矿山35kV自动化变电站设计方案

1 矿山 35动化变电站设计方案 第一章 前言 一、 设计项目背景 山西汇能煤业有限公司矿井位于山西省阳泉市平定县东南部，距县城 15田处于沁水煤田阳泉矿区扩区南部，设计产能为 a, 井筒为斜井，开采面为水平开采，为高瓦斯矿井，服务年限 30年。 山西汇能煤业有限公司是由原国有平定县煤矿改制而成，成立于 2004 年 1 月，2006年 5月经省商务厅批准，成为中韩合资股份制企业。同年 10月，公司根据井田资源整合情况和无烟煤市场实际，决定将矿井改扩建，并配套新建入洗能力 900kt/而将山 西汇能煤业有限公司建成集煤炭生产、洗选加工为一体的现代化大型煤炭生产加工企业。目前公司正在进行新井建井和地面配套工程同步施工，以便使矿井能在 2010年 3 月正式投产。 因此，为满足生产需求并结合本矿的用电负荷及矿井周围电源情况，确定在矿井新工业场地内新建一座矿井 35/10电站，新建变电站内分别设有 35关室、主控制室及发电机联合建筑一座， 10 二、设计的指导思想 本设计是针对 35电站的整体设计，设计方案充分体现市场经济的特点，因地制宜选 择生产工艺，系统设计简单实用。设备选型立足国内，先进可靠合理，最大限度地降低矿井初期投资和缩短矿井建设工期，力争通过精心设计，把该变电站建成规模合理、安全可靠经济、优质服务于矿井生产的大型自动化变电站。 三、设计的主要技术指标 2 241台 227台 井地面 35/10/下高压 10 采工作面为1140v， 其它低压动力为 660v,照明及电钻为 127v。 象条件为山西省级气象区 第一章 矿山总变电站位置和型式的确定 第一节 矿山总变电站位置的确定的原则 矿山总变电所站担负着从电力系统接受电能、变换电压和分配电能的任务，它是矿山供电的枢纽，正确确定变电站的位置，对矿山企业供电系统的合理布局及提高供电可靠性、经济性和供电质量都有很重要的关系。因此，变电所站的位置应根据矿山负荷的大小、分布特点及内部环境特点等因素进行综合分析，经技术经济比较后确定。一般在确定变电站位置时应遵循以下几项原则 ： 减少配电线路长度，降低电能损耗和电压损失； 量避免线路相互交叉和跨越，架空线路走廊与变电所位置同时确定； 利于变压器等大型设备的运输； 利于地下水、雨水和洪水浸淹措施； 离震动大的设备和易燃易爆的场所，应尽量避开污染源，否则应采取防污措施； 妨碍工厂的发展； 第二节 矿山总变电站位置的确定 3 对矿井地面变电站 ，由于矿井地面工业广场已统一考虑了压煤问题以及运输、通讯等设施，所以矿区内一般变电所地址选择与地面工业广场的边缘。 本次 35于广场地势由北向南呈下降趋势，避免的水害的危险，负荷向南延伸布置，建筑间距满足设计要求。 第三节 矿山总变电站型式的确定 本次 35电站采用混合式布置，内设 35压配电室、 10压配电室、电容器室、消弧线圈室、低压变压器室、 380V 低压配电室、控制室及值班室等。 第二章 负荷计算及变压器选择 第一节 负荷的计算 一、负 荷计算的内容和目的 计算负荷是指导体中通过一个等效负荷时，导体的最高温升正好和通过实际的变动负荷时其产生的最高温升相等，该等效负荷就称为计算负荷。 确定供电系统中各用户电力负荷的大小，可以为正确地选择变压器容量和台数、选择电气设备和导线截面积、确定测量仪表的量程、选择继电保护装置等提供重要的计算依据。所以负荷计算准确与否直接影响着供电设计的质量。但是，由于影响负荷变化的因素很多，很难准确地计算负荷的大小，因此负荷计算只能力求负荷实际。 二、负荷计算的方法 目前我国设计部门在进行工矿企业供电设计时，常用需用 系数法和二项式法，其中需用系数法计算简便，适用于任何性质的工矿企业，其计算结果能满足工程上的要求，所以应用最广泛。煤矿系统中常用需用系数法。本设计采用需用系数法。 以下是需用系数法的计算公式： 4 22P p 22P 电所负荷统计 统计全变电所总计算负荷时，应从供电系统最末端开始逐级向电源侧统计。 先统计个低压负荷组的计算负荷，选出配电变压器；求出变压器一次计算负荷后，将计算结果填入表一 ，然后再参与全矿负荷的统计。 （ 1） 用电设备功率的确定。由于煤矿大量负荷低压为长时或短时工作制的负荷，其设备的功率等于其额定功率，所以不必进行功率换算。 （ 2） 单相负荷换算为三相负荷。由于煤矿单相用电设备占总负荷比例很小，故均按三相平衡负荷计算。 （ 3） 用电设备（组）的计算负荷。用需用系数法统计负荷，查出对应电气设备（组）的需用系数。 下面以主斜井低压为例计算 查表 2 5 75=45kW Q 45 2 I = 5 1200=上述计算结果分别填入负荷统计表第 3 栏内。其它各组负荷的计算与上述相同。 