采区供电设计

福建天湖山天湖岩煤矿的采区供电设计 【摘要】 采区变电所是采区供电中心，它担负着整个采区的受电、配电、变电任务。采区变电所的基本组成有：高压配电箱、电力变压器、低压自动馈电开关等。本次设计的是工作面配电点、采区变电所硐室等如何确定，负荷的统计及变压器型号、容量及台数的选择，高低压电缆的选择及开关的确定等。最后来设计整套的采区供电系统。 【关键词】供电系统；变压器；电缆；自动馈电开关 Rock Lake Tianhushan days Fujian coal mining area power supply design Institute of Physics and Electrical Engineering Electrical Mine Lin Wei-Xing Instructor: Wang Zhu Hua (Associate Professor) 【Abstract】 mining area is the mining area substation power center, which bears the entire mining district by electricity, power distribution, substation tasks.The basic composition of mining area substation are: high-voltage power distribution box, power transformers, low voltage feed switch automatically.The design of the face distribution points, such as mining area to determine the chamber substation, transformer load statistics and models, capacity and about the number of options, the choice of high and low voltage cables and switches to determine and so on.Finally, the mining area to design complete power supply system. 【Key words】 power system; transformer; cable; automatic feed switch前 言通过设计，让我了解了矿山的概况,了解了煤矿供电系统运行和供电设备管理情况和煤矿生产管理的基本知识，使自己具有一定的理论知识的同时，又具有较强的实际操作能力及解决实际工程问题的能力，根据新采区的实际情况，在老师和单位技术员的指导下，并深入生产现场，查阅了有关设计资料、规程、规定、规范。听取并收录了现场许多技术员的意见及经验，对采区所需设备的型号及供电线路等进行设计计算。 本设计数据真实可靠，所用电缆、开关、启动器等设备都是目前矿山正在使用的最新设备，虽然老型号的设备仍在使用，但将逐渐被新设备所代替。设计内容包括：采区变电所及工作面配电点位置的确定；采区变电所变压器的选择；采区供电系统的确定；高压电缆的选择电压损失校验；低压电缆的选择 ；高压配电箱的选择与整定；低压控制电器的选择；低压保护装置的选择与校验；井落电保护装置的选择；井下保护接地系统。 因本人水平有限，时间仓促，因此本设计不可能很完善，错漏难免，敬请读者批评指正。 编者： 2011年5月 目 录第一章 概述1第一节 采区供电设计目的1第二节 采区供电设计步骤1第三节 采区供电设计原始资料1第二章 采区供电设计3第一节 采区变电所及工作面配电点位置的确定3第二节 采区变电所的变压器选择3第三节 采区供电系统的拟定4第四节 采区高压电缆的选择6第五节 采区低压电缆的选择7第六节 高压配电箱的选择和整定14第七节 采区低压控制电器的选择17第八节 低压保护装置的整定与校验19第九节 井下漏电保护装置的选择21第十节 井下保护接地系统22第三章 设计总结23致谢24参考文献253第一章 概述 电力是现代化矿山企业生产的主要能源，煤矿的电气化为煤矿生产过程的机械化和制动化创造了有利的条件，不断地改善着矿工的劳动条件。