矿山机电一体化专业毕业设计论文煤矿供电系统设计.docx
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矿山机电一体化专业毕业设计论文煤矿供电系统设计
前言
在即将毕业之际，根据教学大纲安排，完成毕业论文及设计、做好毕业答辩工作，我到了大同同煤集团雁崖矿参加毕业实习。
此次实习任务，除了对该煤矿作业过程及对矿井各设备的了解，还须收集矿井原始资料，并以其为依据，对矿井采区作供电系统的设计。
本设计分为三大部分，第一部分为原始资料，第二部分为设计过程，第三部分为参考资料，书中着重讲述采区供电系统中各电气设备的设计过程，如高压配电箱、变压器。
电缆的选择方法，并对其的整定及校验，书中详细叙述了电缆及设备的选择原则，井下供电系统采取各种保护的重要性，简明易懂。
本设计方案符合《煤矿安全规程》、《煤矿工业设计规范》，坚持从实际出发、联系理论知识，在设计过程中，通过各方面的考虑，选用新型产品，应用新技术，满足供电的可靠性、安全性、经济性及技术合理性。
通过设计，让我了解了矿山的概况,了解了煤矿供电系统运行和供电设备管理情况和煤矿生产管理的基本知识，使自己具有一定的理论知识的同时，又具有较强的实际操作能力及解决实际工程问题的能力，根据新采区的实际情况，在老师和单位技术员的指导下，并深入生产现场，查阅了有关设计资料、规程、规定、规范。
听取并收录了现场许多技术员的意见及经验，对采区所需设备的型号及供电线路等进行设计计算与分析。
本次设计承张文老师的指导及同煤集团雁崖矿机电科长的大力支持，在此表示深深的谢意！
设计原始资料
一、全矿概貌
1、地质储量1000万吨；
2、矿井生产能力：
设计能力100万t/年，实际数105万t/年；
3、年工作日：
300天，日工作小时：
24小时；
4、矿井电压等级及供电情况：
该矿井供电电源进线采用双回路电源电压为35KV，变电所内设有630KVA,10/6.3变压器两台和400KVA，10/0.4变压器两台，承担井下和地面低压用电负荷。
用两条高压电缆下井，电压等级均为6KV，经中央变电所供给采区变电所。
二、采区资料
1.采区概况：
采区设计年产量6万吨，水平标高从+830至+755，下山道两条，一条轨道下山，一条人行下山，倾角为25°；分4个区段开采，方式为炮采，区段高20-30m。
整个采区现为一掘两采。
2.支护方法：
掘进点向上山，石门及全岩巷道，以锚喷为主，工作面采用木支护。
3.煤炭运输系统：
工作面落煤经溜槽到1T矿车，由电车运至井底车场，将煤到入漏煤眼，最后由皮带拉到地面。
5.采区通风：
新鲜风流由+730副斜井进风――+755运输大巷――轨道上山――采区工作面――采区回风巷――人行上山――+825回风平峒――+875抽风机房。
6.电压等级及主要设备：
井下中央变电所的配出电压为6KV，采区主要用电设备采用660V电压，煤电钻和照明采用127V电压，主要设备见采区负荷统计表。
第一章一般规定
第一条：
所有工种在进行作业前，都必须对所使用的工具、机具进行一次详细检查，对工作环境设备运转情况等情况都应进行检查。
第二条：
作业使用的工具、机具若不完好或承载能力不够均应及时更换，或采取措施后，方可使用。
第三条：
作业环境围岩顶帮有零皮、浮矸等必须用长柄工具进行处理。
作业过程可能触及的运转设备或带电设施应将设备停止运转、停电或采取遮挡措施。
第四条：
作业人员在作业过程中，工作位置应保证不发生意外，不伤害自己、又不伤及他人。
第五条：
坚持作业过程中的自保、互保、联保、全保制度。
第六条：
所有作业人员必须做到持证上岗。
第七条：
所有作业人员，入井必须佩带自救器、矿灯、安全帽，严禁携带烟火等易燃、易爆品，严禁酒后入井。
第二章采区变电所的变压器选择
