毕业论文-应用Excel进行综采工作面供电系统设计

前

言为期两年的学习，使我掌握了本专业的相关知识。我设计的题目是：用Excel进行综采工作面供电系统设计。随着煤炭工业的现代化，综采工作面机械化程度越来越高，综采工作面机电设备的单机容量增大，综采工作面总容量由几百千瓦增加到了几千千瓦。机械化程度的提高，加快了工作面的推进速度。使综采工作面供电出现新的问题。为解决这一供电问题，都采用了提高供电电压等级和缩短低压供电距离的方法，采用移动变电站供电方式，将工作面各用电设备有效距离缩短，从而使低压电缆的电压损失下降，保证了供电的质量及设备的正常运行。设计的主要内容有：移动变电站的选择计算、高压低压电缆的选择计算、高压低压开关的选择、电网短路计算及安全保护等。在相关的设计计算中，应用Excel进行计算，达到了事半功倍的效果。设计过程中遇到很多新问题，通过查阅资料及指导老师的耐心指导，终于克服困难顺利完成设计任务，感觉收获很大，受益匪浅，为毕业后从事本专业工作奠定了基础。由于本人水平有限，加之时间仓促，在设计中缺漏和不妥之处，恳请老师批评指正。

目

录摘要…………………3第一章综采工作面供电概述及原始资料…4第一节综采工作面供电概述…………………4第二节综采工作面供电设计所需原始资料…5第二章采区电力负荷计算及主变压器的选择……………6第一节变压器容量的选择……6第二节综采工作面供电系统拟定及移动变电站位置确定

10第三章高、低压电缆的选择……………12第一节低压电缆型号、芯数和长度的确定…12第二节低压电缆主芯线截面的选择………14第三节高压电缆的选择…………………28第四章电网短路电流的计算及开关的选择和保护整定…30第一节采区电网短路电流的计算…………30第二节采区电器的选择……34第三节采区低压保护装置的整定计算….37第五章综采工作面漏电保护装置及接地系统………………43第一节漏电保护装置的选择…………………43第二节矿井低压电网选择性漏电保护原理…46第三节综采工作面接地系统…………………50结束语…………54参考文献………55

摘要：综采工作面供电系统设计中，遵循煤矿企业对供电的基本要求及《煤矿安全规程》、《煤矿井下供电设计技术规定》。根据工作面用电设备的技术参数，对综采工作面进行供电设计。设计内容为：移动变电站的选择计算、高压低压电缆的选择计算、高压低压开关的选择、短路计算及继电保护装置整定。在相关的设计计算中，应用Excel进行计算，达到了事半功倍的效果。

关键词：综合机械化采煤

负荷统计计算

设备选型

移动变电站

第一章

综采工作面供电概述及原始资料综采工作面供电设备的选型包括主变压器的选型、采区供电系统的拟定、低压电缆的选择和低压开关的选择。相关计算有负荷容量和负荷电流的计算、低压损失的计算、短路电流的计算和过流保护的整定计算。第一节

综采工作面供电概述综采工作面供电是否安全、可靠、技术和经济合理，将直接关系到人身、矿井和设备的安全及采区生产的正常进行。由于煤矿井下工作环境十分恶劣，因此在供电上除采取可靠的防止人身触电危险的措施外，还必须正确地选择电气设备的类型及参数，并采用合理的供电、控制和保护系统，加强对电气设备的维护和检修，以确保电气设备的安全运行和防止瓦斯、煤尘爆炸。随着煤炭工业的现代化，综采工作面机械化程度越来越高，机电设备的单机容量和工作面总容量都有了很大的增加。以采煤机为例从70年代初期的150KW左右，增加到现在的375×2KV，目前国外采煤机单机功率已超过1000KW；综采工作面总容量也从几百千瓦增加到2000～3000KW。由于机械化程度的提高，加快了工作面的推进速度，这就要求采区走向长度加长，从而使供电距离增大，给供电带来了新的问题。因为在一定的工作电压下，输送功率越大，电网的电压损失也就越大，电动机的端电压越低，这将影响用电设备的正常工作。解决的办法有：增大电缆截面，但有一定限制，因为电缆截面过大，不便移动和敷设，而且也不经济；采用移动变压站使高压电深入到工作面顺槽来缩短低压供电距离，可使电压质量得到较大的提高；提高用电设备的电压等级也是一个提高电压质量的相当有效的措施。目前我国综采工作面用电设备的电压等级已提高到1140V，而且还将继续提高。

高产高效工作面供电、控制系统有以下几个特点：1、变压器容量大。2、电压等级高。3、向工作面供电的变压器中性点采用经电抗器和经电阻接地的方式，并与保护装置配合，以减小单相接地时的故障电流。4、变压器一次侧和二次侧均采用六氟化硫（SF6）断路器或真空断路器，具有可靠、灵敏的保护和试验功能，并且可以指示和观察断路器的工作状态及各种保护的动作情况，还具有直观的故障查询系统，有些还带有自动重合闸装置，迅速回复供电。5、控制负荷的组合开关可同时控制多台负载电动机，最多可配有10个出线模块，每个出线模块包括真空接触器和控制，保护装置。6、使用微机控制技术，如在各控制开关上采用可编程控制器等进行控制和通信，增强了这些设备的功能，可以实现多种控制方案。因此，高产高效工作面采用了高电压、大容量的移动变电站供电和组合开关控制。向高产高效工作面供电有两种方式。一种是典型的常规供电方式，即由地面变电所用两趟电缆线路供至井下中央变电所，再由中央变电所用电缆送至设在工作面平巷的移动变电站，通过启动器、负荷控制中心等分别向采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和带式输送机供电；另一种供电方式是以美国为代表的由变电所以6KV～12.5KV电压下井，入进电缆直接送至采区移动式供电中心。该移动式供电中心是一台大型多回路出线移动变电站，一个工作面装一台可分别向多台不同电压的电气设备供电。第二节

