采矿工程类论文

机电一体化毕业设计

前言

变电所是电力系统的重要主成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系的煤矿变电所和和矿井的中间环节，起着变换和分配电能的作用供电系统是主要环节，产电力主接线拟定直接关系全生。

由于我国的煤矿事业发展较为迅速，也是一个煤业大国。这样就要求对煤矿企业要有一个完整、且合理的供电系统。好的供电系统，对于企业来说，可以更好的利用和分配电力资源。促进安全生产和降低成本等。由于煤矿生产是井下作业，生产场所空间狭小，空气潮湿，顶板有压力，井下有涌水而且还有瓦斯和煤尘。特别是采掘工作面，电气设备移动频繁，负荷变化大；大型采掘设备直接启动，强大的电流冲击着电网，因此，变电所供电必须保证矿井供电安全、可靠、经济，且有良好的供电质量和供电能力。 总之，本供电系统为了矿井安全生产所服务为目的。设计一套完 整、完

善的矿井供电系统，对煤矿安全生产是必不可少的。

摘要

本论文是富强矿煤矿地面变电所供电系统的设计说明。设计的目的是通过对该电力用户所处的地区供电条件等电力负荷资料的分析。

电能是现在工业生产的主要能源和动力。电能既易于由其他形式的能量转换而来，又易于转换为其他形式的能量以供应用；因此，电能在现在工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛。

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这次论文设计使我了解设计的要求和设计的内容，更加深刻了解课本中的内容，使知识与理论相结合，使基础知识与实际操作紧密联系。尤其对主接线，电气设备以及电力系统的选择方法进一步掌握。

由于水平有限，论文中难免出现错误和不妥之处，希望老师指正。

目 录

第一章 矿井（区）概述 ................................... 1

第一节 概述 .......................................... 1 第二节 电源 .......................................... 1 第三节 变电所的任务和位置 ........................... 3 第二章 变压器选择 ........................................ 4

第一节 用电负荷计算 .................................. 5 第二节 无功功率补偿 .................................. 7 第三节 低压动力变压器或所有变压器台数和容量的确认 ... 9 第三章 变电所的接线和布置 ............................... 15

第一节 变电所的主接线 ............................... 15 第二节 变电所屋内外布置............................. 17 第四章 短路电流计算 ..................................... 19

第一节 计算短路电流的意义和短路点的选择 ............. 19 第二节 系统的最大、最小运行方式 ..................... 20 第三节 短路参数计算 ................................. 24 第四节 短路电流计算 ................................. 26 第五节 大容量电动机对短路电流的影响 ................. 28 第六节 短路电流的限制 ............................... 28 第五章 高压电气设备的选择 ....................................................... 30

第一节 选择高压电气设备的原则 ....................... 30 第二节 成套配电装置的选择 ........................... 30 第三节 母线与绝缘子的选择 ........................... 34 第四节 隔离开关、断路器、熔断器的选择 ............... 37 第五节 电流互感器和电压互感器的选择 ................. 37

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第六章 继电保护与自动控制 ............................... 39

第一节 高压配出线保护 ............................... 39 第二节 静电电容器保护 ............................... 41 第三节 高压配电母线的保护 ........................... 41 第四节 变电所的进线保护 ............................. 41 第五节 电力变压器保护 ............................... 43 第七章 变电所的防雷措施 .................................. 47

第一节 变电所的防雷装置 ............................. 47 第二节 接地装置 ..................................... 51 其他 ..................................................... 52

致谢 ................................................. 52 参考文献 ............................................. 53

附录 ............................................. 54

第一章 矿井（区）概述

第一节 概 述

本设计是一所35/6kV的富强矿井地面变电所，占地2200m2。矿井年产量60万吨，采用一对竖井开拓，中央边界式通风。矿井为低沼气矿井，没有煤尘爆炸危险，但涌水量较大。

矿井最高温度为400C，冻土带厚度为0.5m，地面变电所为黄土，变电所与副井口的距离为450m，井筒深度为350m。矿井所在地区电业部门按最高负荷收费，变电所6kV高压电缆长为28km，6kV架空线全长为20km，风井距变电所距离为2.5km。区域变电所最大运行方式阻抗为0.25，最小运行方式阻抗为0.4，对本矿的引出线为过电流保护，动作时限为2.5s。

第二节 电 源

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

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技术和经济方面合理的满足生产的需要。

一. 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5%,频率偏移不能超过

0.20.5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。

二. 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。

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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。

第三节 变电所的任务和位置

电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。为保证电能的质量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流（电力系统中各节点和支路中的电压、电流和功率的流向及分布）控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。按用途可分为电力变电所和牵引变电所（电气铁路和电车用）。电力变电所又分为输电变电所、配电变电所和变频所。这些变电所按电压等级可分为中压变电所（60千伏及以下）、高压变电所（110～220千伏）、超高压变电所（330～765千伏）和特高压变电所（1000千伏及以上）。按其在电力系统中的地位可分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。

变电所由主接线，主变压器，高、低压配电装置，继电保护和控制系统，所用电和直流系统，远动和通信系统，必要的无功功率补偿装置和主控制室等组成 。其中 ，主接线、主变压器、高低压配电装置等属于一次

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系统；继电保护和控制系统、直流系统、远动和通信系统等属二次系统。主接线是变电所的最重要组成部分。它决定着变电所的功能、建设投资、运行质量、维护条件和供电可靠性。一般分为单母线、双母线、一个半断路器接线和环形接线等几种基本形式。主变压器是变电所最重要的设备，它的性能与配置直接影响到变电所的先进性、经济性和可靠性。

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。

第二章 变压器选择

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

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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。

第一节 用电负荷计算

一、 负荷统计 矿井负荷统计表

12 2冶炼厂 0.4 ＃11 10 序 顺9 8 7 6 5 4 3 2 1 表2-1 矿井负荷统计表

1冶炼厂 井下变电无轨电车 副井绞车 主井绞车 设备名称 ＃西风井 6.3 锅炉房 0.4 压风机 6.3 矸石山 东风井 煤楼 所 （kV） 电压6.3 0.4 7

0.4 6.3 6.3 6.3 0.4 6.3 功率因数(cos需用系数（Kd） 荷Pca（kW） 荷Qc（ skvar）0.81 0.8 0.75 0.78 0.65 0.6 0.4 0.8 0.7 0.65 0.75 0.76 0.6 296.4 130 720 60.8 200 3920 463.2 675 342 285 176.4 648 401.6 155.3 176.7 222.3 97.5 540 52.3 124 3144.9 347.3 418.3 292.4 φ) 0.85 0.75 0.85 0.8 0.8

有功计算负无功计算负视在计算负荷Sca（kVA） 762.4 235.2 335.3 370.5 162.5 900 80 250 5025.6 579 794.2 450 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

