煤矿35KV变电所设计.docx
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煤矿35KV变电所设计
摘要
变电所是电力系统的枢纽环节，由变压器，母线和开关设备等电气设备按一定的结线方式所构成，他从电力系统取得电能，进行电压变换和分配，然后将电能安全、可靠、合理的供给不同的用电场所和电力设备。
变电所设计的主要任务是根据变电所担负的任务及用户负荷情况等，选择所址，对用户的负荷进行统计、分析计算，确定用户无功功率补偿装置。
进行变压器选择，确定变电站的结线方式，进行短路电流计算，选择变配电开关设备，绘制变电所平面布置图。
本变电所的初步设计包括：
总体方案的确定；负荷分析；短路电流的计算；配电系统设计与系统接线方案选择；变电所高压进线、一次设备和低压出线的选择；防雷与接地保护等容。
【关键词】：
变电所设计；负荷的计算；变压器选择；开关设备选择；线路设计；防雷设计。
Abstract
Thetransformersubstationisthepivotlinksofthepowersystem,bythevoltagetransformer,electricequipmentsuchasbusbarandswitchgearformaccordingtocertainknotlineway,hemakeelectricenergyfrompowersystem,carryonvoltagevaryandassign,electricenergysafe,reliable,reasonablesupplydifferentpowerconsumingplaceandelectricapparatus.Themaintaskofsubstationdesignisbasedonthetasksandsubstationloadsandotherusers,selecttheaddressoftheuser'sloadofstatistics,analysisandcalculationtodeterminethereactivepowercompensationdeviceusers.Transformerselection,determinetheend-linesubstation,theshort-circuitcurrentcalculation,selectthepowerdistributionswitchgear,substationfloorplandrawing.Thepreliminarydesignofthesubstation,including:
thedeterminationoftheoverallprogram;loadanalysis;short-circuitcurrentcalculation;distributionsystemdesignandsystemwiringschemeselection;substationhighvoltageintotheline,aselectionofequipmentandlow-voltageoutlet;lightningprotectionandgroundprotectionandsoon.
【Keywords】:
substationdesign;loadcalculation;transformerselection;switchingequipmentselection;circuitdesign;lightningprotectiondesign.
第一章绪论
1.1煤矿变配电所的设计
1.1.1电力系统基础
由发电厂、电力网与电能用户（电力负荷）所组成的整体，叫电力系统，它的任务是生产、变换、传输、分配与消费电能。
当今社会，电能的利用已经远远超出作为机械动力的围，电力工业已经成为现代国民经济的基础，世界上按人口平均的用电量是反映一个国家现代化的主要指标。
1.大型电力用户供电系统
大型电力用户的供电系统，采用电源电压等级为35kV，经主变电所和车间变电所两级变压。
主变电所将35KV电压变为6-10kV电压，然后经配电线路引至各个车间变电所，车间变电所再将6-10KV电压变为220/380V/660V/1140V的低电压供用电设备使用。
某些矿区环境和设备条件许可的大型电力用户也有采用所谓“高压深入负荷中心”的供电方式，即35kV的进线电压直接一次降为220/380V/660V/1140V的低压配电电压。
