煤矿35kV变电所设计.docx
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煤矿35kV变电所设计
第一章是概述
1.1矿山供电的基本要求
1.1.1供电可靠
供电可靠就是要求不间断供电。
供电中断时不仅会影响矿井的原煤产量，而且可能损坏设备，甚至发生人身事故和造成矿井的破坏。
例如煤矿井下的空气中含有瓦斯气体，并且有水不断涌出，突然停电，将会使排水和通风设备停止运转，可能造成水淹矿井，工作人员窒息死亡或引起瓦斯、煤尘爆炸，危及矿井和人身安全。
因此，对煤矿中的重要用电设备，要求采用两个独立电源的双回路或环式供电方式，两路电源线路互为备用，当一路电源线路故障或停电检修时，则由另一路电源线路继续供电，以保证供电的可靠性。
1.1.2供电安全
供电安全具有两个方面的意义，即防止人身触电和防止由于电气设备的损坏和故障引起的电气火灾及瓦斯、煤尘爆炸事故。
煤矿井下空间狭小、潮湿阴暗，井下电气设备的受潮和机械损伤容易发生人身触电事故；供电线路和用电设备的损伤和故障产生的电气火花，会造成火灾或瓦斯、煤尘爆炸事故。
因此，为了避免事故的发生，在煤矿供电工作中，应按照有关规定，采取防爆、防触电、过负荷及过流保护等一系列技术措施和管理制度，消除各种不安全因素，确保供电的安全。
1.1.3保证供电质量
衡量供电质量高低的技术指标是频率的稳定性和电压的偏移。
交流电的频率对交流电动机的性能有着直接的影响，频率的变动会影响交流电动机的转速。
按照《电力工业技术管理法规》规定，对于额定频率为50Hz的工业用交流电，其频率相对于额定值的偏差不允许超过±0.2-±0.5Hz，即为额定频率的±0.4-±1％。
电压偏移是衡量供电质量的又一重要指标。
所谓电压偏移，是指用电设备在运行中，实际的端电压与其额定电压的偏差。
用电设备对—定范围内的电压偏移具行适应能力，但随着电压偏移的增大，用电设备的性能将会恶化，严重时会造成设备的损坏。
例如，白炽灯在超过额定电压5％的电压下工作时．其工作寿命将缩短一半；因此．我国对用电设备电压偏移的允许值做了具体的规定，例如电动机的电压偏移不允许超过其额定电压的±5％，白炽灯的电压偏移不允许越过其额定值的+3％和-2.5％。
1.1.4技术经济合理
技术经济合理是指在满足上述三项要求的前提下，使供电系统的投资和运行达到最佳的经济效益。
供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。
此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。
1.2设计原则
按照国家标准GB50052-95《供配电系统设计规范》、GB50059-92《35～110kV变电所设计规范》、GB50053-94《10kv及以下设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》等的规定，进行矿山供电设计必须遵循以下原则：
1、遵守规程、执行政策
必须遵守国家的有关规定及标准，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、安全可靠、先进合理
应做到保障人身和设备的安全，供电可靠，电能质量合格，技术先进和经济合理，采用效率高、能耗低和性能先进的电气产品。
3、近期为主、考虑发展
应根据工作特点、规模和发展规划，正确处理近期建设与远期发展的关系，做到远近结合，适当考虑扩建的可能性。
4、全局出发、统筹兼顾
按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。
矿山供电设计是整个煤矿设计中的重要组成部分。
矿山供电设计的质量直接影响到煤矿的生产及发展。
作为从事矿山供电工作的人员，有必要了解和掌握矿山供电设计的有关知识，以便适应设计工作的需要。
1.3内容及步骤
全矿总降压变电所及配电系统设计，是根据各个部门负荷数量和性质及其对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。
解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。
其基本内容有以下几方面。
1、负荷计算
全矿总降压变电所的负荷计算，是在各部门负荷计算的基础上进行的。
考虑变电所变压器的功率损耗，从而求出全矿总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。
列出负荷计算表、显示计算结果。
2、一次系统图
跟据负荷类别及对供电可靠性的要求进行负荷计算，绘制一次系统图，确定变电所高、低接线方式。
对它的基本要求，即要安全可靠又要灵活经济，安装容易维修方便。
3、电容补偿
按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功功率。
由手册或产品样本选用所需无功功率补偿柜的规格和数量。
4、变压器选择及变电所布置
根据电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全矿计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器型号及全矿供电平面图。
5、短路电流计算
矿山用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限大容量系统供电进行短路计算。
求出各短路点的三相短路电流及相应有关参数。
6、高、低压设备选择及校验
参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择高、低压配电设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。
并根据需要进行热稳定和力稳定检验，并列表表示。
7、导线、电缆的选择
为了保证供电系统安全、可靠、优质、经济地运行，进行导线和电缆截面选择时必须满足发热条件：
导线和电缆（包括母线）在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。
8、整定及二次保护
为了监视、控制和保证安全可靠运行，各用电设备，皆需设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。
并对保护装置做出整定计算.
