现代供电技术课程设计KV煤矿变电所

1、1 前言变电所是连接发电厂、电网和电力用户的中间环节，主要有灰机和分配电力、操作、升降电压等功能。是供电系统中极其重要的组成部分。同样作为矿山电力变电所的作用是不可低估的，所以正确选择各级变电站的变压器容量及其他设备是实现安全可靠供电的前提。 一个完善的供电系统是企业能够安全稳定生产的基础。煤矿的变电所是接收变换分配电能的环节是供电系统中极其重要的组成部分。所以合理的变电所设计是对一个企业的生产和发展是尤为重要的。煤矿供电系统是否需建变电所的相对位置，矿区内的配电方式和本地区电网的供电系统等等。煤矿的变电所设计需要考虑许多因素。2 对原始资料的分析某煤矿原始资料如下：年产100万吨原煤，服务年

2、限80年，两回35kV架空电源线路长度：l1 =l2=6.5km;两回35kV电源上级出线断路器过电流保护动作时间：t1=t2=2.5s;本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：Xs.min=0.12(Sd=100MVA);本所35kV电源母线上最小运行方式下的系统电抗：Xs.max=0.12(Sd=100MVA);井下6kV母线上允许短路容量：Sal=100MVA；本所35kV母线上补偿后平均功率因数要求大于等于0.9；地区日最高气温：44摄氏度;最热月室外最高气温月平均值:42摄氏度;最热月室内最高气温月平均值:32摄氏度;最热月土壤最高气温月平均值: 27摄氏度。全矿负荷统计分组

3、表见附表。表1-1 全矿负荷统计分组表序号设备名称负荷等级电压（V）单机容量(kW)安装/工作台数总容量（kW）需用系数功率因数离35kV变电所的距离1主提升机1600012001/112000.950.850.282副提升机160008801/18800.940.840.203通风机1160006002/16000.88-0.911.54通风机2160006002/16000.88-0.911.55压风机160003004/26000.9-0.890.366地面低压设备160008000.720.780.057机修厂13809500.60.70.208洗煤厂33806500.750.780.

4、469工人村23806000.760.852.010支农33802000.750.852.711主排水泵160005006/420000.880.860.6512井下低压设备166032000.70.763 负荷计算与功率因数补偿要计算工矿企业负荷，首先将原始数据做成负荷统计计算表，计算或查表求出各负荷的需用系数和功率因数，然后由低压到高压逐级计算各组负荷，在进行负荷归总时，应计入各低压变压器的损耗，考虑组间同时系数后，就可求得矿井6kV母线上的总计算负荷，作为初选主变压器台数容量的主要依据。功率因数的补偿计算与主变压器的容量、负荷率及运行方式密不可分，因为要求将35kV母线的功率因数提高到0

5、.9以上，故应将主变压器的功率损耗也计入总的负荷中，在计算过程中将会存在估算与最后验算的反复。拟定供电系统，主要是综合考虑矿井负荷性质，主变压器的台数、容量及电源线的情况来决定矿井地面35/6kV变电所的主接线方式，并绘制供电系统一次接线图。计算负荷与功率因数补偿可按以下八步：（一）计算各组负荷。（二）选择各低压变压器并计算其损耗。（三）计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器。（四）功率因数补偿计算与电容器柜选择。（五）主变压器校验及经济运行。（六）全矿电耗与吨煤电耗计算。（七）拟定并绘制矿井地面供电系统一次接线图。（八）设计计算选择结果汇总。3.1 计算各组负荷利用附表中各列的数据和公

6、式，分别算出各设备或设备组的Pca、Qca及Sca，并填入表2-1中。例如对于主提升机有又如对于扇风机1，由同步电动机拖动，附表中其cos为负值，其原因是：同步电动机当负荷率0.9，且在过励磁的条件下，其功率因数超前，向电网发送无功功率，故为负值。此时同步电动机的无功补偿率约为4060%，近似计算取50%，故其补偿能力可按下式计算：同理可得其余各组数据的视在功率、无功功率、有功功率并填入表2-1全矿负荷统计表。3.2各低压变压器的选择与损耗计算因采用高压6kV集中补偿功率因数，故对各低压变压器均无补偿作用，选择时据表2-1中的计算视在容量按公式SN.TSca的原则进行。（1）机修厂、工人村与支

