煤矿3510KV变电所供电系统设计毕业设计.doc

煤矿35/10KV变电所供电系统设计
摘 要
35kV变电所是整个煤矿供电系统的重要组成部分，它为全矿提供电力保障。变电所供电系统的可靠运行对提高煤矿经济效益及保证安全生产等方面都有十分重要的意义。
本毕业设计论文是关于某A煤矿供电系统的初步设计。设计内容主要包括负荷计算、变压器选型、主接线设计、短路计算、电气设备选型、微机保护整定、变电所的防雷保护与接地等。根据负荷统计的结果，用需用系数法进行负荷计算和无功补偿。根据负荷计算的结果确定出该变电所主变压器的台数、容量及型号。用标幺值法对供电系统进行短路电流计算，为电气设备的选择及校验提供数据。根据煤矿供电系统的特点，制定变电所的主接线方式、运行方式、微机保护方案等。考虑到电气设备可能的漏电现象及变电所遭到雷击，还要对变电所进行保护接地和防雷保护的设计。
关键字：变电所；短路电流计算；微机保护；防雷保护

I

35/10KV Power System Design of Substation in Coal Mine
Abstract
35kV substation is an important part of the coal mine supply system, which provides power protection for the whole mine. Reliable operation of the substation power supply system is very important and significant for economic efficiency and safety production of coal mine.
This graduation project is about power systems preliminary design of A Coal Mine. The design includes load calculations, transformer selection, the main wiring design, short circuit calculations, electrical equipment selection, microcomputer protection setting, substation lightning protection and grounding. According to the results of load statistics, make load calculation with demanding coefficient method. Determine the number of the main transformer, load capacity and type of the transformer based on the results of load calculation. Calculate short circuit current for power supply system with Per-unit value method in order to provide data for the selection and verification of electrical equipment. According to the characteristics of coal-powered systems, make substation main wiring, mode of operation,
relay protection programs and so on. Taking the possible leakage phenomenon of electrical equipment and substation was struck by lightning into account, make grounding and lightning protection for substation.
Keywords: substation; short circuit calculations;microcomputer protection; lightning protection

