10 第十章 电气.docx
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10第十章电气
第十章电气
变更主要内容：
⑴矿井两回电源架空线路改造；⑵地面工业场地10kV变电所改造；⑶下井主电缆改造；⑷新增井下采区变电所；⑸新增井下无线通信系统和广播通信系统；⑹新增紧急避险系统配套设计；⑺重新计算电力负荷。
变更原因：
⑴由于原设计对矿井两回电源线路叙述有误，本次经现场实际调研确需改造；⑵经多次与矿方协商和实际调研，原变电所设备及保护已进入更新和升级换代时期，还有结合本次电力负荷计算，对变电所提出了详细改造内容；⑶结合现场已有入井电缆，根据负荷要求，进行了详细验算和校验，现有系统不满足要求，确需改造；⑷根据矿井开拓部署，井下9号煤层增设采区变电所，同时新选设备和供电线路；⑸根据《国务院关于进一步加强企业安全工作的通知》（国发[2010]23号）文件精神和国家安全监管总局、国家煤矿安监局“安监总煤装[2010]146号”文、山西省煤炭厅“晋煤救发[2010]1645号”文要求，本次新增设了井下无线通信系统和广播通信系统设计内容；⑹结合国家政策和矿井建设要求，新增井下紧急避险系统同时需要完善其它系统的接入和配置；⑺由于地面副斜井提升机为新设以及井下采掘工作面部分设备变化、井下运输设备变化等，引起电力负荷发生变化，本次重新计算和验算。
10.1供电电源
昌都煤业矿井双回10kV电源引自高都110kV变电站10kV侧不同母线段，经现场实际调研现有导线均为LGJ-95，采用混凝土电杆架设，供电距离约3.0km，采用一回运行一回带电热备用运行方式。
本次设计对现有架空导线进行了验算，并提出了改造方案
矿方与地方供电部门已签订了供电协议和增容证明，同意申请需增容量3920kVA，矿井需要总容量为6100kVA，但是，最终增容标准依据设计批复确定。
本次设计矿井双回10kV电源点不做变动，仍引自高都110kV变电站不同母线段，即557线和560线，改造后导线型号为LGJ-240，采用混凝土电杆分别架设，供电距离约3.0km。
高都110kV变电站是地方区域变电站，设1台40MVA容量变压器，1台31.5MVA容量变压器，一用一备。
其一回110kV电源引自北义城220kV变电站，供电距离约4.0km，导线LGJ-185；另一回110kV电源引自泽州220kV变电站，供电距离约3.6km，导线LGJ-185。
高都110kV变电站在昌都煤业工业场地东南方向。
昌都煤业供电可靠且容量有保障。
供电协议和增容协议见附录。
供电系统地理接线见图10-1-1。
图10-1-1昌都煤业供电系统地理接线图
10.2电力负荷
10.2.1负荷统计
全矿井计算负荷如下：
有功功率：
3923.43kW无功功率：
3356.08kVar
视在功率：
5163.0kVA自然功率因数：
0.76
考虑全矿井同时系数0.9以及变压器和线路损失后的最终负荷：
有功功率：
3707.64kW无功功率：
903.49kVar
视在功率：
3816.13kVA无功补偿容量：
2400kVar
补偿后功率因数：
0.97
负荷统计详见表10-2-1变压器选择见表10-2-2。
10.2.2吨煤电耗
经计算全矿井原煤吨煤综合电耗：
18.22kW·h/t。
10.3送变电
10.3.1矿井供电系统技术特征
经多次现场勘查，矿井现有双回10kV线路为LGJ-95导线，是否能满足矿井整合后的用电量，需要经过验算才能确定。
经实际调研，原有10kV变电所内主要设备需要进行更换，还有保护系统到了升级换代时期，为保证矿井安全供电，需要更换原设备，选择先进的节能型配电装置和保护系统。
矿井电源点不变，双回10kV电源引自高都110kV变电站不同母线段，供电距离约3.0km。
正常情况下，两回电源线路采用一回运行一回带电热备用运行方式，当任一回路发生故障或停电检修时，另一回路保证担负全矿井用电负荷，并且两回电源线路上严禁分接任何负荷以及严禁装设负荷定量装置。
结合矿井场地和现有实际情况，本次设计10kV、660V、380V系统仍为户内布置形式，变压器也采用户内布置。
各系统均为单母线分段接线方式。
矿井供配电电压等级：
地面为10kV、660V、380/220V；井下为10kV、1140V、660V、127V。
10.3.2送电线路技术特征
10.3.2.1气象条件
线路设计采用如下气象条件：
最高温度+38.6℃（采用+40℃）；最低温度-22.8℃（采用-30℃）；年平均气温+10℃；最大风速25m/s；覆冰厚度5mm；年雷暴日40；冰比重0.9。
