郑煤集团煤矿供电系统设计.doc

摘要通过对告成煤矿35KV变电站做负荷统计，用需用系数法进行负荷计算，根据负荷计算结果确定出该站主变压器的台数、容量及型号。计算结果表明告成站主变压器无需更换。分析煤矿供电系统的运行方式类型及各种运行方式的优缺点，并根据告成站的实际情况，考虑经济、技术因素确定出告成煤矿的最佳运行方式为一路运行、一路备用。主接线形式为35KV侧是单母线分段，6KV侧是双母线分段。通过短路电流计算，对各种电气设备进行校验并确定电气设备的型号。对高压进线的速断保护和过流保护，6KV出线的速断保护和过流保护及主变压器的差动保护、过流保护和过负荷保护的整定值、动作时限及灵敏度进行了计算和校验，最终使继电保护达到最佳状态。关键词：负荷计算，短路电流计算，运行方式，继电保护。 AbstractAccording to the result of load statistics and load calculation determine the quantity 、capacity and mode of the main voltage transformer in Gaocheng coal mine. Analyzing the operation mode of power supply systerm and getting the advantage and disadvantage. Based on the realistic condition economy and technology factor, this paper afford the best operation mode which is one route operation and another in reserve .By way of short circuit current calculation, and checking all kinds of electric epuipment determine the type of electric equipment. Calculation and checking quick-break proteckion, overcurrent protection of the 35KV led-in high and 6KV outlet terminal, checking setting value ,operation limit and response in overload protection of the main voltage transformer and also differential protection, overcurrent protection make proective relaying reaching the best condition.Keywords: load calculation, short circuit current calculation, operation mode, protective relaying.目 录1 前言.11.1 告成煤矿供电系统简介.11.2 告成煤矿目前采用的系统运行方式.11.3 告成站的继电保护现状.1 1.3.1 高压电源进线保护.1 1.3.2 主变保护.2 1.3.3 低压出线保护.21.4 本设计完成的主要工作.22 负荷计算与主变压器的选择.32.1 告成站负荷统计.32.2 负荷计算.42.2.1 用电设备计算负荷的公式.42.2.2 用电设备组的计算负荷.4 2.3 主变压器的选择.63 告成站系统运行方式及主接线形式的确定.83.1 系统运行方式介绍.83.1.1 系统分裂运行.93.1.2 系统并联运行.93.1.3 一路运行一路备用.93.1.4 一趟线路运行、二台主变分裂运行.93.1.5 一趟线路运行、二台主变并联运行.103.1.6 一台主变运行、二趟线路并联运行.103.1.7 二趟线路并联运行、二台主变分裂运行.103.1.8 二趟线路分裂运行、二台主变分裂运行.10 3.2 系统运行方式不同对供电系统的影响.103.2.1 供电的可靠性.103.2.2 供电的安全性.113.2.3 供电的电能质量.113.2.4 供电系统的经济性.113.2.5 操作的复杂性和运行的灵活性.11 3.3 告成站系统运行方式的设计.113.3.1 告成站的基本情况介绍.113.3.2 主要技术经济分析.123.3.3 综合分析及结论.12 3.4 主接线形式的确定.134 告成站35KV变电站短路电流计算.14 4.1 概述.14 