现代的煤矿省生产机械无不以电能作为直接或间接的动力，矿山的照明、通讯和信号也都使用电能。本章是设计的开始，主要是一些原始资料，简单的介绍一下全矿概貌和采区概况。第一节 采区供电设计目的采区供电设计目的井下采区供电设计的目的是应用煤矿井下供电理论知识具体解决井下供电的技术问题，使学生学会查阅技术资料和各种文献的方法，培养计算数据、绘制图表、编写技术资料的能力，掌握井下供电设计的技术员、经济政策及安全规程的规定，完成井下采区供电设计的内容对机电技术人员的基本训练。第二节 采区供电设计步骤采区供电设计的一般步骤 1. 采区变电所及工作面配电点位置确定 2. 采区变电所的变压器选择 3. 采区供电系统的拟定 4. 采区高压电缆的选择 5. 采区低压电缆的选择 6. 高压配电箱的选择和整定 7. 采区低压控制电器的选择 8. 低压保护装置的整定与校验 9. 井下漏电保护装置的选择 10. 井下保护接地系统 第三节 采区供电设计原始资料 一、全矿概貌1. 地质储量1000万吨；2. 矿井生产能力：设计能力6万t/年，实际数12万t/年；3. 年工作日：320天，日工作小时：24小时。4. 矿井电压等级及供电情况：该矿井供电电源进线采用双回路电源电压为35KV，变电所内设有630KVA,10/6.3变压器两台和400KVA，10/0.4变压器两台，承担井下和地面低压用电负荷。用两条高压电缆下井，电压等级均为6KV，经中央变电所供给采区变电所。二、采区概况1. 采区巷道及其设备布置： 采区设计产年量3万吨，水平标高从+780至+730，下山道两条，一条轨道下山，一条人行下山，倾角为25；分3个区段开采，区段高25-30m。每个区段以车场为界分南北两翼开采，每个区段工作面为一采一掘。 2. 采煤方法：一般采用长壁后退式采煤方法，以炮采为主。3. 支护方法： 掘进点向上山，石门及全岩巷道，以锚喷为主，工作面采用木支护。4. 煤炭运输系统： 工作面落煤经溜槽到1T矿车，由电瓶车运至中部车场翻车器翻入煤仓到下部车场装车，由电机车运到井底车场，再由绞车提到地面。5. 采区通风：新鲜风流由825进风轨道下山采区工作面采区回风巷人行上山+875回风平峒通风机房。6. 电压等级：井下中央变电所的配出电压为6KV，采区主要用电设备采用660V电压，煤电钻和照明采用127V电压。 第二章 采区供电设计 采区是井下动力负荷集中的地方，采区供电是否安全可靠和经济合理，将直接关系到人身安全和矿井生产。在开拓系统、采煤方法及采区生产机械确定之后，需要进行采区供电计算.其主要内容包括：负荷计算、选择动力变压器的容量、型号并确定台数、供电系统的拟定、电缆线路的计算、开关设备的选择,以及整定保护的计算。对于上述涉及的计算内容必须满足以下两个方面提出的要求：一、要保证供电的安全和经济合理。二、要保证供电的质量和可靠性。 对于采区供电，由于煤矿供电的特殊性和井下电气设备的工作环境恶劣，为此，对供电的布局和正确选择电器设备，提出很高的要求，以便加强电器设备的维护和检修，最后收集各开关及变压器的资料和变电所内的布局对系统进一步的了解，对各种低压、高压开关的了解。第1节 采区变电所及工作面配电点位置的确定 对于采区变电所的位置是由供电局电压等级，采煤方法，采区巷道布置方式和工作面机械化程序等因素决定的，所以选择变电所位置时应满足以下条件1. 采变位置设在+780水平采区底部运输巷和主巷之间的横贯内，选择顶底板稳定且无淋水的岩层中。2. 根据电缆敷设的合理性将配电点分别设在各区段主斜井与副斜井人行通道处合适的位置上。这些配电点随工作面的推进定期移动。3. 通风良好，进出线和运输设备方便；4. 尽量位于负荷中心；5. 最好用一个变电所向一个采区供电。 第二节 采区变电所的变压器选择 一、采区负荷计算根据巷道、生产机械的布置情况，查煤矿电工手册和煤矿井下三大保护细则，查找有关技术数据，采区电气设备技术特征如表2-1所示。