——矿山电工学课程设计

矿山电工学课程设计说明书 设计题目: 煤矿企业地面356kV变电所设计 助学院校:河南理工大学 自考助学专业:机电设备与管理 姓 名: 陈文举 自考助学学号: 成 绩: 指导教师签名: 河南理工大学成人高等教育2O14 年 11 月 25 日 目 录1 负荷计算与功率因数补偿11.1概述11.2 计算各组负荷与填表31.3 各变压器功率损耗计算31.4 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器41.5 功率因数补偿与电容器柜选择51.6 主变压器校验及经济运行方案61.7 拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图72短路电流计算82.1概述82.2 选取短路计算点并绘制等效计算图92.3设计计算选择结果汇总153 电气设备选择163.1 概述163.2 高压断路器的选择163.3 35kV避雷器的选择163.4 6kV电气设备选择164 课程设计的收获与建议204.1 收获204.2建议215 参考文献221 负荷计算与功率因数补偿1.1概述工矿企业负荷计算，首先需收集必要的负荷资料，按表29的格式做成负荷统计计算表，计算或查表求出各负荷的需用系数和功率因数，然后由低压到高压逐级计算各组负荷，在进行负荷归总时，应计入各低压变压器的损耗，考虑组间同时系数后，就可求得矿井kV母线上的总计算负荷，作为初选主变压器台数容量的主要依据功率因数的补偿计算与主变压器的容量、负荷率及运行方式密不可分，题意是要求将35kV母线的功率因数提高到0.9以上，故应将主变压器的功率损耗也计入总的负荷中，在计算过程中将会存在估算与最后验算的反复。拟定供电系统，主要是综合考虑矿井负荷性质，主变压器的台数、容量及电源线的情况来决定矿井地面356kV变电所的主接线方式。并绘制供电系统一次接线图。本章可按以下八步去计算。（一）计算各组负荷并填入表29中1114各栏。（二）选择各低压变压器并计算其损耗。（三）计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器。（四）功率因数补偿计算与电容器柜选择。（五）主变压器校验及经济运行。（六）全矿电耗与吨煤电耗计算。（七）拟定并绘制矿井地面供电系统一次接线图。（八）设计计算选择结果汇总。某年产90万吨原煤的煤矿，其供电设计所需的基本原始数据如下：矿年产量：90万吨；服务年限：75年；矿井沼气等级：煤与沼气突出矿井；立井深度：0.36 km ；冻土厚度： 0.35 m ； 矿井地面土质：一般黑土；两回35kV架空电源线路长度： 两回35kV电源上级出线断路器过流保护动作时间：本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：本所35kV电源母线上最小运行方式下的系统电抗井下6kV母线上允许短路容量：电费收取办法：两部电价制，固定部分按最高负荷收费；本所35kV母线上补偿后平均功率因数要求值：地区日最高气温： 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：全矿负荷统计分组及有关需用系数、功率因数等如表28所示。 表28 全矿负荷统计分组表设备名称负荷等级电压V线路类型电机类型单机容量kW安装台数工作台数工 作设 备总容量kW需用系数Kd功率因数cos离35kV变电所的距离km12345678910111 主机提升26000CY10001/110000.950.850.282 副井提升16000CY6301/16300.940.840.203 扇风机116000kT8002/18000.88-0.911.54 扇风机216000kT8002/18000.88-0.911.55 压风机16000CT2504/25000.9-0.890.366 地面低压1380C8700.720.780.057 机修厂3380C7500.60.70.208 洗煤厂2380K9200.750.780.469工人村3380K4800.760.852.010支农3380K3600.750.852.711主排水泵16000CX5005/315000.880.860.6512井下低压2660CX23780.70.76注1：线路类型：C电缆线路；k架空线路。