精编煤矿kv变电所设计.docx

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精编煤矿kv变电所设计

（精编）煤矿kv变电所设计

绪论

XXXX矿是XXX矿业集团下属一个子矿，位于XXXXXX。

其设计生产能力、入洗能力均达90万吨/年。

矿井位于煤田东部，井田面积22.3平方公里，现在部分设备正处于更新中，其属于厚砾石层覆盖区，比较突出的采煤技术是单体支柱放顶煤开采，井深约在400米左右，由于其地下水丰富，该矿总共配有12台大型潜水泵，由于大型潜水泵的使用，其年耗电量大大增加。

按其采煤量计算耗电总耗电时间是4000h/年。

XXXX矿供电系统由三条35kv进线供电。

其矿内变配电所占地约2200平方米，三条进线分别到所内室外三个35/6kv主变压器，平常起用一台主变，地下水丰富的夏季一般开两台主变，室外部四脚分别设置四个15米高的避雷器。

采用单母分段的主接线形式，主母线分为三段，每段母线间以断路器隔开．使用高压六氟化硫断路器，稳定性及灭弧能力较高。

2负荷计算与变压器选择

2.1负荷分级与负荷曲线

2.1.1供电负荷分级及其对供电的要求

根据用电设备在工艺生产中的作用，以及供电中断对人身和设备安全的影响，电力负荷通常可分为三个等级：

一级负荷：

为中断供电将造成人身伤亡，或重大设备损坏难以修复带来极大的政治经济损失者。

一级负荷要求有两个独立电源供电。

井花沟矿属于国有能源部门，其中断供电将有可能造成人员伤亡及重大经济损失，属于一级负荷。

二级负荷：

为中断供电将造成设备局部破坏或生产流程紊乱且需较长时间才能恢复或大量产品报废，重要产品大量减产造成较大经济损失者。

二级负荷应由两回线路供电，但当两回线路有困难时（如边远地区）允许由一回架空线路供电。

三级负荷：

不属于一级和二级负荷的一般电力负荷，三级负荷对供电无特殊要求，允许长时间停电，可用单回线路供电。

井花沟矿属于比较重要的工业部门，其供配电采用三条进线，下设三个35kv的电力变压器，平常用一台主变，当地下水丰富的春夏季一般采用两台运行，一台备用。

2.1.2负荷曲线

年最大负荷：

就是指一年中典型日负荷曲线（全年至少出现3次的最大工作班负荷曲线）中的最大负荷，即30min内消耗电能最大时的平均负荷。

并分别用符号、、表示年有功、无功和视在最大负荷。

年最大负荷小时是这样一个假想时间，电力负荷按照年最大负荷持续运行时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗电能。

如图2-2所示，年最大负荷延伸到的横线与两坐标轴所包围的矩形面积，恰好等于年负荷曲线与两坐标轴所包围的面积，既全年实际消耗的电能。

因此年最大负荷利用小时：

，h（2-1）

式中——全年消耗的有功电能，kw.h。

而一般计算矿用最大负荷利用小时可以用公式近似计算：

（2-2）

2.2矿井用电负荷计算

2.2.1设备容量确定

将不同工作制的铭牌功率换算为统一的功率。

电动机

1）长期工作制（连续运转时间在2小时以上者）的电动机，按电动机的额定容量。

2）短时工作制（连续运转时间在10分钟至2小时范围内）的电动机按电动机的额定容量确定。

如此类电动机正常不使用（事故或检修时用）支线上的负荷按额定容量确定；干线上的负荷可不考虑。

3）反复短时工作制（运转时为反复周期地工作，每周期内的接电时间不超过10分钟者）的电动机，按电动机暂载率为25%时的额定容量确定，当电动机铭牌上的额定容量不是25%的暂载率时，应按下式换算：

（2-3）

式中——换算的额定容量，千瓦；

——与某一暂载率相应的电动机铭牌功率，千瓦；

——与相对应的暂载率；

——换算的暂载率，既25%。

2.2.2需用系数的含义

以一组用电设备来分析需用系数值的含义。

设该组用电设备有n台电动机，其额定总容量为（kw）。

则当此用电设备组满载运行时需从电网接用容量

；KW（2-4）

式中——用电设备从电网吸收容量，KW；

——n台电动机的加权平均效率，

（2-5）

然而n台电动机同时运行的可能性很小。

我们可以定义同时运行系数

本次设计所需用席数按照参考质料均已记入表中

2.2.3需用系数法计算电力负荷

在确定了容量后可以按需用系数法计算负荷

1）用电设备组计算负荷的确定

用电设备组是由工艺性质相同、需用系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。

在一个车间中，可以根据具体情况将用电设备分为若干组，再分别计算各用电设备组的计算负荷。

其计算公式为：

KW

KVA

KVA

A（2－6）

式中

、、——该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷；

——该用电设备组的设备总额定容量，KW

——额定电压，V

tan——功率因数角的正切值

——该用电设备组的计算负荷电流，A

——需用系数

2）多个用电设备组的计算负荷

在配电干线上或矿井变电所低压母线上，常有多个用电设备组同时工作，但是各个用电设备组的最大负荷也非同时出现，因此在求配电干线或矿井变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数。