一、采区负荷计算
根据巷道、生产机械的布置情况，查《煤矿井下供电设计指导书》和《矿井供电》，查找有关技术数据，列出采区电气设备技术特征如表1-1所示。
表1-1采区电气设备技术特征
采区设备
额定
容量
Pe
（KW）
额定
电压
Uc（V）
额定
电流
Ie（A）
额定起动
电流
IQe（A）
功率因数
cosφ
效率
ηj
台数
设备名称
设备型号
上山绞车
JT1600/1224
110
380
121
242
0.86
0.93
1
照明
1.2
127
煤电钻
MZ2-12
1.2
127
9
54
0.79
0.795
2
回柱绞车
YB3160M-4
11
660
14.5
87
0.84
0.885
2
喷浆机
YB112M-4
4
660
5.08
30.5
0.80
0.85
1
局部扇风机
BKY60-4
4
660
4.7
32.9
0.80
0.85
6
耙斗装岩机
Ybb-10-4
11
660
12.1
72.6
0.75
0.80
1
充电机
KGCA10-90/40
16
660
21
0.75
0.88
3
二、变压器容量计算
1.+830水平绞车变电所变压器容量：
ST1=∑Pe1×Kx×Kc/cosφpj
=111.2×0.4×1/0.6
=74.13KVA
式中：
cosφpj——加权平均功率因素，根据《煤矿井下供电设计指导》（以下简称《设指》）表1-2查倾斜炮采工作面，取cosφpj=0.6；
Kx——需要系数，参见《设指》表1-2，取Kx=0.4；
Kc——采区重合系数，供一个工作面时取1，供两个工作面时取0.95，供三个工作面时取0.9，此处取1；
∑Pe1——+830绞车电动机与照明的额定容量之和；
∑Pe1＝110+1.2=111.2kw
2.+830水平采区变电所变压器容量:
ST2=∑Pe2×Kx×Kc/cosφpj
=111.4×0.4×0.9/0.6
=66.84KVA
式中：
cosφpj——加权平均功率因素，根据《煤矿井下供电设计指导》表1-2查倾斜炮采工作面，取cosφpj=0.6；
Kx ——需要系数，参见《设指》表1-2，取Kx=0.4；
∑Pe2 ——由+830水平采区变电所供电的+805、+775、+755水平的所有电动机额定容量之和；
∑Pe2＝4×6+11×2+1.2×2+16×3+4+11=111.4kw
三、变压器的型号、容量、台数的确定
根据Ste>St原则，查《煤矿井下供电的三大保护细则》表3-1选型号为KS9-100/6/0.4变压器一台，用于绞车与照明的供电，选型号为KS9-100/6/0.69变压器一台,用于三个工作面设备的供电。
其技术特征如表1-2所示。
表1－2变压器技术数据
型号
额定电压（V）
额定容量Se
（KVA）
阻抗电压（％）
损耗（W）
线圈阻抗（Ω）
重量（KG）
参考价格/元
一次
二次
Ud
Ur
Ux
空载
短路
R
X
KS9-
100/6
6000
400/690
100
4
1.45
3.73
280
1450
0.0233/0.0690
0.0597/0.1775
2500
4万
第二章采区变电所及工作面配电所位置的确定
一、采区变电所位置
根据采区变电所位置确定原则，采区变电所位置选择要依靠低压供电电压，供电距离，采煤方法，采区巷道布置方式，采煤机械化程度和机械组容量大小等因素确定。
二、工作面配电点的位置
在工作面附近巷道中设置控制开关和起动器，由这些装置构成的整体就是工作面配电点。
它随工作面的推进定期移动。
根据掘进配电点至掘进设备的电缆长度，设立：
P1配电点：
含春第二变电所→人行上山→+825采区变电所→+830绞车峒室；
P2配电点：
+825采区变电所→+805水平采区配电点；
