矿山供电系统和负荷

主讲：吴变桃,Tel-mail：wubiantao课程网站：/book-show/flex/book.html?courseNumber=13592697江苏数字大学城-中国矿业大学-矿山电工学,绪论,一、课程性质与任务二、主要学习内容三、教学方式与考核四、主要参考书,课程性质与任务,1.专业必修课2.课程特点：专业性强理论与实际联系性强3.教学要求与任务：通过对本课程的学习，熟悉矿山供电系统、煤矿井下用电安全知识，掌握电气设备的防爆原理、井下三大保护的原理与作用、煤矿常用电气机械的控制原理，能进行煤矿供电系统的一般设计与计算。,主要学习内容,CH1矿山供电系统和负荷CH2矿山供电系统故障分析CH3矿井电网三大保护CH4矿山供电系统设备及选择CH5矿山电气设备的控制,教学方式与考核,1.课程总计36（32）学时，其中课堂教学36（28）学时，实验教学4学时。2.课程考核：平时成绩（20）+实验成绩（10）+考试成绩（70）100分,教材及主要参考书,课程教材：矿山电工学（唐轶等编）中国矿业大学出版社2011.2主要参考书1.矿山电工学（赖昌干等编）煤炭工业出版社2006.62.工矿企业供电（张学成等编）煤炭工业出版社2005.5,CH1矿山供电系统和负荷,学习要求1.一般掌握：典型电力系统的组成及有关的基本概念、矿山供电系统中的电气设备额定电压的确定、矿山电力负荷及计算、矿用变压器的选择。2.熟练掌握：电力负荷分级及对供电系统的要求、供电系统的连接方式、矿山供电系统。,第一节电力系统概述,一电力系统二电力系统的额定电压三电力负荷对供电的基本要求及分级,一、电力系统,电力系统的概念：是由各种不同电压等级的电力线路将发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。,图1一个简单的电力系统,典型电力系统图,交流发电机(G),电力变压器(T),国内最高电压等级的变压器,晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程,断路器(QF),隔离开关(QS),熔断器(FU),跌落式熔断器（FU）,刀开关(QK),熔断式开关(Q),负荷开关(Q),电流互感器(TA),电压互感器(TV),阀型避雷器(F),电抗器(L),电容器(C),线路、母线(W)电缆终端(X),2.电力系统的主要环节（1）,（1）发电厂（站）：指将其他形式的能量转换成电能的场所。一般根据所使用的能源的不同，将电厂分为火力发电厂、水力发电站、核电站、潮汐电站、风力发电站等。,火力发电厂,水力发电厂,大亚湾核电站,风力发电场,潮汐发电,地热发电,垃圾/秸秆发电,太阳能发电,太阳能发电,2.电力系统的主要环节（2）,（2）变电所：是汇集电能、变换电压的中间环节，它由各种电力变压器和配电设备组成。按用途分：升（降）压变电所、联络变电所、工矿企业变电所、农村变电所、整流变电所等。按地位分：枢纽变电所、穿越变电所、终端变电所。按供电范围分：区域（一次）变电所、地区（二次）变电所。,变电所图,变电所,所内开关,市区变电所,2.电力系统的主要环节（3）,（3）电力网：是指在电力系统中，变电所与各种不同电压的电力线路组成的网。是电力系统的重要组成部分，担负着输送、变换和分配电能的任务。根据电压等级的不同，电力网可分为：低压电网：1.2kV及以下高压电网：3kV330kV超高压电网：330kV1000kV特高压电网：1000kV以上,超高压输电线,二、电力系统的额定电压（1）,1.额定电压：是指发电机、变压器和电气设备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。2.额定电压等级：由国家规定的各种标准额定电压。作用：便于各种电力设备生产制造标准化和系列化。,第一章,表1-3（线电压，kV),我国三相交流电网和电力设备的额定电压,825,750,750,550,500,500,363,330,330,242,220,220,121,110,110,72.5,66,66,38.5,35,35,_,13.8,15.75,1820,22,24,26,13.8,15.75,1820,22,24,26,_,10.5,11,10,10.5,10.5,10,6.3,6.6,6,6.3,6.3,6,3.15,3.3,3,3.15,3.15,3,高压,0.69,0.66,0.69,0.66,0.40,0.38,0.40,0.38,低压,二次绕组,一次绕组,电力变压器额定电压/kV,发电机额定电压/kV,电网和用电设备额定电压/kV,分类,1000,1000,1100,二、电力系统的额定电压（2）,电气设备额定电压的确定我国国家标准规定：一般供电设备的额定电压应高出系统和用电设备的额定电压的5，用以补偿正常负荷时线路上的电压损失，使设备获得近似额定的电压。受电设备的额定电压与系统额定电压相对应。,二、电力系统的额定电压（2）,3.电气设备额定电压的确定(1),确定电气设备额定电压的一般规律：A.发电机：额定电压UGN=1.05系统额定电压（UN）B.变压器：受电侧额定电压UTN1与发电机相连时，UTN1=UGN与线路（系统）相连时，UTN1=UN,3.电气设备额定电压的确定(2),B.