具体计算公式如下：

i=1，2，3…….m

（2-7）

式中、、——为配电干线或变电站低压母线有功、无功、视在功率计算负荷；

——同时系数

m——为配电干线或变电站低压母线上所接用电设备总数;

——该干线或低压母线上的额定电压，V

——该干线变电站低压母线上的计算负荷电流，A

——需用系数

、、——分别对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角的正切值、总设备容量。

根据要求及需用系数负荷计算公式，分别计算矿用负荷

1）主井提升机（公式<2-6>）

=1400kw=0.87cosφ=0.84

tanφ=tan（artcosφ）=0.64

=·=0.87×1400=1218kw

Q10=·tanφ=1218×0.64=779.52kva

S10=P10／cosφ==1176/0.84=1450kva

I10=S10/UN=1450kva/1.732×6000=139.5a

2）副井提升机

=1000kw=0.85cosφ=0.82

tanφ=tan（artcosφ）=0.6980

=·Pe=0.85×1000=850kw

Q20=·tanφ=850×0.698=593kva

S20=／cosφ==850/0.82=1036kva

I20=S20/UN=1036/1.732×6000=99a

3）扇风机1

=800kw=0.87cosφ=0.82

tanφ=tan（artcosφ）=0.6980

=·Pe=0.87×800=696kw

Q30=·tanφ=696×0.698=485kva

S30=／cosφ==696/0.82=848kva

I30=S30/UN=848/1.732×6000=81a

4）扇风机2

=800kw=0.87cosφ=0.82

tanφ=tan（artcosφ）=0.6980

=·Pe=0.87×800=696kw

Q40=·tanφ=696×0.698=485kva

S40=／cosφ==696/0.82=848kva

I20=S20/UN=1060/1.732×6000=81a

5）压风机

=300kw=0.86cosφ=0.82n=3

=3×300=900kw

tanφ=tan（artcosφ）=0.6980

=·Pe=0.86×900=774kw

Q50=·tanφ=774×0.698=540kva

S50=／cosφ==774/0.82=943kva

I50=S50/UN=943/1.732×6000=90a

6）排水泵

=680kw=0.86cosφ=0.86n=4

=4×680=2720kw

tanφ=tan（artcosφ）=0.5933

=·Pe=0.86×2720=2339kw

Q50=·tanφ=2339×0.5933=1388kva

S60=／cosφ==2399/0.86=2789kva

I60=S60/UN=2789/1.732×6000=268a

这样井下6kv低压母线上（不包括排水泵）低压母线有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流如下：

＝1176＋850＋696＋696＋774=3538kw

=779.52+593+485+485+540=2882kva

=4563kva

=4563/1.732×6000＝439a

同理可得380v线上各负荷的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流以及（表2－1）380v线上的有功、无功、视在功率计算负荷、负荷电流：

＝1026＋270＋336＋360＋912=2904kw

=716+243+270+270+731=2230kva

=3661kva

这样可求得变电所变电所总的有功功率为11493KW，无功功率为8118K。

考虑同时需用系数K，有功功率取0.8，无功功率取0.9，得：

总的有功功率为9194KW，总的无功功率为7306K。

计算可得功率因数约为0.79，需用电容器补偿。

2.3功率因数的改变

经计算全矿功率因数Φ＝9194/11743=0.783<0.95

需要电容器的容量：

Qc＝Pz（tgΦ1－tgΦ2）（2-8）

式中Qc——补偿电容器的容量，单位：

千乏

Pz——总有功功率，单位：

千瓦

tgΦ1——补偿前的功率因数，

tgΦ2——补偿后的功率因数,

计算可知，tgΦ1＝0.776,tgΦ2=0.329

Qc＝9194×（0.776-0.329）

=4109

选择GR-1C-08型电容柜，容量为270千法。

需用电容柜的数量：

N=4109÷270=15.2取16个柜

利用电力电容补偿容量为Qc＝270×16＝4320千法

补偿后变电所总无功功率：

Qz＝7306-4320=2986千法

补偿后的功率因数：

ø＝0.951满足要求。

2.4主变压器的选择

2.4.1变电站主变压器容量的确定

主变压器容量的确定

（1）主变压器容量一般按变电站建成后5～10年的规划负荷选择，并适当考虑到远期10～20年的负荷发展。

对于城郊变电站，主变压器容量应与城市规划相结合。

（2）根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量。

（3）同级电网的单台降压变压器容量的级别不宜太多，应从全网出发，推行系列化、标准化。

2.4.2主变压器台数的确定

（1）对大城市郊区的一次变电站，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电站以装设两台主变压器为宜。

