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1、毕业设计论文煤矿35KV变电站传电设计摘要本文详细介绍了某矿35kV变电所的设计。文中对主接线的选择、高压设备的选择、负荷计算、短路电流计算，各种继电保护选择和整定计算皆有详细的说明。特别对主接线的选择，变压器的选择，还有一些电气设备如断路器、电流互感器、电压互感器等的选择校验作了详细的说明和分析。依据供电规则，着重解决了负荷统计、变电所主结线方案的选择、进出线的选择、变电所所址的选择、主变压器的台数和容量的选择、短路计算及开关设备的选择、防雷保护与接地装置的设计等问题，并结合地区的供电规则和工程实际情况选择出最合适的方案及参数、各种设备型号及容量。其中还对变电所的主接线，平面布置等通过CAD
2、制图直观的展现出来。本次设计的内容紧密结合实际，通过查找大量相关资料，设计出符合当前要求的变电所。设计中除采用了一些固定方式的保护和常规保护外，还采用微机保护，通过电力监控综合自动化系统，可以使变电站内值班人员或调度中心的人员及时掌握变电所的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，并迅速进行处理，达到供电系统的管理科学化、规范化、并且还可以做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理。在本次设计中，得到了学校老师、同学的耐心指导和大量帮助，在此对他们表示衷心的感谢和崇高的敬意。关键词：负荷计算；电气主接线设计；短路电流计算；防雷AbstractThis pa
3、per describes the 35 kV of a mine down the substation design. In the main connection of choice, the choice of high-voltage equipment, load calculation, short-circuit current basis, the protection of various options and setting calculation there are detailed instructions. In particular the choice of
4、the main cable, transformers choice, there are some electrical equipment such as circuit breakers, current transformers, high voltage transformer, and so the choice of checking a detailed description and analysis. Rules based on power supply, focus on resolving a load statistics, the mainline for se
5、lection, choice, the choice of the site by the substation, the main capacity and the number of Taiwans choice, short-circuit calculation and the choice of switching equipment , Relay and the choice of setting, lightning protection and grounding equipment design and other issues, combined with the po
6、wer of the actual situation of rules and choose the most appropriate solutions and various models and equipment capacity. It also substation on the main wiring, layout, adjacent to the high number of low-voltage protection devices, such as through the CAD drawing intuitive shown. The design of the c
7、ontent in close connection with reality, the large number of relevant information by looking design with the current requirements of the substation. In addition to the design of a number of fixed form of protection and the protection of conventional, but also a microprocessor-based protection, power