设计计算用气象条件的组合见表10-3-1。
本线路双回全部采用了钢筋混凝土电杆。
表10-3-1计算气象条件组合
序号
气象条件
气温（℃）
风速（m/s）
冰厚（mm）
1
最高气温
+40
0
0
2
最低气温
-30
0
0
3
年平均气温
+10
0
0
4
最大风、无冰
-5
25
0
5
覆冰、无风
-5
0
5
6
覆冰、相应风
-5
10
5
7
内部过电压
+10
15
0
8
大气过电压
+15
0
0
9
大气过电压、相应风
+15
10
0
10
安装情况
-10
10
0
11
事故情况
-10
0
0
12
雷暴日数（天）/年
40
10.3.2.2导线选择和验算
因矿井已架设两回LGJ-95导线，本次设计依据计算负荷对此进行校验。
1.按经济电流密度选择导线截面
全矿井总用电最大负荷S=3816.13kVA（补偿后的值且考虑同时系数）。
查《煤矿电工手册》第二分册表7-4-1得导线经济电流密度J=0.9A/mm2（三班制按年最大负荷运行时间大于5000小时选择），由公式计算负荷电流：
I=
=
=220.3（A）
计算经济截面Aj=
=245mm2。
按上述计算，导线选择LGJ-240型，截面240mm2较为合理。
2.按载流量校验
查《工业与民用配电设计手册》第三版表9-47得LGJ-95型钢芯铝绞线25℃时载流量为335A，40℃时载流量为272A，能满足矿井220.3A负荷要求。
LGJ-240型钢芯铝绞线25℃时载流量为610A，40℃时载流量为494A，满足矿井220.3A要求。
3.按电压损失校验导线截面
根据确定的矿井供电电源点，供电距离3.0km。
矿井总负荷P=3707.64kW=3.70764MW，查《工业与民用配电设计手册》第三版表9-71得：
LGJ-95和LGJ-240型钢芯铝绞线的单位长度电压损失分别为Δu%=0.531%和Δu%=0.299%（功率因数cosφ=0.97时），代入公式：
ΔU%=Δu%·P·L=0.531%×3.70764×3=5.91%＞5%
ΔU%=Δu%·P·L=0.299%×3.70764×3=3.33%＜5%
原有LGJ-95导线不能满足电压降要求。
4.结论及改造方案
综合上述计算和验算内容，现有双回10kV架空线路，导线型号为LGJ-95虽能满足矿井载流量要求，但是不满足经济截面和电压降要求，为此，本次设计双回线路全部更换导线为LGJ-240。
原有线路作为矿井基建期间用电。
10.3.3地面变电所
10.3.3.1位置选择
昌都煤业工业场地已经形成，已有变电所位置处于工业场地负荷中心，不受洪水威胁，在满足规程规范要求的情况下，10kV变电所实施尽量充分利用，经现场调研，部分配电装置为高耗能设备需要更换，还有保护系统达到升级换代时期，为此本次设计变电所位置和建筑不变，更换高低压配电装置和保护系统，原有660V系统变压器暂不变动。
10.3.3.2主接线及主要设备选型
1.主接线
本设计10kV、660V、380/220V等系统开关、无功补偿装置和变压器均采用室内布置方式。
各系统主接线采用单母线分段接线方式，在10kV进线装设备自投装置。
10kV两回电源进出线采用YJV22-10kV-3×240型交联铠装电力电缆终端与LGJ-240架空导线连接，电缆头选择3M型。
2.设备选型
变电所新选设备有：
KYN28A-12型10kV开关柜、GCY型660V和380/220V开关柜、无功补偿成套装置、保护装置。
变压器选型：
经调研，现场有两台SGB11-800/10、10/0.69kV、800kVA干式变压器，一台SGB11-250/10、10/0.4kV、250kVA变压器，一台150kW发电机。
本矿井地面660V用电负荷有：
主井胶带机、副井提升机、主通风机。
地面660V系统在考虑最大负荷重合系数1.0时，计算其最大负荷为P=632.25kW、S=766.95kVA，当采用原有两台800kVA容量变压器（一用一备）供电时负荷率为95.87%，长期运行不合理，结合现场实际改造难度，矿井基建期间，也就是副斜井提升机不在满负荷运行时，暂不更换变压器，当660V设备均在满载运行时，矿井要适时更换其两台变压器，容量分别为1000kVA，采用一用一备运行方式。
地面生产生活380/220V负荷有：
空压机、办公、灯房浴室、水处理及其主井和副井生产系统等。
