梅林庙地面供电系统设计

1、信息与电气工程学院课程设计说明书（2014 /2015学年 第 1 学期） 课程名称 ：企业供电系统工程设计课程设计 题 目 ： 梅林庙煤矿地面供配电系统设计 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 王艳芬 设计周数 ： 1 周 设计成绩 ： 2015 年 3 月 2 日梅林庙煤矿地面供配电系统设计目录1 概 述11.1 设计依据11.2 设计目的及范围11.3 矿井基本资料12 负荷计算22.1 负荷计算的目的22.2 负荷计算方法22.3 负荷计算过程53电气主接线设计63.1 对主接线的基本要求73.2 本所电气主接线方案的确定73.2.1 确定矿井35kV进线回路73.2.

2、2 35kV主接线的确定73.2.3供电系统线路图74 短路电流计算94.1 短路电流计算的目的94.2 短路电流计算中应计算的数值94.3 三相短路电流计算计算的步骤104.4短路电流计算过程105设备选择135.1 一般的选择方法135.2 短路动、热稳定性校验原则145.3 变压器选择145.3.1 35kV设备的选择155.4 井下设备选择165.4.1 电缆选择计算165.4.2 井下开关选择186 保护装置186.1 继电保护装置186.2 防雷保护及接地206.2.1 变电所防雷装置206.2.2 地面变电所保护接地网206.2.3 井下保护接地网207 结 论218 参考文献2

3、1附表23前 言本设计的目的是通过本次设计巩固所学的专业知识，培养分析问题、解决问题的能力及实际工程设计的基本技能。电力是现代煤矿的动力，首先应该保证供电的可靠和安全，并做到技术和经济方面合理的满足生产的需要。由于煤矿生产条件的特殊性，对供电系统有特殊的要求，尤其是煤矿地面供电系统作为整个煤矿供电开端，对整个煤矿供电的安全，可靠，经济具有举足轻重的作用。本论文根据变电所的设计原则，围绕某矿井35KV变电所设计这一课题展开了全面的设计与研究，主要完成以下工作： 针对矿井负荷的用电要求，根据需要系数法进行了负荷计算。据此对主变压器进行选择，并进行无功补偿。根据变电所主接线的设计原则，对变电所的主接

4、线进行设计：高压35kV采用全桥接法,6kV母线采用单母分段接线形式。采用标幺值法对供电系统进行了短路计算。按安装地点、运行环境和使用要求对电气设备的规格型号进行选择，并对它们进行动稳定和热稳定校验。为了在供配电系统发生故障时，能够自动地、迅速地、有选择地将故障设备从系统中切除，以免事故的扩大，在论文中对变电所继电保护进行了设计。防雷保护是变电所保护中不可缺少的一项保护措施，本文采用了在线路上安装阀型避雷器对其进行防雷保护，并在变电所装设避雷针。I梅林庙煤矿地面供电系统设计1 概 述1.1 设计依据1、电力工程电气设计手册（电气一次部分）。2、煤矿电工手册（地面供电部分）。3、按照国家标准GB

5、50052-95供配电系统设计规范、GB50053-9410kV及以下设计规范、GB50054-95低压配电设计规范等的规定，进行工厂供电设计必须遵循以下原则： （1）工厂供电设计必须要遵守国家的有关法令、标准和规范，执行国家的有关方针、政策，包括节约能源和有色金属等技术经济政策。 （2）工厂供电设计应做到保证人身和设备安全，供电可靠，电能质量合格、技术先进和经济合理。设计中应采用负荷国家现行有关标准的效率高、能耗低、性能先进的电气产品。 （3）工厂供电设计必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等合理确定设计方案。 （4）工厂供电设计应根据工程特点、规模和发展

