第6节井下供电设计Word文档格式.docx

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第二节变电所及配电点位置的确定

一、变电所位置选择

在第一章第二节中已对一井下主变电所、采区变电所以及配电点的设置原则进行过讨论。

在这里仅结合本节实例具体进行讨论。

根据采区变电所位置选择原则，采区变电所要位于负荷中心，顶底板稳定且无淋水、通风好、运输方便的地方。

对照图6-1，有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个位置，而考虑到用尽可能少的变电所向全采区供电的原则，本采区变电所的位置大体有如下三个方案：

方案I：

一个采区变电所向全采区供电；

方案Ⅱ：

一个采区变电所先后设在两个位置，分别在采区开采前期和后期向全采区供电；

方案Ⅲ：

一个采区变电所和一台移动变电站联合向全采区供电。

下面对这三个方案进行具体分析。

对于第一方案，在一处设一个变电所向全采区供电，以设在Ⅱ处较为理想（接近负荷中心）。

然而，由于额定电压660V、采区设备总容量为890.2kW，采煤机功率为170kW，查表1-6得知，当采用截面为70mm2的低压电缆时，其干线最大供电距离仅为230m。

实际上，由于l点至第一段平巷的距离为75m、第一区段长为150m，采区一翼走向长为600m，回采工作面配电点随工作面每推进50~70m移动一次的下限距离为50m，再计及电缆在变电所内的出线长20m以及橡套电缆应比实际长10％的系数，则低压干线电缆的实际供电距离L＝（20+75+150+600-50）×

1.1＝874.5m。

这样，即使考虑用两条70mm2截面的低压电缆供电，这时的最大供电距离仅为2×

230=460m<

874.5m，不能满足采煤机起动端电压的要求，故第一方案实际不可取。

对于第二方案，设想先在Ⅱ处开硐室设变电所，后期再向I处搬移，则读者可自行推算它不仅需多开一个硐室加大投资，且同样不能使采煤机起动端电压满足要求，因而也不可取。

最后考虑第三方案，即先在采区负荷中心的Ⅱ处建立一个固定采区变电所，另外再加一个移动变电站向回采工作面采煤机等设备供电。

本方案虽有投资增加之缺点，但却可将高压深入负荷中心，具有提高供电质量的优点，因而选定这一方案。

对于移动变电站，通常有三种可供选取的布置方法，即①设置在顺槽口，向平巷输送机供电；

②设置在运输巷内，且在输送机侧敷设供移动变电站专用轨道，并将其设在距工作面100~150m处；

③为缩小巷道截面，不为移动变电站专设轨道，可通过工作面机巷与下一工作面回风巷的联络巷，将移动变电站设在未进行开采的下一工作面的回风巷内（此巷有轨道）。

鉴于本题给定的是西翼开采、东翼掘进，故拟参照上述移动变电站布置方式①和②，将其设在回采面运输平巷内。

在此情况下，由表1-6查得，若采煤机电缆截面为50mm2，则其660V低压干线的最大供电距离为182m。

因计及除采煤机外，移动变电站还要向其它设备供电，故其实际最大供电距离要比由表1-6查到的值小，所以，最后考虑将移动变电站设在距工作面150m处的回采面运输平巷内。

二、工作面配电点的设置

1．采区用电设备的布置

根据采区具体的开采情况，首先对题目给定的负荷作全面分析，从中了解其设备名称、数量、每台设备的电气性能，并了解它们在采区的分布情况及相互关系，将各用电设备标明在图6-1中。

2.采区配电点的配置

关于此项内容因在本书第一章第二节中已有介绍，故此不再赘述。

结合本题情况，采区工作面配电点的具体布置为：

回采工作面配电点设在运输平巷内，它与工作面相距50m；

回风顺槽配电点距工作面70m；

掘进工作面配电点有两个，它们分别设在东翼第一区段上、下部的顺槽内，且距掘进头80m；

在上山采区绞车房附近设一配电点。

第三节负荷统计及变电所容量选择

一、负荷统计

l．概述

在按本章第二节介绍的过程确定了变电所的位置后，接下来就需进行采区用电负荷的统计，并据此决定采区变电所变压器的容量，型号及台数。

变压器选择是否合适，与采区供电的技术、经济性能关系极大。

若其容量偏小，将会使由它所带的电气设备和工作机械不能正常运转，影响供电的安全、可靠；

若其容量偏大，则又会导致变电所投资的提高和变压器能量损耗的增加，造成浪费。

很明显，若正确选定变压器，必先准确求得其各用电设备的实际负荷。

但是，由于各用电设备在运行中的负荷是随时变化的，且不应超过其额定容量（即铭牌功率），又由于各用电设备一般并不都同时出现，所以各用电设备的实际负荷之和，总是要比它们铭牌值直接相加的数值低。