低压负荷总计：将表中的有关数据相加，即 45+112+252+ +25=89+ +压计算负荷：矿井地面低压侧计算负荷，取 . 2 P = 22 =. =M =. 考虑到矿井地面工业广场低压负荷有一类负荷的辅助设备，为了保证供电的可靠性需选两台变压器，每台变压器的计算容量为 (A 选 1000/10 10/000压器 6 变压器的负荷系数为：2. = 10002 = 2 1 1000/10型变压器技术数据 型号 额定容量/A 额定电压 额定损耗/抗电压/% 空载电流/% 连接组 质量 /t 外形尺寸 /压 低压 空载 短路 长 宽 高 000/10 1000 10 0 ,280 1560 2480 矿井地面部分高压侧计算 负荷： 变压器功率损耗计算： =2（ 2. ） =2（ 0 =Q =2 （ 100%100%0 2 ） =2 ( + 010 压侧计算负荷： P . =. P = A .高压侧计算负荷填入表中，参与全矿负荷统计。其它各组低压用电设备的负荷计算方法同上。 2、全矿负荷统计 （ 1)高压用电设备（组）的计算负荷，其计算方法与上述 主斜井低压设备的计算相同。（ 2）全矿高压负荷总计。将全矿各组高压侧计算负荷相加，即 800+324+404+ +1440= 600+243+ +3)全矿计算负荷。计算全矿 10考虑各组间最大负荷同时系数， 7 取 P = 22 =A . 2 2 负荷统计表 序号 负 荷 名 称 电压 (V) 设备数量 设备容量 需用 系数 率 因数 最大负荷 最大 负 荷利用小时 (h) 年耗 电量 (k备注 总计 (台 ) 工作 (台 ) 总计 (工作 (有功 功率 (无功 功率 (视在 功率 (1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 一、矿井地面部分 1 主斜井胶带机 10 2 1000 1000 2 主斜井低压 380V 1 1 75 75 3 副斜井提升机房 10 1 400 400 4 副斜井低压 380V 160 160 5 通风机房 10 1 1120 560 6 空压机房 380V 3 2 420 280 7 机修车间 380V 36 36 8 坑木加工房 380V 6 6 9 综采设备库 380V 5 5 43 43 10 生活供水系统 380V 5 4 11 井下水处理站 380V 27 23 12 生活污水处理站 380V 11 8 13 锅炉房 380V 26 26 14 主斜井空气加热室 380V 2 2 15 15 15 副斜井空气加热室 380V 2 2 15 15 16 灯房、浴室、食堂 380V 50 50 17 照明及其它 220V 50 50 18 瓦斯抽放系统 10 1500 1000 8 序号 负 荷 名 称 电压 (V) 设备数量 设备容量 需用 系数 率 因数 最大负荷 最大 负 荷利用小时 (h) 年耗 电量 (k备注 总计 (台 ) 工作 (台 ) 总计 (工作 (有功 功率 (无功 功率 (视在 功率 (1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 矿井地面合计 129 119 二、矿井井下部分 1 回采工作面 1140V 9 7 3150 2905 2 胶带顺槽 660V 8 8 3 轨道顺槽 660V 7 7 4 顺槽掘进一 660V 16 16 5 顺槽掘进二 660V 14 14 6 大巷掘进 660V 19 19 7 一采区胶带上山 10/2 12 8 一采区轨道上山 660V 3 3 90 90 9 一采区集中轨道上山 660V 3 3 75 75 10 一采区胶带联络巷 660V 1 1 110 110 11 西 580水平胶带 大巷 660V 5 5 12 西 580水平轨道大巷 660V 3 3 13 回风大巷 660V 2 2 15 15 14 主排水泵 10 2 1500 1000 15 电机车整流硐室 660V 2 1 60 30 16 井底设备 660V 5 5 82 82 17 照明 127V 30 30 矿井井下合计 112 108 三、选煤厂 10 1800 1800 矿井及选煤厂总计 241 227 变压器损耗 无功功率补偿 无功功率补偿后 矿井吨煤电耗 ( 第二节 功率因数的改善 9 一、提高功率因数的意义 由于矿山企业采用大功率电动机和变压器等用电设备，特别是在近年来大功率可控硅的应用，供电系统出供给有功功率外，还需供给大量无功功率，使发电和输配电的能力不能充分利用。为此，必须提高用户的功率因数，减少对电源系统的无功功率需求。 提高功率因数对矿山企业具有下列实际意义： 提高电力系统的供电能力。