朔州芦家窑煤业有限公司供电系统设计毕业设计论文.doc

太　原　理　工　大　学
毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：
朔州芦家窑煤业有限公司供电系统设计
毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：
山西朔州平鲁区芦家窑煤矿有限公司（简称“芦家窑煤矿”）位于山西省朔州市平鲁区陶村乡的东侧，行政区划隶属平鲁区陶村乡管辖。山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室晋煤重组办发〔2009〕36号文“关于朔州市平鲁区煤矿企业兼并重组整合方案（部分）的批复”，该矿属单独保留矿井，矿井生产能力由0.9Mt/a增加到1.5Mt/a。
1 供电电源
1.1 地方及矿区电力系统现状
芦家窑煤矿位于山西省朔州市平鲁区境内，属山西省朔州电力公司供电范围，矿井工业场地附近现有杏园110kV变电站一座和四座35kV变电站。其中华美奥35kV变电站、后安35kV变电站及芦西煤矿35kV变电站等三座变电站均为各煤矿（公司）的矿井变电站，变压器均已满负荷运行；杏园110kV变电站位于本矿井东北约10.5km处，两回110kV电源分别引自向阳堡220kV变电站110kV母线段，导线型号均为LGJ-240mm2，站内设有两台主变压器，其容量均为40MVA，本矿现有两回35kV电源线路引自该变电站。
西家寨35kV变电站位于本矿井西北约2km处，两回35kV电源分别引自井坪110kV变电站35kV母线段和铺上220kV变电站35kV母线段，导线型号均为LGJ-120mm2，站内设有两台主变压器，其容量均为10MVA，本矿现有一回10kV电源线路引自该变电站。
1.2 矿井供电电源
根据朔州供电分公司《关于对平鲁区芦家窑煤矿供电方案的批复》，在芦家窑煤矿建有一座35kV变电站。其供电电源为：从杏园110kV变电站35kV不同母线段各出一回35kV线路作为主供电源，导线型号均为LGJ-120 mm2，长度均为10.5km；另外由西家寨35kV变电站出一回10kV线路作为矿井的保安电源，导线型号为LGJ-120mm2，长度为2km。
1.3气候及地震
井田位于晋西北黄土高原区，属温带大陆性气候。干燥、昼夜温差大，风沙多为本区气候的主要特点。全年平均气温4.5℃，一月份最冷，平均气温-12℃，极端最低气温-32.4℃。七月份最热，平均气温20℃，极端最高气温38.2℃。平均年降水量420mm，主要集中在七、八月份，占全年降水量的50%以上。年蒸发量1375.6～2898.0mm，平均2351mm，为年降水量的5倍。全年无霜期100～120天，初霜期为九月下旬。冰冻期为十月下旬到次年四月中旬，最大冻土深度1.51m。
本区风沙大，八级以上大风(风速大于17.2m/s)平均有25天以上。一般风沙日在290天以上，多集中在冬春季节。风向以西北风最多，最高风速可达21m/s以上。
据历史记载，平鲁区于1407年6月9日和1958年9月5日曾发生两次5.5级地震。据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001图A-1）井田地震动峰值加速度为0.10g。本区地震烈度7度。

毕业设计（论文）主要内容：

1.确定主变电所主接线型式。
2. 确定矿井地面供电系统的结线方案。
3. 负荷统计。
4.短路电流的计算。
5.选择高低压电气设备。
6.选择供电线路。
7.继电保护整定计算。

学生应交出的设计文件（论文）：
1. 论文 一份
2. 外文资料 一份

主要参考文献（资料）：
1.矿山供电技术 李虎伟 中国矿业大学出版社
2.供配电技术 居荣 化学工业出版社
3.供电技术 余建明 机械工业出版社
4.工厂供电 刘介才 机械工业出版社
5.电力工程设计手册
6.有关高压电器产品样本等。
7.煤矿安全规程

