采区供电设计计算.docx
《采区供电设计计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采区供电设计计算.docx（63页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
采区供电设计计算
煤矿采区变电所设计指导书
第一节矿井变电所
《煤矿安全规程》对煤矿井下供电的主要要求是：
（1）《煤矿安全规程》（2010年版）第四百四十二条规定：
井下各水平中央变（配）电所、采区变（配）电所、主排水泵房和下山开采的采区排水泵房的供电线路，不得少于两回路。
当任一回路停止供电时，其余回路应能承担全部负荷的供电。
向局部通风机供电的井下变（配）电所应采用分列运行方式。
向煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井自救系统供风的压风机、井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路。
上述供电线路应来自各自的变压器和母线段，线路上不应分接任何负荷。
上述设备的控制回路和辅助设备，必须有与主要设备同等可靠的备用电源。
（2）《煤矿安全规程》（2010年版）第一百二十八条规定：
高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机，并能自动切换。
正常工作的局部通风机必须采用三专（专用开关、专用电缆、专用变压器）供电，备用局部通风机电源必须取自同时带电的另一电源，当正常工作的局部通风机故障时，备用局部通风机能自动启动。
其他掘进工作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部通风机，但必须采用三专供电。
使用局部通风机供风的地点必须实行风电闭锁，保证当正常工作的局部通风机停止运转或停风后能切断停风区内全部非本质安全型电气设备的电源。
正常工作的局部通风机故障，切换到备用局部通风机工作时，该局部通风机供风范围内应停止工作，排除故障；待故障排除，恢复到正常工作的局部通风机后方可恢复工作。
一、矿井地面变电所概述
矿井供电系统主要由地面变电所、井下中央变电所和采区变电所三级变电所构成。
地面变电所的受电电压为6~110kV；井下配电高压为6kV或10kV，用电设备电压多为660V和1140V，大功率电动机采用6kV或10kV供电。
地面变电所是矿井供电系统的枢纽。
地面变电所一般设置在矿井工业广场边沿，离井口较近，远离储煤场和矸石山的地方。
为了保证供电可靠性，变电所有两条电源进线。
大中型煤矿电源电压多为35kV，特大型煤矿可采用110kV。
变电所通常设置两台主变压器，主变压器二次侧电网额定电压为6kV或10kV。
用两条或两条以上的电缆线路向井下和其他一级负荷供电。
变电所内设置两台低压变压器供应地面380/220V动力和照明用电。
小型煤矿电源电压多为6kV或10kV，变电所不设置主变压器。
地面变电所35kV侧有两种设备布置方式。
一是把开关、互感器、母线等电气设备置于室外，安装在由钢筋混凝土或钢材制成的门架上，二是在室内用高压开关柜组成。
新建矿井地面变电所多采用此方式。
地面变电所6（10）kV侧采用高压开关柜组成。
地面变电所的主要电气设备有隔离开关、断路器、变压器、互感器、避雷器等。
地面变电所的主要用户有井下负荷、矿井主通风机、矿井主井提升机、矿井副井提升机、矿井压风机、地面低压变压器、其他辅助生产设施等。
二、煤矿井下变电所的结线与硐室布置
1.井下中央变电所
井下中央变电所是井下供电系统的核心，其主结线如图1-1所示。
根据《煤矿安全规程》的规定，井下中央变电所的供电线路，不得少于两回路，当任一回路停止供电时，其余回路应能担负全部负荷。
