煤矿地面变电所部分设计.doc

摘要
变电所是电力配送的重要环节，也是煤矿生产供电的关键环节。变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，为满足煤矿对生产发展的需要，提高供电的可靠性和电能质量。变电站是电力系统的重要组成部分，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。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。此设计任务旨在体现自己对本专业各科知识的掌握程度，培养自己对本专业各科知识进行综合运用的能力，同时检验本专业的学习结果,是毕业前的一次综合性训练，是对所学知识的全面检查。通过本次毕业设计，既有助于提高自己综合运用知识的能力，同时也有助于以后在工作岗位能很快的适应工作环境。

关键词：变电所；电能；配电 ；

15

目录
绪论 1
1 变电所主接线设计 2
1.1 主接线设计的一般原则 2
1.2 系统主接线设计 2
1.2.1 主变压器一次侧的接线 4
1.2.2 主变压器二次侧的接线 5
1.3 变电所主变压器运行方式 8
1.4 结论 9
2 负荷统计与主变压器的选择 10
2.1工厂负荷计算的方法 10
2.2 大隆煤矿负荷统计 10
2.3 电容器选择及无功功率的补偿 12
2.4 主变压器的选择 13
2.5 全矿负荷统计 14
心得体会 15
参考文献 16
附表 大隆煤矿负荷统计表 17

15

绪论
本设计根据大隆煤矿的电力负荷资料，做出了该矿的变电所的部分设计，包括变电所的主接线方式和负荷计算及无功补偿、系统主接线方案的选择。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与计算，选出了所需的主变压器型号，然后根据负荷性质及对供电可靠性要求拟定主接线设计，考虑到短路对系统的严重影响，设计中进行了短路电流计算。工厂供电系统是电力系统的主要组成部分，它是电能的主要用户，必然会反映电力系统各方面的理论和要求，并如何恰当地运用在工厂供电的设计、维护运行之中，它当然要受到电力系统工作情况的影响和制约。所以，设计一个符合矿山实际情况的变电所就变得尤为重要。变电所是接受、变换、分配电能的环节，是供电系统中极其重要的组成部分。它是由变压器或变流站、配电装置、保护及控制设备、测量仪表以及其他附属的设备及相关建筑组成。工厂变电所是终端降压变电所，可以分成总降压变电所和车间变电所。只用来接受和分配电能，而不进行电压变化的称为配电所。
本设计的原始资料来源于大隆煤矿。大隆煤矿年产90万吨，服务年限80年。此煤矿为高压瓦斯煤矿，最大容水量为115m³/h。本矿负荷统计见附表《大隆煤矿符合统计表》。

1 变电所主接线设计
变电所的主接线是由各种电气设备（变压器、断路器、隔离开关等）及其连接线组成，用以接受和分配电能，是供电系统的组成部分。它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数、容量等因素有关，所以变电所的注解线有多种形式。确定变电所的主接线对变电所电气设备的选择、配电装置的布置及运行可靠性与经济性等都有密切的关系，是变电所设计的主要任务之一。
1.1 主接线设计的一般原则
主接线图即主电路图，即表示系统中电能输送和分配路线的电路图，亦称为一次电路图，而用来控制、指示、监测和保护一次电路及其设备运行的电路图，则称二次电路图，或二次接线图。二次回路是通过电流互感器和电压互感器与主电路相联系的。变配电所的主接线，应根据变配电所在供电系统中的地位、进出线回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足安全、可靠、灵活和经济等要求。
一、对工厂变电所主接线的要求如下：
a安全：应符合有关国家校准和技术犯规和技术犯规的要求，能充分保证人身和设备的安全。