专业班级 学生
要求设计（论文）工作起止日期 2014.3 至2014.6
指导教师签字 日期
教研室主任审查签字 日期
系主任批准签字 日期

iv

朔州芦家窑煤业有限公司供电系统设计
摘 要
本设计初步设计了煤矿地面35kV变电站的设计。其设计过程主要包括负荷计算、主接线设计、短路计算、电气设备选择、继电保护方案、变电所的防雷保护与接地等。通过对煤矿35KV变电站做负荷统计，用需用系数法进行负荷计算，根据负荷计算的结果确定出该站主变压器的台数、容量及型号。用标幺值法对供电系统进行了短路电流计算，为电气设备的选择及校验提供了数据。根据煤矿供电系统的特点，制定了矿井变电所的主结线方式、运行方式、继电保护方案。其中35KV侧为全桥接线，6KV主接线为单母分段。两台主变压器采用分列运行方式。并根据电流整定值以及相关数据的校验，选择了断路器、隔离开关、继电器、变压器等电气设备。

关键字：负荷计算; 变电站; 继电保护;运行方式
Abstract
The design is completed the design jiexiu Dafosi Taoyuan Coal Limited ground 35kV substation . The design process includes load calculations , the main wiring design , short circuit calculations, electrical equipment selection, knot -line program to determine the mine ground power systems , power lines selected substation lightning protection and grounding. By doing mine 35KV substation load statistics , with the required coefficient method load calculation , determine the number of units of the main transformer station , capacity and load calculation model based on the results . With power supply unit value method to calculate the short circuit current system for the selection and verification of electrical equipment provided data . According to the characteristics of coal -powered systems , the development of the mine substation main connection mode , operation mode. 35KV side of which is a full-bridge wiring , 10KV main terminal is a single mother of segmentation. Two main transformers breakdown runs. And in accordance with current setting and calibration related data , select the circuit breaker, isolating switches, relays, transformers and other electrical equipment. Due to the limited capacity of my own in the design will inevitably be mistakes and wrong, urge teachers criticism.

Keywords : load calculation ; substation ; Run

目 录

摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 设计依据 1
1.2 设计目的及范围 1
1.3 矿井基础资料 2
1.3.1 本矿概况 2
1.3.2 供用电协议 2
1.3.3 自然条件 2
1.3.4 原始负荷资料 2
2 负荷计算 13
2.1 负荷计算的目的 13
2.2 负荷计算方法 13
2.2.1 用电设备组计算负荷的确定 13
2.2.2 多组用电设备组的计算负荷 14
2.3 负荷计算过程 14
2.3.1 各用电设备负荷计算 14
2.3.2 五组和六组的负荷计算 15
2.3.3 五组和六组无功补偿 16
2.3.4 低压变压器的选择 17
2.3.4 10kV母线侧补偿前总计算负荷 17
2.3.5 补偿后10kV母线侧总计算负荷及功率因数校验 18
3 变电所主变压器选择 20
3.1 变压器的选取原则 20
3.2 变压器选择计算 20
3.3 35kV侧全矿负荷计算及功率因数校验 21
3.4 变压器经济运行方案的确定 21
4 电气主接线设计 23
4.1 对主接线的基本要求 23
4.2 本所电气主接线方案的确定 23
5 短路电流计算 25
5.1 短路电流计算目的 25
5.2 短路电流计算中应计算的数值 25
5.3 三相短路电流计算计算的步骤 25
5.3.1 根据供电系统绘制等值网络 25
5.3.2 用标幺值法计算阻抗值 26
5.3.3 计算短路电流 28
6 电气设备选择 32
6.1 高压电气设备选择原则 32
6.1.1 按正常条件选择 32
6.1.2 按短路情况校验 32
6.2 高压开关设备的选择及校验 33
6.2.1 高压断路器的选择及校验 33
6.3 互感器和避雷器 35
6.3.1 互感器的选择 35
6.3.2 开关柜避雷器的工作原理 35
6.4 电力线路的选择 36
6.4.1 35kV母线的选择与校验 36
6.4.2 10kV母线及电缆的选择 37
6.4.3 10kV侧各出线电缆的选择 38
参考文献 41
致 谢 42
英文原文 43
中文翻译 61