注2：电机型式：Y绕线异步；X鼠笼异步；D直流；T同步。试对该矿地面356kV变电所初步设计中的负荷计算、主变压器选择、功率因数补偿及供电系统拟定等各内容进行设计计算。1.2 计算各组负荷与填表利用表28中811各列的数据和公式,分别算出各设备或设备组的Pca、Qca、及Sca,并填入表中1214列。例如，对于主井提升机有又如，对于扇风机1，由同步电动机拖动，表28中其cos标出负值，其原因是：同步电动机当负荷率0.9，且在过励磁的条件下，其功率因数超前，向电网发送无功功率，故为负值。此时同步电动机的无功补偿率约为4060%，近似计算取50%，故其补偿能力可按下式计算：在合计栏中，合计有功负荷9591 kW和无功负荷5357 kvar是表中12列、13列的代数和，而视在负荷10986 kVA，则是据上述两个数值按公式计算得出，视在容量的代数和无意义。1.3 各变压器功率损耗计算因采用高压6kV集中补偿功率因数，故对各低压变压器均无补偿作用，选择时据表29中的计算视在容量按公式的原则进行。洗煤厂变压器选用两台S9-800，60.4kV型铜线电力变压器。单台变压器的功率损耗按公式计算；两台变压器一般为分列运行，其功率损耗应为按0.5运行的单台变压器损耗的两倍；对于井下低压负荷，因表29中未作分组，故不选变压器，其损耗按近似公式计算。例如，对于500kVA工人村变压器，据附表1中的有关参数，可算得 又如，对于地面低压两台800 kVA变压器，同样可算得井下低压负荷的变压器损耗,按近似公式计算，即同理可得其它各低压变压器的损耗如表210所示。表210 各低压变压器功率损耗计算结果负荷名称地面低压机修厂洗煤厂工人村支 农井下低压ST.N，kVA28008002800500400(2196)PT，kWQT，kvar6.5376.132.97.3414.721.73.515.733132合计PT61kW；QT280kvar1.4 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器各组低压负荷加上各低压变压器的功率损耗后即为其高压侧的负荷，因Pca=9591 kW，故查表23得Ksi=0.85，忽略矿内高压线路的功率损耗，变电所6kV母线补偿前补偿前功率因数根据矿井一、二级负荷占的比重大与Sca.6=9501kVA，可初选两台主变压器，其型号容量按附表2选为SF7-10000，356.3kV，由于固定电费按最高负荷收费，故可采用两台同时分列运行的方式，当一台因故停运时，另一台亦能保证全矿一、二级负荷的供电，并留有一定的发展余地。1.5 功率因数补偿与电容器柜选择选择思路：题意要求35kV侧的平均功率因数为0.9以上，但补偿电容器是装设联接在6kV母线上，而6kV母线上的总计算负荷并不包括主变压器的功率损耗，这里需要解决的问题是，6kV母线上的功率因数应补偿到何值才能使35kV侧的平均功率因数为0.9级以上?分析解决此问题的思路如下：先计算无补偿时主变压器的最大功率损耗，由于无功损耗与负荷率的平方成正比，故出现变压器最大功率损耗的运行方式应为一台使用，一台因故停运的情况，据此计算35kV侧的补偿前负荷及功率因数，并按公式（252）求出当功率因数提至0.9时所需要的补偿容量，该数值就可以作为6kV母线上应补偿的容量；考虑到矿井35kV变电所的6kV侧均为单母线分两段接线，故所选电容器柜应为偶数，据此再算出实际补偿容量，最后重算变压器的损耗并校验35kV侧补偿后的功率因数。计算选择电容器柜与实际补偿容按表27选用GR-1C-08型，电压为6kV每柜容量qc=270 kvar的电容器柜，则柜数取偶数得Nf=6实际补偿容量：折算到计算补偿容量为补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数因补偿前后有功计算负荷不变，故有补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验合乎要求。