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采区变电所的设计大学论文
引言
对于采区供电，由于煤矿供电的特殊性和井下电气设备的工作环境恶劣，为此，对供电的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。
采区供电通常以相对固定的采区变电所，是通过放射式电缆网向用电比较集中的配电点供电，而为了供电的安全，通常都是要以双回路供电，因此对于采区供电，要对采区的采高、电气设备的选型和对电缆的选择都是非常重要的，在确定了电气设备后，要对各种配电开关进行整定计算，对电缆选定后，要对它的距离进行确定，所以对电缆支线的电压损失和各负荷电缆的电压损失进行计算。
对各种保护的灵敏度校验是否合格，所以采区供电是一种复杂的供电，要经过严格的选择和供电的布局，才能最终形成一个完整的采区供电。
第一章绪论
1.1采区变电所的发展
采区是井下动力负荷集中的地方，采区供电是否安全、可靠、经济合理，将直接关系到人身、矿井和设备安全及采区生产的正常运行。
由于井下工作环境十分恶劣，因此在供电上除采取可靠的防止人身触电危险的措施外，还必须正确的选择电器设备的类型和参数，并采取合理的供电、控制和保护系统，加强对电器设备的维护和检修工作，确保电气设备的安全运行和防止井下瓦斯和煤尘爆炸。
[1]
随着煤炭工业现代化的发展，采掘机械化程度越来越高，机电设备的总装机容量和单机容量在不断增加。
以采煤机为例，从20世纪70年代初期的150kW左右，增加到了现在的375×2kW，目前国外采煤机单机功率已超过1000kW；综采工作面总容量也从几百千瓦增加到2000－3000kW。
由于机械化程度的不断提高，加快了工作面的推进速度，这就要求采区走向长度加长，从而使供电距离增大，给供电带来了新的问题。
因为供电电压等级一定时，输送的功率越大，电网的电压损失越大，电动机的端电压越低，这将影响用电设备的正常工作。
解决的办法有：
加大电缆截面，但有一定的限度，因为电缆截面过大，不便移动和敷设，而且也不经济；采用移动变电站使高压深入到工作面顺槽来缩短低压供电距离，可是供电电压质量得到较大的提高；提高用电设备的等级也是一个提高电压质量的有效措施。
目前国内生产的综采工作面电气设备电压等级为1140V，而且还将继续提高，现正研制3kV的采掘运电气设备，以适应生产发展的需要。
提高电压等级和采用移动变电站供电不仅保证了供电质量，而且还降低了电网输电损耗。
机械化程度的提高无疑带动了采区用电的发展，则合理的设计采区变电所也是当前的重要任务。
第二章采区变电所位置的确定
2.1原始资料：
（1）井田设计能力200万吨/年。
（2）井田内布置方式：
采区式，运输大巷底板岩巷。
（3）矿井瓦斯等级：
低等级。
（4）采区煤层倾角：
18°—32°/26°
（5）设计煤层:
K2=1.76－2.15m/2.15m。
2.2采区供电对对电能的要求
2.2.1电压允许偏差
电压偏差计算公式如下：
电压偏差＝
×100%
《电能质量供电电压允许偏差》（GB12325—90）规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压允许偏差值为：
（1）35KV及以上供电和对电压有特殊要求的用户为额定电压的+5%—－5%；
（2）10KV及以上高压供电和低压电力用户的电压允许偏差为用户额定电压的+7%—－7%；
（3）低压照明用户为+5%—－10%。
2.2.2三相电压不平衡
根据《电能质量三相电压允许不平衡度》规定：
电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。
在采区变电所供电情况下，交流额定频率为50HZ电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的pcc点连接点的电压不平衡度能满足规定要求。
2.2.3电网频率
《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB/T15543—1995）中规定：
电力系统频率偏差允许值为0.2HZ，当系统容量较小时，偏差值可放宽到+5%HZ—－5%HZ，标准中没有说明容量大小的界限的电网容量在300万KW以上者为0.2HZ；电网容量在300万KW以下者为0.5HZ。
2.2.4波形