0.76 0.8 0.78 0.8 0.85 二、 负荷计算

（1）主井绞车：

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0.8 PN800kW Kd0.81 cos0.85

有功计算负荷：

PcaKdPN8000.81648kW

无功计算负荷：

QcaPcatan6480.62401.6Kvar

视在计算负荷：

ScaPcacos6480.85762.4kVA

（2）煤楼：

Kd0.8 cos0.75

额定功率：

Pe3150.7220.5kW

有功计算负荷：

PcaKdPe220.50.8176.4kW

无功计算负荷：

QcaPcatan176.40.88155.3kvar

视在计算负荷：

ScaPcacos176.40.75235.2kVA

（3）东风井：

PN380kW Kd0.75 cos0.85

有功计算负荷：

PcaKdPN3800.75285kW

无功计算负荷：

QcaPcatan2850.62176.7Kvar

视在计算负荷：

ScaPcacos2850.85335.3kVA

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（4）副井绞车

PN380kW Kd0.78 cos0.8

有功计算负荷：

PcaKdPN3800.8296.4kW

无功计算负荷：

QcaPcatan296.40.75222.3Kvar

视在计算负荷：

ScaPcacos296.40.8370.5kVA

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:

PcaPca1Pca2Pca3Pca12

648176.42853427916.8kW

QcaQca1Qca1Qca1Qca12

401.6155.3176.7292.45972.6kvar

第二节 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： QCPtan1tan2 或QCPqC

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式中

QC－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； qC－补偿率，千乏/千瓦；

tan1、tan2－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： QCPcatan1tan2

6760.560.810.432569.01kvar

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：

N2569.0115017.13

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： QC181502700kvar 补偿后矿井变电所的总无功功率为： Qz5494.6627002794.66kvar

补偿后的功率因数为：

Qzcoscostan1P0.924>0.9

ca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。

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：

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PT0.015Pca0.0156760.56101.41kW QT0.06QZ0.062794.66167.68kvar

变电所35千伏母线总负荷：

PZPcaPT6760.56101.416861.97kW

QZQzQT2794.66167.682962.34kvar SZPZQZ7474.1kVA

22第三节 低压动力变压器或所有变压器台数和

容量的确认

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：PcaKdPe1520.460.8kW 无功功率：QcaPcatan60.80.8652.3kvar

视在功率：Sca台。其技术数据如下表：

容量kVA 高压额低压额Pca60.880kVA cos0.76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

阻抗电压％ 空载电流％ 空载损耗kW 负载损耗kW 定值kV 定值kV 12

100 6.3 0.4 4 1.6 0.29 1.5 变压器损耗计算： 有功损耗：

2 PTP0Pk

Sca800.8 Sn1000.291.51.79kW

无功损耗：

QTQ02Qk

I0%2Uk% 100100Sn

 ＝4.16kvar 2 非生产负荷以1冶炼厂为例

#

有功功率：PcaKdPN0.61200720kW 无功功率：QcaPcatan7200.75540kvar 视在功率：SccaPca720900kVA cos0.8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：

容量kVA 1000 高压额低压额阻抗电压％ 4.5 空载电流％ 0.7 空载损耗kW 1.7 负载损耗kW 10.3 定值kV 定值kV 6.3 0.4 变压器损耗计算：

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有功损耗：

Sca9000.9 Sn10002 PTP0Pk

1.710.312kW 无功损耗：

QTQ02Qk

I0%2Uk%100100Sn 43.45kvar

一、 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：

PT36.8kW

变压器总无功损耗：

QT132.58kvar

负计算顺序 荷容量 名KVA 称

高台型号 数 额定14

低阻抗空载电有功损耗kW 无功损耗kvar 压电额压％ 流％ 定压

值kV 煤1 楼 235.2 S9-250/10 值kV 4 1.2 3.61 11.9 2 6.3 0.4 1#冶2 炼厂 无轨3 电车 锅4 炉房 579 S9-630/10 2 6.3 0.4 4.5 0.9 7.4 29.62 80 S9-100/10 1 6.3 0.4 4 1.6 1.79 4.16 900 S9-1000/10 1 6.3 0.4 4.5 0.7 12 43.45 2#冶5 炼厂 表2-2 地面低压变压器的技术参数及损耗

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：

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450 S9-1000/10 1 6.3 0.4 4.5 0.7 12 43.45

SbKsbPca。 cos式中：Ksb－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。

二、 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Ks

，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，

Ks

取0.9；在5000千瓦以上时Ks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： PcaPcaPT

＝7916.8＋36.8＝7953.6kW QcaQcaQT

＝5972.6＋132.58＝6105.18kvar

对于有功Pca7953.6kW>5000kW，取Ks＝0.85；对于无功

Qca6105.18kW>5000kW,取Ks＝0.9。由此得到全矿区总计算符合：

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有功功率：PcaKsPca0.857953.66760.56kW 无功功率：QcaKsQca0.96105.185494.66kvar 视在功率：Sca 功率因数：cosP2caQ2ca8711.86KVA

Pca0.78 Sca三、 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

则每台编译器的容量为：

Ksb0.85

STKsbPZcos0.856861.976312.420.924kVA

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：

容量kVA 8000 高压额低压额阻抗电压％ 7.5 空载电流％ 0.55 空载损耗kW 8.5 负载损耗kW 42.0 定值kV 定值kV 35 6.3 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：

ST6312.420.395 2Sn2800017

有功损耗：

PT2P022Pk

28.5242.0101.0kW 无功损耗：

2 QT2Q02Qk

I0%2Uk% 2100100Sn275.23kvar

由以上计算，则35千伏母线总负荷为：

PZjPcaPT6760.56101.06861.56kW

QZjQzQT2794.66275.233069.89kvar SZjPZQZ7517.0kVA

22四、 全矿年电耗与吨煤电耗

取最大有功负荷年利用小时数Tmax3500小时，则年电耗An为： AnPZjTmax6861.56350024015460度 则吨煤电耗At为：

At

An2401546040.03度/吨 t600000

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第三章 变电所的接

线和布置

第一节 变电所的主接线

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矿井的35kV备用线路；II矿井正常运行情况下由II区域变电所用双回路供电。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。

######一、 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

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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。

二、 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。

20

三、 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。

四、 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。

第二节 变电所屋内外布置

一、 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。变电所布置方案见图1-1。

21

二、 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600kVA，需用系数KS0.9，功率因数cos0.89。由以上数据得主排水泵的有功、无功计算负荷为：