II

目 录
摘 要 I
Abstract II
前 言 1
第一章 概 述 2
1.1设计内容 2
1.2煤矿概述 2
第二章 负荷计算和无功补偿 3
2.1负荷计算的目的 3
2.2负荷计算方法 3
2.2.1 用电设备组计算负荷的确定 3
2.2.2 多个用电设备组的计算负荷 4
2.3 负荷计算过程 5
2.3.1各用电设备组负荷计算 5
2.3.2 10kV侧补偿前的总计算负荷 20
2.4无功补偿 20
2.4.1 无功补偿计算 20
第三章.变电所主变压器选型 23
3.1 变电所主变压器的选型原则 23
3.1.1 主变压器容量选型原则 23
3.1.2 变压器台数选型原则 24
3.2变压器的功率损耗 26
3.2.1 变压器的有功功率损耗计算 27
3.2.2变压器的无功功率损耗 27
3.3 35kV侧全矿计算负荷及功率因数校验 28
3.4 变压器经济运行分析方法 28
3.4.1无功功率经济当量的概念 28
3.4.2变压器的经济运行 29
第四章.电气主接线设计 33
4.1 对主接线的基本要求 33
4.2 本所电气主接线方案的确定 33
第五章.短路电流分析与计算 35
5.1 短路的概述 35
5.1.1 短路的种类 35
5.1.2 短路电流计算的目的 36
5.2 短路电流的危害 37
5.3 短路电流计算的目的与基本条件 37
5.3.1 进行短路计算得基本假设 37
5.4 无限大容量电源系统三相短路电流计算 38
5.4.1 标幺值计算的概念及优点 38
5.4.2 短路电流计算中用到的相关物理量 38
5.4.3短路功率Sk 39
5.4.4各路径元件阻抗计算公式 40
5.4.5各元件短路阻抗标幺值计算 40
5.5 短路电流计算过程 42
5.5.1短路电流计算公式 42
5.5.2最大运行方式 43
5.5.3最小运行方式 46
5.5.4 短路计算参数汇总表 49
第六章.变电所一次设备的选型与校验 51
6.1 高压电气设备选型原则 51
6.2 高压开关柜设备的选型及校验 52
6.2.1 35kV 侧高压开关柜的选型及校验 52
6.2.2 10kV 侧高压开关柜的选型及校验 58
6.3 设备选型汇总表 62
第七章.电力线路的选型 64
7.1 概述 64
7.2 电力线路选型的原则 64
7.2.1 供电可靠性 64
7.2.2 操作方便，运行安全灵活 64
7.2.3 经济合理 64
7.2.4 具有发展的可能性 65
7.3 35KV架空线的选型与校验 65
7.4 10kV 电缆及架空线的选型与校验 67
第八章.供电系统微机保护 74
8.1 微机继电保护综述 74
8.1.1 微机继电保护的主要特点 74
8.1.2 微机继电保护与传统的继电保护技术相比的优缺点 75
8.2微机继电保护的硬件原理： 77
8.2.1数据采集系统 77
8.2.2 CPU主系统 77
8.2.3开关量输入/输出回路 78
8.2.4 微机继电保护实物图 80
8.2.4 微机继电保护的算法 80
8.3 微机继电保护的软件原理 81
8.3.1 微机继电保护装置的软件构成 81
8.3.2 微机保护的软件设计 83
8.4 35/6KV供电系统微机保护汇总表 83
KLD-9331微机变压器差动保护装置 83
KLD-9371微机PT监测切换装置 84
8.5 变压器的微机保护 84
8.5.1 变压器的瓦斯保护 84
8.5.2 微机变压器的差动保护装置 85
8.5.3 变压器的过流保护 86
8.6 备用电源自投保护测控装置 86
8.6.1 装置功能及适用范围 87
8.6.2 一次接线示意图： 88
第九章.变电所的防雷与接地 88
9.1 变电所防雷 88
9.1.1 常用的防雷保护装置 89
9.1.2变电所的防雷措施 89
9.2 变电所接地 90
9.2.1 接地的要求 90
9.2.2 接地的种类 91
9.2.3回路式接地装置 91
结 论 92
致 谢 93
参考文献 94

VI

前 言

本设计针对某A煤矿实际情况，进行供电系统设计解决矿山实际问题，即巩固了所学的专业知识，又培养分析问题、解决问题的能力及实际工程设计的基本技能，还学会查阅技术资料和各种文献的方法，最终掌握煤矿供电系统设计的基本方法。
电能是现代煤矿生产的主要能源和动力，首先应该保证供电的可靠性和安全性，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，因此对煤矿供电系统的设计要严格按照相关规定进行设计。
本设计主要完成以下工作：针对矿井负荷的用电要求，用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：35kV侧采用全桥接线,10kV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性和热稳定性校验。继电保护装置保证了电气设备或线路发生故障时，断路器能迅速动作，且有选择地将故障切除，以免事故扩大。为防止变电所遭到雷击，还进行了防雷保护。此外，为了保障人身与设备的安全，还要对变电所进行保护接地设计。
以上只是35kV变电所供电系统初步设计的简单介绍，一些具体的数据分析和计算方法，在本设计中会给出详细的说明。
由于个人能力有限,在设计中难免会出现这样或那样地错误和不妥之处，恳请各位老师能够批评指正。