所以，为了保证井下供电的可靠性，由地面变电所引至中央变电所的电缆数目至少应有两条，并分别引自地面变电所的两段6（10）kV母线。
中央变电所的高压母线采用单母线分段结线方式，母线段数与下井电缆根数对应，各段母线通过高压开关联络。
正常时联络开关断开，母线采用分列运行方式，当某条下井电缆故障退出运行时，合上母线联络开关，恢复对该段母线负荷的供电。
图1-1中央变电所主结线图
中央变电所向每个采区变电所馈送两条电缆线路。
主排水泵是一级负荷，但由于水泵总数中已包括备用水泵和检修水泵，因此每台水泵用一条专用电缆供电，可直接用中央变电所的高压开关启动和停止。
所有水泵必须均匀分配在各段母线上，不得集中接于一段母线。
当主水泵为低压电动机时，配电变压器最少应有两台，变压器低压侧亦采用单母线分段结线，每台变压器的容量均应满足最大涌水期时需开动的全部负荷的供电要求。
通常井下中央变电所设置在井底车场副井井底附近，与中央水泵房相邻。
有条件时还应与电机车用的变流所联合建筑。
为了防水，变电所地面应比其出口与井底车场或大巷连接处的底板标高高0.5m。
为了使变电所有良好的通风条件，当硐室长度超过6m时，必须在硐室的两端各设一个出口。
硐室用砌碹或其他可靠方式支护，硐室必须装设向外开的防火铁门，铁门上应装设便于关严的通风孔，铁门内可加设向外开的铁栅栏门，平时铁栅栏门关闭，防火铁门打开，以利于通风，在发生火灾时，将防火铁门关闭，便于灭火和防止火灾蔓延；从硐室出口防火铁门起5m以内巷道应用砌碹或其他不燃性材料支护；硐室内还必须设置足够数量扑灭电气火灾的灭火器材。
应将变压器与配电装置分开布置，高、低压配电装置分开布置。
设备与墙壁之间，各设备之间应留有足够的维护与检修通道，完全不需要从两侧或后面维护检修的设备，可互相靠紧或靠墙放置。
考虑发展余地，变电所的高压配电设备的备用位置应按设计最大数量的20％考虑，且不少于两台。
低压设备的备用回路，也按最多馈出回路数的20％考虑。
2.采区变电所
采区变电所是采区供电的中心，井下中央变电所送来的高压电力，经采区变电所直接配送或降压后配送至采掘工作面及采区其他用电设备。
根据《煤矿安全规程》的规定，采区变（配）电所的供电线路，不得少于两回路。
当任一回路停止供电时，其余回路应能承担全部负荷的供电。
供电线路应来自各自的变压器和母线段，线路上不应分接任何负荷。
向局部通风机供电的井下变（配）电所应采用分列运行方式。
高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机，并能自动切换。
正常工作的局部通风机必须采用三专（专用开关、专用电缆、专用变压器）供电，备用局部通风机的电源必须取自同时带电的另一电源，当正常工作的局部通风机故障时，备用局部通风机能自动启动。
其他掘进工作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部通风机，但必须采用三专供电。
采区巷道布置如图1-2所示。
图1-2采区巷道布置示意图
图1-3是下山、综采采区变电所主结线图。
双回路电源、单母线分段结线，采用分列运行方式。
综采和综掘工作面采用6kV或10kV高压供电。
图示采区变电所的采区主排水泵为高压电动机，当主排水泵为低压电动机时，为水泵供电的变压器低压侧也应采用单母线分段结线。
上山绞车、上山皮带输送机、局扇等重要设备采用专用线路供电。
图1-3下山、综采采区变电所主结线图
上山采区没有主排水泵。
炮采工作面通常由采区变电所用660V低压供电。
采区变电所通常设置在两个上（下）山巷道之间的联络巷中或运输大巷采区装车站附近。
若采区变电所设置在两个上（下）山巷道之间的联络巷中，可以使采区变电所到各区段工作面运输巷的距离基本相同，适合于大型采区。
