第1章矿山供电系统及设备解读.docx

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第1章矿山供电系统及设备解读

《矿山供电》讲义

（大同大学工学院穆连生副教授）

☺使用教材:

《现代供电技术》孟祥忠,2006.8清华版

第1章矿山供电系统及设备

§1.1概述

一.电力系统

·电力:

电能以功率的形式表答.

·电力系统:

由发电厂、变电所、输电网、配电网、电力用户组成,这些生产-传送-分配-消费的环节,叫电力系统.图1.1.

图1.1典型的电力系统

·电能不能大量存储,具有很高的传输率,发电机在某一时该发出的电能,经过电力系统即时传给用电设备,用电设备将电能转换其他形式的能,一瞬间完成从发电-输电-用电的全过程.

·在发电容量充足时,发电量是由用电量来确定的,二者之间是严格平衡的.

表1.1主要电气设备符号表

电气设备名称及文字符号

单字母（双字母）

图形符号

电气设备名称及文字符号

单字母（双字母）

图形符号

电力变压器

T（TM）

母线及母线引出线

断路器

Q（QF）

电流互感器（双次级）

T（TA）

负荷开关

电压互感器

T（TV）

隔离开关

Q（QS）

电压互感器（三线圈变压器）

T（TV）

熔断器

F（FU）

阀型避雷器

跌落式熔断器

F（FU）

电抗器

自动空气断路器

Q（QA）

移项电容

刀开关

Q（QK）

电缆终端头

熔断器式开关

线路

交流发电机

电流互感器（单次级）

T（TA）

附图1：

工程实例（大同煤运公司丰瑞35/10kV变电站）

附图1工程实例

（1）发电厂

·产生电能的工矿企业,其作用是把非电形式的能量转换成电能.

·发电厂分类:

火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂、潮汐发电厂、太阳能光伏发电等.

·坑口电站:

在煤炭资源集中的地区兴建大型火力发电厂,实施煤电综合开发利用,减轻煤的运输量.

（2）变电所

♦变电所:

汇集电能,变换电压的中间环节,由各种电力变压器和配电装置组成.

♦配电所:

不含变压器的变电所.

♦变电所分类:

·按用途分类:

升压或降压变电所、联络变电所、工矿企业变电所、整流变电所、电车变电所、农村变电所.

·按地位分:

枢纽变电所、穿越变电所、终端变电所.

·按供电范围分:

区域变电所（一次变电所）、地区变电所（二次变电所）等.

♦矿区变电所属于地区变电所,它接受枢纽（或区域）变电所降压后的110kV（或35kV）电能,送至矿山地面变电所,矿山地面变电所多属终端或穿越变电所,它将电压降为10kV或6kV,向额定电压为10kV或6kV设备供电.

（3）电力网

·电力网组成:

各种变电所和各种电压等级的电力线路组成.

·作用:

输送、变换、分配电能.

·低压电网:

电压在1kV以下的电力网.

·高压电网:

电压为3~330kV的电力网.

·超高压电网:

电压330~1000kV.

·特高压电网:

电压在1000kV以上.

二.电力系统额定电压

1.额定电压:

能使设备在正常运行时获得最佳技术效果,运行性能最好的电压.

2.额定电压等级:

国家统一规定,标准化,系列化,利用电网的建设和运行.表1.2,表1.3

表1.23kV以下电气设备与系统额定电压等级（V）

直流

单相交流

三相交流

受电设备

供电设备

受电设备

供电设备

受电设备

供电设备

1.5

100+

110

115

127*

133*

127*

133*

220

230

220

230

220/380

230/400

400▽,440

400▽,460

380/660

400/690

800▽

1000▽

1140**

注:

1.电气设备和电子设备分为供电设备和受电设备两大类,受电设备的额定电压也是系统的额定电压.

2.直流电压为平均值,交流电压为有效值.

3.在三相交流栏下,斜线“/”以上为相电压,以下为线电压,无斜线者均为线电压.

