矿山电工课程设计.docx
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矿山电工课程设计
题目：
采区高压供电系统供电设计
第一节概述
1.已知资科
某低瓦斯矿井的一个机械化采区的已知资料如下：
（1）采区开拓为中间上山，其倾角为17o，分东、西两翼，每翼走向长600m。
采区分三个区段，每段长150m，工作面长130m。
煤层厚度1．8m，煤质中硬，一次采全高。
采用走向长壁后退式采煤方法，西翼开采，东翼掘进，掘进超前进行。
两班出煤，一班修整。
掘进三班生产。
采区巷道布置如图6—1所示。
（2）回采工作面采用MLS3—170型采煤机，并用HDJA-1200型金属铰接顶梁与DZ22单体液压支柱组成支架，支护煤层的顶板。
回采工作面设有YAJ—13型液压安全绞车。
（3）煤的运输方式为：
在工作面内，采用SGW-150型刮板输送机及SGZ-40型转载机；在区段平巷内，采用DSP1040/800型带式输送机；在采区上山，采用胶带宽度为800m的SPJ-800型带式输送机；在轨道上山，采用75kW单滚筒绞车。
（4）煤巷掘进采用打服爆破．装煤机装煤，调度绞车调车。
上述采区各用电设备容量，技术规格列于表6—1
2.采区高压供电设计步骤
（1）根据采区地质条件、采媒方法、巷道布置以及采区机电没备容量、分布情况，定采区变电所及采掘工作面配电点位置。
（2）采区用电设备的负荷统计，确定采匠动力变压器的容目．型号、台效，，
（3）拟订采区供电系统图。
（4）选择高压配电装置和尚压电缆，
（7）时高低压开关中的保护较置进行整定。
（8）绘制采区供电系统图和采区变电所设备布置图。
第二节变电所及配电点位置的确定
1.变电说位置的选择
在第一章第二节中已对井下中央变电所、采区变电所以及配电点的设置原则进行过讨论。
在这里仅结合本节实例具体进行讨论。
根据采区变电所位置选择原则，采区变电所要位于负荷中心，顶底板稳定且无淋水、通风好、运输方便的地方。
少的变电所向全采区供电的原则，此次我们采用的方案是：
一个采区变电所和一台移动变电站联合向全采区供电。
即先在采区负荷中心的Ⅱ处建立一个固定采区变电所，另外再加一个移动变电站向回采工作面采煤机等设备供电。
本方案虽有投资增加之缺点，但却可将高压深入负荷中心，具有提离供电质量的优点，因而选定这一方案。
鉴于此矿井是西冀开采、东翼掘进，故拟参照上述移动变电站布置方式
（1）和
（2），将其设在回来工作面运输平巷内。
在此情况下，经过查资料可知，若采煤机电缆截面为50m㎡，则其删低压于线的最大供电距离为182m。
因计及除采煤机外，移动变电站还要向其他设备供电，故其实际最大供电距离要比由表1—6查到的值小，所以，最后考虑将移动变电站设在距工作面150m处的回来工作面运输平巷内。
2.工作面配电点的设置
（1）采区用电设各的布置
根据采区具体的开采情况，首先对题日给定的负荷作全团分析，从中了解其设备名称、数量、每台设备的电气性能，并了解它们在采区的分布情况及相互关系．
（2）采区配电点的配置
关于此项内容因在本书第一章第二节中已有介绍，故此不再赘述。
结合本题情况，采区工作面配电点的具体布置为：
回采工作面配电点设在运输平巷内．它与工作面相距50m；工作面回风巷配电点距工作面7N；掘进工作面配电点有两个，它们分别设在东冀第一区段上、下部的平巷内，且距掘进头80m；在上山采区绞车房附近设一配电点。
第三节负荷统计及变电所容量的选择
1．负荷统计
（1）概述
在按本章第二节介绍的过程确定了变电所的位置后，接下来就需进行采区用电负荷的统计，并据此决定采区变电所变压器的容量、型号及台数。
变压器选择是否合适，与采区供电的技术、经济性能关系极大。