若采区变电所设置在运输大巷采区装车站附近，运输、安装更方便，但变电所距最上部区段的距离大，适合于用移动变电站供电的工作面。
采区变电所的防水、防火、通风等安全措施，除底板标高没有严格规定外，其它与中央变电所相同。
变压器可与配电设备布置在同一硐室内。
变电所的高、低压设备应分开布置。
各设备之间、设备与墙壁之间均应留有维护和检修通道。
不从侧面和背后检修的设备不留通道。
采区变电所内的主要电气设备有矿用隔爆型高压配电箱、矿用变压器、矿用隔爆型低压馈电开关等。
采区变电所的主要负荷有采煤工作面、掘进工作面、采区集中运输设备（上山绞车、皮带输送机）、排水设备、掘进工作面局部通风机等。
3.工作面配电
1）综采工作面配电
综合机械化采煤工作面，单机功率和总功率大，输电距离长，回采速度快，必须采用移动变电站供电。
综采工作面机电设备布置参见图1-4。
采区变电所用6（10）kV高压向移动变电站送电，经移动变电站降压后向工作面生产设备供电。
综采工作面设备的额定电压通常为1140V，大型高产高效工作面使用3300V。
综采工作面配电结线如图1-5所示。
工作面内的生产设备由1#移动变电站供电，1#移动变电站距离工作面150~300米，在电压损失满足要求的条件下，距离大些可以减少搬移次数。
条件许可时，也可将1号移动变电站设置在上顺槽。
工作面配电点设置在移动变电站附近，开关和乳化液泵站可安装在平板车或滑橇上，与移动变电站组成串车便于移动。
电动机在工作面运输巷口的可伸缩皮带输送机和其他小型设备由2#移动变电站供电。
当皮带输送机功率不太他时，也可以不设2#移动变电站，由采区变电所内的变压器供电。
工作面运输巷的调度绞车要担负1#移动变电站和工作面配电点的搬移任务，因此不能由1#移动变电站供电。
图1-4综采工作面机电设备布置
图1-5综采工作面配电结线图
2）炮采工作面配电
图1-6是炮采工作面机电设备布置图。
炮采工作面和普通机采工作面设备功率较小，通常由采区变电所用660V低压供电。
当工作面离采区变电所太远时，也可采用移动变电站供电，移动变电站可安放在运输巷口附近。
为了安全操作工作面的机械设备，必须在工作面附近集中设置控制开关和电磁起动器，这些设备的放置地点即为工作面配电点。
工作面配电点，一般设在距采煤工作面50～100m处。
工作面配电点随工作面的推进移动。
图1-6炮采工作面机电设备布置图
图1-7为炮采工作面运输巷的配电结线图（图中示意画出两台顺槽刮板输送机），这种配电方式称为干线式。
回风巷配电结线与此类似。
图1-7炮采工作面运输巷的配电结线图
3）掘进工作面配电
掘进工作面分为综合机械化掘进工作面和钻爆法掘进工作面两种。
综合机械化掘进工作面用移动变电站供电。
为减少搬迁次数，移动变电站可距掘进工作面300～500m。
在电压损失满足要求的条件下，距离大些可以减少搬移次数。
钻爆法掘进工作面的配电方式同炮采工作面，由采区变电所用660V低压供电。
掘进工作面配电点，一般距掘进工作面80～100m。
三、采区供电系统方案拟定原则
1.有一级负荷的采区变电所必须采用单母线分段结线。
2.变电所的每条出线电缆必须有高爆或馈电开关配出；每台生产机械都必须有电磁启动器或其他控制设备操作。
3.每条电缆尽量走最短线路，尽量不走回头路。
4.炮采和掘进工作面由采区变电所低压供电，采用干线式配电。
5.一级负荷和上山运输机械、综采工作面大型机械等重要二级负荷采用专用线路供电。
6.工作局扇和备用局扇的变压器不得在同一段母线。
7.综采工作面的工作乳化液泵和备用乳化液泵尽量不用同一条线路供电。
8.煤电钻和照明要采用综合保护装置供电。
四、井下电气设备的选择
正确选择电气设备对供电的可靠性，安全性，经济性都有着重要的意义。
选择井下电气设备的一般原则如下：
（1）煤矿井下必须使用矿用防爆型和矿用一般型电气设备。