4.带“+”者只用于电压互感器、继电器等控制系统电压;带“▽”者为单台供电电压;带“*”者只用于煤矿井下、热工仪表和机床控制系统电压;带“**”者只限于煤矿井下及特殊场合使用的电压.

表1.33kV及以上的设备与系统额定电压和其对应设备最高电压（kV）

受电设备与系统额定电压

供电设备额定电压

设备最高电压

3.15

6.3

6.9

10.5

11.5

40.5

110

126

220

252

330

363

500

550

750

♦一般规定:

·在同一电压等级中,受电器和系统的额定电压正好与等级电压相同,发电机额定电压比同级受电器额定电压高5%.

·变压器一次侧与电网相连时,额定电压与系统的网络电压相同;与发电机相连时,其额定电压与发电机额定电压相同.变压器的二次侧,规定额定电压比系统电网的电压高5%~10%（补偿正常负荷时的线路电压损失.变压器靠近用户,即配电距离较近,选变压器二次额定电压比用电设备的额定电压高出5%;否则应选用变压器二次绕组的额定电压高出电力网和用电设备额定电压10%的变压器）.图1.2

图1.2电力网中电压变化

◆为了使受电设备的电压和与其相连的电力网额定电压尽可能接近,就应使线路始端电压

比电力网额定电压（即受电器额定电压）

高5%.末端电压

比

低5%.这样,受电器额定电压取

和

的平均值

时,就能保证它的端电压在不超过额定电压±5%的范围内变动.

◆变压器在电网中具有发电机和受电器的双重地位:

·变压器一次侧接电力网,相当于受电器,该侧的额定电压为

（直接与发电机相连接的变压器,一次侧额定电压应与发电机相同）.变压器二次侧送出电能,相当于发电机,二次额定电压（空载）应高于电网额定电压5%.

·对于短路电压较大的变压器（短路电压百分数在7.5%以上的变压器）,二次额定电压应较受电器和电力网额定电压高10%,以补偿内部阻抗的电压损耗.

3.常用电压等级煤矿及应用范围

表1.4煤矿常用电压等级和应用范围

电压/kV

应用范围

备注

0.036及以下

井下电气设备的控制及局部照明

0.127

井下照明及手持式电钻

0.22

矿井地面照明

0.25

电机车

直流

0.38

地面及井下低压动力

现有小煤矿井下使用

0.5

电机车

直流

0.66

井下低压动力

0.75

露天煤矿工业电机车

直流

1.14

井下综合机械化采区动力

1.5

露天煤矿工业电机车

进流

井上,下高低压电机及配电电压

35及60

一般用于矿区配电或受电电压

110

矿区受电电压,大型矿区也作为配电电压

附表各种电压线路送电容量与距离的参考值

电网电压/kV

架空线路

电缆线路

输送容量/MW

输送距离/km

输送容量/MW

输送距离/km

0.22

＜0.06

＜0.15

＜0.1

＜0.2

0.38

＜0.1

＜0.25

＜0.175

＜0.35

3.0

＜1.0

1~3

＜1.5

＜1.8

6.0

＜2.0

5~10

＜3.0

＜8

＜3.0

8~15

＜5.0

＜10

20~70

110

＜50

50~150

三.电力负荷分级及对供电的要求

1.电力负荷分级

（1）一级负荷:

凡因突然中断供电,将造成生命危害;导致重大设备破坏难以修复;打乱复杂的生产过程并使大量产品报废,给国民经济造成重大损失者.

♦一级负荷:

副井提升机,主通风机,中央主水泵等.

♦向一级负荷供电:

采用两个独立电源供电.

♦《煤矿安全规程》第441条规定（2010年）“矿井应有两回电源线路.当任一回路发生故障停止供电时,另一回路应井能担负矿全部负荷.年产60000t以下（不含60000t）的矿井采用单回路供电时,必须有备用电源.备用电源的容量必须满足通风、排水、提升等的要求,并保证主要通风机等在10min内可靠启动和运行备用电源应有专人负责管理和维护,每10天至少进行一次启动和运行试验,试验期间不得影响矿井能风等,试验记录要存档备案.