若其容量偏小，将会使由它所带的电气设备和丁作机械不能正常运转，影响供电的安全、可靠；若其容量偏大．则又会导致变电所投资的提高和变压器能量损耗的增加，造成浪费。
很明显，若正确选定变压器，必先推确求得备用电设备的实际负荷。
但是，由于备用
电设备在运行中的负荷是随时变化的，巳不应超过其额定容里（即铭牌功率），又由于备用电设备一般并不都同时出现，所以各用电设备的实际负荷之和，总是要比它们铭牌佰直接相加的数值低。
因此，在选择变压器前，必须先介绍实际负荷的求取力祛。
目前．有多种计算实际负荷的方法．其中由概率理论导出的需用系数法，得到了广泛
的应用。
（2）需用系数法
需用系数法是一种借助于一些统计数据，通过计算手段，内各用电设备的额定功率求取计算负荷的方法，该法所使用的公式为：
式中Sca——一组用电设备的计算负荷，kv·z
∑PN——具有相同需用系数蜕的一组用电设备的额定负荷之和，kw；
cos
——一组用电设备的加权平均功率因数，即各用电设备的功率与功率因数的乘积之和与它们的总功率之比；
KSi----同时工作系数，因一组用电设备中的各用电设备未必全能在满负荷下运行，故以其表示在最大负荷时，工作着的用电设备的实际所需功率与全部用电设备容量比值。
要强调指出的是，虽然在上面分别介绍了需用系数x6中各项因子的含义，但在实际计算时，并不是根据它们求得需用系数。
这是因为要计算式中的出于，不身就是眺囚服义复杂的。
所以，通常的做法是：
根据统计实测，先将不同类型、不同工作条件下的用电设备的需用系数列成一个表，再根据实际情况查表求得。
对于加权平均功率因数，也采用同样的方法处理。
对于采煤机电动机，计算负荷时取长时容量；当有功率因数补偿时，取补偿后计算的功率因数。
而在矿井电力负荷计算需要系数及加权平均功率因数中，我们一般采用急倾斜煤层（炮采工作面），需用系数为0.5——0.6加权平均功率因数为0.7。
矿井电力负荷计算需用系数及加权平均功率因数
用电设备
需用系数
加权平均功率因数
采煤工作面
综合机械化工作面（单移）
0.4+0.6Pmax/∑PN
0.7
一般机械化工作面（单体）
0.286+0.714~~
0.6~0.7
一般机械化工作面（倾斜）
0.6~0.75
0.6~0.7
缓倾斜煤层
0.4~0.5
0.6
急倾斜煤层
0.5~0.6
0.7
掘进工作面
采用掘进机的
0.5
0.6~0.7
非掘进机的
0.3~0.4
0.6
电动机
架线式电动机
0.5~0.65
0.9
蓄电池式电动机
0.8
0.9
其他运输设备
0.5
0.7
井底车场
无主排水设备
0.6~0.7
0.7
有主排水设备
0.75~0.85
0.8
（3）确定本例采区变压器的容量及台数（所参数的选择均是以上表为参考的）
方案：
1台移动变电站，2台电力变压器。
第一组：
采煤机、刮板输送机、转载机、喷雾泵2台、乳化泵2台、调度绞车、电钻变压器、小水泵。
总负荷计算的结果大约为546.6kw。
根据公式算出的需用系数为0.508.但选取时选取0.6.算出的负荷是462.788kv﹒A，所以选取KBSGZY——500/6型移动变电站1台。
第二组：
带式输送机、液压安全绞车、小水泵、调度绞车、采区上山带式输送机、煤电钻。
算出的需用系数是0.5。
加权平均功率因素是0.7。
变压器的金算负荷是126.14kw﹒A。
则选用KBSG——200/6型变压器一台。
第三组：
装煤机（2台）、局部通风机（2台）、调度绞车（2台）、电钻变压器（2台）、小水泵（2台）、采区上山绞车、照明变压器。
总负荷166.2kW，出表6—2选取需用系数o.4，加权平均功率因素0.6则变压器计算负荷110.8kv﹒A。
所以选择KBSG——200/6型变压器1台。