4.1.1 计算短路电流的目的.14 4.1.2 计算短路电流的注意事项.14 4.2 告成站短路电流计算.15 4.2.1 短路电流计算系统图及等值电路图.15 4.2.2 短路电流计算.15 4.3 35KV电气设备的选择.204.3.1 35KV架空线、母线的选择.204.3.2 母线瓷瓶及穿墙套管.224.3.3 电压互感器、熔断器的选择.224.3.4 电流互感器的选择.234.3.5 35KV避雷器的选择.234.3.6 带接地刀闸的隔离开关选型.234.3.7 隔离开关的选择.234.3.8 断路器的选择.244.3.9 操动机构的选择.24 4.4 6KV电气设备的选择.254.4.1 断路器选择.254.4.2 隔离开关选择.254.4.3 电流互感器选择.264.4.4 母线的选择.264.4.5 高压电缆型号及截面的选择.274.4.6 电压互感器的选择.274.4.7 配电柜的选择.275 告成站继电保护的设计.28 5.1 概述.28 5.2 继电保护的优化配置及整定原则.295.2.1 一路运行、一路备用继电保护的优化方案.29 5.3 告成站继电保护的设计.345.3.1 告成站继电保护的基本情况.345.3.2 告成站原继电保护方案的主要技术分析.355.3.3 告成站继电保护设计.356 防雷、接地装置.40 6.1 变电所防雷装置.40 6.2 地面变电所保护接地网.41 6.3 接地电阻测量.427 结论.43致谢.44参考文献.45附录1.46附录2.521 前言郑煤集团告成煤矿是经煤碳部及国家计委批准,有郑煤集团公司于1992年9月开工建设的现代化矿井,设计生产规模90万吨。矿井可采储量9270万吨,服务年限为73.6年。其变电站供电的质量直接影响到煤矿的生产,因此对其变电站进行优化设计是很有必要的。郑煤集团供电处负责整个矿区的生产生活的电力供应。它管辖该矿区的十个变电站。这十个变电站分别是:中心站、申沟站、米村站、方山站、袁庄站、王庄站、告成站、大平站、裴沟站和岳村站。本设计是为告成35KV变电站供电系统进行优化设计。1.1 告成煤矿供电系统概况告成煤矿供电系统的电源来自平陌110KV变电站。告成站为35KV变电站,有两趟35kv电源进线.有两台容量均为8000KVA型号为SF7-8000/35,电压比为35/6.3KV的主变压器。1#主变的阻抗电压百分数为7.58%,2#主变的阻抗电压百分数为7.5%。1.2 告成站目前采用的系统运行方式告成站目前采用的运行方式是主变一台运行一台备用的方式。采用该运行方式的原因主要是二台主变容量中的任一台都能满足变电站全部负荷的要求,为了节省固定电费,该站采用了此方式。但此方式是否符合该站的实际情况还须在以下章节进行讨论。主变一台运行一台备用的运行方式的优点是继电保护简单,短路电流小,系统操作方便,固定电费低。但也存在不少缺点,一是主变与电源线路的电能损耗大; 二是系统电压损失大; 三是主变荷率太大,运行不经济;四是接地电流大,易产生弧光接地过电压;五是6KV母线故障时,易造成全部停电,企业一二级负荷的供电要受到较长时间的影响;六是当变电站带较大的常变动的负荷时,易形成较大的电压波动,影响供电质量；七是系统过载能力低,供电设备与线路负担重。1.3 告成站的继电保护现状 1.3.1 高压电源进线保护高压电源进线应该设保护,如果电源进线不设保护,高压母联也没设保护,则高压母联的故障要靠上级变电站进行保护。因此,当高压发生故障时就会发生越级跳闸,另外保护时间也比较长。1.3.2 主变保护 主变保护主要采用差动保护、过流保护、过负荷保护、瓦斯保护和温度保护,主变保护的方案还是比较完善的。1.3.3 低压出线保护 低压出线采用过流保护方案,但是否合适还须进一步研究。1.4 本设计完成的主要工作本设计需要对告成站35KV变电站进行全面设计,包括负荷统计与计算、主变压器的选择、短路电流计算及各种设备的选择、系统运行方式的选择、继电保护整定计算及继电保护装置的设置。最终使供电系统的运行和继电保护的可靠性、选择性、快速性、和灵敏性达到最佳状态。