在发电和输配电设备的安装容量一定时，提高用户的功率因数，相应减少了无功功率和视在功率的需求量，在同样设备条件下，增大了电力系统的供电能力。 高供电质量。由于用户 功率因数的提高，使网络中的电流减少，因此网络中的电压损失减少，网络末端用电设备的电压质量得到提高， 线路电压和输送的有功功率一定时，功率因数越高，则网络中的功率损耗越少。 于提高功率因数可减少网络和变压器中的电能损耗， 使企业电费降低。 二、提高功率因数的方法 功率因数不满足要求时，首先应提高自然功率因数，然后再进行人工补偿。 不增加专门的设备，采取合理的技术措施，改进用电设备的运行情况，使供配电系统总功率因数提高。 如果负荷的自然功率因数不能满足要求时，应采取人工补偿的方法提高负荷的功率因数。 目前矿山企业广泛采用并联电容器进行无功功率的补偿。电力电容器具有投资省、有功功率损失小、运行维护方便、故障范围小的特点。 三、电容器的选择 10 因全矿自然功率因数： 于 以应进行人工补偿，补偿后的功率因数应达到 =上，则全矿所需补偿容量 为 ( )=(可采用 120 1额定电容 F。因此，电容器个数 N= Qc/20=41 考虑到三相均衡分配，取 3的倍数，则 N=42 2 120=5040Q 5040= 22 22 7 69 4 8 3 =A =率因数符合要求。 第三节 变压器的选择 一、变电所主变压器的选择 工矿企业变电所的主变压器向整个企业的所有用电设备供电，正确的选择主变压器的台数和容量对供电的可靠性和经济性都有着重要的意义。主变压器应根据负荷类别、总的计算负荷选择其 台数和容量，并应考虑留有发展余地。 二、主变压器台数的确定 根据煤炭工业设计规范规定，矿井变电所的主变压器一般选用两台，当其中一台停止运行时，另一台应能保证安全及原煤生产用电，并不得少于全矿计算负荷的80%；工业企业设计规范也规定，对具有大量一、二类负荷的变电所，一般选用两台变压器，当其中一台出现故障过检修时，另一台能对全部一、二类负荷继续供电，并不得小于全部负荷的 70%。 故本变电站采用两台有载调压变压器。 11 变电所主变压器容量的确定 当变电所采用两台变压器且一台工作，一台备用运行方式时，则变压器 的容量按下式计算： 中 变压器的额定容量， A； 变电所人工补偿后的视在容量，A； 故障保证系数，对煤矿企业 应小于 A 考虑后续发展，确定选择 12500/35/12500力变压器两台，正常工作时一用一备。 第三章 短路电流计算 第一节 概述 在供电系统中，出线次数比较 多的严重故障是短路。所谓短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间、相与地之间的短接等。 一、短路的原因 产生短路的主要原因是由于电气设备载流部分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等造成。 二、短路的种类 在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。 三、短路的危害 发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因而短路电流可能达到很大的数值。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧毁电气设备；短 路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在 12 发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行裂解，引起严重后果。不对称接地短路所造成的零序电流，会在邻近的通讯线路内产生感应电动势，干扰通讯，亦可能危及人身和设备安全。 四、计算短路电流的目的 计算短路电流是为了使供电系统安全、可靠运行，减小短路所带来的的损失和影响。所计算短路电流用于解决下列技术问题： 须用短路电流校验其热稳定性和机械强度。 之能正确地切除短路的故障。 短路电流过大造成设备选择困难或不够经济时，可采取限制短路电流的措施。 