第四节采区高压供电系统的拟定
1.拟定采区供电系统图的原则
（1）在保证供电可靠的前提下，力求所拟图中使用的开关、电缆等设备最省。
（2）尽可能由一台变压器向一个生产环节或工作面的机械供电，以便缩小事故所引起的停电范围o
（3）对单电源进线的采区变电所，当其变压器不超过两台且无高压馈出线时，通常可不设电源断路器；而当其变压器超过两台井有高压馈出线时，则应设进线断路器。
（4）在对生产量较大的综合机械化工作面或下山排水设备进行低压供电时．应尽量采用双回路高压电源进线及两台或两台以上的变压器，使得当一回线路或一台变压器发生故障时．另一回线路或另一台变压器仍能保证工作面正常生产及排水供电。
（5）对第一类负荷为高压设备（如高压水泵）或变压器在4台以上（即采掘工作面较集中的盘区）的采区变电所，因其已处于能影响矿井安全的地位，故应按前述井下中央变电所的接线原则加以考虑。
（6）变压器尽量采用分列运行。
这是由于当采用并列运行时，线路对地电流的增加会对安全造成威胁；电网绝缘电阻的下降可使洞电继电器的运行条件恶化，在发生漏电事故时又因一台检阅继电器控制两台变压器的馈电开关，而使停电范围加大，从而使可靠性降
低。
（7）一个开关只能控制一种用电设备，容量愈大的开关，应排得离电源愈近。
（8）为了防止采用局部通风机通风的工作面发生瓦斯爆炸事故，根据，《风电瓦斯闭锁系统技术规范》规定，对高瓦斯及瓦斯突出的矿井，局部通风机的供电系统应装设专用变压器，专用电缆，专用高低压开关配检漏继电器以及因停风或因瓦斯超限均需切断掘进工作面的电源闭锁系统。
对低瓦斯矿井局部通风机，仅实行风电瓦斯闭锁。
由于局部通风机独立于其他供电设备路线，股不受其他电气设备故障（如电路。
漏电等）跳闸的影响。
第五节高压配电装置及电缆选择
1.下井电缆截面的选择过程
对主排水泵由井下中央变电所供电的下井电缆。
（1）取矿井最大涌水量时井下的总计算负荷，按一回路不迭电情况，依允许载流量选择电缆截面。
（2）取矿井正常涌水量时井下的总额定负荷，按全部下井电缆送电的情况．依经济电流密度选择电缆截面。
（3）按三相短路电流热稳定值，选择电缆截面。
（4）取上述三个所选截面的最大者，再按正常涌水量时全部下井电缆送电水量时一回路不送电两种情况，分别校验电压损失。
对主排水泵不由井下中央变电所供电的下井电缆
按一回路不迭电，其余回路扣负井下总计算负荷的情况，依允许载流量选择电缆截面，同时使其符合全部下井电缆供电时的经济电流密度要求，并校验三相短路电流热稳定值及电压损失。
井下中央变（配）电所至采区变电所高压电缆截面的选择过程应按“井下高压电缆截面选择方法”中所述选择、校验方法逐步进行。
3.选择实例
现结合供电系统实例，选择采区变电所至KBSGZY-500/6型移动变电站的高压电缆。
1）型号选择
向移动变电站供电的高压电缆，应选UYPJ—3．6／6型屏蔽监视型矿用橡套电线。
矿用橡套电缆单位长度的电阻和电抗见表一，UYPJ——3．6／6型屏蔽监视型矿用橡套电缆的规格
见表二。
2）截面选择
Wt1，2干线电缆最大长时工作电流为
由表6—11中选UYPJ——3．6／6-3×16/3+3×2.5型屏蔽监视型矿用橡套电缆，其长时允许载流量IP＝121A（参见表6—7），大于Ica＝44．53A，满足发热条件。
表一矿用橡套电缆的单位长度电阻与电抗
阻抗Ｚ0
（Ω·km-1）
截面/mm2
4
6
10
16
25
35
50
70
95
电阻R0
5.5
3.693
2.159
1.369
0.8638
0.6160
0.4484
0.3151
0.2301
电抗X0
0.101
0.095
0.092
0.090
0.088
0.084
0.081
0.078
0.075
3）长度的确定
