现代供电技术课程设计356kv煤矿变电所.docx
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现代供电技术课程设计356kv煤矿变电所
现代供电技术课程设计35-6KV煤矿变电所
1前言
变电所是连接发电厂、电网和电力用户的中间环节，主要有灰机和分配电力、操作、升降电压等功能。
是供电系统中极其重要的组成部分。
同样作为矿山电力变电所的作用是不可低估的，所以正确选择各级变电站的变压器容量及其他设备是实现安全可靠供电的前提。
一个完善的供电系统是企业能够安全稳定生产的基础。
煤矿的变电所是接收变换分配电能的环节是供电系统中极其重要的组成部分。
所以合理的变电所设计是对一个企业的生产和发展是尤为重要的。
煤矿供电系统是否需建变电所的相对位置，矿区内的配电方式和本地区电网的供电系统等等。
煤矿的变电所设计需要考虑许多因素。
2对原始资料的分析
某煤矿原始资料如下：
年产100万吨原煤，服务年限80年，
两回35kV架空电源线路长度：
l1l26.5km;
两回35kV电源上级出线断路器过电流保护动作时间：
t1t22.5s;
本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：
Xs.min0.12Sd100MVA;
本所35kV电源母线上最小运行方式下的系统电抗：
Xs.0.12Sd100MVA;
井下6kV母线上允许短路容量：
Sal100MVA；
本所35kV母线上补偿后平均功率因数要求大于等于0.9；
地区日最高气温：
44摄氏度;
最热月室外最高气温月平均值:
42摄氏度;
最热月室内最高气温月平均值:
32摄氏度;
最热月土壤最高气温月平均值:
27摄氏度。
全矿负荷统计分组表见附表。
表1-1全矿负荷统计分组
序号设备名称等级电压
（V）安装/工作台数总容量
（kW）需用
系数功率
因数1主提升机160001/112000.950.850.282副提升机160001/18800.940.840.203通风机1160002/16000.88-0.911.54通风机2160002/16000.88-0.911.55压风机160004/26000.9-0.890.366地面低压160008000.720.780.057机修厂13800.60.70.208洗煤厂33800.750.780.469工人村23806000.760.852.010支农33802000.750.852.711主排水泵160005006/420000.880.860.6512井下压设备66032000.70.76
3负荷计算与功率因数补偿
要计算工矿企业负荷，首先做成负荷统计计算表，计算或查表求出各负荷的需用系数和功率因数，然后由低压到高压逐级计算各组负荷，在进行负荷归总时，应计入各低压变压器的损耗，考虑组间同时系数后，就可求得矿井6kV母线上的总计算负荷，作为初选主变压器台数容量的主要依据
功率因数的补偿计算与主变压器的容量、负荷率及运行方式密不可分，要求将35kV母线的功率因数提高到0.9以上，故应将主变压器的功率损耗也计入总的负荷中，在计算过程中将会存在估算与最后验算的反复。
拟定供电系统，主要是综合考虑矿井负荷性质，主变压器的台数、容量及电源线的情况来决定矿井地面356kV变电所的主接线方式并绘制供电系统一次接线图。
计算可按以下八步
（一）计算各组负荷。
（二）选择各低压变压器并计算其损耗。
（三）计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器。
（四）功率因数补偿计算与电容器柜选择。
（五）主变压器校验及经济运行。
（六）全矿电耗与吨煤电耗计算。
（七）拟定并绘制矿井地面供电系统一次接线图。
（八）设计计算选择结果汇总。
3.1计算各组负荷
利用中各列的数据和公式分别算出各设备或设备组的、及，并填入表中。
例如对于主提升机有
又如对于扇风机1，由同步电动机拖动，中其cosφ负值，其原因是：
同步电动机当负荷率＞0.9，且在过励磁的条件下，其功率因数超前，向电网发送无功功率，故为负值。
此时同步电动机的无功补偿率约为40～60%，近似计算取50%，故其补偿能力可按下式计算：
同理可得其余各组数据的功率无功功率有功率填入表全矿负荷统计表
3.2各低压变压器的选择与损耗计算
因采用高压6kV集中补偿功率因数，故对各低压变压器均无补偿作用，选择时据表中的计算视在容量按公式Sca的原则进行。
机修厂、工人村与支农变压器
查附表1分别选用、、型三相油浸自冷式铜线电力变压器各一台。
地面低压动力变压器
选用两台型铜线电力变压器。
洗煤厂变压器
选用两台型铜线电力变压器。
各变压器功率损耗计算
对于单台变压器来说采用下面公式进行计算
两台变压器一般为分列运行，其功率损耗应为按0.5β运行的单台变压器损耗的两倍；对于井下低压负荷，因表2-1中未作分组，故不选变压器，其损耗按近似公式计算。
例如，对于500kVA工人村变压器，据附表1中的有关参数，可算得
又如，对于地面低压两台800kVA变压器，同样可算得
井下低压负荷的变压器损耗按近似公式计算，即
同理可得其它各低压变压器的损耗如表2－2所示。
表2－2各低压变压器功率损耗计算结果
地面低
压设备机修厂洗煤厂工人村支农井下低