7、农变压器查附表1分别选用6/0.4kV S9-1000型、6/0.4kV S9-630型、6/0.4kV S9-315型三相油浸自冷式铜线电力变压器各一台。（2）地面低压动力变压器选用两台6/0.4kV S9-800型铜线电力变压器。（3）洗煤厂变压器选用两台6/0.4kV S9-800型铜线电力变压器。（4）各变压器功率损耗计算对于单台变压器来说采用下面公式进行计算两台变压器一般为分列运行，其功率损耗应为按0.5运行的单台变压器损耗的两倍；对于井下低压负荷，因表2-1中未作分组，故不选变压器，其损耗按近似公式计算。例如，对于500kVA工人村变压器，据附表1中的有关参数，可算得：又如，对于地

8、面低压两台800 kVA变压器，同样可算得井下低压负荷的变压器损耗，按近似公式计算，即同理可得其它各低压变压器的损耗如表22所示。表22 各低压变压器功率损耗计算结果负荷名称地面低压设备机修厂洗煤厂工人村支农井下低压设备2*80010002*80063031529636.08.35.15.61.844.434.540.830.226.88.7177.8合计 3.3 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器各组低压负荷加上个低压变压器的功率损耗后即为高压侧的负荷，而又因通过表一，故查书表2-3得Ksi=0.85，忽略矿内高压线路的功率损耗，变电所6kV母线补偿前的总负荷为:补偿前功率因数：而

9、因为矿井一、二级负荷占的比重大，可初选两台主变压器，其型号容量按附表B选为35/6.3kV S9-10000型，可采用两台同时分裂运行的方式，当一台因为停运，另一台也能保证全矿一、二级负荷的供电。并留有一定的发展空间。3.4功率因数补偿与电容器柜选择选择思路：已知要求35kV侧的平均功率因数为0.9以上，但补偿电容器是装设联接在6kV母线上，而6kV母线上的总计算负荷并不包括主变压器的功率损耗，这里需要解决的问题是，6kV母线上的功率因数应补偿到何值才能使35kV侧的平均功率因数为0.9级以上。分析解决此问题的思路如下：先计算无补偿时主变压器的最大功率损耗，由于无功损耗与负荷率的平方成正比，故

10、出现变压器最大功率损耗的运行方式应为一台使用，一台因故停运的情况，据此计算35kV侧的补偿前负荷及功率因数，并按公式（252）求出当功率因数提至0.9时所需要的补偿容量，该数值就可以作为6kV母线上应补偿的容量；考虑到矿井35kV变电所的6kV侧均为单母线分两段接线，故所选电容器柜应为偶数，据此再算出实际补偿容量，最后重算变压器的损耗并校验35kV侧补偿后的功率因数。（1）无补偿时主变压器的损耗计算无补偿时主变压器的损耗计算。按一台运行、一台因故停运计算，则负荷率为以上等参数可以由附表B查得。（2）35kV侧补偿前的负荷与功率因数（3）计算选择电容器柜与实际补偿容量计算选择电容器柜与实际补偿容

11、量。设补偿后功率因数提高到，负荷系数Klo=0.8。按照书表2-7选用GR-1C-08型，电压为6kV每柜容量qc=270kvar的电容器柜，则柜数N=Qc/qc=1421/270=5.3取偶数得Nf=6实际补偿容量：折算到计算补偿容量为（4）补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数补偿前后有功计算负荷不变，故有（5）补偿后主变压器最大损耗计算补偿后一台运行的负荷率略有减小。（6）补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验符合要求。3.5主变压器检验及经济运行方案的确定由表29负荷统计计算表可知、全矿三级负荷约占总负荷的15%，故可取则有合乎要求。按照此参数可知本次设计主变压器器选择10000kVA的

12、为宜。两台主变压器经济运行的临界负荷可由公式求出，即对于工矿企业变电所，可取Kq=0.06，上式Q0、Qk由公式求得，临界负荷为得到经济运行方案为，当实际负荷SS4949KVA时，宜采用两台同时分列运行。3.6全矿电耗与吨煤电耗计算按表2-1，一般大型矿井取上限。中小矿井取下限，取年最大负荷利用小时Tmax=4500小时，故全矿年电耗：吨煤电耗为3.7拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图拟定矿井地面供电系统图，应该从35kV电源线开始，依次确定电源进线回路、35kV和6kV主接线，再考虑各6kV负荷的分配与连接。井下回路数，主要由负荷电流和井下开关最大额定电流，并兼顾是否设置限流电抗器来考虑。（