（2）对地区性孤立的一次变电站或大型工业专用变电站，在设计时应考虑装设三台主变压器的可能性。

（3）对于规划只装设两台主变压器的变电站，其变压器基础宜按大于变压器容量的1～2级设计，以便负荷发展时，更换变压器的容量。

2.4.3主变压器损失计算

补偿后的6千伏母线计算负荷即主变压器应输出的电力负荷，此时计算主变压器损失，在未选型之前可用（2.2负荷计算中的）公式计算负荷按下式近似计算如下：

kw

kvar

变电所35千伏母线总负荷：

kW

kvar

kVA

2.4.4主变压器选型

为了保证煤矿供电，主变压器应选用一主一备，在一台主变压器故障或者检修时，另一台变压器必须保证煤矿的安全生产用电的原则。

根据《煤矿电工手册》取事故负荷保证系数

则每台变压器为：

kVA

考虑到本矿区的发展情况，矿井不断延伸，负荷不断增加，选用SF7－10000/35型电力变压器两台，作为主变压器。

SF-10000/35型电力变压器技术数据如下：

矿井变电所主变压器两台采样分列同时运行，所以主变压器损耗计算如下：

有功损耗：

kW

无功损耗：

kvar

由以上计算，则35千伏母线总负荷为：

kW

kvar

kVA

3供电系统的确定与短路计算

3.1短路电流的分类与计算目的

短路点的设置见图3.1，等值电路图见图3.2。

图3.1短路点的设置

3.1.1短路的原因

主要原因是电气设备载流部分绝缘所致。

其他如操作人员带负荷拉闸或者检修后未拆除地线就送电等误操作；鸟兽在裸露的载流部分上跨越以及风雪等现象也能引起短路。

3.1.2短路的种类

在三相供电系统中可能发生的短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。

第一种是对称短路，后两种是不对称短路。

一切不对称短路在采用对称分量法后，都可以归纳为对称短路的计算。

3.1.3短路的危害

发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因此短路电流可能达到很大的数值。

强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧坏电气设备；短路点的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行破裂，引起严重后果。

不对称短路所造成的零序电流，会在邻近的通讯线路内产生感应电势，干扰通讯，亦可能危及人身和设备安全。

3.1.4短路电流计算的目的

（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流计算。

（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。

（3）在设计户外高压配电装置时，需按短路条件效验软导线的相间和相对地的安全距离。

（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。

（5）接地装置需根据短路电流进行设计。

3.2短路电流计算

3.2.1计算各元件的电抗标幺值

选取基准容量：

＝100MVA

选取短路点所在母线的平均电压为基准电压，即：

计算点，选取＝37kV，kA

计算点及其其它短路点时，选取＝6.3kV，kA

37kV母线最大运行方式时系统阻抗＝0.28，小运行方式时系统阻抗为＝0.37。

主变压器：

电缆线路：

架空线路：

3.2.2短路电流计算

点短路：

（1）最大运行方式：

kA

MVA

kA

kA

（2）最小运行方式：

kA

kA

点短路

（1）最大运行方式：

kA

MVA

（2）最小运行方式：

kA

kA

点短路：

（1）最大运行方式：

kA

MVA

kA

kA

（2）最小运行方式：

kA

kA

点短路：

（1）最大运行方式：

（下井电缆两并行运行）

kA

MVA

kA

kA

（2）最小运行方式：

kA

以上只对短路点，，，进行了计算，其它的短路点计算结果，列表4-1给出，不再列出详细的计算过程。

3.2.3短路电流的限制及限流电抗器的选择

由短路计算井下短路容量：

MVA

按规定6kV当断流容量在100MVA时，应折半使用，仅为50MVA，>50MVA，因此需选择限流电抗器。

3.2.4电抗器的选择

下面我们由井下负荷计算下井总负荷电流。

井下负荷为：

kWkvar

则下井总负荷电流：

A

下井电缆根数Cn按下式确定：

（取偶数）

式中

Pp,Qp——井下主排水泵计算有功、无功负荷，kW、kVar;

