黄玉川 第10章 电气.docx
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黄玉川第10章电气
第十章电气
10.1供电电源
10.1.1电源
本地区处于鄂尔多斯电网东部，附近有3座电厂,国华准格尔电厂（2×330MW）、万家寨水电站（3×180MW）、准大发电厂（2×330MW）。
附近有500kV变电站1座，220kV变电站2座，110kV变电站4座。
根据鄂尔多斯电业局提供的《鄂尔多斯电网“十一五”发展规划》，为满足开发当地煤炭资源的需求到2010年末，附近将建设友谊电厂（2×600MW），魏家峁电厂（2×600MW），准格尔750kV变电站，万家寨220kV变电站等，电网完全可以为本矿的建设和生产提供可靠的电源。
薛家湾220kV变电站位于本矿东北部约20km处，该站为区域变电站，内设4台变压器，容量均为120MVA，电压等级为220/110/35kV,两回220kV电源引自国华准格尔电厂，一回220kV电源引自万家寨水电站，现主要向沙圪堵、魏家峁和榆树湾3个110kV变电所供电，可以为本矿提供可靠电源。
杨四海220kV变电站位于本矿西南部约15km处，内设4台变压器，2台容量为150MVA，2台容量为180MVA，电压等级为220/110/35kV,两回220kV电源引自宁格尔500kV变电站，输电线路分别为LGJ－2×300/31.5km和LGJ－2×300/32.2km，另一回220kV电源引自万家寨水电站，输电线路为LGJ－2×240/54.3km，现主要为沙圪堵和榆树湾110kV变电所供电。
沙圪堵110kV变电所位于本矿西南约18km处，内设2台变压器，容量分别为50MVA和10MVA，电压等级为110/35/10kV，1回110kV电源引自杨四海220kV变电站，输电线路为LGJ－240/1.2km；另1回110kV电源引自薛家湾220kV变电站，输电线路为LGJ－120/50.4km，现为长滩、川掌和长胜店3个35kV变电所供电。
地区供电系统地理接线图见图10.1-1。
10.1.2矿井供电电源
根据审查意见和薛家湾供电局大用户分局文件薛供大户局（2005）9号《关于对鄂尔多斯市亿德资源有限公司用电申请的回复》，本矿电源以110kV电压等级供电，两路电源分别由薛家湾220kV变电站和杨四海220kV变电站引来。
输电线路分别为LGJ－150/20km和LGJ－150/18km。
10.1.3施工电源
由于矿井110kV永久变电所及线路投资大，工期长，需要解决的问题繁多，为此考虑矿井建设期间采用临时施工电源，矿井临时施工用电取自当地10kV电网。
在工业场地设置简易的临时变配电设备。
10.2电力负荷
本矿井设计能力为10.00Mt/a，经计算电力负荷（括号内为包括选煤厂）如下：
设备总台数：
390台（839台）
设备工作台数：
325台（604台）
设备总容量：
36404.4kW（51271.7kW）
设备工作容量：
32989.3kW（47196kW）
110kV变电所10kV母线上（计入选煤厂负荷）计算负荷为：
有功功率：
26786.9kW
无功功率：
17966.6kvar
自然功率因数：
0.83
电容器补偿容量12000kvar
补偿后无功功率：
5966.6kvar
补偿后功率因数：
0.98
视在功率：
27443.3kVA
矿井吨煤电耗（不包括选煤厂）：
8.12kW.h/t
矿井110/10kV变电所主变压器选择见表10.2-1。
10.3送变电
10.3.1供电系统
本矿井在工业场地建110kV变电所1座，其2回110kV电源分别引自薛家湾220kV变电站和杨四海220kV变电站，2回电源同时工作，互为备用，输电线路分别为LGJ－150/20km和LGJ－150/18km。
10.3.2送电线路技术特征