6、规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近期结合，以近期为主，适当的考虑扩建可能性。1.2 设计目的及范围本设计的目的是通过本次设计巩固所学的专业知识，培养分析问题、解决问题的能力。本论文的设计范围包括：（1）对变电所的主接线进行设计； （2）对电气设备的规格型号进行选择；（3）变电所继电保护设计；（4）变电所防雷保护设计。1.3 矿井基本资料1、本矿概况本矿井为年产300万吨的高瓦斯矿井，三班工作制，年最大利用负荷小时6000h.立井井深0.38km,预期服役年限为90年。电费收取为两部电价制，固定部分按变压器安装容量收费18元/kva月。2、电源情况 矿井地面变电所距上级变电所8km

7、，采用双回路架空线供电，已知电源过电流保护动作时间2.5s，短路电容1000MVA1500MVA。3、自然条件（1）月最高室温42，月最低室温32。（2）最热月土壤温度27。（3）冻土层厚度为0.45m，变电所土质为黄土。 4、原始负荷资料负荷资料见表1-1 全矿电力负荷统计表。2 负荷计算2.1 负荷计算的目的为一个企业或用电户电，首先要解决的是企业要用多少度电，或选用多大容量的变压器等问题，这就需要进行负荷的统计合计算，为正确地选择变压器容量与无功补偿装置、选择电气设备与导线、以及继电器保护的整定等提供技术参数。负荷计算的目的是为了解用电情况，合理选择供配电系统的设备和元件，如导线、电缆、

8、变压器等。负荷计算过小，则依此选用的设备和载流部分有过热的危险，轻者使线路和配电设备寿命降低，重者影响供电系统的安全运行。负荷计算偏大，则造成设备的浪费和投资的增大。为此，正确的负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。2.2 负荷计算方法供电设计常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、和单位产品电耗法等。需用系数法计算简便，对任何性质的企业负荷均适用，且24编号设备名称电压（kV）电机容量(kW)需要系数 kd 功率因数cos1地面高压主提升机620000.900.85副提升机620000.800.85压风机616000.800.902南风井通风

9、机610000.700.80压风机65000.700.80低压设备65390.700.803北风井通风机610000.700.80压风机65000.700.80低压设备65390.700.804地面低压地面工业工场618000.700.77立井锅炉房61000.600.70机修厂68000.400.65坑木厂62000.400.70选煤厂632000.600.80水源井62000.800.80工人村68000.500.70其他用电设备66000.500.705井下高压主排水泵高638000.900.85主排水泵正626000.900.856井下低压井底车场66000.600.80111采区69

10、000.600.70113采区612000.600.70124采区61000.600.70156采区618000.870.75负荷资料见表1-1 全矿电力负荷统计表算结果基本上符合实际。公式简单，计算方便只用一个原始公式就可以表征普遍的计算方法。该公式对用电设备组、车间变电站乃至一个企业变电站的负荷计算都适用。对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，查取方便，因而为我国设计部门广泛采用。本设计采用需要系数法进行负荷计算，步骤如下：1、用电设备组计算负荷的确定 用电设备组是由工艺性质相同需要系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。在一个车间中

11、可根据具体情况将用电设备分为若干组，在分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为： ，kW , kvar （2-1） ，kVA 式中、该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷； 该用电设备组的设备总额定容量，kW；功率因数角的正切值；需要系数，由表1-1查得。2、多组用电设备组的计算负荷在配电干线上或车间变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，但是各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或车间变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数。具体计算如下： （2-2）式中、为配电干线式变电站低压母线的有功、无功、视在计算负荷；同时系数；m该配电干线或变电站低压母线上所接

12、用电设备组总数；分别对应于某一用电设备组的需要系数、功率因数角正切值、总设备容量；2.3 负荷计算过程1、用电设备分组，由表2-1确定各组用电设备的总额定容量。 2、由表1-1查出各用电设备组的需要系数和功率因数，根据公式2-1计算出各用电设备组的计算负荷。（1）对主提升机 =0.90，=0.85，=0.62 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA；用同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷，结果记入表2-1全矿电力负荷计算负荷表中。 表2-1 全矿电力负荷计算负荷表用户名称设备容量kw需要系数 功率因数计算负荷kwkvarkVA1地面高压主提升机20000.900.850