综采工作面供电设计所需原始资料

在进行井下综采工作面供电设计时，首先收集以下原始资料，作为

设计的依据1、矿井的瓦斯等级，综采区段煤层走向、倾斜，煤层厚度、煤质硬度、顶底板情况、支护方式。2、综采巷道布置，综采区段长度、走向长度、采煤工作面长度，采煤工作面数目，巷道断面尺寸。3、采煤方法，煤、矸、材料的运输方法，通风方法。4、综采工作面机械设备的布置，各用电设备的详细技术特征。5、电源情况，了解综采工作面附件变电所及中央变电所的分布情况，供电距离。供电能力及高压母线三的短路容量等情况。6、综采工作面年产量、月产量、年工作时数，电气设备的价格、当地电价、硐室开拓费用、职工人数及平均工资等资料。

第二章综采工作面电力负荷计算及主变压器的选择第一节

变压器容量的选择一、综采工作面设备选择综采工作面的配套设备主要有：（1）采煤机组一台（2）刮板输送机一台（3）带式输送机一台（4）转载机一台（5）破碎机一台（6）液压自移支架，所用乳化液泵一台二、变电所负荷统计变压器的额定容量按照所带负荷确定。故应将变压器所带负荷进行统计，统计时应以每一条供电干线为单元进行分组（分组应考虑电压等级、生产环节、安装地点和电缆敷设电路线等因素），每一条供电干线、每一台移动变电所或变压器都应统计出它们的负荷，以便在后面的设计计算中查询。统计后可求出每组总的额定功率，具体统计如表：变电所负荷统计负荷名称设备台数电动机需用系数加权平均功率因数同时系数计算负荷变压器负荷容量额定功率额定电压额定功率计算功率采煤机1170×211400.60

0.71.001036618883刮板输送机1132×21140带式输送机175×21140转载机1

1321140破碎机1751140乳化

液泵站1751140变电所负荷统计

三、成组负荷计算

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，总是小于该组总的额定负荷

。将实际负荷占额定负荷的比值用需用系数

表示。由于实际负荷的不确定性，需用系数很难准确算出，一般采用概率的方法，进行数据统计列表给出，煤矿井下不用电设备及场所的需用系数见表1-１其中：综合机械化采煤工作面所带负荷的额定功率之和为：∑PN=170×2+132×2+150+132+75+75=1036KW

综合机械化采煤工作面需用系数计算：Kde=0.4+

=0.4+

=

0.60式中PNmax——所代表负荷中容量最大的一台电动机额定功率，

∑PN——所代表负荷的额定功率之和，

根据需用系数即可求出成组负荷，称之为计算负荷

，其计算式为：Pca

=

Kde∑PN

=

0.60×1036KW=

618KW式中Pca——成组负荷的计算功率，

Kde——该组负荷的需用系数。

变压器容量计算及选择：1、采区变电所变压器计算容量ST=

==883KVA因为

STN

≥ST

=883KVA1、根据所求变压器计算容量ST,经《煤矿电工手册》中的矿用一般型变压器技术数据表查得，选用了KBSG-1000/6型矿用隔爆型干式变压器一台，其额定容量为：STN

=1000KVA

第二节

综采工作面供电系统的拟定及设备布置一、综采工作面供电系统的拟定拟定综采工作面供电系统，就是拟定综采工作面供电系统的结线，确定变电所内高低压开关、输电线路及控制开关的数量。1、拟定供电系统的原则拟定供电系统的基本原则就是保证供电的安全、可靠、电压质量和经济，具体要求如下1）在保证供电安全可靠的前提下，力求所用的开关、启动器和电缆等最少。2）原则上1台启动器只控制1台用电设备；1台高压配电箱只控制1台变压器。当高压配电箱或低压启动器有3台及以上时，应设置进线开关；综采工作面为双电源供电时，应设置2台进线高压配电箱。3）当综采工作面变电所的动力变压器多于一台时，应合理分配变压器的负荷，原则上一台变压器负担一个工作面的用电设备，且变压器最好不并联运行。4）由工作面配电点到各用电设备宜采用辐射式供电，上山及运输平巷的输送机宜采用干线式供电；供电线路应走最短的路线，但应注意采煤工作面（机采除外）不应敷设电缆，溜放煤、矸、材料的溜道严禁敷设电缆，并尽量避免回头供电。5）大容量设备的启动器应靠近配电点的进线端，以减少启动器间电缆的截面。6）低瓦斯矿井掘进工作面的局部通风机，可采用装有选择性漏电保护装置的供电线路供电，或与采煤工作面分开供电。二、综采工作面供电系统设备布置按照《煤矿井下供电设计技术规定》第6.2.1条规定：采用移动变电站向采区供电时，向回采工作面供电的移动变电站位置，一般距工作面100～150m。当下一工作面尚未回采，其回风巷已经掘进完毕，可将上工作面的移动变电站设置在下一工作面的回风巷道内，经过联络巷道、运输巷道向工作面供电。低沼气矿井的回采工作面移动变压站，可设置在该回风巷道内。综采工作面供电系统设备布置图及主接线图如下图所示：

综采工作面供电系统主接线图如下图所示：第三章

高、低压电缆的选择电缆又分为支线和干线两种。支线是指启动器到电动机的电缆，向单台电动机供电；干线是指分路开关到启动器的电缆，向多台电动机供电。电缆的就是确定各低压电缆的型号、芯线数、长度等。第一节

