本科毕业论文---煤矿地面供电系统设计正文.doc

太 原 理 工 大 学毕 业 设 计（论文）任 务 书 第1页毕业设计（论文）题目：某F煤矿地面供电系统设计毕业设计（论文）要求及已知条件（资料）：要求：1按时完成毕业设计任务。2强调独立完成毕业设计任务，杜绝抄袭。3设计内容要求方案合理，各种参数处理、选取得当，计算正确。4设计说明书要求语言简练、文理通顺、字迹工整。 5图纸严格按工程图纸要求绘制。6完成5000字左右的相关英文资料的翻译。已知条件：某F有限责任公司下辖的甲煤矿和乙煤矿，井田相邻，两个井田均批准开采3、8、9、12、15号等五个煤层，井田面积共计11.884km2。根据两个矿井的实际情况，F煤炭有限责任公司决定对两个矿井的技术改造工程进行调整：关闭甲煤矿，将其0.30Mt/a的生产能力划归乙煤矿；集中改造乙煤矿，生产规模由0.45 Mt/a扩建至1.20 Mt/a。现需建设地面35/10kV矿井变电所一座，供电线路采用双回路35kV架空线。一回主供电源引自FA 110kV变电站，长度9.5km；另一备用电源线路引自FB 110kV变电站，长度2.77km。35kV母线最大短路参数Sdmax=450MVA,变电所距井下中央变电所1km.负荷统计见附表一。毕业设计（论文）主要内容： 概述；矿井负荷计算和无功功率补偿；地面35kv变电所主变压器的选择与校验；地面35kv变电所主接线方案确定；短路电流计算；地面35kv变电所一次设备的选择校验；地面35kv变电所二次回路方案的选择与继电保护的整定；地面35kv变电所的防雷与接地；井下中央变电所负荷计算与短路电流计算；第2页学生应交出的设计文件（论文）：1、 文献综述（单独成册）。2、 设计说明书一册。3、 5000字左右的相关英文资料翻译（附英文原稿）。4、 成绩评定表和答辩评定表一份。5、 设计的学生提供壹号图纸一张。主要参考文献（资料）：1.煤矿安全规程2011版2.矿山供电 李虎伟3.采矿工程设计手册4.煤炭工业矿井设计规范GB 502155.矿用电气设备选型手册6. 煤矿电气图专用图形符号MTT 57019967.煤矿井下供配电设计规范GB504178.煤矿电工手册（第二分册）。矿井供电（上）9.煤矿电工手册（第四分册）。专业班级 采矿1109 学生 邢雅龙 要求设计（论文）工作起止日期 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 某F煤矿地面供电系统设计摘要煤矿供电系统的安全可靠，对煤矿的安全，经济，高效生产有重要的意义。我的设计主要进行了煤矿地面35kV变电站的设计。设计内容主要包括负荷计算、主接线设计、短路电流计算、电气设备选择等。在做负荷统计时，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，对高压进线的速断保护和过流保护，10KV出线的速断保护和过流保护及主变压器的差动保护、过流保护和过负荷保护的整定值、动作时限及灵敏度进行了计算和校验，最终使继电保护达到最佳状态。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。主接线形式为35KV侧是单母线分段，10KV侧是单母线分段。两台主变压器采用分列运行方式。最佳运行方式为一路运行、一路备用。关键字：负荷计算; 变电站; 短路电流;运行方式 A Power Supply System Of The Ground F Design AbstractThe design of the preliminary design of the design of the Ground 35kV substation. The design process includes load calculation, the main wiring design, short circuit calculations, electrical equipment selection. Through Mine 35KV substation load statistics do with required load factor method to calculate, determine the stations main transformer station number, capacity and type of load calculation based on the results. With a unit value method of the power supply system of the short-circuit current calculation, for the selection and verification of electrical equipment to provide data. According to the characteristics of coal mine power system, develop a mine substation main connection mode, operation