薛家湾220kV变电站－黄玉川110kV变电所的110kV线路的路径，在矿井的井田范围内沿线路方向正好有万家寨水电站－薛家湾220kV变电站的220kV线路需要留煤柱；杨四海220kV变电站－黄玉川110kV变电所的110kV线路的路径，在矿井的井田范围内沿线路方向正好有宁格尔500kV变电站－杨四海220kV变电站的220kV线路需要留煤柱；所以2条110kV电源线路路径尽量靠近220kV线路，以便共用煤柱，减小下沉。
由于线路经过地区沙化较严重，所以应对不良地质情况进行局部处理，以保证线路的安全运行。
线路沿线地形较为平坦，接近公路便于施工。
本线路设计采用如下气象条件：
最高温度+36.6℃（采用+40℃）、最低温度－27.9℃（采用－30℃）、年平均气温+8.8℃（采用+10℃）、最大风速14m/s、覆冰厚度10mm、年雷暴日30d/a、冰比重0.9。
计算用气象条件的组合见表10.3-1。
根据本矿的最终用电负荷、线路长度、允许电压损失、线路安全系数等条件，按经济电流密度选择，两回导线型号均为LGJ-150。
本地区属中雷地区，两回线路应全线架设避雷线。
根据《110～500kV架空送电线路设计技术规范》（DL/T5092-1999），LGJ-150采用GJ-35型避雷线与导线配合。
为防止线路共振，导线及避雷线均安装防振锤。
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、相应风
－5
10
10
6
内部过电压
+10
15
0
7
大气过电压
+15
10
0
8
安装情况
－10
10
0
10.3.3变电所布置
110kV变电所所址，按尽可能接近主要用户与负荷中心、有较宽的线路走廊且布设方便、地形平坦、标高满足防洪的要求、在全年主导风向的上风侧、避开污秽地段、设备运输方便的原则，布置在工业场地北侧。
一般情况下110kV为户外布置，10kV为户内布置。
因为户外110kV配电装置每年作一次大检修，耗费大量的人力、物力，还要部分停电，对生产及安全有一定影响；且110kVGIS设备可实现15年免维护，室内布置，避免了污染；考虑到本地风沙较大，矿井建成后污染相对严重，虽然110kVGIS设备一次投资比户外110kV设备一次性投资约多200万元左右。
但从长远角度来看减小了每年的维护、检修费用，提高了供电可靠性。
所以本次设计110kV设备采用GIS形式，户内布置。
由于本矿井用地紧张，所以变电所采用全户内站，10kV配电装置、变压器、无功补偿装置及主控制室等也在室内布置。
10.3.4变电所接线方式
根据矿井电源条件、负荷分配情况以及场地布置，考虑如下三个方案：
第一方案，变电所内设两台110/10kV，31.5MVA的变压器。
一台工作，一台备用，当一台变压器故障或检修时，另一台变压器能保证矿井所有负荷用电。
变电所110kV和10kV均采用单母线分段接线。
（见附图10.3-1）。
第二方案，变电所内设两台110/10kV，25MVA的变压器，两台同时工作。
当一台变压器故障或检修时，另一台变压器能保证矿井一、二类负荷用电。
变电所110kV和10kV均采用单母线分段接线。
（见附图10.3-2）。
第三方案，变电所内设三台110/10kV，16MVA的变压器，前期时上两台，等负荷增加后，适时再上一台。
建井后期及生产初期两台变压器一台工作，一台备用，达产后三台变压器两台工作，一台备用。
变电所110kV采用双母线接线，10kV采用单母线分段接线。
（见附图10.3-3）。
经估算，第一方案投资约1700万元；第二方案投资约1670万元；第三方案投资约2000万元，从投资来看，第一、第二方案相差不大，第三方案投资较大，但前期可先投两台变压器，可少投资约150万元。
现内蒙古供电局年基本电费有两种收取方式，一种方式是按变压器容量收取，收费标准是14元/1kVA/每月，另一种方式是按最大需量收取，收费标准是21元/1kW/每月。
如果年基本电费按变压器容量考虑，建井后期及生产初期，第三方案占有较大优势，一年比第一方案可节省260.4万元，比第二方案可节省151.2万元。