有功损耗：

PcaKSPe0.946002160kVA 无功损耗：

QcatanPca0.5121601101.6kvar

由矿区负荷统计表2-1，井下总计算负荷为：

Pjz216017603920kW

22

Qjz1101.62043.33144.9kvar

SjzPQ2jzjz25025.62kVA

井下最大长时工作电流： IgmaxIjsSjZ3Un5025.6236483.6A

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：

Cn式中

P1，Q1－井下主排水泵计算有功、无功负荷；

P11.02P22Q11.09Q223303UN1

P2，Q2－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。

Cn21601.02176021101.61.092043.3233036.312.44

故取下井电缆根数为4。

第四章 短路电流计

算

23

第一节 计算短路电流的意义和短路点的选

择

（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路电流为依据。

（5）接地装置需根据短路电流进行设计。

一、 进行短路电流计算的基本假设

供电系统短路的物理过程是很复杂的，影响因素也很多。为了简化分析和计算，采取一些合理的假设以满足工程的需要。通常采用以下假设：

供电系统短路的物理过程是很复杂的，影响因素很多，为了简化分析计算，采取一些合理的假设以满足工程的需要，通常采用以下假设：

忽略此路的饱和与磁滞现象，认为系统中各元件参数一定。

（2）略各元件的电阻。高压电网的各种电气元件，其电阻一般都比电抗小的多。一般当电阻大于13电抗时才考虑。

（3）忽略短路点的过渡电阻。过渡电阻是指相与相之间短接所经过的电阻，如被外来物体短接时，外来物体的电阻、接地短路的接地电阻、电弧短路的电弧电阻等。一般情况下，都以金属性短路对待，只在某些继电保护的计算中才考虑过渡电阻。

（4）除不对称故障出现局部不对称外，实际的电力系统通常都可以当作相对称的。

24

二、 短路电流计算的标么值法

对较复杂的高压供电系统，计算短路电流时采用标么制进行计算比较简便。标么制属于相对电位制的一种，在用标么制计算时，各电气元件的参数都用标么值表示。

在短路计算中所遇到的电气量有功率、电压、电流和电抗等四个量。某一电气量的标么值就是它的实际值（有名值）与一个预先选定的同单位的基准值的比值。下面我们就要标么值法进行短路电流的计算。

第二节 系统的最大、最小运行方式

1 0.36

K1点短路：

（1）最大运行方式：

xmin0.6333 

25

1I0.2IIK IKId111xminId1

11.562.46kA 0.63331x1S0.2S SKSd

min 1100158MVA 0.633312.552.466.27kA ish12.55IK11.522.463.74kA Ish11.52IK（2）最小运行方式：

xmax0.7027

1 IK1xmaxId111.562.22kA 0.7027210.8662.221.92kA IK0.866IK1K2点短路：

（1）最大运行方式：

xminX1X30.63330.928751.5621

2I0.2I IK1xId2

min 

19.165.86kA 1.562126

2S0.2SSK1xminSd

110064MVA 1.5621（2）最小运行方式：

xmaxX1X30.70270.928751.63145 2IK1xmaxId219.165.61kA

1.63145220.8665.614.86kA IK0.866IK2K15点短路：

（1）最大运行方式：

xminX1X30.63330.928751.56205 15I0.2I IK1xminId2

19.165.87kA

1.5620515S0.2S SK1xminSd

11.5620510064.02MVA

152.555.8714.97kA ish152.55IK151.525.878.93kA Ish151.52IK（2）最小运行方式：

27

xmax0.70270.928751.63145

15 IK1xmaxId219.165.62kA

1.631452150.8665.624.87kA IK0.866IK15K3点短路：

（1）最大运行方式：(下井电缆两并行运行)

xminX1X3X42

 0.70270.928750.120921.6919

3I0.2I IK1xminId2

19.165.42kA 1.69193S0.2S SK1xminSd

110059.11MVA 1.6919132.555.4213.82kA ish32.55IK31.525.428.24kA Ish131.52IK（2）最小运行方式：

xmaxX1X3X4

0.70270.928750.12091.75235

28

3IK1xmaxId219.165.23kA1.75235230.8665.234.53kA IK0.866IK3以上只对短路点K1，K2，K15，K3进行了计算，其它的短路点计算结果，列表4-1给出，不再列出详细的计算过程。

4-1 短路参数计算结果汇总表

运行方式 短路参数 最大运行方式 3IKkA SKMVA ishkA 最小 备注 2IshkA IKkA K1 2.46 5.86 5.42 5.68 5.65 158 64 6.27 17.29 3.74 8.91 8.24 8.63 8.59 1.92 4.86 4.53 4.72 4.69 35kV母线 6kV母线 30板井下变电所 4板，主井 9板，副井绞车 K2 K3 59.11 13.82 62.02 15.57 62 14.41 K4 短路点 K5 K6 K7 K8 K9 4.66 51 11.88 7.08 3.90 39板，西风井 5.77 63 14.72 8.77 4.79 5板，水处理 27板，无轨电车 5.79 63.2 14.76 8.80 4.80 1.64 18.0 4.18 29

2.49 1.42 23板，冶炼厂

K10 5.72 4.91 5.69 5.19 5.61 5.87 62.4 14.58 8.69 7.46 8.65 7.89 8.53 8.93 4.75 4.10 6板，东风井 19板,矸山 K11 K12 K13 53.64 12.53 62.17 14.51 56.7 13.23 4.73 28板，压风机 4.33 41板，冶炼厂 4.66 36板，锅炉房 4.87 29板，电抗器 K14 K15 61.25 14.31 64.02 14.97 第三节 短路参数计算

在煤矿供电系统中，由于电力系统的容量大，故短路电流可能达到很大的数值。如不加以限制，不但设备选择困难，且也不很经济。故增大系统电抗，限制短路电流是必要的。加载电抗器的目的就是为了限制短路电流。

由短路计算井下短路容量：

3Sd5.4210054.2MVA StIKSt>50MVA，按规定6kV当断流容量在100MVA时，应折半使用，仅为50MVA，

因此需选择限流电抗器。

一、 电抗器的选择

下面我们由井下负荷计算下井总负荷电流。井下负荷为： Pca3920kW Qca3144.9kvar cos0.78 则下井总负荷电流：

30

IZPca3Uncos3920360.78483.6kA

下井电缆为四根，如果其中一根发生故障，其余三根要负担全矿井下负荷电流，此时，每根电缆通过的电流为：

IgmaxIZ3483.63161.2kA

为限制井下短路电流，按规程规定则系统总阻抗为：XZSdS100502

*因下井电缆为四根，分裂运行，每两根并联，故应串入的电抗为： Xk2XZX*221.560.88

**式中X*为系统在最大运行方式电抗前的最大阻抗。

母线电压为6kV，由以上计算的负荷电流，及一条电缆损坏时，其余三条供电的条件，可选用UNL6kV，INL200A的水泥电抗器四台，每台电抗器计算如下：

XIU0.880.26.3 XL%kNLd1002.1%

Id2UNL9.166由计算，我们可选用型号为NKL－6-200-3的水泥电抗器，此电抗器百分值为XL%＝3％

*

二、 电抗器的电压损失校验

正常工作时电抗器的电压损失不宜大于额定电压的5％，按下式计算如

31

下：

U%XL%满足要求。

In161.2sin3%0.671.62%5% IN200三、 短路电流的修正

加入电抗器后，影响到下井电缆的短路电流，即影响短路点K3。 电抗器：

SxL%URN36100Xd21.309 21001006.33IRNUd30.2K3点短路：

（1）最大运行方式：(下井电缆两并行运行)