表2-1.采区负荷情况表采区设备额定容量Pe(KW)台数额定电压Uc(V)额定电流Ie(A)额定起 动电流IQe (A)功率因数 cos效率j设备名称设备型号煤电钻MZ2-121.261279540.790.795上山绞车GKT1.6*1.213013801212420.800.884耙斗裝岩机Ybb-10-411366012.172.60.750.80喷浆机YB112M-4436605.0830.50.800.85局部扇风机BKY60-45.596604.732.90.800.85充电器KGCA10-90/40 72163660210.750.88照明2.512712.50.901.01. +780水平绞车房所有电动机额定容量之和； Pe1=130+2.5=132.5KW2. +780、+755、+730片盘所有电动机额定容量之和； Pe2=(16+5.5+11+4+5.5+1.2)3=129.6KW2、 变压器的选择1. 变压器型号的确定 由于此变压器用于井下变电硐室内且考虑供电的经济性，选用矿用低损耗变压器，常用的有型号有KS7、KS9及KS11，这里选用KS9。2. 变压器台数的确定 对采区变电所一台变压器满足要求时尽量选一台。如采区变电所的供电负荷中有一类负荷，变压器的台数应不少于两台，当一台变压器停止运行时，其余变压器应保证低压一类负荷用电。这里，根据所要拟的供电系统图统筹考虑，选用两台变压器。3. 变压器容量的计算（1）+780水平绞车房变压器容量计算 ST1=Pe1kxKC1 /cospj =132.50.651/0.7 =123.22KVA式中： Pe1+780水平绞车房所有电动机额定容量之和； Kx需要系数，一般取0.650.70； cospj电动机加权平均功率因素，一般取0.70.75； KC采区重合系数，查煤矿电工手册，供一个工作面取1.0，供二个工作面取0.95。 （2）+780、+755、+730片盘变压器容量计算 ST2 =Pe2kxKc2 /cospj =129.60.650.9/0.7 =120.34KVA三、变压器的选择结果 根据 STe ST 原则，所选变压器的额定容量应大于或等于计算容量，初步选择 KS9-200/6变压器2台，其技术特征如表2-2所示。 表2-2 变压器技术数据表型号额定容量Se(KVA)阻抗电压（）损耗（W）线圈阻抗（）UdUrUx空载短路RXKS9-200/620041.233.814602450.00980.0305KS9-200/620041.233.814602450.02910.0907第三节 采区供电系统的拟定一、采区供电系统拟定原则 采区供电电缆是根据采区机械设备配置图拟定，应符合安全、经济、操作灵活、系统简单、保护完善、便于检修等项要求。采区供电系统原则如下（1）保证供电可靠，力求减少使用开关、起动器、使用电缆的数量应最少。原则上一台起动器控制一台设备。（2）采区变电所动力变压器多于一台时，应合理分配变压器负荷，通常一台变压器担负一个工作面用电设备。（3）变压器最好不并联运行。（4）配电点起动器在三台以下，一般不设配电点进线自动馈电开关。（5）工作面配电点最大容量电动机用的起动器应靠近配电点进线，以减少起动器间连接电缆的截面。（6）供电系统尽量减少回头供电。（7）低沼气矿井、掘进工作面与回采工作面的电气设备应分开供电，局部扇风机实行风电沼气闭锁，沼气喷出区域、高压沼气矿井、煤与沼气突出矿井中，所有掘进工作面的局扇机械装设三专（专用变压器、专用开关、专用线路）二闭锁设施即风、电、沼气闭锁。二、采区供电系统图采区供电系统图的拟定如下图第四节 采区高压电缆的选择一、采区高压电缆的选择原则1.按经济电流密度计算选定电缆截面，对于输送容量较大，年最大负荷利用的小时数较高的高压电缆尤其应按经济电流密度对其截面进行计算。2.按最大持续负荷电流校验电缆截面，如果向单台设备供电时，则可按设备的额定电流校验电缆截面。3.按系统最大运行方式时发生的三相短路电流校验电缆的热稳定性，一般在电缆首端选定短路点。