1.6 主变压器校验及经济运行方案由表29负荷统计计算表可知、全矿三级负荷约占总负荷的15%，故可取负荷保证系数Kgu=0.85。 则有 合乎要求。按此参数亦可选容量为8000 kVA的主变压器，但设计上为了留有余地并考虑发展，选10000 kVA为宜。 两台主变压器经济运行的临界负荷可由公式求出，即 对于工矿企业变电所，可取Kq=0.06，上式Q0、Qk由公式求得，临界负荷为 得经济运行方案为：当实际负荷S s6128 kVA时，宜于一台运行，当时，宜于两台同时分列运行。全矿电耗与吨煤电耗计算按表21，一般大型矿井取上限。中小矿井取下限，取年最大负荷利用小时小时，故全矿年电耗1.7 拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图拟定矿井地面供电系统图，应从35kV电源线开始，依次确定电源进线回路、35kV和6kV主接线，再考虑各6kV负荷的分配与联接来构思。至于下井电缆的回路数，主要由负荷电流和井下开关最大额定电流，并兼顾是否设置限流电抗器来统筹考虑。最后绘制地面供电系统一次接线图。1电源进线与主接线按已知原始数据，上级变电所提供两回35kV架空电源线路，故电源进线回路为2。对于煤矿企业，因一、二级负荷占总量的23以上，故35kV侧宜用全桥接线，6kV则可采用单母线分两段的接线方式。2负荷分配考虑一、二级负荷必须由联于不同母线段的双回路供电，而主、副井提升机因相距较近（80m），可采用环形供电；将下井电缆与地面低压等分配于两段母线上，力图在正常生产时两段6kV母线上的负荷接近相等。具体分配方案见图2。3下井电缆回数确定由表29中11、12行，考虑0.96的同时系数得井下总负荷井下最大长时负荷电流（计算电流）根据井下开关的额定电流最大为400A，而煤矿安全规程规定。所以，本例至少应选用3回，考虑到负荷分配和运行的灵活性，最后确定4回下井电缆，应在短路计算完成后，根据井下6kV母线上的短路容量是否超出原始资料中不大于100MVA的要求来决定。经粗略估算，本例可以不设置限流电抗器。2短路电流计算2.1概述本章要求对图2所示的供电系统进行短路计算，故根据短路计算的目的，首先要在图1上选定合理的短路计算点，并根据此绘制等效短路计算图。本题可按以下四步求解。一、选取短路计算点并绘制等效计算图二、选择计算各基准值三、计算各元件的标么电抗四、计算各短路点的总标么电抗与短路参数按前面给定的条件，对图2所示的供电系统进行短路电流计算。要求计算出有关短路点最大运行方式下的三相短路电流、短路电流冲击值以及最小运行方式下的两相短路电流。根据第一章的计算可列出短路电流计算所需的原始资料如下：该矿地面变电所35kV采用全桥接线，6kV采用单母分段接线；主变压器型号为SF710000，35/6.3型，Uk%=7.5；地面低压变压器型号为S9800，60.4型，U k%= 4.5；35kV电源进线为双回路架空线路，线路长度为6.5km；系统电抗在最大运行方式: X*s.min =0.12，在最小运行方式: X*s.max =0.22。6kV母线上的线路类型及线路长度如表37所示。序号设备名称电压（kV）距6kV母线距离(km) 线路类型1234567891 01 1主井提升副井提升扇风机1扇风机2压风机地面低压机修厂洗煤厂工人村支农井下6kV母线666660.40.40.40.40.460.280.21.51.50.360.050.20.4622.70.65CCKKCCCKKKC表37 地面变电所6kV母线上的线路类型及线路长度注：C电缆线路 K架空线路2.2 选取短路计算点并绘制等效计算图一般选取各线路始、末端作为短路计算点，线路始端的最大三相短路电流常用来校验电气设备的动、热稳定性，并作为上一级继电保护的整定参数之一，故本题在图2中可选35kV母线，6kV母线和各6kV出现末端为短路计算点。