QPS 需选用 KBSG 400 6 0 693 矿用隔爆型干式变压器 其额定容量为 400kVA 第三节 电缆导线截面计算 电缆导线截面的选择是井下供电计算的关键 合适的电缆导线截面 可以使电缆安全运行 可以使电动机电压正常 高效运行 可以使过流保护动作灵敏度校验容易满足要求 通常井下电缆线路导线截面计算可分为三种情况 1 短电缆 当电缆长度较短 且负荷不太大时 按以下步骤计算电缆截面 1 按长时允许电流初选电缆导线截面 2 给采掘工作面生产机械供电的支线电缆要校验机械强度允许最小截面 2 低压长电缆 当电缆长度较长 或负荷较大时 按以下步骤计算电缆截面 1 按长时允许电流初选电缆导线截面 2 校验允许电压损失 3 高压电缆和变电所内的低压电缆 1 按长时允许电流初选电缆导线截面 2 长电缆要校验允许电压损失 3 校验短路热稳定性 详见本章第四节 一 电缆导线截面的计算方法 1 按长时允许电流初选电缆导线截面 导线是有电阻的 当电流通过时会发热 温度过高会缩短电缆寿命 烧坏电缆绝缘 造成短路 使电缆报废 长时允 许电流是导线能长期通过又不过热的最大电流 表 5 2 是井下常用电缆在空气中敷设时的长时允许电流 为了使导线在正 常运行时不超过其长时允许温度 流过导线的长时工作电流不得超过导线的长时允许电流 即 5 11 p I ca I 式中 Ip 标准环境温度 一般为 25 时导线的长时允许电流 Ica 导线的最大长时工作电流 例例 5 5 试为例 5 2 的采煤工作面选择电缆线路截面 解解 在例 5 2 中 已计算出工作面负荷的长时工作电流 Ica 205A 查表 5 2 选取 70mm2低压矿用橡套电缆 其长时 允许电流 Ip 215A Ip Ica 满足要求 初选合格 表 5 2 井下常用电缆在空气中敷设时的长时允许电流 A 聚氯乙烯绝缘铠装电缆 交联聚乙烯绝缘细钢丝 铠装电缆 矿用橡套 电缆 1kV 四芯6kV 三芯6kV10kV低压高压 导线截面 mm2 铜芯铝芯铜芯铝芯铜芯铝芯铜芯铝芯铜芯铜芯 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 30 39 52 70 94 119 149 184 226 260 23 30 40 54 73 92 115 141 174 201 56 73 95 118 148 181 218 251 43 56 73 90 114 143 168 194 211 260 318 367 163 203 246 285 148 180 214 267 324 372 115 140 166 207 251 288 36 46 64 85 113 138 173 215 260 320 53 72 94 121 148 170 205 250 注 表中长时允许电流是环境温度为 25 时的数值 如果环境温度不是 25 则需要修正 实际中 如果环境温度高于 25 可选择大一级的截面 表 5 3 矿用橡套电缆接地和控制芯线配置 mm2 主芯线截面接地芯线截面控制芯线截面主芯线截面接地芯线截面控制芯线截面 4 6 10 16 25 4 6 10 10 16 2 5 2 5 35 50 70 95 16 16 25 25 4 4 4 4 2 按机械强度允许最小截面校验导线截面 电缆在工作面和巷道中敷设 难免会受到外部机械力的作用 截面太小的电缆很容易出现断线 护套破裂 绝缘损坏 现象 为避免在拖拽 碰撞等外力作用下断线 破裂 给采掘工作面生产机械供电的支线电缆按长时允许电流初选后 还 要校验机械强度允许最小截面 这些电缆的截面应符合表 4 11 的要求 表 4 11 橡套电缆满足机械强度的最小截面 mm2 用电设备名称最小截面用电设备名称最小截面 采煤机组 可弯曲输送机 一般输送机 回柱绞车 装岩机 35 50 16 35 10 25 16 25 16 25 调度绞车 局部扇风机 煤电钻 照明设备 4 6 4 6 4 6 2 5 4 3 按允许电压损失校验导线截面 输电线路通过电流时 将产生电压损失 电压损失过大 会造成电动机电压过低 电动机起动困难 工作电流 L U 增大 甚至会因电流过载烧坏电动机 因此 按长时允许电流初选的长电缆 还要校验允许电压损失 1 线路电压损失的计算 所谓电压损失是指输电线路始 末两端电压的算术差值 三相线路的线电压损失为 5 12 sincos3 LLcaL XRIU 式中 UL 线路的线电压损失 V Ica 线路的长时工作电流 A 线路所带负载的功率因数角 RL XL 线路每相电阻 电抗 式 5 12 