井下主变电所馈出线的最小截面，如果采用的铝芯电缆时，应该不小于50mm2 。4.按正常负荷及有一条井下电缆发生故障时，分别校验电缆的电缆的电压损失。5.固定敷设的高压电缆型号按以下原则确定（1)在立井井筒或倾角45及其以上的井筒内，应采用钢丝铠装不滴流铅包纸绝缘电缆，钢丝铠装交联聚乙烯绝缘电缆，钢丝铠装聚氯乙稀绝缘电缆或钢丝铠装铅包纸绝缘电缆。(2)在水平巷道或倾角45以下的井巷内，采用钢带铠装不滴流铅包纸绝缘电缆，钢带铠装聚氯乙稀绝缘电缆或钢带铠装铅包纸绝缘电缆。(3)在进风斜井，井底车场及其附近，主变电所至采区变电所之间的电缆，可以采用铅芯电缆，其它地点必须采用铜芯电缆。6.移动变电站应采用监视型屏蔽橡胶电缆。二、电缆型号的确定 矿用电缆型号应符合煤矿安全规程规定，高压电缆用MYJV22型，低压及移动支线用MY型，信号照明用MY型，煤电钻专用电缆型号MZ。三、电缆截面的选择1、按经济电流密度选择电缆截面: A =In/nJ =23.43/12 =11.72mm2式中： A 电缆的计算截面, mm2； In电缆中正常负荷时长时允许电,In=S/(Ue)=243.56/(6)=23.43A； S 压器计算容量，S= ST1+ST2=123.22+120.34=243.56KVA； n 同时工作的电缆根数，n=1； J 经济电流密度，A/mm2,查煤矿电工手册表10-3-2，取J=2Amm2；由煤矿电工手册表18-7-6查取电缆型号为：MYJV22-6000 335型交联聚乙烯绝缘电力电缆；2、 校验方法（1）按长时允许电流校验电缆截面： KIP=164AIn =23.43A，符合要求。式中： K环境温度校正系数,由煤矿电工手册表12-2-26查取环境温度为25度时：K=1； IP环境温度为25度时电缆允许载流量,A；由煤矿电工手册表12-2-26查取MYJV22-6000 335的IP=164A； In电缆中正常负荷时长时允许电流；（2）电缆短路时的热稳定条件检验电缆截面,取短路点在电缆首端,取高压母线短路容量为50MVA,则 Id（3） = Sd/(Up) =(50103)/( 6.3) =4582.4A电缆最小截面 Amin = (Id（3）)/C =(4582.4)/159 =14.41mm2A1=35 mm2式中： Sd 高压母线短路容量,取50MVA； Up 平均电压； Amin电缆最小截面, mm2； Id（3）主变电所母线最大运行方式时的短路电流,A； tj 作用假想时间,S；对井下开关取0.25S； C 热稳定系数, 由煤矿电工手册表10-3-3查取C=159。（3）按电压损失校验电缆截面 地面变电所至+575中央变电所电缆的电压损失计算（MYJV22-370 3600m） U1% =KPL =1.024（0.821+0.2621）3.6 =3.99% 式中： K兆瓦公里负荷矩电缆中电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-3-7查取6KV(70 mm2 ） 铜芯铠装电缆兆瓦公里负荷矩电缆中电压损失K=1.024； P电缆输送的有功功率，MW；L 电缆线路长度，km； 0.821假设其余变电所有功功率之和，MW；中央变电所至采变电缆的电压损失计算（MYJV22-335 2050m） U2% =KPL =1.8820.26212.05 =1.01%式中： K兆瓦公里负荷矩电缆中电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-3-6查取6KV（35 mm2）铜芯铠装电缆兆瓦公里负荷矩电缆中电压损失K=1.882； PL电缆输送的有功功率MW，PL=Pe1+Pe2=132.5+129.6=262.1KW=0.2621MW； L高压电缆长度，km。