b可靠：应满足电力负荷特辑是其中一、二次负荷对供电可靠性的要求。
c灵活：应能适应必要的各种运行方式，便于切换操作和检修，且能适应负荷的发展。
d经济：在满足上述的前提下，尽量使主接线简单，投资少，运行费用低，并节约电能和有色金属消耗量。一般来说，主接线图只表示电气设备的一相连接，因为三相交流电力装置中的所有三相连接方法是相同的，所接的电气设备也一样，这种图称为单线图。为了使看图容易起见，图上只画出系统的主要元件，如发电机、变压器、断路器等，以及其相互间连接。
二、 在接线时，变电所主接线的一般要求：
a变电所中的高、低压母线一般采用单母线或单母线分段，车间变电所的变压器一般均分列运行；
b变电所的主接线，应按照电源情况、生产要求、负荷性质、容量大小以及与邻近配变电所的联系等因数确定，力求简单可靠；
c按在母线上的阀型避雷器和电压互感器一般合用_组隔离开关，架空线出现上的阀型避雷器不装设隔离开关；
d全厂只有一台容量较小的配电变压器时其一次侧不宜设高压开关柜。具在下列之一者，应装设母线分段断路器：其一是动装置有要求，其二是倒换电源严
重影响生产，第三是出现回路多。为了保证对一、二级负荷进行可靠在企业变电所中一次侧主接线中广泛采用由两电源线路受压和装设两台变压器的上台变压器的桥式主接线。桥式又分为内桥、外桥、全桥三种，全桥、内桥、外桥分别如图所示。途中Il、I2为两回路电源线路，断路器QF1和QF2分别接在主变压器TM1和TM2的高压侧，向变电所供电。
内桥接线：内桥用在并联工作时某一元件故障以减小电压损失，其倒换线路操作方便，设备投资少，占地面积少。缺点就是操作变压器和扩建不方便，故适用于进线距离长，线路故障多，变压器切换少的地方。
1.2 系统主接线设计
供电系统按系统接线布置方式可分为放射式、干线式、环式及两端电源供电式等接线方式。由于煤矿的供电系统所接的大都是一类或是二类负荷，因此对供电的可靠性具有很高的要求。本设计采用放射式的接线方式。
放射式的主要优点是供电线路独立，线路故障不互相影响，易于实现自动化，停电机会少；继电保护简单，且易于整定，保护时间短；缺点是电源出线回路较多，设备和投资也多。
1.2.1 主变压器一次侧的接线
为了保证对一、二级负荷进行可靠的供电，在煤矿变电所中广泛采用由两回路电源线路受电和装设两台变压器的桥式主接线。桥式接线又分为内桥、外桥和全桥三种。
因主变压器一次侧由隔离开关与母线连接，在切换变压器常被迫用隔离开关操作。由于本设计中主变压器电压为35KV,容量在7500KVA及以上，其空载电流超过了隔离开关的切、合能力。
全桥接线的优点是：对线路变压器的操作均方便，运行灵活，适应性强，且易于扩展成单母线分段接线的中间变电所（高压侧有穿越负荷时）。
缺点是：所需设备多，投资大，且变电所占地面积大。
综合考虑，本设计主变压器一次侧采用5个断路器构成的全桥接线。
图1.1 桥式接线图

1.2.2 主变压器二次侧的接线
二次侧接线是根据测量、控制、保护和信号显示的要求，表示二次设备相互连接关系的电路。
二次设备是指测量仪表针，控制及信号设备，继电保护装置，自动装置，运动装置等。按二次接线电源性质来分，有交流回路和直流回路，按二次接线的用途来分，有操作电源回路、测量表针回路、断路器控制和信号回路、中央信号回路、继电保护和自动装置回路等。根据接线原理，二次侧有四个绕组，分别接线成星型和角型，以形成12相整流。
母线制有三种方式：单母线制，单母线分段制，双母线制。
方案Ⅰ：单母线结线方式：一回进线只能用单母线制，可靠性和灵活性低，发生故障将影响全部负荷的用电，直到故障全部清除为止。一般只用小容量生产，维护时需要停止这个系统的供电。
优点：
（1）接线简单，运行操作方便。
（2）配电装置少，节省投资。
（3）进出线方便，采用成套装置，可以简化布置。
缺点：
（1）供电可靠性不高，当母线故障时将全厂停电。
（2）运行灵活性差。
（3）线路运行功率大（集中一回线路供电），损耗也大。
方案Ⅱ：单母线分段结线方式：在两回进线下，就可以实现，其间使用隔离器或断路器分段。变电所两条电源进线分别接于两端母线上，每一段出现只能接在一段母线上。在母线故障时，该段上的出线全部断电，为防止母线故障而采用这种接线方式的煤矿变电所，其一、其二级重要用户，必须接在两段母线上的环式系统成双回路来供电
优点：
（1）供电可靠性高。
（2）运行灵活。
（3）线路运行功率小，损耗也小。
（4）配电设备集中管理，易于实现自动化。
缺点：
（1）要建配电中心站，占地稍大。
（2）结线较复杂，投资大。
（3）继保装置复杂，布置难。
方案Ⅲ：双母线结线方式：当工人负荷大，当重要负荷较多，以致使馈电回路太多，采用其他母线制有一定的困难，此时可以考虑采用双母线制。变电所每条进、出线，通过隔离开关可以接在任何一条母线上，两条母线之间用断路器进行连接。因此，不论哪一段电源在母线同时发生故障时，都不影响对用户的供电。这种接线方式多用于大容量的枢纽变压器
优点：
（1）供电可靠性较高。
（2）运行灵活。
（3）配电设备集中管理，易于实现自动化。
缺点：
（1）要建配电中心站，占地大。
（2）结线复杂，继保装置多，投资大。
（3）继保设定难。

