毕业设计-年产为180万吨煤矿地面变电所设计.doc

年产为180万吨煤矿地面变电所设计
年产为180万吨煤矿地面变电所设计
摘 要
本设计根据年产为180万吨煤矿的电力负荷的资料，做出了该矿的60kv总降压变电所的整体设计，包括负荷计算及无功补偿，系统主接线方案的选择，高压电气设备的选择，短路电流的计算对所选的高压电气设备的校验，继电保护的设计，防雷及接地的设计等，本设计以实际负荷为依据，以变电所最佳运行方式为基础，按照有关规定和规范，做出了满足该矿生产需求的设计。设计中先对负荷进行了统计和计算，选出了所需主变压器的型号，然后根据负荷性质及对供电可靠性要求拟定主接线设计，考虑到短路电流对系统的严重影响，设计中进行了短路电流计算。设计中还对主要的高压设备做出了选择和计算，如断路器，隔离开关，电压互感器，电流互感器等。此外还进行了继电保护以及防雷保护的设计与计算，提高了整个变电所的安全性。
关键词：60kv 变电所 负荷计算 主接线设计 短路电流计算 高压电气设备选择 继电保护

ABSTRACT
This design according to the mine power load material make the attained general voltage 60kv substation design specification of the overall design including load calculation and reactive compcnsation,system of main wiring schemse choose ,high voltage electrical equipment choice.the calculation of short-circuit current and of selected high votage electrical equipment calibration relay protection design lightning protection and grounding design .etc.This design to the actula load as the basis the best operation way in substation based in accordance with the relevant regulations and atandard make a meet, the design of mine produetion requiremants.
Design the firt to load to seleat the statistical and computational got the main transforner models,and then based on the load properties and worked on the power supply reliability require ments considering the Lord wiring design the serious influence of system short cicuit design the short circuit calculation .Design of high pressure of the main eletrical eqquipment selection and caculation such as breaker isolating suitch .voltage transformer current transformer ,etc.In addition also carried out the relay protetion and lightion protection design and calcutation improve the security of the whole substation .
Keywords: 60kv substation ；Lord calculation;Lord wiring design ；short-cicuit current calculation;Electrical equipment selection ;Relay protection

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1选题的意义 1
1.2国内外发展情况 1
1.3原始资料分析 3
1.3.1 设计题目及原始资料 3
1.3.2 本设计的指导思想 4
1.3.3 设计内容 4
第2章 负荷统计主变压器的选择 7
2.1 负荷来源 7
2.2负荷统计与负荷计算 7
2.3主变压器选择 12
2.3.1无功功率补偿 12
2.3.2主变的选择 15
2.3.3变压器的经济运行问题 16
第3章 地面供电系统的设计 18
3.1变电所位置的选择 18
3.1.1变电所位置选择的条件 18
3.2 变电所电源结线的确定 18
3.2.1一次结线二次母线及配出线的结线 18
第4章 短路电流的计算 20
4.1 计算短路电流的目的和任务 20
4.2 短路点的选择 20
4.3 短路电流的计算 22
4.4 短路计算结果 27
第5章 变电所高压电气设备选择 28
5.1 概 述 28
5.2 60千伏设备的选择 29
5.2.1 60kv隔离开关的选择 29
5.2.2 60KV油断路器的选型 30
5.2.3 互感器及其选择 31
5.2.4 变电所母线装置的选择 32
5.3 6KV电气设备的选择 34
5.3.1 6kv进线柜的选择 34
5.3.2 6KV联络柜的选择 37
5.3.3 6KV电压互感器柜选择 38
5.3.4 6KV配出柜的选择 38
5.3.5 补偿电容器控制柜的选型 39
5.3.6 变电所用电柜的选择 39
5.3.7 6KV母线的选择 39
5.3.8 6KV配出线的选择 40
5.3.9 高压穿墙管的选择 41
5.4母线支柱绝缘子的选择 42
5.4.1 护外支柱绝缘子的选择 42
5.4.2 户内支柱绝缘子的选择。 42
5.5 60kV及6kV输电线路的选择与敷设 42
5.5.1 导线材料的选择 42
5.5.2 绝缘子的选择 42
5.5.3 金具的选择 43
5.5.4电杆的选择 43
5.5.5 架空线路的敷设 43
第6章 继电保护的规划设计 44
6.1继电保护的概述 44
6.2主变保护和整定 44
6.2.1 本变电所对主变压器采用如下保护： 44
6.2.2 主变压器保护的接线方式 44
6.2.3 保护装置的选择 44
6.2.4 主变保护装置的整定计算 45
6.3 60KV线路保护计算 48
6.3.1 60kV线路保护 48
6.3.2 6kV配出线路保护计算 49
6.4 6kV系统漏电保护 51
6.4.1 漏电保护装置 51
6.5 6kV电力电容器的保护 52
6.6 6kV母线联络柜保护原理及整定 54
6.6.1 保护装置的装设原则 54
6.6.2 保护装置的接线方式 54
6.6.3 保护装置的整定计算 54
第7章 防雷保护与安全接地规划设计 56
7.1过电压的原因及危害 56
7.2 防直击雷的保护 56
7.2.1 防直击雷的措施 56
7.2.2 避雷针的高度及位置的确定 57
7.2.3 作避雷针保护范围平面图 58
7.2.4 内过电压的抑制 58
7.2.5 对60kV进线段的保护 58
7.3 对雷电入侵波的防护 58
7.4 接地措施 59
7.4.1保护接地 59
7.4.2 接地装置的敷设 60
7.4.3 接地电阻的计算 60
7.5避雷针的设计 61
第8章 变电所室内外配电装置的设计 62
8.1室内外概况 62
8.2室内布置 63
结 论 64
致 谢 65
参考文献 66