正常情况下，要求电力系统的供电电压（或电流）的波形为正弦波，在电能的输送和分配过程中不应该使波形产生畸变，还应注意负荷中谐波源（装整流装置等）的影响，必要时采取一定措施消除谐波的影响。
2.2.5供电可靠性
供电可靠性是衡量电能质量的一个重要指标，必须保证供电的可靠性。
采区变电所要便于对硐室的扩大和设备的增加，同时便于体积较大的变压器等设备直接通过运输上山运到采区变电所硐室减少运输设备的费用。
在满足费用要求的同时还要满足顶板坚固，无淋水且通风良好，保证变电所硐室内的温度不超过附近巷道5℃。
根据采区巷道布置，要使采区变电所能顺利的通过运输平巷向整个采区的负荷中心（采煤工作面）进行供电。
在回风上山和运输上山联络巷处，低压供电距离合理，并且不必移动采区变电所就能对采区的采煤、掘进及回采等进行供电。
所以把采区变电所布置在回风上山和运输上山联络巷处。
（1）变电所是采区的动力中心，其任务是将中央变电所送的高压电能变为低压电能，并将此电力配送到采掘工作面保证采区内各负荷电压不低于该设备电压的95%。
（2）附近巷道应有轨道，便于运输采区变电所的大型电器设备。
（3）变电所内通风良好，保证变电硐室温度不超过附近巷道温度5*C。
（4）变电硐室围岩稳定，易于维护，防止进水，顶底板坚固，顶板无淋水现象。
（5）根据采取的特殊性要求，尽可能有一个变电所想采区全部电气设备供电。
在采取内全部生产期间力求减少迁移次数。
2.3对采区变电硐室要求
（1）采区变电硐室应用不燃性材料支护，其通风，防水，防火，通道等安全措施要与其中央变电所相同。
（2）变压器可与变电设备布置在同一硐室内。
（3）采区变电所的、高低压设备一般应分开布置在不同侧。
（4）检漏继电器应放置在固定于硐室墙壁的支架上。
有备用电源线路或变压器，以保证供电的可靠性。
（5）各设备之间、设备于墙壁之间要留有维护和检修通道，不同侧面和背后检修的的设备不留通道。
（6）无值班人员的采区变电所必须关门加锁。
（7）大的变压器等设备直接通过采区变电所要便于对硐室的扩大和设备的增加，同时便于体积较运输上山运到采区变电所硐室减少运输设备的费用。
在满足费用要求的同时还要满足顶板坚固，无淋水且通风良好，保证变电所硐室内的温度不超过附近巷道5℃。
2.4采区变电所位置的选择
（1）设于能向最多生产机械供电的负荷中心，使低压供电距离合理，并力求减少变电所的移动次数。
（2）设于顶，底板坚固且无淋水及通风良好的地方，以保证变电所硐室内的温度不超过附近巷道温度的5°。
（3）便于变电所设备运输
此外，采区变电所不能设在工作面的顺槽中，一般设于采区与部署斜巷轨道巷之间的联络巷内【2】。
掘进工作面的供电一般由采区变电所承担，不易设变电所。
根据采区巷道布置，要使采区变电所能顺利的通过运输平巷向整个采区的负荷中心（采煤工作面）进行供电。
在回风上山和运输上山联络巷处，低压供电距离合理，并且不必移动采区变电所就能对采区的采煤、掘进及回采等进行供电。
所以把采区变电所布置在回风上山和运输上山联络巷处。
第三章采区负荷的计算及变压器容量的确定
3.1变压器选择注意事项
变压器是供电系统中的主要电气设备，对供电的可靠性、安全性和经济性有着重要意义。
如果变压器容量选择过大，不仅使设备投资费用增加，而且变压器的空载损耗也将过大，促使供电系统中的功率因数减小；如果变压器容量选择过小，在长期过负荷运行情况下，铜损耗将增大，使线圈过热而老化，缩短变压器寿命,既不安全又不经济。
3.2台数的确定
采区变电所变压器在一般情况下是按计算容量选设，不留备用量。
其原因是为了尽力减少变电所硐室开拓量，降低供电成本。
但是，若采区变电所的供电负荷中有一级负荷（如采区内分区水泵等）时，则变压器台数不得少于两台，以便保证供电的可靠性。
3.3采区负荷的计算及变压器容量、台数确定
本工作面采用6MG-200W型滚筒式采煤机为综合机械化采煤，为保证供电质量和安全，根据采区巷道布置，按需用系数法计算变压器容量和台数。
（1）、采区电压等级为1140V变压器容量及台数的确定
SB1＝∑PeKxKc/cosφpj（3-1）
＝984×0.58×1/0.7
＝815KVA
式中：
∑Pe——变电所供电设备额定功率之和∑Pe＝600+264+90+30＝984KW
Kx——需用系数，Kx＝0.4＋0.6×300÷984＝0.58
cosφpj——加权平均功率因率，按综采工作面，取0.7
Kc——采区重合系数，取1
此变压器所接负荷中有大量的一级负荷，所以必需选择两台（或两台以上）变压器。
