情景二校本教材.docx
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情景二校本教材
任务六：
矿区供配电系统的组成及运行维护
第一节矿区供配电系统的组成
一、矿区对供电的要求
现代化的煤矿企业是重要的电力用户。
但由于煤矿生产环境的特殊性，根据《煤矿安全规程》规定，矿区供电应满足如下几方面的要求。
1．供电可靠
供电可靠性是指供电系统不间断供电的可靠程度。
应根据负荷等级来保证其不同的可靠性。
例如矿井通风、排水和提升设备等煤矿的I类负荷，《煤矿安全规程》规定：
“矿井应有两回路电源线路。
当任一回路发生故障，停止供电时，另一回路应仍能担负矿井全部负荷。
年产60000t以下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。
2．供电安全、操作方便
供电系统的结线应保证工作人员在正常运行和发生事故时，便于操作和检修，以及运行维护安全可靠。
为此，应简化结线，减少供电层次和操作程序。
由于煤矿生产环境复杂，井下空间狭窄，空气潮湿，供电设备及电缆易于受潮和受到砸、压、碰使绝缘损坏，或由于防爆设备的失爆引起触电、电火灾和瓦斯煤尘爆炸。
所以必须采取过流、欠压、漏电等一系列的技术保护措施，按煤矿有关规程的规定进行供电作业。
3．经济合理
结线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单，以减少设备投资和运行费用，以及提高供电安生性。
提高经济性的有效措施之一就是高压线路尽量深入负荷中心。
4．供电质量好
要求电源的电压及频率稳定，最好保持在额定值。
即使电压有些变化，一般要求不超过额定的±5%，以保证用电设备的正常运行。
电源频率在额定值上、下的容许偏差为0.4%~1%。
5．具有发展的可能性
结线方式应保证便于将来发展，同时能适应分期建设的需要。
二、矿区供配电系统的组成
矿井供电系统决定于井田范围、煤层结构及煤层埋藏深度、矿井设计年产量、开采方式、井下涌水量大小以及生产机械化、电气化程度等因素。
如井田范围大、埋藏较深、用电负荷大的矿井，多采用通过井筒将6kV高压电送至井下的深井供电系统。
如埋藏较浅、井下电力负荷较小时，采用通过井筒和钻孔将低压电送至井下的浅井供电系统。
根据开采程序及煤层结构，也有同时采用上述两种供电系统的，或初期采用浅井供电系统而后期采用深井供电系统。
任何供电系统都必须符合可靠、安全、和经济的原则。
1．深井供电系统
典型深井供电系统如图2－10所示。
深井供电的特征是分三级供电。
在矿井地面工业广场设矿山地面变电所，将35kV千伏高压降为6kV后，用高压电缆沿井筒送到井下中央变电所，再经电缆送到采区变电所。
（1）矿山地面变电所
为保证矿井供电可靠性，引到地面变电所35千伏母线上的电源线路有两回路。
这两回路经过两台35/6kV的变压器分别接在6千伏母线的两段上。
接到两段母线上的高压用户有矿井提升机、通风机与压气机、井下中央变电所等。
矿山地面变电所还设有低压变压器将6kV电压降到380V向地面低压动力及照明负荷供电。
（2）井下中央变电所
由矿山地面变电所利用沿着井筒敷设的电缆，把6千伏高压电送到井下中央
图2－10深井供电系统
变电所母线上。
电缆的数目至少有两条，并应接于分段母线的两段上。
井下中央变电所经本身的分段母线和高压配电装置，将6kV高压电分配给井底车场附近的主排水泵、牵引变流设备等高压用电设备，并向各采区变电所供电。
中央变电所还设有动力变压器将6kV电压降为660V或380V，向井底车场附近的低压动力设备（如翻车器、推车器、小水泵、清理水仓绞车及照明变压器等）供电，另设有照明变压器将电压降为127V，向井底车场附近巷道及硐室中的照明设备供电。
（3）采区变电所
