煤矿供电毕业论文
前言
本设计是根据设计任务书的要求，利用所学的煤矿供电知识，在指导老师的辛勤指导下完成的。
设计共分八章。第一章：概述；第二章：负荷计算与无功功率的补偿；第三章：供电系统；第四章：短路电流计算；第五章：电气设备的选择；第六章：变电所布置；第七章：继电保护；第八章：其它。
设计本着计算准确，选型恰当，布置合理的原则，保证做到安全、可靠、技术经济合理。
由于所学知识有限，技术资料缺乏，实践经验不足，设计中不能避免存在许多错误和不足之处，如某些所选设备可能已经过时等等，敬请老师指教。
设计任务的完成，与老师认真耐心、细致的指导是分不开的，在此谨对老师致以衷心的感谢。
1 概述
1.1 矿井简介
本设计是一所以10kV的东坪矿井井下中央变电所。矿井年产量30万吨，采用一对斜井开拓，中央并列抽出式通风。矿井为高瓦斯矿井，煤尘具弱爆炸危险性。
矿井最高温度为320C，地面变电所与副井口的距离为150m，井筒深度为980m，付斜井做主提升，净段面积6.0㎡，斜长980m，倾角24-250。矿井所在地区电业部门按最高负荷收费，中央变电所10kV高压距地面变电所电缆长为1130m。
1.2 供电系统概述
电力是现代矿山企业的动力，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。
1.2.1 矿山企业对供电的基本要求
矿山由于生产条件的特殊性，对供电系统有特殊的要求，具体要求如下：
（1）保证供电安全可靠
供电的可靠性是指供电系统不见断供电的可能程度。矿山如果供电中断，不仅影响产量，而且有可能造成人身事故和设备损坏，严重会造成矿井的破坏。为了保证对矿山供电的可靠性，供电电源应采用两回路独立电源线路，它可以来自不同的变电所或者是同一变电所的不同母线，且电源线路上不得分接任何负荷。
安全是指不发生人身触电事故和因电气故障而引起的爆炸火灾等重大事故。由于矿山生产环境复杂，自然条件恶劣，供电设备容易受损坏，可能造成触电及电火花和瓦斯煤尘爆炸等事故，所以必须采取如防爆、防触电过负荷及过电流保护等一系列的技术措施和制定相应的管理规程，以确保供电的安全。
（2）保证供电电能质量
在满足供电可靠与安全的前提下，还应该保证供电质量，即供电技术
合理。良好的电能质量是指电压偏移不超过额定值的%
±,频率偏移不能
5
超过()5.0
2.0-
±Hz。此外，由于大功率整流和可控硅的应用使配电网中的谐波分量增加，可能会造成电力电容器过负荷，严重时甚至造成事故。所以必要时应采取相应的技术措施保证电能质量。
（3）保证供电系统的经济性
在满足以上要求条件下，应力求供电系统简单，安装、运行操作方便，投资少、见效快和运行费用低。
1.2.2 电力负荷的分级
按照对供电可靠性的要求不同，一般将电力负荷分为三级，以便在不同情况下区别对待。
（1）一级负荷
这类负荷若供电突然中断造成生命危险，或者造成重大设备损坏且难以修复，或者打乱复杂的生产过程并使大量产品报废，给国名经济带来极大的损失。如矿井主扇风机、分区扇风机与井下主排水泵以及立井经常提人的提升机等。
这类负荷必须有两个独立电源供电，无论是电力网在正常或者事故时均应保证对它的供电。
（2）二级负荷
这类负荷若突然停电，会造成生产设备局部损坏，或生产流程紊乱且恢复困难，企业内部运输停顿或出现大量废品或大量减产，因而在经济上造成一定的损失。如煤矿集中提运设备、大型矿井地面空气压缩机、井筒防冻设备等。对这类负荷一般采用双回路或经方案对比确定。
（3）三级负荷
凡不属于一二级负荷的用电设备，均列为三级负荷。这类负荷停电不影响生产，对这类供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回路供电。
1.2.3 申沟矿周围电源情况
本矿井附近有一条10kV由区域变电所向另一矿井的备用线路。本矿与区域变电所的距离为4km，与另一矿井的距离为3.5km。另一矿井正常
情况下由另一变电所供电，用双回路供电，长度为5km。具体情况见图1-1。
我们就是根据如图1-1的情况，设计申沟矿35kV变电所，保证申沟矿正常的生产。
1.3变电站选址
矿区变电所不论容量大小，应有两个以上的独立企业用户会使与电力系统联系的枢纽，这样的变电所位置应附和有关整体的合理性。应考虑的条件是：
（1）接近负荷中心
（2）不占或少占农田。
（3）便于各级电压线路的引入和引出。架空线路走廊应与所址同时确定。
（4）交通运输方便。
（5）具有适宜的地质条件。
（6）尽量不设在空气污浊地区，否则应采取防污措施或是在污染源的上风侧。
（7）110千伏变电站的地址标高宜在百年一遇的高水位之上，35－60千伏变电所的所址标高宜在50年一遇的高水位之上，否则应有防护措施。
（8）所址不应为积水淹侵，山区变电所的防洪设施满足泄洪要求。
（9）具有生产和生活用水的可靠水源。
（10）适当考虑职工生活上的方便。