矿井的两回电源线路上都不得分接任何负荷.

正常情况下,矿井电源应采用分列运行方式.一回运行,另一回路必须带电备用,以保证供电的连续性.带电备用电源的变压器宜热备用;若冷备用,必须保证备用电源能及时投入正常运行,保证主要通风机等在10min内可靠启动和运行.

10kV及其以下的矿井架空电源线路不得共杆架设.

矿井电源线路上严禁装设负荷定量器.”

♦两回电源线路应符合下列条件之一:

A.两个电源之间相互独立、无联系.

B.若两个电源之间有联系,应符合下列规定:

a.在发生任何一种故障时,两个或两个以上的电源线路不得同时受到损坏.

b.在发生任何一种故障且保护动作正常时,至少应有一个电源不中断供电,并能担负矿井全部负荷.

c.在发生任何一种故障且主保护失灵,以致所有电源都中断供电时,应能有人在值班的处所完成必要的操作,迅速恢复一个电源的供电,并能担负全部负荷.

♦矿井的两回线路,应分别来自电力网中的两个区域变电所或发电厂.若有困难,则必须引自同一区域变电所功发电厂的不同母线段.

♦《煤矿安全规程》第442条“对井下变（配）电所[含井下各水平中央变（配）电所和采区变（配）电所、主水泵房和下山开采的采区排水泵房供电线路,不得少于两回路.当任一回路停止供电时,其余回路应能担负全部负荷.向局部通风机供电的井下变（配）电所应采用分列运行方式.

主要通风机、提升人员的立井绞车、抽放瓦斯泵等主要设备房,应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路;受条件限制时,其中的一回路可引自上述同种设备房的配电装置.向煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井自救系统供风的压风机、井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路.

本条上述供电线路应来自各自的变压器和母线段,线路上不应分接任何负荷.

本条上述设备的控制回路和辅助设备,必须有与主要设备同等可靠的备用电源.”

（2）二级负荷:

♦几因突然中断供电,将造成大量减产,生产大量废品,大量原材料报废,使工业企业内部交通停顿的.

♦二级负荷:

大型矿井地面空压机,主提升设备,井底车场整流设备,向综采工作面供电的采区变电所,选煤厂浓缩机选矿等.

♦二级负荷供电:

两回线路供电.有困难时,可由一回专用线路供电.

（3）三级负荷:

凡不属一,二级负荷的用电设备.

♦三级负荷:

机修厂,办公用电,生活服务用电等.

♦三级负荷供电:

无特殊要求,单一回路供电.

2.电力回路对供电的要求

（1）安全可靠性

·安全性:

不出事故.严格按《煤矿安全规程》及其他相关行业规定进行供配电作业.

·可靠性:

不间断供电.对供配电设备进行监视、维护、检修、定期试验,使设备始终处于完好的运行状态.

（2）质量好

·电源电压幅值和频率保持在一定允许变动的范围内,使波形畸变在允许范围之内.

·电力用户供电电压允许变化范围,表1.5

表1.5电力用户供电电压允许变化范围

线路额定电压

电压允许变化范围

35kV及以上

10kV及以下

低压照明

·我国规定:

3000V及以上的系统,频率偏差不超过

;3000V以下的系统,则不超过

·交流电压波形畸变,表示其含有高次谐波[当总谐波电压（所有高次谐波电压产生错误动作⇒要求任一高次谐波的瞬时值都不应超过同相基波电压瞬时压的算机均方根值）超过基波电压的

就可能使继电保护、自动装置、控制装置、计值的

⇒煤矿地面变电所的6~10kV母线上,应保证正弦波畸变率不大于10%⇒矿山6~10kV电压畸变（电网污染）的原因:

直流得升机的变流装置,采煤机变频器,井下直流电车整流装置等].