13、.62180011162117副提升机20000.800.850.6216009561862压风机16000.800.900.4812807681360南风井通风机10000.700.800.65700360842压风机5000.700.800.65350183421低压设备5390.700.800.653781894352北风井通风机10000.700.800.65700360842压风机5000.700.800.65350183421低压设备5390.700.800.653781894353地面低压地面工业工场18000.700.770.6912608421530立井锅炉房1000.600

14、.700.72604684机修厂8000.400.650.79320248463坑木厂2000.400.700.72805786选煤厂32000.600.800.65192012402760水源井2000.800.800.6516096186工人村8000.500.700.72400292563其他用电设备6000.500.700.723002164084井下高压主排水泵高38000.900.850.62376235605321主排水泵正26000.900.850.622574231043205井下低压井底车场6000.600.800.65360198395111采区9000.600.700.

15、72540378562113采区12000.600.700.72720521865124采区1000.600.700.72604378156采区18000.870.750.70156089617863电气主接线设计变电所的主接线是由各种电气设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，用以接受和分配电能，是供电系统的组成部分。它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数、容量等因素有关，所以变电所的主接线有多种形式。确定变电所的主接线对变电所电气设备的选择、配电装置的布置及运行的可靠性与经济性等都有密切的关系，是变电所设计的主要任务之一。3.1 对主接线的基本要求在确定变电所主接

16、线前，应首先明确其基本要求：（1）安全可靠。应符合国家标准和有关技术规范的要求，充分保证人身和设备的安全。此外，还应负荷等级的不同采取相应的接线方式来保证其不同的安全性和可靠性要求，不可片面强调其安全可靠性而造成不应有的浪费。（2）操作方便，运行灵活。供电系统的接线应保证工作人员在正常运行和发生事故时，便于操作和维修，以及运行灵活，倒闸方便。（3）经济合理。接线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单，以减少设备投资和运行费用。（4）便于发展。接线方式应保证便于将来发展，同时能适应分期建设的要求。3.2 本所电气主接线方案的确定3.2.1 确定矿井35kV进线回路35kV矿井变电所距

17、上级供电电源6km，对上一级供电部门来说是一级负荷，故上级矿井变电所对矿井采用有备用的双回路供电，即35kV进线为两路架空线进线。3.2.2 35kV主接线的确定为了保证对一、二级负荷进行可靠供电，在企业变电所中广泛采用由两回电源受电和装设两台变压器的桥式主接线。35kV架空线路由两条线路送到本矿变电所，正常时两台变压器分列运行。3.2.3供电系统线路图检修母线，而且可减少母线故障影响范围，提高供电的可靠性和灵活性。规程规定，下井电缆必须采用铜芯，又因为井下开关的额定电流有限且当一回电缆因故障停止供电时，其它电缆应能满足井下全部负荷的供电任务，由此确定下井电缆回数为4。4 短路电流计算4.1

18、短路电流计算的目的研究供电系统的短路并计算各种情况下的短路电流，对供电系统的拟定、运行方式的比较、电气设备的选择及继电保护整定都有重要意义。短路产生的后果极为严重，为了限制短路的危害和缩小故障影响范围，在供电设计和运行中，必须进行短路电流计算，以解决些列技术问题。(1) 选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和机械强度。(2) 设置和整定继电保护装置，使之能正确地切除短路故障。(3) 确定限流措施，当短路电流过大造成设备选择困难或不经济时，可采取限制短路电流的措施。(4) 确定合理的主接线方案和主要运行方式等。4.2 短路电流计算中应计算的数值1、 短路电流,即三相短路电流周期分

19、量第一周期的有效值。它可供计算继电保护装置的整定值和计算短路冲击电流及短路全电流最大有效值之用。 2、三相短路容量，用来判断母线短路容量是否超过规定值、作为选择限流电抗器的依据，并可供下一级变电所计算短路电流之用；3、短路电流稳态有效值,可用来校验设备、母线及电缆的热稳定性；4、短路冲击电流及短路全电流最大有效值，可用来校验电器设备、载流导体及母线的动稳定性。4.3 三相短路电流计算计算的步骤1、根据供电系统绘制等值网络（1）选取基准容量Sj和基准电压Uj，并根据公式决定基准电流值Ij。（2）求出系统各元件的标么基准电抗，将计算结果标注在等值网络图上。（3）按等值网络各元件的联接情况，求出由电