67

Directory
Abstract（chinese） Ⅰ
Abstract Ⅱ
Chapter 1 Intertuction 1
1.1 The significance of topic selection…………………………………………… 1
1.2 Development situation at home and abroad 2
1.3 Analysis the original data 3
1.3.1 Design subject and raw materials 3
1.3.2 The design guiding ideology 4
1.3.3 Design content 4
Chapter 2 The selection of main transformer load statistics 7
2.1 Source load 7
2.2 The load statistics and load calculation 7
2.2.1 Demand factor method to calculate the load 7
2.2.2 Safety load and statistics of production load 8
2.2.3 The ground substation capacity calculation 8
2.3 The choice of the main transformer 12
2.3.1 Reactive power compensation 12
2.3.2 The choice of the main transformer 15
2.3.3 Transformer economic operation problem 16
Chapter 3 Ground power supply system design 18
3.1 Substation location choice 18
3.1.1 Substation location choice conditions 18
3.2 Determination of substation power supply connection 18
3.2.1 Substation main connection and with wire connection 18
Chapter 4 The calculation of short-circuit current 20
4.1 The purpose of calculation of short circuit current and tasks 20
4.2 Short circuit point selection 20
4.3 The calculation of short-circuit current 22
4.4 Short circuit calculation results 27
Chapter 5 substation high voltage electrical equipment selection 28
5.1 Above 28
5.2 60 kV equipment selection 29
5.2.1 60 kV disconnecting switch selection 29
5.2.2 60 kV oil circuit breaker selection 30
5.2.3 Requires transformer and selection 31
5.2.4 Substation busbar installation options 32
5.3 6 kV electrical equipment choice 34
5.3.1 6 kV line into the cabinet 34
5.3.2 6 kV contact tank 37
5.3.3 6 kV voltage transformer cabinet choices 38
5.3.4 6 kV distribution out of choice 39
5.3.5 Compensation capacitor in the selection of control cabinet 39
5.3.6 Substation electricity cabinet choices 39
5.3.7 6 kVbusbar selection 40
5.3.8 6 kV distribution line choice 41
5.3.9 High-voltage through walls 42
5.4 Busbar selection of post insulator 42
5.4.1 Pillar insulator option 42
5.4.2 Indoor post insulator choice 42
5.5 60 kv and 6 kv transmission line selection and installation 43
5.5.1 Conductor material choice 43
5.5.2 Insulator choice 43
5.5.3 The choice of hardware 43
5.5.4 The choice of the pole 43
5.5.5 Overhead line laying 43
Chapter 6 The relay protection planning and design 44
6.1 Overview of relay protection 44
6.2 Main transformer protection and setting 44
6.2.1 The substation protection for main transformer used as follows 44
6.2.2 The connection mode of the main transformer protection 44
6.2.3 Protection device of choice 44
6.2.4 Main transformer protection setting calculation 45
6.3 60 kV line protection is calculated 48
6.3.1 60 kV line protection 48
6.3.2 6 kV distribution line protection calculation 49
6.4 6 kV system leakage protection 51
6.4.1 Leakage protection device 51
6.5 Protection of 6 kV power capacitor 52
6.6 6 kv busbar contact tank protection principle and setting 54
6.6.1 Installed principles of protective device 54
6.6.2 The connection mode of protection device 54
6.6.3 Protective device setting calculation 54
Chapter 7 Grounding lightning protection and security planning and
design 56
7.1 Reason and harm of the overvoltage 56
7.2 Prevent direct lightning protection 56
7.2.1 Lightning prevention measures 57
7.2.2 The height of the lightning rod and the determination of position 57
7.2.3 Lightning rod protection plan 58
7.2.4 The over-voltage suppression 58
7.2.5 For 60 kv line protection 28
7.3 Protection of the lightning invasion wave 58
7.4 Grounding measures 59
7.4.1 Protective earthing 60
7.4.2 Laying grounding device 60
7.4.3 Grounding resistance calculation 60
7.5 Grounding lightning rod 61
Chapter 8 Substation indoor and outdoor decorating 62
8.1 Indoor and outdoor 62
8.2 Indoor decorate 63
Conclusion 64
Acknowledgements 65
References 66