（11）确定所址时，应考虑与邻近设施之间的相互影响。
（12）所址位置必须影响矿区供电系统的接线方式，送电线路的规格与布局，电网损失和投资的大小。故所址位置的选择应与矿区各变电所的数量，容量，用户负荷的分配同时考虑。应避免电力倒流。对于相近方案应从技术经济比较择优确定。
1.4 本设计的目的、意义及要求
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。
设计根据任务书及国家的有关政策和各专业的设计技术规程进行，要求对用户供电可靠、保证电能质量，接线简单清晰、操作方便、运行灵活，投资少、运行费用低，并具有可扩建的方便性。
设计的主要要求有：
（1）选择主变压器台数、容量和型号；
（2）设计变电所主接线；
（3）短路电流计算及电气设备的选择；
（4）各电压等级配电装置的确定；
（5）变电所布置及继电保护装置的设置；
（6）变电所低压配电室设备的选择；
（7）变电所的防雷及接地保护
设计说明书就根据以上的要求展开。
2 矿井负荷计算与无功功率补偿
变电所可以说是电力供应的枢纽，所处的位置十分重要，如何准确地计算选择变电所的变压器容量及其它电气设备，这是保证进行安全供电、可靠供电的前提。进行电力负荷的计算就是为了正确地选择变电所的变压器的容量、各种电气设备的型号、规格及供电电网所用的导线的型号等提供科学的依据。负荷计算主要包括以下方面：
（1）求计算负荷，或者需用负荷。目的是为了合理选择变电所变压器容量和电气设备的型号等；
（2）求平均负荷。这是用来计算电能的需用量、电能损耗和选择无功补偿装置等。
2.1 负荷统计与计算
2.1.1 负荷统计
矿井负荷统计表2-1 2.1.2 负荷计算
（1）主井绞车：
800=N P kW 81.0K d = 8.0cos =? 5
有功计算负荷：
64881.0800=?==N d ca P K P kW
无功计算负荷：
6.40162.0648tan =?==?ca ca P Q Kvar
视在计算负荷：
4.7628
5.0648cos =÷=÷=?ca ca P S kVA
（2）煤楼：
8.0K d = 7.0cos =? 5
额定功率：
5.2207.0315=?=e P kW
有功计算负荷：
4.1768.0
5.220=?==e d ca P K P kW
无功计算负荷：
3.15588.0
4.176tan =?==?ca ca P Q kvar
视在计算负荷：
2.23575.04.176cos =÷=÷=?ca ca P S kVA
（3）东风井：
380=N P kW 75.0K d = 85.0cos =?
有功计算负荷：
28575.0380=?==N d ca P K P kW
无功计算负荷：
7.17662.0285tan =?==?ca ca P Q Kvar
视在计算负荷：
3.33585.0285cos =÷=÷=?ca ca P S kVA
（4）副井绞车
380=N P kW 78.0K d = 8.0cos =?
有功计算负荷：
4.2968.0380=?==N d ca P K P kW
无功计算负荷：
3.22275.0
4.296tan =?==?ca ca P Q Kvar
视在计算负荷：
5.3708.04.296cos =÷=÷=?ca ca P S kVA
其它的负荷不再做详细的计算，见符合统计表2-1。 由符合统计表，我们统计如下:
12321ca ca ca ca ca P P P P P ++++=∑
8.79163422854.176648=++++= kW
12111ca ca ca ca ca Q Q Q Q Q ++++=∑
6.59724.292
7.1763.1556.401=++++= kvar
大学毕业设计（论文）说明书
注：井下中央变电所为井下设备供电，其容量包含井下设备的总量量。
2.1.3 地面低压变压器选择
矿井低压变压器选择原则：
（1）选一台变压器，只需要变压器额定容量大于其计算容量。 （2）选两台变压器，单台容量应满足一二负荷需要，且两台容量之和大于或者等于计算容量。特殊情况下可装设两台以上变压器，引起电网电压严重波动的设备装设装用变压器。
1 生产负荷以无轨电车为例
有功功率：8.604.0152=?=?=e d ca P K P kW 无功功率：3.5286.08.60tan =?=?=?ca ca P Q kvar
视在功率：8076
.08
.60cos ===
?ca ca P S kVA 由计算数据及变压器选择原则，所以选用S9－100/10型电力变压器一台。其技术数据如下表：
变压器损耗计算： 8.0100
80
===n ca S S β 有功损耗：
k T P P P ?+?=?20β
7.15.129.0=+=9kW
无功损耗：
k T Q Q Q ?+?=?20β
n k S U I ???