低压电缆型号、芯数和长度的确定一、低压电缆型号的选择低压电缆的型号主要依据其电压等级、用途和敷设场所等条件来决定。煤矿井下所选电缆的型号必须符合《煤矿安全规程》的有关规定。矿用低压电缆的型号有MZ矿用电钻电缆；MCP采煤机用屏蔽橡套软电缆；MYP矿用移动屏蔽橡套软电缆；MYPJ矿用移动屏蔽监视型橡套电缆。矿用低压电缆的型号，一般按下列原则确定:１、支线一律采用阻燃橡套电缆。1140V设备及采倔工作面的660V和380V设备，必须用分相屏蔽阻燃橡套电缆；移动式和手动式电气设备，应使用专用的橡套电缆。２、固定敷设的干线应采用铠装或非铠装聚氯乙烯绝缘电缆；对于半固定敷设的干线电缆，为了移动方便一般选用阻燃橡套电缆，也可选用上述铠装电缆或聚氯乙烯绝缘电缆。３、采取低压电缆严禁采用铝芯和铝包电缆。４、电缆应带有供保护接地用的足够截面的导体５、照明、通信和控制用电缆，固定敷设时应采用铠装电缆、阻燃橡套电缆或矿用塑料电缆；非固定敷设时应采用阻燃橡套电缆。二、确定电缆的芯数１、干线用的铠装电缆选三芯电缆，非铠装电缆选用四芯电缆。２、支线电缆就地控制时，一般采用四芯电缆；远方控制和联锁控制时，应根据控制要求增加控制芯数的根数。注意电缆中的接地芯线，除用作监测接地回路外，不得作其他用途。３、信号电缆芯线根数要按控制、信号通信系统的需要决定，并留有备用芯线。三、确定电缆长度计算就地控制的支线电缆长度，一般取5m～10m.其他电缆因吊挂敷设时会出现弯曲，干线电缆长度计算：Lms=Km

Lm=1.1×500=550m式中Lm---电缆敷设路径的长度，m;Km---电缆弯曲系数，橡套电缆取1.1，铠装电缆取1.05支线电缆长度计算Lbl=KmLm=1.1×700=770m为了便于安装维护和便于设备移动，确定电缆时应考虑以下两点：1、移动设备的电缆，须增加机头部分活动长度3m—5m余量。2、当电缆有中间接头时，应在电缆两头处各增加3m余量。第二节

低压电缆主芯线截面的选择一、低压电缆主芯线截面必须满足的条件1、正常工作时，电缆芯线的实际温度应不超过电缆的长时充许温度，所以应保证流过电缆的最长时工作电流不得超过其充许持续电流。2、正常工作时，应保证供电网所有电动机的端电压在额定电压的95%-105%范围内，个别特别远的电动机端电压充许偏移8%-10%。3、距离远、功率大的电动机在重载情况下应保证能正常启动，并保证其启动器有足够的吸持电压。4、所选电缆截面必须满足机械强度的要求。二、按长时充许持续电流选择1、支线电缆选取按额定电流计算

采煤机的额定电流：IN=

=

=149A刮板输送机的额定电流：IN==

=

116A皮带输送机的额定电流：I3N=

==

66A转载机的额定电流：I4N=

=

=

116A破碎机的额定电流：I5N=

=

=

66A液压泵站的额定电流：I6N=

=

=

66A经上述计算结果查《煤矿电工学》中的表7-8、表7-出：采煤机的电缆截面为

120mm2；刮板输送机的电缆截面为

95mm2；皮带输送机的电缆截面为

35mm2；转载机的电缆截面为

25mm2；破碎机的电缆截面为

16mm2；液压泵站的电缆截面为

16mm2。2、干线电缆的选取支线电缆最大长时工作电流可取电动机的额定电流。干线电缆最大长时工作电流可按下式计算Iac=

=

=442A电缆的长时充许持续电流Ip应不小于通过电缆的长时工作电流Iac。即Ip≥Iac=442A根据工作电流计算及在《煤矿电工手册》中的1KV～６KV三芯塑料绝缘电缆允许持续电流表，查得电缆的长时允许持续电流为：Ip=478A即：取的主芯线截面为240mm23、按正常工作时的充许电压损失选择电缆截面1）采区低压电网电压损失采区低压电网的电压损失包括变压器的电压损失和线路的电压损失两部分。线路一般又包括干线和支线两部分。（1）变压器的电压损失UT为ΔUT

=

=

=45V式中ST---变压器的计算负荷容量,KVASNT---变压器的额定容量（查所选变压器的技术数据），VU2NT---变压器二次侧额定电压（查《煤矿电工学》中的变压器的技术数据表）ur%、ux%---变压器电阻压降百分比，电抗降压百分比，可查《煤矿电工学》中的变压器技术数据表φT---变压器所带负荷的加权平均功率因数角，（2）负荷集中的干线电缆线路的电压损失ΔUmsΔUms=

=

=23V式中

Pca---干线电缆所带负荷的计算功率，KV；Lms、Ams

---干线电缆的长度、m,主芯线截面积，mm2；UN---干线电缆线路所在电网的额定电压，V；rsc---干线电缆导电率（查《煤矿电工手册》中电缆的电导率表），m/()（3)支线电缆电压损失ΔUbl

ΔUbl=

=

=36V

式中

Pbl---支线电缆所带负荷的计算功率，KV；Lbl、Abl

---支线电缆的长度、m,主芯线截面积，mm2；UN---支线电缆线路所在电网的额定电压，V；rsc---支线电缆导电率（查《煤矿电工手册》中电缆的电导率表），m/()由上述计算可得，全部低压电网的总电压损失ΔU应为ΔU=ΔUT+ΔUms+ΔUbl

=44.6V+23V+36V

=103.6V式中ΔUT---变压器的电压损失，V;ΔUms---干线电缆的电压损失，V;ΔUbl---支线电缆的电压损失。2）低压电网的充许电压损失按要求，正常工作时应保证供电网所有电动机的端电压不低于额定电压的95%。为了保证用电设备的供电质量，低压电网的充许电压损失为ΔUP=U2NT-0.95×UN