第1章 绪 论
1.1选题的意义
电力是当今世界使用最为广泛，地位最为重要的能源。变电所是电力系统在实际运用中的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。变电所是电力系统的枢纽，在生产和生活中占有特殊重要的地位。
电力系统的运行要求安全可靠，电能质量高，经济性好，便于扩建。但是电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖地域辽阔，因此，受自然条件，设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常的运行状态。故障中最常见，危害最大的是各种形式的短路。为此，需要安装各种形式的的保护装置，用分层控制方式实施安全全监控系统，对包括正常运行在内的各种运行状态实施监控，以确保电力系统安全正常且更好的运行。
因此，矿区供电设计，应根据煤矿电力负荷的分布和发展情况，结合地区的电力规划，合理确定供电电源，电压等级，供电方式，矿区变电所的位置和建设的顺序，并留有发展余地。所以，设计一个符合矿山时间情的变电所就变得尤为重要。
本设计为年产180万吨煤矿地面变电所电气部分的设计，分析变电所所在的位置和变电所将要承担的供电任务，来确定变电所的主接线，通过负荷计算确定主要变压器的台数，容量及型号，根据短路计算的结果，对变电所的一次设备进行了选择和校验，同时完成配电装置的布置，防雷保护及接地装置方案的设计，最后进行有效的系统保护，最终完成本设计的终极目标，即为与年产为180万相近煤矿提供安全，可靠，经济的供电任务。
1.2国内外发展情况
电力业是国民经济的重要部门之一，是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门的快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。
随着智能电网概念的提出.对变电站技术提出了进一步的要求:通过全网运行数据分层分级的广域实时信息统一断面采集，实现变电站智能柔性集群及自协调区域控制保护，支撑各级电网的安全稳定运行和各类高级应用;设备信息和运维策略与电力调度实现全面互动，实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理:变电站主要设备逐步实现智能化，为坚强实体电网提供坚实的设备基础;在全面实现数字化变电站的基础上，进一步拓展变电站自动化系统的功能，逐步向智能化变电站转变。1傲宇化变电站技术特点数字化变电站的技术核心是数字化的一次设备和网络化的二次设备，在过程层、间隔层及站控层上，按照国际标准工Ec61850，实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享互操作过程。数字化的一次设备。数字化一次设备包含电子式互感器、智能开关、以及站内其它智能设备。通过实现设备的就地数字化，实现了一、二次系统在电气上的有效隔离，增大了电气量的动态测量范围并提高了测量精度，实现了从常规变电站的装置冗余向现代变电站的信息冗余的转变、并为信息集成化应用提供了坚实的基础。
近年来随着我国经济的持续飞速发展，电力需求在不断增加，电力行业作为国民经济命脉，对现代化建设所体现出的重要性越来越明显，因此对变电站内各类主要设备运行和人员操作都提出了更高的要求，保证供电系统的安全运行已经成为电力管理部门的首要任务。在现代化的供电系统中，变电所管理的网络化、数字化和自动化是电力发展要求的必然趋势，变电所的无人值守、综合管理和安全管理是电网现代化的必由之路。变电站综合自动化和变电站无人