2 负荷计算与主变压器的选择2.1 告成站负荷统计2板，副井车房（），400KW，30A，0.3km3板，PT4板，主井车房（），800KW，80A，0.3km5板，进线6板，井下（）,120mm,60A,0.5km7板，井下（），120mm，60A，0.45km8板，9板，联络10板，井下（），120mm，90A，0.45-0.5km11板，井下（）（与2板互备）12板，进线13板，PT14板，主井车房（备用）31板，北风井（），500KW2，100A，1km30板，锅炉房，70mm，1300KW，0.4km29板，备用28板，生活区，315KVA为变压器，22A，0.7km27板，动力变，400KVA，运行26板，东风井（），50A，3km25板，电容器，50A24板，电容器，50A23板，东风井（）（小煤矿），40A，5km22板，锅炉房（），备用21板，备用20板，动力变，400KVA，运行，0.05km19板，北风井（），备用2.2 负荷计算2.2.1 用电设备计算负荷的公式P=UI cosP=KPQ= PtanS= P/ S式中: P 、Q、S该用电设备的有功、无功、视在功率P用电设备组的总额定容量cos功率因数tan -功率因数角的正切值；K -需用系数2.2.2 用电设备组的计算负荷P=KsPQ=KsPS= P/cos式中P、Q、S配电干线的有功、无功、视在计算负荷Ks同时系数K对应于某一组的需用系数例如，计算东风井(): 查表可得：cos=0.85, K=0.66 PKW QKPKW Q= KS=KVA I=A其它负荷计算方法与此相同。（1）副井车房（） P=400KW COS=0.8 K=0.77 P308KW Q231K S=500KVA I=48A Q=300 K（2）主井车房（）P=800KW COS=0.85 K=0.81 P648KW Q402K S=500KVA I=91A Q=498 K（3）北风井（）P=1000KW COS=0.85 K=0.66 P660KW Q409K S=1176KVA I=113A Q=620 K（4）锅炉房（）P=1300KW COS=0.8 K=0.68 P884KW Q663K S=1625KVA I=76A Q=975 K（5）东风井（）COS=0.85 K=0.66P353KW Q219K P=535KW Q=332 K S=630KVA I=61A（6）井下（）COS=0.7 K=0.7 P437KW Q445K P=624KW Q=636 K S=891KVA I=86A（7）井下（）COS=0.7 K=0.7 P437KW Q445K P=624KW Q=636 K S=891KVA I=86A（8）井下（）COS=0.77 K=0.6 P720KW Q567K P=1200KW Q=996 K S=1559KVA I=150A（9）生活区P1239KW Q814K（10）动力变 S=400KVA I=38A P=320KW Q=240 K P259KW Q194K（11）动力变S=400KVA I=38A P=320KW Q=240 K P259KW Q194K2.3主变压器的选择由上节负荷计算可得：变电所总的有功功率为9700KW，无功功率为6946K。考虑同时需用系数K，有功功率取0.85，无功功率取0.9，得：总的有功功率为8245KW，总的无功功率为6251 K。计算可得功率因数为0.8，需用电容器补偿。设补偿后的功率因数为0.93，则有功功率保持不变，无功补偿后为3259 K。考虑主变压器的损失：P=0.028245=165KW Q=0.1=326 K 则主变压器选择的计算负荷为：有功功率为8410KW，无功功率为3585 K，视在功率为9142KVA 分析告成站的主要负荷性质，为了保证全部矿井生产用电，当一台变压器工作时，不得低于全矿计算负荷的0.87,另外考虑到供电容量的发展情况，两台主变压器的型号为SF8000/35，其主要技术参数：电压比：35/6.3KV 短路电压百分数U%=7.5%空载电流I：0.8% 空载损耗P：11.5KW短路损耗P：45KW 额定容量：8000KVA因一台变压器工作时的负荷率为0.56，一台工作机即满载，故采用一台运、一台备用的运行方式。采用一台运行一台备用的运行方式的原因要在下一章详细分析。3 告成站系统运行方式及主接线形式的确定3.1 系统的运行方式介绍煤矿变电站属于一级负荷,通常采用二个独立电源供电或双回路供电。为此,煤矿供电系统存在多种运行方式。如下图1所示: 当断路器1DL-8DL的通断状态不同时,大致出现8种运行方式。 1#线路 2#线路 1DL 2DL 3DL 4DL 5DL 1#变压器 2#变压器 6DL 7DL 8DL 图3-1 煤矿典型供电系统图3.1.1系统分裂运行系统分裂运行方式是指断路器3DL、8DL同时打开,1DL、2DL、4DL、5DL、6DL、7DL都合上,即电源线路分裂运行,二台变压器也分裂运行的方式。3.1.2系统并联运行 系统并联运行是指断路器1DL-8DL都合上,即电源线路并联运行,二台主变也并联运行的方式。3.1.3一路运行一路备用一路运行一路备用有四种方式a. 1#线路运行,1#主变运行即断路器1DL、4DL、6DL、8DL合上,2DL、3DL、5DL、7DL打开的运行方式。