第2章:
负荷分析和主变压器的选择
2.1负荷分析
2.1.1负荷分类及定义
1.一级负荷：
中断供电将造成人身伤亡或重大设计损坏，且难以挽回，带来极大的政治、经济损失者属于一级负荷。
一级负荷要求有两个独立电源供电。
2.二级负荷：
中断供电将造成设计局部破坏或生产流程紊乱，且较长时间才能修复或大量产品报废，重要产品大量减产，属于二级负荷。
二级负荷应由两回线供电。
但当两回线路有困难时（如边远地区），允许有一回专用架空线路供电。
3.三级负荷：
不属于一级和二级的一般电力负荷。
三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。
煤矿变电所负责向整个矿区供电，在煤矿上除了家属区及一些辅助设备以外,大部分是井下用电，例如：
提升机,排水泵等等，若煤矿变电所一旦停电就可能造成人身死亡，所以应属一级负荷。
采用两个独立回路供电.
2.1.2本系统的负荷计算
1.定义
（1）、计算负荷又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。
（2）、平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。
常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。
平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。
2.负荷计算的方法
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法及二项式等几种。
本设计将采用需要系数法予以确定。
所用公式有：
（1）、单组用电设备的计算负荷
单组用电设备的计算负荷应按下式计算:
式中
Pca、Qca、Sca-----该组用电设备的有功、无功、视在功率计算值,kw、kvar、kVA
-----该组用电设备额定容量之和,kw
-----该组用电设备的需用系数和加权平均功率因数
------与相对应的正切值
该组用电设备的负荷电流按下式计算:
式中Ica-----该组用电设备的总负荷电流,A
UN------电网的额定电压,kv
（2）、变电所总计算负荷
将变电所各组用电设备的计算负荷相加,再乘以组间最大负荷的同时系数,即可求出变电所的总计算负荷.