值班技术是变电站监控和保护发展的主流和必然趋势。随着无人值守变电站管理模式的全面推广，在监控中心通过现有的电力通信网对所属变电站实现远程实时视频监控、远程故障和意外情况告警接收处理，可提高变电站运行和维护的安全性及可靠性，并可逐步实现电网的可视化监控和调度，使电网调控运行更为安全、可靠。远程视频监控系统最基本的目的是将变电站的各个监视点，如主控制室的设备运行情况、主变、断路器、隔离刀闸等的运行状态实时图像、防火防盗等智能设备报警信息传输到监控中心，监控人员可通过实时图像和远动信息对变电站的运行情况进行综合监控、分析。为加强对重要变电站及无人值守变电站的监视，非常有必要建立安全防范、环境监控系统，对各变电站全站现场进行监视。南京南自信息技术有限公司自主设计开发了适应变电站视频监控的多种数字安防监控设备和系统软件平台，广泛应用于国内电网的几千个变电站（750KV、500KV、220KV、110KV、66KV、35KV各电压等级均有成功案例）。随着IEC61850标准的推广应用，数字化变电站概念已在工程中获得实践，全国已建成一定数量的数字化变电站。同时我国智能电网的研究已经启动，作为电网重要组成部分，数字化变电站领域的研究和试点工作也将为智能电网的发展打下基础， 变电站安防系统将会按照数字化变电站、变电站无人值班发展趋势不断演进。
1.3原始资料分析
1.3.1 设计题目及原始资料
设计题目：年产180万吨煤矿地面变电所电气部分的设计
1.煤矿概况
煤田储量18670万吨，可采储量3367万吨，全矿年生产能力：180万吨，生产能力6000吨，服务年限：一井28年，二井116年。工作制：年工作日为300天，每天三班作业，采煤两班作业，一班准备，掘进三班作业。
2.地质及气候条件
该变电所它的土质属较为松散的黄土，距地表1米以下，土质比较结实，距地表2-3米的黄土更为密实，地基承载能为≥20吨/m3，因此，可以看出变电所地质条件很好，通过“变电所初步设计说明”知其自然气候如下：
最低气温为-37oC；最高气温为38oC；最大风速为34米/秒；最大降雨量500毫米土壤冻结深度2.2-2.4米；最大雷厚度0.5米；复水厚度10毫米；主导风向，西南风；地震列度6以上;没发生过大地震;最大雷电日20日
3. 矿井用电负荷特点
本矿用电负荷主要是地面高压，地面低压，井下高压及井下低压，本矿区电力分三级：一级用户如矿井主通风机，主要提升设备，主排水设备，对这
负荷采用不同电源的两回路进行供电；二级用户如煤矿集中提煤设备，地面空气压缩机以及向采区工作面供电的采区变电所等，对这类负荷采用双回路供电；三级用户，如井口机修厂及生活福利设施等，对这类负荷只设一回路供电。
1.3.2 本设计的指导思想
本设计的设计依据主要是根据《设计规范》、《煤矿安全规程》、《煤矿供电》、《电力工程设计手册》、《煤矿电工手册》、《变压器经济运行》、《煤炭工业设备手册》、《工厂常用电气设备手册》、《高压开关柜二次线路方案》、《工厂配电设计手册》、《全国供用电规则》等书籍，并在指导教师高柏臣老师的精心指导下设计完成的。指导思想是：保证本设计在供电方面达到如下要求：（1）供电可靠；（2）供电安全；（3）经济技术合理；（4）设备更新，以满足矿井正常生产的需要。
1.3.3 设计内容
1.矿井设计指标
煤田储量18670万吨，可采储量3367万吨，全矿年生产能力：180万吨，日生产能力6000吨，服务年限：一井28年，二井116年。工作制：年工作日为300天，每天三班作业，采煤两班作业，一班准备，掘进三班作业。
2.设计原始数据
VJ1=63KV
VJ2=6.3KV
SJ=100MVA
(1) 负荷统计：见表1.1
(2) 供电电源：
上级电源母线短路阻抗（标准值）：基准值0
最大运行方式：Xmax=0.55098
最小运行方式：Xmin=0.883
通过甲乙两回架空线供电，甲线距矿区工业广场为25里，乙线距矿区工业广场为30公里，变电所6000伏侧见图1.1供电系统图，按无穷大系统计算。
3.设计要求：
(1)负荷统计：主变的选择主结线的确定
(2)短路电流的设计
(3)高压电气设备的选择
(4)继电保护装置的整定
(5)防雷保护及保护接地
(6)必须完成的图纸：
①变电所主结线系统图
②变电所平面布置图
③主变保护原理图
④防雷及保护接地平面布置