IV

1 绪论
本设计的目的是通过本次设计巩固所学的专业知识，培养分析问题、解决问题的能力及实际工程设计的基本技能。
电力是现代煤矿的动力，首先应该保证供电的可靠和安全，并做到技术和经济方面合理的满足生产的需要。由于煤矿生产条件的特殊性，对供电系统有特殊的要求，尤其是煤矿地面供电系统作为整个煤矿供电开端，对整个煤矿供电的安全，可靠，经济具有举足轻重的作用。
本论文根据变电所的设计原则，围绕某矿井35KV变电所设计这一课题展开了全面的设计与研究，主要完成以下工作：
针对矿井负荷的用电要求，根据需要系数法进行了负荷计算。据此对主变压器进行选择，并进行无功补偿。根据变电所主接线的设计原则，对变电所的主接线进行设计：高压35kV采用全桥接法,6kV母线采用单母分段接线形式。采用标幺值法对供电系统进行了短路计算。按安装地点、运行环境和使用要求对电气设备的规格型号进行选择，并对它们进行动稳定和热稳定校验。为了在供配电系统发生故障时，能够自动地、迅速地、有选择地将故障设备从系统中切除，以免事故的扩大，在论文中对变电所继电保护进行了设计。防雷保护是变电所保护中不可缺少的一项保护措施，本文采用了在线路上安装阀型避雷器对其进行防雷保护，并在变电所装设避雷针。
1.1 设计依据
1、中华人民共和国建设部及国家技术监督局联合发布的《矿山电力设计规范》。
2、中华人民共和国电力公司发布的《35kV～110kV无人值班变电站设计规程》。
3、电力工程电气设计手册（电气一次部分）。
4、煤矿电工手册（地面供电部分）。
1.2 设计目的及范围
本设计的目的是通过本次设计巩固所学的专业知识，培养分析问题、解决问题的能力。
本论文的设计范围包括：
1.确定主变电所主接线型式。
2.确定矿井地面供电系统的结线方案。
3.负荷统计。
4.短路电流的计算。
5.选择高低压电气设备。
6.选择供电线路。
1.3 矿井基础资料
1.3.1 本矿概况
山西朔州平鲁区芦家窑煤矿有限公司（简称“芦家窑煤矿”）位于山西省朔州市平鲁区陶村乡的东侧，行政区划隶属平鲁区陶村乡管辖。山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室晋煤重组办发〔2009〕36号文“关于朔州市平鲁区煤矿企业兼并重组整合方案（部分）的批复”，该矿属单独保留矿井，矿井生产能力由0.9Mt/a增加到1.5Mt/a。
1.3.2 供用电协议
根据朔州供电分公司《关于对平鲁区芦家窑煤矿供电方案的批复》，在芦家窑煤矿建有一座35kV变电站。其供电电源为：从杏园110kV变电站35kV不同母线段各出一回35kV线路作为主供电源，导线型号均为LGJ-120 mm2，长度均为10.5km；另外由西家寨35kV变电站出一回10kV线路作为矿井的保安电源，导线型号为LGJ-120mm2，长度为2km。
1.3.3 自然条件
井田位于晋西北黄土高原区，属温带大陆性气候。干燥、昼夜温差大，风沙多为本区气候的主要特点。全年平均气温4.5℃，一月份最冷，平均气温-12℃，极端最低气温-32.4℃。七月份最热，平均气温20℃，极端最高气温38.2℃。平均年降水量420mm，主要集中在七、八月份，占全年降水量的50%以上。年蒸发量1375.6～2898.0mm，平均2351mm，为年降水量的5倍。全年无霜期100～120天，初霜期为九月下旬。冰冻期为十月下旬到次年四月中旬，最大冻土深度1.51m。
本区风沙大，八级以上大风(风速大于17.2m/s)平均有25天以上。一般风沙日在290天以上，多集中在冬春季节。风向以西北风最多，最高风速可达21m/s以上。
1.3.4 原始负荷资料
负荷资料见表1.1 全矿电力负荷统计表。

