煤矿采区变电所的设计.docx

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煤矿采区变电所的设计

摘要

采区供电是否安全可靠和经济合理，将直接关系到人身安全和矿井生产。

在开拓系统、采煤方法及采区生产机械确定之后，需要进行采区供电计算。

其主要内容包括:

负荷计算、选择动力变压器或移动式变电站的容量、型号并确定台数、供电系统的拟定、电缆线路的计算、开关设备的选择,以及整定保护的计算。

对于上述涉及的计算内容必须满足以下两个方面提出的要求：

一、要保证供电的安全和经济合理；二、要保证供电的质量和可靠性。

该文结合平煤集团八矿的实际情况，主要介绍了某采区变电所的设备选择与计算，中央变电所的计算，并且对该变电所运行的经济情况进行了概算。

在实际运行中表明：

该变电所的故障率大大减少，并且取得较好的经济效益。

该文对煤矿井下各类变电所的设计、井下供电系统结构的了解都有一定的参考意义。

关键词：

变电所，防爆型，矿用变压器，采区供电，保护装置

第1章绪论

1.1平煤八矿的自然条件

1.交通位置

八矿位于平顶山市东11Km，东距京广铁路孟庙车58Km,孟宝支线斜穿井田，许南公

路南北贯穿井田中部，交通方便。

2.地形及地貌特征

采区南部地表地势平缓，为村庄和田地，属第四系地层覆盖。

北部为山坡地，出露

地层为下三迭石千峰组，采区地面标高总体在+84m~+230m间

3.气象与地震

本区属于大陆半干燥湿度不足带，年降雨量平均742.6mm最大降水量1323.6mm

（1934年），年最小降水量373.9mm最大蒸发量2825mm（1959年），最小蒸发量1490.5mm（1964年），平均绝对湿度13.5%平均相对湿度67%，冰冻期一般为11至次年3月，最大冻土深14cm（1977.1.30）冬、春季以偏北风为主、夏季以偏南风为主，最大风速24/s，平均风速28/s.

本区为6度地震烈度区

4.瓦斯、煤尘、自然及地温

瓦斯：

依据渝煤科研[1989]124号文《关于平顶山市八矿出煤层及突出矿井坚定意见》，确定为瓦斯高突矿井

煤尘：

本矿井各煤层均有煤尘爆炸危险

自然：

本矿各煤层均有发火倾向，发火期5—6个月

地漏：

八矿为地漏异常矿井，地下水活动东强南弱，处于矿区排泄区下部，因

而造成相对高温的采区水区

5.地表水

湛河自东流经井田南部，河宽50m，流量0.8~7.8m³/s

沙河为井田东南部边界，河宽150~25m，流量0.8~521m³/s。

西河上游均为白龟山水库，可调节流量，河下有厚层第四系粘土层与煤系隔离，对井田

开采没有较大威胁，井田内横切山坡冲沟发育，对惊吓开采亦无影响。

6.通风

八矿通风方式分区对角式，现有采区有东翼、西翼采区。

各采区的进风都是利用主

7．井

回风井有东一、丁一、西一、西二四个回风井

1.2平煤八矿某采区变电所设计的目的和意义

由于八矿自然条件的特殊性和井下电气设备工作环境恶劣性，为此，对变电所的供

电布局和正确选择电器设备，提出很高的要求，以便加强电器设备的维护和检修，满足矿井生产的需要。

经过对采区变电供电的拟定,了解了供电要以保护人身的的安全和供电的要求,进行了采区高、低压电缆选用和高、低压的整定计算，本设计只是有选择性的计算了一部分,通过计算，加深了对各开关，移动变电站的了解。