第二节 短路电流计算 一、绘制短路电流计算系统图 13 图 2短路计算系统图 14 图 2短路等值电抗图 二、短路计算 （ 1）采用标幺值计算 取 000j=网络中个元件的电抗标幺值如下： 对于系统： X*1=于 110X*1151000 =*1151000 =15 对于 110 =21(1(+ 1(- 2()= =21(1(+ 2(- 1()=0 =21( 1(+ 2(- 1()= X*变高 =100%101000=*变低 =100%301000=于 35 X*122371000 =于 35 X*变 =100% 2） 110 X*3= X*1+ X*X*3= X*1+X*2= )点短路： 1=31X=1531000=A) I A) （ 3）蚕石 35 110 35 )点短路： X*4= X*1+ X*2+X*高 =2=41X16 731000=A) I A) 35 )点短路： X*5(蚕 )= X*1+ X*X*高 /2 X*5(蚕 )= X*1+ X*2+X*高 /2=2=731000=A) I A) （ 1）采用标幺值计算 取 000j=网络中个元件的电抗标幺值如下： 对于系统： X*1=于 110X*1151000 =*1151000 =于 110 =21(1(+ 1(- 2()= =21(1(+ 2(- 1()=0 =21( 1(+ 2(- 1()= X*1高 =100%101000=*1低 =100%301000=17 X*2高 =100%1*2低 =100%3于 35路： X*371000 =于 35变： X*变 =100% 2） 110 X*3= X*1+ X*X*3= X*1+X*2= )点短路： 1=31X=1531000=A) I A) （ 3）陈家庄 35 110 35 )点短路： X*4= X*1+ X*2+X*高 =2=41X=731000=A) I A) 35 18 )点短路： X*5(陈 )= X*1+ X*X*高 /2 X*5(陈 )= X*1+ X*2+X*高 /2=2=51X=731000=A) I A) 5采用标幺值计算 取 000j=网络中个元件的电抗标幺值如下： 平定汇能 35 1105 (1) 汇能煤业 35 X*6= X*5(陈 )+X* ) X*6=3=61X=731000=A) I A) (2) 汇能煤业 35 X*7= X*5(陈 )+ X* ) X*5(蚕 )+ X* ) X*7= ( (X*7= 3=71X731000=A) I A) 19 表 3 1 短路计算结果表 电源 短路点编号 基准电压 基准电压 基准电流 短路电抗 稳态短路电流 冲击短路电流 j X Iz V A 红卫站 ) 1000 115 ) ) 1000 37 列运行 列运行 ) 1000 37 列运行 列运行 000 37 列运行 四章 电气设备的选择 变电所的高低压电器对电能起着接受、分配、控制与保护等作用，主要有断路器、 20 负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。正确的选择电气设备对供电的可靠性、安全性、经济性都有着重要的意义。 第一节 变电所电气设备选择的原则 （ 1）根据额定电压选择 所选电气设备的额定电压应不低于所在电网的额定电压，或电气设备的最高允许工作电压（ N）不小于所在电网的最高电压。即 UN(UN(2)根据额定电流选择 电气设备的额定电流应不小于通过它的最大长时工作电流 。即 (1)电气设备的短路稳定性校验 动稳定性校验： i )3(I )3(2）开关电器断流能力的校验 设备的额定开断电流或断流容量不应小于设备分断瞬间的短路电流有效值或短路容量 ，即 I )3(高压电气设备选择和校验项目 21 注：表示“”表示必须校验，“ ”表示不要校验 第二节 35压设备的选择 由于本矿所在地区的夏季温度较高，因此在设备选型时对设备的防爆性能做充分考虑，配电装置宜采用室内布置形式。 一、 35关设备选择 根据装设地点、环境及系统电压先对高压开关柜做一选型，高压开关柜属成套配电设备，柜中的一次设备必须按上面的校验条件校验合格才行。 高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套 配电装置，在发电厂和变配电所中作为控制和保护发电机、变压器和高压线路之用，也可作为大型高压开关设备、保护电器、监视仪表和母线、绝缘子等。 高压开关柜有固定式和手车式（移开式）两大类型。 由于本设计是 35源进线，则可选用移开式高压开关柜，这里选择 2 所示： 22 表 4 2 名称 型号 主要技术数据 真空断路器 000A 流容量 81流互感器 次额定电流为 20 800A 电压互感器 大容量 300离开关 3020 额定电流为 630A 熔断器 35 定电流 雷器 34W 灭弧电压 41外形尺寸 （ 宽高） 1418 2250 2650 根据变电所实际情况，选择高压开关柜一次线路方案编号： 选 42（改），其主要设备如下表 4 3： 表 4进线柜的主要 设备表 型号 一次线路方案 主要设备 42 000A 路器 （ 1）真空断路器 000A 000A 表 4 4 断路器的技术参数 序号 项目 单位 数据 23 1 额定电压 最高工作电压 额定绝缘水平 一分钟工频 95；雷电冲击（峰值） 185 4 额定电流 A 2000 5 额定短路开断电流 25/ 额定开断电流开断次数 次 20 7 额定短路关合电流（峰值） 63/80 8 额定短路持续时间 s 4 9 额定操作顺序 分 18010 合闸时间 s 额定电压校验 设备的额定电压55即 足条件。 