mode, relay protection scheme. Which side is the inner bridge connection 35KV, 10KV main connection is a single mother segments. Two main transformer breakdown operation mode. And according to the current setting and check relevant data and choose the circuit breakers, isolation switches, relays, transformers and other electrical equipment.Keywords: load calculation; substation; protection; Run 目 录某F煤矿地面供电系统设计I摘要IAbstractII目 录III第一章 概述11.1 矿井地面供电设计目的11.2 矿井地面供电设计一般步骤11.3 矿井供电设计原始资料2第二章 全矿负荷统计32.1 负荷计算的目的32.2 负荷计算方法32.3 负荷计算过程42.4 全矿井上下合计122.5无功补偿计算及电容器柜选择12第三章 主变压器的选择133.1 变压器的选取原则143.2 变压器选择计算143.3 变压器损耗计算153.3 变压器的经济运行分析15第四章 地面供电系统的接线方案194.1地面供电系统的拟定原则194.2地面供电系统图20第五章 短路电流计算235.1 短路电流计算的目的235.2 短路电流计算中应计算的数值235.3 三相短路电流计算的步骤235.4短路电流计算过程245.5 最大运行方式265.6最小运行方式28第六章 供电线路的选择296.1电缆选择原则306.2 10kV架空线的选择326.3 35kV电缆以及架空线的选择34第七章 电气设备的选择357.1电气设备的选择原则357.2 35kv开关柜的选择367.3 断路器的校验377.4 电流互感器的校验387.5 电压互感器的选择387.6 10kv开关柜的选择387.7 断路器的校验407.8 电流互感器的校验40第八章 继电保护方案的初步拟定418.1 变电所各断路器过流保护的设置与配合418.2 QF4、QF5断路器上保护的设置与配合428.3 各10KV低压馈出线断路器的设置与配合428.4 10KV联络开关（QF8）的保护设置与配合。428.5 变压器的保护设置43设计总结43致谢语44参考文献45Safety of mine supply46矿山供电的安全性研究54III第一章 概述 在矿山的生产过程中，电力是现代化采矿工业的主要动力，在采矿实践中占有极其重要的地位。由于煤矿井下工作的特殊性，对煤矿供电提出了很高的要求，这些要求是： 1、供电可靠 所谓供电可靠，就是要求供电不间断。一旦煤矿供电中断，将会给煤矿人身及财产安全带来严重威胁。煤矿安全规程规定：矿井应有两回路来自不同变电所的电源线路，当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷。 2、供电安全井下供电容易导致触电或由电火花引起的瓦斯煤尘爆炸等事故，所以，必须采取一系列技术措施，制定严格的管理制度，保证安全供电。 3、供电质量良好 对煤矿供电，不但要求电能数量满足生产需要，而且要求供电电能质量良好：即频率波动范围不得超过额定频率的0.5赫兹，电压波动范围不得超过额定电压的5%。 4、供电经济 煤矿供电设备耗电量很大，如果供电系统设计不合理，电器设备使用不当，会造成功率因数降低，线路损耗加大，使生产成本上升。因此，保证煤矿供电的经济性意义重大。1.1 矿井地面供电设计目的能对矿井供电系统有个更深入的了解，应用煤矿井下供电理论知识具体解决一些井下供电的技术问题。培养供电设计应用基本能力，并学习供电系统运行和设备维护与管理等知识。巩固和扩展知识领域，培养严肃认真的科学态度，提高独立工作的能力。1.2 矿井地面供电设计一般步骤1. 负荷计算2. 改善功率因数装置设计3. 主变压器的台数及容量选择4. 全矿总降压变电所主接线设计5. 矿区高压配电系统设计6. 全矿供、配电系统短路电流计算7. 变电所高、低压侧设备选择1.3 矿井供电设计原始资料 现需建设地面35/10kV矿井变电所一座，供电线路采用双回路35kV架空线。一回主供电源引自FA 110kV变电站，长度9.5km；另一备用电源线路引自FB 110kV变电站，长度2.77km。35kV母线最大短路参数Sdmax=450MVA,变电所距井下中央变电所1km.第二章 全矿负荷统计2.1 负荷计算的目的 为一个煤矿企业进行供电设计，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和计算，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 负荷计算方法本供电设计采用的电力负荷计算方法是需用系数法。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。