因此，在选择变压器前，必须先介绍实际负荷的求取方法。

目前，有多种计算实际负荷的方法，其中由概率理论导出的需用系数法，得到了广泛的应用。

2．需用系数法

需用系数法是一种借助于一些统计数据，通过计算手段，由各用电设备的额定功率求取计算负荷的方法，该法所使用的公式为

（6-1）

式中Sca——组用电设备的计算负荷，kVA；

——具有相同需用系数Kde的一组用电设备的额定负荷之和，kW;

wm——组用电设备的加权平均功率因数，即各用电设备的功率与功率因数的乘积

之和与它们的总功率之比；

Kde—一需用系数，用公式表示为

式中Klo——负荷系数，因一组用电设备中的各用电设备未必全能在满负荷下运行，故以

其表示在最大负荷时，工作着的用电设备的实际所需功率与全部用电设备容量比值；

KSI——同时工作系数，因各用电设备不同时工作，故以其表示在最大负荷时，工作着的用电设备的容量与全部用电设备总容量的比值；

ηwm——同时工作设备的加权平均效率，它反映各用电设备的平均功率损耗，即各用电设备的功率与效率的乘积之和与总功率之比；

ηm——电网效率，它反映给该组用电设备供电的线路在输送功率时，所产生的线路功率损耗占输送功率的比值，对井下供电线路，一般取0.9~0.95。

要强调指出的是，虽然在上面分别介绍了需用系数Kde中各项因子的含义，但在实际计算时，并不是根据它们求得需用系数。

这是因为要计算式中那些因子，本身就是既困难又复杂的。

所以，通常的做法是：

根据统计实测，先将不同类型、不同工作条件下的用电设备的需用系数列成一个表，再根据实际情况查表求得。

对于加权平均功率因数

，也采用同样的方法处理。

表6-2列出了井下用电设备的需用系数Kde及它们的加权平均功率因数

。

对于采煤机电动机，计算负荷时取长时容量；

当有功率因数补偿时，取补偿后计算的功率因数。

二、采区动力变压器的选择

1.原则

根据设计部门和施工现场的经验，在确定变压器台数和容量时，应当根据采区供电系统的几种情况及变压器配套设备的费用、变电所硐室的尺寸及开拓费用、对负荷供电的经济性（即效率）和是否有适当的备用容量等因素，综合加以分析，再拟出几种可行的方案，进行技术、经济比较，最后再确定出最好的方案。