如果建井后期及生产初期用两年时间，仅年基本电费一项就可节省520.8和302.4万元。
而且供电可靠性方面比第一方案占有优势。
矿井投产后，第二、第三方案正常情况下两台变压器分列运行，矿井的通风机、提升机等重要负荷由两段母线分别供电，如果一台变压器发生故障，这些负荷可以不停电连续供电（而第一方案需要投另一台变压器后才能供电），提高了供电的可靠性。
如果年基本电费按最大需量收取，三种方案的年基本电费是一样的。
第一方案主接线简单，二次保护简单，但供电可靠性较低，不便于扩建，初期变压器负荷率较低；第二方案供电可靠性高，主接线简单，二次保护简单，但不便于扩建，初期和后期变压器负荷率均较低；第三方案供电可靠性高，初期投资小，运行灵活，便于扩建，但主接线较复杂，二次保护较复杂。
综上所述，第三方案供电可靠，年基本电费按变压器容量收取时为最省，且便于扩建，运行灵活，可很好地兼顾矿井建井后期、生产初期和达产后的建设、生产用电，所以设计推荐第三方案。
电力网110kV系统一般为中性点直接接地方式，但本站的主变压器110kV侧中性点是否接地，需要由当地供电部门根据整个110kV电网的实际运行状态来决定，因此主变压器中性点经过隔离开关接地，以便于运行调度灵活地选择接地点。
10.3.5变电所供电系统技术特征及设备选型
工业场地110kV变电站设有110kV、10kV二个电压等级的高压配电装置。
110kV有两回电源进线，变压器3台。
110kV侧为双母线接线，共有8个间隔；10kV为单母线分段，设分段断路器。
主变压器选3台SZ11-16000/110双绕组有载调压电力变压器，容量为16MVA，电压为110±8×1.25%/10.5kV，接线为Yn0，d11。
负荷率为85.8%，保证率为100%。
110kV配电装置选用SF6金属封闭组合电器。
10kV配电装置选用KYN-12型金属铠装移开式高压真空开关柜。
110kV变电所电气主接线图见图C1570G-253-1。
10.3.6短路电流计算
本设计按杨四海220kV变电站110kV母线短路容量为无限大考虑，110kV供电线路长度～18km，取基准容量为100MVA，基准电压为各级的平均电压。
短路电流计算系统图及等值阻抗图见图10.3-4。
短路电流计算表见表10.3-2。
计算结果如下：
工业场地110kV母线上最大三相短路电流为9.26kA（K1点），短路容量为1851.85MVA；10kV母线上最大三相短路电流为7.74kA（K2点），短路容量为140.80MVA。
表10.3-2短路电流计算结果表
回路名称
短路点
综合
阻抗
短路电流周期分量起始值
I″（kA）
短路电流稳态值
Id（kA）
短路电流冲击值
ich（kA）
短路全电流有效值
Ich（kA）
短路
容量
S（MVA）
工业场地变电所110kV母线
K1
0.054
9.26
9.26
23.61
14.07
1851.85
工业场地变电所10kV母线
K2
0.7103
7.74
7.74
19.75
11.77
140.80
10.3.7主要设备校验
GIS金属封闭组合电器中断路器、电流互感器和KYN28-12型金属铠装移开式高压真空开关柜中主要设备的动、热稳定校验见表10.3-3。
工业场地10kV供电母线的最大三相短路容量为140.80MVA，井底车场主变电所选用的矿用一般型单层手车式高压真空开关柜内真空断路器开断容量为216.5MVA；所以，在下井回路中不需加装限流电抗器。
工业场地110kV变电所10kV出线采用交联铜芯电力电缆最小电缆截面为50mm2。
工业场地110kV变电所10kV出线最小电流互感器（AS12/175h/2）变比为20/5。
10.3.8单相接地电容电流
由于本矿电缆线路长，经计算，本矿井10kV系统单相接地电容电流在矿井为10.00Mt/a生产能力时为30.8A，已超过《煤矿安全规程》规定的允许值20A，必须采取补偿措施，为此在工业场地选用XHG-10/80型10kV消谐消弧过电压保护装置2套，以消除间歇性弧光接地过电压，抑制谐振过电压，以提高运行的安全性及可靠性。