图1.2 单母线接线

图1.3 单母线分段制

图1.4 双母线制接线

通过对上述配电方案的优缺点分析，并结合本厂负荷实际要求及经济方面，为了保证供电系统的安全等实际情况确定用方案Ⅱ较优。
综上所述，所以大隆煤矿的一次侧主接线方式采用外桥接线方式，而二次侧主接线方式采用单母线分段制。
1.3 变电所主变压器运行方式
变电所主变压器运行方式主要有三种：第一种是两台变压器一使一备，第二种是两台变压器同时工作，这种又可以分为分列和并列两种运行方式；第三种是两台工作，一台备用。
(1) 明备用 一台变压器工作，另一台变压器停止运行作为备用。此时，两台变压器均按最大负荷时变压器负荷率为100％考虑。
(2) 暗备用 两台变压器同时运行，正常情况下每台变压器各承担约全部的50％。因此。每台变压器的容量宜按全部最大负荷的70％选择。
变压器互为暗备用的特点是：
(1) 正常情况下变压器最大负荷率约为70％，符合变压器经济运行要求，并留有一定裕量；
(2) 若一台变压器故障，另一台变压器可以在承担全部最大负荷的情况下继续运行一段时间，这段时间完全有可能调整生产，切除部分不重要负荷，保证生产秩序。显然，两台变压器互为暗备用的运行方式，具有投资省，能耗小等优点，在实际中得到了比较广泛的应用。
1.4 结论
根据大隆煤矿的实际情况，变电所的电源进线不多，切换次数少，故一次侧采用外侨接线方式。变电所的二次接线采用单母线分段接线即可满足要求，而且造价合理。补偿功率因数的电容接于各段母线上，全矿重要负荷分接在两段母线上。单母线分段接线的缺点是当其中任意一段母线发生故障或检修是将会造成一般单回路用户停电。在变压器的运行方面，很据大隆煤矿的生产规模，在本设计中采用两台变压器分列运行方式。
2 负荷统计与主变压器的选择
2.1工厂负荷计算的方法
按照变电所的位置的选择原则：
（1） 总降压变电所的位置应靠近负荷中心。变电所的位置采用屋内式，屋内式适用于所有的6—10千伏配电装置。
（2） 建筑物的底层地面标高一般应比室外高出150—300毫米
（3） 应按照紧凑合理原则，便于工厂设备扩建和维护。
（4）变电所场地应有排水措施，所有地段的设计坡度不应小于0.5%.
一般常用于企业电力负荷计算的方法有需用系数法、利用系数法、单位面积功率法、单位指标法和单位产品耗电量法。
此设计采用的是需用系数法来对加氢裂化装置进行电力负荷计算的。
因为，需用系数是用设备功率乘以需用系数和同时系数，直接求出计算负荷。这种方法简便，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。采用利用系数法求出最大负荷的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出计算负荷，计算过程十分繁琐。而单位面积功率法和单位指标法主要多用于民用建筑；单位产品耗电量法主要适用于某些工业。
按需要系数法计算负荷
2.2 工厂低压侧负荷计算
A 各设备组求计算负荷的基本公式
有功负荷（KW）
Pca= （2.1）
式中，为用电设备组或用电单位的需要系数；为用电设备组或用电单位的总设备容量；
无功负荷（KVar）
（2.2）
式中，为设备铭牌给定功率因数角用电设备组或用电单位功率因数角的正切值；
视在负荷（KVA）
B 多组用电设备组或多个用电单位总计算负荷
有功负荷（KW）
Pc= 式中，为各组的计算负荷(KW)；为有功负荷同时系数，由设备组计算车间配电干线负荷时可取=0.82～0.92，由设备组直接计算变电所低压母线总负荷时可取=0.8～0.9。
无功负荷（KVar）
Qc= （2.3）
式中，为各组无功计算负荷(Kvar)；为无功负荷同时系数,由设备组直接计算变电所低压母线总负荷时可取=0.82～0.92 。
视在负荷（KVA）
Sc= （2.4）
C 全矿年计算负荷
P总=PN （2.5）
Q总=QN （2.6）
式中PN是N个用电设备组的有功功率之和，QN是N个用电设备组的无功功率之和
D 集中补偿后容量计算
（2.7）