目前在采区变电所中主要采用KSJ或KS7系列矿用变压器，有条件时应优先采用KSGB型隔爆干式变压器。

因本例属新设计采区，故拟采用KSGB型隔爆干式变压器。

2.采区变压器容量、台数的确定

1）步骤

根据综合技术、经济指标，确定采区变压器容量及台数，需经如下步骤：

（1）先依公式（6-1）按需用系数法，初步选取。

此时，一般可先根据设备布置及容量，确定几个分组方案，分别求出各方案下的各组的计算容量，再据它们初选变压器的容量及台数，然后根据不同分组方案进行后续的比较。

（2）计算所选变压器的经济负荷率

（6-3）

式中βec——考虑了变压器的年有功、无功电能损耗后的综合效率最高的负荷率；

T0——变压器的年受电小时数，一般取8760，h；

τ——变压器的年最大功率损耗小时数，实际进行计算时，可先从表6-3查出各类用

户年最大负荷利用小时数Tmax，再从图6-2的τ=f（Tmax）曲线，按用电设备的功率因数

值求得；

Kec.re——无功功率经济当量，指每输送1kvar无功功率所消耗的有功功率数值，一般取0.1kW/kvar，

ΔPid.T——变压器空载有功功率损耗，kW；

ΔPNT——变压器短路有功功率损耗，kW；

ΔQid.T——变压器空载无功功率损耗、kvar，它可借式ΔQid.T=Iid.T％·

SN/100求出，其中

Iid.T％为变压器空载电流的百分数，SN为其额定功率值；

ΔQNT——变压器短路无功功率损耗，kvar，它可借式ΔQNT=us％·

SN/100求出，其中us%为变压器阻抗电压的百分比，SN同上。

表6-3各类用户年最大负荷利用小时数

用户类别

室内照明

一班制企业

两班制企业

三班制企业

Tmax,h

1500~2500

2000~3000

3000~4500

4500~7000

（3）计算变压器的无功和有功功率损ΔQNT及ΔPT

（6-4）

（6-5）

（4）计算变压器的年运行费用F

（6-6）

式中Z——变压器的一次设备投资，元；

γ——资金利用率，取10％；

n——变压器服务年限，一般取20年；

FZ一变压器固定运行费比率，取8％；

Fj一一基本电价，按6元／kW·

月计；

Fd一电度电价，按0.055元／kW·

h计。

式（6-6）为以最小的费用支出，获得最佳经济效益的计算公式。

2）确定本例采区变压器的容量及台数

我们提出如下三个方案

〔第一方案〕1台移动变电站2台电力变压器

负荷分组及变压器容量选择：

I组：

采煤机、刮板输送机、转载机、喷雾泵2台、乳化泵2台、调度绞车、电钻变压器、小水泵。

总负荷：

∑PN=170+150+40+2×

30+2×

55＋1.2＋4＋11.2＝546.4kW

据表6-2中的式子算出Kde=0.286+0.714

并根据表6-2取

=0.6，再依式（6-1）求得

选KSGZY-500／6型移动变电站l台。

Ⅱ组：

胶带输送机、液压安全绞车、小水泵、调度绞车、采区上山输送机、照明变压器。

依与上同样过程，求得总负荷为∑PN=177.2kW，据式（6-1）求得变压器计算负荷为ScaT2=126.5kVA，选KSGB-200/6型变压器1台。

Ⅲ组：

装煤机（2台）、局部扇风机（2台）、调度绞车（2台）、电钻变压器（2台）、小水泵（2台）、采区上山绞车、照明变压器。

总负荷∑PN=188.2kW，变压器计算负荷ScaT3=44.8kVA,选择KSGB-200/6型变压器1台。

〔第二方案〕1台移动变电站，1台电力变压器负荷分组及变压器容量选择：

用电设备及选择结果均与第一方案I组相同。

用电设备容量为第一方案中的Ⅱ、Ⅲ组用电容量之和，即Sca.T=271.26kVA,据此选KSGB-315／6型变压器l台。

（2）技术经济比较

按相同部分不参加比较的原则进行。

①变压器功率损耗计算

a.方案一、Ⅱ组的KSGB-200/6型变压器用式（6-4）、（6-5）计算出

方案一、Ⅲ组的KSGB-200/6型变压器

依与上相同方法得：

ΔQT=11.65kvar；

ΔPT=3.331kW。

b．方案二的其它变压器的计算结果均已算出并列于表6-4中。

②变压器年运行费计算

a.方案一、Ⅱ组KSGB-200/6型变压器

从表1-21b知该变压器参数为：

ΔPid.T=1000W，ΔPN.T=1400W，

us％=4，Iid.T％=2.5，因而算得

又根据式（6-6）求得

F=7595元

方案一、l组KSGB-200/6型变压器

依与上相同的方法得F=7712元。

b.方案二也依上述方法计算，结果见表6-4。

③硐室开拓费用

设采区变电所碉室断面如图6-3所示。

和方案二比较，方案一多1台KSGB-200/6隔爆动力变压器和相应的高、低压开关各1台。

故方案一的采区变电所比方案二长1台高压开关宽度（1.104m）、加高压开关与变压器的间隔（1.5m）和一台变压器长度（2.38m）、再加1台低压开关的宽度（0.885m）和两台低压开关图6-3方案比较用采区变电所铜室断面间的距离（0.8m），合计为6.679m。