表1.1 全矿电力负荷统计表

序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

井下负荷

一
回采工作面

1
采煤机
1140
700.0
700.0

2
喷雾泵站
1140
90.0
45.0

3
破碎机
1140
160.0
160.0

小 计

0.83
0.70
4
乳化液泵站
1140
500.0
250.0

5
可弯曲刮板输送机
1140
528
528

6
转载机
1140
132
132

小 计

0.75
0.70

二
回采工作面运输顺槽

1
可伸缩带式输送机
660
320.0
320.0

2
调度绞车
660
100.0
100.0

3
注水钻
660
5.5
5.5

4
注水泵
660
30.0
30.0

5
小水泵
660
11.0
11.0

续表1.1 全矿电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ
总计 kW
工作 kW
6
煤电钻
127
1.2
1.2

小 计

0.81
0.70
三
回采工作面回风顺槽

1
调度绞车
660
165.0
165.0

2
注水钻
660
5.5
5.5

3
煤电钻
127
1.2
1.2

4
注水泵
660
30.0
30.0

小 计

0.50
0.70

四
顺槽掘进工作面一

1
局扇
660
120.0
60.0

2
掘进机
660
150.0
150.0

3
注水泵
660
30.0
30.0

小 计

201.7
201.7
0.50
0.70
五
顺槽掘进工作面二

1
局扇
660
120.0
60.0

2
掘进机
660
150.0
150.0

续表1.1 全矿电力负荷统计表

序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
9工作 kW

2
掘进机
660
150.0
150.0

3
可伸缩带式输送机
660
80.0
80.0

4
调度绞车
660
50.0
50.0

5
胶带转载机
660
11.0
11.0

6
小水泵
660
11.0
11.0

7
探水钻
660
5.5
5.5

8
煤电钻
127
2.4
2.4

小 计

0.64
0.65
六
一盘区带式输送机机头配电

1
调度绞车
660
165.0
165.0

2
4-1煤运输巷带式输送机
660
75.0
75.0

3
照明
127
20.0
20.0

小 计

0.70
0.70
七
大巷掘进工作面

1
局扇
660
120.0
60.0

2
掘进机
660
150.0
150.0

3
胶带输送机
660
11.0
11.0

续表1.1 全矿电力负荷统计表

序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

5
混凝土喷射机
660
5.5
5.5

6
可伸缩带式输送机
660
80.0
80.0

7
混凝土搅拌机
660
5.5
5.5

8
探水钻
660
5.5
5.5

9
刮板机
660
80.0
80.0

10
小水泵
660
11.0
11.0

11
煤电钻
127
2.4
2.4

小 计

0.63
0.65
七
井底设备

1
主排水泵
660
396.0
132.0

2
4-2煤运输巷带式输送机
660
160.0
160.0

3
4-2煤东运输巷带式输送机
660
75.0
75.0

4
4-2煤转载运输巷带式输送机
660
22.0
22.0

5
调度绞车
660
110.0
110.0

6
清仓绞车
660
25.0
25.0

7
给煤机
660
5.5
5.5

8
井下照明
127
20.0
20.0

小 计

续表1.1 全矿电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

井下合计

5227.0
4148.0

0.69

　地面

一
地面主井提升及井口房配电

1
主斜井带式输送机
10000
500.0
500.0
0.82
0.80
2
主斜井检修绞车
380
55.0
55.0

3
齿辊式滚轴筛
380
30.0
30.0

4
手选带式输送机
380
11.0
11.0

5
齿辊式滚轴筛
380
22.0
22.0

6
混煤带式输送机
380
90.0
90.0

7
大块煤带式输送机
380
30.0
30.0

8
中块煤带式输送机
380
30.0
30.0

9
地面空压机
380
240.0
120.0

小 计

0.72
0.75