从中央变电所高压母线上引出电缆对采区变电所供电。
采区变电所设置降压变压器（或经过移动变电站）将电压降至660V或380V，通过低压电缆送到工作面配电点，再由工作面配电点分送到工作面及附近巷道中的各动力设备。
（4）工作面配电点
由于工作面配电点距采区变电所较远，为了操作和维护方便，在配电点除设有磁力起动器向各工作机械供电外，通常还装设一台总自动馈电开关。
在检修设备时，将此开关断开即可，而不必再到采区变电所去控制。
另外，由于配电点装有自动馈电开关，也增加了保护装置的可靠性和选择性。
2．浅井供电系统
浅井供电系统如图2－11所示。
当煤层埋藏不深，一般离地表100~150米以内，井下涌水量不大的矿井，可以采用浅井供电系统。
浅井供电的特征是两级供电，高压电缆不下井。
在井底车场设置配电所，它接受自地面变电所用电缆送来的低压电。
配电所向井底车场及附近巷道低压动力及照明供电。
我国浅井供电方式主要有以下三种：
（1）井下涌水量小，无高压电动机驱动的水泵，用电负荷不大时，由地面变电所变压器将6kV高压降至660V或380V，用电缆沿井筒将电能输送到井底车场配电所，向井底车场及附近巷道低压动力及照明供电。
对采区的供电，由矿山变电所经架空线路将6kV高压送到与采区位置相对应的采区地面变电亭，降压到660V或380V后，经钻孔用低压电缆将电能送到采区内的低压配电所，向工作面配电点和低压用电设备供电。
（2）井下主排水泵是用高压电动机驱动，采区用电负荷不大，在井底车场设中央变电所，接受地面输送来的6kV高压，而采区仍由地面变电亭低压送电。
图2－11浅井供电系统
1－地面变电所2－采区地面变电亭3－向电机车供电的直流电网4－井底车场配电所
5－井底车场附近低压用电设备6－采区井下配电所7－工作面配电点
（3）采区用电负荷很大时，可在采区上面的地面设高压配电所，将高压经钻孔送到采区变电所。
也可不设高压配电所而将电缆直接与架空线相连，将高压经钻孔送到采区变电所。
浅井供电系统的主要优点：
1）不用昂贵的高压电缆。
2）井下巷道中没有高压电缆，减少了触电的危险。
3）减少了井下中央变电所硐室的开凿费用。
4）在有瓦斯、煤尘爆炸的危险采区，不需防爆的高压配电设备。
经钻孔供电的缺点：
1）如无现成的钻孔和小风井可以利用时，需要进行钻孔工作。
2）需要架设高压架空线。
3）地面需建变电亭，冬季维护较困难。
4）冬季在野外敷设电缆较困难。
5）采区范围很大、负荷较大时，有时由地面变电亭输送低压到采区和工作面，保证不了正常用电电压。
第二节供配电系统用电负荷的统计与计算
一、负荷计算目的
变电所负荷电流（或容量）大小是确实供电系统，选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。
由于一台设备的额定容量往往大于其实际负荷；一组设备中各负荷的cosφ不同，一般不同时工作；最大负荷一般不同时出现等情况，所以多台设备的实际总负荷总是小于它们的额定容量之和。
因此，精确计算变电所负荷是困难的。
二、负荷计算方法
目前，我国设计部门在进行企业供电设计时，经常采用的电力负荷计算方法有：
需要系数法，二项系数法、利用系数法、单位电耗法和单位面积功率法等。
需要系数法计算简便，对于任何性质企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际，因此，这种计算方法采用最广泛。
尤其对各用电设备容量相差较小，且用电设备数量较多的用电设备组，这种计算方法最为适宜。
二项系数法则主要适用于各用电设备容量相差大的场合，如机械加工企业、煤矿井下综采工作面等。
利用系数法是以平均负荷作为计算的依据，利用概率论分析最大负荷与平均负荷的关系。