地面380/220V系统在考虑最大负荷重合系数1.0时，计算其最大负荷为P=1039.10kW、S=1283.51kVA，原有一台250kVA变压器不能满足要求，新选两台两台800kVA变压器同时运行以满足负荷要求，荷率为80.22%，在其中一台故障停运或检修时，另一台保证系数56%。
为便于变电所运行维护、值班管理，新设变压器选用低损耗（节能型）双绕组干式变压器，采用室内布置方式。
变压器选型详见表10-2-2。
10.3.3.3无功补偿及谐波治理
根据负荷统计补偿前自然功率因数cosφ=0.76；补偿后功率因数cosφ=0.97，满足要求。
无功补偿方式：
采用集中在10kV两段母线分别进行1200kVar容量的无功补偿，补偿总容量2400kVar。
采用SVG补偿方式。
由于矿井采用了大量变频设备和变流设备，对电网将产生谐波污染，为保证电网供电质量，结合晋煤集团选型委员会精神，本设计采用目前较为先进的自换相电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，即SVG无功补偿方式（StaticVarGenerator），不采用传统的分组投切电容器补偿方式（SCV）。
SVG采用了PWM技术、多电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，做到多功能化。
SVC自身要产生很大的谐波电流，所以还需要安装相应的FC滤波装置，增加了额外的成本。
SVC对电压闪变的抑制最大可达2:
1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5:
1，甚至更高。
SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。
而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。
而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。
这是其技术本质的缺点。
10.3.3.4单相接地电容电流验算
根据《矿山电力设计规范》GB50070-2009第3.0.9条规定矿山企业高压电网（6kV或10kV系统中性点不接地、高电阻接地或消弧线圈接地）应采取措施限制单相接地电容电流不超过10A的要求，以及《煤矿安全规程》第457条规定矿井高压电网必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A的要求，经调研本矿井上级两电源点主变压器及高压系统为中性点经消弧线圈接地方式（即10kV系统为中性点不直接接地系统），本设计将流经单相接地故障点的电流限制在10A以内，随时测定单相接地电容电流并上传数据给两电源调度中心，以调整和投入消弧线圈装置补偿值。
以下为本矿井单相接地电容电流计算过程。
昌都煤业投产时，工业场地10/0.4kV变电所及井下主变电所馈出的主要线缆及长度见表10-3-2和表10-3-3。
表10-3-210/0.4kV变电所馈出的主要线缆及长度表
序号
用户
线缆型号及规格
供电距离（km）
备注
1
污水处理站箱式变电站
YJV22-10kV-3×35mm2
0.5
双回
2
下井主电缆
MYJV22-10kV-3×120mm2
1.1
双回
3
下井电缆
MYJV22-10kV-3×70mm2
1.2
双回
表10-3-3井下主变电所馈出电缆型号及长度表
序号
馈出电缆的变电所
线缆型号及规格
供电距离（km）
备注
1
中央（主）变电所
MYJV22-10kV-3×120mm2
1.6
至采区变
2
采区变电所
MYPTJ-10kV-3×50+3×16/3+3×2.5mm2
0.9
首采面
3
采区变电所
MYPTJ-10kV-3×50+3×16/3+3×2.5mm2
1.2
掘进面
4
采区变电所
MYPTJ-10kV-3×50+3×16/3+3×2.5mm2
1.0
运输
根据统计各变电所馈出电缆、架空导线长度，查《煤矿电工手册》表1-3-1以及《工厂配电设计手册》表4-18中6～35kV架空线路和电缆线路电容电流值，计算单相接地电容电流见表10-3-4。
表10-3-4电容电流计算表
序号
电缆型号规格
长度（km）
电容电流（A/km）
计算值（A）
备注
1
YJV22-10kV-3×35mm2
0.5
0.69
0.345
双监视屏蔽电缆考虑1.5系数
2
MYJV22-10kV-3×70mm2
1.2
0.9
1.080
3
MYJV22-10kV-3×120mm2
2.1
1.3
2.73
4
MYPTJ-10kV-3×50+3×16/3+3×2.5mm2