二
机电修理车间

1
普通车床
380
11.0
11.0

2
普通车床
380
7.7
7.7

3
牛头刨床
380
11.0
8.5

4
摇臂钻床
380
5.0
5.0

续表1.1 全矿电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

5
立式钻床
380
4.5
4.5

6
空气锤
380
15.0
15.0

7
联合冲剪机
380
11.0
11.0

8
锻钎机
380
11.0
11.0

9
剪板机
380
15.0
15.0

10
整形机
380
20.0
20.0

11
马鞍车床
380
8.0
8.0

12
交流弧焊机
380
63.0
63.0

13
直流弧焊机
380
40.0
40.0

14
电动起重机
380
20.0
20.0

15
车轮拆装机
380
5.5
5.5

16
轮轴起吊机
380
4.0
4.0

17
车厢整形机
380
5.0
5.0

18
轴承清洗机
380
1.5
1.5

19
砂轮机
380
0.8
0.8

20
台钻
380
2.2
2.2

小 计

261.2
258.7
0.40
0.70
三
锅炉房

1
引风机
380
74.0
74.0

续表1.1 电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

2
鼓风机
380
30.0
30.0

3
引风机
380
15.0
15.0

4
鼓风机
380
3.0
3.0

5
热水采暖循环泵
380
22.5
22.5

6
循环泵
380
34.4
17.2

7
上煤机
380
4.5
4.5

8
补水泵
380
3.0
3.0

9
除渣机
380
4.5
4.5

小计

0.65
0.75
四
坑木加工房

1
木工带锯机
380
7.5
7.5

2
木工圆锯机
380
11.0
11.0

3
活动截锯机
380
4.5
4.5

4
万能刃磨机
380
1.5
1.5

5
自动带锯磨锯机
380
1.0
1.0

6
锯条辊压机
380
1.0
1.0

小 计

0.5
0.65
续表1.1 电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

五
生活用水供水系统

1
清水泵
380
22.5
15.0

2
消毒装置
380
0.6
0.6

3
排水泵
380
1.1
1.1

4
消防泵
380
74.0
37.0

5
深井泵
380
90.0
90.0

小 计

0.68
0.73
六
井下水处理站

1
消防泵
380
74.0
37.0

2
提升泵
380
12.0
8.0

3
排泥泵
380
3.0
1.5

4
污泥提升泵
380
3.0
1.5

5
污泥浓缩机
380
1.1
1.1

6
污泥输送泵
380
2.2
1.1

7
污泥切割机
380
9.0
9.0

8
污泥脱水机
380
22.0
22.0

小 计
380
126.3
81.2
0.50
0.70
续表1.1 电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

七
生活污水处理厂

1
回转式机械细格栅机
380
0.8
0.8

2
提升泵
380
2.2
1.1

3
地埋式污水处理装置
380
11.0
11.0

4
二氧化氯发生器
380
1.1
1.1

5
反冲洗泵
380
1.1
1.1

6
转输泵
380
2.2
2.2

小 计

0.65
0.75
八
热风炉房及空气加热室

1
引风机
380
44.0
44.0

2
鼓风机
380
150.0
150.0

3
轴流通风机
380
15.0
15.0

小 计

0.65
0.80
九
灯房、浴室、任务交待室

1
矿灯充电架
380/220
4.5
4.5

2
电动烘干机
380
7.5
7.5

续表1.1 电力负荷统计表
序号
负 荷 名 称
电压 V
设备容量
需用系数Kx
功率因数cosφ

总计 kW
工作 kW

3
轴流风机及照明
380/220
0.5
0.5

小 计

0.70
0.80
十
黄泥灌浆站
380
29.8
29.8
0.75
0.75
十一
架空乘人器
380
55.0
55.0
0.54
0.65
十二
综合办公楼（生活、室内外照明用电）
380/220
100.0
100.0
0.70
0.80
十三
副斜井提升机
10000
320.0
320.0
0.87
0.75
十四
通风机
660
880.0
440.0
0.84
0.80