第2章采区变电所及配电点位置的确定

2.1变电所位置确定原则

1、尽量靠近负荷中心，一般井下主排水泵是用电大户，因此可与主排水泵房建在一起，呈"一"字型或"L"形布置[1]。

2、变电所内要求通风良好，温度不得超过附近巷道温度5℃。

3、便于设备运输，电缆进出线要方便。

4、地质条件好，顶底板岩层稳定，少压煤，无淋水。

根据上述要求，井下中央变电所一般设在井底车场靠近副井井底的地方，并与中央水泵房相毗邻。

有条件时，可与牵引变流所联合建筑。

中央变电所应有单独通往井底车场或大巷的通道。

2.2采区变电所位置的确定

1、尽量位于负荷中心，以减少低压线路和电压损失，保证采区设备的供电质量。

2、每个采区最好只设一个变电所向全采区供电，如不可能，也应尽量少设变电所，并尽量减少变电所的迁移次数，减少变电所硐室的开拓费用。

如一个变电所不能满足于要求时，可在下一区段增设变电所，初期向掘进供电，后期向回采供电。

3、变电所内要求通风良好，温度不得超过附近巷道温度5℃。

4、设备运输要方便，便于电缆进出，地质条件好，顶底板稳定，无淋水。

按后两个要求确定采区变电所的位置时，可根据下列原则确定：

1）、采区变电所位置一般设在上（下）山的运输斜巷和轨道巷的横贯内，或在甩车场附近的巷道内。

当采用矿用一般型变压器时，不得设在回风巷或工作面进风顺槽内。

2）、在多煤层的采区中，各分层是否分别设备或集中设置变电所，应经过技术经济比较后决定。

3）、当附近变电所不能满足大巷掘进供电要求时，可利用大巷横贯巷道设备掘进变电所。

如大巷为单巷而无横贯巷道利用时，可采用稳动变电站。

2.3移动变电站位置的确定

1、采用移动变电站供电的条件：

随着采掘机械化的发展，电气设备的增多、容量的增大，工作面走向长，如仍采用固定的采区变电所供电，既不经济，又满足不了电压质量的要求。

因此，属下列情况的采区供电宜采用移动变电站：

1）、综采工作面的供电。

2）、普采工作面由采区固定变电所供电困难或不经济时。

3）、大巷单巷掘进附近无变电所可利用时。

2、移动变电站位置的确定

1）、向回采工作面供电的移动变电站位置，一般设在距工作面100m～150m处的巷道中。

2）、当下一个工作面尚未开采，而其回风巷已经掘进完毕，可将上工作面的移动变电站设置在下一个工作面的回风巷内，经过联络巷、运输巷向上工作面供电。

3）、低瓦斯矿井的回采面移动变电站，可设置在该回采工作面的巷道中。

2.4工作面配电点位置的确定

1、回采工作面配电点一般设在距工作面50m～70m处的巷道中。

2、掘进工作面配电点距掘进头80m～100m，一般配电点至掘进设备的电缆长度不超过100m为宜。

3、在电缆分叉点应设有配电点，此配电点在巷道交汇处附近。

4、压入式局风口不得部扇风机和启动装置必须安装在进风巷道中，距回小于10m

第3章采区变电所供电系统的拟定

3.1井下电压等级的确定

1、供电电压等级

电气设备都是按照一定的标准电压设计和制造的，这个标准电压称为电气设备的额定电压。

工矿企业供电电压的选择，取决于企业附近电源电压，用电设备电压、容量及供电距离。

从供电经济考虑，供电距离越远，输送功率越大，采用的电压等级越高。

电压等级、输送功率及供电距离的大概范围见表3.1。

表3.1电压等级输送功率及输送距离大概范围

电压等级（KV）

输送功率（KW）

输送距离（KM）

0.38

100以下

0.6以下

0.66

100~150

0.6~1

100~1000

1~3

100~1200

4~15

200~2000

6~20

1000~10000

20~70

3500~30000

30~100

110

10000~50000

50~150

井下各级配电电压和各级电气设备的额定电压等级应符合下列要求：

1）、高压不应超过10KV，一般为6KV。

2）、低压不应超过1140V。

炮采工作面一般采用660V，高档普采和综采根据具体情况和采用的机械设备可采用660V或1140V。

井低车场一般采用660V。

手续电气设备、固定照明采用127V，亦可采用220V。

3.2井下中央变电所供电系统的拟定

1、高压供电系统的拟定

1）、电源回路数及母线段数的确定

（1）对井下各水平中央变（配）电所和主排水泵房的供电线路不得少于两回路。

当其中任一回路停止供电时，其余回路应能担负全部负荷的供电。

（2）当井下主排水泵由地面变电所直接供电时，井下其余电负荷的下井电源电缆也应符合上述要求。

（3）下井电缆的最大截面应与井下中央变电所进线开关的额定电流相适应。

（4）中央变电所的高压母线，一般采用单母线分段。

母线分段数应与进线电缆数相对应。

各段母线之间应设置分段联络开关，正常情况下母线一般分列运行。

2）、配出线接线及回路数的确定

（1）井下主排水泵、兼作矿井主排水泵的井下煤水泵、暗立井经常升降人员的绞车必须有两回及两回以上线路供电，并引自不同的变压器母线段。

（2）暗井主提升设备、主井装载设备、大巷强力胶带输送机、供综合机械化采煤的采区变（配）电所、不作矿井主排水泵的井下煤水泵、井底水窝水泵、供地面生活生产及消防用水的井下水源水泵、井下电机车用的整流设备一般由两回路供电，并尽量引自不同的变压器母线路。