xminX1X3XX421.69191.3093.0029 19.163.06kA 3.002913 SK10033.31MVA

3.00293 IK ish32.553.067.81kA Ish131.523.064.65kA

（2）最小运行方式：

xmaxX1X3XX41.752351.3093.06134  32

3IK1xmaxId219.163.01kA3.06134

230.8663.012.61kA IK0.866IK3短路容量St30.6MVA<50MVA，符合要求。 四 作出等值电路图

等值电路图如图4-1所示，图中元件所标的分数，分子表示元件编号，分母表示元件电抗标么值。

图4-1 等值电路图

第四节 短路电流计算

本矿井主井绞车电动机，副井绞车电动机、压风机及东风井风机电动机总容量超过定值（800kW及以上），且距6kV母线距离很近，计算K2点（6.3kV）短路参数时考虑附加电源，计算K4点短路参数时考虑主绞车电动机的影响，其它短路点不考虑附加电源。

一、 计算各元件的电抗标么值

选取基准容量：Sd＝100MVA

选取短路点所在母线的平均电压为基准电压，即：

1001.56kA 计算K1点，选取Ud＝37kV，Id1337计算K2点及其其它短路点时，选取Ud＝6.3kV，

Id2

10036.39.16kA

33

37kV母线最大运行方式时系统阻抗xsmin＝0.6333，小运行方式时系统阻抗为ssmax＝0.7027。

主变压器：x2x3电缆线路：

x4xLLSd1000.080.60.1209 22Ud6.3Sd1000.080.250.0504 2Ud6.32Uk%Sd7.431000.92875 100STN1008 x5xLL x6xLLSd1000.080.300.0605 2Ud6.32Sd1000.082.00.4031 22Ud6.3Sd1000.080.120.0242 2Ud6.32Sd1000.080.100.0202 2Ud6.32Sd1000.080.200.0403 22Ud6.3 x7xLL x8xLL x9xLL x10xLL 34

x11xLLSd1000.081.500.3023 2Ud6.32Sd1000.080.230.0464 22Ud6.3Sd1000.081.000.2016 22Ud6.3Sd1000.080.350.0705 2Ud6.32 x12xLL x13xLL x14xLL架空线路：

x15xLLSd1000.44.004.0312 22Ud6.3

第五节 大容量的电动机对短路电流的影响

正在供电系统中,出现次数比较多的严重故障是短路,我们通常在计算系统短路电流时常忽略各元件电阻,使得短路电流计算值和短路容量计算值结果往往偏大,使得在继电保护上不够灵敏和造成电气设备选择上不够经济。工厂供电系统的负荷主要是同步电动机和异步电动机。当系统发生突然三相短路时,正在运行中的电动机将与电网电压的下降反电势大于外加电压,电动机变为发电状态运行,成为一个附加电源,向短路点馈送电流,在短路电流计算时应考虑在内。

第六节 短路电流的限制

电力系统在运行中相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连

35

接(短路)时流过的电流称为短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约占全部短路故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电流许多倍。短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10～15倍，在大容量的电力系统中，短路电流可高达数万安培。

短路电流的危害

短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的突然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。

短路电流的限制措施

为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外，还应考虑采用限制短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；加装限电流电抗器；采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：

一是做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定

36

电压要和线路的额定电压相符。

二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。

第五章 高压电气设

备的选择

第一节 选择高压电气设备的原则

变电所电气设备和导体的选择是根据环境条件和供电要求确定其型号和参数的，保证电气设备正常运行时安全可靠，故障时不导致损坏，并在技术合理的情况下注意节约。还应根据电能需求和国内供应能力运筹兼顾，条件允许时优先选用先进设备，并且按照环境条件、电网电压、长时工作电流、动稳定性能校验、热稳定性能校验的要求综合考虑，合理选取电气设备和载流导体。

第二节 成套配电装置的选择

1. 所用变压器选择

选用S9-50/35型变压器两台。技术参数如下：

空载损耗P0210W 负载损耗Pk1220W 空载电流Pk1220W

37

阻抗电压Ud%6.5% 2. 高压熔断器的选择

保护35kV所用变压器选用RW10－35/2型高压熔断器，额定电流为2A，最大三相断流容量为600MVA。需选用两台。

保护电压互感器的熔断器选用RW10-35/0.5型户外限流熔断器两台。此熔断器额定电流为0.5A，三相断流容量2000MVA。 3. 35kV避雷针选择

矿用变电所避雷针一般选用FZ-35型，选用两组分放在35kV两段母线上，配用放电记录仪JS-4型两台。 4. 高压开关柜的选择

根据本矿变电所主接线系统，地面6kV配电装置选KGN－10型高压开关柜35面。大致分为下面几个类型：进线柜、电压互感器和避雷器柜、电容器柜、联络柜和其它出线柜、备用柜等。

（1）进线柜

因是总开关，负荷电流较大（Igmax770A），同时还要测三相电流，所以选用KGN－10－08作为进线柜。其额定电压为1000A。柜中断路器、隔离开关的选择校验结果见表5-1。

（2）电压互感器和避雷器柜

选用KGN-10-52型综合柜，因流过它的电流较小，并且不需要测电流，所以，只需要一个隔离开关就行了。

（4）变压器柜

因为变压器容量为250－1000kVA，同时考虑互换性，故应选用带油断路器的开关柜，同时还要了解变压器电能的消耗和满足继电保护的要求，需要两只电流互感器。所以选用KGN-10-03型高压开关柜。

（4）电容器柜

因电容器总容量为2700kvar（大于400kvar），用断路器控制。同时还要测三相电流，应装两个电流互感器，所以选用KGN-10－03作为电容器柜。额定电流为630A。03柜中断路器、隔离开关的选择校验结果与进线柜一样，详见表5-1。

38

（5）联络柜

本变电所容量比较大，采用油开关联络，并由KGN-10-22和KGN-10-57两个柜组成，其额定电流为1000A。柜中断路器、隔离开关的选择校验同进线柜，详见表5-1。

（6）其它出线柜

本设计为了避免开关柜型号过多，并且有一定的互换性，所以其他柜均选用KGN-10-07型高压开关柜。为了满足保护与测量的要求，都装有两个电流互感器。其额定电流为630A，断路器的两端均装有隔离开关，以保证在双电源回路中检修的安全。柜中断路器、隔离开关的选择校验结果与进行柜校验一样，详见表5-1。