变压器输出侧额定电压UTN2与35kV及以上线路相连UTN2=1.1UN与35kV以下线路相连，但变压器的短路电压百分比Uk%7.5%，或连接长线路时UTN2=1.1UN其他情况UTN2=1.05UN,3.电气设备额定电压的确定(3),C.系统额定电压与设备额定电压系统UN=用电设备UN系统额定电压和设备额定电压值根据表1-2、1-3确定下面举例说明电力系统中电气设备额定电压的确定方法.,请根据下面系统图已知参数确定各电气元件的额定电压.,6.3kV,6.3/363/121kV,110/10.5kV,330/38.5kV,6/0.4kV,4.煤矿常用电压等级及应用范围,36V及以下：井下电气设备控制及局部照明127V：井下照明及手持式电钻220V：矿井地面照明250V(DC)：电机车380V：小型矿井井下使用500V(DC)：井下电机车660V：井下低压动力750V(DC)：露天煤矿工业电机车1140V：井下综采动力1500V(DC)：露天煤矿工业电机车6kV:井上、下高压电机及配电电压10kV：特大型矿井井上、下高压电机及配电电压35、60、110kV：矿区受电电压或配电电压,三、电力负荷对供电的基本要求及分级,1）保证供电的安全性；2）保证供电的可靠性；3）保证电能的良好质量；4）保证供电经济合理。,1）供电的安全性,安全性：*指在电能的供应、分配和使用中不应发生人身触电伤亡事故和设备毁坏事故。人身触电伤亡：触电保护、架线选择等设备毁坏：继电保护、合理选择校验、保护接地等对煤矿生产的含煤尘、瓦斯、高湿度等特殊环境，为确保供电安全，还必须采取防触电、防潮、防爆、抗磨损等措施，正确选择设备、确定供电系统方案，并加强保护措施，经常进行检修。,2）供电的可靠性,可靠性：指应满足用电户对供电的连续性要求。即供电的不间断性。煤矿供电（尤其是井下）绝对可靠，即无论在任何情况下，都必须保证能提供一部分电能，保证人身与设备不受危害。电力负荷是决定电力系统规划、设计、运行及发电、送电、变电布局的主要依据，按用户的重要性和中断供电对人身安全或在经济等方面所造成的损失和影响程度分为三级。,电力负荷分级及对供电结线的要求,电力负荷的分级：根据不同负荷对供电可靠性的要求分三级。一级负荷：采用两个独立电源的双回路）供电。二级负荷：采用两回线路供电。三级负荷：不属于一、二级负荷的所有用电设备，对供电无特殊要求，一般采用单一回路供电。,1）、一级负荷,对突然中断供电将造成生命危害、导致重大设备破坏且难以修复、打乱复杂生产过程并使大量产品报废，给国民经济造成重大损失的负荷为一级负荷。如矿井的通风、排水、提升（载人）等负荷。对属于一级负荷的设备，为使其可靠运行，必须采用完全备用系统供电，即采用两个独立电源的双回路供电。独立电源：指不受其他电源故障影响或干扰的电源。如分段母线的电源来自不同发电机，且其输变配各环节为分列运行的。或母线之间无联系，或有联系，但当其中一个故障时其联系会自动断开，不影响其他供电的。,2）、二级负荷,指突然中断供电时将造成大量减产，产生大量废品，大量原材料报废，使工业企业内部交通生产停顿的负荷为二级负荷。如矿井的地面空压机、提升运输运设备、井底车场的整流设备等。,3）、三级负荷,凡中断供电不会在经济上或其他方面造成较大影响者，为三级负荷。负荷有：机械修理厂、生活福利设施等。此类负荷一般对供电可靠性无特殊要求，不需要备用电源和设备,一般采用无备用系统结线方式。,3）保证电能的良好质量,电能质量：*主要指满足用电户对电压和频率质量的要求，也包括电压波形。即要求电压幅值和频率保持在一定允许范围内，并使波形畸变不超过允许值。电压幅值允许变化范围：,3）保证良好的电能质量,频率变化范围一般为500.2Hz电压和频率超出允许范围的危害：影响电力系统的稳定运行，设备运行及出力恶化，生产质量受到较大影响。波形畸变：交流电压波形畸变，表示电网含有高次谐波，谐波含量过高，会使继电保护、自动装置、计算机等不能正常工作，所以一般波形畸变不允许超过5%。,4）技术经济合理,技术经济合理：*指供电系统在满足用电户对用电的安全性、可靠性、电能质量要求的前提下，供电系统的投资要尽量少、运行费用尽量低。包括使供电系统建设成本降低、提高设备运行效率，降低损耗，使系统有较好的运行效益。应该在满足用电负荷对供电的前3个技术要求的条件下尽量使供电系统设计技术经济合理。,第二节矿山供电系统,一、供电系统结线方式二、矿井供电系统三、矿井各级变电所及配电点,一、供电系统结线方式,基本概念供电系统结线：是指由各种电气设备及其联接线构成的电路，其功能是汇集和分配电能。结线方式按布置方式分：放射式、干线式、环式、双电源（独立）供电式按运行方式分：开式网络、闭式网络按可靠性分：无备用网络、有备用网络,供电电源系统结线,1）放射式（1）单回放射式：是在上一级降压站（变电所）的馈出母线上引出多条回路，直接向下级降压站（变电所）或用电设备供电。各条引出线之间无联系，其沿线不分支接其他负荷。系统简单、运行维护方便；缺点是使用的开关、线路多，供电可靠性差。,（2）双回路放射式,单电源双回路：从一段母线上并列引出两回线路，每回线路有单独的开关控制。适用二级负荷。供电可靠性高，运行可采用并列运行，也可一路运行一路备用，运行灵活。,（2）双回路放射式,双电源双回路：是在上级变电所设置2套电源,分别接在不同的母线上，向下级变电站或用电设备供电。当任一路电源或线路发生故障时，可通过另一路电源或线路向负载供电。