电缆实际长度应按下式进行计算：
Lca=KinKwa
Lca——电缆实际长度，m；
Lca——电缆敷设路径长度，m；
Kin—增长系数，对核套电缆为1.1，对铅装电缆为1.05。
表二uypj-3.6/6型屏蔽监视型矿用橡胶电缆规格
芯线×截面/㎜2
主芯线导体结构根数/直径/㎜2
绝缘厚度/mm
内护套厚度/mm
外护套厚度/mm
电缆外径/mm
最小值
最大值
3×25+3×16/3+3×2.5
196/0.4
4
2.5
5.5
64.8
70.8
3×35+3×16/3+3×2.5
275/0.4
68.3
74.3
3×35+3×16/3+3×2.5
396/0.4
71.7
77.7
由于本题中在变电所内和变电所至第一区段工作面进风巷电缆的长度分别为20m及75m，采区一冀走向长度为600m，移动变电站与工作面的距离为150m，供货长度为150m/根，故每150m应设一个中间接头，共设3个，且中间防爆接线盒两端又需增加3m的充裕量，并且考虑到软电缆应比巷道长度加长10％。
故可求得采区变电所至移动变电站的高压电缆总长度人m为
Lca＝（20+75+600一150+3x2×3）m×1.1＝619m
4）校验
（1）短路热稳定校验。
满足热稳定条件的最小电缆截面Amin按式（2-79）计算
式中Iss——通过电缆的最大短路电流，kA；
c——电缆芯线的热稳定系数，查表2—19可知，铜芯橡套绝缘电绩最高允许温度200度时的c值为145；
根据公式得：
已知所选电缆主芯线截面为25mm2该截面满足热稳定条件允许通过大短路电流是：
相应的，满足该截面热稳定要求的最大短路容量为：
一般矿井地面变电所6kv母线短路容量均限制在50MV﹒A以下，小于UYPJ型3x25mm2电缆热稳定要求的最大短路容量79．1Mv·A，满足短路热稳定要求。
（2）按允许电压损失校验。
①允许电压损失，从地面变电所6kv母线到来区移动变电站高压端子的允许电压损失不允许超过7％。
②电缆电压损失计算。
a．下井电缆的电压损失△V1。
本例假定在故障情况下每条下井电缆负荷功率1105kw，下井电缆长778m，截面为95mm2（铜芯）。
由表6—9查得Ro=0.226
／km，xo=0.060
/km：
取下并负荷的功率因数0.65带入得：
依照上面相同的方法依次计算中央变电所至采煤区变电说的电压损失△V2以及采区变电所至移动站的电压损失△V3.。
带入公式可得：
则总的电压损失是：
从上的计算结果可知，符合要求，所以，选择UYPJ-3.6/6-3×25电缆作为向移动变电所的供电电缆。
第六节过电流保护装置整定计算
整定计算的具体步骤是：
首先，根据保护装置整定需要确定的短路点，然后计算出各短路点的短路电流；其次，对各类开关（总开关、分路总开关、电动机控制开关、电钻照明控制开关等）中的不同保护装置进行整定（计算整定值，用最小两相短路电流校验保护装置灵敏度）。
1.短路电流的计算
计算短路电流前，我们给出井下主变电所6KV的母线短路容量SS=50MV·A。
以向装煤机供电的电缆在场处短路为例，计算通过磁力起动器的最小两相短路电流。
1）短路回路阻抗计算
（1）系统电抗。
因为变压器二次侧空载电压（即平均电压）是960V，井下主变电所短路容量50Mv．A，所以由式得，系统电抗为：
（2）高压电缆阻抗。
查表6—1，得高压电缆电阻、电抗值分别为0.0857
/km、0.066
/km。
已知这段电缆长为0.6km、变压器变比9.13，求得折合到低压侧的电阻及及电抗又分别为
（3）（3）变压器的阻抗。
查资料可得KBSG-200/6型干式变压器的vs=4,△PN,T=1400W；变压器额定电流I2N=
=
=167A。
（4）从短路点为至变压器问的低压电缆阻抗。