根据计算结果选择KBSG-800/10/1.2干式变压器一台和KBSG-500/10/1.2干式变压器一台。
（2）、采区变电所变压器容量及台数的确定
SB1＝∑PeKxKc/cosφpj
＝549×0.49×1/0.7
＝384KVA
式中：
∑Pe——变电所供电设备额定功率之和∑Pe＝132+150+85+22+160＝549KW
Kx——需用系数，Kx＝0.4＋0.6×80÷549＝0.49
cosφpj——加权平均功率因率，按综采工作面，取0.7
Kc——采区重合系数，取1
所以根据计算结果选择KS7-500/10/0.693干式变压器一台。
第四章拟定采区供电系统
4.1采区高压供电系统的拟定原则
（1）供综采工作面的采区变（配）电所一般由两回路电源线进行供电，除综采外，每个采区应为一回路；
（2）双电源进线的采区变电所，应设置电源进线开关；
（3）采区变电所的高压馈出线宜用专用的开关柜。
4.2采区低压供电系统的拟定原则
（1）在保证供电安全可靠的前提下，力求所用的设备最省；
（2）原则上一台启动器只能控制一台设备；
（3）当采区变电所动力变压器超过一台时，应合理分配变压器负荷；
（4）变压器最好不要并联运行；
（5）从变电所向各配电点或配电点到用电设备采用辐射式供电，上山及顺槽运输机采用干线式供电；
（6）工作点配电点最大容量电动机的启动器应靠近配电点进线；
（7）供电系统应尽量避免回头供电；
（8）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，掘进工作面的局部通风机组都应实行三专（专用变压器、专用开关、专用线路）供电；
（9）局部通风机和掘进工作面中的
电气设备必须装有风电闭锁装置。
在瓦斯喷出区域、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）实施。
第五章电缆的的选择和校验
5.1电缆型号确定
根据供电电压、工作条件、敷设地点环境，确定电缆型号为:
MYP、MY、MYJV22和MYCP型。
其中MYP型电缆用于额定电压为1140V的设备，MYJV22型电缆用于高压开关至移变的电缆，MYCP用于采煤机组及工作面刮板运输机真空磁力启动器至电动机的电缆，其余所需电缆用MY型。
5.2电缆长度确定
电缆长度的确定如表5-1所示
由式：
Lz＝α•LX（5-1）
式中:
α—系数，橡套电缆取α＝1.1，铠装电缆取α＝1.05
LX—巷道实际长度m
表5-1电缆长度计算结果表
序号
地点
巷道长度（m）
选取电缆长度（m）
电压
备注
1
Z1
180
200
低压
橡套
2
Z2
185
200
低压
橡套
3
Z3
5
10
低压
橡套
4
Z4
55
60
低压
橡套
5
Z5
35
40
低压
橡套
6
Z6
65
70
低压
橡套
7
Z7
90
100
低压
橡套
8
Z8
1050
1105
低压
橡套
9
Z9
180
200
低压
橡套
10
G1
120
130
低压
铠装
11
G2
85
90
低压
铠装
12
G3
150
160
低压
铠装
5.3配电点电缆的选择
5.3.1第一配电点电缆的选择
配电点电缆的选择其计算公式如1-2所示
Lg1=（20+20+130+510-50）×1.1+24=717m（5-2）
式中20+20——变电所内及变电所至第一区段平巷的距离；
130+510——工作面和一翼区段走向长度；
50——配电点距工作面的距离；
1.1——橡套电缆的增数；
24——每个接线盒两端各加3m，510m电缆要设4个接线盒，故应加24m电缆；
（1）支线电缆长度选择：
配电点至机组的支线长度：
Lz11=（50+130）×1.1+6=204m
工作面输送机尾电动机的支线长度：
Lz12=50×1.1=55m
回柱绞车支线长度：
Lz13=10m
电钻电缆长度：
Lz14=（130÷2+50）×1.1=126.5m
（2）采区电缆的选择
回采工作面电缆的选择，选择图3-1中干线g1、g2和支线Z11、Z12、Z13、Z14所用电缆。
为了便于对照和计算，把表3—1中电流值按要求的截面，并按温升条件所允许的截面，以及按其它条件选择（校验）的截面，一并列入表5—2中。
表5-2选择电缆截面及型号的结果
编号
用途
通过电
流值
（A）
型号与规格
按机械强度
按
温
升
按
电
压
Z11
Z12
Z13
Z14
Lg1
Lg2
采煤机组
输送机机尾
回柱绞车
电钻
配电点1干线
顺槽带式输送机
91
51.6
19.7
2.19