由于这种接线从电源到负载都是双套设备投入工作，并且互为备用，所以供电可靠性高，适用于容量较大的一、二级负荷。但所用设备多、用线长、投资大，若负荷不大时将造成有色金属材料的浪费。,（2）双回路放射式,2、干线式供电,直接联络式：从一路高压配电干线上直接引出分支线向用户供电，分支线一般不超过5，且配电变压器容量不超过3000kVA。一般适用于架空线上对三级负荷分散用户供电，也可用于井下电缆线路对多台顺槽输送机供电。优点：回路少，高压配电装置数量减少、造价低。缺点：当公用干线故障全部断电，可靠性较差。,（1）直接树干式结线方式,（2）串联型树干式结线,为提高干式结线的可靠性，各用户采用进、出线均装隔离开关的方式引接分支线，形成串联型树干式结线，也称为链串型树干式结线。这种结线又分为单回路树干式和双回路树干式2种。,单回路树干式结线,这种结线在每个用户的进、出线上均装有隔离开关QS。当干线上N点发生故障时，干线总开关QF将跳闸。,备用干线的干绕式结线方式,为提高单回路树干式结线方式的可靠性，可采用备用干线的方式供电。当干线上任一处或任一干线发生故障或需要检修时，可通过开关切换由备用干线从另一侧供电，从而进一步缩小停电范围。,双回路树干式结线,是每个用户或用电设备分别从2条干线上引入电源，当任一条干线出现故障或需要检修时，可用另一干线恢复供电。所以这种结线供电可靠性较高，可向二、三级负荷供电。,3、环状式结线,适用于电源对矿区用户相对位置居中或较远，而用户间距较近，且负荷相差不太悬殊的供电。供电可靠性高，运行、保护整定困难。,这种结线一般是在同电压之间的变电所构成环形，每个变电所都有两路进线，当其中一路发生故障时，可由另一路线路供电，因而具有可靠性高、运行灵活的特点，适用于一、二级负荷的供电系统。但环形供电线路的导线截面是按故障情况下能承担环网全部负荷考虑，故有色金属材料用量较多。,环状式接线,供电系统结线方式的选择,合理的供电系统结线方式选择的决定因素(从用电户对供电系统的基本要求考虑):用电户对供电可靠性要求的影响；电压高低的影响；负荷大小的影响；负荷数目的影响；负荷位置的影响。,4.变电所常用结线方式,变电所变压器一次侧常用主结线方式：桥形结线:用于有备用供电系统线路-变压器组结线：用于无备用供电系统,（1）线路变压器组结线,线路变压器组结线依据其容量的大小、二次出线数的多少主要有三种形式：1）进线为隔离开关（二次回路必须装断路器）2）进线为跌落式熔断器（二次回路必须装断路器）3）进线为断路器,线路-变压器组结线,（2）桥式结线,对具有两回电源进线、两台变压器的变电所，可采用桥式结线。“桥”为一条由断路器和隔离开关组成的用以进行线路的横联和跨接。根据跨接桥横联位置的不同，桥式结线可分为“内桥式”、“外桥式”和“全桥式”。,1）外桥式结线,跨接桥在变压器断路器QF1和QF2的外线路侧，进线回路只有隔离开关。对变压器的切换操作方便，对电源进线操作不便。,2）内桥式结线,跨接桥在变压器断路器QF1和QF2的靠变压器侧，变压器电源端只有隔离开关。提高对电源线路运行的可靠性和倒闸操作的灵活方便性。,3）全桥式结线,具有适应性强，操作方便、运行灵活、可靠性高等优点，但使用设备多、占地面积大、投资高，故用于供电可靠性要求较高的变电所。对于电压在35kV、容量在7500kVA以上，或电压为110kV、容量在31500kVA以上的变压器，当隔离开关切断空载电流能力不足时采用。,一、供电系统结线方式（3）,3.变电所变压器二次母线结线方式：单母线、双母线、单母线加旁母1）单母线：进出线均有断路器以及与母线相连的母线隔离开关，与负荷线路相连的线路隔离开关。一般有单母线不分段和单母线分段两种典型结线。,（1）单母线不分段,单母线不分段特点：母线系统故障或检修须全线路断电。结构简单，造价低，运行不够灵活可靠。适于小容量用户。,（2）单母线分段,A.隔离开关分段（QS分段）适用由双回路供电、允许短时间停电的二级负荷B.断路器分段（QF分段）适用一级负荷较多情况，可切断负荷和故障电流。在采用断路器分段时，除能实现切断负荷或故障电流外，也可在继电保护下实现自动分合闸。在其中一条线路故障或需要检修时，可以将负荷转到另外一条线路，避免全部停电。在检修母线或电源故障时，不能避免故障母线用户的停电。为避免长时间停电，可以采用加装旁路母线或采用双母线解决。,单母线断路器分段结线图,单母线隔离开关分段结线图,二、矿山供电系统,矿井供电系统的选择，取决于矿区范围、煤层倾角、埋藏深度、设计年产量、开采方式、涌水量大小以及机械化、电气化程度等因素。典型的供电方式：深井供电系统浅井供电系统平硐供电系统观看矿山供电系统视频,1、深井供电系统,适用矿层埋藏深、倾角小，采用立井和斜井开拓，生产能力大的矿井。1）特征：*6（或10）kV高压电能用电缆送到井下，并直接送到采区。2）一般模式：*地面变电所-井下中央变电所-采区变电所（或移动变电站）-工作面配电点,地面部分,井下部分,2、浅井供电系统,对矿层埋藏不深（距地表100200m内）的情况，处于经济和运行方便的考虑，一般采用浅井供电系统。1）特征：*采区用电是从地面向井下钻眼来提供的。2）一般模式：依据用电情况和井深，从供电的技术经济合理考虑有三种模式（1）对于采区距井底车场较远（2km）、井下负荷小、涌水量不大的矿井，可经架空线路，将610kV高压电由地面变电所送至与采区位置相应的地面变电亭，再降压至380或660V，再沿钻眼送至井下采区变电所。