地面工业场地合计

全矿井上下合计

计入同时系数

计入变压器及线路损耗

集中补偿

补偿后

2 负荷计算
2.1 负荷计算的目的
为一个企业或用电户电，首先要解决的是企业要用多少度电，或选用多大容量的变压器等问题，这就需要进行负荷的统计合计算，为正确地选择变压器容量与无功补偿装置、选择电气设备与导线、以及继电器保护的整定等提供技术参数。
负荷计算的目的是为了解用电情况，合理选择供配电系统的设备和元件，如导线、电缆、变压器等。负荷计算过小，则依此选用的设备和载流部分有过热的危险，轻者使线路和配电设备寿命降低，重者影响供电系统的安全运行。负荷计算偏大，则造成设备的浪费和投资的增大。为此，正确的负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
2.2 负荷计算方法
供电设计常用的电力负荷计算方法有需用系数法、二项系数法。需用系数法计算简便，对任何性质的企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际。公式简单，计算方便只用一个原始公式就可以表征普遍的计算方法。该公式对用电设备组、车间变电站乃至一个企业变电站的负荷计算都适用。但适用于设备台数比较多时，所以，当设备台数比较少时，应把需要系数偏大选。对不同性质的用电设备、不同车间或企业的需用系数值，经过几十年的统计和积累，数值比较完整和准确，查取方便，因而为我国设计部门广泛采用。
本设计采用需要系数法进行负荷计算，步骤如下：
2.2.1 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要系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。在一个车间中可根据具体情况将用电设备分为若干组，在分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为：
（2.1）
（2.2） （2.3）
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；
—功率因数角的正切值；
—需要系数。
2.2.2 多组用电设备组的计算负荷
在配电干线上或车间变电所低压母线上，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车间变电所低压母线的计算负荷时，应再计入一个同时系数。具体计算如下：
（2.4）
（2.5）
（2.6）
式中：、、—为低压母线的有功、无功、视
—同时系数；
m—该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备组总数；
同时， —分别对应于某一用电设备组的需要系数、功率因数角正切值、总设备容量；
2.3 负荷计算过程
2.3.1 各用电设备负荷计算
1、 用电设备分组，在实际工程的设计中，要由实际情况，比如地理位置而定，在本次设计中，按表格中的顺序确定。变电所本身由于安全性高于其他设备，分为一组。对于井下的负荷，由于比较复杂，在设计中，分为一组。对于井上的设备，两个10kV的提升机和输送机各自单列一组。而剩余的380V和660V的设备，在广义上是一个电压等级；由于800kVA的变压器很常见，而在统计了负荷表1.1中这一部分的负荷之后，有功功率为1294.7kW,假设后边选型为800kVA的变压器，那么很明显，分为两组是比较科学的。考虑到煤矿以后的扩建，又留下一组备用。这样，本次设计的七组负荷分配完毕，详见表格2.1。

表2.1负荷分组

组别序号
每组包括的设备
第一组
变电所本身的设备，比如照明
第二组
井下所有负荷
第三组
主斜井带式输送机
第四组
副斜井提升机
第五组
表1.1中地面一到七的设备
第六组
表1.1中地面七到十四的设备
第七组
备用
2、由表1-1查出各用电设备组的需要系数和功率因数，根据公式2-1计算出各用电设备组的计算负荷。
对主提升机=0.83，=0.70，=1.02因此