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1、本科毕业设计煤矿110kV变电所主井保护系统设计DESIGN OF 110kV MICRO-COMPUTER PLC CONTROL THE MAIN SHAFT MINE PROTECTION SYSTEM FOR SUBSTATION学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气08-2班 学生姓名： 焦波波 指导教师： 杨岸副教授 2012年 5 月 25 日煤矿110kV变电所主井保护系统设计摘要目前，在国内有许多大中型煤矿的提升系统都装配了比较先进的保护装置，以增强对提升机的保护，但有些煤矿因为缺乏资金而没有装配保护装置。因此，研究出实用、可靠性高、经济、适用范围广的提升机综合保
2、护装置有着十分显著的意义。本设计以淮南矿业集团潘北矿区的变电所为对象进行了变电所高压电气设备选型计算、相关继电保护整定的计算、二次回路分析、断路器的闭合闸动作过程以及微机保护的设计。其中变电所一次设备的选型部分主要对主变压器、电容器、架空线和母线的选择以及短路电流的计算和高低压电气柜的选择。二次回路部分主要对10kV主井进线测量保护作了简要的分析，同时也对断路器的工作过程及其开闭的动作过程作了全面的分析，在其中辅助大量的电路流程图，以全面的数据和图形剖析了二次回路的工作过程。微机保护部分的设计选用S7-200系列PLC进行硬件系统配置和软件的设计。关键字：继电保护，PLC，主井保护，电气设备D
3、ESIGN OF 110kV MICRO-COMPUTER PLC CONTROL THE MAIN SHAFT MINE PROTECTION SYSTEM FOR SUBSTATION ABSTRACTCurrently, there are many large and medium coal mines in the country improve the system are equipped with more advanced protective devices to enhance the protection of the elevator, but some mines
4、due to lack of funds is not equipped with protective devices. Therefore, the developed practical, high reliability, economy, widely applied Integrate backup protection device has a very significant meaning.The design of Huainan Mining Group Pan North mine substation transformer for the objects of th
5、e calculations of the high voltage electrical equipment selection, the relevant relay setting calculations, the secondary circuit analysis, circuit breaker action during the closed gate, and microprocessor-based protection design of substation equipment including a main part of the main transformers
6、, capacitors, overhead lines and bus options and short-circuit current calculation and the choice of high and low voltage electrical cabinet. 10KV secondary circuit part of the main line of the main shaft into a brief analysis of measurement of protection, but also the working process of the circuit
7、 breaker opening and closing of the action process and a comprehensive analysis, in which a large number of auxiliary circuit flow to comprehensive data and graphical analysis of the secondary circuit of the working process of the design of microprocessor-based protection used for S7-200 series PLC
8、hardware configuration and software design.KEYWORDS：relay, plc, protection of the main shaft ，electrical equipment目录摘要(中文)I摘要(英文)II1绪论11.1设计背景11.2当前国内外研究现状11.3主井提升机继电保护要求11.4主井保护系统的组成11.5主井系统保护的任务21.6主井系统保护的意义22设计任务及原始资料33变电所一次设备选型43.1 负荷计算43.2无功补偿43.2.1.无功补偿的意义43.2.2.电网中常用的无功补偿方式53.2.3.无功补偿的计算53.3
9、主变压器的选择53.3.1.主变台数的确定53.3.2变压器形式的选择63.3.3.主变容量的确定63.4 110kV架空线的选择73.4.1 架空电力线路的防护区73.4.2110kV架空电力线路的安全距离83.4.3.架空线截面积的选择83.4.4.架空线的校验93.5 110kV母线的选择103.5.1. 110kV母线的接线方案与分析103.5.2110kV母线的选择113.6三相短路电流的计算123.7 高压断路器的选择153.8其它设备的选择173.8.1高压隔离开关的选择173.8.2 避雷器的选择184变电所二次侧设备的选型204.1 10kV母线的选型与校验204.2 10K
10、V电缆的选择204.3高压开关柜的选择214.4 其他设备的选择215主井提升机继电保护235.1 10kV主井保护设计235.2继电器保护的要求235.3 继电保护组成235.4 主井保护245.5 继电保护用电流互感器的二次接线256二次回路分析266.1 二次回路的含义及其重要性266.2 10kV主井进线测量保护装置266.3 计量回路296.4 NSC681测量回路296.5 断路器控制回路306.6 跳闸操作316.7 合闸操作316.8 断路器防跳316.9 断路器信号回路和辅助回路326.10 储能回路337系统保护装置设计347.1 概述347.2 系统保护的设计要求347.