（井下全部为低压供电）,2、浅井供电系统,（2）当采区负荷小而井底车场负荷大时，对井底车场的供电，可沿井筒敷设高压下井电缆供电；对采区的供电，可沿钻眼敷设低压电缆提供。（井底车场采用高压供电）（3）对采区巷道很长、负荷又大，为保证正常电压，可经高压架空线路，将电能送至与采区对应位置的配电点，沿钻眼敷设高压电缆，向井下采区变电所供电，再由该变电所降压，向工作面提供低压电力。（采区采用高压供电）,2、浅井供电系统,深井与浅井供电系统的不同：在于浅井井底车场的配电所代替了深井系统中的井下变电所，以及采用钻眼向采区供电的方式。钻眼供电的优点（1）将由矿井地面变电所至采区变电所的电缆线路换成可靠的架空线路，节约有色金属和投资；（2）井下巷道中没有高压电缆，人员设备更安全。（3）减少井下变电所硐室的开拓；（4）再由沼气煤尘突出的采区，由于使用变电亭，使防爆高压配电箱和矿用变压器的使用大大降低；缺点（1）需要进行钻孔、下套管，且套管不能回收；（2）需要加设架空线路、修建变电亭；（3）冬季施工维护困难。,浅井供电系统地面变电所,3、平硐供电系统,对矿层埋藏较浅（低于100m）、分布范围广的矿井一般采用平硐开采的供电系统。对深部的用电设备，可利用小风井、斜井或钻孔附近设置的地面变电亭提供低压电力。当需要向平硐提供直流电时，可先经地面变电所整流，再用电缆下送。对平硐开拓且井深在150m的用电设备供电，其系统与深井供电相同。,三、矿井各级变电所及配电点,煤矿供电系统是由各类地面变电所，以及井下的中央变电所、采区变电所、移动变电站、配电点和相应的供电设备及供电线路组成。,（一）、矿井地面变电所,是全矿供电的总枢纽，担负受电、变电、配电的任务。地面变电所接受电网馈来的35kV或60kV电压，降压以后，把6（10）kV电压分配给矿山的高压用电设备，如主通风机及井下中央变电所等，把660/380V电压分配给地面低压动力及照明设备。地面变电所，如果以35kV受电，则称为35kV变电所；如果以60kV受电，则称为60kV变电所。,1地面变电所主接线系统,电源电压从发电厂或矿区变电所的35kV母线上取得，35kV双回路架空线直接将高压引至煤矿地面变电所。变电所两台变压器，将35kV电压降至6（10）kV，在配给地面的一些高压电气设备，如主副井提升机、风压机、主通风机等。该系统采用分段母线系统，具有较高的供电可靠性和灵活性。,1地面变电所主接线系统,两段母线的联络开关，由两个隔离开关和一个断路器组成。联络开关的安装便于检修母线、倒换负荷、加装继电保护。用断路器对母线检修分段，可以保证在任何情况下，都有一段母线正常工作，使矿山一、二类用户有可靠供电。,2、位置选择,（1）靠近主要负荷和入井电缆井筒，减少金属导线消耗，降低电能损耗。（2）架空线与所址同时确定，以便为各级电压线路进出变电所留出走廊。（3）设在常年主导风向上风侧，避开污染源。（4）具有适宜的地形和地质条件。（5）避开危险区和排废场，与铁路距离40m。（6）交通方便，有扩展空间。,3.地面变电所的布置,一般10kV及以下电压等级的配电装置采用户内式成套配电装置；35kV及以上电压的采用户外架构式配电装置。对特殊地区或场合应用时35kV110kV变电所也采用户内式配电装置。为保证运行时电气设备和人员的安全以及检修维护和搬运的方便，对室内外的配电装置的各个部件，规定了最小的电气绝缘间距。,（二）.井下中央变电所,它是井下供电的枢纽，担负着向井下供电的重要任务。根据煤矿安全规程的规定，对井下中央变电所和主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，其余回路也能担负矿井全部负荷。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母线上。,1井下中央变电所的接线,井下中央变电所的高压母线采用单母线分段接线方式，母线段数与井下电缆对应，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；当某条下井电缆发生故障退出运行时，母线联络开关合闸，保证对负荷的供电。水泵是井下中央变电所的重要负荷，应保证其供电可靠，由于水泵总数中已包括备用水泵，因此每台水泵可用一条专用电缆供电。,2.井下中央变电所的位置和硐室布置,（1）位置选择应尽量靠近负荷中心，并根据通风良好、交通方便、进出线易于敷设、顶底板条件及保安煤柱的位置等因素，综合加以考虑。一般设在靠近副井的井底车场范围内。,井下主变电所的位置示意图,1副井井筒；2主井井筒；3井下主（配）变电所；4主水泵房；5井底车场巷道,井下主变电所,井下主水泵房,（2）硐室要求,A.硐室用非燃性材料支护，尺寸取决于硐室内的电气设备的数量、大小及它们之间的通道，并考虑留有20的余地。B.硐室长度超过6m时，应在两端各设一出口，一个与井底车场大巷相通，并安有栅栏、防火两用门。另一个与水泵房相连，彼此间应有装栅栏、防火两用门的隔墙。,（2）硐室要求,C.泵房应有单独通至巷道的通路，在通道设向外开的栅栏防火两用门。硐室长超过30m时，应在中间增设一个出口。硐室内温度不应超过35。硐室地面应高出其出口大巷的底板标高0.5m。