这种方法虽理论依据较充分，但由于目前积累的实用数据不多，且计算步骤较繁琐，精确度也并不比前两种方法强多少，所以目前已逐渐不被采用，最后两种方法常用于方案估算。
下面以应用最多的需用系数法为例说明确定用电设备的计算负荷。
三、需用系数法确定用电设备的计算负荷
（一）单一用电设备的计算负荷
PNKf
Pca＝Kd1PN＝————
ηηl
式中Kf——负荷系数
P
Kf＝——
PN
P——用电设备的实际负荷；
PN——用电设备的额定负荷；
η——用电设备实际负荷时的效率；
ηl——线路的效率，一般取0.95～0.98；
Kd1——单一负荷的需用系数；
Kf
Kd1＝———
ηηl
Pca——有功计算负荷。
无功计算负荷Qca
Qca＝Pcatgφ
式中φ——用电设备的功率因数角。
（二）用电设备组的计算负荷
对于一个车间、井底车场、采区等成组的用电设备的计算负荷为
Pca＝Kd∑PN
式中∑PN——该用电设备组的设备总额定容量，kW。
Kd——成组负荷需用系数
KloKsi
Kd＝————
ηηl
Klo——该组设备的负荷系数，即实际投入运行的工作设备的最大负荷与该组设备投入运行的额定容量总和之比。
即：
投入运行的工作设备的实际最大负荷
Klo＝——————————————————
投入运行的工作设备的额定容量之和
Ksi——该组设备的同时系数，即在最大负荷期间投入运行的工作设备的额定容量的总和与全部工作设备的总额定容量之比。
即：
在最大负荷期间投入运行的工作设备的额定容量的总和
Ksi＝—————————————————————————
全部工作设备的总额定容量
η——该组设备的加权平均效率，其定义为
PN1ηl+PN1η2+……+PNnηn
η＝———————————————
PN1+PN2+……+PNn
成组设备的无功、视在功率计算负荷分别为：
Qca＝Pcatgφkvar
Sca＝
P2ca+Q2caKva
Ica＝Sca/（
UN）A
式中tgφ——用电设备加权平均功率因数角的正切值；
UN——额定电压，V；
Ica——该用电设备组的计算负荷电流，A。
通过以上分析不难看出，需用系数Kd是计算用电设备组从电力网实际取用功率所必须考虑的一个综合系数，它与用电设备组的平均加权负荷系数Klo、同时运行系数Ksi、加权平均效率η以及电网供电线路效率ηl等系数有关。
需用系数Kd值小于1。
各工业企业用电设备组、车间及全企业需有系数见表2－3。
例2－1已知机修车间的金属切削机床组有电压为380V的三相电动机7.5kW3台，4kW8台，3kW17台，1.5kW10台。
试求该用电设备组的计算负荷。
解：
此机床电动机0组的总容量为
∑PN＝7.5×3+4×8+3×17+1.5×10
＝120.5kW
查表2－3中“小批生产的金属冷加工机床”项，得Kd＝0.17～0.2（取0.2），cosφ＝0.5，tanφ＝1.73。
因此得
有功计算负荷Pca＝0.2×120.5kW＝24.1kW
无功计算负荷Qca＝24.1×1.73＝41.7kvar
视在计算负荷Sca＝24.1/0.5＝48.2kVA
计算电流Ica＝48.2kVA/（
×0.38kV）＝73.2A
表2－3用电设备的Kd，cosφ及tgφ
用电设备组名称
Kd
cosφ
Tgφ
单独传动的金属加工机床：
小批生产的金属冷加工机床
大批生产的金属冷加工机床
小批生产的金属热加工机床
大批生产的金属热加工机床
锻锺、压床、剪床及其他锻工机械
木工机械
液压机
生产用通风机
卫生用通风机
泵、活塞型压缩机、电动发电机组
球磨机、破碎机、筛选机、搅拌机等
电阻炉（带调压器或变压器）：
非自动装料
自动装料
干燥箱、加热器等
工频感应电炉（不带无功补偿装置）
高频感应电炉（不带无功补偿装置）
焊接和加热用高频加热设备
熔炼用高频加热设备
表面淬火电炉（带无功补偿装置）：
电动发电机
真空管振荡器
