煤矿井下中央变电所供电系统.doc

毕 业 设 计 [论 文 ] 题 目某煤矿中央变电所供电系统设计 学 院电气与信息工程学院 专 业电气工程及其自动化 姓 名 学 号 指导老师 完成时间2014年 5月 25日 河南城建学院本科毕业设计 论文 摘要 摘 要 长期以来,煤矿井下一般低压采用 660V 供电,因此煤矿井下中央变电所低 压供电系统也是以 660V 的用电设备为主。 煤矿井下中央变电所低压供电系统的 设计涉及到很多低压电气设备的选择以及井下防爆措施的设置,比地面的变电 所设计更加复杂一点,需要考虑的方面也更多一点。 井下中央变电所低压系统的主要负荷有水泵、电机车系统、上仓胶带输送 机以及其它一些用电设备。设计的主要内容包括画出变电所的主接线图、选择 低压供电系统的电气设备和短路电流计算三部分。这三部分是相辅相成的,画 出变电所的主接线图方便我们进行短路电流的计算,算出各段线路的短路电流 也方便进行电气设备的选择和校验。 本设计以某矿井为例,对中央变电所高压供电系统进行设计。在设计过程 中,主要进行了短路电流计算和高压开关柜,低压馈电柜的选择等等。针对不 同的负荷,设备的型号和参数有所不同,比如线路中电流互感器的型号相同, 但是在不同线路中, 电流互感器的变比会有所区别。对于这些电气设备的选择, 本文根据这些设备的负荷容量、短路电流来选择合适的设备。 关键词低压供电系统 , 井下中央变电所 , 短路电流 I ABSTRACT For long time, we have been using voltage of 660V to supply power under the well of the coal mine. As a result, the low voltage electric facilities all use the voltage of 660V. There are many problems about the design of the low voltage system of the main substation in the well, such as how to choose the low voltage electric facilities and set all kinds of facilities to prevent the explosion. So, in my opinion, compared with the design of the supply power upon the ground, the design under the well of the coal mine is more complex. The main load of the low voltage system includes water pump, traffic system, transporter and some other load. The main content of the design includes the main graph of the circuit diagram, how to choose the main electric facilities and compute the electric current of short circuit. We take one mine as example when designing the substation, and in the course, we computed the electric current of short circuit, chose circuit-breaker, low voltage switch, current transer, voltage transer and so on. With different load, we must choose different types and different parameter. For example, sometimes the types of the current transer are the same, but their scales are different. So when we are choosing the electric facilities, we choose proper sets according to the capacity of the load and the electric current of short circuit. Key words low voltage system of power supply, the main substation in the well, Electric current of short circuit 目录 1 概述 ............................................................................................................................................ 1 1.1 课题研究的背景和意义 ................................................................................................ 1 1.2 课题研究的主要内容 ..................................................................................................... 1 1.3 原始资料 ......................................................................................................................... 1 1.3.1 煤矿情况简介 ...................................................................................................... 1 1.3.2 负荷资料 .............................................................................................................. 2 2 负荷计算及变压器选择 .............................................................................................................. 