式中
-----变电所负荷的总有功、无功、视在功率计算值，kw、kvar、kVA
-----变电所各组用电设备的有功、无功功率计算值之和,kw、kvar
-----各组用电设备最大负荷不可能同时出现的组间最大负荷同时系数,组数越多其值越小,本设计取Ksp=0.9,Ksq=0.95
变电所的功率因数为
3.负荷计算结果见表2-1
2.2无功功率的补偿
根据《全国供用电规则》的规定:
高压供电的工业用户功率因数应该在0.90以上.,所以当变电所的功率因数低于0.9时,应采取人工补偿措施,补偿后的功率因数应不低于0.95.目前35kv变电所一般是采用在6kv母线上装设并联电容器的进行集中补偿的方法,来提高变电所的功率因数。
1、电容器补偿容量的计算
电容器的无功补偿容量为：
式中-----补偿前功率因数角的正切值
-------补偿后应达到的功率因数角的正切值
2、电容器（柜）台数的确定
无功补偿所需电容器总台数N为
式中-------单台电容器柜的额定容量，kvar
--------电容器的实际工作电压，kV
----------电容器的额定电压，kV
确定电容器的总台数时，应选取不小于计算值N的整数。
3、补偿后的实际功率因数
因为电容器的台数选择与计算值不同，所以应计算补偿后的实际功率因数。
电容器的实际补偿容量为：
式中Qca-------电容器的实际补偿容量，kvar
N--------所选电容器的实际台数
补偿后变电所负荷的总无功功率为
补偿后变电所的负荷总容量
补偿后的功率因数
式中
、、----补偿后变电所负荷的总无功功率、总容量和功率因数，kvar、kVA
、-----补偿前变电所负荷的用功功率、无功功率的计算值，kW、kvar
2.3主变压器的选择
1、主变压器台数的确定
具有一级负荷的变电所，应满足用电负荷对供电可靠性的要求。
根据《煤炭工业设计规范》规定，矿井变电所的主变压器一般选用两台，当其中一台停运时，另一台应能保证安全及原煤生产用电，并不得少于全矿负荷的80%，根据实际情况的需要在本设计中选择了两台主变压器，采用一台工作一台带电备用的运行形式。
2、变电所主变压器容量的确定
本变电所选择的两台变压器，一台工作一台备用，则变压器的容量应该按下式计算：
主变压器型号的选择应尽量考虑采用低损耗、高效率的变压器。
根据实际情况本设计选择了两台型号为SFL7-20000/35的变压器。
变电所电气主接线形式的设计
这是变电所设计的一个重要环节，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，要遵守变电所设计的五个原则，第一、考虑变电所在电力系统的地位和作用。
第二、考虑近期和远期的发展规模。
第三、考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响。
第四、考虑主变台数对主接线的影响。
第五、考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响
下面就是设计的正文内容：
需要的朋友可以借鉴：
第3章电气主接线的设计
3.1电气主接线的概述
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范。
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。
3.2电气主接线的设计原则和要求
3.2.1电气主接线的设计原则
（1）考虑变电所在电力系统的地位和作用
变电所在电力系统的地位和作用是决定主接线的主要因素。
变电所不管是枢纽变电所、地区变电所、终端变电所、企业变电所还是分支变电所，由于它们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的要求也不同。
（2）考虑近期和远期的发展规模
变电所主接线设计应根据五到十年电力系统发展规划进行。
应根据负荷的大小及分布负荷增长速度和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。
（3）考虑用电负荷的重要性分级和出线回数多少对主接线的影响
对一级用电负荷，必须有两个独立电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级用电负荷不间断供电；对二级用电负荷，一般要有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级用电负荷供电，三级用电负荷一般只需一个电源供电。
（4）考虑主变台数对主接线的影响
变电所主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将会产生直接的影响。
通常对大型变电所，由于其传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高。
而容量小的变电所，其传输容量小，对主接线的可靠性、灵活性的要求低。
（5）考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响
发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增、设备检修、故障停运情况下的应急要求。
电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如，当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时否允切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。