10.3.9无功补偿
根据有、无功计算，矿井为10.00Mt/a生产能力时110kV变电站电容补偿为12000kvar，每一段电容补偿容量为6000kvar，由于矿井为三班生产，一班检修，各班的负荷不同，在检修班时的负荷最小，采用静态电容补偿难以满
足负荷变化的要求，可能向电网反送无功，将受电力系统的处罚，为此本设计考虑采用动态无功补偿方式。
高压动态无功功率补偿装置采用HVC高压自动无功补偿装置（以下简称HVC）和高压TSC动态无功补偿装置（以下简称TSC）相结合的方案。
单套高压动态无功功率补偿装置总容量为6000kvar，其中HVC容量共5100kvar，分三组：
1200、1800、2100kvar；TSC容量共900kvar，分两组：
300、600kvar。
每套设备由五面电容柜和一面控制柜组成。
HVC和TSC互相配合，根据负荷
变化组合投切，可实现20级投切，具体容量包括：
300、600、900、1200、1500、1800、2100、2400、2700、3000、3300、3600、3900、4200、4500、4800、5100、5400、5700、6000Kvar。
HVC由真空接触器、高压并联电容器组、干式铁芯电抗器、电压互感器、避雷器和附属设备组成，电容器组由真空接触器来投切。
TSC由光纤触发系统、可控硅阀控系统、电抗器、电容器、保护元件等单元组合而成。
实现严格的电流过零投切，电容投切过程中无涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃现象、无电压闪变现象，能在20毫秒内快速跟踪系统无功变化，可频繁投切。
HVC主要用来补偿系统较稳定的无功变化不频繁的基本负荷；当负荷变化较快时，由TSC快速反应，根据负荷的变化跟踪补偿。
在对负荷进行补偿的整个过程中，自动与动态互相配合，HVC补偿基本无功，TSC快速响应，组合投切实现细调，既能保证补偿精度，又可实现动态快速跟踪补偿。
10.3.10所用电及操作电源
10kV高压配电室其中两台KYN-12型开关柜，内设SC-50/10、10/0.4kV电力变压器及相应的高低压保护元件，作为所用电电源，以380V/220V电压向主控制室交流屏供电，两个电源互为备用。
直流部分选用一套200Ah的微机监控高频开关免维护铅酸蓄电池直流电源屏作为断路器的操作电源及二次设备的电源。
10.3.11二次保护部分
本变电所的二次保护设备采用全微机变电站综合自动化系统，按无人值班变电所设计，为面向对象的分层分布式单元模块化结构，监控系统为冗余配置方式，完成变电站的监控及保护功能，同时向上级调度单位提供变电站运行状态信息，完成远动系统RTU（远方终端单元）功能。
其他系统设置的主要保护如下：
1．110kV保护
110kV进线装设三段式电流保护及低电压保护；
110kV进线及母联装设备自投保护；
110kV母线装设母差保护；
110kV中性点装设零序过流保护；
110kV电压互感器装设电压切换装置；
110kV侧母线装设绝缘监测装置。
2．主变压器保护
主变压器两侧装设纵差保护、瓦斯保护、过电流保护、过负荷保护、温度保护、油位过低保护等。
3．10kV保护
10kV馈出线装设三段式电流保护、过负荷保护、故障录波、有选择性的单相接地保护；架空线路还需设三相一次重合闸
10kV无功补偿馈出线装设二段相电流保护、过电压保护、低电压保护、不平衡电压保护；
10kV母线装设充电保护；
10kV电压互感器装设电压切换装置；
10kV侧母线装设绝缘监测装置。
10.3.12防雷接地
变电所设三基避雷针作为大气过电压的保护措施；各电压等级的每条母线上均装设氧化锌避雷器，防止雷电波侵入对电气设备的破坏。