采区变电所净断面

采区变电所掘进断面

方案一应多掘进体积12.2×

6.679=81.48m3

由井巷工程概算指标中查得料石砌漩单价为184元／m3。

方案一采区变电所硐室开拓费用多184×

81.48=14992元≈1.5万元。

④分析

上述两方案的共同处是均含有一台KSGZY-500/6型移动变电站。

结合表6-4可分析如下：

第一方案，采用两台200kVA干式变压器固定于负荷中心硐室的方案特点是：

对出煤系统与掘进生产环节分别供电，相互不受干扰，满足设计技术规范要求。

这样可以得到较高的安全可靠性，但综合费用较第二方案高出138862-82416=56446元≈5.6万元，其中设备费高出108564-69782=3.88万元。

而设备是可以重复使用的，硐室可在原连络巷扩建，故本方案虽投资稍多，但问题不大。

第二方案，采用1台315kVA干式变压器向回采系统的输送机上山运输系统及掘进面设备供电。

综合费用比第一方案要省，但若掘进面供电系统中出现各种长时间故障停电时，均要影响回采系统出煤生产，故从对生产的经济效益方面考虑不如第一方案。

根据《煤矿安全规程》第131条规定，“在低沼气矿井中，掘进工作面与回采工作面的电气设备应分开供电。

”的规定，决定采用第一方案，即确定为1台KSGZY-500/6型移动变电站，两台KSGB-200/6型隔爆干式动力变压器。

第四节采区供电系统的拟定

一、拟定采区供电系统图的原则

（l）在保证供电可靠的前提下，力求所拟图中使用的开关、电缆等设备最省。

（2）尽可能由一台变压器向一个生产环节或工作面的机械供电，以便缩小事故所引起的停电范围。

（3）对单电源进线的采区变电所，当其变压器不超过两台且无高压馈出线时，通常可不设电源断路器；

而当其变压器超过两台并有高压馈出线时，则应设进线断路器。

（4）在对生产量较大的综合机械化工作面或下山排水设备进行低压供电时，应尽量采用双回路高压电源进线及两台或两台以上的变压器，使得当一回线路或1台一变压器发生故障时，另一回线路或另1台变压器仍能保证工作面正常生产及排水供电。

（5）对第一类负荷为高压设备（如高压水泵）或变压器在4台以上（即采掘工作面较集中的盘区）的采区变电所，因其已处于能影响矿井安全的地位，故应按前述井下主要变电所的接线原则加以考虑。

（6）变压器尽量采用分列运行。

这是由于当采用并列运行时，线路对地电流的增加会对安全造成威胁；

电网绝缘电阻的下降可使漏电继电器的运行条件恶化，在发生漏电事故时又会因1台检漏继电器控制两台变压器的馈电开关，而使停电范围加大，从而使可靠性降低之故。

（7）一个开关只能控制一种用电设备，容量愈大的开关，应排得离电源愈近。

（8）为了防止采用局扇通风的工作面的沼气爆炸事故，根据《风电沼气闭锁系统技术规范》规定，对高沼气及沼气突出的矿井，局扇的供电系统应装设专用变压器、专用电缆、专用高低压开关配检漏继电器、以及因停风或因沼气超限均需切断掘进工作面的电源的闭锁系统。

对低沼气矿井局扇，仅实行风电沼气闭锁。

由于局扇独立于其它供电设备线路、故不受其它电气设备故障（如漏电，短路等）跳闸的影响。

二、实例的供电系统图拟定

参照上述原则，初步拟制出本设计题目的采区供电系统图如图6-4所示。

第五节高压配电装置及电缆选择

一、高压配电装置选择

1．选择原则

根据环境条件和供电要求，确定其型式和参数，是高压配电装置选择的主要内容。

1）高压配电装置的型式应符合《煤矿安全规程》中规定的设备选用的有关要求，以及在国标《矿山电力装置设计规范》中的有关规定。

2）配电装置电气参数选择应符合下述条件

（1）按正常条件选择额定电压和额定电流

井下高压配电装置的额定电压IN，应与井下高压网络的额定电压等级相符，即设备的额定电压不应小于其装设处的额定电压。

井下高压配电装置的额定电流IN，不应小于其所控制的设备或线路的长时间最大工作电流Ica，即IN≥Ica，

（6-7）

式中Ica——将该高压配电装置所带用电装置的总负荷电流折算到高压侧的值，A；

∑PN——该高压配电装置所带用电设备的额定功率之和，W;

K一变压器的变比；

含义同前。

由于电气设备的额定电流IN是指当其工作在由厂家规定的环境温度θ℃下（我国目前生产的电气设备均规定θ℃=＋40℃，长期允许通过的最大电流，故当装设地点的温度为θ℃时，为求得在该环境温度下的长期允许工作电流Ip，应依式