3.2.2电气主接线设计的基本要求
变电所的电气主接线应根据该变电所在电力系统中的地位，变电所的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接总数、设备特点等条件确定。
并应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求。
（1）可靠实用
所为可靠性是指主接线能可靠的工作，以保证对用户不间断的供电。
衡量可靠性的客观标准是运行实践。
经过长期运行实践的考验，对以往所采用的主接线经过优选，现今采用主接线的类型并不多。
主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。
因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。
同时，可靠性不是绝对的，而是相对的。
一种主接线对某些变电所是可靠的，而对另一些变电所可能是不可靠的。
（2）运行灵活
主接线运行方式灵活，利用最少的切换操作，达到不同的供电方式。
根据用电负荷大小，应作到灵活的投入和切除变压器。
检修时，可以方便的停运变压器、断路器、母线等电气设备，不影响工厂重要负荷的用电。
（3）简单经济
在满足供电可靠性的前提下，尽量选用简单的接线。
接线简单，既节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备，使节点少、事故和检修机率少；又要考虑单位的经济能力。
经济合理地选用主变压器型号、容量、数量，减少二次降压用电，达到减少电能损失之目的。
（4）操作方便
主接线操作简便与否，视主接线各回路是否按一条回路配置一台断路器的原则，符合这一原则，不仅操作简便、二次接线简单、扩建也方便，而且一条回路发生故障时不影响非故障回路供电。
（5）便于发展
设计主接线时，要为布置配电装置提供条件，尽量减少占地面积。
但是还应考虑工厂企业的发展，有的用户第一期工程往往只上一台变压器，经3~5年后，需建设第二台主变压器，变电所布局、基建一般都是根据主接线的规模确定的。
因此，选择主接线方案时，应留有发展余地。
扩建时可以很容易地从初期接线过度到最终接线。
3.3电气主接线方案的比较
对于电源进线电压为35KV及以上的大中型工矿企业，通常是先经工厂总降压变电所降为6—10KV的高压配电电压，然后经车间变电所，降为一般低压设备所需的电压。
总降压变电所主结线图表示工厂接受和分配电能的路径，由各种电力设备（变压器、避雷器、断路器、互感器、隔离开关等）及其连接线组成，通常用单线表示。
主结线对变电所设备选择和布置，运行的可靠性和经济性，继电保护和控制方式都有密切关系，是供电设计中的重要环节。
1.一次侧采用内桥式结线，二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种主结线，其一次侧的断路器跨接在两路电源线之间，犹如一座桥梁，而处在线路断路器的内侧，靠近变压器，因此称为内桥式结线。
这种主结线的运行灵活性较好，供电可靠性较高，适用于一、二级负荷工厂。
这种内桥式结线多用于电源线路较长因而发生故障和停电检修的机会较多、并且变电所的变压器不需要经常切换的总降压变电所。
2.一次侧采用外桥式结线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所，这种主结线，其一次侧的高压断路器也跨接在两路电源进线之间，但处在线路断路器的外侧，靠近电源方向，因此称为外桥式结线。
这种主结线的运行灵活性也较好，供电可靠性同样较高，适用于一、二级负荷的工厂。
但与内桥式结线适用的场合有所不同。
这种外桥式适用于电源线路较短而变电所负荷变动较大、适用经济运行需经常切换的总降压变电所。
当一次电源电网采用环行结线时，也宜于采用这种结线，使环行电网的穿越功率不通过进线断路器，这对改善线路断路器的工作及其继电保护的整定都极为有利。
3、一、二次侧均采用单母线分段的总降压变电所，这种主结线图
有上述两种桥式结线的运行灵活性的优点，但所用高压开关设备较多，
可供一、二级负荷，适用于一、二次侧进出线较多的总降压变电所
4、一、二次侧均采用双母线的总降压变电所主电路图采用双母线结线较之采用单母线结线，供电可靠性和运行灵活性大大提高，但开关设备也大大增加，从而大大增加了初投资，所以双母线结线在工厂电力系统在工厂变电所中很少运用主要用与电力系统的枢纽变电所。
本次设计的煤矿是连续运行，负荷变动较小，电源进线较短（4.5km）,主变压器不需要经常切换，另外再考虑到今后的长远发展。
本设计一次侧采用全桥接线，二次侧采用单母线分段接线。
现在开始到短路电流的计算
这部分主要包括短路形成的原因，短路的危害、短路的类型和短路电流计算的目的和方法
本设计采用标幺制法计算短路电流
第4章：
短路电流的计算
4.1短路电流计算的一般概述
电气设备或导体发生短路故障时通过的电流为短路电流。
在工矿企业供电系统的设计和运行中，不仅要考虑到正常工作状态，而且还要考虑到发生故障所造成的不正常状态。
根据电力系统多年的实际运行经验，破坏供电系统正常运行的故障一般最常见的是各种短路。
所谓短路是指相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接（接地），以及三相四线制系统中相线与中线短接。