由于10kV高压开关柜内装设真空断路器，容易产生操作过电压，因此每台真空断路器均配置专用的过电压保护器用以防止内部过电压对电气设备的损坏。
变电所将采取以水平接地体为主，且边缘闭合的复合接地体，作为站内所有电气设备的接地保护。
由于当地接地电阻率比较高，拟采用接地模块来降低接地电阻，接地网的接地电阻要求不大于0.5Ω。
10.3.13薛家湾220kV变电站和杨四海220kV变电站出线部分
在薛家湾220kV变电站和杨四海220kV变电站各增加1个110kV出线间隔，其一次设备LW25－126断路器各1台，110kV隔离开关各3台，LVQB－110电流互感器各3台；二次设备为110kV线路保护屏各1面。
10.4地面供配电
根据本矿井地面供电的要求以及负荷性质与分布，工业场地采用10kV供电，高压配电系统采用放射式。
低压配电系统采用TN-C-S系统，动照合一。
配电系统以放射式为主，辅以树干式。
地面供配电设备采用SG10系列电力变压器、KYN-12型金属铠装移开式高压真空开关柜、GCK型低压抽出式开关柜及XL-52型低压动力配电箱等。
场地内高低压电缆采用YJV22交联聚乙烯绝缘电力电缆，以电缆沟或直接埋地方式敷设。
工业场地的高压负荷为主斜井带式输送机（3×1500kW）、副井提升机（2000kW+247kW）、通风机2台（900kW/台）；主要低压负荷为空压机，矿井修理车间、锅炉房、日用消防水泵房、联合建筑、井下水处理站等。
10.4.1场地配电
根据负荷性质、场地布置，设以下变电所及配电控制室：
1．主斜井胶带输送机配电
在主斜井井口房设10/0.4kV变电所，变电所与主斜井井口房联建，三层布置。
双电源供电，两回电源分别引自工业场地110kV变电所10kV侧不同母线段，进线电缆为YJV22-8.7/103×185mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆，两回电源同时工作，互为备用。
变电所除担负主斜井胶带输送机设备负荷外，还担负锅炉房、空压机房、井下水处理站、污水处理站等处低压负荷。
所内设KYN型手车式高压真空开关柜12台，高压开关柜内配置真空断路器，弹簧储能交流操作，保护与监测采用微机型综合保护装置；设SG10-1600/1010/0.4kV干式变压器2台及GCK型低压抽出式开关柜13台。
2台变压器同时工作，互为备用，负荷率为43.3%。
负荷保证率100%。
皮带电控采用12脉动以上交-直-交高压变频驱动装置，本装置具有节能、功率因数高、谐波分量小等优点。
2．工业场地副井提升机配电
副井装备两套提升设备，大罐笼提升选用1台JKM-4.6×6型塔式多绳摩擦轮提升机（电机为2000kW交-交变频双绕组式同步电动机）；交通罐提升选用JKM-2.4X2型塔式多绳摩擦轮提升机（电机为247kW高速直流电动机）。
大罐笼提升设备电控采用全数字矢量控制12脉动交-交变频驱动系统；交通罐提升设备电控采用全数字矢量控制6脉动直流驱动系统。
大罐笼提升电控设备中功率柜、励磁柜、矢量控制调节柜、PLC柜等关键部件引进，其他为国产优质产品。
高压配电系统采用单母线分段运行方式，2回10kV电源分别引自工业场地110kV变电所10kV不同母线段。
两回同时工作，互为备用。
进线采用YJV22–8.7/10，3×95mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
电控设备布置在井塔内的导向轮层、夹层、大厅层等，在副立井井塔内设置就地谐波补偿装置。
3．通风机配电
通风机为2台ANN-2650/1250N型轴流通风机，一台工作，一台备用，室内安装。
每台通风机配1台900kW异步电动机。
在通风机房内设高压配电室，2回10kV电源引自工业场地110kV变电所不同母线段，一回工作、一回备用。
进线采用YJV22–8.7/10，3×70mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