3 2.1 井下负荷计算 ................................................................................................................... 3 2.1.1 井下负荷的计算方法 .......................................................................................... 3 2.1.2 井下负荷的计算 .................................................................................................. 4 2.2 无功功率补偿 ................................................................................................................... 7 2.3 变压器的选择原则 ........................................................................................................... 9 2.3.1 变电所变压器容量计算 ........................................................................................ 9 2.3.2 变压器台数的确定 .............................................................................................. 10 2.3.3 变压器型号的确定 .............................................................................................. 10 2.4 本矿变压器选择 ............................................................................................................. 11 3 井下变电所主接线设计 ............................................................................................................ 13 3.1 井下供电设计有关规定 ................................................................................................. 13 3.2 主接线的拟定 ................................................................................................................. 14 3.3 中央变电所位置的确定 ................................................................................................. 15 3.4 对井下供电设计的要求 ................................................................................................. 16 4 电缆选择 .................................................................................................................................... 18 4.1 选择原则 ......................................................................................................................... 18 4.2 选择步骤 ......................................................................................................................... 18 4.3 井下电缆的选择计算 ..................................................................................................... 25 4.3.1高压电缆的选择 ................................................................................................... 25 4.3.2 采区低压动力电缆的选择与校验 ...................................................................... 27 5 短路电流计算 ............................................................................................................................ 32 5.1 短路电流计算选择 ......................................................................................................... 32 5.2 计算短路电流的目的 ..................................................................................................... 33 5.3 三相短路电流的计算方法 ............................................................................................. 