当发生短路时，短路回路的阻抗很小，于是在短路回路中将流通很大的短路电流（几千甚至几十万安），电源的电压完全降落在短路回路中。
4.1.1短路的原因
发生短路的主要原因是由于电力系统的绝缘被破坏。
在大多数情况下，绝缘的破坏多数是由于未及时发现和未及时消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运行维护不当所，例如：
过电压、直接雷击、绝缘材料的陈旧、绝缘配合不好、机械损坏等，运行人员的错误操作，如带负荷拉开隔离开关，或者检修后未拆接地线就接通断路器；在长期过负荷元件中，由于电流过大，载流导体的温度升高到不能容许的程度，使绝缘加速老化或破坏；在小接地电流系统中未及时或消除一相接地的不正常工作状态，此时，其它两相对地电压升高倍，造成绝缘损坏；在某些化工厂或沿海地区空气污秽，含有损坏绝缘的气体或固体物质，如不加强绝缘，经常进行维护检修或者采取其他特殊防护措施等，都很容易造成短路。
此外，在电力系统中，某些事故也可能直接导致短路，如杆塔塌导线断线等。
动物或飞禽跨接载流导体也会造成短路事故。
4.1.2短路的危害
短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏应力，如果导体和它们的支架不够坚固，则可能遭到严重破坏。
短路电流越大，通过的时间越长，对故障元件破坏的程度也越大。
由于短路电流很大，即使通过的时间很短，也会使短路电流所经过的元件和导体收起不能容许的发热，从而破坏绝缘甚至使载流部分退火、变形或烧毁。
既然发生短路时流通很大的短路电流（超过额定电流许多倍），这样大的短路电流一旦流经电气设备的载流导体，必然要产生很大的电动力和热的破坏作用，随着发生短路地点和持续时间的长短，其破坏作用可能局限于一小部分，也可能影响整个系统。
4.1.3短路的类型
三相系统中短路的基本类型有：
三相短路、两相短路、单相短路（单相接地短路）和两相接地短路。
除了上述各种短路以外，变压器或电机还可能发生一相绕组匝间或层间短路等。
根据运行经验统计，最常见的是单相接地短路，约占故障总数的60%，两相短路约占15%，两相接地短路约占20%，三相短路约占5%。
三相短路虽少，但不能不考虑，因为它毕竟有发生的可能，并且对系统的稳定运行有着十分不利的影响。
单相短路虽然机会多短路电流也大，但可以人为的减小单相短路电流数值，使单相短路电流最大可能值不超过三相短路电流的最大值。
这就使全部电气设备可以只根据三相或两相短路电流来选择，况且三相短路又是不对称短路的计算基础，尤其是工业企业供电系统中大接地电流系统又很少，因此应该掌握交流三相短路电流的计算。
4.2短路电流计算的目的和方法
短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定计算。
进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。
在计算电路图上，将短路计算所考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。
短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。
接着，按所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。
在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，然后将等效电路化简。
对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。
最后计算短路电流和短路容量。
短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（有称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。
本设计采用标幺制法计算短路电流。
其结果为：
运行方式
35kv母线S1点短路电流
6kv母线S2点短路电流
I”（KA）
ich（KA）
S”（MVA）
I”（KA）
ich（KA）
S”（MVA）
最大运行方式
7.36
18.77
471.66
14.97
51.4
163.35
最小运行方式
9.12
20.52
584.45
16.04
49.32
175.02
高低压电气设备的选择
电气设备应该按正常条件选择然后按短路条件校验，主要校验的是热稳定性和动稳定性，校验公式建议看下刘介才老师的《工矿企业供电》
第5章：
电气设备的选择与校验
5.1高压电器设备选择的一般原则
为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：
按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。
由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，选择与校验条件不尽相同，高压电气设备的选择与校验项目见表5-1。
表5-1高压电气设备的选择与校验项目
设备名称
额定电压
额定电流
开断能力
短路电流校验
环境
条件
其它
动稳定
热稳定
断路器
√
√
√
○
○
○
操作性能
负荷开关
√
√
√
○
○
○
操作性能
隔离开关
√
√
○
○
○
操作性能
熔断器
√
√
升级会员 