8、 monitoring through integrated automation system will enable the staff on duty within the substation or the dispatch center staff make the best of the operation of substations, directly to the equipment Operate, failure to understand the situation timely and speedy processing, power supply system to
9、 the management of scientific, standardized, and also can be done with the other automated data exchange system, give full play to the advantage of a system-wide information management.In this design, by the school teachers and students for their patience and guidance to help a lot in this for them
10、to express my sincere gratitude and highest respect. Key words: load calculation; main electric wiring design; short-circuit current calculation; mine; relay前言毕业设计主要考察了我们四年来对理论知识的掌握程度，以及对专业技术的实际应用能力。通过作毕业设计，可以很好地衡量我们独立思考、认真分析、理论应用以及现场实际操作能力。本设计是为煤矿35kV供电系统而进行的设计，目的是建立35kV变电所，为煤矿提供可靠的用电。整个设计包括了35kV变电
11、所设计的所有内容。同时考虑到煤矿供电系统的特点，对变电站的负荷进行了分组，达到合理、经济的目的；同时对功率因数进行补偿，使其达到0.9以上。通过短路电流计算，确定了系统主接线及运行方式，同时对校验电气设备、继电保护整定、采取限流措施等提供了依据。在选择电气设备时，考虑了变电站的室内外结构和布置、操作方便等问题。继电保护装置保证了被保护设备或线路发生故障时，保护装置迅速动作，有选择地将故障切除。考虑到电器设备可能的漏电现象，对变电站进行了保护接地的设计，满足了接触电压和跨步电压的要求，保证了人身安全。为防止变电所遭到雷击，还进行了防雷保护。采用了避雷器、避雷针、避雷线等保护措施，保证了安全。通过
12、以上的设计，基本构成了煤矿35kV变电所的设计，满足了生产和生活的需要，达到了安全用电的要求，同时兼顾了可行性、经济性的原则。一些具体的数据分析和计算方法，在本设计中也会给出详细的说明，为今后的变电站设计也提供了一定的依据。根据这些数据而选用的电气设备也具有参考的价值。由于我自己能力有限，在设计中难免会出现这样或那样地错误和不妥之处，恳请各位老师能够批评指正。目录摘要IAbstractII前言III1 概述11.1 本矿概况11.2 电源11.3 基本地质气象资料11.4 矿井负荷统计表12 负荷计算及无功补偿计算32.1负荷计算的目的和意义32.2 需用系数法32.2.1 单一用电设备供电时
13、的计算负荷32.2.2 用电设备的计算负荷32.2.3 总计算负荷42.3 负荷统计与计算42.4 选择变压器并计算损耗52.5 计算6kV母线总负荷及全矿负荷82.6 主变压器的选择92.7 功率因数的补偿及电容器（柜）的选择112.7.1 功率因数补偿112.7.2 无功功率补偿计算122.7.3 全矿电耗的计算133 短路电流计算143.1 绘制短路电流计算系统图143.2 算出井下电缆的根数153.3 计算各短路点的短路电流153.4 限流电抗器的选择与校检173.4.1 电抗器的选择173.4.2 电抗器的校检183.4.3 加电抗器后井下中央变电所点短路参数计算194 变电所主接线
14、方式的选择及设备选择204.1 35kV主接线系统的确定204.2 35kV系统设备的选择214.2.1 断路器的选择214.2.2 隔离开关的选择224.2.3 电压互感器的选择224.2.4 避雷器的选择234.2.5 跌落式熔断器选择234.3 6kV系统的确定及配电箱型号的选择234.3.1 进线柜的选择234.3.2 联络柜的选择244.4 进出线的选择274.4.1 35kV母线的选择274.4.2 6kV室外母线的选择274.4.3 6kV室内母线的选择274.5 高压电缆型号及截面的选择284.5.1 主井提升机电缆选择284.5.2 6kV出线高压电缆的选择及校检表294.6