=1200-0.95×1140

=117V在正常工作时，采区低压电网的总电压损失ΔU应不大于低压电网的充许电压损失ΔUP,即ΔU≤ΔUP=117V1140V电网允许电压损失为117V>103.6V，所以电缆截面满足电压损失的要求（经计算，至输送机机尾电动机的总电压损失小于103.6V）。3）按允许电压损失选择干线电缆截面干线电缆的充许电压损失：ΔUpms=ΔUP-ΔUT-ΔUbl=（117–45-36）V=36V式中ΔUpms---干线电缆的充许电压损失，V;ΔUT、ΔUbl---分别是变压器和支线电缆的电压损失，V;根据干线电缆的允许电压损失，得出其满足电压损失的最小截面为：Ams.min=

==153mm2

式中Ams.min---干线电缆满足允许电压损失的最小截面，mm2

Lms---干线电缆的长度，m；经上述计算结果可得选用的电缆是符合要求的，4）按允许电压损失校验电缆截面如果电缆截面按其他条件已经选出，此时需按电压损失的条件校验电缆截面。校验时按式ΔU=ΔUT+ΔUms+ΔUbl计算出整个低压电网的电压损失，然后按式ΔU≤ΔUP进行校验。如校验后不满足，可采取如下措施：1）加大电缆截面，一般加大干线电缆的截面；2）分散负荷，即增加电缆的根数；3）更换大容量的变压器，以减少变压器的电压损失；4）移动变电所的位置，使其靠近工作面；5）调整变压器的分接头，此方法在设计中不考虑。四、按启动时的电压损失校验电缆截面由于电动机启动电流大，启动时低压电网中的电压损失比正常工作时的电压损失大得多。因此，必须满足电动机和电磁启动器的启动条件，否则无法启动。一般只须校验供电功率最大、供电距离最远的干线，如该干线满足启动要求，其他干线必能满足启动要求。1、确定电动机的最小启动电压Ust.min（采煤机的最小启动电压）：

Ust.min=UN×

=1140×

=883V式中UN---电动机的额定电压，V；K---电动机的最小启动转矩倍数经《煤矿电工学》中表2-5电动机的最小启动转矩倍数。a---电动机额定电压时的起动转矩Mst.min与电动机额定转矩MN之比（a值可查《煤矿电工手册》中的电动机技术数据表），矿用隔爆型电动机一般可取2～2.5.2、计算电动机启动时的电压损失1）启动时支线电缆的电压损失电动机的额定启动电流（电动机额定电流的5～7倍近似地估计其额定启动电流，电动机功率较大者取偏大值，一般取6倍，即

IN.st=6×IN=6×149=894A支线所带电动机的实际启动电流（采煤机的启动电流）：Ist===692A式中Ist.N、UN---支线电动机的额定启动电流、A，额定电压，V；

Ust---支线电动机启动时的端电压，可近似取电动机启动所需最小电压。启动时采煤机支线的电压损失（按启动时电压损失最大的一条支线计算）：

ΔUbl.st=Ist

cosφst==80V式中Lbl、Ist---支线电缆的长度m、支线电缆电流A;cosφst---支线所带电动机启动时的功率因素，可查《煤矿电工手册》中的电动机的技术数据表；启动器安装处的电压为：U=Ust.min+ΔUbl.st=883+79=962V>70%UN

=798V满足了启动器吸持电压的要求。2）启动时干线电缆的电压损失（1）启动时干线电缆中的电流

Ims.st=

=

=727A式中；Ica.re

=

=

=34.64A

启动时干线电缆负荷的功率因数con&ms.st=

=

=0.56

（2)启动时干线电缆的电压损失

按干线所带电动机中最大一台启动，其他正常工作条件计算，即ΔUms.st=Ims.stLms(r0cosφms.st+x0sinφms.st)

=×727×0.55×(1.18×0.195×0.56+0.076×0.83)

=133V式中

Lbl---干线电缆的长度m、Ims.st---干线电缆的电流，Acosφms.st、sinφms.st---干线电缆的加权平均功率因数，查《煤矿电工手册》中的需用系数、加权平均功率因数表；r0、x0---线路中的电阻、电抗，查《煤矿电工手册》中的矿用低压电缆的阻抗表。3）启动时变压器的电压损失除启动电动机外变压器所带其他电动机的额定电流之和∑IN.re=

=

=442A

变压器的实际启动电流；IT。st=

=

=1130A变压器的实际启动功率因素cosφT.st=

=

=0.61∑Ica.re、coφswm.re---除启动电动机外变压器所带其他电动机的额定电流之和、加权平均功率因数。按变压器所带电动机中最大一台启动，其他正常工作条件计算，即ΔUT.st%=

=

=11VΔUT.st=

=

=130V式中U2N.T、I2N.T---变压器二次额定电压、V，额定电流，A；IT。st---变压器的实际启动电流，由上述分析可见，启动时整个低压电网的电压损失为ΔUst=ΔUT.st+ΔUms.st+ΔUbl.st

=130+13.3+79

=222.3V2、按启动条件检验电缆截面电动机启动时，其端电压不小于电动机的启动电压。即此时采煤机电动机的端电压为：Ust=U2N.T

-ΔUst=1200–222.3=977.7V所以Ust=977.7≥Ust。min=883V,电动机启动时，其端电压不小于电动机的启动电压，电动机或启动时电磁启动器的电压应不小于启动器的最小吸合电压（为线路额定电压的0.7倍）。即ΔU2N.T-ΔUT.st-ΔUms.st≥UN1200–130-13.3=1056.7V>0.7х1200V=840V从上述计算结果可得，所选电缆满足了启动条件的要求。