（7）高压开关柜选型汇总

由负荷的性质，大小选用高压开关柜的型号如下表5-2所示。

型号 KGN-10-08 KGN-10-22 KGN-10-57 KGN-10-52 KGN-10-03 KGN-10-07 数量 2 1 6kV母线联络柜 1 电压互感器避雷针2 柜 5 15 变压器柜 其它出线柜 630A 630A 630A 100A 名称 进线柜 额定电流 1000A 表5-2 高压开关柜选择汇总表

合计26个柜，取25％的备用柜，共需要33个柜，备用7个柜。 5. 6kV供电导线的选择

对于高压电缆的选择一般按经济电流密度选，按长时允许电流的最小热稳定截面进行校验。在此选用油浸纸绝缘铝包铠装带装电缆。

具体选择见下表5-3。 名称 型号

主井绞车 ZLQD5-6-3副井绞车 ZLQD5-6-339

压风机 ZLQD5-6-3地面低压 ZLQD5-6-3

70 主井提升（双回路）则：

35 35 35 现面以主井绞车为例，进行选择校验。

Ig Sj1S762.436.7A

23U236IgJj36.72

21.22mm1.73选用导线型号为ZLQD5-6-370。

校验：其长时允许电流为145A>73.4A 满足要求。 热稳定性 SminItjC56800.7553.43mm2<70mm2 95校验符合条件。 6. 6kV架空线的选择

6kV架空线一般选用铝绞线。导线截面按经济电流密度选，按长时允许电流进行校验，并校验其电压损失是否符合要求。这里我们选用LJ-16型导线作为6kV架空线。

下井电缆为4根，由于受工作环境与条件的限制，必须用耐拉的电缆，本设计中选用粗钢丝铠装铅包钢芯电缆。 7. 下井电缆选择计算

负荷电流为： Ig1Sca15025.6120.9A

43U436则 SjIgJj120.953.7mm2 2.25选ZQD5-6-370型号电缆。 8. 允许电压损失校验

允许电压损失为：UY60005%300V

40

实际电压损失为：UPL392060042.14V

SUND62..026150因为UYU，符合条件。 9. 热稳定性校验

SminItjC54200.7522

49.41mm<70mm 95热稳定符合条件。

下井电缆选用ZQD5-6-370型号电缆。

10. 穿墙套管的选择

选用户外式铝导线的穿墙绝缘子，型号为CWLB-10/1000 ，套管长度为0.6m，最大破坏力为7358N，5s的热稳定电流为20kA。由于环境最高温度为48C，其长时允许电流为：

0

1000 Ial（1）动稳定校验

8048894A770A长时允许电流符合条件。 40已知L＝105cm，a＝25cm 则其电动力为：

2F0.172ishL1050.17217.292216.0N a25 F216.0N0.6Fp0.673584415N 则动稳定性符合要求。 （2）热稳定校验

假想时间为tj2.7s，其热稳定电流为：

Its.QI

tj55.862.74.3120kA 541

则热稳定符合条件。

第三节 母线与绝缘子的选择

一、 35kV母线选择

矿井为一级负荷，对于矿井变电所的主接线，我们已经选用全桥接线方式。本设计中两回进线采用分裂运行，正常情况下每回母线只负担全所总负荷的一半；但当一台变压器故障时，长时最大负荷即等于变压器的额定容量。此时流过母线的负荷电流为：

3U335母线选择，一般按长时工作电流选择，用短路条件校验其动、热稳定性。母线截面按允许截流量选择：

IfS8000131.97A

IalIar.mIf131.97A

由此，初选35kV母线型号为LGJ－95，查得其额定电流为335A（400C）。由于所处环境最高温度为480C，则其长时允许电流为：

Ial Ialal.m7048335234.24A

al.m257025考虑到动稳定性，母线采用平放，其允许电流值应再较低8％，

故为：

Ial234.240.92215.50A>131.97A 长时允许电流负荷要求。

以上计算，从截流量考虑此母线已经满足要求，但还需进行热稳定校验。下面就进行短路热稳定校验。

42

SSminItiC2460252.72mm2<90 mm2 66满足热稳定要求，可将型号为LGJ－95的钢芯铝绞线作为35千伏屋外配电装置的母线。

35kV室外母线瓷瓶选用悬式绝缘子，组成绝缘串，作为母线绝缘瓷瓶，每组绝缘子常为4个。

35kV架空线的选择和母线的选择校验一样，不再详述，35kV架空线选用LGJ-95钢芯铝绞线。

二、 6kV母线选择

（1）按正常持续电流选择，考虑最大持续电流，计算得：

Inmax770A

拟选定铝母线LMY－808，平放在40C最大允许截流量为1260A。 由于环境温度最高为48C，则其长时允许电流为：

0

0

Ial Ialal.m70481260881.0A

al.m257025考虑到动稳定性，母线采用平放，其允许电流值应再较低8％，故为： Ial881.00.92810.6A>770A 长时允许电流负荷要求。 （2）热稳定性校验

下面就进行短路热稳定校验。 SSminI热稳定性符合要求。 （3）动稳定性校验

已知L＝121.8cm，a＝25cm。由于采用中间进线，故并联运行时，母线

43

tiC5860285.44mm2<640mm2 97

所受的电动力最大，其数值为：

L121.80.17217.292250.5N a25FL250.51.218母线最大计算应力为：M30.51Nm

1010M30.513.1106N/m2 母线的计算应力为：i29W10061062F0.172ish62因为i68.610N/m ，动稳定性符合要求。

6kV母线选用LMY-808型，符合要求。

三、 母线支柱绝缘子的选择

由于母线为单一矩形母线，且面积不大，故选用ZNA－6MM型户内式支柱绝缘子，其额定电压为6kV，破坏力为3679N，故最大允许抗弯力：

Fal.m0.6Fm.s0.636792207N

因为是单一母线平放，其换算系数为K1，故 KF2154NFal.m 动稳定符合条件。

第四节 隔离开关、断路器、熔断器的选择

一、 高压断路器的选择

变电所35kV配电装置采用室外布置，因此，选用多油断路器。按最严重的情况考虑，若一台变压器故障，则另一台变压器承担全部负荷。多油断路器选用DW8-35型多油断路器，选用与此配套的CD11-X型直流电磁操作机

