煤矿企业地面35／6kV变电所设计.doc

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1、煤矿企业地面356kV变电所初步设计专 业 作者姓名 指导教师 定稿日期： 机械工程系毕业设计（论文）任务书学 生 姓 名专业班级设计(论文)题目煤矿企业地面356kV变电所初步设计接受 任务 日期年月日完成任务日期年月日指 导 教 师指导教师单位设计(论文)内容目标1 负荷计算与功率因数补偿2 供电系统短路电流计算3 35kv高压电气设备选择4 电力线路选择5继电保护与自动装置设计(论文)要求绘图软件采用AutoCAD，查找煤矿电气设备，计算，设计完成后，提交煤矿企业地面356kV变电所初步设计设计说明书一份。论文指导记录第1-4周：查文献资料，讲解相关专业知识，检查献综述和课题计划；第5-

2、12周：检查、指导、画图，性能演算；第13-16周：指导、整理论文，准备答辩参考资料供电技术电力工程煤矿电工手册煤矿供电及其设备注：此表发给学生后由指导教师填写，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）成绩表学 生 姓 名专业班级设计(论文)题目指导教师（签名）指导教师单位指导教师评语评阅成绩： 评阅教师签字： 年月日答辩记录成绩： 提问教师签字： 年月日答辩小组意见答辩成绩： 答辩小组组长签字： 年月日摘 要供电系统是电力系统的一个重要环节，由电气设备及配电线路按一定的接线方式所组成；它从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，将电

3、能安全、可靠、经济地送到每一个用电设备的装设场所，再利用电气控制设备来决定用电设备的运行状态，最终使电能为国民经济和人民生活服务。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356kV变电所的主接线方式。并绘制供电系统一次接线图。对于工矿企业35/610kV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。电气设备的选型，除了掌握电气设备选择理论外，还必须了解电气设备制造情况，才能选择出合理型号。对具

4、体设备选择时，需要弄清其两种运行方式（正常和短路运行）下通过它的最大长时负荷电流和最大短路电流。热稳定校验是否合理，在很大程度上取决于继电保护动作时间确定的合理性。对于一级用电户，矿井地面35kV变电所要求双回路或环形供电，在例210中已确定为全分列运行，当一路故障时，另一路必须能保证全矿的供电，故最大长时负荷电流和正常工作电压损失均按一路供电考虑，表28中各6kV的一、二级负荷组也按此原则考虑。但在计算导线经济截面时，可按每路最多承担0.650.75左右的总负荷电流考虑。矿山地面35kV终端变电所是一级用电户，是高压开关与电器的密集区，并且运行方式多种多样，各开关互相交错，保护范围很短，故对

5、变电所各级过流保护装置的设置与整定造成较大困难。关键词：1供电系统；2功率因数；3负荷计算；4 短路计算；5设备选型； 6电力线路；7继电保护；8自动装置AbstractPower supply system is an important part of the power system, from electrical equipment and distribution lines in accordance with certain wiring formed; it to obtain energy from the power system, through its transfo

6、rmation, distribution, transportation and protection functions, will be energy security, reliable and economically to every place installation of electrical equipment, electrical control equipment re-use electrical equipment to determine operational status, and finally to energy services for the nat

7、ional economy and peoples lives. Development of power supply system, the main load is taken into account the nature of mine, the main transformer station number, capacity, and power cord to determine the mine situation in the main substation ground 35/6kV wiring. And draw a wiring diagram of power s

8、upply system. For the industrial and mining enterprises 35 / 6 10kV power supply system, generally infinite power capacity system, the normal operation mode often or all the way to use disaggregated way, way back-way circuit is simple, it can be calculated in the equivalent circuit diagram in direct

9、 impedance series and parallel computing, in order to achieve the short-circuit the total impedance of the equivalent point, and then calculated the short-circuit parameters. Electrical Equipment, in addition to control electrical equipment choice theory, but also must understand the manufacture of

10、electrical equipment in order to select a reasonable model. Selection of specific equipment, the need to clarify its two operation modes (normal and short run), the maximum length of time through its load current and maximum short circuit current. Thermal stability test is reasonable, depends largel

11、y on the relay operating time to determine reasonableness. For a user of electricity, coal mine ground 35kV substation or ring double-loop power supply requirements, in the case of 2-10 has been identified as running the whole breakdown, when faults the way, another way to be able to guarantee the p

12、ower supply all mine Therefore, when the load current and the maximum length of the normal power supply voltage loss Junan consider the way the table 2-8 in the 6kV one or two load groups are also considering this principle. However, in the calculation of the economic section of wire, it can take up

13、 to 0.65 per road around 0.75 to consider the total load current. Mine is one terminal substation ground 35kV electricity users, the high-voltage switches and appliances intensive areas, and run a variety of ways, each switch crossed the scope of protection is very short, it is on the Substation at