13、1）电源进线与主接线。按已知原始数据，上级变电所提供两回35kV架空电源线路，故电源进线回路为2。对于煤矿企业，因一、二级负荷占总负荷的2/3以上，故35kV侧适宜用全桥接线，6kV侧则可以采用单母线分两段的接线方式。（2）负荷分配。考虑一、二级负荷必须由连于不同母线段的双回路供电，而主、副井提升机因相距较近（80m），可采用环形供电。将下井电缆与地面低压等分配于两段母线上，力图在正常生产时两段6kV母线上的负荷接近相等。（3）下井电缆回数确定，由表2-1可知，考虑同时系数0.96下的井下总负荷为：井下最大长时负荷电流根据井下开关的额定电流最大为400A，而煤矿安全规程规定：下井电缆至少两回，

14、当一回因故停止供电时，其他电缆应能满足井下安全负荷的供电。所以，本设计至少选用三回，考虑到负荷分配和运行的灵活性，最后确定4回下井电缆，两两并联分裂运行。（4）绘制供电系统图，如图2-1所示。3.8 设计计算选择结果汇总补偿后的6kv侧负荷和功率因数为：同理可得35kV侧补偿后负荷功率因数：因而主变压器的选择：35/6.3kV S9-10000型两台。补偿电容器的选择：6kV GR-1C-08 型，270kvar六台； 6kV GR-1C-03 型放电柜两台。变压器经济运行临界负荷：全矿年电耗：吨煤电耗：4. 短路电流计算要对供电系统进行短路计算，首先要选定短路点，并绘制计算图。对于工矿企业3

15、5/610kV供电系统，一般为无限大电源容量系统，正常运行方式常为全分列方式或一路使用、一路备用方式，电路相对简单，故可在等效短路计算图中直接进行阻抗的串、并联运算，以求得各短路点的等效总阻抗，进而求得各短路参数。短路电流的计算可按以下四步求解：1.选取短路计算点并绘制等效计算图；2.选择计算各基准值；3.计算各元件的标么电抗；4计算各短路点的总标么电抗与短路参数4.1选取短路计算点并绘制等效计算图一般选取各线路始、末端作为短路点，线路始端的最大三相短路电流用来校验设备的动热稳定性，并作为上一级继电保护的整定参数之一，线路末端的最小两相短路电流常用来校验相关继电保护的灵敏度。故选35kV、6k

16、V母线和各6kV出现末端为短路计算点。由于此变电所运行方式为全分列式，故任意点短路电流由系统电源通过本回路提供，且各最大、最小短路电流仅与系统的运行方式有关，故可得如下所示的等效短路计算图。图3-1 等效电路计算图4.2选择计算各基准值选基准容量Sd100MVA，基准电压Ud137kV，Ud26.3kV，Ud30.4kV 则可求得各级基准电流为 4.3计算各元件的标么电抗（1）电源的电抗：（2）变压器电抗：主变压器电抗 地面低压变压器电抗 （3）线路电抗：35kV架空线电抗 下井电缆电抗 扇风机1馈电线路电抗 扇风机2馈电线路电抗 主井提升馈电线路电抗 副井提升馈电线路电抗 压风机馈电线路电抗

17、 地面低压馈电线路电抗 洗煤厂馈电线路电抗 工人村馈电线路电抗 机修厂馈电线路电抗 支农馈电线路电抗 4.4计算各短路点的总标幺电抗与短路参数（1）k35点短路电流计算1最大运行方式下的三相短路电流2最小运行方式下的两相短路电流（2）k66点短路电流计算1最大运行方式下的三相短路电流2最小运行方式下的两相短路电流（3）K21点短路电流计算（折算到6kV侧）1最大运行方式下的三相短路电流6kV侧的短路电流参数2最小运行方式下的两相短路电流6kV侧的最小两相短路电流为（4）K7点井下母线短路容量计算井下6kV母线距井上35kV变电所的最小距离是：副井距35kV变电站距离+井深+距井下中央变电所的距

18、离，即其电抗标么值为最大运行方式下井下母线短路的标么电抗为井下母线最大短路容量为该值小于井下6kV母线上允许短路容量100MVA，故不需要在地面加装限流电抗器。其它短路点的计算与以上各点类似。各短路点的短路电流计算结果如表3-1所示。表31 短路计算结果参数表短路参数最大运行方式最小运行方式短路点(kA)(kA)(kA) (MWA)(kA)(kA)K355.0312.837.65322.685.034.36K668.6522.0613.1594.358.657.49K258.6522.0613.1594.358.657.49K77.7019.8111.8183.977.706.67K113.5