15、 母线瓷瓶及穿墙套管的选择314.6.1 35kV室外母线瓷瓶314.6.2 6kV母线支持绝缘子的选择314.6.3 穿墙套管的选择314.7 35kV室外构架的选择324.7.1 母线构架324.7.2 支架325 二次回路方案的确定及继电保护的选择与整定335.1 35kV进出线与联络开关继电保护方案的选择335.2 变压器保护345.2.1 变压器BCH-2型差动保护的整定计算345.2.2 变压器过流保护365.2.3 变压器的过负荷保护375.3 6kV配出线路的继电保护375.3.1 主井提升机电缆线路的保护375.3.2 副井提升机电缆线路的保护385.3.3 压气机电缆线路的
16、保护385.3.4 东风井电缆出线的架空线保护395.3.5 西风井电缆出线的架空线保护395.3.6 洗煤厂电缆线路的保护405.3.7 机修厂电缆线路的保护415.3.8 铁路煤仓和矸石山电缆线路保护415.3.9 坑木加工厂电缆线路的保护425.3.10 地面低压动力及照明的继电保护425.3.11 下井电缆线路的保护435.3.12 电力电容器保护445.3.13 联络开关的继电保护446 变电所的防雷与接地456.1 变配电所的防雷设计456.2 接地装置的设计及计算456.2.1 保护接地方案设计456.2.2 保护接地装置计算457 变电所的室外布置487.1 间隔的配置.487
17、.2 配电装置的布置形式487.3 具体布置487.3.1 屋外配电装置各元件的布置原则487.3.2 屋内配电装置各元件的布置原则487.3.3 设置电抗器室和电容器室.487.3.4 主控制室布置488 结论49致谢50参考文献511 概述1.1 本矿概况(1) 本矿为年产量120万吨，服务年限75年的矿井(2) 井筒深度为400m，主副两井距离为80m(3) 开拓方式：中央竖井，立井开拓(4) 瓦斯等级：轻沼气矿1.2 电源(1) 供电电压等级：35kV(2) 离矿井地面变电所的距离：4km(3) 系统电抗 最大运行方式：=0.16 最小运行方式： =0.42(4) 输电方式：架空线双回
18、路(5) 出线过流保护动作时间：3秒(6) 电费收取方法：两部电价制，固定部分按最高负荷收费，每千瓦6元。1.3 基本地质气象资料 (1) 日最高温度 37(2) 冻土层厚度 0.8m(3) 主导风向 西北(4) 最大风速 4m/s(5) 地震烈度 6度1.4 矿井负荷统计表表1-1 电力负荷统计及计算编号设备名称电动机型安装台数/工作台数设备容量kW需用系数Kx功率因数costan计算容量安装容量工作容量有功功率kW无功功率 kvar视在功率 kVA一地面高压1主井提升机绕1/1148014800.840.850.621243.2770.81462.62副井提升机绕1/19859850.84
19、0.850.62827.4513973.43压气机同5/3225013500.570.950.331282.5-5941413.44东风井同2/116008000.490.920.426784-3368535西风井同2/1200010000.480.950.33960-4301052二地面低压1洗煤厂-105010500.790.840.646829.5535.9987.52机修厂-4504500.560.750.882252222.33363铁路煤仓-6006000.750.760.855450384.8592.14矸石山-1501500.850.820.696127.589155.55坑木
20、加工厂-2502500.80.830.672001342416工人村-5605600.750.820.698420293.2512.27支农-4504500.820.840.646369238.4439.38地面低压及照明-125012500.860.830.6721075722.41295.29东西风井低压侧-75750.820.850.6261.538.172.4三井下负荷1主排水泵鼠7/4560032000.530.870.5672968168334122东翼一采区-8508500.620.631.23527648.2836.53东翼二采区-9809800.630.651.17617.4
21、722.4949.84西翼一采区-100010000.630.641.2630756984.45西翼二采区-8008000.640.651.17512599787.76井底车场-2902900.840.850.62243.6151286.62 负荷计算及无功补偿计算2.1负荷计算的目的和意义负荷计算是指矿区总体供电规划中对矿区各种企业用户总负荷的概略计算。通过计算得到的变电所负荷容量（或电流）是确定供电系统、选择变压器容量、选择电气设备、导线截面和依表量程的依据，也是继电保护整定的重要数据。2.2 需用系数法由于一台设备的额定容量往往大于其实际负荷，成组设备中各负荷的功率因数（）不同，一般又不
22、同时工作，最大负荷不同时出现等情况，所以难以精确地计算变电所负荷。故本设计采用了较为精确的需用系数法来进行变电所负荷计算，其计算简便，煤矿系统的供电设计目前主要采用这种方法。2.2.1 单一用电设备供电时的计算负荷 (2-1) 其中：负荷系数；：用电设备的实际负荷；：用电设备的额定负荷；：用电设备实际负荷时的效率；：线路的效率，一般取0.90.9s；：单一负荷的需用系数； (2-2)：用电设备的功率因数角。2.2.2 用电设备的计算负荷 (2-3) 其中：成组负荷的需用系数：该组设备的同时系数：该组设备的负荷系数：该组设备的加权平均效率；：该组设备的加权平均功率因数。2.2.3 总计算负荷因各