（6-8）

进行折算。

式中Ip——环境温度为θ℃时，长期允许的工作电流，A；

θh.h——最热月份的平均最高温度，℃；

θh.a——规定额定电流IN时的环境温度，℃，通常取40℃；

Kso——温度校正系数。

（2）动稳定和热稳定校验

①动稳定按式（2-77）进行。

②热稳定按式（2-78）进行。

（3）断流能力校验

必须符合下式要求：

或

（6-9）

式中

、

一一配电装置的额定开断电流、额定开断容量，当井下采用非矿用断路器时，

其额定开断容量折半使用；

Imax.s、Smax.s——配电装置安装处的最大短路电流、最大短路容量。

2.选择实例

下面对KSGZY-500/6型移动变电站及KSGB-200/6型干式变压器的高压配电装置进行选择。

这3台配电装置均设于采区变电所内，按《煤矿安全规程》要求，应选隔爆型。

1）按额定参数选择

《煤矿井下设计技术规定》中规定：

井下用移动变电站，动力变压器高压侧应有短路，过负荷和无压释放保护；

供给移动变电站的高压馈电线还应有电缆监视保护。

国产千伏级配套产品PBL-6或BPG2-6型高压隔爆配电箱均符合要求；

考虑到运行、维护方便，使用安全可靠，我们选用BPG2-6型带真空断路器的隔爆配电箱。

（1）KSGZY-500/6型移动变电站高压配电箱选择①配电装置额定电压：

选定为6kV。

②配电装置额定电流应大于移动变电站的最大长时工作电流。

移动变电站（变压器）最大长时工作电流即额定电流IN.T

（6-10）

式中SN.T——变压器额定容量，kVA；

VN——变压器高压侧额定电压，kV。

移动变电站额定电流

从表1-10中选BPGZ-6/50型隔爆真空配电箱。

其主要技术参数列于表6-5中。

（2）KSGB-200/6型隔爆干式变压器高压配电箱选择

①额定电压选定为6kV。

②额定电流应大于变压器额定电流（即最大长时工作电流）。

变压器额定电流

从表1-10中选BPGZ-6/50型真空隔爆配电箱两台。

其主要技术数据列于表6-5中。

（3）采区变电所总高压配电箱选择

①额定电压选定为6kV。

②额定电流应大于所带三台变压器总的最大长时工作电流。

为简便，取三台变压器额定电流之和作为总的最大长时工作电流INT。

从表1-10中选BPG2-6100型真空隔爆配电箱。

2）短路验算

对所选高压配电箱其断流容量为100MVA，是国内最大容量，无疑比设备安装处短路容量大。

如果主要变电所母线上最大短路容量超过100MVA，则在地面变电所下井回路中一定会加限流电抗器。

我国多数矿井，由于采用PB系列、GKW系列高压配电箱，井下主变电所母线上的短路容量均限制在50MVA以下。

二、高压电缆截面选择

1.井下高压电缆截面选择方法

1）按经济电流密度选择电缆截面

所谓经济截面，是指按降低电能损耗、线路投资、节约有色金属等因素，综合确定出的符合总经济利益的导线截面。

与经济截面相应的电流密度，叫经济电流密度。

按经济电流密度选择电缆截面的计算公式为

，mm2（6-11）

——按经济电流密度选择的电缆截面，mm2；

Imax.w—一正常运行时，通过电缆的最大长时负荷电流，当线路并列运行时，它是指不考

虑一条线路故障时的最大负荷电流，A;

Icdη——经济电流密度，A/mm2，其值见表6-6;

正常运行时，同时并联工作的电缆条数。

当按经济电流密度选择电缆截面时，应先根据负荷性质，由表6-3查出其最大年利用小时数Tmax，再据该值及导线材料，从表6-6查出经济电流密度，同时求出线路正常运行时的最大长时工作电流Imax.w，最后再从标准截面电缆中选取截面

，并使

<

2）按长期允许载流量选择电缆截面

当电缆中有电流流过时，必然会使其发热，并且在导线的温度超过其能承受的极限值时，就会使其加速老化，使用寿命缩短或迅速损坏，从而造成漏电或短路事故。

为反映导线在确定的环境温度（对电缆为25℃）下，不同截面导线承载电流的能力，对它们都规定了长时允许通过的最大电流值。

通常这些值是由实验方法确定的。

表6-7、表6-8列出了矿用铠装电缆和矿用橡套电缆的长时允许负荷电流（载流量），供选择电缆截面用。

按长时允许电流选择电缆截面时，应满足

KIp>

Ica（6-12）

式中Ip——环境温度为+25℃时，电缆的允许载流量、A，对不同绝缘的高压电缆，该值可查表6-7或6-8得到；

K——环境温度不同于＋25℃时，载流量的校正系数，可查表6-9。

若在一根管内同时敷设2~4根时，还应将所查值乘以系数0.95；

Ica一一通过电缆的最大长时工作电流，A。

需要说明的是，Ica值在不同情况下有不同取法，对向单台或两台高压电动机供电的电缆，一般取诸电动机的额定电流之和；

对向单台变压器供电的电缆，应取变压器一次侧计算电流；

对向一个采区供电的电缆，应取采区的最大电流；

而对并列运行的电缆线路，则应按一路故障情况加以考虑。

3）按短路电流热稳定校验电缆截面

短路时满足电缆热稳定的最小截面按式（2-80）计算。

4）按允许电压损失校验电缆截面

为保证用电设备的正常