2.中型电力用户一般采用10kV的外部电源进线供电电压，经高压配电所和10kV用户部高压配电线路馈电给各车间变电所，车间变电所再将电压变换成220/380V/660V的低电压供用电设备使用。
高压配电所通常与某个车间变电所合建。
3.小型电力用户供电系统
一般小型电力用户也用10kV外部电源进线电压，通常只设有一个相当于车间变电所的降压变电所，容量特别小的小型电力用户可不设变电所，采用低压220/380V/660V直接进线。
随着改革的不断深化，经济的迅速发展。
各电力部门对变电所设计水平的要求将越来越高。
现在所设计的常规变电所最突出的问题是设备落后，结构不合理，占地多，投资大，损耗高，效率低，尤其是在一次开关和二次设备造型问题上，基本停留在50—60年代的水平上，从发展的观点来看，将越来越不适应我国城市和农村发展的要求。
国民经济不断发展，对电力能源需求也不断增大，致使变电所数量增加，电压等级提高，供电围扩大及输配电容量增大，采用传统的变电站一次及二次设备已越来越难以满足变电站安全及经济运行，少人值班或者无人值班的要求。
现在已经大多采用了微机保护。
分级保护和常规保护相比，增加了人机对话功能，自控功能，通信功能和实时时钟等功能，因此如果通过电力监控综合自动化系统，可以使变电站值班人员或调度中心的人员及时掌握变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，并迅速进行处理，达到供电系统的管理科学化、规化、并且还可以做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理。
1.1.2煤矿配电所的设计原则
1.必须遵守国家的有关规程和标准，执行国家的有关方针政策，包括节约能源、节约有色金属等技术经济政策。
2.应做到保障人身和设备安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理，应采用效率高、能耗低、性能较先进的电气产品。
3.应根据工程特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远、近期结合，以近期为主，适当考虑扩建的可能性。
4.必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
1.2课题来源及设计背景
1.2.1课题来源
本课题源倡源公司35KV变电所的新建项目，具有一定的实践性和可行性。
1.2.2设计背景
我到介休倡源公司进行了为期半年的实习，经过对该矿供电系统的认真的了解，在老师和现场技术人员的帮助和指导下，把该矿主变电所设计做为本次毕业设计的课题，把原来的不合理之处做些修改，重新进行设计。
其原始数据如下：
该矿为凯嘉集团的一个井口，规模较小；变电所由距此3.8KM的北辛武变电站和距此1.9KM的板欲站通过35KV架空线路供电；两回35KV电源参数：
出线开关过流保护整定时间为2.5s；35KV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：
Xs.min=0.12（Sd=100MVA）；35KV电源母线上最小运行方式下的系统电抗：
Xs.Min=0.22（Sd=100MVA）；井下6KV母线上允许短路容量：
Sal=100MVA;35KV母线上补偿后的平均功率因数
>0.9。
第二章变电所负荷计算和变压器的选择
2.1变电站的负荷计算
负荷计算的目的是为了掌握用电情况,合理选择配电系统的设备和元件,如导线、电缆、变压器、开关等。
负荷计算过小,则依此选用的设备和载流部分有过热危险,轻者使线路和配电设备寿命降低,重者影响供电系统的安全运行.负荷计算偏大,则造成设备的浪费和投资的增大。
为此,正确进行负荷计算是供电设计的前提,也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。
目前负荷计算常用需要系数法、二项式法、和利用系数法,前二种方法在国设计单位的使用最为普遍。
此外还有一些尚未推广的方法如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法和ABC法等.常采用需用系数法计算用电设备组的负荷时，应将性质相同的用电设备划作一组，并根据该组用电设备的类别，查出相应的需用系数
，然后按照上述公式求出该组用电设备的计算负荷。
2.1.1全矿负荷统计
负荷统计请参看末尾附表2-1
按需要系数法计算各组负荷：
有功功率P=Kd
ΣPs
无功功率Q=P
视在功率S=
上述三个公式中：
ΣPs：
每组设备容量之和，单位为kW；