UCP-10003x35+1x6+4x4204m
UP-10003x16+1x655m
UP-10003x16+1x610m
U-5003x6+1x4126.5m
25mm2
10mm2
4mm2
4mm2
35mm2
10mm2
50mm2
70mm2
截面型号的选择：
（3）按负荷电流选择干线Lg1截面
Lg1截面的选择：
Ig1=∑Ig·kx=（91+51.6+19.7+2.19）×0.7=115A
式中kx=0.7——根据主要负荷机组和输送机是同时工作，占Lg1中负荷88%左右，而且两者的负荷系数均为0.8，故取kx=0.7。
易知：
选用UP-1000、3×50+1×10电缆。
（4）按允许电压损失选择Lg1截面
支路电压损失
由于机组容量最大，距离最远，所以若它计算合格，则其它支路均合格。
机组支线电压损失为：
∆Uz11=
=
=14.4V
求变压器电压损失为：
由前面计算已知向机组供电的KSJ3—320/6型变压器总容量
Sb=245.6KVA
Pb=245.6×0.7=172KW
Qb=
=175.3kvar
Rb=0.0286Ω，Xb=0.061Ω
按下式计算为：
∆Ub=
=
=23.7V
Lg1干线上允许的电压损失
根据计算采区电网允许的电压损失为：
∆Uy=∆U2e─Up=690-0.95×660=63V
Lg1上允许电压损失为：
∆Ug1y=63-14.4-23.7=24.9V
求Lg1干线截面
Sg1=
=
=101.3mm2
由于U或UP电缆截面最大者为70mm2，若按上述计算考虑需用两条电缆作为干线，显然既不经济又不方便。
为此拟将机组电缆截面改用50mm2，而最远用电设备降低其供电质量，只保证0.9Ue，此时：
Lg5供电变压器负荷容量
Sb=245.6KVA
Pb=245.6×0.7=172KW
Qb=
=175.3kvar
Rb=0.0286Ω，Xb=0.061Ω。
变压器的电压损失为：
∆Ub=
=
=23.7V
Lg5上允许电压损失为：
∆Ug5y=63-23.7=39.3V
求出等截面为：
Sg5=
=
=7mm2
可选用UP—1000、3×10+1×6电缆（其型号的确定如表5-3所示）。
表5-3第一配电点电缆型号规格确定
采煤机
JCP—1000、3×50+1×10+7×4
输送机机尾
UP—1000、3×16+1×6
回柱绞车
UP—1000、3×16+1×6
煤电钻
U—500、3×6+1×6
主干电缆
UP—1000、3×70+1×16
5.3.2第二配电点电缆的选择
第二配电点干线电缆长度选择：
Lg2=（20+20+510-50）×1.1+18=568m
18——每个接线盒两端各加3m，510m电缆要设3个接线盒，故应加18m电缆；
支线电缆长度选择：
顺槽运输机支线长度：
Lz21=（110-50）×1.1=66m
工作面运输机尾电动机的支线长度：
Lz22=50×1.1=55m
移动溜齿轮油泵电缆长度：
Lz23=10m
电钻电缆长度：
Lz24=（130÷2+50）×1.1=126.5m
截面型号的选择：
干线Lg2截面的选择
（1）按负荷电流选择Lg2截面
Ig2=∑Ig·kx=（25.8×4+8.7+2.19）×0.8=91.3A
式中kx负荷系数为0.8。
取s=50mm²选UP-1000、3ⅹ50+1ⅹ10电缆。
（2）按允许电压损失选择Lg2截面
支路电压损失
输送机机头电压损失为：
∆Uz21=
=
=5.8V
求变压器电压损失
由前面计算已知向机组供电的KSJ3—320/6型变压器总容量
Sb=245.6KVA
Pb=245.6×0.7=172KW，
Qb=
=175.3kvar
其中Rb=0.0286Ω，Xb=0.061Ω，按下式计算为：
∆Ub=
=
=23.7V
Lg2干线上允许的电压损失
根据计算采区电网允许的电压损失为：
∆Uy=∆U2e─Up=690-0.95×660=63V
Lg2上允许电压损失为：
∆Ug2y=63-5.8-23.7=33.5V
求Lg2干线截面
Sg2=
=
=42.5mm2
选用标称UP—1000、3×50+1×10电缆（其型号的确定如表5-4所示）。
表5-4第二配电点所选电缆型号规格确定
输送机机头
UP—1000、3×16+1×6
齿轮油泵
U—500、3×6+1×6
煤电钻
U—500、3×6+1×6
主干电缆
UP—1000、3×50+1×10
顺槽输送机机头
UP—1000、3×16+1×6
5.3.3第三配电点电缆的选择