由于本题35/6kV变电所正常运行方式为全分列方式，故任意点的短路电流由系统电源通过本回路提供，且各短路点的最大、最小短路电流仅与系统的运行方式有关，故可画得如图1所示的等效短路计算图。图1 等效短路计算图选择计算各基准值选基准容量Sd100MVA，基准电压Ud137kV，Ud26.3kV，Ud30.4kV 则可求得各级基准电流为 电源的电抗变压器电抗主变压器电抗 地面低压变压器电抗 线路电抗35kV架空线电抗 下井电缆电抗 扇风机1馈电线路电抗 扇风机2馈电线路电抗 主井提升馈电线路电抗 地面低压馈电线路电抗 洗煤厂馈电线路电抗 工人村馈电线路电抗 机修厂馈电线路电抗 支农馈电线路电抗 计算各短路点的短路参数K35点短路电流计算1最大运行方式下的三相短路电流 2最小运行方式下的两相短路电流K66点短路电流计算1最大运行方式下的三相短路电流2最小运行方式下的两相短路电流点短路电流计算（折算到6kV侧）1最大运行方式下的三相短路电流6kV侧的短路电流参数 2最小运行方式下的两相短路电流6kV侧的最小两相短路电流为 井下母线短路容量计算（K7点）井下6kV母线距井上35kV变电所的最小距离是：副井距35kV变电站距离+井深+距井下中央变电所的距离，即（km），其电抗标么值为该值小于井下6kV母线上允许短路容量100MVA，故不需要在地面加装限流电抗器。其它短路点的计算与以上各点类似。各短路点的短路电流计算结果如表38所示。表38 短路计算结果参数表最大运行方式下短路参数最小运行方式下短路参数短 路 点（kA）（kA）（kA）（MVA）（ kA）（kA）K35K66K25K7K11K13K16K17K19K21K23K27K28K305.048.658.657.773.563.568.218.338.091.376.022.988.332.4212.8522.0622.0619.819.089.0820.9421.2420.633.4915.357.6021.246.177.6613.1513.1511.815.415.4112.4812.6612.302.089.154.5312.663.68322.6894.3594.3583.9738.8938.8989.5890.8988.3014.9465.6432.5290.8926.453.817.907.907.103.433.437.547.647.441.355.652.897.642.373.306.846.846.152.972.976.536.616.441.174.892.506.612.05图2 某矿35kV地面变电所供电系统一次接线图2.3设计计算选择结果汇总1补偿后6kV侧负荷与功率因数 2补偿后35kV侧负荷与功率因数； ；3主变压器选择：SF7-10000，356.3kV型，两台。4电容器柜与放电柜GR-1C-08型，6kV，270 kvar，六台；GR-1C-03型，6kV放电柜，两台。5两主变压器经济运行临界负荷：6全矿年电耗：7吨煤电耗： 总结1）在将低压负荷功率归算到高压侧时不可引入电压折算，但应加上变压器损耗。2）由本例功率因数补偿计算可以看出，补偿前后主变压器的功率损耗计算值相对变电所总负荷而言差距不大，因此在工程实际中可以直接按补偿前的损耗值计算。3）因为电力电容器在6kV母线上是相对长时稳定投运的所以在用35kV侧计算有功功率Pca.35由公式来计算所需的电容器柜容量Qc时，应将Pca.35乘以平均负荷系数Klo ，换算成平均功率；而求得实际的补偿容量Qc.f后，欲求其计算补偿容量Qc.ca，则应将Qc.f再除以Klo ，否则将得出错误的结果。4）在有功平均负荷系数与无功平均负荷系数近似相等的条件下，平均功率因数就近似等于计算功率因数。3 电气设备选择3.1 概述本章可按前述各设备的选择原则，依次选择变电所35kV与6kV电气设备。按第一章和第二章给定的条件，对所示的供电系统进行主要高压电气设备选择计算。3.2 高压断路器的选择35kV接线形式为全桥式，而运行方式采用全分列方式，所以35kV进线和变压器回路的断路器应选相同型式的断路器。