（3）各类高压负荷，应尽量均衡地接于各段母线上。

向采区供电的高压线路除综采外，每个采区应为一回路。

（4）当由单回电缆向几个采区变电所供电时，在供电线路上串接的采区变电所，不得超过三个。

3）、高压开关的配置

（1）井下中央变电所的高压进线，一般应设置断路器，馈出线必须设置断路器。

（2）当馈出线大于八回路时，母线分段联络开关一般采用断路器分段。

（3）供采区变电所的高压开关宜采用专用开关柜。

4）、低压供电系统的拟定

（1）当主排水泵为高压供电时，一般情况下设两台变压器。

对于低压一类负荷时，至少应为两台变压器。

（2）当主排水泵为低压且由井下中央变电所供电时，井下中央变电所的变压器至少要有两台。

当其中一台停止供电时，其余变压器必须能担负最大涌水时排水、生产、照明等全部用电。

变压器不论几台，一般为同型号、同容量。

（3）每台变压器高压侧设一台高压开关，低压侧设一台低压总开关，且应有漏电保护装置或在各配出开关上设置选择性漏电保护装置。

（4）变压器低压侧应设置联络天关，正常情况下低压侧分列运行。

（5）中央变电所应设1～2台照明综合装置，供中央变电所和附近大巷照明用电。

3.3采区供电系统的拟定

1、高压供电系统的拟定

1）、电源回路数的确定

供综合机械化采煤的采区变（配）电所及有下山排水设备的采区变电所，应采用双电源进线。

一般的采区变电所采用单电源进线。

2）、高压开关的配置

（1）单电源进线的采区变电所，当变压器不超过两台且无高压出线时，可不设电源进线开关；当变压器超过两台或有高压出线时，应设置进线开关。

（2）双电源进线的采区变电所，应设置电源进线开关。

当其经常为一回路供电，一回路备用时，母线可不分段；当两回路电源同时供电时，母线应分段并设联络开关，正常分列运行。

（3）采区变电所的高压馈出线，宜用专用的开关柜。

3）、低压供电系统的拟定

在拟定供电系统时，应将采区内的用电设备按电压等级、生产环节和安装地点分组，各组尽量分开供电。

在用电设备分组时，还应考虑到各组用电负荷的大小、巷道布置情况和电缆敷设的路线。

各组用电负荷不能过大，以保证受电端的电压质量。

巷道有分叉点时，应装有开关或电缆接线盒。

确定电缆的敷设路线时，应注意回采工作面（机采除外）、轨道上下山等处不应敷设电缆，溜放煤、矸、材料的溜道中严禁敷设电缆。

在具体拟定供电系统时还应考虑以下原则：

（1）在保证供电安全可靠的前提下，力求所用的开关、启动器和电缆等到设备最少。

（2）原则上一台启动器只控制一台设备。

（3）当采区变电所的动力变压器多于一台时，应合理分配变压器的负荷，原则上一台变压器负担一个工作面的用电设备。

（4）变电器最好不并联运行。

（5）由工作面配电点到各用电设备宜采用辐射式供电，上山及顺槽的输送机宜采用干线式供电。

（6）供电线路应走最短的线路，并尽量避免回头供电。

（7）如配电点距电源供电点较近或启动器数量少于三台时，一般不设配电点进线自动馈电开关。

（8）大容量设备的启动器应靠近配电点的进线端，以减小启动器间电缆的截面。

（9）低瓦斯矿井掘进工作面的局部通风机，可采用装有选择性漏电保护装置的供电线路供电，或采用掘进与采煤工作面分开供电。

（10）瓦斯喷薄欲出出区域、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中，掘进工作面的局部通风机都应实行三专（专用变压器、专用开关、专用线路）供电。

（11）局部通风机与掘进工作面的电气设备，必须装有风电闭锁装置。

瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中的所有掘进工作面应装设两闭锁（风电闭锁、瓦斯电闭锁）设施。