b. 1#线路运行,2#主变运行即断路器1DL、3DL、5DL、7DL、8DL合上,2DL、4DL、6DL打开的运行方式。c. 2#线路运行,2#主变运行即断路器2DL、5DL、7DL、8DL合上,1DL、3DL、4DL、6DL打开的运行方式。d. 2#线路运行,1#主变运行即断路器2DL、3DL、4DL、6DL、8DL合上,1DL、5DL、7DL打开的运行方式。3.1.4一趟线路运行、二台主变分裂运行有以下两种情况:a. 1#线路运行,二台主变分裂运行即断路器1DL、3DL、4DL、5DL、6DL、7DL合上,2DL、8DL打开的运行方式。b. 2#线路运行,二台主变分裂运行即断路器2DL、3DL、4DL、5DL、6DL、7DL合上,1DL、8DL打开的运行方式。3.1.5 一趟线路运行、二台主变并联运行有以下两种情况:a. 1#线路运行,二台主变并联运行即断路器1DL、3DL、4DL、5DL、6DL、7DL、8DL合上,2DL打开的运行方式。b. 2#线路运行, 二台主变并联运行即断路器2DL、3DL、4DL、5DL、6DL、7DL、8DL合上,1DL打开的运行方式。3.1.6 一台主变运行、二趟线路并联运行有以下两种情况:a. 1#主变运行,二趟线路并联运行即断路器1DL、2DL、3DL、4DL、6DL、8DL合上,5DL、7DL打开的运行方式。b. 2#主变运行,二趟线路并联运行即断路器1DL、2DL、3DL、5DL、7DL、8DL合上,4DL、6DL打开的运行方式。3.1.7 二趟线路并联运行、二台主变分裂运行即断路器1DL、2DL、3DL、4DL、5DL、5DL、7DL合上,8DL打开的运行方式。3.1.8二趟线路分裂运行、二台主变分裂运行即断路器1DL、2DL、4DL、5DL、6DL、7DL、8DL合上,3DL打开的运行方式。3.2 系统运行方式不同对供电系统的影响 系统采用不同的运行方式,会使供电系统受如下诸多的影响。3.2.1 供电的可靠性由于运行方式直接牵涉到电源的明备用和暗备用的问题,也直接关系到主变压器明备用和暗备用的问题,所以系统运行方式对供电可靠性的影响是比较大的。3.2.2 供电的安全性由于运行方式不同,对短路电流和接地电流的影响比较大,而短路电流的大小直接影响着系统与设备的安全性,直接影响到继电保护的性能(主要是指速断的整定,各种电流保护的灵敏度保护范围以及选择性的配合)而接地电流的大小影响内部过电压及设备和人身的安全,所以运行方式对供电的安全性影响较大。3.2.3 供电的电能质量由于系统运行方式的不同,系统的电压损失是不同的,所以运行方式对供电系统的电能质量影响是比较大的。3.2.4供电系统的经济性由于运行方式的不同,系统的功率损耗电能损耗和功率因数是不同的,所以运行方式的不同对供电系统的经济性影响是比较大的。3.2.5操作的复杂性和运行的灵活性由于运行方式的不同,系统的各断路器和隔离开关的通断状态是不同的,因此运行方式对操作的复杂性和运行的灵活性影响是比较大的。因此,应该对系统的运行方式进行深入的分析和研究,并结合变电站的实际情况,确定出最优的系统运行方式,以便使供电系统的各项技术及经济指标达到最佳状态,即对供电系统的运行方式进行优化。3.3 告成站系统运行方式的设计3.3.1 告成站的基本情况介绍(1) 有二趟35KV电源进线，都来自平陌110KV变电站，架空线截面和长度分别为120mm、18.3km。(2) 有二台等容量主变，型号为SF-8000/35，主要技术参数如下：a额定容量：8000KVAb电压比：35/6.3KVc短路电压百分数：U%：7.5%d电流比：132/733Ae空载电流I：0.8% f空载损耗P：11.5KWg短路损耗P：45KW3总负荷：9142KVA4功率因数cos:0.9-0.915现采用的运行方式：一路运行、一路备用66KV出线：18路7主要负荷种类：矿井负荷3.3.2 主要技术经济分析a该站电源线路比较长，达18.3km，则线路的电阻和电抗都比较大。但该站的总负荷并不大，只有9142KVA。因此，线路的电能损耗和电压损失不会太大。因此，一路运行、一路备用的线路年损耗约为15万元，而系统分裂运行的线路年损耗应为一路运行一路备用的一半，即7.5万元。b该站有二台等容量的变压器，容量为8000KVA，若采用一路运行一路备用的运行方式，则主变负荷率为0.56，正好在变压器经济运行的负荷率范围内，变压器运行最经济，另外，一路运行一路备用是一台主变运行，固定电费少，约为201.6万元。若采用系统分裂运行，则有二台主变同时运行，而每台主变压器的负荷率就比较小，约为0.28，显然出现大马拉小车的现象，变压器运行不经济。