Kd：
需要用系数；
:
功率因数。
⒈提升机：
有功负荷PC1=KdPS1=210x0.94=197.4kW
无功负荷QC1=PC1
=197.4x0.65=128.3kvar
视在功率SC1=
=235.4kVA
⒉机修厂：
有功负荷PC2=KdPS2=250x0.6=150kW
无功负荷QC2=PC2
=150x1.02=153kvar
视在功率SC2=
=214.3kVA
⒊压风机：
有功负荷PC3=KdPS3=480x0.88=422.4kW
无功负荷QC3=PC3
=1422.4x0.46=193.4kvar
视在功率SC3=
=465kVA
⒋抽风机：
有功负荷PC4=KdPS4=1600x0.9=1440kW
无功负荷QC4=PC4
=1440x0.51=734.4kvar
视在功率SC4=
=1617kVA
5.全矿低压：
有功负荷PC5=KdPS5=1260x0.72=903kW
无功负荷QC5=PC5
=903x0.8=720.5kvar
视在功率SC5=
=1255.2kVA
⒍煤矸楼：
有功负荷PC6=KdPS6=115x0.75=86.25kW
无功负荷QC6=PC6
=86.25x0.8=69kvar
视在功率SC6=
=110.5.6kVA
⒎锅炉房：
有功负荷PC7=KdPS7=113x0.65=73.5kW
无功负荷QC7=PC7
=73.5x0.22=16.2kvar
视在功率SC7=
=75.2kVA
8瓦斯检测房污水处理站：
有功负荷PC8=KdPS8=320x0.85=272kW
无功负荷QC8=PC8
=272x0.60=163.2kvar
视在功率SC8=
=317.2kVA
9.井下低压：
有功负荷PC9=KdPS9=905x0.7=685.5kW
无功负荷QC9=PC9
=685.5x0.87=478kvar
视在功率SC9=
=816kVA
10.后勤公寓：
有功负荷PC10=KdPS10=360x0.75=270kW
无功负荷QC10=PC10
=270x0.62=167.4kvar
视在功率SC10=
=317.7kVA
计算出全矿的各组负荷后，填入上表中计算出有功、无功、视在功率的总量。
总计:
有功功率：
ΣP=4433.5kW
无功功率：
ΣQ=2824.6kvar
2.1.2各低压变压器的选择及其损耗计算
表2-2低压变压器选定表
名称
变压器其型号
选择台数
地面低压
S11-16006/0.4变压器
2台
机修厂
S11-3156/0.4变压器
1台
煤矸楼和锅炉房共用
S11-3156/0.4变压器
1台
后勤公寓
S11-4006/0.4变压器
1台
井下低压
S11-10006/0.66变压器
2台
选择的是S11系列卷铁芯配电变压器，其参数均在变压器表中可以查到。
对于变压器的损耗有公式：
有功功率损耗：
△PT=△Po+△Pk（Sca/Sn.T）2=△Po+β2△Pk（kW）
无功功率损耗：
△Qt=Sn.T（Io%/100+Uk%/100β2）（kvar）
式中：
△Po——变压器空载有功功率损耗，kW；
△Pk——变压器短路电流等于额定电流时的有功功率损耗，kW；
Sca——计算负荷，kvar；
Sn.T——变压器的额定容量，kVA；
β——变压器的负荷率，β=Sca/Sn.T。
△Po、△Pk、Io%、Uk%可以在变压器的产品目录中查到。
地面低压：
有功功率损耗△PT=5+29x（1106.5/1600）2=8.0kW
无功功率损耗△Qt=1600x[（1.6/100）+（4.5/100）x0.1]=40kvar
机修厂：
有功功率损耗△PT=0.48+3.65x（214.1/315）2=2.8kW
无功功率损耗△Qt=315x[（1.1/100）+（4.5/100）x0.63]=12kvar
煤矸楼、锅炉房：
有功功率损耗△PT=0.48+3.65x（195.7/315）2=2.4kW
无功功率损耗△Qt=315x[（1.1/100）+（4.5/100）x0.53]=11kvar
后勤公寓:
有功功率损耗△PT=0.57+4.3x（317.7/400）2=4.0kW
无功功率损耗△Qt=400x[（1.2/100）+（4.5/100）x0.81]=19.5kvar
井下低压：
有功功率损耗△PT=0.68+5.1x（375.8/500）2=4.0Kw
无功功率损耗△Qt=500x[（1.0/100）+（4.5/100）x0.64]=19.4kvar
表2-3低压变压器功率损耗计算结果
负荷
地面低压
机修厂
煤矸楼、锅炉房