第三配电点干线电缆长度选择：
Lg3=（20+20+130）×1.1+6=193m
6——每个接线盒两端各加一3m，130电缆要设1个接线盒，
故应加6m电缆；
支线电缆长度选择：
材料绞车电缆长度：
Lz31=（50+15）×1.1=71.5m
局部通风机电缆长度：
Lz32=10m
煤电钻与变压器，随工作面每隔80-100m移动一次的最远长度：
Lz33=510×1.1+18=579m
电钻电缆长度：
Lz34=100m
截面型号的选择：
干线Lg3截面的选择
（1）按负荷电流选择Lg3截面
Lg3截面的选择：
Ig3=∑Ig·kx=（12.9+12.6+2×2.19）×0.7=17.9A
式中kx负荷系数为0.7。
取s=10mm²选用UP-1000、3×35+1×16电缆。
（2）按允许电压损失选择Lg3截面
材料绞车电压损失：
∆Uz31=
=
=1.6V
求变压器电压损失
由前面计算已知向机组供电的KSJ3—320/6型变压器总容量
Sb=245.6KV
Pb=245.6×0.7=172KW，
Qb=
=175.3kvar
其中Rb=0.0286Ω，Xb=0.061Ω，按下式计算为：
∆Ub=
=
=23.7V
Lg3干线上允许的电压损失
根据计算采区电网允许的电压损失为：
∆Uy=∆U2e─Up=690-0.95×660=63V
Lg3上允许电压损失为：
∆Ug3y=63-1.6-23.7=37.7V
求Lg3干线截面
Sg3=
=
=3.76mm2
可选用UP—1000、3×16+1×6电缆（其型号的确定如表5-5所示）。
表5-5第三配电点所选电缆型号规格确定
材料绞车
UP—1000、3×16+1×6
煤电钻变压器
UP—1000、3×16+1×6
局部通风机
UP—1000、3×6+1×6
照明系统
UP—500、3×6+1×6
煤电钻
UP—500、3×6+1×6
主干电缆
UP—1000、3×16+1×6
5.3.4第四配电点电缆的选择
第四配电点干线电缆长度选择：
干线电缆的选择：
Lg4=（20+20）×1.1=44m
支线电缆长度选择：
局部通风机电缆长度：
Lg41=10m
电钻变压器电缆长度：
Lg42=510×1.1+18=579m
电钻电缆长度：
Lg43=100m
截面型号的选择：
干线Lg4截面的选择
（1）按负荷电流选择Lg4截面
Lg4截面的选择：
Ig4=∑Ig·kx=（12.6+2.19）×0.6=8.87A
式中kx负荷系数为0.6。
取s=16mm²选用UP-1000、3ⅹ16+1ⅹ6电缆。
（2）按允许电压损失选择Lg4截面
支路电压损失
局部通风机电压损失为：
∆Uz41=
=
=0.5V
求变压器电压损失
由前面计算已知向机组供电的KSJ3—320/6型变压器总容量
Sb=245.6KVA
Pb=245.6×0.7=172KW
Qb=
=175.3kvar
其中Rb=0.0286Ω，Xb=0.061Ω，按下式计算为：
∆Ub=
=
=23.7V
Lg4干线上允许的电压损失
根据计算采区电网允许的电压损失为：
∆Uy=∆U2e─Up=690-0.95×660=63V
Lg4上允许电压损失为：
∆Ug4y=63-0.5-23.7=38.8V
求Lg4干线截面
Sg4=
=
=0.4mm2
可选用UP—1000、3×16+1×6电缆（其型号的确定如表5-6所示）。
（3）顺槽带运输机干线供电电缆才长度：
Lg5=（210+20+20）×1.1+6=281m
式中210——顺槽运输机的长度。
Lg5截面的选择：
Ig5=∑Ig·kx=23.2+23.2=46.4A
取s=10mm²故选用UP-1000、3ⅹ10+1ⅹ6电缆。
（4）上山带式输送机干线式供电电缆长度：
Lg6=260×1.1+6=292m
Lg6截面的选择：
Ig6=∑Ig·kx=23.2×+2=46.4A
取s=10mm²故选用UP-1000、3ⅹ10+1ⅹ6电缆。
（5）变电所照明变压器电缆长度：
Lg7=10m
表5-6第四配电点所选电缆型号规格确定
局部通风机
UP—1000、3×6+1×6
煤电钻变压器
UP—1000、3×16+1×6
照明系统
UP—500、3×6+1×6
煤电钻
UP—500、3×6+1×6
主干电缆
UP—1000、3×16+1×6
第六章低压控制电器的选择
6.1选择变压器二次总馈电开关
因KSJ3—3
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