（3）经济性

·少花钱.在保证安全可靠的前提下,减少损耗,提高效率,降低成本,节约投资.

§1.2矿山供电系统

一.供电系统结线方式

·供电系统结线:

由各种电气设备及其连接线构成的电路

·供电系统结线的功能:

汇集和分配电能.

·母线:

称为汇流排.汇集电流,分配电能.是电源线路或变压器与多个用户馈出线的连接处,为一个节点,起集中和分配电能的作用.

1.系统或网络结构的基本方式

·基本方式:

放射式、干线式、环状式.

（1）放射式.图1.3

图1.3放射式结线

a-单电源单回路;b-单电源双回路;c-双电源双回路

①单电源单回路放射式

·应用:

三级或二级小负荷或某些专用设备供电.

·优点:

系统简单,运行维护方便.

·缺点:

使用开关,线路多,供电的可靠性差.

②单电源双回路放射式

·从一段母线上并列引出两回线路,每回线路由单独的开关控制.

·用途:

二级负荷.如由一路供电的采区变电所.

③双电源双回路放射式

·从两段母线上各引出一回线路对用户供电,具有两个独立可控的回路.

·用途:

具有较大容量或一级负荷的供电点

·特点:

可靠性高,运行灵活.

（2）干线式

·干线式结线分类:

直接连接,贯穿连接.图1.4

图1.4干线式结线

a-直接连接式;b-贯穿连接式

♦直接连接结线方式:

·从一路高压配电干线上直接引出分支向用户供电.其分支一般不超5个,配电容量不超3000kV·A.

·用途:

架空线,三级负荷,分散用电户;井下巷道输送机等.

·造价低,但可靠性差.

♦贯穿式结线方式:

各用户变电所呈串接形式.干线的进出侧均安装隔离开关,当发生故障时,可在找到故障点后,拉开相应的隔离开关继续供电,从而缩小了停电范围.

（3）环状式

·线路将电能从两段母线或同一电源引出,经过不同路经,由不同方向和地点,引入矿山地面变电所或负荷点.图1.5.

图1.5环状式接线

·用途:

电源对矿区用户的相对位置较近,用户间距较近,且负荷相差不悬殊的供电情况.

2.矿山各级变电所常用结线方式

·分类:

单母线、桥式、双母线、线路变压器.

（1）单母线（不分段,分段）

·进出线侧都有断路器,都设有母线隔离开关和线路隔离开关.

①单母线不分段.图1.6

图1.6单母线结线

a-单母线不分段;b-隔离开关分断;c-断路器分断

·检修或处理母线系统故障时,全线停电.

·用途:

小容量用电户.

②单母线分段

·根据电源数目、功率、电网的接线情况,将母线分为若干段.每段接一或两个电源,引出线分别接至各段上,各段引出线电能分配尽量与电源功率相平衡,且尽量减少各段之间的功率交换.

♦隔离开关分段:

·适用于双回路供电的,允许短时间停电的二级负荷.

·各段可分列或并列运行

♦断路器分段:

·适用于一级负荷用户较多的情况.

·能切断负荷电流和故障电流,在继电保护配合下,实现自动分合闸.

♦单母线分段,在检修母线或电源系统故障时,都不能避免使故障段母线的用户停电→装旁路母线解决.

（2）桥式接线

·用途:

对于具有两回电源进线,两台变压器的变电所,采用桥式接线.

·组成:

用一条由断路器和隔离开关组成的横连接的“桥”,将两个“线路-变压器组”高压侧连接起来的结线方式.“桥”上的断路器称为“桥开关”.

①外桥结线.图1.7a

图1.7a外桥结线

♦跨接桥连接在变压器QF1和QF2的外侧,进线回路只有隔离开关.