后勤公寓
井下低压
Sc（KVA）
2x1600
315
315
400
2x1000
△PT（kW）
8.0
2.8
2.4
4.0
8.0
△QT（kW）
40
12.0
11
19.5
35.8
合计
Σ△PT=25.2kWΣ△QT=121.3kvar
计算出了低压变压器的有功损耗和无功损耗之后，就可以计算出6KV母线上的总的负荷。
负荷统计表中的总负荷是4433.5kW，所以查同时系数表得知所需的同时系数为Ksi=0.95。
忽略矿高压线路的功率损耗，35KV变电所6KV母线补偿前的总负荷为:
有功Pca=Ksi（ΣP+Σ△PT）=0.95x（4433.5+25.2）=4235.5（kW）
无功Qca=Ksi（ΣQ+Σ△QT）=0.95x（2824.6+121.3）=2798.6（kvar）
视在Sca=
=5076.5（kVA）
补偿前的功率因数
=Pca/Sca=4235.5/5076.5=0.834
2.2主变压器的选择原则
电力变压器是变电所的关键设备，其主要功能是升压或降压，以利于电能的合理分配、输送和使用，对变电所主结线的方式及其可靠性与经济性有着重要影响。
所以，正确合理地选择变压器的类型、台数和容量，是确定变电所主接结线方式的重要前提。
选择时遵照国家有关煤矿供电设计规、规程、标准等，因地制宜，结合实际，合理选择，优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品。
2.3煤矿地面主变电所变压器台数的选择原则
1 当大多数负荷属于三级负荷，其少量一、二级负荷或由临近企业取得电源时，可以安装一台变压器。
2 如企业一、二级负荷较多，必须装设两台变压器。
互为备用，当一台出现故障时，另一台必须能承担全部一、二级负荷。
3 特殊情况下可以装设两台以上变压器。
例如分期建设的大型企业，其变电所的个数和变压器台数均可以分期投建，从而台数可能较多。
根据该矿的实际情况，本设计选择两台变压器，互为备用。
2.4主变压器容量的选择
煤矿地面35KV变电所主变压器一般选择两台。
每台变压器的容量为：
SN.T≥kguSca.35
式中kgu———事故时的负荷保证系数，根据一、二级负荷所占比例决定，一般可取为0.7—1；
Sca.———变电所35KV母线上无功补偿后的总计算视在负荷，kVA。
计算出SN.T数值后查询有关变压器产品样本或者电气设计手册，选用额定容量大于或等于此数值的标准规格变压器，35KV电力变压器标准容量规格一般为4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000、25000kVA等。
根据计算，选用两台S11-8000/35额定容量为8000kVA的有载调压油浸式变压器。
采用两台同时分列运行，当一台故障停运时，另一台保证全矿一、二级负荷的供电
。
表2-3主变压器的选择
额定容量
SN/kV·A
联结组别
空载损耗
△PO/kW
短路损耗
△PK/kW
空载电流
IO%
阻抗电压
UK%
8000
Dynd11
10
40
1.0
8
变压器的损耗：
△PT=△PO+△PK（
）2=10+40x（5076/8000）2=26kW
△QT=SN·T[
+
]=8000x[（1.0/100）+（8.0/100）x0.4]=336kvar
所以35KV侧补偿前的总负荷：
有功功率:
P=△PT+Pca=4261.5kW
无功功率：
Q=△QT+Qca=3134.6kvar
视在功率：
S=
=5290.2KVA
电流：
I=S/1.732x35=87.27A
功率因数：
=P/S=0.81
2.5功率因数补偿的目的和方案
功率因数是用电的一项重要电气指标。
提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损失和电压损失，因而具有重要意义。
目前用电户高压配电网主要采用并联电力电容器组来提高负荷功率因数，即所谓集中补偿法，部分用户已经采用自动投切电容补偿装置。
低压电网，已经推广应用功率因数补偿装置。
对于大中型绕线式异步电动机，利用自励式进相机进行的单机就地补偿来提高功率因数，节电效果显著。
2.6无功补偿的计算及设备选择
我国《供电营业规则》规定：
容量在100kV·A及以上高压供电用户，最大负荷时的功率因数不得低于0.9，如达不到上述要求，则必须进行无功功率补偿。
由于用户大量使用的感应电动机、电焊机、电弧炉及气体放电灯等都是感性负荷，使得功率因数偏低，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因数。