?
??+=100%100%20β
＝4.16kvar 2 非生产负荷以#1冶炼厂为例
有功功率：72012006.0=?=?=N d ca P K P kW 无功功率：54075.0720tan =?=?=?ca ca P Q kvar
视在功率：9008
.0720
cos ===
?ca cca P S kVA 由计算数据及变压器选择原则，所以选用S9－1000/10型电力变压器一台。其技术数据如下表：
变压器损耗计算： 9.01000
900
===
n ca S S β 有功损耗：
k T P P P ?+?=?20β 123.107.1=+=kW 无功损耗：
k T Q Q Q ?+?=?20β
n k S U I ???
? ??+=100%100%20β 45.43=kvar
2.1.4 低压变压器选择汇总
其它的地面低压变压器的选择，不再给出详细的计算过程，所有地面低压变压器的技术参数及损耗见表2-2。
由表2-2统计计算得到的数据，地面低压变压器有功损耗、无功损耗之和为：
变压器总有功损耗：
=∑?T P 36.8kW
变压器总无功损耗：
=∑?T Q 132.58kvar
表2-2 地面低压变压器的技术参数及损耗
2.2 主变压器的选择与无功功率补偿
主变压器的选择，容量一般按照变电所建成后五至十年的规划负荷选择，并适当考虑远期十至二十年的负荷发展，具体就是根据变电所所带的负荷性质和电网结构来确定主变的容量。对于像矿山变电所，应考虑当一台主变停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力后的允许的时间内，保证用户的一二级负荷。所以，矿山主变压器一般选用两台，以保证对一、
二类负荷供电的可靠性。当选用两台主变压器时，每台变压器的容量应为：
?
cos ca
sb b P K S =
。 式中：sb K －事故时负荷保证系数，根据矿井一二级负荷所占比例决
定，一般可取0.8－1。
?cos －总降压站人工补偿后的功率因数，按要求一般在0.9
以上。
2.2.1 变电所6kV 母线的计算负荷
矿井的负荷统计表将变电所所供电的各种用电设备和用户的设备容量、需用系数、功率因数、有功及无功负荷等数据都统计出来了，由此我们得到全矿区的计算负荷。负荷统计表中最大连续负荷乘以同时系数s K ，就得到计算负荷。统计得到的有功最大连续负荷在5000千瓦以下时，s K 取0.9；在5000千瓦以上时s K 取0.85；无功最大连续负荷则对应取0.95和0.9计算后得到6千伏母线的计算负荷。
此矿区变电所，折算到6kV 恻的功率为： T ca ca P P P ∑?+∑=
＝7916.8＋36.8＝7953.6kW T ca ca Q Q Q ∑?+∑=
＝5972.6＋132.58＝6105.18kvar
对于有功6.7953=ca P kW>5000kW ，取s K ＝0.85；对于无功
18.6105=ca Q kW>5000kW,取s K ＝0.9。由此得到全矿区总计算符合： 有功功率：56.67606.795385.0=?=∑?=∑ca s ca P K P kW 无功功率：66.549418.61059.0=?=∑?=∑ca s ca Q K Q kvar 视在功率：86.871122=+=∑∑∑ca ca ca Q P S KVA 功率因数：78.0cos ==∑
∑
ca ca S P ? 2.2.2 无功功率补偿
用6千伏母线计算符合按要求选择电力电容器进行无功功率补偿，一
般补偿后6千伏母线的功率因数应达到0.9以上。
矿井设备的自然功率因数值，通常小于电力部门的规定，矿井的功率因数一般应提高到0.9以上。在煤矿企业中，最常采用的无功功率补偿装置是静电电容器，它具有投资省、有功功率损失小，因是单个容量所组成的静止电容，故运行维护方便，事故范围小等优点。
根据已知的矿井用电符合的自然功率因数和预备提高到的功率因数的数值，静电电容器补偿容量按下式计算： ()21tan tan ??-'=P Q C 或C C q P Q '= 式中
C Q －静电电容器的补偿容量，千乏；
P '－全矿井的有功功率计算负荷，千瓦； C q －补偿率，千乏/千瓦；
1tan ?、2tan ?－补偿前、后功率因数角相应的正切值。
此矿区预备将功率因数提高到0.92由上式计算得： ()21t a n t a n ??-=∑ca C P Q
()01.256943.081.056.6760=-?=kvar
选择GR －1型电容柜，该电容柜装YY6.3－10－1电容器。容量为150千乏。由以上计算，需要电容柜的数量：
13.1715001.2569=÷=N 由于电容器柜要选择偶数个，故取N 为18个。
利用电力电容器进行无功功率补偿，容量为： 270015018=?=C Q kvar 补偿后矿井变电所的总无功功率为：
66.2794270066.5494
=-=z Q kvar 补偿后的功率因数为：
924.0tan cos cos 1=???