2.3 大隆煤矿负荷统计
大隆煤矿年产90万吨，服务年限80年。此煤矿为高压瓦斯煤矿，最大容水量为115m³/h。两班工作，一班准备。全矿用电设备的技术数据如负荷统计表所示，计算该矿总降压变电所的计算负荷，选择主变压器。
一、计算各组负荷
以地面高压设备负荷计算为例求各组用电设备的计算负荷
1、 主井绞车（同步电机）： =0.88 , =0.76 则=0.855
(2.8)
(2.9)
(2.10)
2、副井绞车（绕线式电机）： =0.85, =0.8 则=0.75
(2.15)
(2.16)
(2.17)
3、压风机（同步电机）： =0.85, =-0.9 则=-0.484
(2.18)
(2.19)
(2.20)
4、主扇（绕线式电机）： =0.85, =0.85 则=0.62，
(2.21)
(2.22)
(2.23)
5、回风机（绕线式电机）： =0.93, =0.82 则=0.698，
(2.24)
(2.25)
(2.26)
地面高压负荷统计:将地面高压用电设备计算负荷相加。
(2.27)
(2.28)
二、全矿负荷统计
取各组负荷同期系数为：=0.90，于是
(2.29)
(2.30)
(2.31)
(2.32)
2.4 电容器选择及无功功率的补偿
一、提高功率因数的措施
1)提高自然功率因数：未装设人工补偿装置时的功率因数称为自然功率因数。一般从设备选择和运行上采取减少无功功率需求量，如合理选择感应电动机，使其额定功率与拖动的负载相匹配；调整变压器负荷分配使其在最佳负荷状态下运行；合理安排和调整工艺流程，改善机电设备的工况；控制机床、电焊机等用电设备空载运行的时间；在生产条件允许的情况下，采用同步电动机代替感应电动机。
(2) 人工补偿：装用无功功率补偿设备进行人工补偿。电力用户常用的无功补偿设备是电力电容器，又称并联电容器、静电电容器。
二、大隆煤矿功率因数人工补偿计算
（1）电容器所需补偿容量，因全矿自然功率因数，低于0.9，所以应进行人工补偿，补偿后的功率因数达到0.93以上，即，则全矿所需补偿容量为
(2.33)
（2）电容器柜数及型号的确定。补偿电容器拟采用双星行接线，接在变电所6kv母线上，因此电力电容器额定容量选12kvar YY6.3-12-1型单相浸油移相电容器，则电容器总柜数应为
(2.34)
N取525
由于电容器柜要接在两段母线上，为了在每段母线上构成双星型接线，因此每段母线上的电容器也应分成相等的两组，每组每相的电容器柜数应为
(2.35)
取n=176,则电容器总柜数为台
（3）电容器实际补偿容量
(2.36)
（4）补偿后的功率因数
(2.37)
(2.38)
(2.39)

综上所述，利用人工补偿的方法功率因数达到要求。
2.5 主变压器的选择
有前面的计算负荷和矿山对供电可靠性的要求可确定主变压器的额定容量。
本设计采用了2台变压器分列运行，其中一台故障时，另一台变压器可以保证安全和原煤生产的用电，并不得少于全矿总负荷的80%，即每台变压器容量为：
Sd (2.40)
式中Ksb—故障系数，即事故时负荷保证系数，根据矿井负荷比重决定的，两台分列运行时取Ksb=0.8
P—计算负荷
—经补偿后的功率因数
所以本设计中：Sd 0.8×11552.3 /0.8=9241.84kVA (2.41)
.经统计全矿一类二类负荷的计算负荷有功功率为10829.25kW,无功功率为4022.79kvar。查《工矿企业供电》36页表2-3确定选择SFL7-10000/35型变压器两台，变压器的负荷率为
(2.42)

2.6 全矿负荷统计
通过计算全矿的负荷，统计负荷来验证功率因数是否符合要求。包括变压器损耗的计算和全矿总负荷的计算。
1)变压器损耗的计算
变压器有功功率损耗为
(2.43)
变压器的无功损耗
(2.44)
2)全矿总负荷
(2.45)
(2.46)
(2.47)
(2.48)
功率因数满足要求。