当功率因数提高时，在有功功率不变的情况下，无功功率和视在功率分别减小，从而使负荷电流相应减小。
这就可使供电系统的电能损耗和电压损失降低，相应可选用较小容量的电力变压器、开关设备和较小截面的电线电缆，减少投资和节约有色金属。
因此，提高功率因数对整个供电系统大有好处。
要使功率因数提高，通常需装设人工补偿装置。
最大负荷时的无功补偿容量QN·C应为：
QN·C=KloxPca（
-
）
按此公式计算出的无功补偿容量为最大负荷时所需的容量，当负荷减小时，补偿容量也应相应减小，以免造成过补偿。
因此，无功补偿装置通常装设无功功率自动补偿控制器，针对预先设定的功率因数目标值，根据负荷的变化相应投切电容器组数，使瞬时功率因数满足要求。
提高功率因数的补偿装置有稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备。
前者主要有同步补偿机和并联电容器。
动态无功功率补偿设备用于急剧变动的冲击负荷。
低压无功自动补偿装置通常与低压配电屏配套制造安装，根据负荷变化相应循环投切的电容器组数一般有4、6、8、10、12组等。
用上式确定了总的补偿容量后，就可根据选定的单相并联电容器容量qN·C来确定电容器组数：
在用户供电系统中，无功补偿装置一般有三种安装方式：
（1）高压集中补偿补偿效果不如后两种补偿方式，但初期投资较少，便于集中运行维护，而且能对企业高压侧的无功功率进行有效补偿，以满足企业总功率因数的要求，所以在一些大中型企业中应用。
（2）低压集中补偿补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使主变压器的容量选的较小，因而在实际工程中应用相当普遍。
（3）低压分散补偿补偿效果最好，应优先采用。
但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在被补偿的设备停止运用时，它也将一并被切除，因此其利用率较低。
本次设计采用高压集中补偿方式。
QN·Ca=KloxPCax（
-
）=0.8x4261.5x[tan（arccos0.81）-tan（arccos0.9）]=818.2kvar
选择GR-1C-08型电容器，qN·C=270kvar
=3.03取4台
实际补偿容量：
QN·Ca。
f=4x270=1080kvar
折算到计算补偿容量：
QN·Ca=QN·Ca。
f/Klo=1350kvar
补偿后6KV侧的计算负荷和功率因数：
Q'ca=Qca-QN·Ca=2798.6-1350=1448.6kvar
补偿后的视在计算负荷
SCa=
=4476kV·A
=
=0.95>0.9符合。
35KV侧补偿后主变压器最大的损耗计算：
△PT’=△PO+△PK（
）2=10+40x（4476/8000）2=22kW
△QT’=SN·T[
+
]=8000x[（1.0/100）+（8.0/100）x0.313]=280kvar
补偿后35KV侧计算负荷与功率因数校验：
Pca=22+4235.5=4257kW
Qca=280+1448.6=1729kvar
Sca=
=4595kVA
=Pca/Sca=0.93>0.9符合要求。
第3章主接线方案的确定
3.1主接线的基本要求
变电所主接线（一次接线）表示变电所接受、变换和分配电能的路径。
它由各种电力设备（隔离开关、避雷器、断路器、互感器、变压器等）及其连接线组成。
通常用单线图表示。
主接线是否合理,对变电所设备选择和布置,运行的灵活性、安全性、可靠性和经济性,以及继电保护和控制方式都有密切关系.它是供电设计中的重要环节.在图上所有电器均以新的国家标准图形符号表示，按它们的正常状态画出。
所谓正常状态，就是电器所处的电路中既无电压，也无外力作用的状态。
对于图中的断路器和隔离开关，是画出它们的断开位置。
在图上高压设备均以标准图形符号代表，一般在主接线路图上只标出设备的图形符号，在主接线的施工图上，除画出代表设备的图形符号外，还应在图形符号旁边写明设备的型号与规。
从主接线图上我们可了解变电所设备的电压、电流的流向、设备的型号和数量、变电所的规模及设备间的连接方式等，因此，主接线图是变电所的最主要的图纸之一。
（1）安全性
安全包括设备安全及人身安全。
一次接线应符合国家标准有关技术规的要求，正确选择电气设备及其监视、保护系统，考虑各种安全技术措施。
（2
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