3.1
0.766
2.375
3.5619
合计
6.53
7.717
再加上变电所内变、配电设备所引起的增加18%电容电流，IC=（1+18%）×7.717=9.1A<10A。
为此，投产时上级地面变电所不投入消弧线圈补偿装置。
10.3.3.5所用电及操作电源
所用电由低压系统不同母线段引来双回380/220V电源。
系统操作电源采用220V直流电源。
10.3.3.6过电压保护及防雷、接地
1.直击雷保护
变电所已采用单支30m高独立避雷针作为本变电所的直击雷保护。
变电所保护高度按7.0米计算，避雷针设独立的接地装置，接地电阻设计小于10欧。
2.过电压保护
为限制线路侵入的雷电波过电压，在10kV进出线终端杆塔上装设氧化锌避雷器，以及10kV每段母线也分别装设了避雷器。
10kV并联电容器根据规定也装设氧化锌避雷器保护。
3.接地
为保证人身安全和设备的正常运行，本变电所室外设主接地网，接地方式以水平接地体为主，辅以垂直接地极，主接地网采用50×8镀锌扁钢，接地极采用φ50镀锌钢管。
变电所主接地网接地电阻应小于4欧，所有设备支架和母线、进出线构架应设单独接地引下线，并与主接地网可靠焊接。
变电所入口处设置与主接地网相连的均压带。
10.3.4短路电流计算
10.3.4.1计算依据
现场提供高都110kV变电所10kV母线最大运行方式下系统阻抗为0.21，最小运行方式系统阻抗为0.471。
根据两电源运行（一运一带电热备）方式和上述阻抗值，计算短路电流。
基准容量为100MVA，基准电压为各级的平均电压即：
10.5kV、0.69kV、0.4kV；对应基准电流为5.5kA、83.68kA、144.3kA。
根据全矿井负荷及660V、380V系统负荷计算各级工作电流为220.3A、803.7A、1415.8A。
短路电流计算系统见图10-3-1。
短路电流计算等值阻抗见图10.3-2。
图10-3-1短路电流计算系统简图
图10-3-2短路电流计算等值阻抗图
10.3.4.2计算结果
大小运行方式下短路电流计算结果见表10-3-5、10-3-6。
表10-3-5最大运行方式下短路电流计算结果表
短路点
阻抗标么值
Z∑*
三相短路电流
IK（3）
（kA）
冲击电流瞬时值
ish（3）
（kA）
全电流最大有效值
Ish（3）
（kA）
短路容量
SK
（MVA）
K1
0.71
7.47
19.755
11.698
140.887
K2
3.523
40.959
104.446
61.848
28.377
表10-3-6最小运行方式下短路电流计算结果表
短路点
阻抗标么值
Z∑*
三相短路电流
IK（3）
（kA）
冲击电流瞬时值
ish（3）
（kA）
全电流最大有效值
Ish（3）
（kA）
短路容量
SK
（MVA）
K1
0.971
5.664
14.443
8.553
103.006
K2
3.784
38.134
97.242
57.582
26.419
由上述表中计算结果看出，矿井在最大方式下短路电流和短路容量最大，为此，在选择和校验主要电气设备时以此为参数进行。
10.3.4.3主要电气设备选择及校验、互感器变比
10kV系统选择VL1-EP-10/1250-31.5型和VL1-EP10/630-25型真空断路器；660V系统和380V系统进线及联络选择DW15型空气断路器，出线选择塑壳式。
10kV系统开关柜为手车式，660V和380V系统开关柜均为抽屉式。
10kV、660V、380V系统电流互感器型号分别为LZZBJ-12、LM1-0.66/0.38。
开关柜中主要电气设备的动、热稳定校验见表10-3-7。
工业场地10kV供电母线的最大三相短路容量为140.887MVA（见表10-3-5中K1点），井下中央变电所PBG-10Y型矿用隔爆型真空配电装置断路器开断容量为227.3MVA，故在下井回路中不需加装限流电抗器。
工业场地变电所10kV出线最小铜芯电缆截面为35mm2。
工业场地变电所10kV出线最小电流互感器变比为50/5。
表10-3-7主要电气设备动、热稳定校验表
计算值
设备允许值
工作
电压
（kV）
工作
电流
（A）
动稳定
ish（3）
（kA）
热稳定
Ish（3）
（kA）
短路
电流
IK（3）
（kA）
设备
名称
设备
型号
额定
电压
（kV）
额定
电流
（A）
动稳定
ish（3）
（kA）
热稳定
Ish（3）
（kA）
额定
开断
电流
IN
（kA）
10
220.3
19.755
11.698