20、源到短路点的总阻抗。（4）按欧姆定律求短路电流标么值：对于电源是无限大容量的系统，其短路电流标么值可按公式5-1求出： （5-1）且短路后各种时间的短路电流标么值与短路容量标么值都相等，即（5）求短路电流和短路容量；为了向供电设计提供所需的资料，应下列短路电流和短路容量： 求出次暂态短路电流和短路容量； 求出短路冲击电流和短路全电流最大有效值 kA MVA (5-2) kA kA4.4短路电流计算过程短路电流计算系统如图4-5所示，短路点选取35kV母线侧，各元件参数可由表1-1中获得。1、选取基准容量=100MVA 计算点时，选取=37kV， kA 计算点时，选取=6.3kV， kA2、计算

21、各元件的电抗标幺值（1）35kV进线（架空线）: （2）主变压器：=0.376（2）主提升机、副提升机(电缆):=0.19（3）压风机（电缆）：=0.19（4）其它用电设备（架空线）：=0.5（5）机修厂（电缆）：=0.24（6）选煤厂（电缆）：=0.43（7）地面设备（两台分列运行）：由于变压器在所内，只计算变压器阻抗，不计线路=0.56（8）工人村（架空线）：=1.5（9）地面工业工厂（架空线）：=2.5（10）下井电缆：=0.1（12）井下高压（电缆）：=0.19（13）井下低压（电缆）：=0.19（14）坑木厂（架空线）：=0.15（15）立井锅炉房（电缆）：=0.24（16）主提升机

22、（异步电动机）：式中 异步电动机启动电流标么值，一般取=5。短路等效电路图5设备选择设备选择包括地面和井下配电设备两个部分，由于本设计中的配电设备较多，逐一进行说明选择比较的过程较为繁琐，因此本设计中只是分别对地面和井下配电设备部分设备选择的过程进行举例说明。电气设备在使用中，不但要求在正常工作条件下能安全可靠地运行，而且还要求在发生严重短路故障时，设备流过短路电流后，不致于受到破坏。为此在选择设备时，不但要根据设备的正常工作条件所给的参数(如工作电压、工作电流、使用条件等参数)来选择，而且还要根据设备安装地点，在短路故障时所产生短路效应来校验设备。5.1 一般的选择方法1、按工作电压选择 高

23、压电器的额定电压是指电器铭牌上标明的相间电压(线电压)。电器的最高工作电压是制造厂保证可以长期处在超过额定电压10%-15%下可靠工作的电压。 选择电器时，所选电器的最高工作电压应不小于电器正常运行的工作电压，即: (1.11.15)UNUn式中 UN电器的额定电压，kV； Un电器安装处正常运行的工作电压，kV；2、按工作电流选择 电器的额定电流是指在实际环境温度不超过电器计算温度的条件下，电器所能允许长期连续通过的最大工作电流。这时电器所有部分的发热温度都不超过允许值。在选择电器时，必须使电器的额定电流不小于电器所在电路中的最大正常工作电流，即：INIn式中 IN电器的额定电流，A；In电

24、器所在电路中的最大正常工作电流。3、按装置种类型式选择 电器常被制成屋内和屋外两种类型：屋内型不受任何特殊的大气影响；屋外型可以经受风、霜、雨、露、积雪、覆冰、灰尘和有害气体等的影响。当屋外配电装置处在尘秽很严重或空气中含有有害于绝缘气体的地区时，必须加强电器的绝缘，选用特殊绝缘结构的加强型电器或选用额定电压高一级的电器。4、按断路容量选择断路器的额定断流量IrN或额定断流容量SrN是指断路器在额定电压时的断流能力。断路器断开的实际电流是断路器的灭弧触头开始分离瞬间，电路内短路电流的有效值。因此按断流能力选择断路器时，必须满足下列条件：IrNI ，SrNS式中 IrN电器的额定断流量，kA；S