33 5.3.1 电源为无限容量时的短路电流计算 ................................................................ 33 5.3.2 电源为有限容量时的短路电流计算 ................................................................ 34 5.4 短路电流计算 ............................................................................................................... 35 5.4.1高压电网短路电流计算 ....................................................................................... 35 5.4.2低压电网短路电流的计算 ................................................................................... 37 6 井下电气设备的选择 .............................................................................................................. 40 6.1 井下高压开关选择 ....................................................................................................... 40 6.1.1 选择原则 ............................................................................................................ 40 6.1.2 选择计算公式及选择条件 ................................................................................ 40 6.1.3 开关型号确定 .................................................................................................... 41 6.2矿用低压隔爆开关选择 .................................................................................................. 42 5.2.1低压电气设备型号的选择 ................................................................................... 42 5.2.2低压电气设备电气参数的选择 ........................................................................... 43 6.3磁力起动器的选择 .......................................................................................................... 43 7 保护措施 .................................................................................................................................... 47 7.1 接地保护措施 ................................................................................................................. 47 7.2漏电保护措施 .................................................................................................................. 47 7.2.1 变压器中性点不直接接地供电系统的漏电保护措施 . ...................................... 47 7.2.2对低压电网漏电保护的要求 ............................................................................... 48 7.3中央变电所的防火措施 .................................................................................................. 48 7.3.1对采区变电所硐室的要求 ................................................................................... 48 7.3.2对设备布置的要求 ............................................................................................... 49 总结与展望 .................................................................................................................................... 49 致谢 ................................................................................................................................................ 50 参考文献 ........................................................................................................................................ 