经过查表所得的参数计算可知：
通过以上的可得低压电缆的总电阻分别是
因此短路点每相总的电阻和总的电抗分别是：
0.4614
和0.1776
综上可知断流电流的值，将参数代入公式可知电流值分别是：
经过与上相同的方法，算得Ｔ２、Ｔ３变压器供电系统其它各短路点的短路电流值，并列入表三中。
表三Ｔ２、Ｔ３变压器供电系统其它各短路点的短路电流值
短路点
短路电流/A
短路点
短路电流/A
S25S13
3166
3657
S29
1185
1369
S14
1131
1360
S30
2022
2335
S15
969
1119
S31
757
874
S16
1102
1272
S32
425
491
S17
1354
1564
S33
633
731
S18
651
752
S34S40
29/99.2*
S19
1135
1311
S35
1179
1362
S20
1135
1311
S36
1657
1914
S21
635
733
S37
698
806
S22
31/153*
S38
412
476
S23
852
984
S39
617
713
S24
809
934
S41
23/117*
S26
1093
1262
S42
2092
2416
S27
1052
1215
S43
2520
2910
S28
32/169*
2．KBSGZY-500/6型移动变电站的短路电流计算。
1）求系统屯抗和高压电缆的换算长度
（1）系统电抗换算长度Lst，我们假定井下中央变电所6kv母线短路电容是500MV·A。
对于660系统，换算长度是20.9m。
（2）求高压电缆换算长度。
1由井下中央变电所至采区变电所高压电缆的换算长度：
式中Kct,gl——高压电缆的换算系数，查资料可得。
Lgl——高压电缆的实际长度。
由井下中央变电所至采区变电所高压（铜芯）电缆主芯线截面积为25mm2，电缆长度600m；查表2—16，得足系数是0.023，则电缆换算长度为：
采区变电所至移动变电站高压电缆的换算长度。
这段电缆是铜芯，截面为35mm2,长度为610m,查资料可得Kct,gl=0.017，则换算长度为
：
2）求S10点的短路电流
先求S10点到移动变电站二次（侧）母线各段电缆的换算长度，然后求出包括系统和高压电缆的换算长度在内的总换算长度，再经过查资料查得短路电流，当换算长度与表中不一致时，可查得相近的两个值，再用内插法求出。
（1）干线。
由电缆主芯线截面95mm2，长度为100m，可从表2-14查得系数是0.53，则电缆换算长度为：
（2）采煤机支线。
由电缆主芯线截面50mm2,长度200m,查资料可得Kct=1,则电缆换算长度为
Lct,2=Kct,2Lct,2=1×200m=200m
（3）求S10点的总换算长度：
Ｌct,
∑=Lst+Lct,gl+Lct,g2+Lct,1+Lct,2
=20.9m+13.8m+10.37m+53m+200m=298m
（4）由Ｌct,
∑=298m，查表四（已经过内插计算）
=2219A，
=
=2563A。
参照上述做法，可求得其它各短路点的短路电流，见表四。
表四移动变电站供电系统各短路点的短路电流
短路点（S）
短路电流/A
短路点
短路电流/A
Is2
Is3
Is2
Is3
S1
6793
7846
S6
4488
5184
S2
6439
7434
S7、S8
2859
3302
S3、S9
4817
5564
S10
2617
3023
S4
1834
2188
S11
4374
5052
S5
3299
3810
S12
4149
4792
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