因此，为了实现风电闭锁，在掘进工作面的供电线路上应设一台闭锁用的磁力启动器。

（12）局部通风机无论在工作面或交接班时，都不准停风。

因此要在专用变压器与采区变电所内其他任意一台变压器加设联络开关。

平时断开，在试验局部通风机线路的漏电保护时，合上联络开关，以防局部通风机停电。

（13）采区变电所、上山绞车房、装车站及综采面应设照明灯。

第4章采区变电所的计算及设备选择

4.1负荷统计与变压器的选择

4.1.1负荷统计

井下用电设备的技术数据见负荷统计表4.1

1、用电设备（组）的计算负荷，下面以井底车场为便例计算各组设备的计算负荷，查表4-1得Ｋde=0.8Cosφ=0.75则

Ｐca=ＫdeΣＰＮ＝0.8×400=320Kw。

（4-1）

Ｑca＝Ｐcatanφ=320×0.88=281.6Ｋvar（4-2）

将上述计算结果分别填入负荷统计表为，其它各组负荷的计算与上述相同，此处从略见表4.1。

表4.1负荷统计表

序号

用电设备名称

额定电压KV

设备容量KW

需用系数Kde

功率因数Cosφ

正切值tanφ

计算负荷

安装

容量

工作容量

有功功率KW

无功功率Kvar

视在功率KVA

计算电流Ａ

井下高压

主排水泵

4800

3200

0.88

0.81

0.75

2816

2112

3520

338.72

井下低压

井地车场

0.69

400

0.8

0.75

0.88

320

281.6

426.26

356.68

己一采区

0.69

1200

0.64

0.62

1.2

768

921.6

1199.65

1003.83

己三采区

0.69

1380

0.66

0.62

1.2

910.8

1092.96

1422.72

1190.48

己四采区

0.69

1500

0.65

0.62

1.2

975

1170

1523

1274.39

4.1.2变压器的选择

工矿企业变电所的变压器向整个企业的所有用电设备供电，正确地选择变压器的台数和容量对供电的可靠性和经济性都有着重要的意义[3]。

2、变压器台数和容量的选择

1）、无重要负荷的变电所，应选择一台变压器，有重要负荷的变电所，应选择两台变压器；能邻近取得与变压器二次电压相同的备用电源时，也可选择一台变压器。

2）、选择两台变压器时，可一台工作，一台备用，也可两台同时工作。

两台同时工作时，一台变压器的容量应满足一、二类负荷用电，而且不低于全所负荷的70%或80%。

选择一台变压器时，其容量应考虑15％－25％的裕量,以备发展的需要。

3、变压器台数的确定

1）、采区变电所变压器台数的确定

对条区变电所一台变压器满足要求时尽量选一台。

如需采用多台变压器时，最好不采用几个工作面共用一台变压器的供电方式。

2）、井下中央变电所变压器台数的确定

当主排水泵为低压时，至少应选两台变压器，当其中一台停止供电时，其余变压器必须能担负最大涌水量时期的全部负荷用电。

当主排水泵为高压时，动力变压器一般为两台，照明变压器一般只设一台。

4、变压器型号确定

己知己三某采区工作容量为300KW，需用系数为0.66，功率因数为0.62，则：

Ｐca=ＫdeΣＰＮ＝0.66×300=198Kw（4-3）

Ｑca＝Ｐcatanφ=198×1.20=237.6Ｋvar（4-4）

故选用矿用一般型变压器Ｋs7-31516

表4.2ＫSJL-320/6型变压器技术数据

型号

额定容量/KVA

额定电压/KV

损耗/W

阻抗电

空载电

联接组

外形尺寸/m

高压侧

低压侧

空载

负载

压/%

流/%

Y,y0

长

宽

高

KSJL320/6

315

0.693/0.4

760

4800

2.2

Y,d11

1.6

0.98

1.55

变压器负荷率为:

β=Sac/SNT=309.24/315=0.98（4-5）

变压器损耗计算:

1、变压器有功损耗:

△PT=PiT+PiTP2=0.76+4.8×0.982=5.37Kw（4-6）

2、变压器的无功损耗：

△ＱT=Io%/100×ＳＮＴ＋ＵＳ％／100×ＳＮＴβ2

=2.2/100×315+×0.982=19.03Ｋvar。

（4-7）

4.2电缆的选择

4.2.1低压电缆的选择

1、低压电缆型号的选择

电缆的型号主要依据其电压等级、用途和敷设场所等条件来决定。

煤矿井下所选电缆的型号必须符合《煤矿安全规程》的有关规定。

矿用低压电缆的型号，一般按下列原则确定[4]：

1）、从启动器到电机的电缆一律采用不延燃橡套电缆。

1140V设备及采掘工作面的660V和380V设备，必须用分相屏蔽不延燃橡套电缆；移动式和手持工电气设备，都应使用专用的分相屏蔽不延燃橡套电缆。

2）、固定敷设的应采用铠装铅包纸绝缘电缆或铠装聚氯乙烯绝缘电缆，也可采用不延燃橡套电缆；对于半固定敷设的电缆，为了移动方便一般选用不延燃橡套电缆，也可选用上述铠装电缆。