额定电流额定校验 设备的额定电流000A ，长时允许电流1即 足条件。 断流能力校验 额定开断电流5短路电流有效值 )3(即 )3(满足条件。 动稳定校验 设备的极限通过电流峰值3开关所在处的三相 短路冲击电流瞬时值)3(即 )3(足条件。 热稳定性校验 开关的热稳定性有效值6开关的热稳定试验时间 t=4s，开关所在处的三相短路稳态电流 )3(I =短路发热假想时间 2216 4=1024 2 2)3(I 24 满足条件。 (2)电流互感器 校验 电流互感器 表 4 5 电流互感器的技术参数 级次组合 额定一次电流 （ A） 额定二次电流 （ A） 准确级次 额定二次负 荷（ 10%倍数不小于 3/3 B/B 20 100 5 0 3 50 10 20 800 B 20 27 1000 B 20 35 电流互感器 级 10%倍数曲线如下： 电流互感器变比的选择 1(1.5)( 100A 动稳定校验 动稳定电流 )3(满足条件。 热稳定校验 热稳定电流3即 2213 1=169 2 2)3(I 满足条件。 25 出线柜选 08，其 内部线路及一次方案如下 型号 一次线路图 主要设备 08 真空断路器 000A 磁操动机构 流互感器 地开关 柜内设备中电流互感器选变比为 300 5、级次组合为 B、其他 设备的校验同进线柜，均符合要求。 选 32（改） 32（改） 的内部线路及一次方案如下： 型号 一次线路图 主要设备 26 32（改） 电压互感器 断器 雷器 34W （ 1）由于 35型熔断器属于电压互感器专用保护，无需校验。 （ 2） 表 4 6 电压互 感器参数 型号 额定电压验电压 定容量大容量 次线圈 基本二次线圈 辅助二次线圈 一次对二次及地 二次对地 级时 3级时 35 95 2 150 250 500 1000 12、 17 主要设备及一次线路图如下 27 型号 一次线路图 主要设备 2 真空断路器 000A磁操动机构 流互感器 号 一次线路图 主要设备 32 电压互感器 断器 4 7 熔断器 35 的主要技术数据 额定电压定电流 A 断流容量（三相） 大切断电流 切断极限短路电流时的极限电流（峰值） A 熔丝电阻（ ） 35 000 17 700 315 二、 35线的选择 28 （ 1) 型号选择 母线的种类有矩形母线和管形母线，母线的材料有铜、铝。目前变电所的母线除大电流采用铜母线以外，一般尽量采用铝母线。本设计采用铜母线（ （ 2）母线截面选择 按经济电流密度选择母线截面时，根据变压器一次侧的额定电流来选择母线的规格，有 1335312500=已知铜母线的经济电流密度为 1初步选择 4矩形铜母线。 （ 1）母线动稳定校验 线中心距为 母线跨距为 三相短路电动力 (3) 3 3)2 710 = 321 . 7 3 2 1 (1 5 . 7 2 6 1 0 ) 1 . 8 1 80 . 3 710 =曲力矩按大于 2挡计算，即 M = (3)10W = 2620 0 46=610 3m 计算应力为 c=0=硬铜母线140 29 故母线满足母线动稳定要求。 （ 2）母线热稳定校验 (3)I 310 母线实际截面为 S =50 5=250（ 2故母线也满足热稳定要求。 三、母线支柱绝缘子的选择 支柱绝缘子是用来固定导体部分并起到绝缘的作用，所以它应具有足够的介电强度的机械强度。 可初选 第五章 变电站供电系统 第一节 供电电源选择 矿山的供电电源，一般来源于 电力系统的区域变电站或发电站。煤矿安全规程中规定：“矿井应有两回路电源线路。当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷”。为保证供电安全，所以汇能煤业 35供进线电源由 110石站 35电装置侧出线间隔内引接，备供进线电源取自1105电装置侧出线间隔内。 第二节 系统运行方式及主接线形式的确定 一、系统运行方式设计 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 1通断状态不同时 ,大致出现 8种运行方式。（ 1）系统分列运行；（ 2）系统并联运行；（ 3）一路运行一路 30 备用；（ 4）一趟线路运行、二台主变分列运行；（ 5）一趟线路运行、二台主变并联运行；（ 6）一台主变运