Pd,Qd——井下低压总的计算有功、无功负荷，kW、kVar;

360——下井电缆150mm2经45度修正后的安全载流量，若矿井负荷较少可据此原理选用120mm2，95mm2等；

1——规程规定所必须的备用电缆。

井下计算负荷为2016kW，工作电流为248.7A,经计算与方案比较，决定选用四根YJV42—60003×95交联聚乙烯绝缘电力电缆作为下井电缆。

下井电缆的具体参数见表下井电缆为四根，如果其中一根发生故障，其余三根要负担全矿井下负荷电流，此时，每根电缆通过的电流为：

A

为限制井下短路电流，按规程规定则系统总阻抗为：

因下井电缆为四根，分裂运行，每两根并联，故应串入的电抗为：

式中为系统在最大运行方式电抗前的最大阻抗。

母线电压为6kV，由以上计算的负荷电流，及一条电缆损坏时，其余三条供电的条件，可选用kV，A的水泥电抗器四台，每台电抗器计算如下：

由计算，我们可选用型号为NKL－6-200-3的水泥电抗器，此电抗器百分值为＝3％

3.3井花沟矿供电系统简图

3.3.1主接线形式

变电站的主接线是由各种电气设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，用以接受和分配电能，是供电系统的组成部分，它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数容量等因素有关。

3.3.2单元接线

发电机与变压器直接连接成一个单元，组成发电机—变压器组，称为单元接线。

它具有接线简单，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，使得在发电机和变压器低压侧短路时，短路电流相对而言于具有母线时，有所减小等特点；这种单元接线，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得选择出口断路器时，受到制造条件或价格甚高等原因造成的困难。

3.3.3桥形接线

当只有两台变压器和两条输电线路时，多采用桥形接线，使用断路器数目最少；桥形接线可分为内桥式和外桥式；内桥式桥连断路器设置在变压器侧，外桥式桥连断路器则设置在线路侧。

桥连断路器正常运行时处于闭合状态。

当输电线路较长，故障几率较多，而变压器又不需经常切除时，用用内桥式接线比较合适；外桥式接线则在出线较短，且变压器随经济运行的需要需经常切换，或系统有穿越功率流经本厂时，就更为适宜。

外桥接线对变压器的切换方便，比内桥少两组隔离开关，继电保护简单，易于过渡到全桥或单母分段接线，且投资少，占地面积小，缺点是倒换线路时操作不方便，变电所一侧无线路保护，适用于进线短而倒闸次数少的变电所或变压器经常驻需要切换以及可能发展为有穿越负荷的变电所。

内桥结线一次侧可设线路保护，倒换线路时操作方便，设备投资与占地面积无较全桥少，缺点是操作变压器和扩建成全桥或单母分段不如外桥方便，适用于进线距离行，变压器切换少的终端变电所。

桥型接线见图3.3所示

3.3.4单母线分段式接线

有穿越负荷的两回电源进线的中间变电所，其受、配电母线以及桥式接线变电所主变二交侧的配电母线，多采用单母分段，多用于具有一二级负荷，且进出线较多的变电所，不足之处是当其中任一段母线需要检修或发生故障时，接于该母线的全部进出线均应停止运行。