从硐室出口的防火门起，5m内的巷道采用非可燃性材料支护。,（3）设备布置,布置原则在进行设备布置时，应将变压器和配电装置分开布置，高、低压配电装置分开布置。分为低瓦斯矿井井下中央变电所设备布置图和煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井井下中央变电所设备布置图两种方式。,（3）设备布置,布置方式。设备和墙壁之间、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，可互相紧靠和靠墙放置。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。,设备布置方式（一）,井下主变电所的布置方式，由井下条件和所采用的高低压配电装置的类型来决定。对于低沼气矿井，高压开关柜台数不太多，且采用矿用一般型手车式（GKFC-1型）、低压开关采用矿用低压配电屏设备时，井下主变电所的布置，采用图示的单列布置形式。当用电负荷较大、高压开关柜台数较多时，高压开关柜也可用双列布置。,低沼气矿井接线示意图,低沼气矿井井下主变电所设备示意图,设备布置方式（二）,对于高沼气、煤与沼气突出的矿井，其井下主变电所采用图示的布置方式。硐室的长度L由下井电缆的条数以及高压隔爆配电箱的型号与台数决定。图中变电所高压开关柜采用PB2-6或PB2-6GA型隔爆配电箱，低压开关柜采用DW80型隔爆自动馈电开关，高低压设备均为双列布置。,高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井井下主变电所,高沼气矿井接线示意图,高沼气矿井井下主变电所电气设备设置示意图,（三）.采区变电所,采区变电所接受中央变电所的高压电能，变换电压，配出高低压电能。,1、采区变电所的接线,采区变电所的主接线应根据电源进线回路数、负荷大小、变压器台数等因素确定。单电源进线。单电源进线适用于负荷小的工作面、炮采工作面。双电源进线。双电源进线适用于有综采工作面或下山采区有排水泵的采区变电所。变电所每台动力变压器都应装有一个高压配电箱进行控制和保护。变压器采用分列运行，每台变压器的低压侧各装有一个总馈电开关，各变压器形成独立的供电系统。,2采区变电所的位置和硐室布置,（1）位置确定原则位于负荷中心，并保证向采区内最远距离、最大容量设备供电。一个采区尽量采用一个采区变电所位置。尽量设在顶底板稳定、无淋水的地点。通风、运输方便。,2采区变电所的位置和硐室布置,为满足上述、项原则，必须选择合适的采区低压供电电压（对炮采工作面，用380/660V电压；对一般机械化工作面，用660V电压；对综合机械化工作面，用1140V电压）。最大容量电动机（采煤机电动机）的最大供电距离见属表1-6所列。,采区变电所工作面配电点供电方式,1）供电方式传统方式采区变电所工作面配电点方式这种供电方式以低压向全采区负荷供电，较安全。但由于所用电缆、开关较多，供电系统相对复杂，且电能和电压损失较大。同时低压电缆长，供电容量受限制。一般用于炮采和普通机械化采煤。,DB：高压配电箱QA：自动馈电开关SM：磁力起动器SH：手动起动器,采区变电所移动变电站工作面配电点方式,综采矿井常用方式：6kV采区变电所移动变电站工作面配电点方式优点：（1）与传统方式相比，由高压直接深入工作面，简化了低压供电系统，缩短了低压供电距离，减少了电能损耗，保证了电压质量，可满足正常运转和启动的需要。系统简单，电网安全可靠程度增加，同时减少了电缆截面和低压开关数量。,采区变电所移动变电站工作面配电点方式,（2）采用了干式变压器，提高了采区供电的防爆性能，利于安全，便于检修。（3）移动变电站可根据需要移动或固定，不需建造变电所硐室。,缺点：（1）6kV高压直接送入采区动作面附近，且低压侧电压为1140V，对安全不利。（2）采用了移动变电站，需要拓宽巷道，铺设轨道。同时因地质条件的不同，使移动变电站的安装、运输和维护受到空间的限制。,采区变电所位置确定,（1）位于负荷中心，并保证向采区内最远距离、最大容量负荷供电；（2）一个采区尽量采用一个采区变电所；（3）尽量设在顶底板稳定，无淋水地点；（4）通风、运输方便。,（2）硐室要求,采区变电所的防水、防火、通风等安全措施与中央变电所相同。采区变电所设备的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；检漏继电器放置在固定于硐室墙壁的支架上。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可不留通道。,采区变电所,采区变电所设备布置图,（四）.工作面配电点,1）工作面配电点的设置工作面配电点接受由采区变电所或移动变电站送来的低压电能，通过控制开关、磁力启动器，用软电缆向回采或掘进工作面的设备供电。并利用干式变压器或煤电钻变压器综合装置，将电压降为127V，向电钻、照明和通信设备供电。由于经常需要随工作面移动搬迁，一般不设专用硐室。回采工作面配电点常设在邻近的运输平巷内，距工作面5070m。非沼气煤尘突出矿井，机采工作面配电点可设在回风巷内，掘进工作面配电点多设在掘进巷的一侧，距掘进工作面80100m。配电点附近应用非燃性材料支护。,工作面配电点,1综采工作面供电,综合机械化采煤工作面，单机容量和设备的总容量都很大，其回采速度又快，若仍采用固定变电所供电，既不经济，又不易保证电压质量。