23、用电设备组的最大负荷常常不是在同一时刻需要，所以，计算总的计算负荷时，应该将各用电设备组计算负荷之和再乘以组间的最大负荷同时系数。一般地，组数越多，越小。 (2-4) 2.3 负荷统计与计算(1) 用电设备分组，由表1-1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。(3) 对主提升机 =0.84，=0.85，=0.62则有功功率 P=14800.84=1243.2kW；无功功率 Q=Ptan=1243.20.62=770.8kvar；视在功率 S=P/cos=1243.2/0.85=1462.6kVA；(4)
24、压气机：其电机为同步电机对于同步电机，Q的数值应为同步电动机的补偿能力（估算值）。同步电动机的补偿能力百分数可查到（查=曲线）。P=22500.57=1282.5kW压风机的负荷率=需用系数/同时系数 =0.57/0.6=0.95查表=0.44kvarS=1413.4kVA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1-1全矿电力负荷计算负荷表中。注：主扇风机、压风机等功率因数超前，表示其无功电流为容性，即提供无功功率，起无功补偿作用，它们的计算无功功率为负值。2.4 选择变压器并计算损耗选出地面低压及井底车场各负荷的变压器，并计算变压器的有功及无功损耗并折算到6kV侧容量。(1)有
25、功损耗： （2-3）无功损耗： 式中变压器的负荷率，； 变压器计算负荷，kVA； 变压器额定容量，kVA； 变压器空载有功损耗，kW； 变压器满载有功损耗，kW； 变压器空载无功损耗，kvar，； 变压器空载电流占额定电流的百分数； 变压器满载无功损耗，kvar，； 变压器阻抗电压占额定电压的百分数； 、均可由变压器产品样本中查的。(2) 洗煤厂：=987.5kVA(二类负荷) 选两台S-1000/10型电力变压器，采用分裂运行方式。本设计中，凡是二类负荷所选的两台低压变压器均采用分裂运行方式，而不是采用一台运行、一台备用方式。因为单台运行则存在功耗增加、效率大大降低等缺点，故本设计中均不采用
26、后一种运行方式。额定容量：=1000kVA空载损耗：=1.8kW短路损耗：=11.6kW空载电流：%=2.5%阻抗电压：%=4.5% 有功损耗 =2+2（）=21.8+211.6()=3.6+5.7=9.3kW =%=2.5%1000=25kvar =%=4.5%1000=45kvar 无功损耗=2+2（）=225+245()=71.9kvar 折算到6kV侧： P=829.5+9.3=838.8kW Q=535.9+71.9=607.8kvar S=1035.9kVA同样方法可计算其他变压器折算到6kV侧容量并填入表2-1中，电动机型号填入表2-2。表2-1 6kV母线统计负荷计算表编号设备
27、名称电动机型安装台数/工作台数设备容量kW需用系数Kx功率因数计算容量安装容量工作容量有功功率kW无功功率 kvar视在功率 kVA一地面高压1主井提升机绕1/1148014800.840.850.621243.2770.81462.62副井提升机绕1/19859850.840.850.62827.4513973.43压气机同5/3225013500.570.950.331282.5-5941413.44东风井同2/116008000.490.920.426784-3368535西风井同2/1200010000.480.950.33960-4301052二地面低压1洗煤厂-105010500.
28、790.840.646838.8607.81035.92机修厂-4504500.560.750.882257264.43563铁路煤仓-6006000.750.760.855456.2435.1630.44矸石山-1501500.850.820.696130.6100.61655坑木加工厂-2502500.80.830.67204.4151.3254.36工人村-5605600.750.820.698438.9330.9549.77支农-4504500.820.840.646375.4269.8462.38地面低压及照明-125012500.860.830.6721086.8815.11358
29、.59东西风井低压侧-75750.820.850.6261.538.172.4三井下负荷1主排水泵鼠7/4560032000.530.870.5672968168334122东翼一采区-8508500.620.631.23527648.2836.53东翼二采区-9809800.630.651.17617.4722.4949.84西翼一采区-100010000.630.641.2630756984.45西翼二采区-8008000.640.651.17512599787.76井底车场-2902900.840.850.62248197.2316.8全矿高压负荷统计-22745176450.6720.