用功率表示时则为 5 13 N LcaLca L U XQRP U 式中 Pca Qca 线路所带负荷的有功计算功率 kW 无功计算功率 kvar UN 电网的额定电压 kV 在式 5 12 和式 5 13 中 Ica Pca Qca cos sin 都在负荷计算时得到 需要计算的是 RL XL RL可用下式计算 5 14 A L R L 式中 L 电缆的长度 m A 电缆导线截面 mm2 电缆导线的电导率 m mm2 橡胶电缆取 43 5 塑料电缆取 48 6 铝芯 电缆取 28 8 XL可用下式计算 5 15 LxX 0L 式中 L 电缆的长度 km 线路每千米电抗 和线路结构 电压等级有关 电缆线路取 0 06 0 08 0 x 0 x km 架空线路取 0 3 0 4 km 高压线路取较大的值 因为电缆线路的电抗很小 0 06 0 08 km 通常情况下可忽略 式 5 12 和式 5 13 可简化为 5 16 N caca L cos3 UA LP A LI U 例例 5 6 设例 5 5 中电缆长度为 400m 试计算其电压损失 解解 从例 5 2 和例 5 5 中已知 Ica为 205A cos 0 6 Pca 140 6kW 电缆截面为 70mm2 代入式 5 15 可得 V 9 27 5 4370 6 0400205732 1cos3 ca L A LI U 或 V9 27 66 0 5 4370 4006 140 N ca L UA LP U 2 线路允许电压损失 井下变压器的二次侧额定电压为 1 05UN 电动机的允许最低电压为 0 95UN 因 此 变压器和线路的电压损失之和不能超过 10 UN 考虑到井下变压器的电压损失 表 5 4 电网额定电压与线路 允许电压损失的对照表 电网额定电 压 UN kV 线路允许电压 损失 ULP V 0 127 6 0 38 19 0 66 33 1 14 57 6 300 10 500 通常不超过 5 UN 则如果从变压器出口处到电动机的线路电压损失不超过 5 UN 即可满足电动机运行的要求 为计算简便起见 规定从变压器副边出口处到用电设备 电动机 变压器 的线路允许电压损失 5 UN 表 LP U 5 4 为电网额定电压与线路允许电压损失的对照表 例例 5 7 采区上山绞车 PN 110kW UN 660V 从采区变电所到绞车房的电缆长 400m 试选取电缆截面 解解 1 选取 MYP 0 38 0 66 型矿用橡套电缆 2 按长时允许电流初选截面 Ica IN 1 15 110 126 5A 查表 5 2 选取 35mm2矿用橡套电缆 其长时允许电流 Ip为 138A Ip IN满 足要求 初选合格 3 校验电压损失 代入式 5 15 V 8 43 66 0 5 4335 400110 N ca L UA LP U 查表 5 4 可知 33V 不合格 增大截面为 50mm2 Lp U L U Lp U V 7 30 66 0 5 4350 400110 N ca L UA LP U 校验合格 确定选用 MYP 0 38 0 66 3 50 1 16 矿用橡套电缆 L U Lp U 例例 5 8 某采区供电系统局部如图 5 1 所示 试选择电缆 L1和 L2的型号与截面 解解 1 选择电缆型号 选择 MYP 0 38 0 66 型矿用橡套电缆 2 计算 L1的截面 L1的负荷是一台电动机 长时工作电流为 Ica IN 1 15PN 1 15 75 86A 查表 5 2 选取 25mm2 长时允许电流为 113A Ip IN满足要求 初选合格 L1电缆的电压损失为 V4 8 66 0 5 4325 8075 N1 1ca L1 UA LP U 3 计算 L2的截面 L2的负荷是多台电动机 因台数较少 故取 Kde 0 8 长时工作电流为 A160 7 066 0732 1 1608 0 cos3 N Nde ca U PK I 选取 50mm2 长时允许电流为 173A Ip Ica满足要求 初选合格 L2电缆的电压损失为 V 6 35 66 0 5 4350 4001608 0 N2 2Nde N2 2ca L2 UA LPK UA LP U 从变压器到电动机的总电压损失为 V44 6 354 8 2L1LL UUU T KBSG 400 10 0 693 L2 L1 图5 1 例5 8电路 55kW 75kW 400m 80m 30kW 不合格 把 L2的截面增大到 70mm2 重新计算电压损失 L U LP U V25 66 0 5 4370 4001608 0 N2 