因此，必须采用移动变电站供电，以缩短低压供电距离，使高压深入负荷中心，将综采工作面供电电压提高到1140V，以利于保证供电的经济性和供电质量。目前我国高产高效工作面使用的设备，其额定电压已达3300V。由采区变电所移动变电站工作面电气设备组成。,综采工作面机电设备布置示意图,4.工作面配电点,2）配电点控制开关的设置（1）适用情况：工作面电气设备多或距离采区变电所较远，方便工作面配电点电气设备的停送电。（2）组成：采区变电所工作面配电点的供电方式。为便于操作工作面的动力设备，须在工作面附近巷道中，设置控制开关和起动器，这些设备的放置点即为工作面配电点。工作面配电点可分为采煤和掘进两种。采煤工作面配电点，一般距采煤工作面5080m，掘进工作面配电点，一般距掘进工作面80100m，工作面配电点也随工作面的推进而前移。,综采工作面供电,4.工作面配电点,3）对顺槽和工作面输送机的供电方式根据具体情况，可选择：（1）顺槽输送机线的供电方式。如图所示的干线供电方式，一般适用于顺槽输送机巷道较长、输送机台数较多、工作面只有一台输送机的情况。（2）高沼气矿井煤层、急倾斜V型长壁采区顺槽工作面输送机供电方式。,干线式胶带输送机供电方式,第三节矿山电力负荷及计算,目的：为正确选择各级变电站的变压器容量、各种电器设备的型号、规格及供电网所用导线的型号等提供科学依据。矿山负荷计算主要包括以下三方面：求计算负荷，或称需用负荷。目的是为了合理地选择矿山各级变电站的变压器容量和电气设备的型号等。求尖峰电流。用于计算电压损失和电压波动，选择熔断器和保护元件等。求平均负荷。用来计算矿山电能需要量、电能损耗，选择无功补偿装置等。,第三节矿山电力负荷及计算,一、负荷曲线定义：负荷曲线是表征电力负荷随时间变化情况的一种图形，它绘制在直角坐标纸上，纵坐标表示负荷（有功负荷或无功负荷），横坐标表示对应的时间（一般以小时为单位）。分类：负荷曲线按负荷对象分，有矿山的、车间的和某用电设备组的负荷曲线；按负荷的功率性质分，有有功负荷曲线和无功负荷曲线；按所表示负荷变动的时间分，有年负荷曲线、月负荷曲线、日负荷曲线和工作班的负荷曲线。,第三节矿山电力负荷及计算,日负荷曲线代表用户一昼夜（24h）实际用电负荷的变化情况。图1-24日有功负荷曲线,第三节矿山电力负荷及计算,年负荷曲线，代表用户全年(8760h)内用电负荷的变化规律。图1-25年负荷（持续时间）曲线的绘制,夏季日负荷曲线,冬季日负荷曲线,第三节矿山电力负荷及计算,年每日最大负荷曲线：按全年每日的最大负荷(一般取为每日最大负荷的半小时平均值)绘制，如图1-26所示。图1-26年每日最大负荷曲线,第三节矿山电力负荷及计算,二、有关负荷计算的几个物理量1、年最大负荷和年最大负荷利用小时年最大负荷，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，而是全年至少出现过23次)消耗电能最大的半小时的平均功率。分别用符号Pmax、Qmax和Smax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。年最大负荷利用小时是一个假想时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷Pmax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的电能，用符号Tmax表示。,年最大负荷利用小时,第三节矿山电力负荷及计算,年最大负荷利用小时是反映矿山电力负荷是否均匀的一个重要指标。它在计算电能损耗和电气设备选择中均要用到。Tmax与矿山的生产班制有较大的关系。2平均负荷和负荷系数平均负荷就是电力负荷在一定时间内消耗功率的平均值，也就是电力负荷在这段时间内消耗的电能除以这段时间t，分别用符号Pav、Qav和Sav表示平均有功负荷、无功负荷和视在负荷。即：,第三节矿山电力负荷及计算,对于年平均负荷，t取8760h。因此，年平均负荷为负荷系数Klo，是平均负荷Pav与最大负荷Pmax的比值，即：负荷系数也称负荷率，又叫负荷曲线填充系数，它是表征负荷变化规律的一个参数，其值愈大，则负荷曲线愈平坦，负荷波动愈小。从发挥整个供电系统的效能来说，应尽量设法使矿山不平坦的负荷曲线“削峰填谷”，这就是供电系统在运行中应该实行的负荷调整。,第三节矿山电力负荷及计算,对用电设备来说，负荷系数就是设备在最大负荷时的输出功率P与设备额定容量PN的比值，即：3需用系数和利用系数需用系数Kde是用电设备组实际从电网吸收的最大负荷与该用电设备组的额定总容量的比值。即,第三节矿山电力负荷及计算,利用系数Kc是用电设备组实际从电网吸收负荷的平均值与该用电设备组额定容量的比值。PN用电设备组的额定总容量，kW。4尖峰负荷和低谷负荷在一昼夜间用户出现的最大负荷，称为尖峰负荷，出现的最小负荷，称为低谷负荷。各行业用电特点的不同，出现尖蜂负荷和低谷负荷时间也不尽相同。,第三节矿山电力负荷及计算,5计算负荷计算负荷是按发热条件选择导体和电器设备时所使用的一个假想负荷。通常规定取30min平均负荷最大值Pca、Qca和Sca作为该用户的“计算负荷”。,第三节矿山电力负荷及计算,三负荷计算的方法经常采用的电力负荷计算方法有：需用系数法、二项系数法、利用系数法、单位电耗法和单位面积功率法等(一)需用系数法1.