中频电炉（中频机组）
氢气炉（带调压器或变压器）
真空炉（带调压器或变压器）
电弧炼钢炉变压器
电弧炼钢炉的辅助设备
点焊机、缝焊机
对焊机
自动弧焊变压器
单头手动弧焊变压器
多头手动弧焊变压器
单头直流弧焊机
多头直流弧焊机
金属、机修、装配车间、锅炉房用起重机
铸造车间用越重机
0.12～0.16
0.17～2
0.2～0.25
0.25～0.28
0.25
0.2～0.3
0.3
0.75～0.85
0.65～0.7
0.75～0.85
0.75～0.85
0.6～0.7
0.7～0.8
0.4～0.7
0.8
0.8
0.5～0.65
0.8～0.85
0.65
0.8
0.65～0.75
0.4～0.5
0.55～0.65
0.9
0.15
0.350.2
0.35
0.5
0.35
0.4
0.35
0.7
0.1～0.15
0.15～0.3
0.5
0.5
0.55～0.6
0.65
0.6
0.5～0.6
0.6
0.8～0.85
0.8
0.8
0.8～0.85
0.95～0.98
0.95～0.98
1
0.35
0.6
0.7
0.8～0.85
0.7
0.85
0.8
0.85～0.9
0.85～0.9
0.85
0.5
0.6
0.7
0.5
0.35
0.35
0.6
0.7
0.5
0.5
1.73
1.73
1.51～1.33
1.17
1.33
1.73～1.33
1.33
0.75～0.62
0.75
0.75
0.75～0.62
0.33～0.2
0.33～0.22
0
2.67
1.33
1.02
0.75～0.62
1.02
0.62
0.75
0.62～0.48
0.62～0.48
0.62
1.73
1.33
1.02
1.73
2.67
2.68
1.33
0.88
1.73
1.73
（三）多个用电设备组的计算负荷
表2－4工业企业需要系数的同时系数Ksi
应用范围
Ksi
一、确定车间变电所低压母线的最大负荷时,所采用的有功负荷同时系数
1.冷加工车间
2.热加工车间
3.动力站
二、确实配电所母线的最大负荷时，所采用的有功负荷同时系数
1.计算负荷小于5000kW
2.计算负荷为5000~10000kW
3.计算负荷超过10000kW
0.7~0.8
0.7~0.9
0.8~1.0
0.9~1.0
0.85
0.8
因各用电设备组的最大负荷常常不是在同一时间出现，因此在计算总的计算负荷时，应将各用电设备计算负荷之和再乘以组间的最大负荷同时系数Ksi。
一般组数越多，各最大负荷越不易重叠于同一时刻，Ksi越小，其值可参考表2－4选取。
具体计算如下：
Pca∑＝Ksi∑Pcai
Qca∑＝Ksi∑Qcai
Sca∑＝
P2ca∑+Q2ca∑
例2－2某机修车间380V线路上，接有金属切削机床电动机20台，共50kW；通风机2台，共3kW；电阻炉1台2kW。
试确实此线路上的计算负荷。
解：
先求各组计算负荷
（1）金属切削机床组
查表2－3，取Kd＝0.2，cosφ＝0.5，tanφ＝1.73
Pca1＝0.2×50＝10kW
Qca1＝10×1.73＝17.3kvar
（2）通风机组
查表2－3，取Kd＝0.8，cosφ＝0.8，tanφ＝0.75
Pca2＝0.8×3＝2.4kW
Qca2＝2.4×0.75＝1.8kvar
（3）电阻炉
查表2－3，取Kd＝0.7，cosφ＝1，tanφ＝0
Pca3＝0.7×2＝1.4kW
查表2－4，取Ksi＝0.9，得总的计算负荷
Pca∑＝0.9×（10+2.4+1.4）＝12.42kW
Qca∑＝0.9×（17.3+1.8）＝17.19kvar
Sca∑＝
P2ca∑+Q2ca∑＝
12.422+17.192＝21.21kVA
Ica∑＝＝Sca∑/（
UN）＝21.21/（