必须按照《煤矿安全规程》选择井下电气设备的类型。
（2）井下变电所的高压配电开关使用矿用防爆型和矿用一般型高压配电箱，控制高压电动机也可以使用高压启动器。
低压配电开关使用矿用防爆型馈电开关。
井下变电所必须选用矿用隔爆型干式变压器或移动变电站。
综采工作面必须选用矿用隔爆型移动变电站。
（3）控制生产机械使用矿用防爆型电磁启动器。
控制经常正反转的生产机械如调度绞车、回柱绞车、翻车机等应选用矿用防爆可逆式电磁启动器。
大功率的生产机械可使用矿用防爆型软启动器或变频启动器。
（4）煤电钻必须使用矿用隔爆型煤电钻综合保护装置，照明必须使用矿用隔爆型照明综合保护装置。
（5）局扇和掘进工作面电源开关要选用具有风电闭锁功能的专用组合开关。
（6）选择井下电气设备的参数一般按照额定电压UN、额定电流IN选择即可。
电气设备的额定电压要和电网的额定电压相同，电气设备的额定电流要大于其负荷电流。
高压配电箱和变电所低压馈电开关还要校验额定分断电流和短路动热稳定性。
表1-1常用矿用防爆开关技术参数表
序号
产品名称
型号
额定电流/A
额定开断容量/MVA）
额定开断电流/kA
热稳定电流和热稳定时间/kA/s
动稳定电流/kA
1
矿用隔爆高压配电箱
BGP9LG-□/6
50，100，150，200，250，315，400
100
12.5
12.5/2
2
PBG12-□/6
50，100，150，200，300，400
100
10
10/2
25
3
BGP9LG-□/10
50，100，150，200，250，315，400
200
12.5
12.5/2
4
BGP48-□/6
50，100，200，300
100
10
10/2
25
5
低压隔爆馈电开关
KBZ-□/1140（660）
500，630
12.5
6
KBZ-□/1140（660）
200，400
7.5
7
矿用隔爆真空电磁起动器
QJZ-□/1140（660）
315，400，500
4.5
8
QBZ-□/660（380）
80，120，200
2/2.5/4.5
9
QBZ-80+120
/660（380）
80+120
10
BQD-80N、120N/660（380）
80，120
第二节负荷计算
当我们为采区供电系统选配开关、变压器和电缆时，首先要计算这些设备所负担的功率和电流，这叫负荷计算。
负荷计算是正确选择开关、变压器等电气设备和电缆截面的基础。
负荷计算要计算的参数有三个：
一是负荷的有功计算功率，简称计算功率，用Pca表示。
它是负荷在运行时实际需要的长时最大有功功率，单位是kW（千瓦）。
二是负荷的视在计算功率，用Sca表示。
它是负荷在运行时实际需要的长时最大视在功率,单位是kVA（千伏安）。
用来选择变压器容量。
三是长时工作电流，用Ica表示。
它是负荷在实际运行时的长时最大工作电流，单位是A（安）。
用来选择开关和电缆截面。
这里的长时功率、长时电流是指持续30min的平均功率和平均电流。
与长时功率、长时电流相对的是瞬时功率、瞬时电流。
瞬时功率、瞬时电流有时会远大于长时功率、长时电流，但持续时间往往很短，不能作为选择电气设备的依据。
例如电动机起动时的瞬时最大电流可达其额定电流的数倍，但持续时间只有几秒。
一、负荷计算的方法
1.一台电动机的负荷计算
通常我们能够从铭牌上知道一台电动机的额定功率（PN）和额定电流（IN），则
（5-1）
在生产现场常常只知道电动机的额定功率和额定电压，而不知道额定电流。
电动机的额定电流可用式（5-2）计算。
但有些参数需要查电机手册才能得到，现场计算很不方便。
（5-2）
式中PN——电动机额定功率，kW；
UN——电动机额定电压，kV；
ηN——电动机额定效率；
cosφN——电动机额定功率因数。