需用系数的含义设该组用电设备有n台电动机，其额定总容量为PN（kW）。则当此用电设备组满载运行时，需从电网接用容量,采区局部供电系统图,第三节矿山电力负荷及计算,PjN用电设备组从电网吸收的容量，kW；n台电动机的加权平均效率。同时运行系数Ksi,第三节矿山电力负荷及计算,定义Klo为电动机的加权平均负荷系数考虑到用电设备组在运行时，供电线路上也会引起一些功率损耗，它也必须由电网提供，于是,第三节矿山电力负荷及计算,由上式得用电设备组的需用系数为：供电线路效率，一般为0.950.98。需用系数是与用电设备组的平均加权负荷系数Klo、同时运行系数Ksi、电动机的加权平均效率以及电网供电线路效率w等系数有关。需用系数Kde值小于1。,第三节矿山电力负荷及计算,2.需用系数法（1）用电设备组计算负荷的确定需用系数法是一种借助于一些统计数据，通过计算手段，由各用电设备的额定功率求取计算负荷的方法，该法所使用的公式为：矿井电力负荷计算需用系数Kde及加权平均功率因数cosjwm见表1-7所列。,表1-7矿井电力负荷计算需用系数及加权平均功率因数,第三节矿山电力负荷及计算,（2）多个用电设备组的计算负荷由于多个用电设备组不可能同时工作，也不可能同时达到满载，故对多组用电设备负荷的计算还应考虑Ksi同时率系数。其计算公式为：,第三节矿山电力负荷及计算,3.对需用系数法的评价优点：公式简单，计算方便。只用一个原始公式Pca=KdePN就可以表征普遍的计算方法。这个公式对用电设备组、车间变电站乃至一个企业变电站的计算负荷都可以进行计算。对于不同性质的用电设备、不同车间或企业的需用系数值，经过几十年的统计和积累，数值比较完整和准确，为供电设计创造了很好的条件。,第三节矿山电力负荷及计算,缺点：需用系数法没有考虑大容量电动机对整个计算负荷Pca、Qca的影响，尤其是当总用电设备较少时，影响更大。在这种情况下，采用二项系数法更准确些。由于综合机械化工作面（自移支架）和一般机械化工作面（单体支架）负荷中的采煤机或刮板运输机的容量远大于其他机械的用电容量，如用需用系数法计算负荷误差可能较大，因此，实际上，表1-7中这两项的需用系数就是由二项系数法推导出来的。对绝大多数企业，目前需用系数法仍称得上是一种准确而又简便的方法，因而被我国设计部门广泛采用。,设备组共有采煤机、刮板输送机、转载机、喷雾泵2台、乳化泵2台、调度绞车、电钻变压器、小水泵，参数如下，试计算该组设备总容量。,总负荷：需用系数：加权功率因数：,I组设备变压器的选择,4.计算负荷,第四节功率因数的改善和变压器的选择,一、功率因数及对功率因数的要求功率因数：有功功率与视在功率的比值，用cosj表示。三相电网功率计算公式：,电力系统中的功率因数一般采用一定时间段内的有功电度数与视在功率电度数（有功电度数与无功电度数的平方和再开方）的比值作为参考值。功率因数在01之间。功率因数越接近1越好。,一、功率因数及对功率因数的要求,功率因数过低的危害*,功率因数过低会增加电源线路和矿内配电线路的功率损失。功率因数过低会增加电网末端的电压损失，使负荷电压质量下降。功率因数过低会使电气设备的容量不能充分利用。如对一定容量的变压器，功率因数越低，其能输出的有功越小，能够带的负荷越少。,电力部门对用户的功率因数有明确的规定，要求高压供电（6kV及以上）的工业及装有带负荷调压设备的用户，功率因数应在0.95以上；要求其他电力用户的功率因数应为0.90以上；农业用户要求0.80以上。煤矿企业总变配电所610kV母线上的功率因数要求在0.95以上。,一、功率因数及对功率因数的要求,二、提高功率因数的方法,两种策略：1.可以采取一定措施减少设备的无功功率消耗，提高自然功率因数。2.尽量减少通过电力系统中向负荷提供无功功率，采用就近供给无功，人工补偿提高功率因数。提高用电设备本身功率因数，即提高自然功率因数（1）尽量采用鼠笼式异步电机。因为鼠笼式电机结构紧密、气隙小、漏磁少，其功率因数比绕线式异步电机高。（2）避免电动机与变压器的轻载运行。应力求使电动机在接近额定负荷下运行，变压器的负荷率也不宜低于50。,提高用电设备本身的功率因数,（3）对不需要调速的大型设备，尽量采用同步电动机。同步电动机的功率因数可以达到1，并在过励磁条件下，可以向电网送入无功功率，减轻电网输送无功功率的负担，提高了矿区电网的功率因数。矿井可用同步电动机的设备有扇风机、空气压缩机等。（4）绕线式异步电动机同步化运行。可以将功率因数提高到1。（5）尽量采用高压（610kV）电动机，节省降压变压器或减少降压变压器的容量，减少矿区电网的无功功率损耗，提高矿区电网的功率因数。,2.人工补偿提高功率因数*,人工补偿提高功率因数，是采用供应无功功率的设备就地补偿用电设备需要的无功功率，提高功率因数的方法。人工补偿法一般有4种。并联移相电容器组同步调相机可控硅静止无功补偿器进相机,2.人工补偿提高功率因数,（1）并联移相电容器组。原理：利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减少从电网吸收的无功功率，使得补偿装置处以前的电网无功负荷减少，提高了电网功率因数。优点：投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无震动及噪声、安装地点灵活。