2Nde N2 2ca L2 UA LPK UA LP U 总电压损失为 V 4 33254 8 2L1LL UUU 合格 L1确定选用 MYP 0 38 0 66 3 25 1 16 矿用橡套电缆 L2确定选用 MYP 0 38 0 66 L U LP U 3 70 1 25 矿用橡套电缆 例例 5 9 炮采工作面运输巷配电接线图如下 试选择各段电缆的截面 当从变压器到电动机有多段电缆时 可采用单位长度等电压损失法计算 此方法只适用于电缆只适用于电缆 200m 660V 工作面配电点 40kW 127V 40kW 40kW 40kW 30kW 7 5kW 1 2kW 100m 90m 80m 70m L1 L2 L3 L4 L5 图 5 2 例 5 9 电路 解 1 求电缆总长度 m540708090100200 L 2 计算单位长度允许电压损失 V m0611 0 540 33 P p L U u 3 计算各段电缆的截面 L1段 mm267 0611 0 66 0 5 43 2 15 7304406 0 pN de 1 uU PK A N 选取 70mm2 IP 215A 校验长时允许电流 A173 6 066 0 732 1 7 1986 0 cos3 N Nde ca U PK I IP Ica 合格 L2段 mm2 5 62 0611 0 66 0 5 43 2 15 7303407 0 pN Nde 2 uU PK A 选取 70mm2 IP 215A 校验长时允许电流 A162 6 066 0 732 1 7 1587 0 cos3 N Nde ca U PK I IP Ica 合格 L3段 mm2 9 47 0611 0 66 0 5 43 2 15 7302407 0 pN Nde 3 uU PK A 选取 50mm2 IP 173A 校验长时允许电流 A121 6 066 0 732 1 7 1187 0 cos3 N Nde ca U PK I IP Ica 合格 L4段 mm2 2 35 0611 0 66 0 5 43 2 15 730408 0 pN Nde 4 uU PK A 选取 35mm2 IP 138A 校验长时允许电流 A92 6 066 0 732 1 7 788 0 cos3 N Nde ca U PK I IP Ica 合格 L5段 mm2 5 22 0611 0 66 0 5 43 40 pN Nde 5 uU PK A 选取 25mm2 IP 113A 校验长时允许电流 Ica IN 1 15PN 46A IP Ica 合格 例例 5 10 某采区变电所向综采工作面移动变电站供电的高压电缆长 1100m 移动变电站型号为 KBSGZY 1000 6 1 2 该电缆允许电压损失为 1 UN 试选电缆型号和截面 解解 1 选取电缆型号 可选 MYPTJ 3 6 6 型电缆 2 按长时允许电流初选截面 移动变电站的额定电流为 A96 6732 1 1000 3 N1 N N1 U S I 查表 5 2 选 25mm2 Ip 121A I1N 初选合格 3 校验电压损失 V118 6 5 4325 11007 01000cos N ca N ca L UA LS UA LP U 不合格 把 L2的截面增大到 70mm2 重新计算电压损失 L U LP U V59 6 5 4350 11007 01000cos N ca N ca L UA LS UA LP U 合格 L U LP U 注 从地面主变压器到工作面移动变电站的电缆分三段 地面 井下中央变电所 采区变电所 移动变电站 总电压损失正常时不得超过 5 UN 故障时不得超过 7 UN 故该例题中采区变电所到移动变电站的电缆允许电压损失规 定为 1 UN 生产现场可根据实际情况调整 二 变电所电压管理 电压是衡量电能质量的主要指标 供电系统在运行中 送到用电设备的实际电压与额定电压总有一些偏差 此偏差值 称为电压偏移 如果电压偏移超过允许的范围 电气设备的运行状态将显著恶化 甚至损坏电气设备 例如交流电动机电 压过低时 电动机转矩急剧下降 起动困难 电流增大 运行温度升高 加速绝缘的老化 甚至烧毁电动机 电压过高时 会造成电动机空载电流和铁损的增大 温度升高 过高的电压甚至会造成绝缘击穿 引起短路 一般电动机和照明灯的允 许电压偏移为其额定电压的 5 煤矿井下常见电压问题是靠近变压器的地方电压过高 可达额定电压的 1 1 倍以上 离变压器远的地方电压过低 可 低于 0 9 倍的额定电压 当变压器出口处的电压偏高时 可通过电力变压器的调压分接头来调节 