第一章 概 述
1.1设计内容
（1）矿井负荷计算和无功功率补偿；
（2）地面35kV变电所主变压器的选择与校验；
（3）地面35kV变电所主接线方案确定；
（4）短路电流计算；
（5）地面35kV变电所一次设备的选择与校验；
（6）电力线路的选择与校验
（7）地面35kV变电所二次回路方案的选择与微机保护的整定；
（8）地面35kV变电所的防雷与接地。
1.2煤矿概述
燕龛煤炭有限责任公司下辖的程庄煤矿和燕龛煤矿，井田相邻，地跨阳泉市郊区河底镇和盂县路家村镇。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，燕龛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：关闭燕龛煤矿，将其0.30Mt/a的生产能力划归程庄煤矿；集中改造程庄煤矿，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。一回主供电源引自苇泊110kV变电站，长度9.5km；另一备用电源线路引自燕龛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 负荷计算和无功补偿
2.1负荷计算的目的
进行企业电力负荷计算的主要目的就是为正确的选择企业各级变电站的变压器容量，各种电气设备的型号、规格以及供电网所需导线的型号、截面积等提供科学依据。其中，求计算负荷，或称需用负荷，目的是为了合理地选择企业各级变压器的变压器容量和电气设备的型号等。求尖峰电流，用于计算电压损失、电压波动、选择熔断器和保护元件等。求平均负荷，用来计算全场电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。
2.2负荷计算的方法
我国设计部门在进行企业供电设计时经常采用地电力负荷计算方法有：需用系数法、二项系数法、单位电耗法、利用系数法和单位面积功率法等。需用系数法计算简便，对于任何性质的企业负荷均适用，且计算结果基本上符合实际。因此，这种计算方法应用最广泛。尤其对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，利用概率论分析出最大负荷与平均负荷的关系。这种计算方法虽理论依据较充分，但由于目前积累的使用数据不多，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。因此，本设计采用需要系数法进行负荷计算，步骤如下：
2.2负荷计算方法
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，再分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为：
Pca=KdPNΣ （2-1）
Qca=Pcaφ （2-2）
Sca= （2-3）
Ica= （2-4）

式中 Pca、Qca、Sca——该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷。
PNΣ——该用电设备组的设备总额定容量,KW；å
UN——额定电压,V；
tanφ——功率因数角的正切值；
Ica——该用电设备组的计算负荷电流，A;j
Kd——需要系数，由表2-2查得。
2.2.2 多个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并非同时出现，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Ksi。具体计算如下：
Pca=Ksi （2-5）
Qca=Ksi （2-6）
Sca= （2-7）
Ica= （2-8）
式中 Pca 、Qca 、Sca——为配电干线或变电站低压母线的有功、无功、视在计算负荷；
Ksi ——同时系数，其值见表2-3；
m ——该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备组总数；
Kdi 、、——分别对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角正切值、总设备容量；
Ica——该干线或变压站低压母线上计算电流，A；
UN——该干线或低压母线上的额定电压，V。

2.3 负荷计算过程
2.3.1各用电设备组负荷计算
用电设备分组，由表2-2确定各组用电设备的总额定容量。
由表2-2查出各用电设备组的需用系数Kd和功率因数cosφ，根据公式2-1计算出各用电设备组的计算负荷。
1. 井下负荷：
(1) 一水平主排水泵
Kd=0.8，cosφ=0.85，tanφ=0.62
有功功率：Pca=KdPNΣ=0.84×110=92.4KW;
无功功率：Qca=Pcatanφ=92.4×0.62=57.288Kvar；
视在功率：Sca===108.71KVA
计算电流：Ica===95.10A
用同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷，结果记入表2-1全矿电力负荷计算负荷表中。
（2） 井下负荷合计
有功功率：Pca=Ksi=0.92×4913=4519.96KW
无功功率：Qca=Ksi=0.92×4732×0.963=4192.36Kvar
视在功率：Sca===6164.89KVA

2. 地面负荷：
(1) 主斜井皮带:
Kd=0.86、cosφ=0.85、tanφ=0.62
有功功率：Pca=KdPNΣ=0.86×542=466.12KW
无功功率：Qca=Pcatanφ=466.12×0.62=288.99Kvar
视在功率：Sca===548.44KVA
计算电流：Ica===31.66A
用同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷，结果记入表2-1全矿电力负荷计算负荷表中。
(2) 地面负荷合计
有功功率：Pca=Ksi=0.92×5211=4794.12KW
无功功率：Qca=Ksi=0.92×3661=3368.12Kvar
视在功率：Sca===5858.99KVA

全矿电力负荷的计算负荷如表2-1所示

96

序号
负 荷 名 称
电压
（kV）
设备
容量
（kW）
设备数量
（台）
设备容量
（千瓦）
需用
系数
Kx
功率
因数
cos φ
tg φ
最大负荷
最大负
荷利用
小时
(h)
年耗电量
(kW·h)
备注
全部
工作
全部
工作
有功
（kW）
无功
(kvar)
视在
(KVA)
一
井下负荷