图3.4单母线分段式接线

方案比较：

单元接线当其中一元件发生故障时整个单元都要停电检修，不能满足该矿供电的要求。

单母线分段接线一般用于进出线回路较多的中间变电所。

我们在35千伏侧选用全桥型接线，全桥型接线灵活可靠，也可扩展成为单母线分段接线。

而6千伏侧我们则选用单母线分段接线。

综合比较井花沟矿的35kv侧采取外桥形式的主接线，而其6kv线路上采取单母分段，共分三段，每段之间用断路器，隔离开关连接。

图3.5井花沟矿供电系统简图

4设备选型

4.135kv设备选型

4.1.135kv架空线、母线的选择

变电所中各种电压配电装置的母线,以及电器间的连接大都采用铜、铝或钢的矩形、圆形、管形裸导线或多芯绞线。

铜的导电性好，抵制化学侵蚀性强，因此在大电流装置中或在由化学侵蚀的地区宜采用铜导线。

铝导线比重小，比较经济，在屋内外配电装置中都广泛采用铝母线。

母线的截面形状，35KV及以下的屋内配电装置中，都采用矩形截面。

因为它的冷却条件好，对交流肌肤效应的影响小。

35KV室外高压架空线、母线一般选用钢芯铝绞线，导线截面应按经济电流密度选择，按长时允许电流进行校验，并应校验其电压损失是否合乎要求。

高压线路的电压损失不允许超过5%，此外架空线路的导线应有足够的机械强度，不应由于机械强度不够而发生事故。

a.按经济电流密度计算：

A=I/J（mm）

式中A—导线经济截面积，mm；

J—经济电流密度，A/mm；

I—最大工作电流，A；

I=P1.05/Ucosφ

=10000×1.05/×35×0.95

=182A

式中U—线路额定电压，千伏；

P—最大负荷，千瓦；

cosφ—功率因数；

由最大负荷利用小时数为4000，得J=1.15

A=182/1.15=158mm,选A=185mm，其型号为钢芯铝绞线LGJ—185

b.按长时允许电流校验，查得LGI—170的屋外载流量为515A（25℃）,钢芯铝绞线最高温升不超过+70℃，假设导线长期工作温度为40℃，

则40℃时的载流量为：

I=515×=446A＞182符合要求

c.三相架空线路损失校验按下式计算

ΔU%=

式中R—线路单位长度电阻，/km；取0.163

X—线路单位长度电抗，/km；取0.365

设线间几何间距为2m，已知P=9160、L=6km、tan=0.25

ΔU%==1.14<5校验合格

d.母线按短路热稳定进行校验

A已知t=3sI=5.571kA,

式中A—所选导线截面，mm；

C—材料热稳定系数，C=95；

K—集肤效应系数，取1；

I—短路稳定的最大有效值；

A==102mm<185mm校验合格

所以35KV母线和架空线，均选用LGJ—185型钢芯铝绞线

4.1.2电压互感器、熔断器的选择

本设计为终端变电所，不进行绝缘检测，只需测量线路电压，可选两台双圈油浸互感器，其型号为JDJJ2—35，属户外式电压互感器，采用V型接法分别接在35KV两段母线上，配用二个RN—35型限流熔断器，该产品仅作为电压互感器短路保护之用，其最大切断电流为17KA，最大切断容量1000MVA。

另外选用3个RW—35/200~800户外跌落式熔断器，配合3台变压器。

电压互感器地选择：

ue=35kV，根据产品手册选用JDJJ2-35型电压互感器。

其技术参数如表4.1所示。

电压互感的校验

按准确等级与二次负荷校验。

矿井变电所35千伏主接线为全桥接线，各计费及考核有功电度表五块。

共计十块。

按35千伏设备分段运行，每段互感器承担的负荷为五块。

查《电力工程设计手册》表34－10得每相电度表电压线圈消耗为1.5va电度表总消耗功率为p＝5××1.5＝12.99<150符合要求。

4.1.3电流互感器的选择

电流互感器选用LCW—35型户外支持式、多匝油浸瓷绝缘的高压电压互感器，单独装设，利用一次线圈的串并联，可得到不同的变比，选用额定电流变比为15~1000/5，准确级次0.5，1S热稳定倍数65，动稳定倍数100。

4.1.435kv避雷器选择

一般选用变电站避雷器FZ-35型，选两组分放在35KV两段母线上，与电压互感器供用一个间隔。

4.1.5带接地刀闸的隔离开关选型

表4.2GW-35GD/600型隔离开关

项目

实际需要值

GW-35GD/600

电压

电流

动稳定

热稳定

35kv

I=1.05S/U=182.2A

i=5.571KA

I2.31=1.16KA

35kv

600A

50KA

I=14KA

从上表计算中可知，该电器的额定值都大于实际值，选用该设备符合要求，其操作机构配套选用CS—G型。

4.1.6隔离开关的选择

初步拟定选用隔离开关型号为GN2-35/1000,校验:

（1）GN2-35/1000的额定电压为35kV,而＝35kV，＝

满足要求。

（2）GN2-35/1000的额定电流为1000A

=

符合要求。

（3）=70kA,=5.571kA

满足动稳定校验。

（4）热稳定校验

=25KAT=3S

满足热稳定校验。

4.1.735kv断路器的选择

①额定电压选择

断路器的额定电压应大于或等于所在电网的工作电压,即

②额定电流选择

断路器的额定电流应大于或等于它的最大长期工作电流，即

由于高压断路器没有连续过载的能力，在选择其额定电流时，应满足各种可能的运行方式下电路持续工作电流的要求，即取最大长期工作电流

③开断电流选择

在给定的电网电压下，断路器的开断电流不应小于实际瞬间的短路电流周期分量，即

当断路器的较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流进行选择，即

④动稳定校验

若断路