44

构，共需要选五台。校验结果见表5-1。

5.4.2 35kV隔离开关的选择 （1）35kV进线隔离开关选择

为了便于检修时接地，35kV进线隔离开关应选用带刀闸的，拟选用隔离开关型号为GW5-35GD/1000，共需选用两台。校验结果见表5-1。

（2）母线桥和35kV出线隔离开关选择

拟选用GW5-35G/1000型隔离开关，共需选用8台。其校验和35kV进行隔离开关的校验一样，具体校验结果见表5-1。

以上选用的10台隔离开关操动机构均为CS-G。

第五节 电流互感器和电压互感器的选择

一、 电压互感器的选择

本矿区变电所为终端变电所，选JDX6-35型户外单相三线圈油浸式全封闭结构电压互感器两台，用于电压、电能测量及继电保护之用，分别装于35kV母线的两段上。

二、 电流互感器的选择

35kV变电所进线处的电流互感器是供电流、电能测量及继电保护用的，故选用LB6－35型油纸绝缘、全密封的电流互感器。最高工作电压40.5kV，额定二次电流为5A。

靠近变压器处的电流互感器是装在DW13-35型多油断路器电容式套管中的，可供变压器保护装置用，故选用LRD－35型，额定电流300A，装入式电流互感器。

其它选用LR－35型，额定电流为300A，装入式电流互感器。 校 验 按电 按电 按断流容量动稳定 热稳定校验 压选 流选 选 校验

45

型 号 UeUg IeIg SeS IgfIch ItttItj It tt Ue Ug 35kV进线35 35 断路器kV kV DW8-35 35kV进线35 35 隔离开关kV kV GW5-35G 6kV进线10 柜断路器kV kV SN10-10II 6kV进线柜隔离开关GN19-10c 10 6 6 Ie Ig Se S Igf Ich 64 MVA 41 17.4 kA kA I tj 16.5kA 4s 5.9kA 2s 600 132 10000 A A MVA 33>8.35 14kA 600 132 A － － kA kA 31.3>8.35 31.5kA 2s 1000 770 A A 500 MVA 63.2 80 14.8 MVA kA kA 44.5>8.2 31.5A 4s 1000 770 － kV kV A A － kA kA 63>8.2 80 14.8 5.8 2s 5.8 2s 50 17.4 5s 5.9kA 2 表5-1 高压断路器、隔离开关校验结果表

第六章 继电保护

46

与自动装置

第一节 高压配出线保护

以主井回路为例，对6kV出线保护进行说明。主井回路设置速断保护和过流保护，具体选型和校验如下。

（1）设置速断保护：

Ik24.72.min3.15kA 一次动作电流Iop1.51.53.1539.4A 继电器动作保护电流Iop4005由计算，选用继电器DL－31，12.5－50A。 （2）过流保护： 一次动作电流Iopkcokol1.2370Ica296.5A kre0.85296.53.7A

4005继电器动作电流Iop动作时限整定为1.5s，选用继电器DL－31，1.5－6A。 （3）灵敏度校验

Ik24.72103.min ks15.91.5

Iop296.5由计算得，所选符合条件。

（4）最终计算选择结果如下表7-1：

接线 设备 方式 主井

保护方定值 式 速断 39.4A 47

继电器时间 0s 变比 型号 400/5 继电器范围 V形 DL-31 12.5-50A

回路 过电流 3.7A 1.5s 400/5 DL-31 1.5-6A 表7-1 主井回路下线保护

以上只对6kV出线，主井回路保护进行了详细的计算，对其它6kV各出线，不再给出详细计算，可查表7-2给出。

表7-2 6kV出线保护汇总

接线 设备 方式 主井 V形 回路 煤楼 V形 过电流 速断 东风井 副井 V形 绞车 西风井 V形 过电流 速断 矸石山 V形 过电流 速断 电抗器 下井 V形 回路 锅炉房

保护 定值 方式 速断 过电流 速断 39.4A 3.7A 40A 3.5A 39.6A 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 0s 1.5s 48

继电器时间 变比 型号 400/5 400/5 400/5 150/5 400/5 400/5 400/5 150/5 400/5 400/5 400/5 150/5 400/5 400/5 400/5 400/5 400/5 150/5 继电器范围 DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A V形 过电流 2.65A 速断 39.13A DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A 过电流 2.82A 速断 32.5A 4.2A 34.1A 4.2A 40.5A DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A DL-31 12.5-50A DL-31 1.5-6A DL-31 12.5-50A DL-31 5-20A V形 过电流 15.9A 速断 过电流 速断 V形 过电流 2.8A DL-31 1.5-6A 25.9A 7.9A 38.9A DL-31 12.5-50A DL-31 2.5-10A DL-31 12.5-50A

无轨 V形 电车 冶炼厂 V形 速断 40A 0s 1.5s 0s 1.5s 400/5 50/5 300/5 300/5 DL-31 12.5-50A DL-31 DL-31 DL-31 1.5-6A 5-20A 5-20A 过电流 2.12A 速断 15.8A 过电流 14.1A 注：电抗器数量为2个，下井电缆为4根，冶炼厂有2个。

第二节 静电电容器

工矿企业在低压侧装置静电电容器,以补偿感性负载所消耗的无功功率,是一项有效的节电措施。它不仅减少了线路损耗和变压器铜损,而且提高了变压器利用率。尤其在变压器带感性过负荷运行时,加入并联电容补偿,可使负荷电流下降,从而避免增装变压器,减少基本电费的开销

第三节 高压配电母线保护

6kV母线保护设置限时速断保护。 一次动作电流：

IopIk.min1.548601.53240A

二次动作电流（6kV母线开关CTkTA＝600/5，kwc1）：

2 Iop.rkwc1Iop324027A 选用电磁式电流继电器DL－31，kTA120电流调节范围12.5－50A。

49

第四节 变电所进线保护

一、 35KV进线保护

35KV进线设置限时速断和过流保护。 限时速断保护的整定计算 （1）动作电流

由第三章的表3-1可知,6KV母线上的最大三相短路电流为4.86kA,则一次动作电流

(3) IopkcoIkmax=1.24.866.3=0.993 KA 37限时速断保护的接线方式采用V型接线, 接线系数kwc=1, 电流继电器选用电磁型继电器,返回系数kre=0.85，但限时速断无须考虑返回系数，站进线开关的CT变比为200/5，则二次动作电流：

Iop.r=

kwc1Iop=993=24.8A kTA40由计算，选用电磁式电流继电器DL-31，电流整定范围为12.5－50A。 （2）灵敏度检验

查表3-1 可知，35KV母线上的最小二相短路电流为1.92KA,则

(2)Id1.92Klm=min==1.93>1.5 符合要求

0.993Idz（3）动作时限 top0.5s

50

二、 过流保护的整定计算

（1）动作电流

该站的总负荷约为12000KVA，则进线的最大长时负荷电流为

IfmaxSca3UN12000335198A

一次动作电流 Idz///Kk///KzqKhIfmax1.21.5198419.3A 0.85过流保护的接线方式是选用二相三继电器接线（可以提高远后备保护的灵敏度），接线系数kwc=1, 选用电磁型电流继电器, 返回系数kre=0.85，CT变比为200/5，则二次动作电流：