25、Rn电器的额定断流容量，MVA；I次暂态短路电路，kA；S一次暂态三相短路容量，MVA。5.2 短路动、热稳定性校验原则(1)当电器选定之后，应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验，校验所用的短路电流一般取三相短路时的短路电流。(2)用熔断器保护的导体和电器，可不进行热稳定校验。当熔断器具有限流作用时，可不校验其动稳定。(3)用熔断器保护的电压互感器回路，可不进行动、热稳定的校验。(4)悬式绝缘子可不校验动稳定。5.3 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、S9-160/1

26、0；10kV侧的井下变压器选用矿用型动力变压器KSB-400/10。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。2、变压器台数的确定：35kV主变压器、地面供电变压器、井下中央变电所的变压器均设为两台。井上部分当任一台变压器故障或需要检修时，能够保证另一台变压器承担起全部负荷。井下任一台变压器停止运行时，其余一台能够保证排出最大涌水量时所需的负荷容量。其所选变压器容量及型号均标于所画大图中，这里不在阐述。5.3.1 35kV设备的选择1、35kV母线的选型1）按持续工作电流选择In=21.7A 对电压为35kV的屋外配电装置采用

27、钢芯铝绞线作母线，选取LGJ-300，其载流量在环境温度为320C 时为735A，由于所处环境最高温度为420C，其载流量为： 547.8（A）21.7（A）考虑到动稳定性，母线采用平放，其允许电流值应再降低8，故为： （A）>21.7（A）故载流量和长时允许电流符合要求，但还需要进行热稳定校验。2）热稳定校验由tf=1.255s，Ik=21720A，C=95，Ksk=1按式 A=254（mm2） 该截面小于所选导线截面，故所选LGJ-300截面能满足热稳定要求。由以上计算，所选LGJ-300满足母线要求。5.4 井下设备选择下面以下井电缆和开关为例说明其选择方法，其他电缆和开关的选择方

28、法相同。对于电钻综合保护装置和照明综合保护装置这里也不再说明。5.4.1 电缆选择计算电缆截面通常按允许负荷电流、允许电压损失、电缆的机械强度选择。实际上并不需要对每条电缆均用上述各种方法选择，而是抓住每个电缆段(或每条电缆)的主要问题选择该段(条)电缆截面即可满足其它条件要求。例如供电容量较大长度较长的干线电缆和单机容量较大(如掘进机械、绞车等)且供电距离较长的主线电缆，主要按允许电压损失选择缆线截面即可满足其它条件的要求；供电容量较小长度较短的支线电缆主要按允许负荷电流选择导线截面即对满足其它条件要求；移动机械所用电缆主要按机械强度选择主芯线截面即可满足其他条件要求。1、按持续允许电流选择

29、截面KIPIa式中 IP空气温度为25时，电缆允许载流量，A； K环境温度不同时载流量的修正系数；Ia通过电缆的最大持续工作电流，A。2、按经济电流密度选择电缆截面A=式中 A电缆截面，mm2； 正常负荷时，井下总的持续工作电流，A； n不考虑下井电缆损坏时，同时工作电缆的根数； J经济电流密度（A/mm2），见下表。下井主电缆的年运行小时，一般取3000-5000h。3、按电缆短路时的热稳定选择电缆截面按电缆短路时的热稳定选择电缆截面有以下两种方法：热稳定系数法和允许短路电流法。这里主要介绍热稳定系数法：这种方法比较简单，一般在纸绝缘电缆的热稳定计算都采用此法。式中 电缆短路时热稳定要求的最