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：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： kW （2-1） kvar （2-2） kVA （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，由表查得。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、为配电干线式变电站低压母线的有功、无功、视在计算负荷；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；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 各用电设备组负荷计算 用电设备分组，由表确定各组用电设备的总额定容量。 由表查出各用电设备组的需要系数和功率因数，根据公式计算出各用电设备组的计算负荷。（1）对主提升机 =0.86，=0.85，=0.62 P=630KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA； （2）对材料斜井绞车 =0.75，=0.80，=0.7 P=400KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA；（3）主斜井皮带辅助设备 =0.70，=0.70，=1.02 P=29KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA；（4）材料斜井绞车房 =0.7，=0.7，=1.02 P=56KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA； 表2-1 主斜井配电符合统计表序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1主斜井提升机0.860.850.62541.8335.9637.42材料斜井绞车0.750.800.753002253753主斜井皮带辅助设备0.70.71.0220.320.7294材料斜井绞车房0.70.71.0239.240.056.0总计0.9901.3621.61097.4 （1）对回风斜井主风机 =0.93，=0.85，=0.62 P=950KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA； （2）对皇后风井主风机 =0.93，=0.85，=0.62 P=4、1500KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA； （3）对程庄风井压风机 =0.75，=0.85，=0.62 P=280KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；视在功率 kVA； （4）皇后风井压风机 =0.75，=0.85，=0.62 P=280KW 则;有功功率 kW；无功功率 kvar；序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1回风斜井主扇风机0.930.850.62888.3547.81039.42皇后风井主扇风机0.930.850.621395.0864.91641.23程庄风井压风机0.750.850.62210.0130.2247.14皇后风井压风机0.750.850.62210.1130.2247.1总计0.912698.51673.13174.8视在功率 kVA； 表2-2 风机配电符合统计表 （1）副井井口及平车场 =0.7，=0.7，=1.02 P=60KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（2）主井地面生产系统 =0.7，=0.7，=1.02 P=115KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（3）锅炉房 =0.7，=0.75，=0.88 P=335KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（4）热风炉及空气加热设备 =0.75，=0.75，=0.88 P=142KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（5）机电修理车间 =0.3，=0.65，=1.17 P=196KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（6）渔场取水泵房 =0.8，=0.85，=0.62 P=132KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA 表2-3 