另外，二台主变运行的固定电费是一台运行的2倍，即403.2万元，因此，告成站易采用一路运行一路备用的运行方式。c.该站6KV出线数由18路，接地电流超标的可能性不大，因此，可以考虑采用一路运行一路备用的运行方式，以节约固定电费。3.3.3 综合分析及结论由上述分析可见，系统分裂运行的线路年损耗费只比一路运行一路备用的少7.5万元，但固定电费比一路运行一路备用的多201.6万元，况且，一路运行一路备用时主变运行最经济。因此，对告成站来讲，一路运行一路备用的运行方式为最优运行方式。3.4 主接线形式的确定告成站35KV侧采用全桥接线方式，该接线方式的优点是对变压器、线路的操作方便、运行灵活。且易于扩展成单母线分段形式。其缺点是设备多、投资大，变电所占地面积大。但考虑告成站的实际情况，此接线方式是合适的。告成站6KV侧采用单母线分段接线方式，其优点是当某回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供电。且操作方便、运行灵活，可实现自动切换以提高供电的可靠性。其缺点是当其中任一段母线需要检修或发生故障时，接于该段母线的全部进、出线均停止运行。因此，一、二级负荷必须由接在两母线上的环形系统或双回路供电，以便互为备用。本站采用双回路供电。 4. 告成站35KV变电站短路电流计算4.1 概述4.1.1 计算短路电流的目的发生短路故障后，短路回路中将出现数值很大的短路电流。在煤矿供电系统中，短路电流要比额定电流大几十甚至几百倍，通常可达数千安。这样大的电流通过电气设备和导线必然要产生很大的电动力，并使载流体温度急剧上升而破坏设备。同时短路点电压将降为零，在短路点附近，电压也相应显著下降，造成这些地方的供电中断或严重影响电动机工作。在发生接地短路时所出现的不对称短路电流，还将对与架空线路平行敷设的通讯线路产生干扰。更危险的是当短路点离发电厂很近，而且短路的持续时间较长时，可造成发电机失去同步，而使整个电力系统的运行解列，这是最严重的后果。为了防止发生短路所造成的危害及限制故障的扩大，需要 进行一系列的计算及采取相应的措施，以保证系统正常或故障时，做到安全，可靠又经济。掌握短路电流计算很重要。因此，计算短路电流的目的，可归纳为一下几点：a作为系统主接线方案比较的项目之一，以便判断哪种主接线方式更能保障供电的安全和可靠，然后再决定系统的主要运行方式。b作为校验电气设备的依据，以便确定所选的设备，在发生短路故障时是否会被损坏。c正确的选择和校验限制短路电流所需的设备，以确保电器设备不被电流损坏。d确定选择和校验继电保护装置所需的各项参数。e根据故障的实际情况，进行故障分析，找出事故的原因。4.1.2 计算短路电流的注意事项a认为各发电机是同步旋转的，电流的频率相同，电势的相位也相同，即发电机无摇摆现象。b认为变压器是理想变压器，不考虑励磁电流的影响，而且变压器的磁路始终不饱和，因此短路后变压器的电抗仍是一个常数。c系统各元件的分布电容忽略不计。d一般所说的短路是指金属性短路。即不考虑电弧电阻的影响。e短路前，系统的电流和电势是对称的。f计算短路电流用的系统图，应以电器设备装设处，能产生最大短路电流的那种正常的那种正常运行方式为准，可不考虑短路时的变换接线方式。g确定短路电流短路点的原则：若需要计算选择与校验电器设备所需的短路参数及计算继电保护装置整定值所需的短路参数时，就应将短路点定在该电器设备或保护装置与电网连接的母线处；如果需要计算校验保护装置灵敏所需的短路参数时，则应将短路点定在该保护装置保护范围的最远点。h计算电抗器的电抗时，应采用加与电抗器端点的实际额定电压，不能用平均电压值，否则误差较大。4.2 告成站短路电流计算告成站35KV变电站装有二台8000/35变压器，平时一台运行一台备用，其阻抗为7.5%，供电处提供变电所35KV母线的系统阻抗标么值为：最大运行方式时：x=0.9141，最小运行方式：x=0.9835。4.2.1 短路电流计算系统图及等值电路图 短路电流计算系统图如图4-1所示：等值电路图如图4-2所示：4.2.2 短路电流计算a计算各元件的电抗标么值选取基准容量：S=100MVA选取短路点所在母线的平均电压为基准电压，即计算K点时，选取V=37KV。计算K及其余短路点时选取V=6.3KV。对应于V=37KV的基准电流值为I=KA对应于V=6.3KV的基准电流值为I=KA K K 0.3km 0.4km 0.5km 0.7km 1km 3km 5km K KK K K KK2柜 30柜 6柜 28柜 31柜 26柜 23柜图4-1 短路电流计算系统图系统阻抗：x=0.9141， x=0.9835。变压器 x=0.937