高压总的电压损失 U%=U1%+U2% =3.99%+1.01% =5%Ig =105.27A）(2)干线2电缆中所通过的工作电流： Ig= P1000/UNcospj =0.6543.21000/6600.70=35.1A式中： P=KxPN Kx 需用系数，一般取0.650.70； PN 干线电缆所供电动机额定功率之和，KW； UN 电网额定电压，V； cospj 加权平均功率因素，一般取0.70.75； 根据KIccIg，查煤矿电工手册表12-2-26电缆资料初选电缆型号为：MY-325- 400（电缆允许截流量KIcc=135AIg=35.1A）(3)干线3电缆中所通过的工作电流： Ig= P1000/UNcospj =0.6520.51000/6600.70=16.65A式中： P=KxPN Kx 需用系数；一般取0.650.70；PN 干线电缆所供电动机额定功率之和，KW； UN 电网额定电压，V； cospj加权平均功率因素，一般取0.70.75； 根据KIccIg，查煤矿电工手册表12-2-26电缆资料初选电缆型号为：MY-325 -100 （电缆允许截流量KIcc=135AIg =16.65A）2、按正常工作时电压损失校验 低压电网的电压损失包括变压器的电压损失、干线电缆电压损失及支线电缆电压损失。(1)支线电缆电压损失计算 根据电压损失UZ的取值原则,选取配电点中线路最长,容量最大的11KW耙岩机支线来计算。支线电缆中电压损失百分比 UZ% = KfPeLZK =0.75110.150.336 =0.42式中： Kf负荷系数, 即用电设备实际负荷与额定负荷之比。一般取0.70.8；Pe电动机额定功率,KW；LZ支线电缆实际长度,km；K千瓦公里负荷电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-5-13查取660V（16mm2）铜芯电缆千瓦公里负荷矩电缆中电压损失K=0.336；支线电缆中电压损失 UZ =UZ%Ue/100 =0.4158660/100 =2.74V式中： Ue耙岩机的额定电压，V；（2) 变压器电压损失计算变压器电压损失百分比 UB% =(Ur%cospj+Ux%sinpj) = 0.60(1.230.7+3.810.71) =2.14式中： 变压器的负荷系数, =ST2/Se=120.34/200=0.60； ST2变压器二次侧实际负荷容量,KVA. ST2=120.34KVA； Se变压器额定容量,KVA； Ur%变压器额定负荷时电阻压降百分数, 由本设计表2-2知Ur%=1.23； Ur%变压器额定负荷时电抗压降百分数, 由本设计表2-2知Ur%=3.81； cospj加权平均功率因数,一般取0.70.75。变压器电压损失 UB =UB%Ue/100=2.14660/100=14.12V（3)干线电缆电压损失干线1：由于干线1电缆比较短，电压损失可忽略不计。干线2：UG2% = KfPeLG2K2 =0.7543.20.40.219 =2.84式中： Kf负荷系数, 即用电设备实际负荷与额定负荷之比。一般取0.70.8； Pe电动机额定功率之和,KW； LG2干线电缆实际长度,km； K2千瓦公里负荷电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-5-13查取660V（25mm2）铜芯电缆千瓦公里负荷矩电缆中电压损失K2=0.219。干线电缆中电压损失UG2 =UG2%Ue/100 =2.84660/100 =18.73V干线3： UG3% = KfPeLG3K3 =0.7527.20.050.219 =0.22式中： Kf负荷系数, 即用电设备实际负荷与额定负荷之比。一般取0.70.8；Pe电动机额定功率之和,KW； LG3干线电缆实际长度,km； K3千瓦公里负荷电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-5-13查取660V（25mm2）铜芯电缆千瓦公里负荷矩电缆中电压损失K3=0.219。干线电缆中电压损失UG3 =UG3%Ue/100 =0.22660/100 =1.452V干线4： UG4% = KfPeLG4K4=0.7520.50.10.219=0.3367式中： Kf负荷系数, 即用电设备实际负荷与额定负荷之比。