车间配电负荷统计表序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1副井井口及平车场0.70.71.0242.042.860.02主井地面生产系统0.70.71.0280.582.1115.03锅炉房0.70.750.88234.5206.4312.74热风炉及空气加热设备0.750.750.88106.593.7142.05机电修理车间0.30.651.1759.169.190.96渔场取水泵房0.80.850.62105.665.5124.2总计0.92505.7434.7669.8（1）皇后风井生活泵房 =0.8，=0.8，=0.75 P=3KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA（2）生活污水处理设备 =0.7，=0.75，=0.88 P=19.7KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA同理可得其他设备的数据如表格所示序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1皇后风井生活泵房0.80.80.752.41.83.82生活污水处理设备0.70.750.8813.812.118.43井下水处理车间0.70.71.0218.318.626.14煤泥泵房0.750.750.884.13.65.55空气加热室0.750.750.8817.315.223.06联建行政福利0.30.80.7529.722.337.17煤样化验室0.60.80.757.85.99.88皇后风井生活泵房0.800.800.752.41.83.0总计0.995.881.3125.9 表2-4 生活配电符合统计表 （1）瓦斯抽放泵 =0.7，=0.75，=0.88 P=220KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA （2）瓦斯抽放泵 =0.7，=0.75，=0.88 P=800KW 则;有功功率 kW； 无功功率 kvar； 视在功率 kVA 表2-5 瓦斯抽放泵站 序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1瓦斯抽放泵0.70.750.88154.0135.5205.32瓦斯抽放泵0.70.750.88560.0492.8746.7总计0.92714.0628.3752.0序号负 荷 名 称需用系数Kx功率因数cos tg 有功（kW）无功(kvar)视在(KVA)1地面照明1.00.90.4810048111.1同理可得 表2-6 地面照明负荷统计表 序号负 荷 名 称电压（kV）设备数量（台）设备容量（千瓦）需用系数Kx计算容量备注全部工作全部工作有功（kW）无功(kvar)视在(KVA) 1井下负荷0.66206 175 10215 8618 0.925033.9 4844.7 7008.8 2主斜井配电101510187411150.9901.3621.61097.4 3风机配电1084602030100.91 2698.51673.13174.8 4车间配电0.388378123212810.92505.7434.7669.8 5生活配电0.3849462301810.958.353.179 6办公配电0.384413130.937.528.246.9 7瓦斯抽放泵站1053164010200.92714.0608.3752.0 8地面照明0.22 100100110048111.1表2-7电力负荷统计表2.4 全矿井上下合计取同时系数K=O.9 （2-7）无补偿时功率因数为：2.5无功补偿计算及电容器柜选择(1)无功补偿计算当采用提高用电设备自然功率因数的方法后，功率因数仍不能达到供用电规则所要求的数值时，就需要增设人工补偿装置。在工矿企业用户中，人工补偿广泛采用静电电容器作为无功补偿电源。用电力电容器来提高功率因数时，其电力电容器的补偿容量用下式计算： （2-8） 式中平均负荷系数， 补偿前功率因数角的正切值； 补偿后要达到的功率因数角的正切值；本设计要求功率因数达到0.9及以上。假设补偿后10kV侧功率因数，取0.82，则所需补偿容量由公式计算得：kvar （2-9）(2)电容器柜的选择及实际补偿容量计算本设计采用高压集中补偿方式。因矿井地面变电所10kV母线为单母分段接线，故所选电容器柜应分别安装在两段母线上，即电容器柜数应取偶数。现选用GJZK-1-03型高压静电电容柜，每柜安装容量360kvar，据此可计算出电容器柜的数量为： 取偶数 N=10则 实际补偿容量为： kvar折算为计算容量为： kvar补偿后10kV母线侧总计算负荷及功率因数校验功率补偿后10kV侧有功功率 kW无功功率 （2-10）代入数据得 大于0.9 满足要求。补偿后的无功功率 因此kva 第三章 主变压器的选择3.1 变压器的选取原则选择主变压器需要根据其使用环境条件、电压等级及计算负荷选择其形式和容量。变电所的容量是由其装设的主变压器容量所决定的。从供电的可靠性出发，变压器台数是越多越好。但变压器台数增加，开关电器等设备以及变电所的建设投资都要增大。