Iop.r=

kwc1Iop=419.3=10.5A kTA40由计算，选用DL-31电流继电器，电流整定范围为5－20A （2）灵敏度检验 a.近后备灵敏度检验

查表3-1 可知，35KV母线上的最小二相短路电流为1.92KA,则

Klm(进）Idmin本末///Idz19204.58>1.5 合格 419.3b.远后备灵敏度检验

查表3-1 可知，6KV母线上的最小二相短路电流为4.86KA, 则 ks26.3I2kmin419.32.281.2 合格 337（3）动作时间 top2s

51

三、 35kV母联开关保护

35kV母联开关设置速断保护。其与35kV进线的限时速断一样，故用 电磁式电流继电器DL－31，电流整定范围为12.5－50A。灵敏度校验也同35kV进线限时速断校验一样，校验合格。

第五节 电力变压器的保护

主变压器设置瓦斯保护、温度保护、差动保护、过流保护、过负荷保护等保护。

瓦斯保护按常规保护，即重瓦斯0.8m/s时动作于调闸，轻瓦斯300cm2时动作于信号。

温度保护550C时启动风冷，850C时动作于信号。

一、 主变差动保护

矿区35kV变电所主变压器是两台S9－8000/35变压器，连接组为Y/－11，采用DCD－2型差动继电器保护。

网络参数：35kV母线归算至平均电压为37kV的最大运行方式三相短路电流为2.46kA，最小运行方式下的两相短路电流为1.92kA；6kV母线归算至平均电压为6.3kV的最大运行方式三相短路电流为5.86kA。把6kV侧短路参数归算到35kV侧后，最大运行方式三相短路电流为5.866.337＝0.9978kA，最小运行方式两相短路电流为4.866.3370.9257kA。下面对差动保护进行整定计算。

（1）计算变压器各侧一次额定电流，选出电流互感器变比，并计算各侧电流互感器二次回路额定电流，计算结果如下表。

各侧数值 名称 35kV侧 各侧额定电流A

6kV侧 INT18000335132 52

INT2800036.3733.1

接线方式 计算变比 选择变比 二次回路电流A  Y 31325228.65 733.15 300560 Iw1228.6603.81 10005200 Iw2733.12003.67 首先确定基本侧，基本侧是指继电器中差动线圈的首端（正极性）。由上表可以看出，35kV侧电流互感器二次回路电流电流大于6kV侧，因此确定35kV侧为基本侧。

（2）计算保护装置基本侧一次动作电流，按躲过穿越性故障时的最大不平衡电流（Idz1）、躲过变压器空载投入或故障切除后电压恢复时的励磁涌流（Idz2）、躲过二次回路断线电流（Idz3）三个条件计算，取其最大者为基本侧一次动作电流。以下进行计算。

Idz1kkktkIUfwc%Ik3max

1.310.10.050.05997.8259.4 Idz21.3INT11.3132171.6A Idz31.3Ifmax1.3132171.6A

由以上计算，应按躲过外部故障不平衡电流的条件，选用35kV侧一次动作电流，Idz1259.4A

（3）确定差动线圈（基本侧）匝数

平衡线圈I、II分别接于35kV侧及6kV侧。计算基本侧（35kV）继电器动作电流：

IdzjjbkjxIdzjb35kV侧工作匝数

ntA3259.4607.49A

Wd607.498.01匝 取Wd＝8匝

53

35kV侧继电器实际动作电流为Idzjjb6087.5A。 （4）确定6kV侧平衡线圈的匝数

WbIIIW1IW23.813.67＝0匝 Wd80.305匝 取WbIIIW3.676kV侧继电器的实际动作电流为I6087.5A

（5）计算由于实用匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 fWbWb0.30500.037

WbWd0.3058f<0.05且相差很小，故不用核算动作电流。

（6）初步确定短路线圈抽头

选取“c-c”抽头，所选抽头是否合适，应在保护装置投入运行时，变压器空载投入试验确定。

（7）校验最小灵敏度

按最小运行方式下，6kV侧两相短路校验 KminIdmin82.53603.192 合格 Idz7.5（8）差动保护计算结果

有以上计算，主变压器选用差动保护，短路线圈“c－c”、差动线圈8匝； 6kV接线方式侧Y形，变比1500/5；35kV接线方式侧，变比300/5；

平衡II－3匝，平衡I－0匝。

二、 主变过流保护

为了防止外部短路引起变压器线圈的过电流，并作为差动和瓦斯保护的后备保护，变压器还必须装设过电流保护。过电流保护动作应躲过变压器的最大工作电流整定。

一次动作电流为：

54

Iopkco1.2ILmax1.3132242.2A kre0.85继电器动作电流为：

Iop

242.2242.24kTA3005A

选用继电器 DL－31，2.5-10A 灵敏度校验：

Ik2.minks833242.23.441.5Iop 符合要求。

833A为变压器二次侧最小运行方式下的两相短路电流折算到变压器一次侧的电流值。动作时限整定为2s。

三、 主变过负荷保护

变压器过负荷大都是三相对称的，所以过负荷保护可采用单电流继电器接线方式，经过一定延时作用于信号，保护装置的动作电流按躲过变压器额定电流整定。

一次动作电流为：

Iop.olkcoINT1.05132163.1A kre0.85继电器动作电流： IopIop.olkTA163.12.72A 3005动作时限整定为10s，选用继电器DL－31，1.5-6A

55

第七章 变电所的

防雷设施

第一节 变电所的防雷装置

一、 35kV线路的防雷

煤矿变电所内安装使用着类型繁多的电气设备，这些设备均直接和供电系统的线路相连，如果雷电冲击波由线路侵入变电所，过电压将使电气设备绝缘击穿损坏，造成事故。直接影响矿井生产，为此，可使用避雷器防止上述过感应过电压所产生的雷电冲击波入侵变电所或其他设备。

35千伏架空线设置架空地线，并在进入变电所时设置管型雷器。对于变电所附近导线上，遭受雷击时冲击波的陡度将会超过变电所的避雷器允许值，因此，对靠近变电所的一段进线上应装设避雷装置。

下面介绍35千伏变电所进线的标准保护方式。

架设1－2千米的避雷线是用以防止进线段遭受雷击及消弱雷电入侵波的陡度。对绝缘水平特别高的木杆线路或钢筋混凝土电杆线路应装设管型避雷器GB1而对其它线路均不装设，用以限制进线段以外沿导线入侵的雷电冲击波幅值，GB1的工频接地电阻不大于10Ω，当线路进出线的断路器或隔离开关在雷雨季节可能经常拉开而线路侧又带电时。装设管型避雷器GB2以防止开路状态的断路器DL2手2倍冲击波电压的作用而损坏。保护见图5.1。