51 附录 A 井下保护接地网示意图 . .................................................................................................. 52 附录 B 井下主接线图 .................................................................................................................. 53 1 概述 1.1 课题研究的背景和意义 电力行业是国民经济的基础工业,它的发展直接关系到国家经济建设的兴衰 成败,它为现代工业、农业、科学技术和国防提供必不可少的动力。电能是现代 工业生产的主要能源和动力 , 随着现代文明的发展与进步,社会生产和生活对电能 供应的质量和管理提出了越来越高的要求。工厂供电系统的核心部分是变电所。 因此,设计和建造一个安全、经济的变电所,是极为重要的。比较完善的变电站 设计理论,是真正的做到了节约型,集约型,高效型。通过改善优化变电站结构, 降低变电站的功率损耗,尽可能地提高变电站的可靠性,尽可能地使变电站的灵 活性提高,尽可能地提高经济性。 凡是矿井进入井筒的供电设备与供电电缆所组成的供电网络,均为井下供电 系统。井下供电系统一般由井下电缆、各水平的主变电所、采区变电所、隔爆移 动变电站、采区配电点及各类供配电电缆等组成。 井下供电设计由井下主变电所和采区供电设计组成。此次是主变电所的设计, 其包括拟定井下主变电所供电系统。计算与选择井下主变电所动力变压器和高压 配电装置。 井下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,学会查阅技术资料和各种文献的方法,培养计算、绘制图表、编写技术文献 的能力,掌握井下供电设计的技术经济政策及安全规程的规定,完成井下供电设 计的内容。 1.2 课题研究的主要内容 1 负荷计算及变压器的选择 ; 2 电气主接线的设计 ; 3 井下电缆的选择 ; 4 短路电流计算 ; 5 井下电气设备选择 ; 6 井下保护措施。 1.3 原始资料 1.3.1 煤矿情况简介 ①地质储量 1000万吨; ②矿井生产能力设计能力 100万 t/年,实际数 105万 t/年; ③年工作日300天,日工作小时24小时; ④井下供电由地面 35kV 变电站 6kV 母线Ⅰ、 Ⅱ段双回路供给, 6kV 直接下井。 变电站 6kV 侧 611、 612开关经两趟 MYJV22-6/10-395 型矿用电缆沿主斜井敷 设至井下中央变电所,中央变电所内 6kV 单母线分段,所内设 250kV A 变压器两 台, 0.69kV 双回路供中央水泵房; 6kV 电源供各采区变电所。各变电所负责向井 下其它电气设备、照明等用电设备供电。井下动力电压等级为 6、 1.14、 0.66kV , 照明、信号及煤电钻均为 127V 。 ⑤采区变电所两路电源均来自中央变电所,电缆型号为 MYJV22-6-395,总 长一万多米电缆,做采区主供电源。 1.3.2负荷资料 ① 负荷分类及定义 1 一级负荷中断供电将造成人身伤亡或重大设计损坏 , 且难以挽回 , 带来极 大的政治、经济损失者属于一级负荷。一级负荷要求有两个独立电源供电。 2 二级负荷中断供电将造成设计局部破坏或生产流程紊乱,且较长时间才 能修复或大量产品报废,重要产品大量减产,属于二级负荷。二级负荷应由两回 线供电。但当两回线路有困难时如边远地区 ,允许有一回专用架空线路供电。 3三级负荷不属于一级和二级的一般电力负荷。三级负荷对供电无特殊要 求,允许较长时间停电,可用单回路供电。 ② 本设计负荷分析 煤矿变煤矿变负责向煤矿供电,煤矿大部分是井下作业,例如煤矿工人 从矿井中的进出等等,中断供电将造成人身伤亡和重大设备损坏,带来较大的经 济损失,所以应属一级负荷。 2 负荷计算及变压器选择 2.1井下负荷计算 井下中央变电所,是全矿井下的供电中心,接受从地面变电所送来的高压电 能之后,向采区变电所及主排水泵的电动机供电,通过降压后供给井底车场附近 的低压动力设备、照明及电机车的变流设备等用电。 井下中央变电所变压器的容量、台数取决于由该变电所供电的用电设备负荷。 煤矿井下的机电设备,由于井下工作条件比较复杂,使其负荷变化较大,而且对 矿井不同的采煤方法、机械化程度、供电接线方式,其总负荷也是各不相同的。 因此,要想准确地计算井下低压供电系统的负荷是十分困难的。 我这里采用的方法是当前广泛被采用的需用系数法估算井下变电所容量,根 据此计算容量大小选择变压器容量和台数。 2.1.1 井下负荷的计算方法 ①根据井下用电设备布置及用电设备的单台容量可大致确定此设计设置一个 井下变电所两台变压器即可。 ②井下采区负荷按下式进行计算 Φ∑cos r N K P S 式2.1 式中 , S所计算的电力负荷总的视在功率, KVA ; ∑N P 参加计算的所有用电设备不包括备用额定功率之和, kW ; Φcos 参加计算的所有电力负荷的平均功率因数; K r 需用系数,其数值有以下方法计算 1 综合机械化采煤工作面需用系数计算 e d x P P K ∑6 . 04. 0 式 2.2 式中 , d P 容量最大的那台电动机额定功率, kW ; e P ∑工作面用电设备的额定功率之和, kW 。 2普通机械化采煤工作面需用系数计算 e d x P P K ∑714 . 0286. 0 式 2.3 ③井下井底车场等负荷,可按式2.1计算。其所取的各用电设备的需用系 数及平均功率因数见下表所示。 ④可以较正确计算出用电功率的设备,如提升机、水泵、空压机、通风机及 大型胶带输送机等的电力负荷,应取其计算负荷。 其井下用电设备的需用系数及平均功率因数如表 2.1所示。 表 2.1 井下用电设备的需用系数及平均功率因数表 ⑤井下总负荷的计算,考虑到负荷变化较大的采区与负荷较稳定的主排水泵 等井下固定设备的区别,为更接近实际,按下式2.4 T S N S K K P S S ⨯⨯∑∑ cos ϕ 式 2.4 式中 , s S 井下总负荷的视在功率, KVA ; ∑S 井下各用电设备计算负荷的视在功率之和, KVA ; ∑N P 井下主排水泵计算功率之和, kW ; Φcos 井下主排水泵的加权平均功率因数; S K 井下主排水泵的同时系数,只有排水设备时取 1,有其他固定设 备时取 0.9-0.95; T K 同时系数。 井下总负荷的功率因数应按式2.4的复数计算,即有功功率和无功功率分 别相加后,可求得总负荷的功率因数。 2.1.2 井下负荷的计算 使用采区变电所负荷统计,根据采区开拓、开采方法、系统的运行方式、负 荷原则首先确定每台变压器担负的负荷进行负荷统计。 用需要系数法统计由于工作条件的变化用电设备实际负荷随时都在变化,又由 于生产环节的不同,在一组电气设备中,同时工作的实际台数可能小于其总台数。 