♦切换变压器T1和T2方便,切换电源进线不方便.如电源线路WL1故障或检修隔离开关时,需在断路器QF1及QF3断开后才能进.

♦外桥接线适用范围:

·供电线路短,线路切换少的变电所;

·由于某种原因（如负荷变化）要经常切换变压器的变电所;

·有稳定穿越功率的变电所;

·处于环网中的变电所;

·向一,二级负荷供电的情况.

②内桥接线

♦跨接桥连接在变压器断路器QF1和QF2的靠近变压器侧,变压器电源端仅装隔离开关.图1.7b

图1.7b内桥结线

♦切换线路方便,操作QF1和QF2.切换变压器不方便.

♦内桥结线适用范围:

·电源线路长（线路故障概率较大）的变电所;

·不需经常切换变压器且负荷稳定的变电所;

·没有穿越功率的变电所;

·处于电网终端变电所;

·向一,二级负荷供电的变电所.

③全桥结线

·切换变压器方便,切换线路方便.

·一般对于电压在35kV,容量在7500kV·A以上,或电压为110kV,容量在31500kV·A以上的2台或3台变压器采用.

·全桥结线操作方便,运行灵活,占地面积大,投资大.

·全桥结线,图1.7c.

图1.7c全桥结线

④方案选择

·根据技术、经济指标进行综合分析比较,选取结线方式.

·一般矿山地面变电所有2路电源进线,2台主变压器,变压器一次侧电压为35kV~110kV,二次侧为6kV~10kV.

·分类:

双回高压网上的中途变电所和终端变电所,环网上的变电所,单回开式网上的终端变电所等.

A.双回高压网上的中途变电所,图1.8

图1.8双回高压网上的中间变电所

·对双回高压网上的中间变电所要求:

本变电所和后续变电所供电的可靠性;起开闭所的作用.

·任一段线路故障,其余3段线路按并串联方式运行.并使线路阻抗比一回路全部跳闸时要小,即所形成的双回路贯穿式结线,可较好地保持后续变电所的电压质量.

·对于特大型变电所,当变压器台数较多时,可采用双母线结线.

B.对于双回高压电网上的终端变电所,可采用内桥（当电源线路较长,需经常操作时）或外桥结线（当变电所负荷变化较大,需经常切换变压器）.变电所内有3台变压器,可采用扩大内（外）桥结线.

C.对于环形电网上的变电所,为了减少环形电网的解环次数,且尽量减少环内断路器的数目,以采用外桥结线为宜.当变电所内有3台变压器时,可采用扩大外桥结线.

D.对于单回路上的开式变电所,可采用线路变压器组结线方式.图1.9

图1.9线路-变压器组

·线路-变压器组用途:

单侧电源,单回路,只有一台变压器.二级/三级负荷.

·供电的可靠性较差.

二.矿井供电系统

·矿井供电系统取决于矿区范围、煤层埋藏深度、井型大小、开采方法、井下涌水量、机械化程度等.

·典型矿井供电系统:

深井供电系统,浅井供电系统,平峒供电系统.

1.深井供电系统

深井供电系统:

煤层埋藏深、倾角小、机械化程度高、生产能力大、立井或斜井开拓等采用.图1.10.

图1.10深井供电系统

·《煤矿安全规程》第443条“严禁井下配电变压器中性点直接接地.

严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电.”

♦35kV~110kV/6kV~10kV地面变电所的6kV~10kV分段母线⇒

·配出两条（一工一备）电缆线路,向地面大容量高压用电设备（如主、副井提升机、通风机、空压机等）提供可靠的高压电能.

·两回路入井电缆（煤矿安全规程规定,入井电缆不得少于两路,当任一回路停止供电时,其余回路应能担负全部负荷）送到井下中央变电所,向主水泵、牵引变流所、采区变电所提供高压电能;降压后6kV~10kV/0.66kV向井底车场提供低压动力.