(一)
一水平主排水泵
0.66
110.0
3
1
330.0
110.0
0.84
0.85
0.62
92.4
57.3

678000.0

(二)
二水平主排水泵
0.66
220.0
3
1
660.0
220.0
0.84
0.85
0.62
184.8
114.5

1043000.0

(三)
一水平车场及9号煤大巷
0.66

1
调度绞车
0.66
11.4
9
4
102.6
45.6

2
无极绳绞车
0.66
75.0
1
1
75.0
75.0

3
泵房电动阀门
0.66
3.0
3
3
9.0
9.0

4
主斜井井底撒煤清理
0.66
13.0
1
1
13.0
13.0

小 计

14
9
199.6
142.6
0.7
0.7
1.0
92.7
94.6

2500.0
231725.0

（四）
15101综采工作面

1
采煤机
1.14
600.0
1
1
600.0
600.0

2
刮板运输机(前）
1.14
400.0
1
1
400.0
400.0

3
刮板运输机*（后）
1.14
630.0
1
1
630.0
630.0

4
转载机
1.14
110.0
1
1
110.0
110.0

5
破碎机
1.14
160.0
1
1
160.0
160.0

6
喷雾泵
0.66
55.0
1
1
55.0
55.0

7
乳化液泵
0.66
125.0
2
1
250.0
125.0

8
可伸缩胶带运输机
0.66
160.0
1
1
160.0
160.0

9
调度绞车
0.66
11.4
8
8
91.2
91.2

10
注水泵
0.66
22.0
2
2
44.0
44.0

11
回柱绞车
0.66
22.0
2
2
44.0
44.0

矿井电力负荷统计表 表2－1
矿井电力负荷统计表
续表2－1
序号
负 荷 名 称
电压
（kV）
设备
容量
（kW）
设备数量
（台）
设备容量
（千瓦）
需用
系数
Kx
功率
因数
cos φ
tg φ
最大负荷
最大负
荷利用
小时
(h)
年耗电量
(kW·h)
备注
全部
工作
全部
工作
有功
（kW）
无功
(kvar)
视在
(KVA)
12
注水钻
0.66
13.0
2
2
26.0
26.0

13
小水泵
0.66
3.0
2
2
6.0
6.0

14
岩石电钻
0.13
2.0
2
2
4.0
4.0

15
煤电钻
0.13
1.2
2
2
2.4
2.4

小 计

29
28
2583
2458
0.55
0.70
1.02
1361
1389

3000
4083120

（五）
9403综采工作面

1
采煤机
1.14
600.0
1
1
600.0
600.0

2
刮板运输机（前）
1.14
400.0
1
1
400.0
400.0

3
转载机
1.14
75.0
1
1
75.0
75.0

4
喷雾泵
0.66
55.0
1
1
55.0
55.0

5
乳化液泵
0.66
125.0
2
1
250.0
125.0

6
可伸缩胶带运输机
0.66
160.0
1
1
160.0
160.0

7
调度绞车
0.66
11.4
8
8
91.2
91.2

8
注水泵
0.66
22.0
2
2
44.0
44.0

9
回柱绞车
0.66
22.0
2
2
44.0
44.0

10
注水钻
0.66
13.0
2
2
26.0
26.0

11
小水泵
0.66
3.0
2
2
6.0
6.0

12
小 计

23
22
1751
1626
0.62
0.70
1.02
1010
1031

3000
3031440

（六）
15煤岩巷综掘工作面
0.66

1
局部扇风机

37.0
2
1
74.0
37.0

2
煤巷掘进机

220.0
1
1
220.0
220.0

3
可伸缩胶带运输机

80.0
1
1
80.0
80.0

矿井电力负荷统计表
续表2－1
序号
负 荷 名 称
电压
（kV）
设备
容量
（kW）
设备数量
（台）
设备容量
（千瓦）
需用
系数
Kx
功率
因数
cos φ
tg φ
最大负荷
最大负
荷利用
小时
(h)
年耗电量
(kW·h)
备注
全部
工作
全部
工作
有功
（kW）
无功
(kvar)
视在
(KVA)
4
转载刮板运输机