P3配电点：
+825采区变电所→+775水平采区配电点；
P4配电点：
+825采区变电所→+755水平运输巷掘进配电点。
第三章采区供电电缆的确定
一、拟定原则
采区供电电缆是根据采区机械设备配置图拟定，应符合安全、经济、操作灵活、系统简单、保护完善、便于检修等项要求。
原则如下：
1）保证供电可靠，力求减少使用开关、起动器、使用电缆的数量应最少。
原则上一台起动器控制一台设备。
2）采区变电所动力变压器多于一台时，应合理分配变压器负荷，通常一台变压器担负一个工作面用电设备。
3）变压器最好不并联运行。
4）采煤机宜采用单独电缆供电，工作面配电点到各用电设备宜采用辐射式供电上山及顺槽输送机宜采用干线式供电。
5）配电点起动器在三台以下，一般不设配电点进线自动馈电开关。
6）工作面配电点最大容量电动机用的起动器应靠近配电点进线，以减少起动器间连接电缆的截面。
7）供电系统尽量减少回头供电。
8）低沼气矿井、掘进工作面与回采工作面的电气设备应分开供电，局部扇风机实行风电沼气闭锁，沼气喷出区域、高压沼气矿井、煤与沼气突出矿井中，所有掘进工作面的局扇机械装设三专（专用变压器、专用开关、专用线路）二闭锁设施即风、电、沼气闭锁。
二、按照采区供电系统的拟定原则确定供电系统图
采区变电所供电系统拟定图如附图1所示。
附图1
第四章采区低压电缆的选择
一、电缆长度的确定
根据采区平面布置图和采区剖面图可知：
人行上山倾角为25°。
以计算上山绞车的电缆长度为例：
从剖面图可知+825采区变电所到+830水平上山绞车硐室的距离为50m。
考虑实际施工电缆垂度，取其长度为理论长度的1.05倍
则实际长度为：
Ls=L×1.05=52.5m，取55m.
同理其他电缆长度亦可计算出来，如附图1所示。
二、电缆型号的确定
矿用电缆型号应符合《煤矿安全规程》规定，所有井下低压电缆匀采用MY型。
三、电缆选择原则
1）、在正常工作时电缆芯线的实际温升不得超过绝缘所允许的温升，否则电缆将因过热而缩短其使用寿命或迅速损坏。
橡套电缆允许温升是65°，铠装电缆允许温升是80°，电缆芯线的时间温升决定它所流过的负荷电流，因此，为保证电缆的正常运行，必须保证实际流过电缆的最大长时工作电流不得超过它所允许的负荷电流。
2）、正常运行时，电缆网路的实际电压损失必须不大于网路所允许的电压损失。
为保证电动机的正常运行，其端电压不得低于额定电压的95%，否则电动机等电气设备将因电压过低而烧毁。
所以被选定的电缆必须保证其电压损失不超过允许值。
3）、距离电源最远，容量最大的电动机起动时，因起动电流过大而造成电压损失也最大。
因此，必须校验大容量电动机起动大，是否能保证其他用电设备所必须的最低电压。
即进行起动条件校验。
4）、电缆的机械强度应满足要求，特别是对移动设备供电的电缆。
采区常移动的橡套电缆支线的截面选择一般按机械强度要求的最小截面选取时即可，不必进行其他项目的校验。
对于干线电缆，则必须首先按允许电流及起动条件进行校验。
5）、对于低压电缆，由于低压网路短路电流较小，按上述方法选择的电缆截面的热稳定性均能满足其要求，因此可不必再进行短路时的热稳定校验。
四、低压电缆截面的选择
1.移动支线电缆截面
采区常移动的电缆支线的截面选择时考虑有足够的机械强度,根据经验按《设指》表2-23初选支线电缆截面即可.具体如附图1所示。
2.干线电缆截面的选择：
由于干线线路长,电流大,电压损失是主要矛盾,所以干线电缆截面按电压损失计算。
采区变电所供电拟定图如附图1所示。
（1）+755水平岩巷掘进配电点
根据△UZ值的取值原则,选取配电点中线路最长,电动机额定功率最大的支线来计算。
1）.根据《设指》表2-23,11KW耙斗装岩机初选电缆为MY3×16+1×6100m,用负荷矩电压损失计算支线电缆电压损失：