56

图 5.1 进线保护

二、 变电所直击雷保护

为了防止设备免受直接雷击，通常采用装设避雷针的措施。避雷针高于被保护物，其作用是将雷电吸引到避雷针本身上来并安全地将雷电引入大地，从而保护了设备。

避雷针的保护范围可以用模拟试验和运行经验来确定，由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的，一般，保护范围是指具有0.1％左右雷击概率的空间范围而言。

避雷针的保护范围计算： （1）单支避雷针

其保护范围可按下式计算。

当hxh时,rx(hhx)p (8-1) 2h当hx时，rx(1.5h2hx)p (8-2)

2式中h避雷针高度； p-高度影响系数。h<30米时，p=1。 (2)双支等高避雷针

57

其保护范围可按下式计算，两针外侧的保护范围可按单针计算方法确定，两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点o的圆弧来确定，o点的高度ho按下式计算:

hohD (8-3) 7p上式中 D为两针间的距离（m）,p—高度影响系数。 水平面上保护范围的一侧宽度bx可按下式计算

bx1.5(hohx) (8-4) 本变电站有三根避雷针，高度都为25米，其中每两根之间的保护范围外测，可按两根时计算。

1＃－2＃ 距离 27.5 米 2＃－3＃ 距离 43.5 米 3＃－1＃ 距离 43.8 米 保护物的高度为hx=12米 计算 1＃－2＃

hohD 7p27.521.07 71ho25bx1.5(hohx)

bx1.5(21.0712)13.6052＃－3＃

hoh

D 7p ho2543.518.786 7158

bx1.5(hohx) bx3＃－1＃

hoh1.5(18.78612)10.179

D 7pho2543.818.743 71bx1.5(hohx)

bx1.5(18.74312)10.114

两只避雷针的保护范围见图5.2。

图5-2 两等高避雷针保护范围

三只避雷针的保护范围见图5.3所示。

59

图D12=27.5 M D23=43.5 M D31=43.8 M

5-3 变电所避雷针简图

第二节 接地装置

7.2.1 接地的一般要求

(1)为保证人身安全，所有的电气设备，都应装设接地装置，并将电气设备外壳接地。设计中首先应利用各类自然接地体。

(2)一般应将各种不同用途和不同电压的电气设备使用一个总的接地装置。接地装置的接地电阻，应满足其中接地电阻最小的电气设备要求。

(3)电气设备的人工接地体应尽可能在电气设备所在地点附近对地电压分布均匀，一般应采用环形接地体。

(4)设计接地装置时，应考虑到一年4季中，均能保证接地电阻的要求值。 本变电站接地为户外配电装置及主厂房设保护接地网，接地电阻小于0.5欧姆；独立避雷针设置独立接地网，接地电阻小于10欧姆。

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7.2.2 所内应当接地的部分

变电站中电气设备的下列金属部分均需接地：

(1)变压器、电器、电机和照明器具等的底座和外壳； (2)电气设备的传动装置；

(3)互感器的二次绕组，继电保护方面另有规定的部分除外； (4)配电屏、保护屏、计量屏、电源屏与控制屏的框架；

(5)配电装置的金属构架和钢筋混凝土架构以及靠近带电部分的金属围栏；

(6)电力电缆的电缆接头、电缆终端的外壳以及电缆的外皮和钢管电缆的钢管等；

(7)电缆的金属外皮

(8)避雷器、保护间隙和避雷针的接地端。

7.2.3 接地装置的计算

35kV为中性点不接地系统，其接地电阻要求之可根据单相接地电容电流来确定。

架空线路长度 Lj =15kM

I

故接地电阻为：

R

jd1≤jd=

U1eLj350=

3515=1.5A 350120120==80.0Ω Ijd1.56kV为中性点不接地，其线路长度。

Lj=15×6＝90km Ijd=

故接地电阻为：

U1eLj350=

1090=2.57A 350 61

R

jd2≤

120120==46.69Ω Ijd2.57在根据 Sk≥0.3Rcj+0.1h (Sk≥5),取R≥10Ω

所用变380/220中性点接地，接地电阻要求值为4Ω，其共用接地装置的接地电阻应小于4Ω。

计算人工接地电阻Rrw

人工接地网与自然接地体是并联的，并联后总电阻应达到R=4Ω，所以人工接地电阻为RrwRzR2045(自然接地体的接地电阻

RzR204Rz20)

由于共用一个接地装置，故应取Rrw=4Ω 计算单根垂直接地体的接地电阻Rc

土壤电阻率0，由查表得1.5，则901.5135m。由于土壤电阻率不高，故人工接地装置以垂直接地体为主，上端用规格为4×10mm扁钢连接，构成环路式接地装置。钢管上端埋入土中深度为0.8m垂直接地采用长L=2.5m，直径d=60×10-3m的钢管。单根接地体的接地电阻为

4l13542.5㏑=㏑=43.97Ω 32ld22.56010R计算接地体的根数n,，根据c43.9710.99，初选n=11根

Rrw4Rc=

在查表得 0=0.74则

n=

0.9RC0.943.97==13.37≈14根 Rrw040.7462

决定选15根钢管，验算人工接地电阻，查表得0=0.67

则 Rrw=

0.9Rc0.943.97==3.94Ω n0150.67满足人工接地电阻Rrw=4Ω的要求。

由于接地电阻的计算引入不少假设条件，所以在现场敷设接地装置以后，必须对接地电阻加以实际测量和核算。如果不满足要求，必须补埋接地体，达到设计要求。

总结

经过2个多月的学习和努力，我终于完成了煤矿变电所设计，

从接到论文题目到设计方案的确定，再到论文的完成，每一步对我来说都是新的尝试和挑战，这也是我在大学独立完成的最大设计项目。这段时间里，我学到了很多知识，也有很多感受。通过这次设计使我开始主动学习，查找相关的资料和书籍，使自己对以前学过的专业知识逐渐清晰起来，使本次设计逐步得到完善，每一次的修改都使我受益良多。通过这次设计，也使我意识到煤矿供电的重要性。虽然我的设计不够成熟，有很多不足的地方和漏洞，也没有完全实现自动化，但这也是通过自己的努力逐步完成的，这也是我引以自豪的地方。

这次做设计的经历使我受益终身，我感受到了做设计是一件十分严禁的事，需要用心去做。做设计的过程才是自己真正学习、研究和探索的过程。没有经过认真的学习、研究和查找资料的过程，就不可能有设计的能力，对自己的研究也不会有所突破。希望这次毕业设计的经历能对我以后的工作有所帮助和激励。

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参考文献

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5.《矿山运输与提升设备》 陈维健.齐秀丽.肖林京.罗开如.中国矿业大学出版社.2007

6.《电工基础》 许经莺.中国矿业大学出版社.2006

7.《采掘机械》 孙九如.徐蒙良.良维东.中国矿业大学出版社.1990 8.《采煤概论》 周英.煤炭工业出版社.2006

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