14、all levels of overcurrent protection device settings and create greater difficulties adjustingKey words:1a power supply system; 2 power factor; 3 load calculation; 4 short-circuit calculations; 5 equipment selection;6 power lines; 7 protection; 8 automatic devices目 录摘 要IAbstractII第 一 章 负荷计算与功率因数补偿11

15、.1 概述11.2 计算各组负荷与填表41.3 各低压变压器的选择与损耗计算61.3.1 机修厂、工人村与支农变压器61.3.2 地面低压动力变压器61.3.3 洗煤厂变压器61.3.4 各变压器功率损耗计算61.4 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器71.5 功率因数补偿与电容器柜选择81.5.1 选择思路81.5.2 无补偿时主变压器的损耗计算81.5.3 35kV侧补偿前的负荷与功率因数91.5.4 计算选择电容器柜与实际补偿容量91.5.5 补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数101.5.6 补偿后主变压器最大损耗计算101.5.7 补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验10

16、1.6 主变压器校验及经济运行方案111.7 全矿电耗与吨煤电耗计算111.8 拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图12第 二 章 供电系统短路电流计算142.1 概述142.2 选取短路计算点并绘制等效计算图152.3 计算各元件的标么电抗162.3.1 电源的电抗162.3.2 变压器电抗162.3.3 线路电抗172.4 计算各短路点的短路参数172.4.1 K35点短路电流计算182.4.2 K66点短路电流计算182.4.3 点短路电流计算（折算到6kV侧）192.4.4 井下母线短路容量计算（K7点）202.5 设计计算选择结果汇总23第 三 章 35kV高压电气设备选择243.1

17、概述243.2 高压断路器的选择243.2.1 按当地环境条件校验243.2.2 按短路条件校验253.3 隔离开关的选择253.4 电流互感器选择263.5 电压互感器的选择273.6 35kV避雷器的选择283.7 6kV电气设备选择283.7.1 开关柜方案编号选择283.7.2 高压开关柜校验293.7.3 36kV母线选择303.7.4 6kV支柱绝缘子的选择313.7.5 穿墙套管的选择313.8 动稳定校验323.9 热稳定校验323.10 选择结果汇总333.10.1 35kV电气设备333.10.2 6kV电气设备33第 四 章 电力线路选择354.1 概述354.2 35k

18、V电源架空线路选择354.2.1 架空导线型号选择354.2.2 按经济电流密度初选导线截面364.2.3 按长时允许负荷电流校验导线截面364.2.4 按机械强度校验导线截面374.3 主、副井提升机6kV电缆线路选择374.3.1 6kV电缆型号选择374.3.2 按经济电流密度选择主井、副井6kV电源电缆电截面374.3.3 按长时允许负荷电流校验384.3.4 按允许电压损失校验电缆截面384.3.5 按短路电流校验电缆的热稳定384.4 6kV下井电缆选择394.4.1 6kV下井电揽型号选择394.4.2 按经济电流密度选择下井电缆截面404.4.3 按长时允许负荷电流校验404.

19、4.4 按允许电压损失校验电缆截面404.4.5 按短路电流校验电缆的热稳定414.5 压风机等其他负荷组6kV电缆线路选择414.6 扇风机1等其他负荷组6kV架空线路选择424.6.1 扇风机1架空导线型号选择424.6.2 按经济电流密度初选导线截面424.6.3 按长时允许负荷电流校验导线截面424.6.4 按允许电压损失校验导线截面434.6.5 按机械强度校验导线截面434.7 选择计算结果汇总43第 五 章 继电保护与自动装置455.1 概述455.2 已知数椐归纳与列表455.3 IQF、1QF、2QF过流保护整定475.3.1 IQF的瞬时速断475.3.2 1QF、2QF的

20、限时速断475.3.3 1QF、2QF的定时过流475.4 3QF、4QF过流保护整定485.4.1 定时过流485.4.2 3QF、4QF的过负荷保护485.5 各6kV馈出线的过流保护整定485.5.1 730QF等开关的瞬时速断485.5.2 730QF等开关的定时过流485.6 IIQF过流保护整定485.7 过流保护系统整定结果列表48致谢48参考文献48第 一 章 负荷计算与功率因数补偿1.1 概述工矿企业负荷计算，首先需收集必要的负荷资料，按表29的格式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

21、压器的损耗，考虑组间同时系数后，就可求得矿井kV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，题意是要求将35kV母线的功率因数提高到0.9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356kV变电所的主接线方式。并绘制供电系统一次接线图。本章可按以下八步去计算。（一）计算各组负荷并填入表29中1114各栏。（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