△UZ%=Kf×∑Pe×LZ×K%
=1×11×100×10-3×0.333
=0.366
式中：
△UZ%——支线电缆中电压损失百分比；
Kf——负荷系数,取Kf=1；
∑Pe——电动机额定功率,KW；
LZ——支线电缆实际长度,KM；
K%——千瓦公里负荷电压损失百分数,查《设指》表2-28,取K%=0.333
△UZ=△UZ%×Ue/100
=0.366×660/100
=2.4V
式中：
△UZ——支线电缆中电压损失,V；
2）.变压器电压损失为：
△UB%=β×（Ur%×cosφpj+Ux%×sinφpj）
=0.67×（1.45×0.6+3.73×0.8）
=2.58
式中：
△UB%——变压器电压损失百分比；
β——变压器的负荷系数,β=Stj1/Se=66.84/100=0.67；
Se——变压器额定容量,KVA；
Stj1——变压器二次侧实际负荷容量之和,KVA.Stj1=66.84KVA；
Ur%——变压器额定负荷时电阻压降百分数,查表1-2,取Ur%=1.45；
Ux%——变压器额定负荷时电抗压降百分数,查表1-2,取Ux%=3.73；
cosφpj——加权平均功率因数,查《设指》表1-2,取cosφpj=0.6,
sinφpj=0.8；
△UB=△UB%×U2e/100=2.58×660/100=17.03V
3）.干线电缆允许电压损失为:
△Ugy=△UY-△UZ-△UB
=63-2.4-17.03
=43.57V
式中：
△Ugy——干线电缆中允许电压损失,V；
△UY——允许电压损失,V,查《设指》表2-33,Ue=660V时,△UY=63V；
△UZ——支线电缆中电压损失,V；
△UB——变压器中电压损失,V；
4）.干线电缆截面确定
Agy=Kx×∑Pe×Lgy×103/（Ue×r×△Ugy×ηpj）
=0.7×39×650×103/（660×42.5×43.57×0.85）
=17.1mm2
式中：
Agy——干线电缆截面积,mm2；
Kx——需用系数，取Kx=0.7；
∑Pe——干线电缆所带负荷额定功率之和,KW,∑Pe=4×2+11+4+16=39KW；
Lgy——干线电缆实际长度,m；
r——电缆导体芯线的电导率,m/（Ω·mm2）取r=42.5Ω·mm2；
△Ugy——干线电缆中最大允许电压损失,V；
ηpj——加权平均效率,ηpj=（16×0.88+4×0.85+11×0.8+4×2×0.85）/39=0.85；
根据计算选择干线电缆为MY3×25+1×10650m
（2）+775水平采区配电点的干线电缆：
1）.支线电缆电压损失：
△UZ%=Kf×∑Pe×LZ×K%
=1×11×150×10-3×0.211
=0.35
式中：
K%——查《设指》表2-28,取K%=0.211
△UZ=△UZ%×Ue/100
=0.35×660/100
=2.31V
2）.干线电缆允许电压损失为：
△Ugy=△UY-△UZ-△UB
=63-2.31-17.03
=43.66V
3）.干线电缆截面确定：
Agy=Kx×∑Pe×Lgy×103/（Ue×r×△Ugy×ηpj）
=0.7×36.2×600×103/（660×42.5×43.66×0.87）
=14.3mm2
式中：
∑Pe——干线电缆所带负荷额定功率之和,KW,∑Pe=4×2+11+1.2+16=36.2KW；
ηpj——加权平均效率，ηpj=（4×2×0.85+11×0.885+1.2×0.795+16×0.88）/36.2=0.87
根据计算选择干线电缆为MY3×25+1×10600m
（3）+805水平采区配电点的干线电缆：
由于+805水平与+775水平的设备完全相同，故两者的干线电缆允许电压损失相同，均为43.66V.