11、3 远程设备的功能要求347.4 硬件部分设计347.4.1 微机保护硬件系统组成347.4.2 PLC控制系统357.4.3 可编程序控制器(PLC)及其结构367.4.4 PLC的特点及发展387.4.5 CPU-224397.4.6 西门子S7-200的简介407.4.7 S7-200系列的PLC的通信417.4.8 系抗干扰措施417.5 硬件电路设计427.5.1 系统框图427.5.2 对远端设备的硬件电路设计447.5.3 控制系统及外围系统487.6 系统软件流程图517.6.1 系统主程序流程图517.6.2 检测子程序流程图527.6.3 通讯程序设计53结论56参考文献5
12、7致谢581绪论1.1设计背景目前，在国内有许多大中型煤矿的提升系统都装配了比较先进的保护装置，以增强对提升机的保护，但有些煤矿因为缺乏资金而没有装配保护装置。因此，研究出实用、可靠性高、经济、适用范围广的提升机综合保护装置有着十分显著的意义。1.2当前国内外研究现状目前国外研制的后备保护装置虽性能好，不过价格上却是一般煤矿企业所难以承受的。国内的许多提升机后备保护装置相对较落后，大多以单片机为核心，采用C语言或汇编语言编写程序的后备保护装置，人机界面相结合、监测保护功能于一体。本文利用PLC为核心技术设计开发新型的提升机综合后备保护装置。1.3主井提升机继电保护要求矿井提升机是矿山生产的至关
13、重要设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用。一旦出现故障，要求其保护设备能自动地、快速地、有选择性地借助于断路器将故障元件从电力系统中切除，保证无故障元件快速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受破坏。电气元件的不正常运行状态，要根据运行维护条件自动发出信号，通知运行人员处理，或自动地进行调整和消除。反应不正常工作状态的继电保护装置，一般不需要立即动作，允许带一定延时。对作用于断路器跳闸的继电保护装置来说，必须做到严格的选择性、及时的速动性、足够的灵敏性、极高的可靠性。1.4主井保护系统的组成主井系统微机远程保护由主站设备（PC机）和远端设备PLC监控保护单元构成。系统硬件由主机及其外部设
14、备，多台PLC智能控制单元及其外部设备RS-485接口组成。远端设备安装在变电所、主井内（每路一台），主要完成对模拟量的采集和检测，将运行状态和数据发送给主站，并能接收主站发来的命令。主站设备是一台装有监控软件的PC机，安装在控制中心或值班室，进行设置参数或控制，通过串口和远端设备相连。远端设备站软件可以管理整个系统的所有远端设备，如当远端送来的被控对象出现异常信息时，主站会提示报警，将数据存入数据库中，并能提供历史数据查询及数据曲线的绘制等。上位机与下位机的通信采用主从式RS-485接口通信网络。1.5主井系统保护的任务目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题，随着监控保护的覆盖面的逐渐扩大
15、，系统保护的任务也日益繁重，系统技术改造是一项重要的技改工作。此微机远程监控系统的主要任务就是监视主井运行生产过程,实现各类操作控制，完成主井生产过程的监测与保护。所以该系统首先要能够实时采集主井生产过程中的各种实时信息，更新数据库，为监控保护系统提供真实可靠的运行信息。能提供正常情况下的运行显示，调用所有的数据，完成各种管理提示及统计报表等工作。实时监视生产过程中的各类异常报警(如短路、过载、过压、欠压、过电流等)信号，并做出相应的保护处理。此外，此系统不仅要在本地完成监视现场运行数据，对现场仪表进行标定，对操作参数进行修改，实现各种先进控制，方便地完成对控制系统的监视、设置参数等功能，而且
16、在远程和异地也能实现控制系统操作和运行数据的传输，实现资源共享。1.6主井系统保护的意义从根本上改善煤矿安全生产状况，是关系煤炭工业发展的大事，是保障煤炭工业持续，稳定，健康发展的重要前提。为了贯彻落实安全第一的方针，除了加强管理和安全技术培训外，安全监测工作现代化也是加强安全工作的重要物质技术保证。它是防止各类事故发生，实现煤矿管理现代化的必要手段，也是一项不容忽视的安全技术基础工作。2设计任务及原始资料表21 潘北矿变电所负荷表顺序设备负荷名称电压(kV)高压电动机总台数/工作数设备容量需用系数Costan 使用容量型式额定容量(kW)总容量(kW)工作容量(kW)Pj(kw)Qj(kVa
17、r)Sj(kVar)1主井提升机10同步40001/1400040000.950.90.483800182442152副井提升机10直流1700/22002/2390039000.90.61.3335104668.35840.63通风机10同步30002/1600030000.742-0.9-0.482226-1068.52469.24压风机10同步5505/4275022000.75-0.9-0.481650-79218305瓦斯泵10异步8004/2320016000.750.750.88120010561598.56制冷降温系统10200020000.70.750.88140012321
18、864.97地面低压系统0.3880000.80.750.886400563285258井下高压负荷1060000.80.71.02480048966856.49总计2498617447.830475设计任务：完成变电所10kV主井保护装置的设计。3变电所一次设备选型3.1 负荷计算1.有功功率2.无功功率Q=P3.视在功率S= 式中：每组设备容量之和，单位为 kW；：需用系数；：功率因数。 总负荷的计算： 1.有功功率2.无功功率3.视在功率4.自然功率因数：式中：为组间同时系数，取为 0.850.9。 电力系统中的无功功率就是要使系统中无功电源所发出的无功功率与系统的无功负荷及网络中的无功
19、损耗相平衡;按系统供电负荷的功率因数达到 0.95 考虑无功功率平衡。3.2无功补偿电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。3.2.1.无功补偿的意义 1）补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。 2）减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时，装1k