×0.38kV）＝32.22A
（四）需用系数法的优缺点
利用需用系数法确定计算负荷的优点：
（1）公式简单，计算方便。
只用一个原始公式Pca＝Kd∑PN就可以表征普通的计算方法。
这个公式对用电设备组、车间变电所乃至一个企业变电所的计算负荷都可进行计算。
（2）对于不同性质用电设备、不同车间或企业的需用系数值，经过几十年的统计和积累，数值比较完善和准确，为供电设计创造了很好的条件。
这种方法的缺点：
需用系数法没有考虑大容量电动机对整个计算负荷Pca的影响，尤其是当总用电设备较少时，影响更大。
在这种情况下，采用其它系数法更准确些。
任务七煤矿供电系统见习训练
一、井下中央变电所
井下中央变电所是井下供电系统的核心，主要任务是向井下的所有电气设备供电。
对于深井供电系统，由于井下有排水泵、压风机等I类负荷，所以要求它的供电必须安全可靠。
1．井下中央变电所位置选择原则
（1）尽量设在负荷中心。
一般中央变电所都与负荷较大的主排水泵房建在一起。
（2）要求通风良好、运输方便、进出线易于敷设。
一般中央变电所设在井底车场附近，通过钻孔供电的变电所要求靠近钻孔。
（3）要求较好的地质条件。
顶底板的岩层要稳定，尽量少压煤并无淋水等不利因素。
（4）变电所硐室一般与水泵房直列，也可以并列布置。
2．井下中央变电所的硐室要求
（1）为防止巷道积水流入硐室，硐室内地面最少比入口处井底车场的轨面高出0.5米。
硐室内的高压电气设备安放处又要求比硐室地面高出0.5米。
（2）为便于通风，硐室长度超过10米时，应在其两端各设一个出风口,当硐室长度超过30米时，应在中间增设一个出风口。
（3）变电所的硐室及地板、硐室入口及两旁5米以内的巷道、硐室的通风小巷等处均必须用非燃性材料砌成。
（4）硐室通向大巷的通道，应设置栅栏门（在外）和密闭门（在内），以便于平时通风和限制闲人进入变电所。
（5）井下中央变电所应有经常的值班人员，可以考虑留有一定的空间作值班室与修配室。
3．井下中央变电所电气设备的布置原则
（1）尽可能将变电所和变流所设在一起。
低瓦斯矿井采用一般矿用型高压配电箱与矿用变压器；高瓦斯矿井采用隔爆型高压配电箱与隔爆型矿用变压器。
（2）连接各电气设备的电缆必须用不带外黄麻层的电缆。
电缆穿过墙壁部分用金属管保护，并要严密封堵管口。
（3）硐室内高压配电装置应集中布置在一侧。
低压配电装置一般应与高压配电装置在同一侧，其设备间应有0.8～2.0米的过道；也可布置在另一侧，留有0.5～0.8米的过道。
（4）硐室内高压配电装置应按后期最大使用量并考虑有10%～25%的备用位置，备用位置最少不得少于一台。
4．典型中央变电所的设备布置和主接线原则（图2－12）
（1）井下中央变电所的高压电源线及馈出线，一般均应设断路器控制。
（2）高压母线一般采用单母线分段，并设分断联络开关，正常情况下母线分列运行。
各类高压负荷应尽可能均匀地分配在各段母线上。
（3）中央变电所内所有电气设备外壳必须接地，接地母线沿硐室内壁敷设。
由于井下主接地极均设置在主排水泵房的吸收水井内，距变电所很近，故中央变电所内除检漏继电器的辅助接地极外不设置局部接地极。
5．井下中央变电所设备的选型
根据井下中央变电所硐室要求及设备布置原则可知，井下中央变电所设备的选型，应根据矿井瓦斯等级按《煤矿安全规程》的要求选择。
在目前情况下，高压均选用GKW－1型或PB3－6Z型高压配电电箱；低压广泛采用DW型隔爆自动馈电开关，QC型隔爆磁力起动器及QS型手动起动器作为低压配电设备。
图2－12井下中央变电所和设备布置图及电气接线系统图
a－井下中央变电所的设备布置图b－电气接线系统图
低压配电设备应装漏电继电器。
如果水泵电动机是高压的，则井下中央变电所只需设一台矿用变压器，否则必须设两台动力变压器，以保证对水泵供电的可靠性。