19、69.085.4138.893.563.08K133.569.085.4138.893.563.08K168.2120.9412.4889.588.217.11K178.3321.2412.6690.898.337.21K198.0920.6312.3088.308.097.01K211.373.492.0814.941.371.19K236.0215.359.1565.646.025.21K272.987.604.5332.522.982.58K288.3321.2412.6690.898.337.21K302.426.173.6826.452.422.105 继电保护设计：过流保护设置与整

20、定计算5.1 已知数据归纳与列表序号开关代号设备组名称短路参数线路计算负荷电流互感器变比负荷组结构短路点kAkAScakVAKTA单台y多台x行列1234567811、2QF35kV进线K355.037.659280300/5X2IQF35kV联络K355.037.659280300/5X33、4QF主变高压K355.037.659280300/5X4IIQF6kV联络K668.6513.1589721250/5X5710QF下井电缆K77.7011.814627 300/5X611、12QF1#扇风机K113.565.41286150/5Y713、14QF2#扇风机K133.565.4128

21、6150/5Y816QF主井提升K168.2112.481341150/5Y917QF副井提升K178.3312.661047150/5Y1019、20QF压风机K198.0912.30557150/5X1121、22QF地面低压K211.372.08738150/5X1223、24QF洗煤厂K236.029.15390150/5X1325、26QF电容器K252.984.5316202150/5X1427QF工人村K278.3312.66536100/5X1528QF机修厂K282.423.68814150/5X1630QF支农K303.565.41176100/5X17高压下井电缆型号根数

22、，MYJV426 C n418上级35kV出线定时过流时限， t2.5，s19矿井6kV补偿电容器总容量， Qc1620 kvar20主变压器型号容量，SF7356.3kV SN.T10000 kVA注1：各开关代号与短路点编号可同时参阅图2确认；注2：K7K30各短路点的位置为图2中各6kV出线的末端；注3：地面低压的短路电流为变压器低压侧短路折算至6kV的值。5.2 QFI、QF1、QF2过流保护整定QFI的瞬时速断动作电流按躲过6kV母线上最大三相短路电流来整定。即用公式计算保护灵敏度按保护装置安装处的最小两相短路电流校验，即用公式校验 合格。QF1、QF2的限时速断该级限时速断的动作电

23、流按公式可取为,即灵敏度用公式校验，即 合格。动作时间取为=0.5s。QF1、QF2的定时过流动作电流按躲过企业正常最大工作电流整定，即按公式计算动作时限 本级保护灵敏度按公式计算 合格。后备保护灵敏度按公式计算 合格。5.3 QF3、QF4过流保护整定定时过流对于全分列运行方式，其动作电流可按躲过单台主变压器正常最大工作电流整定。即按公式计算动作时限 本级保护灵敏度按公式计算 合格。后备保护灵敏度用公式计算由于取最大的亦不能满足后备灵敏度的要求，故各6kV出线应设置近后备保护。QF3、QF4的过负荷保护主变压器过负荷保护动作电流按躲过其额定电流整定。即按公式计算动作时间top.ol3 取为1

24、0s 。5.4 各6kV馈出线的过流保护整定各6kV馈出线断路器，一律设置瞬时速断加定时过流的两段式保护，并以瞬时速断为主保护，以定时过流为近后备保护，瞬时速断采用“逆向整定”法。730QF等开关的瞬时速断其余各6kV出线开关的瞬时速断可用类似方法求出，其结果列于表64中。730QF等开关的定时过流上式Ica.7取为200A来自选定的单根下井电缆长时允许负荷电流。动作时限 灵敏度 合格。其余各6kV出线开关的定时过流可用类似方法求出，其结果列于表64中。5.5 QFII过流保护整定该级开关设置限时速断保护，主要作为在系统故障运行情况下，切除又发生短路的某段610kV母线的保护，因此其动作电流可用610kV母线上最小两相短路电流除以灵敏度Ks（1.5）来整定。即动作时限取为0.5s 。5.6 过流保护系统整定结果列表将以上整定计算结果归纳分类，可得到该例过流保护系统整定结果如表64所示。序号开关代号限时速断瞬时速断定时过流一次电流时限灵敏度一次电流灵敏度一次电流时限灵敏度后备灵敏度kASkAkAS11、2QF1.770.50.3122.013.52.32IQF1.772.463*3、4QF0.204100.331.52.04