??
????? ??=-ca z P Q ?>0.9
满足要求。
由于煤矿变电所6千伏供电采用双母线分段电容器分别安装在一、二段母线上。故每段母线补偿电容器1350千乏。分别安装9个电容器柜。共计18个电容器柜。满足无功功率的补偿要求。 2.2.3 主变压器损失计算
补偿后的6千伏母线计算负荷即主变压器应输出的电力负荷，此时计算主变压器损失，在未选型之前可用上述的计算负荷按下式近似计算如下：
41.10156.6760015.0015.0=?==?∑ca T P P kW 68.16766.279406.006.0=?==?Z T Q Q kvar
变电所35千伏母线总负荷：
97.686141.10156.6760=+=?+=∑T ca Z P P P kW 34.296268.16766.2794=+=?+=T z Z Q Q Q kvar 1.74742
2
=+=Z Z Z Q P S kVA 2.2.4 主变压器选型
为了保证煤矿供电，并根据《煤矿安全规程》规定主变压器应选用一主一备，在一台主变压器故障或者检修时，另一台变压器必须保证煤矿的安全生产用电的原则。根据《煤矿电工手册》取事故负荷保证系数
85.0=sb K
则每台编译器的容量为：
42.6312924
.097
.686185.0cos =?=
?≥?Z sb T P K S kVA
考虑到本矿区的发展情况，矿井不断延伸，负荷不断增加，选用S9－8000/35型电力变压器两台，作为主变压器。S9－8000/35型电力变压器技术数据如下：
矿井变电所主变压器两台采样分列同时运行，所以主变压器损耗计算如下：
395.08000
242
.63122=?==n T S S β 有功损耗：
k T P P P ?+=?2022β
0.1010.4225.82=?+?=kW 无功损耗：
k T Q Q Q 2022β+?=?
23.275100%100%220=???
?
??+=n k S U I βkvar
由以上计算，则35千伏母线总负荷为：
56.68610.10156.6760=+=?+=∑T ca Zj P P P kW 89.306923.27566.2794=+=?+=T z Zj Q Q Q kvar
0.7517
2
2
=+=Z Z Zj Q P S kVA 2.3 全矿年电耗与吨煤电耗
取最大有功负荷年利用小时数3500max =T 小时，则年电耗n A 为： 24015460350056.6861max =?==T P A Zj n 度 则吨煤电耗t A 为： 03.40600000
24015460
===t A A n t 度/吨
3 供电系统拟定
3.1 35kV电源系统的供电方式
由第一章叙述的电源情况以及图1-1，本矿附近有一条由#I区域变电所向#
II区域变电所
II矿井正常运行情况下由# II矿井的35kV备用线路；#
用双回路供电。经技术经济比较，本矿采用从#I区域变电所引出一回35kV 架空线路作为主回路，供电距离为4km。另一回路从#
II矿井的备用回路引出作为备用回路。
正常情况下一回路运转一回路备用。
3.2 35kV及6kV主接线方式的确定
电气主接线是由各种电器设备（如发电机、变压器、开关电路、互感器、电抗器、计量接线等设备），按一定的顺序连接而成的一个接受和分配电能的总电路。主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案。
3.2.1 主接线的设计原则
主接线应满足安全性、可靠性、灵活性和经济性三项基本要求。（1）必须保证供电的安全性
安全性包括设备安全和人生安全，要满足这一点，必须按照国家标准和规范的规定，正确选择电气设备及正常情况的监督系统和故障情况下的保护系统，考虑各种人身安全的技术措施。
（2）必须保证供电的可靠性
可靠性是指主接线应满足不同负荷的不中断供电，且保护装置在正常情况下不误动，发生事故不据动，能尽快地缩小停电范围。因此主接线应力求简单清晰。
（3）要具有一定的灵活性
用最小的切换能适应不同的运行方式，适应调度的要求，并能灵活简单迅速地倒换运行方式，使发生故障时停电的时间最短，影响范围最小。因此，主接线必须满足调度灵活，操作方便的基本要求。
（4）经济上应合理
即在保证以上要求的条件下，保证需要的投资最小。在主接线设计时主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间，于是主接线可靠灵活必须要选用高质量设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下，做到经济合理，主要从投资省、占地面积少、电能损耗小等几个方面综合考虑。