一般取0.70.8；Pe电动机额定功率之和,KW； LG3干线电缆实际长度,km； K4千瓦公里负荷电压损失百分数, 由煤矿电工手册表10-5-13查取660V（25mm2）铜芯电缆千瓦公里负荷矩电缆中电压损失K3=0.219。干线电缆中电压损失UG4 =UG4%Ue/100 =0.3367660/100 =2.22V以上三种电压损失之和U应不大于规程规定的电压损失值UY。即：U=UZ +UB +（UG2+UG3+UG4） =2.74+14.12+(18.73+1.452+2.22)=39.3UY=63V 符合要求式中： UY= U2e-UD =690-627=63V； U2e 变压器二次额定电压，690V； UD 在正常工作时，电动机端子上的最低允许电压，627V。3、按起动条件校验电缆截面同样以采区中容量最大，供电距离较远的11KW耙岩机为例进行校验。1)电动机最小起动电压UQmin=Ue = 660 =457.26V式中: Ue 电动机额定电压,V； KQ 电动机最小允许起动转矩MQmin 与额定转矩Me之比值. 查工矿企业供电表6-21,取KQ=1.2； aQ电动机额定电压下的起动转矩MeQ与额定转矩Me之比值,由电动机技术数据表查得,矿用隔爆电动机一般可取 22.5。2) 起动时支线电缆中的电压损失 UZQ =（IQLZcosQ103）/（rAZ） =（50.270.150.5103）/(42.516) =9.6V式中: r 支线电缆芯线导体的电导率,m/(mm2)； LZ支线电缆实际长度，km； IQ电动机实际起动电流,A； IQ=IeQUQmin/Ue=72.6457.26/660=50.27A； 式中: IeQ 电动机在额定电压下的起动电流,A； UQmin 电动机最小起动电压,V; Ue 电动机额定电压,V； AZ支线电缆的芯线截面, mm2； cosQ电动机起动时的功率因数，查煤矿电工手册表10-5-17得 cos=0.5,sin=0.87。3)起动时电缆中的电压损失：干线1：由于干线1电缆比较短，电压损失可忽略不计。干线2：UgQ =（IgQLZcosgQ103）/（rAZ） =(103.80.40.6103)/(42.525) =40.6V式中: r 干线电缆芯线导体的电导率,m/(mm2)； LZ 干线电缆实际长度,KM； AZ支线电缆的芯线截面, mm2； IgQ干线电缆中实际起动电流,A； = =103.8 A 式中: Ii其余电动机正常工作电流，A； Ii =Pe/（Uepjcospj） =（32.2103）/(6600.740.7) =54.37A pj 电动机的加权平均效率； pj =（160.88+110.80+40.85+5.50.85+1.20.795）/43.2=0.74 cosgQ干线电缆在起动条件下的功率因数, cosgQ =(IQcosQ+Iicospj)/IgQ =(50.270.5+54.370.7)/103.8 =0.6干线3：UgQ =（IgQLZcosgQ103）/（rAZ） =(80.620.050.58103)/(42.525) =3.81V式中: r 干线电缆芯线导体的电导率,m/(mm2)； LZ 干线电缆实际长度,km； AZ支线电缆的芯线截面, mm2； IgQ干线电缆中实际起动电流,A； =80.62 A 式中: Ii其余电动机正常工作电流，A； Ii =Pe/（Uepjcospj） =（16.2103）/(6600.6550.7) =30.9A pj 电动机的加权平均效率； pj =（110.80+40.85+5.50.85+1.20.795）/27.2=0.655 cosgQ干线电缆在起动条件下的功率因数, cosgQ =(IQcosQ+Iicospj)/IgQ =(50.270.5+30.90.7)/80.62 =0.58干线4: UgQ =（IgQLZcosgQ103）/（rAZ） =(63.720.10.54103)/(42.525) =5.6V式中: r 干线电缆芯线导体的电导率,m/(mm2)； LZ 干线电缆实际长度,km； A