7.47
真空
断路器
VL1-EP-10
10
2500
100
40
（4s）
40
14.443
8.553
5.664
电流
互感
器
LZZBJ-12
350/5
80
40
（1s）
0.66
803.7
104.446
61.848
40.959
断路
器
DW-15
0.66
3150
150
80
80
97.242
57.582
38.134
电流
互感
器
LM1-0.66
2500/5
150
80
0.38
1415.8
104.446
61.848
40.959
断路
器
DW-15
0.38
3150
150
80
80
97.242
57.582
38.134
电流
互感
器
LM1-0.38
2500/5
150
80
10.3.5继电保护装置
1.本次设计变电所采用微机综合自动化装置，该系统主要具有以下功能及特点：
⑴系统为分层、分布式多CPU的综合自动化系统，分别由后台机、前置机和若干保护测控子装置组成。
配置、扩展、组态灵活、控制管理集中、功能分散，数据处理实时性强，传输安全可靠，操作灵活方便。
⑵系统具备各种继电保护、测量、实时数据采集、运行工况监视、控制操作、打印制表、自动控制与调节等功能。
⑶系统包括全部远动功能。
上传数据至电力调度，实现远程维护、升级等功能。
⑷各保护测控装置与前置机通过双回现场总线进行通信（采用IEC国际标准认可的现场总线方式。
具有极高的可靠性和传送能力，网络上任一单元故障不影响网络内其它单元的正常通讯。
网络扩充方便，可满足将来扩展需要）。
保护测控装置、前置机与后台机间通过以太网接口进行通信。
⑸本次设计变电站综合自动化网络、前置机和后台部分为双套自动切换配置，系统10kV馈线采用分散结构就地安装在开关柜，选线、消弧等其余采用屏柜结构集中组屏。
配置笔记本电脑一台实现远程维护功能。
2.继电保护配置
10kV配电装置及变压器采用微机保护监控装置，各主要设备保护分述如下：
变压器：
设差动保护、限时过电流保护、过负荷、温度等保护。
10kV进线：
电流速断保护、定时限电流速断保护、过电流保护。
10kV母线分段：
定时限电流速断保护、备自投。
10kV出线：
电流速断保护、定时限电流速断保护、过电流保护。
660/380V进线：
电流速断保护、过电流保护。
660/380V母线分段：
电流速断保护、备自投。
660/380V出线：
电流速断保护、过电流保护。
3.控制方式
10kV配电装置采用弹簧储能直流操作机构，在控制室内安装一套100Ah直流屏，为高压柜控制和保护提供直流电源。
在盘柜上设就地转换开关同时实现就地操作及控制室运动操作功能。
开关柜采用集中控制和就地控制相结合的方式：
10kV进线、变压器高低压侧开关、母线分段开关采用集中控制方式；10kV馈出线和660/380V系统采用就地操作控制。
控制室内设微机综合自动化装置，可在任何设备发生故障或异常时发出相应的事故信号和预告信号。
通过后台机可对任何设备进行操作，并设有远动装置将所有信号上传至电力调度。
4.电度计量
本次设计在10kV进出线设电度计量，均采用DSSS331-1TF全电子多功能交流电能表，10kV进线电度表安装于控制室计量屏上，其余电度表就地安装于开关柜上。
10.4地面供配电
10.4.1地面配电系统
10.4.1.1高压配电系统
矿井进线电源采用10kV电压等级。
结合现场情况，本矿井地面不涉及高压供配电系统。
10.4.1.2低压配电系统
主井胶带机、副井提升机、主通风机属于二级以上负荷均采用双回660V电源供配电，引自10kV变电所660V系统不同母线段，采用单母线分段接线形式，设分段联络开关。
污水处理站、灯房浴室、空压机房、消防泵房等配电室均采用双回380/220V电源供配电，引自10kV变电所380/220V系统不同母线段，采用单母线分段接线形式，设分段联络开关。
主井胶带机：
主斜井现设一台1000mm宽、电机功率2×90kW、额定电压660V胶带输送机，井口设电控室，其双回660V电源引自10kV变电所不同母线段，导线采用YJV22–1kV交联聚乙烯绝缘（聚氯乙烯绝缘）电力电缆，采用PLC控制的四象限变频器控制方式。
副井提升机：
新设一台JK-2.5/30E提升机、电机功率315kW、额定电压660V，电控室双回660V电源引自10kV变电所不同母线段，导线采用YJV22–1kV交联聚乙烯绝缘（聚氯乙烯绝缘）电力电缆，采用PLC控
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