高压配电室内设KYN型金属铠装移开式高压真空开关柜13台，控制室设集控柜1台、风机监测装置一套。
4．场前区10/0.4kV变电所
变电所位于场前区食堂旁，除主要担负场前区生活、行政建筑物照明、空调负荷外，还担负附近的灯房、浴室联合建筑、胶轮车保养间等处的动力、照明用电。
2回10kV电源引自工业场地110kV变电所不同母线段，两回电源同时工作、互为备用。
进线采用YJV22–8.7/10，3×70mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
变电所内设KYN型金属铠装移开式高压真空开关柜2台，SG10-1250/1010/0.4kV干式变压器2台，GCK型低压抽出式开关柜11台。
两台变压器同时工作，负荷率为41%，负荷保证率100%。
10.4.2场地照明
矿井室内、外照明与动力合用变压器。
局部地区动照分开，为减少电压波动对照明闪变的影响，在有关变电所低压侧母线设有自动投入的补偿电容器，另外照明出线尽量作到三相平衡。
室外照明在场前区10/0.4kV变电所、主斜井10/0.4kV变电所内集中自动控制。
在一些重要场合设有事故照明灯具。
为节能和满足作业要求，优选节能型光源和高光效灯具。
工业厂房内选用气体放电灯和白炽灯混合照明方式，办公室选用荧光灯。
场地室外照明线路均采用电缆直埋地敷设方式。
室外照明灯具选用高压气体放电灯。
10.4.3建筑物防雷与接地保护
根据有关规范的要求，场地内的高大建（构）筑物均需按相应的类别作防雷保护，采用装设独立避雷针或在建（构）筑物上装设避雷带实现。
在变电所的周围设接地网，10/0.4kV变压器中性点与接地系统相连。
低压配电系统接地型式采用TN-C-S，每个建筑物做总等电位联结并加打重复接地极。
手持式移动设备和照明配电系统中的插座回路需装设带漏电保护的断路器。
地面电力负荷统计表见表10.4-1。
10.5井下供配电
根据本矿井下开拓布置及负荷分布情况，本矿井采用10kV下井供电。
10.5.1井下负荷及下井电缆
井下计算功率：
有功功率15554kW、无功功率13097kvar。
根据矿井地面与井下开拓布置以及井下负荷计算，本矿确定从工业场地副立井下四回电缆分别向4煤盘区变电所和6上煤中央变电所向井下供电。
四回电缆均引自工业场地110kV变电所的10kV母线段。
至4煤盘区变电所的下井电缆采用MYJV（42）22-8.7/103×240mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆；至6上煤中央变电所的下井电缆采用2×MYJV（42）22-8.7/103×185mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
引至同一变电所的两回电源同时工作，互为备用，当任一回电源因故停止供电时，另一回电源仍能保证本变电所所供全部设备正常运行。
10.5.2井下变电所和采掘工作面配电
6上煤中央变电所采用KGS1型（矿用一般型）手车式高压真空开关柜28台、KBSG（200kVA）型矿用隔爆型干式变压器2台及KDC1型（矿用一般型）低压配电柜6台；4煤盘区变电所采用BGP6-10A型矿用隔爆型高压真空配电装置15台、KBSG（200kVA）型矿用隔爆型干式变压器2台、BKD3型矿用隔爆低压馈电开关6台。
在4煤、6上煤大巷带式输送机机头各设一个机头变电所，各2回电源均引自6上煤中央变电所，进线电缆均采用MYJV22-8.7/103×70mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。
所内均采用BGP6-10A型矿用隔爆型高压真空配电装置7台、QJG1-10型矿用隔爆兼本质安全型高压真空电磁起动器4台、KBSG（200kVA）型矿
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