K1

K4

K5

K6

K2
K3一井中央变
二井中央变电所
一井风井
二井风井

图1.1 供电系统图
第2章 负荷统计主变压器的选择
2.1 负荷来源
本矿电气负荷统计是根据老师所下任务的设备负荷表来进行的，统计表见1.1表。
2.2负荷统计与负荷计算
本设计变电所负荷计算，力求准确可靠，并考虑到矿井负荷的发展远景，利用需用系数法以及附表格形式进行矿变电所的负荷统计，考虑到后几章的继电保护整定，架空线路，电缆选择等，一般按生产环节分组进行。
1.需用系数法计算负荷
（1）单一负荷需用系数
（2-1）
式中：Kx-用电设备的需用系数
P-实际负荷 （KW）
PO-设备的额定容量（KW）
η-设备实际负荷时的效率
ηb-线路效率一般取0.9~0.95
（2）成组负荷需用系数
Kx= （2-2）
式中：Kt-设备同时系数 Kt=
Kf-该组设备的负荷系数
ηL-线路效率
ηpj-同时工作设备的加权平均效率
以下以水泵为例计算容量：
己知：水泵的工作容量为850千瓦，需用系数取0.85
cosφ=0.85 tanφ=0.62
计算：有功功率：PM=KX·PN=0.85×850=723KW
无功功率：QM=tanφ·PM=0.62×723=448KW
视在功率：SM=
2.安全负荷与生产负荷的统计
（1）安全负荷：主扇风机，主排水，副井提升，累计负荷5241KW占全矿总负荷18073.5KW的29%。
（2）生产负荷：吊挂皮带，压风机，采煤输送机，空气加热，装储设备等。累计负荷：9302KW占全矿总负荷18073.5KW的51%。
（3）其它负荷累计：其它负荷共计3530.5KW占全矿负荷18073.5KW的20%。3.地面变电所的总容量的计算
PZ=（P1j+P2j+P3j+……Pnj）·Ksp
QZ=（Q1j+Q2j+Q3j+……Qnj）·Ksp
Ksp 、Ksq-各组用电设备最大负荷不可能同时出现的组间最大负荷同时系数，
组数越多其值越小，一般取Ksp =0.85~0.95, Ksq=0.97。
变电所的功率因数为　cosφ=
总的有功功率：PZ=18073.5×0.9=16266.2KW
总的无功功率：QZ=11087.1×0.95=10532.7（KVAR）
总的视在功率：Sz=
全矿自然功率因数：cosφz= = =0.839

表1.1 负荷统计表
序号
用电设备名称
电动机型式
电
压
设 备 容 量
计 算 系 数
计 算 负 荷
总容量KW
工作容量
kc
cosφ
tanφ
P(KW)
Q(KVAR)
S(KVA)