第三节

高压电缆的选择一、确定高压电缆的型号与低压电缆相同，也是依据其电压等级、用途和敷设场所等条件决定其型号。所选电缆的型号也必须符合《煤矿安全规程》的有关规定。矿用高压电缆的型号，一般按下列原则确定：1、井下严禁使用铝包电缆；2、固定敷设的电缆应选用铠装电缆。在立井井筒或倾斜角450及其以上的井巷内，应采用钢丝铠装电缆；在水平巷道或倾角450以下的井巷内，应采用钢带铠装电缆；３、电缆实际敷设地点的水平差，应与电缆规定的允许敷设水平差相适应5、硐室内和木支架的井巷中敷设的电缆，应采用裸铠装电缆；或将电缆的黄麻外皮剥除；6、用于移动变电站的高压电缆，必须采用监视型屏蔽橡套电缆；7、电缆应带有供保护接地用的足够截面的导体。二、电缆截面选择计算1、经济电流密度导线截面积的大小对电网的运行费用有密切关系。导线截面大，输电损耗小、电费小，但增加了线路的投资，结果使线路年折旧费和维修费用增加；导线截面小，虽然降低了线路投资，但使线路的电能损耗费用增加。所以为了供电的经济性，应选择一个比较合适的导线截面，使全年的电能损耗费、年折旧费和维修费用的总和，即年运行费用为最小。年运行费用最小的导线截面称为经济截面。对应于经济截面的电流密度，称为经济电流密度。因此，按经济电流密度选择电缆的截面，就是按年运行费用最低的原则来确定电缆的截面积。2、按经济电流密度选择电缆截面的方法选择电缆截面时，从《矿山供电》第七章表7—9中查出经济电流密度，然后按下式即可求出经济截面：Ae=Im.n/Ied………………式中

Ae—经济截面，mm2；

Im.n—线路正常工作时的最大长时工作电流，A；Ied—经济电流密度，A/mm2；选取标准截面等于或接近而小于Ae的值。按经济电流密度选择电缆接纳面时，应按正常工作时的最大长时工作电流选择和计算。因为正常运行时，此电缆担负着全工作面的用电设备的负荷，所以正常工作时此电缆的最大长时工作电流为（设井下中央变电所的容量为St=6000KVA）则有:Im.n===577A由于以上所用电缆都为铜芯电缆，到综采工作面电缆年最大负荷利用小时数一般为3000—5000小时，查表得经济电流密度Ied=2.25A/mm2；所以经济截面为Ae===256mm2；3、按长时允许电流校验电缆截面此时应按综采工作面最大负荷时（额定工作功率），来校验电缆截面。故此时电缆的最大长时工作电流为：Ica=ST/UN=6000/6×1.732=577A查表，256mm2电缆的长时允许电流为513A<577A，符合要求，因此确定选用256mm2的电缆。第四章

综采工作面电网短路电流的

计算及开关的选择第一节

综采工作面电网短路电流的计算一、综采工作面短路电流计算图如图3-1所示。图3-1综采工作面短路电流计算图x1---电源电抗;x2---变压器电抗;xms---干线电缆的电抗;xbl---支线电缆的电抗；R1---变压器电阻；Rms---干线按电缆的电阻；Rbl---支线电缆的电阻。二、短路回路阻抗计算1、变压器的电阻、电抗计算RT=

==0.009XT=

=

=0.079式中ur%、ux%---变压器电阻压降百分比，电抗降压百分比，可查变压器技术数据表U2N.T---电源变压器或发动机二次侧的额定电压，KV;SN.T---变压器的额定容量，MVA;2、干线电缆电阻、电抗计算Rms=r0Lms

=1.18х0.195х0.55

=0.13Xms=x0Lms

=0.076х0.55=0.0423、支线电缆电阻、电抗计算Rbl=r0Lbl

=1.18х0.293х0.77

=0.266Xbl=x0Lbl

=0.078х0.77

=0.060短路回路的总电阻、电抗计算∑R

=RT+Rbl+Rms

=0.009+0.266+0.13

=0.405∑X

=XT+Xbl+Xms

=0.079+

0.060+0.042

=0.181两项短路电流的计算I(2)s=

=

=1352A式中I(2)s---两相短路电流，AU2N.T---变压器的二次电压，V;∑R---短路回路内一相电阻值的总和，∑X---短路回路内一相电抗值的总和，三相短路电流的计算I(3)s=1.15I(2)s

=1555A第二节

综采工作面电器的选择一、高压开关选择额定电压在3KV及以上的开关属于高压开关。按用途高压开关可分为隔离开关、断路器和负荷开关三种。1、高压开关选择原则1）根据《煤矿安全规程》规定，矿用一般型高压配电箱适用于无煤（岩）与沼气突出的矿井井底车场主变电所及主要进风巷道中，作为配电开关或控制保护高压电动机及变压器用。我国产品型号有GKW-1型户外矿用型高压开关柜及GKFC-1型矿用手车式高压开关柜。2）根据《煤矿安全规程》规定，矿用隔爆型高压配电箱适用于无煤（岩）与沼气突出的矿井井底车场主变电所及所有采区变电所中，作为配电开关或控制保护高压电动机及变压器用。我国产品型号主要有PB3-6GA型及PB2-6型、PBL-6型隔爆高压配电箱。3）在选用高压开关时，除考虑使用场合外，其额定电压必须符合井下高压电网的额定电压等级；额定电流应不小于所控制负荷的长期工作电流。4）高压开关在选择使用时，其断流容量不得小于变电所母线上的实际短路容量。如果缺少实际数据，则变电所母线短路容量S（3）d可取50MVA计。2、选择计算及高压开关型号确定1）负荷长期工作电流In=

==443A式中

In---长期工作电流，AST---受控制负荷的计算容量，KVAUN---电网额定电压，KV2）变电所母线三相短路容量S(3)d

=UNI(3)d

=×1.14×2.706

=5.343MVA式中

S(3)s---母线上三相短路容量，MVAUN---电网额定电压，KVI(3)s---母线上三相短路电流，KA3、选择条件Uze≥Ue=1.14KVIze≤In=412ASzi≥Sa(s)=5.343MVA式中