3）、低电缆不应采用铝芯，采区低压电缆严禁采用铝芯。

4）、电缆应带有保护接地用的足够截面的导体。

5）、固定敷设的照明、通信和控制用电缆，应采用铠装电缆、不延燃橡套电缆或矿用塑料电缆；非固定敷设的电缆，应采用不延燃橡套电缆。

2、确定电缆的芯线数目

1）、动力用的纸绝缘铠装电缆选三芯电缆。

2）、动力用的橡套电缆，当控制按钮不在工作机械上时，一般采用四芯电缆；对控制按钮在工作机械上的，应根据控制要求增加控制芯线的根数。

3）、信号电缆芯线根数要按控制、信号、通讯系统的需要决定，并留有备用芯线。

4）、电缆中的接地芯线，除用作监测接地回路外，不得兼作其他用途。

3、确定电缆长度

为了便于安装维护和使用设备移动，确定电缆长度时还应考虑以下几点：

1）、移动设备的电缆，须增加机头部分活动长度3～5米。

2）、当电缆有中间接头时，应在电缆两端头处各增加3米。

3）、半固定设备的电动机至就地控制器的电缆长度，一般取5～10米。

4）、掘进配电点的电源电缆长度，一般按设计矿井投产时的标准再加100米配备。

5）、掘进配电点至掘进设备的电缆长度，按配电点移动考虑，但电缆长度以下不超过米为宜。

4、低压电缆主芯线截面的选择

电缆主芯线截面必须满足以下几个条件：

1）、正常工作时，电缆芯线的实际温度应不超过电缆的长时允许温度，所以应保证流过电缆的最大长时工作电流不得超过其允许持续电流。

2）、正常工作时，应保证供电网所有电动机的端电压在95%～105%的额定电压范围内，个别特别远的电动机端电压允许偏移-8%～-10%。

3）、距离远、功率大的电动机时，在重载情况下应保证能正常启动，并保证其启动器有足够的吸持电压。

4）、电缆短路时，应具有足够的热稳定截面。

5）、所选电缆截面必须满足机械强度的要求。

4.2.2高压电缆的选择

1、高压电缆型号的确定

1）、固定敷设的高压电缆应选用铠装电缆。

立井井筒或倾角45°及其以上的井巷内，应采用钢丝铠装电缆；水平或倾角45°以下的进巷内，应采用钢带铠装电缆。

2）、在进风斜井、井底车场及附近、中央变电所至采区变电所的电缆可采用铝芯电缆，其他地点必须采用铜墙铁壁芯电缆。

3）、移动变电站必须采用监视型屏蔽橡套电缆。

4）、井下严禁使用铝包电缆。

5）、电缆应带有供保护接地用的足够的截面的导体。

6）、硐室内和木支架的井巷中敷设的电缆，不得使用麻外被层电缆。

7）、电缆敷设水平差应符合规定，对橡套电缆、塑料电缆和纸绝缘不滴流电缆敷设高差不受限制。

2、高压电缆芯数的确定

铅包铠装电力电缆可采用三芯，没有铠包及铠装层的电力电缆最少应为四芯电缆。

3、确定高压电缆的长度

1）、敷设在立井井筒中的电缆的长度按所经井筒深度的1.02倍计算。