Agy=Kx×∑Pe×Lgy×103/（Ue×r×△Ugy×ηpj）
=0.7×36.2×520×103/（660×42.5×43.66×0.87）
=12.4mm2
根据计算选择干线电缆为MY3×25+1×10520m
（4）+830绞车房供电计算图如图4-1所示。
图4-1+830绞车房供电计算图
向110KW绞车供电的电缆截面的选择：
根据所选用KS9-100/6型变压器,查表1-2得,Ur%=1.45,Ux%=3.73；
变压器的电压损失为：
△UT%=（ST/Se）×（Ur%×cosφpj+Ux%×sinφpj）
=（74.13/100）×（1.45×0.6+3.73×0.8）
=2.86
△UT=△UT%×U2e/100
=2.86×400/100
=11.44V
绞车支线电缆允许电压损失：
△Ugy=△UY-△UB=39-11.44=27.56V
式中：
△UY——允许电压损失，V,查《设指》表2-33，Ue=380V时△UY=39V.
绞车支线电缆截面确定：
Agy=Kx×∑Pe×Lgy×103/（Ue×r×△Ugy×ηpj）
=0.7×110×55×103/（380×42.5×27.56×0.8）
=11.9mm2
根据计算选用MY3×50+1×1655m型电缆.
五、采区电缆热稳定校验
按起动条件校验电缆截面：
11KW回柱绞车是较大负荷起动，也是采区中容量最大、供电距离较远的用电设备，选择的电缆截面需要按起动条件进行校验。
1）电动机最小起动电压：
UQmin=
×Ue
=
×660
=457.26V
式中:
Ue——电动机额定电压,V；
KQ——电动机最小允许起动转矩MQmin与额定转矩Me之比值.查《设指》表2-38,取KQ=1.2；
aQ——电动机额定电压下的起动转矩MeQ与额定转矩Me之比值,由电动机技术数据表查得,矿用隔爆电动机aQ=2.5。
2）.起动时工作机械支路电缆中的电压损失：
△UZQ=（
×IQ×LZ×cosφQ×103）/（r×AZ）
=（
×60.3×0.15×0.55×103）/（42.5×25）
=8.11V
式中:
cosφQ——电动机起动时的功率因数，估取cosφ=0.55,sinφ=0.84；
r——支线电缆芯线导体的电导率,m/（Ω·mm2）；
AZ ——支线电缆的芯线截面,mm2；
LZ——支线电缆实际长度.KM；
IQ——电动机实际起动电流,A；
IQ=IeQ×UQmin/Ue=87×457.26/660=60.3A；
式中:
IeQ——电动机在额定电压下的起动电流,A；
UQmin——电动机最小起动电压,V;
Ue——电动机额定电压,V；
3）、起动时干线电缆中的电压损失：
△UgQ=（
×IgQ×Lg×cosφgQ×103）/（r×Ag）
=（
×102.7×0.6×0.57×103）/（42.5×25）
=57.3V
式中:
r——干线电缆芯线导体的电导率,m/（Ω·mm2）；
Lg——干线电缆实际长度,Km；
Ag——干线电缆的芯线截面,mm2；
cosφgQ——干线电缆在起动条件下的功率因数,
cosφgQ=（IQ×cosφQ+∑Ii×cosφpj）/IgQ
=（60.3×0.55+42.2×0.6）/102.7
=0.57
IgQ——干线电缆中实际实际起动电流,A；
IgQ=
=
=102.7A
中:
∑Ii——其余电动机正常工作电流，A；
∑Ii=∑Pe/（
×Ue×ηpj×cosφpj）
=（25.2×103）/（
×660×0.87×0.6）
=42.2A
4）.起动时变压器的电压损失：