Uze---高压开关额定电压，KA；Ize---高压开关额定电流，A；Szi---高压开关铭牌上标示的额定断流容量，MVA。4、高压开关型号确定根据上述计算结果和选择条件，在《煤矿井下供电设计指导》中矿用一般型高压开关柜技术数据表查得；选用的高压开关为GKFC-1型矿用手动式高压开关。二、综采工作面低压电器型号的选择

1、按综采工作环境选择：高、低压控制开关一律采用矿用矿用隔爆型。2、按工作机械对控制的要求选择：1）供电线路总开关和分路开关，一般选用低压自动馈电开关；2）对不需要远方控制或不经常启动的小容量机械，如小水泵等，一般选用手动启动器；3）对需要远方控制、联锁控制的机械，如采煤机、运输机等，一般选用电磁启动器；4）对需要经常正、反转运行的机械，如调度绞车等，一般选用可逆型电磁启动器；5）40KW及以上电动机的控制设备，应使用真空电磁启动器。6）当电缆长度不够或电路需要有分支时，应选择电缆插销、电缆连接器或电缆接线盒。3、开关的保护装置要适应电网和工作机械对保护的要求：1）变压器二次侧低压总馈电开关应设短路、过载和漏电保护；2）变电所内其他分路配出开关和配电点的总开关应设短路、过载保护和有选择性漏电保护；3）直接控制电动机的各种启动器，应设短路、过载、断相和漏电闭锁，其中对于控制小功率的启动器，可不设过负荷保护（如回柱绞车）；4）控制煤电钻的设备，必须选用具有漏电、短路、过载、断相、远距离启动和停止煤电钻的综合保护装置。3、综采工作面低压开关型号的确定经上述计算结果查《煤矿电工学》中表7-13矿用隔爆自动馈电自动馈电开关的技术数据和表7-14矿用隔爆型电磁启动器技术数据，选用了BKD系列—1140隔爆自动馈电开关，DQZBH—300/1140隔爆型电磁启动器。第三节

综采工作面低压保护装置的整定计算综采工作面低压保护装置的主要有过载保护和短路保护两种，因开关的不同而设置不同，需根据开关内所设置的保护装置进行整定。过载保护的动作值按照大于额定电流整定，短路保护的动作值按照大于最大工作电流整定，并按照保护范围末端最小两相短路电流进行校验。一、熔断器熔体的选择计算在选择井下低压开关设备时，熔断器的型式和电压等级已经确定，在此只需要选择熔体的额定电流，并校验熔体的灵敏度和熔断器的分断能力。1、按正常条件选取熔体额定电流1）井下采、掘运机械常用电动机的额定电流和额定启动电流，可按电动机额定电流的5-7倍近似的估算其额定启动电流，电动机功率较大者取偏大值，一般取6倍，即IN.st=（5-7）IN≈6IN

=6×149

=894A式中IN---电动机的额定电流，A.2)保护电缆支线对于笼型电动机，熔断器作短路保护，熔体的额定电流IN.F≈≈

=

357.6A1.8～2.5---当电动机启动时，保证熔体不熔化的系数，在不经常启动或负荷较轻.启动较快的条件下，系数取2.5；而对于频繁启动或负荷较重.启动时间较长的电动机，系数取1.8～2；IN.F---熔体的额定电流，A;IN.st---电动机的额定启动电流，A；若被保护的是几台同时启动的电动机，则此电流为这几台电动机的额定启动电流之和。２）保护干线电缆保护干线电缆熔体的额定电流为：IN.F≈＋∑IN.re

≈

+612

=

969.6A式中1.8～2.5---系数的意义与取值同式∑IN.ｒｅ---除被保护干线中启动电流最大的一台电机外，其余电动机的额定电流之和，Ａ；IN.st---被保护干线中启动电流最大的一台或同时启动电流最大的多台笼型电动机的启动电流，Ａ；

由于电动机的实际启动电流通常小于额定启动电流值，故上式中按额定启动电流计算结果偏大，在选择熔体额定电流时，宜取接近或略小于计算值。

３）保护照明变压器和电钻变压器（１）保护照明变压器（保护装在一次侧），熔体额定电流

IN.F≈≈=62A式中IN.F---熔体的额定电流，Ａ；IN---照明负荷的额定电流之和，Ａ；ＫＴ---变压器的变压比；1.2～1.4---可靠系数。（２）保护电钻变压器，熔体额定电流IN.F=（）

=（612）

=254A式中1.8～2.5---系数的意义与取值同式

IN.st---变压器所带负荷起动电流最大的一台电钻电动机额定启动电流，Ａ；∑IN.ｒｅ---其余负荷额定电流之和，Ａ；其余符号和系数的意义同前。４）保护127Ｖ的照明线路，熔断器作过载和短路保护，熔体的额定启动电流,由上述计算结果可得：IN.F

≥∑IN式中∑IN---照明灯额定电流之和，Ａ。1、按最小两相短路电流校验灵敏度熔体的灵敏度按下式校验：ＫＳ＝==5.3≥(４～７)式中ＩＳＣ－--被保护线路末端的最小两相短路电流，Ａ；IN.F---所选熔体的额定电流，Ａ；ＫＳ---熔体的灵敏度系数；4～7---保证熔体在短路故障出现时能够及时熔断的系数，《矿山供电》中表4-2在照明变压器和电钻变压器一次侧，所装熔体的额定电流值最大不的超过《矿山供电》中表4-2的规定，否则就不能保护变压器二次侧端子发生的两相短路故障。2、熔体额定电流与电缆截面的配合为了不使电缆在短路时时过热损坏，要求熔体的额定电流应与其所保护的电缆截面相配合。熔体的额定电流与电缆的最小截面相配合的关系见表7-17.