总的来说，以设计任务书为依据，以有关技术规范、规程为标准，结合具体工作的特点，准确基础资料，全面分析，以确定方案，做到既有先进技术又经济实用。
3.2.2 35kV主接线方式的确定
本矿井距离#I区域变电所4km，进线较短，矿井对于供电部门来说是一类负荷，故区域变电所应对矿井采用有备用系统中的双回路供电或与其它矿井形成环形供电电网。本矿规模比较大，还是采用全桥双回路较好，即采用双母线分段接线方式，所以，35kV进线回路为2。这样优点是操作方便、运行灵活、供电可靠、易于发展。缺点是设备多、投资大、变电所占地面积广。
当采用两台变压器分裂同时运行时，变压器的有功损耗为101.0kW，无功损耗为275.23kvar。当采用两台变压器一备一运时，变压器的有功损耗和无功损耗都将增大，从经济合理的角度出发，本矿主变压器正常情况下采用两台变压器分裂同时运行。
3.2.3 6kV主接线方式的确定
6kV主接线根据矿井为一类负荷的要求和两台主变压器分裂运行的情况下确定为单母线分段。
3.3 负荷分配
考虑一、二类负荷必须由联于不同段母线的双回路供电，再将下井回路和地面低压分配于各段母线上，力求再生产时两段母线上的负荷接近相等。具体分配方案见图3-1。
3.4 下井电缆回数的确定
矿井井下由4台排水泵，每台额定功率为600kV A ，需用系数9.0=S K ，功率因数89.0cos =?。由以上数据得主排水泵的有功、无功计算负荷为：
有功损耗：
216060049.0=??==∑e S ca P K P kV A 无功损耗：
6.1101216051.0tan =?==ca ca P Q ?kvar
由矿区负荷统计表2-1，井下总计算负荷为：
392017602160=+=∑jz P kW 3144.9
2043.36.1011=+=∑jz Q kvar ()()
62.50252
2=∑+∑=
∑jz
jz
jz Q P S kV A
井下最大长时工作电流： 6.4836
362.50253max =?=
∑==n jZ
js g U S I I A
规程规定，下井电缆必须采用铜芯，而井下开关的额定电流有限，故下井电缆至少要两根；另外，下井电缆的选择原则还要求，当一回电缆因故停止时，其它电缆应能满足井下全部计算负荷的供电，所以确定下井电缆的回数由补充擦材料知：
()()1333009.102.12
21221++++=N
n U Q Q P P C
式中
1P ，1Q －井下主排水泵计算有功、无功负荷；
2P ，2Q －井下低压总的计算有功、无功负荷； 330－指下井用铜芯电缆的最大允许负荷电流；
1－规程规定所需要的备用电缆。
()()44.213
.633303.204309.16.1101176002.121602
2=+??++?+=
n C
故取下井电缆根数为4。
4 短路电流计算
短路点的设置见图4-1，短路电流计算系统图见图4-1，等值电路图见图4-2。
4.1 短路的原因
主要原因是电气设备载流部分绝缘所致。其他如操作人员带负荷拉闸或者检修后未拆除地线就送电等误操作；鸟兽在裸露的载流部分上跨越以及风雪等现象也能引起短路。
4.2 短路的种类
在三相供电系统中可能发生的短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。第一种是对称短路，后两种是不对称短路。一切不对称短路在采用对称分量法后，都可以归纳为对称短路的计算。
4.3 短路的危害
发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因此短路电流可能达到很大的数值。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧坏电气设备；短路点的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行破裂，引起严重后果。不对称短路所造成的零序电流，会在邻近的通讯线路内产生感应电势，干扰通讯，亦可能危及人身和设备安全。
4.4 短路电流计算的目的
（1）在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需要进行必要的短路电流计算。
（2）在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
（3）在设计户外高压配电装置时，需按短路条件效验软导线的相间和相对地的安全距离。
（4）在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短