·中央变电所6kV~10kV⇒

1采区变电所6kV~10kV/0.69kV降压→工作面配电点→用电设备;

②采区变电所6kV~10kV→工作面配电点移动变电站（或干式变压器）降压6kV~10kV/1.14kV→工作面负荷;

③采区变电所6kV~10kV→综采工作面的运输平巷口设置的高压配电箱→综采工作面配电点的移动变电站降压6kV~10kV/3.3kV,6kV~10kV/1.14kV→配电点→综采工作面用电设备.

2.浅井供电系统

♦煤层埋藏距地表100~200m,采区供电采用由地面钻孔,敷设电缆,向采区供电的方法.图1.11

（1）采区距井底车场较远（超过2km）,井下负荷较小,涌水量不大的矿井⇒35kV~110kV/6kV~10kV地面变电站的6kV~10kV→架空线路→采区位置的地面变电亭（或移动变电亭）,降压至660V或380V→电缆经钻孔→采区变电所→配电给工作面配电点.

图1.11浅井供电系统

（2）采区负荷小,井底车场负荷大.对井底车场供电,沿井筒敷设高压电缆至中央变电所;采区供电,地面钻孔,敷设低压电缆供电.

（3）采区负荷大.地面高压架空至采区地面对应位置,经钻孔敷设高压电缆,向采区变电所供电.

◆钻孔内敷设120~150mm钢管,为承担电缆的重量,钢管内敷设的每条电缆与吊挂钢丝绳绑在一起.

3.煤矿110（35）kV/10（6kV）地面变电所10kV（6kV）侧、井下中央变电所、采区变电所采用单母线分段.说明

正常运行方式：

母联开关处于分断状态，两进线（出线）断路器处于合闸状态，即分列运行方式；

两台进线（出线）断路器，母联断路器为“三选二”，即进（出）线断路器和母联开关,只能有2台合闸;

地面变电所10kV母线的2台断路器与1台母联开关,采用备用电源自动投入装置,通常备自投装在母联开关上.

三.矿井各级变电所及配电点

1.地面变电所

1）位置选择原则

·靠近主要负荷和入井电缆井筒（减少有色金属消耗量,降低电能损耗）;

·进出线路方便;

·尽量不设在空气污秽的地区（设在主通风道的上风侧）;

·具有适合的地形及地质条件（避开滑坡,在煤田上避免压煤,躲开采空区,塌陷区）;

·不占农田或少点农田;不应设在采矿场爆破危险区和炸药库爆炸危险区;不应设在稳定的排废场内,并与之有适当的安全距离;变电所建筑物和构筑物与运输繁忙的标准轨距铁路的距离一般不小于40m;

·运输方便;

·留有扩展余地.

2）地面变电所的布置

·配电装置:

用来接受和分配电能,在电气上有联系的一些元部件和设备的总称,主要包括开关设备、保护与测量电器、连接母线及其他辅助设备等.

·布置形式依据:

根据地理位置气候情况、矿井年产量、服务年限、电压等级、环境污染情况、进出线走廊条件等决定室内室外布置形式.

·35~110kV配电装置户内布置:

在工业广厂较大、无污染的矿山;

·35~110kV变电所的配电装置选择户内布置:

在周围空气中含有严重污染、腐蚀电气设备、破坏和降低电气绝缘的物质、或受条件所限（如化工厂、水泥厂、盐湖海岸附近的工厂和矿山等）,主变压器设在户外.

·6~10kV配电装置均为户内布置.

2.井下中央变电所

1）位置选择原则

·尽量靠近负荷中心,并根据通风良好、运输方便、进出线电缆易于敷设、顶底板条件及保安煤柱的位置情况等因素综合考虑.

·井下中央变电所可与主排水泵房、牵引变流所组成联合硐室,也可独立建立硐室.

·井下中央变电所硐室不应与空气压缩机站硐室联用或毗邻.

·每一个水平设置一个中央变电所.

·当考虑多水平的某一水平由邻近水平供电在技术经济上合理时,也可

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