30、887-14510.6756316363.3全矿计算负荷-22745176450.620.887-13059.56806.714724主变压器损耗-75.6901904.235kV母线总计算负荷-0.8620.58713135.17707.715230表2-2 6kV电动机型号汇总表编号设备电动机型号台数安装容量kVA空载损耗kW短路损耗kW空载电流%阻抗电压%备注1洗煤厂S-1000/10210501.811.62.54.5二类分裂2机修厂S-400/1014000.925.83.24三类3铁路煤仓S-630/1026308.18.134.5二类4矸石山S-160/1011600.462.8
31、53.54二类5坑木加工厂S-250/1012500.6443.24三类6工人村S-630/1016301.38.134.5三类7支农S-500/1015001.086.93.24三类8地面低压及照明S-1250/10212502.213.82.54.5二类9东西风井低压侧忽略不计10井底车场KSGB23151.72.36.54二类隔爆干式2.5 计算6kV母线总负荷及全矿负荷(1) 6kV母线总负荷由公式（2-4）得： 有功负荷：=P=1243.2+827.4+1282.5+784+960+838.8+257+456.2+130.6+204.4+438.9+375.4+1086.8+261.
32、5+2968+527+617.4+630+512+248=14510.6kW 无功负荷：=Q=770.8+513-594-336-430+607.8+246.4+435.1+100.6+151.3+330.9+269.8+815.1+238.1+1683+648.2+722.4+756+599+197.2=7563kvar视在功率：=16363.3kVA(2) 全矿计算负荷（各乘以组间最大负荷同时系数） 总有功功率： =14510 .60.9=13059.5kW总无功功率： =75630.9=6806.7kvar 总视在功率： =14727kVA 全矿自然功率因数： cos=/=13059.5
33、/14727=0.8872.6 主变压器的选择全矿自然功率因数为0.887，达不到0.9，先按功率因数为0.9初选主变压器如按功率因数为0.9计，总容量应为： P/0.9=13059.5/0.9=14510.6kVA全矿非生产用电（三类负荷）为： P=257+204.4+438.9+375.4+61.52=1398.7kW以上数据均为表2-1中机修厂坑木加工厂工人村支农东西风井低压侧数据 P/0.9=1398.7/0.9=1554.1kVA由以上计算数据可看出：若选容量为12500kVA的主变压器，单独供电可基本满足原煤生产用电。故选两台S-12500/35型变压器（=12500kVA =13
34、.5kW=70kW%=1%=7.5%），按分裂方式运行。S系列10-35千伏级电力变压器具有耗损低体积小重量轻节约能量节省运行费用等优点，它是目前我国中小型电力变压器较先进的产品，故本设计均选用S系列变压器。变压器的有功电力损耗为： =2+2（）=75.6kW =1%12500=125kvar =7.5%12500=937.5kvar变压器的无功电力损耗为： =2125+2937.5（）=901kvar我们知道，变压器当负荷在50%70%时效率最高，当两台同时运行时，负荷率为：变压器的最高效率为：=；根据所选的变压器： =/=13.5/70=0.1929 =0.4392压器运行在=0.522