所以每组用电设备总的实际负荷 ∑P ,总是小于该组总的额定负荷 ∑n P 。将实际 负荷与额定负荷的比值用需用系数 X K 表示。 ①采区负荷统计计算 采区移动变电站的选择结果及负荷统计如表 2.2所示 表 2.2采区移动变电站的选择结果及负荷统计 由式 P P K d X 6 . 04. 0 可求出需用系数,根据需用系数即可求出成组负荷 称之为计算负荷 , 其计算公式为 ∑N X ca P K P ϕ ca ca P S 式2.5 式中 , ca P 成组负荷的计算功率, KW ; X K 成组负荷的需用系数 成组负荷的计算 第一组 N d X P P K 6 . 04. 064. 04. 06. 08402 170⨯⨯ w P N k 84011024524021102170⨯⨯⨯⨯∑ kw P K P N X ca 6. 53784064. 0⨯∑ kva P S ca ca 768 ϕ 第二组 N d X P P K 6 . 04. 076. 04. 06. 04. 207125 ⨯ w P N k 4. 207∑ kw P K P N X ca 6. 167∑ kva P S ca ca 227 ϕ ②井下中央变电站负荷统计如表 2.3 同样可以算出井下中央变电所的井底车场低压动力计算负荷的视在功率 为 kva S ca 9. 216 2.2无功功率补偿 2.2.1无功功率补偿的意义 功率因数低是功功率大的表现,系统中无功功率大会造成如下影响 ① 使变配电设备的容量增加 在电压一定时,功率因数越小,即无功分量越大,则电流越大。若要承受 大的电流,系统电气设备的容量必然要加大,这就会增加系统成本,使电气设备 利用率降低。 ② 使供配电系统的损耗增加 从供配电系统功率损耗计算式中不难看出通过系统电流增加,系统上的功率 损耗也会增加。 ③ 使电压损失增加 线路电流越大,电压损失也就越大。 ④ 使发电机效率降低 表 2.3井下中央变电所负荷统计 系统中负荷对无功功率需求量增大,发电机必须增发相应的无功平衡,这 样就降低了发电机的效率。 2.2.2无功功率补偿的计算 供电部门通常要求 0.38kv 电能用户的功率因数应达到 0.85以上, 10kv 电 能用户的功率因数应达到 0.90以上。 经计算全矿功率因数 ϕcos 14688/95. 0798. 0110782 2。为了减 少电能转化的损耗,降低投资,一般采用电力电容器进行补偿。 需要电容器容量 1cc tanϕav P Q - tan 2ϕ 式 2.6 式中, cc Q 补偿电容器的容量, kvar ; av P 总有功功率, kW ; 95 . 0cos 798 . 0cos 21ϕϕ 计算可知, 755. 0tan 1ϕ, 329. 0tan 2ϕ var 4694 329. 0755. 01468875. 0cc k Q -⨯⨯ 选用 BWF6.3-120-1型号的并联电容器,额定电压 6.3kV, 额定容量 120kvar 。 需用电容器的数量 3. 39N 取 42个 利用电力电容补偿容量为 var 504042120k Q cc ⨯ 补偿后变电所总无功功率 var 3277504055. 01468875. 0-⨯⨯z Q 补偿后的功率因数 0.958327775. 014688/1468875. 0cos 22 ⨯⨯ ϕ满足要求。 2.3变压器的选择原则 2.3.1 变电所变压器容量计算 ①采区变电所变压器容量计算公式 c pj x e B K K P S ϕcos ∑ 式 2.7 式中, B S 变压器计算容量, kVA ; c K 组间同时系数。 ②井下主变电所变压器容量计算公式 pj x e B K P S ϕcos ∑ 式 2.8 式中, e P ∑由变压器供电的设备额定功率之和, kW ; pj ϕcos 由变压器供电的设备加权平均功率因数; x K 由变压器供电的设备的需用系数。 ③容量的确定 根据所选变压器型号和所求变压器计算容量 B S , 选出满足下列关系的变压 器额定容量 T N S . 即 T N S . B S 2.3.2 变压器台数的确定 井下主变电所在一般情况下,是按变压器计算容量选设两台动力变压器分列 运行。如果其中一台变压器停止运行时,另一台变压器应能承担 100负荷用电。 若主排水设备为低压设备时,则变压器台数的确定应遵循一台变压器停止运行时, 其余变压器能保证排出最大涌水量所需要电量的原则。 2.3.3 变压器型号的确定 在确定变压器型号时,应考虑国产矿用变压器的电压等级和容量,同时应根 据巷道断面、运输条件及备用容量等因素,对选用方案进行经济比较,选取最佳 方案。 ①矿用动力变压器 目前我国煤矿井下主变电所及采区变电所内使用的动力变压器主要是 KSJ 及 KSJL 系列。均为矿用一般型设备,允许安装在无易燃、易爆炸性气体的环境中。 ②矿用隔爆型干式变压器 KSG 及 KSGLZ 系列矿用隔爆干式变压器主要用于有易燃及易爆危险的场合, 如 井下采掘工作面等处。将 380V 或 660V 电压降为 127V 后供照明、信号及手持式电 煤钻等设备用电。 KSGB 矿用隔爆型干式变压器用于有甲烷混合气体和煤尘具有爆炸危险的矿井 中,作为煤矿井下综合机械化采掘成套设备的主要供配电装置。 使用条件 1 海拔高度不超过 1000m ; 2 环境温度不高于 40℃; 3 空气相对湿度不超过 9525℃时 ; 4 无强烈颠簸震动以及与垂直面的斜度不超过 15的环境; 5 无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体及蒸汽。 ③隔爆移动变电站 KBSGZY 型矿用隔爆千伏级移动变电站是根据我国煤矿井下采煤方式,由炮采及普通机 械化采煤逐渐向综合机械化发展的需要而研制的一种成套高档供电设备, 该设备即可用于综合 机械化采煤工作面,也可在普通机械化 660V 采区推广。 2.4 本矿变压器选择 根据变电所变压器的计算容量,选择变压器的型号、容量、台数。 ① 选型地面高压为 35kV 、 10kV 侧的变压器选用普通变压器 SL7-1250/35、 S9-160/10; 6kV 侧的井下变压器选用矿用一般型变压器 KS9-250/6, 变压器 1供给硅整流、 1井底水泵、井口信号照明、变电所室内照明 ; 变压器 2供给硅 整流、 2井底水泵、火药库及东大巷照明、瓦斯监测电源、检修泵站。另外根 据需要,分接 4水泵。变压器参数如表 2.4 表 2.4 KS9 变压器技术数据 二次侧电压 660V 以下的变压器选用防爆型干式变压器。井下照明为 127V 电 压供电,变压器设两台防爆型干式变压器。 1移动变电站输出电压为 0.692kv, 给带式输送机,调度绞车,喷雾机,煤电 钻供电。 2移动变电站输出电压为 1.2kv ,给采煤机,刮板输送机,带式输送机,顺槽 转载机,乳化泵供电。 选择向工作面供电的移动变电站2移动变电站 k