40.0
2
2
80.0
80.0

5
探水钻

4.0
1
1
4.0
4.0

6
调度绞车

11.4
2
2
22.8
22.8

7
小水泵

3.0
2
2
6.0
6.0

8
锚杆机

3.0
1
1
3.0
3.0

小 计

12
11
489.8
452.8
0.57
0.70
1.02
260
266

2200
572704

（七）
15煤综掘工作面
0.66

1
局部扇风机

60.0
4
2
240.0
120.0

2
煤巷掘进机

190.0
2
2
380.0
380.0

3
可伸缩胶带运输机

80.0
2
2
160.0
160.0

4
转载刮板运输机

40.0
2
2
80.0
80.0

5
探水钻

4.0
2
2
8.0
8.0

6
调度绞车

11.4
4
4
45.6
45.6

7
小水泵

3.0
4
4
12.0
12.0

8
锚杆机

3.0
2
2
6.0
6.0

小 计

22
20
931.6
811.6
0.50
0.70
1.02
404
412

2200
888448

（八）
(八)
15煤综掘工作面
0.66

1
局部扇风机

37.0
2
1
74.0
37.0

2
煤巷掘进机

190.0
1
1
190.0
190.0

3
锚杆机

3.0
1
1
3.0
3.0

4
转载刮板运输机

40.0
2
2
80.0
80.0

矿井电力负荷统计表
续表2－1
序号
负 荷 名 称
电压
（kV）
设备
容量
（kW）
设备数量
（台）
设备容量
（千瓦）
需用
系数
Kx
功率
因数
cos φ
tg φ
最大负荷
最大负
荷利用
小时
(h)
年耗电量
(kW·h)
备注
全部
工作
全部
工作
有功
（kW）
无功
(kvar)
视在
(KVA)
5
砼喷射机

5.5
1
1
5.5
5.5

6
探水钻

4.0
1
1
4.0
4.0

7
调度绞车

11.4
2
2
22.8
22.8

8
小水泵

3.0
2
2
6.0
6.0

小 计

12
11
385
348
0.63
0.70
1.02
219
223

2200
480744

（九）

15煤开拓工作面
0.66

1
局部扇风机

37.0
2
1
74.0
37.0

2
耙斗装岩机

30.0
1
1
30.0
30.0

3
砼搅拌机

5.5
1
1
5.5
5.5

4
砼喷射机

5.5
1
1
5.5
5.5

5
锚杆机

3.0
1
1
3.0
3.0

6
调度绞车

11.4
3
3
34.2
34.2

7
小水泵

3.0
2
2
6.0
6.0

8
岩石电钻
0.13
2.0
2
2
4.0
4.0

9
探水钻

4.0
1
1
4.0
4.0

小 计

14
13
166
129
0.30
0.70
1.02
39
40

2000
77520

（十）
9煤综掘工作面
0.66

1
局部扇风机

60.0
4
2
240.0
120.0

2
煤巷掘进机

190.0
2
2
380.0
380.0

3
可伸缩胶带运输机

80.0
2
2
160.0
160.0

4
转载刮板运输机

40.0
6
6
240.0
240.0

矿井电力负荷统计表
续表2－1
序号
负 荷 名 称
电压
（kV）
设备
容量
（kW）
设备数量
（台）
设备容量
（千瓦）
需用
系数
Kx
功率
因数
cos φ
tg φ
最大负荷
最大负
荷利用
小时
(h)
年耗电量
(kW·h)
备注
全部
工作
全部
工作
有功
（kW）
无功
(kvar)
视在
(KVA)
5
锚杆机

3.0
1
1
3.0
3.0

6
探水钻

4.0
1
1
4.0
4.0

7
调度绞车

11.4
2
2
22.8
22.8

8
小水泵

3.0
4
4
12.0
12.0

小 计

22
20
1061.8
941.8
0.48
0.70
1.02
456
465

2200
1003024

（十一）　
9煤开拓工作面
0.66

1
局部扇风机

37.0
2
1
74.0
37.0

2
耙斗装岩机

30.0
1
1
30.0
30.0

3
转载刮板运输机

40.0
4
4
160.0
160.0

4
砼搅拌机

5.5
1
1
5.5
5.5

5
砼喷射机