35、时效率较高,如选用一台运行一台备用(如选容量过大),则损耗增加效率降低。我国实行两部电价收费，按设计任务书给出的条件，其固定部分按最高负荷收费（每千瓦6元）。既使按最高负荷的额定最高负荷计，则收：13059.56=78357元，如固定部分按变压器容量收费，则同时运行时按每kVA收4元计，则收：1250024=100000元。可见：实行固定部分按最高负荷收费办法，则两台同时运行比较合理。变电所35kV母线总（计算）负荷为：有功负荷：=+=13059.5+75.6=13135.1kW无功负荷：=+=6806.7+901=7707.7kvar视在功率：=15230kVA35kV母线自然功率因数为：
36、cos=/=13135.1/15230=0.862 tan=0.5872.7 功率因数的补偿及电容器（柜）的选择2.7.1 功率因数补偿在负载有功功率不变的情况下，当功率因数降低后，则发电机和变压器的工作电流增大，使其能够输出的有功功率下降（），使设备容量不能充分利用。电流增大，使电能损耗和导线截面增加（，当不变，则，），电网的初期投资和运行费用也相应提高；电流的增大，还造成发电机、变压器和网络中的电压损失增大，电动机的端电压下降，从而减小了感应电动机的起动转矩和过负荷能力。提高功率因数的关键，在于如何减少电力系统中各个部分所需要的无功功率，特别是减少负载从电网中取用的无功功率，使电网在传送一
37、定的有功功率时，尽量少输送或不输送无功功率。提高功率因数的方法主要有： 提高用电设备本身的功率因数在生产中，尽量采用鼠笼式异步发电机，避免电动机与变压器的转载运行；对不需调速的大型设备，尽量采用同步机，采用高压电动机等。在本设计中，扇风机和压风机就采用了同步电动机，它对该矿供电系统的功率因数具有一定的补偿作用。 人工补偿法多采用同步调相机和静电电容器等人工补偿装置。目前矿井变电所多在6kV母线上装设静电电容器来进行集中补偿，本变电所也采用了该方法。并联移相电容器的简单原理：主要是利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减小负载向电圈吸取的无功功率，提高了整个负荷相对电源的功率
38、因数。并联电容器补偿法有投资少，有功功率损耗小，运行维修方便，故障范围小、无震动与噪声、安装地点灵活等优点。其缺点是只能有级调节，而不能随负荷无功功率需要的变化进行自动平滑的调节。电容器组一般应采用“”接法。因为： “”接线可以防止电容器容量不对称而出现的过电压。电容器电压最为敏感，而容易造成电容器击穿的事故。星形接线则由于中性点位移，产生部分过电压。 “”接法若发生一相断线，只是使各相的补偿容量有所减小，不致于严重不平衡，而星形接法若发生一相断线，就使该相失去补偿，严重影响供电质量。 采用“”接法可以充分发挥电容器的补偿能力。电容器的容量与电压有关。kvar 。在“”接法时，每相电容被加上线
39、电压。而采用星形接法时，每相电容器被加上相电压，所以有kvar。上式表明，具有相同电容器容量的三个单相电容器组，采用“”接法时的补偿容量是采用星形接法的3倍，因此在电压相等的情况下，因尽量采用“”接法。2.7.2 无功功率补偿计算kvar (2-11)其中：平均负荷系数，一般取0.70.8：全矿有功功率计算负荷：补偿前功率因数角：补偿后功率因数角在此是按全矿年均负荷计算补偿电容量。过去也有采用全矿最大负荷进行计计算的。如果时，将出现过补偿现象。所以为了节约投资，避免所选电容器过多，并取得较好的补偿效果，按平均负荷计算是合适的。补偿前：tan=0.587补偿后：cos=0.9，tan=0.484用公式计算所需补偿的无功功率： =0.7513135.1(0.587-0.484)=1015kvar选用GR-1Y-01型电容器柜四台（单台电容器容量为270kvar）GR-1Y-09型电容柜二台（为测量及放电柜）GR-1Y-01型电容器柜内装有BW6.3-18-1型电容器15个熔断器15个。GR-1Y型电容器柜为抑制高次谐波电抗器型，即带有串联电抗器的电容器柜，它的主要性能是：当线路中同时存在各种不同频率的高次谐波电流时能有效抑制这些谐波的电流总值，使其不超过电容器的允许值，避免电容器因过流而产生“鼓肚现象”。当电容器组合闸时，可限制合闸冲击