20、Var电容器可节省设备容量0.52kW；反之，增加0.52kW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。 3）降低线损，由公式%=（1-）100%得出其中为补偿后的功率因数，为补偿前的功率因数则： ，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。3.2.2.电网中常用的无功补偿方式 1） 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组。 2） 分组补偿：在
21、配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器； 3） 单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。3.2.3.无功补偿的计算按系统供电负荷的要求，功率因数要不小于0.9。而全矿自然功率因=2498630475=0.82110kV 满足电晕要求。3).按电压损失校验查表得LGJ-240导线的单位长度电阻和电抗为： 线路总的电压损失为：= (PR+QX)/Un =55.47V电压损失百分比为：% = /Un = 0.0005045000h，查表得其经济电流密度J=0.9A/，所以导线的经济截面积：
22、S = / J = 138.72/0.9=154.1考虑到线路可能增加负荷，选用截面积为185mm2的导线，所以根据跟定条件通过表3.4-1选择型号为LGJQ-185的轻型钢芯铝绞线（参考煤矿电工手册表7-7-3 LGJQ型轻型钢芯铝绞线的结构与技术指标（GB1179-74）。按导线平放，其=548A,计及温度修正:=0.96=0.96548=526.08A显然,=138.72A526.08A，满足母线正常发热要求。 3.6三相短路电流的计算1.短路电流计算的目的 1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。 2）在选
23、择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。 3）在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。 4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。5）接地装置的设计，也需用短路电流。2.短路电流计算的步骤 1）设定基准容量和基准电压，并计算基准电流，一般设基准容量=100MVA，而设基准电压=（短路计算电压，即1.05）。因此短路基准电流为 =计算短路回路中各主要元件的阻抗标幺值（一般只计电抗标幺值） 电力系统的电抗标幺值 =式中电力系统出口断路器的断流容量，单位为
24、MVA。 电力线路的电抗标幺值 =l=l式中线路所在电网的短路计算电压，单位kV，=1.05。采用标幺值计算时，无论短路计算点在哪里，线路的电抗标幺值不需换算。 电力变压器的电抗标幺值 =式中变压器的短路电压（又称阻抗电压）百分值；变压器的额定容量（单位为kVA，但在此式应化为与同单位MVA）。 2）对k-1点的短路回路总电抗标幺值为： =+ 对k-2点的短路回路总阻抗标幺值为： =+/ =+ 3）计算短路电流 分别对各短路计算点计算各短路电流、和等。 = 其余短路电流的计算与上述欧姆法相同。 4）计算短路容量 =4.各母线短路电流计算1）电力系统简图： 110kV110kV10kVSFZ9-
25、20000/110SFZ9-20000/110K-1K-2 图3-1 电力系统简图2）确定短路计算基准值：设,，则： 3）计算短路电路中各元件的电抗标幺值 因为此为无穷大系统，故系统阻抗： 架空线路 查表得LGJ240的 电力变压器 查表得=10.5 =0.2625短路计算等效电路如下图所示：图3-2 短路等效图 4）计算k-1点（110kV侧）的短路电路总阻抗及三相短路电流和算路容量 总电抗标幺值 三相短路电流周期分量有效值 其他短路电流 三相短路容量 5）计算k-2点（10kV侧）的短路电路总阻抗及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值： 三相短路电流周期分量有效值： 其他短路电流： 三相短
26、路容量： 表3-4母线三相短路电流列表短路计算点三相短路电流/kA三相短路容量/MVA K-116.816.816.842.825.343344.48K-218.6518.6518.6534.3220.33339.13.7 高压断路器的选择 高压断路器除在正常情况下通断电路外，主要是在发生故障时，自动而快速的将故障切除，以保证设备的安全运行。常用的高压断路器有油断路器、六氟化硫断路器和真空断路器。 1高压断路器的主要参数：额定电压：是指断路器正常工作时的线电压；额定电流：是指环境温度在40 度时， 断路器允许长期通过的最大工作电流；额定断开电流：它是断路器开断能力的标志，其大小与灭弧室的结构和
27、介质有关；额定开断容量：开断能力常用断流容量表示， ；热稳定电流：热稳定电流是表示断路器能随短路电流热效应的能力； 动稳定电流或极限通过电流：表示能承受短路电流所产生的电动力的能力；断路器的分、 合闸时间：表示断路器的动作速度。 2. 高压断路器的选型原则（1）选择型式断路器型式的选择，应在全面了解其使用环境的基础上，结合产品的价格和已运行设备的使用情况加以确定。在我国不同电压等级的系统中，选择断路器型式的大致情况是：电压等级在35kV及以下的可选用户内式少油断路器、真空断路器或断路器；35kV的也可选用户外式多油断路器、真空断路器或断路器；电压等级在110330kV范围，可选用户外式少油断路器或断路器；550kV电压等级则一般选用户外式断路器。110kV侧断路器可选用户外式少油型断路器。（2）额定电压所选断路器的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压。即 。 （3）额定电流电网110KV侧的最大负荷电流：