一 井

1
一井主提升吊挂皮带
绕线
0.66
188
188
0.75
0.7
1.02
141
144
201
2
一井副提升绞车
绕线
6
380
380
0.8
0.85
0.62
304
188
358
3
压 风 系 统
同步
0.38
664
527
0.85
0.8
0.75
422
-316
527
4
通 风 系 统
绕线
0.38
260
130
0.88
0.84
0.65
114
74
136
5
一 井 主 排 水
绕线
6
1700
850
0.85
0.85
0.62
723
448
850
6
井 底 车 场
绕线
0.66
121.4
66.4
0.7
0.7
1.02
46.5
47
66
7
一采区生产负荷系统
绕线

1950
1303.4
0.6
0.7
1.02
782
792
1117
8
一井排矸系统
绕线

191
191
0.7
0.75
0.88
134
118
179
9
一井原煤上仓系统
绕线
0.38
52
52
0.6
0.7
1.02
31
32
45
10
与二井公用地面系统
绕线
0.38
329.5
250
0.6
0.7
1.02
150
153
214

表1.1（a）
序号
用电设备名称
电动机型式
电
压
设 备 容 量
计 算 系 数
计 算 负 荷
总容量KW
工作容量
kc
cosφ
tanφ
P(KW)
Q(KVAR)
S(KVA)
11
选煤 厂
绕线
0.38
630.2
460.2
0.6
0.7
1.02
276
282
394
12
广场及生活区锅炉
绕线
0.38
388.1
373.3
0.6
0.75
0.88
224
197
298
13
矿 灯 房
绕线
0.38
181.7
166
0.6
0.7
1.02
100
102
143
14
机 修 厂
绕线
0.38
387.4
387.4
0.4
0.7
1.02
155
158
221
15
地面电机车
绕线

188
141
0.4
0.9
0.49
56
28
62
16
照明及其他

912.2
771.2
0.8
0.9
0.49
617
302
687
17
其它安全系统

1468
1468
0.85
0．89
0.5
1248
624
1395
18
其它生产系统

3250
3250
0.6
0.89
0.51
1950
995
2189

一井合计

1314.5
10923.6
0.69
0.84
0.64
7473
4370
9081

二井生产系统

19
主井提升设备
绕线
6
810
810
0.75
0.7
1.02
608
620
868

表1.1(b)
序号
用电设备名称
电动机型式
电
压
设 备 容 量
计 算 系 数
计 算 负 荷
总容量KW
工作容量
kc
cosφ
tanφ
P(KW)
Q(KVAR)
S(KVA)
21
副井提升系统
绕线
6
420
420
0.8
0.85
0.62
336
208
395
22
上 仓 系 统
绕线
0.38
44
44
0.6
0.7
1.02
26
27
37
23
排 矸 系 统
绕线
0.38
166.5
166.5
0.7
0.75
0.88
116.5
102.6
155
24
通 风 系 统
绕线
6
1360
680
0.8
0.85
0.62
544
337
640
25
二采区轨上绞车
绕线
6
240
240
0.8
0.85
0.62
192
119
226
26
二井主排水
绕线
6
1700
850
0.85
0.85
0.62
723
448
850
27
井底车场设备
绕线

266.3
183.8
0.75
0.8
0.75
138
103
172
28
压风设备合计
同步

802.5
535
0.8
0.8
0.75
428
-321
535
29
采掘设备合计
绕线

3530
3383
0.6
0.7
1.02
2029.8
2071
2899
30
其它安全系统

1468
1468
0.85
0.89
0.5
1248
624
1395
31
其它生产系统

3252
3252
0.6
0.89
0.5
1951
976
2182

2.3主变压器选择
2.3.1无功功率补偿
根据《全国供用电规则》的规定：高压供电的工业用户功率因数应在0.90以上。所以，当变电所的功率因数低于0.90时，应采取人工补偿措施，补偿后的功率因数应不低于0.95。目前35（63）KV变电所一般采用在6（10