所以，变压器台数与容量的确定，应全面考虑技术经济指标，合理选择。当企业绝大多数负荷属三级负荷，其少量负荷或由邻近企业取得备用电源时，可装设一台变压器。如企业的一、二级负荷较多，必须装设两台变压器。两台互为备用，并且当一台出现故障时，另一台能承担全部一、二及负荷。特殊情况下可装设两台以上变压器。例如分期建设大型企业，其变电站个数及变压器台数均可分期投建，从而台数可能加多。3.2 变压器选择计算按第二章计算出来的计算负荷进行用电负荷分析，根据分析结果选择变压器容量及台数。其计算计算过程如下：1、用电负荷分析 一级负荷：包括副提升机、主扇风机、井下主排水泵各项，占全矿总负荷的33.6%。 二级负荷：包括主提升机、压风机、选煤厂、地面低压（生产负荷占75%）、一采区、二采区、井底车场各项，占全矿总负荷的48.8%. 三级负荷：包括矿综合厂、机修厂、地面低压负荷的15%、工人村、支农各项，占全矿总负荷的17.6%。2、 根据矿井主变压器的选择条件，一般选两台，当一台故障停运时，另一台必须保证一、二级负荷的用电。在上述分析中一、二级负荷占全矿总负荷的82.4%，当两台变压器中一台停止运行时，另一台必须保证82.4%的正常供电，再考虑将来的发展情况，矿井不断延伸，负荷不断增加，故选用两台S7-12500-/35型铜线双绕组无励磁调压变压器，其技术参数如表3-1所示： 表3-1 主变压器技术参数型号S7-12500-/35容量(kVA)12500连接组别Y,d11电压38.5 10.5阻抗电压 8空载电流0.7损耗（kW）空载16.0负载63.0两台主变压器采用分列运行方式，备用方式为暗备用。3.3 变压器损耗计算根据公式2-3计算主变压器各项损耗空载无功损耗： （3-1） 则 有功损耗： kW； （3-2）无功损耗： kvar； （3-3） 总的有功计算符合总的无功计算符合 （3-4）数据代入cos=P/S得到功率因数cos=0.92 大于0.9 所以所选择的主变压器符合设计要求3.4 变压器经济运行分析方法 （1）无功功率经济当量的概念 电力系统的有功损耗，不仅仅与设备的有功功率损耗有关，而且还与设备的无功功率损耗有关，这是由于设备消耗的无功功率，也是由于电力系统供给得到的。由于无功功率的存在，使系统中的电流增大，从而使得电力系统的有功功率损耗增加。 为了计算电气设备的无功功率损耗在电力系统中引起的有功功率损耗，引入一个换算系数K，称为无功功率经济当量。它表示当电力系统输送1kvar的无功功率时，在电力系统中增加的有功功率损耗千瓦数，单位是KW/kvar。 无功功率经济当量Kec的值与输电距离、电压变换次数等因素有关。 对于工矿企业变，配电所 Kec=0.020.1 对于发电机直配用户 Kec=0.020.04 对于经两级变压的用户 Kec=0.050.07 对于经三级及以上变压的用户 Kec=0.080.1（2）变压器的经济运行 变压器的有功功率损耗是变压器运行时自身的损耗，而变压器的无功功率损耗会引起系统有功功率损耗的增加。因此，应将变压器的无功功率损耗换算成等效的有功功率损耗。然后，计算变压器运行时总的功率损耗。当变压器运行时的功率损耗最小时，运行费用最低，此时变压器的运行方式即为经济运行方式。 单台变压器运行时其功率损耗可按下式计算： （3-5） 式中 Kec无功功率经济当量，KW/kvar； Sa.c变电所的负荷容量（此时为变压器的实际负荷容量），KVA； 两台同容量变压器并联运行时，其总运行功率损耗应为此时单台变压器运行损耗的2倍。同理，当n台同容量变压器并联运行时，其总运行功率损耗为此时一台变压器运行损耗的n倍，即 （3-6） 由于本设计中要求两台变压器一用一备，所以每台变压器的容量都应大于全矿计算负荷，因此，此处在对变压器经济运行分析时，应按照单台变压器运行时功率损耗计算，其中Kec取0.09可得： （3-7）=23.25+0.09232.8=44.202KW变压器的经济运行：根据负荷的变化情况，调整变压器的运行方式，使其在功率损耗最小的条件下运行，称为变压器的经济运行。 对于单台运行的变压器，要使变压器运行经济，就必须满足变压器单位容量的有功功率损耗换算值P1/S最小。令,可求得单台变压器的经济负荷Sec为： （3-8） 单台变压器运行时的经济负荷率ec为： （3-9）式中 Sec经济运行临界容量，KVA; SN.T变压器额定容量，KVA； P0变压器空载有功损耗，KW； Q0变压器空载无功损耗，kvar； PNT变压器满载有功损耗，KW； QNT变压器满载无功损耗，kvar； Kec无功功率经济当量，大型矿井一般取Kec=0.09。变压器功率损耗P1与变压器负荷S的关系曲线： P P P A O Scr S图3-2 变压器经济运行的临界负荷 图中，P为一台变压器运行的损耗；P为两台变压器并联运行时的损耗。由图可见，两条曲线的交点A所对应的负荷Scr就是变压器经济运行的临界负荷。 由图3-2可以看出：当SScr时，因PScr时，因PP,两台变压器运行经济。 当S=Scr，则P=P，即 由此可求得两台变压器并联经济运行的临界负荷Scr为： 当一台变压器运行与两台同容量变压器并联运行损耗相同时，称ec为一台变压器