2）、入井电缆应在地面和井下两端各留8米～10米的裕量。

3）、电缆中间有接头时，应在电缆的两端头处各增加3米。

4、高压电缆主芯线截面的选择

1）、按正常工作时的经济电流表密度选择。

2）、按允许持续电流选择。

3）、按电缆首端的最大三相短路电流校验其热稳定。

4、按正常和故障状态时，分别校验电压损失。

4.3短路电流的计算

计算短路回路中各元件的阻抗值：

井下中央变电所6KV高压，母线上的三相短路容量为50mm，由井下中央变电所到采区变电所的高压铝芯铠装电缆的长度3.5Km，线芯截面为500mm2，求图6.1中F1和F2两点的短路电流值。

图6.1井下供电系统

1．系统电抗值：

ＸS=Ｖ2Ｎ２／ＳSC（3）=690/50×103=0.0095（Ω）（4-8）

表4.3高压铠装电缆每相每公里的电阻和电抗阻值（Ω/km）

截面m2

电压（KV）

铜

铝

铜

铝

铜

铝

铜

铝

铜

铝

1.34

2.257

0.857

1.445

0.612

1.03

0.429

0.722

0.306

0.516

0.068

0.066

0.064

0.063

0.061

2．高压电缆的阻抗值：

查表4.3高压铝芯铠装电缆每公里电阻值R01=0.722Ω/km，每公里电抗值：

X01=0.063Ω/km，再以下式换算至低压侧。

表4.4Kr值的计算结果　　

U1（V）U2（V）

3750

6300

690

4.57

9.13

15.22

由表4.4得：

KT=9.13

R1=R01L1/KT2=0.722×3.5/9.132=0.0303Ω（4-9）

R2=X01L1/KT2=0.063×3.5/9.132=0.0026Ω（4-10）

表4.5矿用隔爆型干式变压器技术特征表

型号

额定容量（KVA）

额定电压（KV）

额定电流（A）

短路损耗（W）

阻抗压降（%）

线图阻隔抗

（Ω/Ф）

一次

二次

RTr

XTr

KBSG-200/6

200

0.693

167

1700

0.85

3.19

0.0204

0.093

3．变压器的电阻和电抗值可由表4.5查得

ＲTr=0.0204ΩＸTr=0.093Ω

表4.6矿用低压电缆每相每公里的电阻值和电抗值（Ω/km）

类型

阻抗

电缆线芯截面

橡套

5.50

3.693

2.159

1.369

0.8638

0.6160

0.4484

0.3151

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