3、熔断体分断能力的校验校验熔断体的分断能力，目的在于保证熔断器能够将其保护范围内的最大三相短路电流切断，并使电弧可靠地熄灭。熔断器的分断能力可按下式进行校验：

IR.F

≥I(3)SC.ma式中IR.F---熔断器的极限分断电流，A；

I(3)SC.ma---保护范围内的最大三相短路电流，A。

一般熔断器的分断能力多比较大，特别RTO系列熔断器，在380V电压下，它的极限分断电流可达50kA，井下低压电网短路电流都不会超过这个数值，可不必校验。但是对于像RM1和RM10系列15A和60A的熔断器，它的分断能力比较小，假若把它设置在采区变电所及其附近，只要变压器容量稍微大一点，二次侧的短路电流就可能超过它，并使其损坏。在使用时应引起注意，务必进行校验。二、过电流继电器的整定计算瞬时动作的过电流继电器或过电流脱扣器作短路保护，只需按短路保护整定即可。电子式过电流保护装置具有过载、断相、短路等多种保护功能。短路保护整定与过载保护整定值有关，因此应先整定过载保护，再整定短路保护。由于智能型开关中各种保护的整定值由程序按过载保护动作值自行设定，故只需设定过载保护的动作值即可。对于各短路保护还需按实际整定值进行灵敏度校验。1、保护装置动作值的整定计算保护单台或同时启动的多台笼型电动机支线1）过载保护：过负荷保护的整定的电流

Ia.0=IN=149A式中

Ia.0---过载保护的动作电流值，A；IN---单台或同时启动的多台电动机的额定电流，ADQZBH-300/1140型启动器的过负荷保护装置，按时钟电流整定法可精确整定在149A，所以其实际整定值也为149A2）短路保护：启动器短路保护的动作电流值为其过负荷保护实际整定值的8倍，所以其短路保护的实际整定值为Ias=149×8=1192AIa.s=1192≥IN.st=894式中Ia.s---短路保护的动作电流值，A；IN.st---单台或同时启动的多台电动机的额定电流，A校验灵敏度经上述计算结果可得；Kr=≥1.5满足要求移动变压站低压侧自动馈电开关的整定过负荷保护装置按保护变压器过负荷来整定，其整定电流为：Iao=I2N.T==

=481A移动变压站低压侧采用的是BKD-500/1140型隔爆真空自动馈电开关额定电流为500A，其过载保护的整定范围为0.4～1倍的开关的额定电流，因此将过载整定电位器调在0.96倍额定电流的位置，此时过载负荷保护的实际整定值为：

Iao=0.96×500=480A短路保护的整定值为：

Ias≥Ist.Nm+∑IN.re=1173+265.5=1438.5A开关短路保护装置的整定范围为３～10倍的开关额定电流，将短路整定电位器调在3.02倍额定电流的位置，此时短路保护的实际整定值为

Ias=3.02×500=1510A在主保护区（本级线路）内最小两相短路电流校验灵敏（S6点最小两相短路电流）

K===2.5≥1.5

满足要求。由上述可知灵敏度系数一般均为1.5以上第五章

综采工作面漏电保护装置及接地系统第一节

漏电保护装置的选择当电网绝缘电阻小于一定数值时，人触及后会产生触电危险。此时称电网绝缘为漏电，相应的绝缘电阻值称为绝缘值。煤矿井下由于潮气入侵或机械损伤，引起绝缘电阻下降，导致漏电事故发生。漏电不仅会使电气设备进一步损伤，形成短路事故，而且还导致人身触电和漏电火花引爆瓦斯、煤尘的危险。因此，在井下供电系统中必须装设漏电保护装置，实现监视绝缘、漏电保护、以及补偿流过人身的电容电流的作用。

一、漏电保护装置的类型漏电保护设置的类型很多，按电压等级分为矿用隔爆高压漏电监视保护装置，低压1140V、660V动力电网矿用隔爆检漏继电器，127V电网的煤电钻（照明）综合保护装置；按工作原理分为附加直流电源的漏电保护装置和零序电流漏电保护装置；按其保护功能分为无选择性碉楼点保护装置、有选择性的漏电保护装置及有漏电闭锁功能的漏电保护装置。1、无选择性漏电保护装置

无选择性漏电保护装置采用附加直流电源的保护原理，在包含对地绝缘电阻的检测回路中附加直流电源，检测其支流电源的变化，达到检测绝缘电阻的目的。该装置需与低压自动馈电总开关配合使用。当电网中任何地方发生漏电，总会使总开关跳闸，切除全部负荷。因此称为无选择性漏电保护。其缺点是停电范围大，不易判断漏电线路，但结构简单、工作可靠，故仍在使用。2、有选择性漏电保护装置有选择性漏电保护采用零序电流保护原理实现，对于多支路的辐射式电网，一相漏电时各分支线路中都将有零序电流流过，而漏电电流为各支路零序电流的总和。从电流的母线端往外看，通过故障支路的零序电流的大小和方向都与非故障支路不同。在故障支路电源端零序电流是各非故障支路零序电流之和；而其他支路则只流过本支路的零序电流。此外，故障支路的零序电流方向是由线路流向母线，而非故障支路的零序电流方向是由母线流向线路。选择性漏电保护设备就是根据故障线路零序电流大小和方向与非故障线路不同的特点来实现选择性保护的。3、漏电闭锁保护装置漏电闭锁主要用在低压网络，其作用是对电动机及供电电缆的绝缘水平进行合闸前的监视。当绝缘电阻降低到规定值以下或发生漏电时，漏电闭锁保护装置动作，将控制开关或磁力启动器闭锁，使之不能送电。漏电闭锁只监视在断电状态下的供电线路，当主回路带电工作时，它编退出工作。由于漏电闭锁保护能使有故障的供电回路不投入工作，从而减少外露火花的机会，并且还可与自动重合闸装置配合组成选择性漏电保护系统，为寻找故障带来方便。二、漏电保护规定及措施1、变压器中性点不直接接地供电系统的漏电保护措施1）装设灵敏可靠的漏电保护装置（漏电继电器），并与屏蔽电缆配合使用，提高工作可靠性。2）采用保护接地装置。3）对电网对地电容电流进行有效的补偿，减小漏电电流值。4）提高漏电保护装置和自动馈电开关的动作速度，采用超前切断电源装置等。2、对低压电网漏电保护的要求正常情况监视电网的绝缘状态，当绝缘电阻降低到下列数值时，应切断供电电源；1140V电网，一相对地绝缘电阻为30KΩ；660V电网，一相对地绝缘电阻为11KΩ；380V电网，一相对地绝缘电阻为3.5KΩ；三、漏电继电器整定原则1、保护380V电网单相接地漏电电阻