变压器选用两台以上的KSJ矿用隔爆型变压器和矿用节能型变压器。
二、采区变电所
采区变电所是采区的动力中心，其任务是将井下中央变电所送来的高压变为低压（目前一般为380、660、1140V），并送至采、掘工作面配电点及附近巷道的低压动力与照明设备。
1．采区变电所位置的选择
采区变电所的位置由采煤方法、采区巷道布置方式、采区煤岩地质条件、采掘工作面的机械化程度及供电的电压等级等因素决定。
具体有以下几点要求：
（1）通风良好。
硐室长度超过10米时，应在两端分别设出风口。
（2）运输方便。
硐室内应设有轨道，以便大型设备的搬运。
（3）尽量设在顶底板稳定、无淋水的地点。
（4）位于负荷中心，一个采区尽量采用一个采区变电所位置。
并要求保证向采区内最远距离、最大容量设备的供电质量。
一般在铠装电缆截面不超过95mm2和橡胶电缆截面不超过70mm2的条件下，保证对采区各负荷供电的端电压不应低于设备额定电压的95%。
2．采区变电所硐室要求
采区变电所的硐室要求与中央变电所的硐室要求相似。
硐室长度低于6米时，硐室的一端开门，另一端需设一通风口。
硐室及从硐室进出口起1米内的巷道应用水泥或砖石砌成或用不燃性材料支架。
硐室必须装设向外开的铁栅栏门，铁栅门全部敞开时，不得妨碍巷道交通。
变电所必须备有干式灭火器与砂箱以备灭火，不准在采区变电所内设集油坑。
3．采区变电所的设备布置原则
采区变电所的设备布置原则与中央变电所相似。
常见设备布置图如图2－13.
硐室内高压配电装置一般集中布置在一侧，低压配电装置可根据实际情况布置于另一侧或与高压装置在同一侧。
各设备之间及设备与墙之间应有0.8米以上的维修通道。
连接各电气设备的电缆必须用不带外黄麻层的电缆。
电缆穿过墙壁部分用金属管保护，并要严密封堵管口。
图2－13采区变电所设备布置及供电系统图
a－采区变电所设备布置图b－采区供电系统图
4．采区变电所的结线
采区变电所结线随变压器的台数和馈电线路的数量而异。
图2－14分别是一台、两台变压器运行时的供电线路图。
当图中虚线以电缆连接时，两台变压器并联运行。
并联运行的优点是可以起到调节负荷、稳定电压的作用。
但如果电缆中的一处出现故障，可能引起两个总开关同时跳闸，造成全采区停电。
所以没必须时，一般采用两台变压器分列运行的结线方式。
5．采区变电所电气设备的选择
采区变电所的设备通常有高压隔爆配电箱、矿用变压器、低压隔爆自动馈电开关、隔爆磁力起动器、隔爆兼安全火花型磁力起动器及漏电继电器等。
图2－14采区变电所供电系统图
a－一个配电点的结线系统图b－多个配电点的结线系统图，总开关的作用
是实现漏电保护和各分开关的后备保护图c－两台变压器的采区变电所结线图
三、工作面配电点
工作面配电点是将采区变电所送来的1140V（660V或380V）电能分配给采掘工作面机械设备，主要起配电作用。
其次是用KSGZ型或KSG型电钻变压器或干式变压器，将电压降为127V，供煤电钻及照明用。
图2－15向采煤、开拓、掘进移动变电站供电的接线方式
1、5－两路高压隔爆开关2－矿用隔爆变压器3、4－矿用隔爆移动变电站
图2－16“三专”供电系统示意图
a-一面两台局部通风机b－两面各一台局部通风机
工作面配电点是低压开关设备集中的地方，特点是需要经常随工作面移动，所以一般不需设专门的硐室，大都直接设在工作面附近的运输平巷（或回风巷内）内侧。
必要时开凿壁硐，一般距工作面50～70米。
对于掘进工作面的配电点，大都设在掘进巷道的一侧，距掘进工作面不超过80～100米。
向采煤、开拓、掘进工作面供电时，由于采煤工作面负荷集中而且较大，开拓、掘进工作面一般开掘巷道较长，距采区变电所较远，往往采用移动变电所
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