22、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。某年产90万吨原煤的煤矿，其供电设计所需的基本原始数据如下：矿年产量：90万吨；服务年限：75年；矿井沼气等级：煤与沼气突出矿井；立井深度：0.36 km ；冻土厚度： 0.35 m ； 矿井地面土质：一般黑土；两回35kV架空电源线路长度： 两回35kV电源上级出线断路器过流保护动作时间：本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：本所35kV电源母线上最小运行方式下的系统电抗井下6kV母线上允许短路容量：电费收取办

23、法：两部电价制，固定部分按最高负荷收费；本所35kV母线上补偿后平均功率因数要求值：地区日最高气温： 最热月室外最高气温月平均值： 最热月室内最高气温月平均值：最热月土壤最高气温月平均值：全矿负荷统计分组及有关需用系数、功率因数等如表28所示。 表28 全矿负荷统计分组表设 备名 称负荷等级电压V线路类型电机类型单机容量kW安装台数工作台数工 作设 备总容量kW需用系数Kd功率因数cos离35kV变电所的距离km12345678910111 主机提升26000CY10001/110000.950.850.282 副井提升16000CY6301/16300.940.840.203 扇风机1160

24、00kT8002/18000.88-0.911.54 扇风机216000kT8002/18000.88-0.911.55 压风机16000CT2504/25000.9-0.890.366 地面低压1380C8700.720.780.057 机修厂3380C7500.60.70.208 洗煤厂2380K9200.750.780.469工人村3380K4800.760.852.010支农3380K3600.750.852.711主排水泵16000CX5005/315000.880.860.6512井下低压2660CX23780.70.76注1：线路类型：C电缆线路；k架空线路。注2：电机型式：Y绕

25、线异步；X鼠笼异步；D直流；T同步。试对该矿地面356kV变电所初步设计中的负荷计算、主变压器选择、功率因数补偿及供电系统拟定等各内容进行设计计算。1.2 计算各组负荷与填表利用表28中811各列的数据和公式,分别算出各设备或设备组的Pca、Qca、及Sca,并填入表29中1214列。例如，对于主井提升机有又如，对于扇风机1，由同步电动机拖动，表28中其cos标出负值，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见表29。在表29

26、的合计栏中，合计有功负荷9591 kW和无功负荷5357 kvar是表中12列、13列的代数和，而视在负荷10986 kVA，则是据上述两个数值按公式计算得出，视在容量的代数和无意义。表28 全矿负荷统计分组表设 备名 称负荷等级电压V线路类型电机类型单机容量kW安装台数工作台数工 作设 备总容量kW需用系数Kd功率因数cos计算容量离35kV变电所的距离km有功kW无功kvar视在kVA12345678910111213141 主机提升26000CY10001/110000.950.8595058911180.282 副井提升16000CY6301/16300.940.84592385706

27、0.203 扇风机116000kT8002/18000.88-0.91704-1627221.54 扇风机216000kT8002/18000.88-0.91704-1627221.55 压风机16000CT2504/25000.9-0.89450-1154650.366 地面低压1380C8700.720.786265018020.057 机修厂3380C7500.60.74504596430.208 洗煤厂2380K9200.750.786905528840.469工人村3380K4800.760.853652264292.010支农3380K3600.750.852701673172.7

28、11主排水泵16000CX5005/315000.880.862125147525870.6512井下低压2660CX23780.70.7616651442220313合计Pca9591Qca5357S c a10986注1：线路类型：C电缆线路；k架空线路。注2：电机型式：Y绕线异步；X鼠笼异步；D直流；T同步1.3 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29中的计算视在容量按公式的原则进行。1.3.1 机修厂、工人村与支农变压器查附表1分别选用S9-800，60.4kV、S9-500，60.4kV、S9-400，60.4kV型

29、三相油浸自冷式铜线电力变压器各一台。1.3.2 地面低压动力变压器选用两台S9-800，60.4kV型铜线电力变压器。1.3.3 洗煤厂变压器选用两台S9-800，60.4kV型铜线电力变压器。1.3.4 各变压器功率损耗计算单台变压器的功率损耗按公式计算；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29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

30、耗如表210所示。表210 各低压变压器功率损耗计算结果负荷名称地面低压机修厂洗煤厂工人村支 农井下低压ST.N，kVA28008002800500400(2196)PT，kWQT，kvar6.5376.132.97.3414.721.73.515.733132合计PT61kW；QT280kvar1.4 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各低压变压器的功率损耗后即为其高压侧的负荷，因Pca=9591 kW，故查表23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 补偿前功率因数根据矿井一、二级负荷占的比重大与Sca.6=9501kVA

31、，可初选两台主变压器，其型号容量按附表2选为SF7-10000，356.3kV，由于固定电费按最高负荷收费，故可采用两台同时分列运行的方式，当一台因故停运时，另一台亦能保证全矿一、二级负荷的供电，并留有一定的发展余地。1.5 功率因数补偿与电容器柜选择1.5.1 选择思路题意要求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