下面介绍迅速估算电动机额定电流的方法，准确性可满足工程计算要求。
当电动机额定电压为380V时，IN≈2PN；
当电动机额定电压为660V时，IN≈1.15PN；
当电动机额定电压为1140V时，IN≈0.66PN；
当电动机额定电压为6kV时，IN≈0.12PN；
当电动机额定电压为10kV时，IN≈0.07PN。
例5-1有一台额定电压为660V，额定功率为40kW的电动机，试估算其额定电流。
解：
当电动机额定电压为660V时，IN≈1.15PN，把额定功率等于40kW代入公式
IN≈1.15×40=46A
2.一个用电设备组的负荷计算
生产工艺相同或相近，在生产过程中相互协同共同完成一项生产任务的多台生产机械称为一个用电设备组。
采区有采煤工作面、掘进工作面、集中运输等几类用电设备组。
设一个用电设备组有n台电动机，每台电动机的额定功率已知为PN1、PN2、PN3···PNn。
则总额定功率为：
（5-3）
但是这些电动机在生产运行时，一般不会同时工作，同时工作的电动机一般也不会同时满载，因此实际需要的功率Pca总小于ΣPN。
（5-4）
由Pca可计算出Sca和Ica
（5-5）
（5-6）
式中：
UN——额定电压，kV；
Kde——用电设备组的需用系数；
cosφ——用电设备组的加权平均功率因数。
Kde和cosφ均可由表5-1查得。
根据工作面的产量、地质状况以及生产工艺选择合适的数值。
地质条件好、产量高的工作面Kde和cosφ可取较大的值，反之，取较小的值。
上述负荷计算方法，称为需用系数法。
负荷计算的方法还有利用系数法、二项式法，不再赘述。
表5-1煤矿各组用电设备的需用系数和加权平均功率因数
用电设备组名称
需用系数
Kde
功率因数
tanφ
备注
井底
车场
无主排水泵
有主排水泵
0.6～0.7
0.75～0.85
0.7
0.8
1.02
0.75
采
区
无机组缓倾斜采煤工作面
0.4～0.6
0.6
1.33
有机组缓倾斜采煤工作面
0.6～0.75
0.6～0.7
1.33～1.02
急倾斜采煤工作面
0.6～0.65
0.6～0.7
1.33～1.02
无掘进机煤巷掘进工作面
0.3～0.4
0.6
1.33
有掘进机煤巷掘进工作面
0.5
0.6～0.7
1.33～1.02
井下
运输
架线式电机车
蓄电池电机车
输送机和绞车
0.4～0.7
0.8
0.6～0.7
0.9
0.9
0.7
0.48
0.48
1.02
例5-2一个缓倾斜炮采工作面，供电电压660V。
有SGB-620/40T刮板输送机5台，额定功率40kW；BRW80/20乳化液泵站2台（一台工作，一台备用），额定功率30kW；JH-8回柱绞车2台，额定功率7.5kW，小水泵2台，额定功率5.5kW，JD-11.4调度绞车2台，额定功率11.4kW；煤电钻2台，额定功率1.2kW。
试计算该工作面的负荷（Pca、Sca和Ica）。
解：
1）计算总额定功率
2）查表5-1，缓倾斜炮采工作面Kde取0.5，cosφ取0.6。
3）计算有功计算功率
4）计算长时负荷电流
A
5）计算视在功率
例5-3试计算项目中的综采工作面设备的负荷并选择工作面移动变电站容量。
解：
项目中的综采工作面设备，除下顺槽可伸缩皮带输送机和上顺槽设备外，均由工作面移动变电站供电。
1）计算总额定功率
2）查表5-1，综采工作面Kde取0.7，cosφ取0.7。
3）计算有功计算功率
4）计算视在功率
可选取一台KBSGZY-1000/10/1.2型矿用隔爆型移动变电站。
3.多个用电设备组的负荷计算
当一个变压器、开关或一条电缆向两个或两个以上用电设备组供电时，就需要计算这多个用电设备组的总功率和总电流。
步骤如下：
1）计算各组的ΣPN
2）查表5-1选取各组的Kde、cosφ和tanφ