30、小截面，mm2； 三相最大稳定短路电流，A； 短路电流作用的假想时间，s； C热稳定系数，查相关手册。4、按电压损失校验电缆截面此种电压损失校验电缆截面有计算法和查表法，这里主要介绍计算法： 也可写成 式中 电压损失百分数； 电缆中的负荷电流，A； 额定电压，kV；、电缆线路单位长度的电阻及电抗，/km； 电缆线路长度，km；、功率因数及与功率因数相对应的正弦、正切值。高压系统中的电压损失按全国供用电规则的规定，在正常情况下不得超过7%，故障状态下不得超过10%。电压损失从地面变电所算起至采区变电所母线止。5、电缆截面选择计算举例为短路时的热稳定选择电缆截面，当供电系统在最大运行方式时，地面变

31、电所下井电缆首端发生三相短路电流，其电流= 1.683 kA，按式校验下井电缆截面，即：查电缆的热稳定系数表C=93.4, 假想时间=0.65s故 = 1683×=14.5 mm2故下井电缆最小截面应不小于14.5 mm2,又考虑其他方面校验的影响，这里选用70mm2做为下井电缆。5.4.2 井下开关选择严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机向井下供电。额定电压与额定电流的选择与地面高压开关选择相同，断流容量的选择也按地面开关的选择方法，井下主要选用DW80型馈电开关和QC83型磁力起动器，对电钻和照明采用综合保护装置。其它设备的选择方法与井上选择

32、基本相同，这里不在说明，其所选设备型号均标于设备选择或所画大图中。6 保护装置灵北煤矿供电系统井上、井下的保护装置包括继电保护和防雷、接地等，本章只对这些保护作简单的介绍。6.1 继电保护装置煤矿供电系统的继电保护是保证煤矿安全供电的重要工具。装设继电保护装置是根据灵北煤矿电力系统的接线和运行的特点，适当考虑其发展，选择设备力求技术先进经济合理。 本设计中的电力设备和线路有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。 主保护满足系统稳定及设备安全要求，有选择地切除被保护设备和全线路故障的保护。后备保护一应在主保护或断路器拒绝动作时切除故障。后备保护可分为远后备和近后备两种形式： 远后备当主保护或断

33、路器拒绝动作时，由相邻设备或线路的保护实现后备。 近后备当主保护拒绝动作时，由本设备或线路的另套保护实现后备；当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。 辅助保护为补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护。 本设计在考虑下列因素的情况下装设保护装置： (1)当被保护元件发生短路或足以破坏系统正常运行的情况时，保护装置应动作于掉闸；在发生不正常运行时，保护装置应动作于信号。 (2)矿井变电所的高压馈电线上，装设有选择性的检漏保护装置。(3)保护装置应以足够小的动作时限去切除故障，保证系统剩余部分仍能可靠运行。 (4)动作于掉闸的保护装置一般应保证选择性，在必须加快动作时，应考虑由自动重合闸

34、来补救保护的无选择性动作。 (5)选择保护方式时，不考虑考虑可能性很小的放障类型和运行方式。力求使用最少数量的继电器和触点，使其接线简单可靠。 (6)保护装置的电压回路断线时如能造成误动作，则装设防止这种误动作的闭锁装置并发出信号。 (7)表示保护装置动作的必要回路内装设信号继电器。 (8)保护装置除作为被保护元件的主保护外，如有可能还作相邻元件的后备保护。 (9)在实际可能出现的最不利方式或故障类型下，保护装置应对计算点有足够的灵敏度。保护装置的灵敏系数为：对反应电气量上升的保护装置对反应电气量下降的保护装置 (10)保护装置的灵敏度应该互相配台，从故障点向电源侧方向逐步降低保护装置的灵敏度。(11)保护装置所用的电流互感器，对最大负载和最大整定的故障电流，其误差小于10%。6.2 防雷保护及接地6.2.1 变电所防雷装置（1）避雷针 为防止直击雷对变电所电气设备、线路及建筑物等侵害，本设计变电所采用避雷针。避雷针高于被保护设备，并具有良好的接地，所以能起到保护作用。上图为地面变电所防雷保护的平面布置图，避雷针接地线与保护接地线在土壤中距离大于3米。（2）避雷器 避雷器是防护感应雷对电气