按照工作室外、工作电压为35kV和最大长时负荷电流为173A，可选择ZW7-40.5型户外真空断路器，其额定电压为35kV，额定电流为1250A。对ZW7-40.5型户外真空断路器按当环境条件和短路情况进行校验。3.3 35kV避雷器的选择避雷器是防护雷电入侵对电气设备产生危害的保护装置。本例中选用HY5WZ-42/134型阀型避雷器,其主要技术数据为：额定电压 42kV ；系统电压 35kV ；工频放电电压 80kV ； 伞裙数 18 ；最大雷击残压 134kV 。3.4 6kV电气设备选择6kV采用室内成套配电装置，选用开关柜的型号为KYN28A-12（Z），即铠装移开式交流封闭金属开关设备。开关柜的一次接线方案与供电系统图上的要求相适。在每段母线上还需装设电压互感器与避雷器柜，供6kV绝缘检测、仪表继电保护之用。 开关柜方案编号选择16kV进线柜方案编号选用架空进线柜019和母联柜052以及架空进线柜021和母联柜053配合使用，分别组成进线柜。2. 母联柜方案编号选用母联柜009和母联柜052配合使用组成分段联络柜。3出线柜方案编号电缆出线方案编号选001号；架空出线方案编号选023号。4电压互感器与避雷器柜选用电压互感器与避雷器柜方案编号为043。35kV母线选择本设计中变电所室内6kV变压器回路母线选用矩形铝母线且三相水平平放，其截面按长时允许电流选择，按动、热稳定进行校验。本例选择6kV母线的已知参数与例43基本相符，故可接例43的选择方法选用LMY806.3型矩形铝母线，并经长时允许电流、动稳定、热稳定校验合格。表411电流互感器的选择结果所在柜名称变比4s热电流(kA)(有效值)动稳定电流(kA)(峰)6kV进线6kV母联主井提升副井提升扇风机扇风机压风机地面低压机修厂洗煤厂工人村支农下井电缆电容器柜1250/51250/5150/5150/5150/5150/5150/5150/5150/5150/5100/5100/5300/5150/540408.68.68.68.65.78.68.68.65.75.717.18.610010021.421.421.421.421.421.421.421.414.314.342.821.4注：副井提升和压风机回路的电流互感器曾选变比为100/5，计算结果表明不满足动稳定要求，故改选变比为150/5。选择结果汇总35kV电气设备1高压断路器：ZW740.5型2隔离开关：GW535GD/630型3电流互感器：LZZBJ435型4电压互感器：JDJ35型5熔断器：RW1035/0.5 型6避雷器：HY5WZ42/134型 6kV电气设备1开关柜型号：KYN28A12（Z）2开关柜一次接线方案编号（1）进线柜方案编号架空进线柜019和母联柜052以及架空进线柜021和母联柜053配合使用（2）母联柜方案编号选用母联柜009和母联柜052配合使用（3）出线柜方案编号1）电缆出线方案编号为001。2）架空出线方案编号为023。3）电压互感器与避雷器柜的方案编号为043。3进线柜和母联柜断路器采用 ZN63A6/1250型户内真空断路器4出线柜断路器采用ZN63A12/630型真空断路器5高压开关柜配用电流互感器型号为LZZBJ912/15 6电压互感器和避雷器柜配用JDZ1010型电压互感器和HY5WS17/50型避雷器76kV母线采用LMY806.3型矩形母线86kV母线户内支柱绝缘子选用ZNA6型96kV穿墙套管选用CLWB10/1500 型4 课程设计的收获与建议4.1 收获计过程通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关矿山电工方面的知识，在设中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了的识别和测试；熟悉了煤矿地面35/6kv变电所的基本设计；了解了变电所的设计方法；以及如何提高地面变电所的供电性能等等。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的