△UBQ%=（IBQ/IBe）×（Ur%×cosφBQ+Ux%×sinφBQ）
=（102.7/113）×（1.45×0.57+3.73×0.82）
=3.53
△UBQ=△UBQ%×UBe/100
=690×3.53/100
=24.36V
式中:
IBQ——起动时变压器的负荷电流,A；
IBe——变压器负荷额定电流,A；
UBe——变压器负荷侧额定电压,V；
cosφBQ——起动时变压器负荷功率因数；
5）.起动状态下供电系统中总的电压损失：
∑△UQ=△UZQ+△UgQ+△UBQ
=8.11+57.3+24.36
=89.77V
6）.检验条件：
U2e-∑△UQ=690-89.77=600.23V>457.26V
又因为600.23V相对于额定电压的百分数为600.23/660×100%=90.9%，超过磁力起动器吸合线圈要求的电压。
所以检验结果可以认为选用25mm2的橡套电缆满足了起动条件。
第五章采区高压电缆的选择
一、选择原则
1、按经济电流密度计算选定电缆截面，对于输送容量较大，年最大负荷利用的小时数较高的高压电缆尤其应按经济电流密度对其截面进行计算。
2、按最大持续负荷电流校验电缆截面，如果向单台设备供电时，则可按设备的额定电流校验电缆截面。
3、按系统最大运行方式时发生的三相短路电流校验电缆的热稳定性，一般在电缆首端选定短路点。
井下主变电所馈出线的最小截面，如果采用的铝芯电缆时，应该不小于50mm2。
4、按正常负荷及有一条井下电缆发生故障时，分别校验电缆的电缆的电压损失。
5、固定敷设的高压电缆型号按以下原则确定：
1）在立井井筒或倾角45°及其以上的井筒内，应采用钢丝铠装不滴流铅包纸绝缘电缆，钢丝铠装交联聚乙烯绝缘电缆，钢丝铠装聚氯乙稀绝缘电缆或钢丝铠装铅包纸绝缘电缆。
2）在水平巷道或倾角45°以下的井巷内，采用钢带铠装不滴流铅包纸绝缘电缆，钢带铠装聚氯乙稀绝缘电缆或钢带铠装铅包纸绝缘电缆。
3）在进风斜井，井底车场及其附近，主变电所至采区变电所之间的电缆，可以采用铅芯电缆，其它地点必须采用铜芯电缆。
6、移动变电站应采用监视型屏蔽橡胶电缆。
二、选择步骤
1、按经济电流密度选择电缆截面:
A1=In/nJ
=7.2/1×2.25
=3.2mm2
式中：
A——电缆的计算截面,mm2；
In——电缆中正常负荷时持续电流，In=SB1/（
×Ue）=74.13/（
×6）=7.2A；
n——同时工作的电缆根数，n=1；
J——经济电流密度，A/mm2,见《设指》表2-18，铜芯电缆取J=2.25A/mm2；
A2=In/nJ
=6.43/1×2.25
=2.86mm2
式中：
In——电缆中正常负荷时持续电流，In=SB2/（
×Ue）=66.84/（
×6）=6.43A；
由《设指》表2-9查取电缆型号为：
MYJV22-60003×351000m
2、校验方法：
（1）、按持续允许电流校验电缆截面：
KIP=（60.345へ180.9）A＞Ia=7.2A
式中：
IP——环境温度为25度时电缆允许载流量,A,由《设指》表2-8查取IP=135；
K——环境温度不同时载流量的校正系数,由《设指》表2-6查取：
0.447≤K≤1.34；
Ia——持续工作电流,Ia=SB1/（
×Ue）=74.13/（
×6）=7.2A；
KIp=（60.345へ180.9）A＞Ia,符合要求。
（2）电缆短路时的热稳定条件检验电缆截面,取短路点在电缆首端,取井下主变电所容量
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