Rz（单相）=3.5KΩ；两相接地漏电电阻

Rz（两相）=7KΩ；三相接地漏电电阻

Rz（三相）=10.5KΩ；2、保护660V电网单相接地漏电电阻

Rz（单相）=11KΩ；两相接地漏电电阻

Rz（两相）=22KΩ；三相接地漏电电阻

Rz（三相）=33KΩ；3、保护1140V电网单相接地漏电电阻

Rz（单相）=30KΩ；两相接地漏电电阻

Rz（两相）=60KΩ；三相接地漏电电阻

Rz（三相）=90KΩ；各检漏继电器均设电容电流补偿电路。第二节矿井低压电网选择性漏电保护原理

我国煤矿井下为低压电网的中性点全部为中性点不接地方式，基本总馈电开关Q1，分支馈电开关Q2和磁力启动器Q3三级，通常选择性漏电保护装置设在总馈电开关和分支馈电开关两处，而磁力启动器一般设漏电闭锁，亦即采用二级选择性漏电保护系统。为保证选择性，上、下级漏电保护装置之间通过延时来实现动作的选择性，横向选择性多采用零序功率方向保护原理来实现，但总自动馈电开关处的漏电保护装置上采用附加直流的保护原理。（1）总馈电开关线路漏电保护原理分析总馈电开关处的漏电保护装置负责全电网的漏电保护和总漏电后备保护作用，可采用附加直流电源的漏电保护原理。其保护原理如图所示

图1

附加直流电源漏电保护原理图

由图可知，直流电流I经Rs由电源U的正极流出进入大地，在经绝缘电阻r进入三相电路，然后由三相电抗器L、人为中性点Nm、电阻R返回直流电源负极。其检测电流I可由式（1）求得：

（1）

式中：——三相电抗器每相线圈的直流电阻

——接地电阻

——三相电网对总绝缘电阻，式（1）中，仅为变量，故检测电流I直接反映了电网的绝缘情况。取样电阻上的电压可表示为

（2）由此三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算：

（3）电网正常运行时，根据式（3）可实现对电网绝缘电阻的连续监测，当人身触电或发生漏电故障，式r达到装置动作设定值时，迅速将电源切除。另外，即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象监测出来，这是附加直流电源漏电保护的一大优点，它对总馈电开关而言，已经能满足漏电保护的要求，但利用附加直流电源原理实现漏电保护装置不具备选择性功能，当电网中发生漏电故障时该装置都要无选择性的动作。（2）分支线路漏电保护原理分支线路漏电保护利用了零序功率方向型的保护原理结合了零序电压、零序电流、零序电流方向的保护原理。为了最大限度的利用硬件资源，采用分散采集零序电压、零序电流，集中进行信号处理、计算、故障判断、出口跳闸的方法。根据供电系统发生单相漏电故障时的零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内是否发生漏电和漏电故障的程度，利用各支路零序电流与本供电系统的零序电压的相位差来判断漏电故障发生的支路。分支线路漏电保护原理图如图所示1)零序电流和零序电压的计算由于我国煤矿井下变压器中性点采用不接地方式，零序电压采用3C—R组成的零序电压滤序器来采集零序电压，其漏电保护原理如图由图看出供电系统中一旦发生了如及A相带电导体，便有电流通过人身，并经过其它两相绝缘电阻Rb.Rc和电容CB,Cc构成电流通路，同时变压器中性点与地之间就出现了相位差U0，亦即零序电压。实际上，最终作为动作整定值的零序电压滤序器的取样电流Iy，各个支路的零序电流互感器所采集到的电流I1，I2，I3，和各自的相位差φi。可以证明，这种代替的结果是等效的。由人身触电时戴维南等效电路来可以计算出取样电流；其有效值为Iy。

（6）

（7）2）单相漏电故障的判断

系统首先判断零序电压U0是否超出动作整定值U0dz；如果超出，在判断每条支路的零序电流I0是否超出该支路的整定值I0dz；如果也超出，接下来判断零序电流与零序电压的相位差φ0的正负与大小；如果φ0为正且大于整定值，则可以判断一定式该支路发生漏电故障。第三节综采工作面接地系统一、保护接地在正常情况下，电气设备的金属外壳及构架是不带电的。但是由于电气设备的绝缘损坏，其金属外壳有可能带电。在中性点绝缘系统中，为防止这种漏电危及人身安全，其措施之一就是对电气设备实行保护接地，即要求电气设备的金属外壳通过接地装置与大地连接，称为保护接地。二、井下保护接地系统的组成根据《煤矿安全规程》规定，应在煤矿井下指定的地点敷设主接地极、局部接地极，并用电缆铅包、铠装外皮及接地芯线相互连接起来，形成一个总结电网，称之为保护接地系统。保护接地组成系统的好处，1是将各接地极并联后，可降低系统的接地电阻，提高保护的安全性；二是各接地极互为后备，一旦某接地极断路，可通过其他接地极实现保护，提高了保护的可