矿用隔爆干式变压器的调压分接头有 5 0 5 三个等级 当高压侧输入电压比额定电压高 5 时 调压分接头置于 5 位置 依此类推 调节原则是当变 压器在正常负载下运行时出口处的电压等于或略高于电网额定电压 当输电线路远端的电压偏低时 可以通过增大线路导线截面 增加电缆根数或使用移动变电站供电来解决 表 4 7 常用矿用防爆开关技术参数表 序号产品名称型号额定电流 A 额定开 断容量 MVA 额定开断 电流 kA 热稳定电流和热 稳定时间 kA s 动稳定电流 kA 1BGP9LG 6 50 100 150 200 250 315 400 10012 512 5 2 2PBG12 6 50 100 150 200 300 400 1001010 225 3BGP9LG 10 50 100 150 200 250 315 400 20012 512 5 2 4 矿用隔爆高 压配电箱 BGP48 6 50 100 200 300 1001010 225 5 KBZ 1140 660 500 63012 5 6 低压隔爆馈 电开关KBZ 1140 660 200 4007 5 7 QJZ 1140 660 315 400 5004 5 8 QBZ 660 380 80 120 2002 2 5 4 5 9 QBZ 80 120 660 380 80 120 10 矿用隔爆真 空电磁起动 器 BQD 80N 120N 660 380 80 120 第四节 井下电网短路电流计算 一 短路 电力系统在运行中难免发生各种故障 而使系统的正常运行遭到破坏 根据运行经验 最为常见而且危害最大的故障 是短路 短路是指供电系统中不同电位的导体在电气上被短接 1 短路的种类 在三相系统中 短路的基本类型有 三相短路 两相短路 两相接地短路 单相短路和单相接地短路等 在煤矿井下供电系统中 由于电网中性点不接地 故没有单相短路和单相接地短路 常见的短路是三相短路和两相短 路 2 造成短路的原因 煤矿井下电网短路故障的主要原因如下 1 电气设备年久失修 绝缘自然老化 2 绝缘材料表面污秽 受潮 使绝缘能力下降 3 绝缘受到机械性损伤 如撞击 拖拽 过度弯曲等 导致绝缘损坏 4 带负荷拉合隔离开关 造成弧光短路 分断真空开关时引起操作过电压 击穿绝缘 3 短路的危害 1 损坏电气设备 短路电流可达正常工作电流的几倍甚至几十倍 短路电流产生的电动力效应和热效应 会使故障 设备及短路回路中的其它设备遭到破坏 2 短路点的电弧 火花和高温会引爆瓦斯和煤尘 引发火灾 3 造成停电事故 短路时 电力系统的保护装置动作 使开关跳闸 造成停电 越靠近电源 停电范围越大 造成 的经济损失也越严重 4 计算短路电流的目的和任务 为了使电力系统可靠 安全地运行 将短路带来的损失和影响限制在最小范围 必须准确地进行短路电流计算 以解 决下列技术问题 1 校验电气设备的分断能力和动 热稳定性 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 产生的电动力效应及热效应 以检验电气设备的分断能力及耐受能力 三相短路电流最大 造成的危害最严重 用于校验 电气设备的分断能力和动 热稳定性 2 校验继电保护的灵敏度 整定继电保护装置时 需要校验继电保护装置动作的灵敏度是否符合要求 以保证继电 保护装置在发生短路时能可靠跳闸 继电保护装置保护范围内的最小两相短路电流用于校验过流保护的灵敏度 5 预防和减少短路的措施 1 搬迁电气设备时要停电 拖拽 搬运电气设备和电缆时用力要适当 放置电气设备的场所 顶板 底板和槽帮要 稳定 无淋水 无积水 通风良好 2 及时清理电气设备上的灰尘和露水 保持设备内外整洁 在灰尘多和潮湿的地方 可使用硅脂 硅油涂抹绝缘表 面 3 加强设备维护与检查 定期进行绝缘试验 及时发现绝缘缺陷 预防绝缘老化引起的短路 按照 煤矿安全规程 的规定 高压电缆的泄漏电流和耐压试验每年一次 主要电气设备的绝缘检查 每半年不少于一次 固定敷设电缆的绝缘 和外部检查每季度一次 橡套电缆的绝缘检查每月一次 新设备在投入运行前都要做绝缘电阻的检测 4 要按 煤矿安全规程 的规定敷设电缆 电缆的架设要稳固 可靠 受力时有一定的缓冲 5 严格执行变电所停送电操作规程和检修规程 严禁无电工作业资格的人擅自操作电气设备 6 由地面引入井下的电力线路 通信线路 金属管道 铁轨等必须在下井前设置防雷电措施 二 短路电流的波形 在短路发生后的 0 2 秒时间内 短路电流不是正弦波 图 5 3 是高压电网短路电流的波形图 周期分量 Ism 0 0