缺点：只能有级调节，不能自动进行最佳补偿。当通风不良或电网电压超过额定电压时，电容器容易损坏。,2.人工补偿提高功率因数,（2）同步调相机。原理：同步调相机实际为一台大容量的空载运行的同步电动机，在过励磁时，其相当于一台无功发电机。在欠励磁时，相当于一台只消耗无功的电动机。优点：可以根据电网需要无级调节无功功率。缺点：造价高，有功损耗大，需要专人管理维护等。主要用于大型枢纽变电所。,2.人工补偿提高功率因数,（3）可控硅静止无功补偿器原理：由移相电容器、饱和电抗器、可控硅励磁调节器及滤波器等组成。将可控的饱和电抗器与移相电容器并联作用，电容器可补偿设备产生的冲击无功功率的全部或大部分。当无冲击无功功率时，则利用由饱和电抗器所构成的可调感性负载将电容器供给的过剩无功吸收，从而使电网的功率因数在要求水平上。滤波器还可以吸收冲击负荷产生的高次谐波，保证电压质量。,（3）采用可控硅静止无功补偿器,优点：动态补偿反应迅速、损耗小、特别适合对功率因数变化剧烈的大型负荷进行单独补偿，如用于矿山提升机的大功率可控硅整流装置供电的直流电动机组等。缺点：投资大、设备体积大，占地面积大等。,2.人工补偿提高功率因数,（4）进相机适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿、电动机容量一般为951000kW。进相机外形与电动机相识，没有定子绕组，仅有和直流电动机相识的电枢转子，由单独的容量为1.14.5kW左右的辅助异步电动机拖动。,2.人工补偿提高功率因数,补偿原理：工作时进相机与绕线式异步电动机的转子绕组串联运行，主机转子电流在进相机绕组上产生一个转速为n2=3000/P的旋转磁场；进相机由辅助电动机拖动顺着该旋转磁场的方向旋转；当进相机转速大于n2时，其电枢上产生相位超前主机转子电流90度的感应电势Ein叠加到主机的转子电势上E2上，改变了主电动机转子电流的相位，从而改变主电动机的定子电流相位。调整Ein可以使主电动机在功率因数为1下运行。,2.人工补偿提高功率因数,（4）采用进相机改善功率因数,优点：投资少，补偿效果好且彻底，可以大大降低主电动机的负荷电流，节电效果显著，一般运行两三个月即可收回投资。缺点：进相机的旋转机构，且需要一辅助电机拖动，增加了维护检修负担。另外只适于负荷变动不大的大容量绕线式电动机，应用受限制。,三、并联电力电容器组提高功率因数,1.无功补偿区的概念,1.无功补偿区的概念,根据装设地点的不同，无功补偿的范围也有所不同。对煤矿企业的供电系统，电力电容器组的设置有高压集中补偿、低压成组补偿和分散就地补偿3种。1）高压集中补偿：在地面变电所610kV母线上集中装设移相电容器组，一般设有专门的电容器室，并要求通风良好及配有可靠的放电设备。只能补偿610kV母线前所有向该母线供电的线路上的无功功率，对本矿经济效果差。,高压集中补偿,高压集中补偿初期投资较低，由于矿井610kV母线上无功功率变化平稳，因而便于运行管理和调节，而且利用率高，还可以提高供电变压器的负载能力。集中补偿虽然对本矿的技术经济效益较差，但从全局看改善了矿区电网，甚至区域大电网的功率因数，所以，大中型工矿企业普遍设有这种高压集中补偿方式。,1.无功补偿区的概念,2）低压成组补偿把低压电容器组或无功功率自动补偿装置装设在车间或井下动力变压器的低压母线上。它能补偿低压母线前的矿内高压电网，矿区电网和整个电力系统的无功功率，补偿区域大于高压集中补偿，本矿也获得相当的技术经济效益。低压成组补偿投资少，通常安装在低压配电室，运行维护及管理方便。,1.无功补偿区的概念,（3）分散就地补偿将电容器组分别地安装在各组用电设备或单独的大容量电机处，与用电设备的停、用一致，但不能共用一套控制设备。为避免送电时电流冲击和切断电源时的过电压，要求电容器组投运时迟于用电设备，停运时先于用电设备，并设有可靠的放电装置。分散就地补偿效果很理想，除去控制开关到用电设备的一小段负荷线外，其余直到电源都可以补偿。缺点：投资较大，管理不便，利用率较低。仅适于个别容量较大且位置单独的负荷。,2.补偿电容器组的结线方式,10kV及以下线路的补偿电容器组采用三角形结线。原因如下：（1）三角形结线可以防止电容器容量不对称而出现过电压。（2）三角形结线若发生一相断线，只是会使补偿容量减少，不至于严重不平衡。而星形结线若发生一相断线，就会使该相失去补偿，影响电能质量。（3）采用三角形结线可以充分发挥电容器的补偿能力。,？,2.补偿电容器组的结线方式,电容器补偿容量与所加电压的关系：电容器采用三角形结线，每相电容承受线电压，采用星形结线时，每相电容承受相电压，补偿容量分别为：上述说明，相同条件下，三角形结线时补偿容量是星形结线的3倍。,3.高压集中无功补偿的计算*,计算方法和步骤：（1）确定全矿610kV母线上的自然功率因数。设计阶段全矿610kV母线上的计算有功功率，kW全矿610kV母线上的计算视在功率，kVA,高压集中无功补偿的计算方法和步骤,已经生产的矿井中，功率因数计算公式为：Wa全矿月（年）的有功耗电量，kWhWre全矿月（年）的无功耗电量，kvarh,(2)使功率因数由提高到所需的补偿容量为：Klo.av平均负荷率，一般计算取0.70.85Pca全矿610kV母线上的计算有功负荷（最大有功负荷），kW.,高压集中无功