心得体会
这次课程设计让我把以前所学的知识全面的复习了一遍。收获良多，这也将是我以后学习和工作生活的宝贵财富。
首先感谢学校和老师给了我这次锻炼自己的机会在这次课程设计中，遇到了很多的问题，比如电容的选择及无功功率的补偿问题，我通过和同学之间讨论，还有上网查找资料，最后计算出补偿的电容和补偿后的功率因数。从而提高了功率因数，充分利用现有的变电、输电和配电设备，保证了供电的质量，减少电能损耗。这次课程设计让我把以前学过的知识系统全面的总结复习了一遍，把理论运用于实践，使理论得以提升，形成创新思想。通过这次课程设计，使我进一步熟悉和掌握了变电站设计的有关内容，同时也提高了信息资料的运用能力。并且进一步培养和提高了运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，锻炼了自主学习、独立工作和团结协作的能力，端正了学习态度，树立了严肃认真、实事求是和刻苦钻研的好习惯，为我更好地适应以后的工作了坚实基础同时这次课程设计也没有脱离集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流，这样我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向。这样可以少走弯路，不断的完善自己。
这次课程设计要感谢同学们的互相帮组和老师的悉心教导，作为一名大学生，就是需要在做这种课程设计中得到锻炼和提高的。今后，我一定会更认真的学习知识和动手操作能力，为自己今后的道路铺下一块坚实的垫脚石，成为一名合格的大学生。

参考文献
[1] 胡本臣，容观海.《煤矿电工手册（第四分册）》. 煤炭工业出版社，1999.11
[2] 纪 雯.《电力系统设计手册》.中国电力出版社，1998.6
[3] 孟祥忠.《现代供电技术》.清华大学出版社，2007.4
[4] 顾永辉，范廷瓒. 《煤矿电工手册（第二册）》.煤炭工业出版社，1999.2，
[5] 唐志平. 《供电技术》 北京：电子工业出版社.，2005
[6] 翟世隆，李全中.《供用电实用技术手册》.中国水利水电出版社，1998.3
[7] 熊信银.《发电厂电气部分》.中国电力出版社，2007.10
[8] 翟东群.《继电保护和安全自动装置技术规程》.水利电力出版社，1993.
[9]《工厂常用电气设备手册》.中国电力出版社.1998.1
[10] 刘延绪.《煤矿供电》. 中国劳动社会保障出版社，1999.5
[11] 丁书文. 《 变电站综合自动化技术》. 北京：中国电力出版社，2005

附表 大隆煤矿负荷统计表
序

号
设备名称
电机
型式
电机
容量（KW）
安装
台数
工作
台数
设备容量
需要系数(Kd）

计算容量
安装
容量
(KW)
工作
容量
(KW)
有功
(KW)
无功
(Kvar)
视在
(KVA)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
一
地面高压

1
主井绞车
同步
2300
1/1
2400
2100
0.88
0.76
0.855
1848
1580
2432
2
副井绞车
绕线
1200
1/1
1200
1200
0.85
0.8
0.75
1020
765
1275
3
压风机
同步绕线
520
130
4/2
520
260
500
130
0.85
0.83
-0.9
-0.484
0.540
425
107.9
-205.84
58.24
472.22
122.6
4
主扇
绕线
800

2/1
1700
1600
0.85
0.85
0.62
1360
843.2
1600.1
5
回风机
绕线
800
2/1
1700
850
0.93
0.82
0.698
790.5
551.8
964.0
二
井下高压

1
主排水泵
鼠笼
350
3/2
1100
700
0.8
0.8
0.750
560
420
700
2
井下中央
变电所

650
600
0.9
0.75
0.882
540
476.2
720
3
一采区
变电所

570
500
0.7
0.65
1.169
350
409.2
538.5
4
二采区
变电所

570
500
0.7
0.65
1.169
350
409.2
538.5
5
三采区
变电所

830
700
0.69
0.66
1.138
483
549.8
731.8
6
四采区
变电所

830
700
0.69
0.66
1.138
483
549.8
731.8
7
综采

750
680
0.68
0.67
1.108
462.4
512.3
690.1
三
地面低压

1
机修厂
选煤厂
绕线

3/1
1550
1450
0.38
0.62
1.265
551
697.3
888.7
2
矿山变电亭

2/1
300
250
0.7
0.7
1.020
175
178.5
250
3
瓦斯泵站

170
150
0.3
0.73
0.936
45
42.1
61.6
4
工业广场

580
525
0.9
1
0
472.5
0
472.5

5
铁路运销处

160
140
0.7
0.7
1.02
98
99.98
140
6
自用照明

110
100
0.85
1
0
85
0
85
7
小明2号
联络

1365
970
0.27
0.77
0.829
261.9
217.0
340.1
8
采石场

1315
1223
0.48
0.65
1.169
587.0
686.3
903.1
9
总机厂

1790
1615
0.52
0.63
1.232
839.8
1035
1333
10
工人村

715
625
0.33
0.72
0.964
206.3
198.8
286.5

全矿负荷总计

全矿计算负荷

人工补偿负荷

19