32、方成正比，故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。1.5.2 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P0、PK、I0、UK等参数由附表2查得。1.5.3 35kV侧补偿前的负荷与功率因数 1.5.4 计算选择电容器柜与实际补偿容量设补偿

33、后功率因数提高到，则，取平均负荷系数，据公式可得按表27选用GR-1C-08型，电压为6kV每柜容量qc=270 kvar的电容器柜，则柜数取偶数得Nf=6实际补偿容量：折算到计算补偿容量为1.5.5 补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数因补偿前后有功计算负荷不变，故有 1.5.6 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1.5.7 补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验 合乎要求。1.6 主变压器校验及经济运行方案由表29负荷统计计算表可知、全矿三级负荷约占总负荷的15%，故可取负荷保证系数Kgu=0.85。 则有 合乎要求。按此参数亦可选容量为8000 kVA的主变压器，但

34、设计上为了留有余地并考虑发展，选10000 kVA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 得经济运行方案为：当实际负荷S s6128 kVA时，宜于一台运行，当时，宜于两台同时分列运行。1.7 全矿电耗与吨煤电耗计算按表21，一般大型矿井取上限。中小矿井取下限，取年最大负荷利用小时小时，故全矿年电耗吨煤电耗为1.8 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负荷的分配与联接来构思。至于下井电缆的回路数，

35、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统筹考虑。最后绘制地面供电系统一次接线图。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、二级负荷占总量的23以上，故35kV侧宜用全桥接线，6kV则可采用单母线分两段的接线方式。2负荷分配考虑一、二级负荷必须由联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。具体分配方案见图2。3下井电缆回数确定由表29中11、12行，考虑0.96的同时系数得井

36、下总负荷为井下最大长时负荷电流（计算电流）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，当一回因故停止供电时，其它电缆应能满足井下全部负荷的供电。所以，本例至少应选用3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，两两并联后分列运行。至于下井电缆上是否串接限流电抗器，应在短路计算完成后，根据井下6kV母线上的短路容量是否超出原始资料中不大于100MVA的要求来决定。经粗略估算，本例可以不设置限流电抗器。4绘制供电系统图据以上的计算分析比较，可绘得该矿井地面变电所供电系统一次接线如图2第 二 章 供电系统短路电流计算2.1 概述本章要求对图2所示的供电系统

37、进行短路计算，故根据短路计算的目的，首先要在图1上选定合理的短路计算点，并根据此绘制等效短路计算图。对于工矿企业35/610kV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。本题可按以下四步求解。一、选取短路计算点并绘制等效计算图二、选择计算各基准值三、计算各元件的标么电抗四、计算各短路点的总标么电抗与短路参数按前面给定的条件，对图2所示的供电系统进行短路电流计算。要求计算出有关短路点最大运行方式下的三相短路电流、短路电流冲击值以及最小运行方

38、式下的两相短路电流。根据第一章的计算可列出短路电流计算所需的原始资料如下：该矿地面变电所35kV采用全桥接线，6kV采用单母分段接线；主变压器型号为SF710000，35/6.3型，Uk%=7.5；地面低压变压器型号为S9800，60.4型，U k%= 4.5；35kV电源进线为双回路架空线路，线路长度为6.5km；系统电抗在最大运行方式: X*s.min =0.12，在最小运行方式: X*s.max =0.22。6kV母线上的线路类型及线路长度如表37所示。表37 地面变电所6kV母线上的线路类型及线路长度序号设备名称电压（kV）距6kV母线距离(km) 线路类型1234567891 01

39、1主井提升副井提升扇风机1扇风机2压风机地面低压机修厂洗煤厂工人村支农井下6kV母线666660.40.40.40.40.460.280.21.51.50.360.050.20.4622.70.65CCKKCCCKKKC 注：C电缆线路 K架空线路2.2 选取短路计算点并绘制等效计算图一般选取各线路始、末端作为短路计算点，线路始端的最大三相短路电流常用来校验电气设备的动、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。故本题在图2中可选35kV母线，6kV母线和各6kV出现末端为短路计算点。由于本题35/6kV变电所正常运行方式为全分列方

40、式，故任意点的短路电流由系统电源通过本回路提供，且各短路点的最大、最小短路电流仅与系统的运行方式有关，故可画得如图1所示的等效短路计算图。图1 等效短路计算图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 2.3 计算各元件的标么电抗2.3.1 电源的电抗2.3.2 变压器电抗主变压器电抗 地面低压变压器电抗 2.3.3 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 地面低压馈电线路电抗 洗煤厂馈电线路电抗 工人

41、村馈电线路电抗 机修厂馈电线路电抗 支农馈电线路电抗 2.4 计算各短路点的短路参数2.4.1 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2.4.2 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2.4.3 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 2.4.4 井下母线短路容量计算（K7点）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离，即（km），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38所示。