3）计算各组的Pca和Qca
（5-7）
4）计算PcaΣ和QcaΣ
（5-8）
（5-9）
式中Ksp——用电设备组间的有功功率同时系数，取0.85~0.95；
Ksq——用电设备组间的无功功率同时系数，取0.9~0.97。
为简化计算，当只有2~3组用电设备时，Ksp和Ksq可取1。
5）计算Sca
（5-10）
例5-4设一个炮采工作面和一个掘进工作面由一台变压器供电，已知：
炮采工作面Pca1=140.6kW，cosφ1=0.6，tanφ1=1.33；掘进工作面Pca2=58kW，cosφ2=0.6，tanφ2=1.33；电动机额定电压660V。
试计算变压器的总负荷，并选择变压器的容量。
解：
需选用KBSG-400/6/0.693矿用隔爆型干式变压器，其额定容量为400kVA。
第三节电缆导线截面计算
电缆导线截面的选择是井下供电计算的关键。
合适的电缆导线截面，可以使电缆安全运行，可以使电动机电压正常、高效运行，可以使过流保护动作灵敏度校验容易满足要求。
通常井下电缆线路导线截面计算可分为三种情况。
1.短电缆
当电缆长度较短，且负荷不太大时，按以下步骤计算电缆截面。
（1）按长时允许电流初选电缆导线截面；
（2）给采掘工作面生产机械供电的支线电缆要校验机械强度允许最小截面。
2.低压长电缆
当电缆长度较长，或负荷较大时，按以下步骤计算电缆截面。
（1）按长时允许电流初选电缆导线截面；
（2）校验允许电压损失。
3.高压电缆和变电所内的低压电缆
（1）按长时允许电流初选电缆导线截面；
（2）长电缆要校验允许电压损失。
（3）校验短路热稳定性，详见本章第四节。
一、电缆导线截面的计算方法
1.按长时允许电流初选电缆导线截面
导线是有电阻的，当电流通过时会发热。
温度过高会缩短电缆寿命、烧坏电缆绝缘，造成短路，使电缆报废。
长时允许电流是导线能长期通过又不过热的最大电流。
表5-2是井下常用电缆在空气中敷设时的长时允许电流。
为了使导线在正常运行时不超过其长时允许温度，流过导线的长时工作电流不得超过导线的长时允许电流。
即
≥
（5-11）
式中Ip——标准环境温度（一般为25℃）时导线的长时允许电流；
Ica——导线的最大长时工作电流。
例5-5试为例5-2的采煤工作面选择电缆线路截面。
解：
在例5-2中，已计算出工作面负荷的长时工作电流Ica=205A。
查表5-2，选取70mm2低压矿用橡套电缆，其长时允许电流Ip=215A，Ip＞Ica，满足要求，初选合格。
表5-2井下常用电缆在空气中敷设时的长时允许电流A
导线截面
mm2
聚氯乙烯绝缘铠装电缆
交联聚乙烯绝缘细钢丝
铠装电缆
矿用橡套
电缆
1kV四芯
6kV三芯
6kV
10kV
低压
高压
铜芯
铝芯
铜芯
铝芯
铜芯
铝芯
铜芯
铝芯
铜芯
铜芯
4
6
10
16
25
35
50
70
95
120
30
39
52
70
94
119
149
184
226
260
23
30
40
54
73
92
115
141
174
201
56
73
95
118
148
181
218
251
43
56
73
90
114
143
168
194
211
260
318
367
163
203
246
285
148
180
214
267
324
372
115
140
166
207
251
288
36
46
64
85
113
138
173
215
260
320
53
72
94
121
148
170
205
250
注：
表中长时允许电流是环境温度为25℃时的数值，如果环境温度不是25℃，则需要修正。
实际中，如果环境温度高于25℃，可选择大一级的截面。
表5-3矿用橡套电缆接地和控制芯线配置mm2
主芯线截面
接地芯线截面
控制芯线截面
主芯线截面
接地芯线截面
控制芯线截面
升级会员 