压设备2*80010002*80063031529636.08.35.15.61.844.434.540.830.226.88.7177.8合计3.3计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器
各组低压负荷加上个低压变压器的功率损耗后即为高压侧的负荷，而又因通过表一，故查书表2-3得Ksi0.85，忽略矿内高压线路的功率损耗，变电所6kV母线补偿前的总负荷为:
补偿前功率因数：
而因为矿井一、二级负荷占的比重大，可初选两台主变压器，其型号容量按附表B选为35/6.3kVS9-10000型，可采用两台同时分裂运行的方式，当一台因为停运，另一台也能保证全矿一、二级负荷的供电。
并留有一定的发展空间。
3.4功率因数补偿与电容器柜选择
选择思路：
已知要求35kV侧的平均功率因数为0.9以上，但补偿电容器是装设联接在6kV母线上，而6kV母线上的总计算负荷并不包括主变压器的功率损耗，这里需要解决的问题是，6kV母线上的功率因数应补偿到何值才能使35kV侧的平均功率因数为0.9级以上。
分析解决此问题的思路如下：
先计算无补偿时主变压器的最大功率损耗，由于无功损耗与负荷率的平方成正比，故出现变压器最大功率损耗的运行方式应为一台使用，一台因故停运的情况，据此计算35kV侧的补偿前负荷及功率因数，并按公式（2－52）求出当功率因数提至0.9时所需要的补偿容量，该数值就可以作为6kV母线上应补偿的容量；考虑到矿井35kV变电所的6kV侧均为单母线分两段接线，故所选电容器柜应为偶数，据此再算出实际补偿容量，最后重算变压器的损耗并校验35kV侧补偿后的功率因数。
（1）无补偿时主变压器的损耗计算
无补偿时主变压器的损耗计算。
按一台运行、一台因故停运计算，则负荷率为
以上等参数可以由附表B查得。
（2）35kV侧补偿前的负荷与功率因数
（3）计算选择电容器柜与实际补偿容量
计算选择电容器柜与实际补偿容量。
设补偿后功率因数提高到，，负荷系数Klo0.8。
按照书表2-7选用GR-1C-08型，电压为6kV每柜容量qc270kvar的电容器柜，则柜数NQc/qc1421/2705.3
取偶数得Nf6
实际补偿容量：
折算到计算补偿容量为
（4）补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数
补偿前后有功计算负荷不变，故有
（5）补偿后主变压器最大损耗计算
补偿后一台运行的负荷率略有减小。
（6）补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验
符合要求。
3.5主变压器检验及经济运行方案的确定
由表2－9负荷统计计算表可知、全矿三级负荷约占总负荷的15%，故可取则有
合乎要求。
按照此参数可知本次设计主变压器器选择10000kVA的为宜。
两台主变压器经济运行的临界负荷可由公式求出，即
对于工矿企业变电所，可取Kq0.06，上式Q0、Qk由公式求得，临界负荷为
得到经济运行方案为，当实际负荷SS4949KVA时，宜采用一台运行，当SS4949KVA时，宜采用两台同时分列运行。
3.6全矿电耗与吨煤电耗计算
按表2-1，一般大型矿井取上限。
中小矿井取下限，取年最大负荷利用小时T4500小时，故全矿年电耗：
吨煤电耗为
3.7拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图
拟定矿井地面供电系统图，应该从35kV电源线开始，依次确定电源进线回路、35kV和6kV主接线，再考虑各6kV负荷的分配与连接。
井下回路数，主要由负荷电流和井下开关最大额定电流，并兼顾是否设置限流电抗器来考虑。
（1）电源进线与主接线。
按已知原始数据，上级变电所提供两回35kV架空电源线路，故电源进线回路为2。
对于煤矿企业，因一、二级负荷占总负荷的2/3以上，故35kV侧适宜用全桥接线，6kV侧则可以采用单母线分两段的接线方式。
（2）负荷分配。
考虑一、二级负荷必须由连于不同母线段的双回路供电，而主、副井提升机因相距较近（80m），可采用环形供电。
将下井电缆与地面低压等分配于两段母线上，力图在正常生产时两段6kV母线上的负荷接近相等。
（3）下井电缆回数确定，由表2-1可知，考虑同时系数0.96下的井下总负荷为：
井下最大长时负荷电流
根据井下开关的额定电流最大为400A，而《煤矿安全规程》规定：
下井电缆至少两回，当一回因故停止供电时，其他电缆应能满足井下安全负荷的供电。
所以，本设计至少选用三回，考虑到负荷分配和运行的灵活性，最后确定4回下井电缆，两两并联分裂运行。
（4）绘制供电系统图，如图2-1所示。
3.8设计计算选择结果汇总
补偿后的6kv侧负荷和功率因数为：
同理可得35kV侧补偿后负荷功率因数：
因而主变压器的选择：
35/6.3kVS9-10000型两台。
补偿电容器的选择：
6kVGR-1C-08型，270kvar六台；6kVGR-1C-03型放电柜两台。
变压器经济运行临界负荷：
全矿年电耗：
吨煤电耗：
4.短路电流计算
要对供电系统进行短路计算，首先要选定短路点，并绘制计算图。
对于工矿企业35/6～10kV供电系统，一般为无限大电源容量系统，正常运行方式常为全分列方式或一路使用、一路备用方式，电路相对简单，故可在等效短路计算图中直接进行阻抗的串、并联运算，以求得各短路点的等效总阻抗，进而求得各短路参数。
短路电流的计算可按以下四步求解：
选取短路计算点并绘制等效计算图选择计算各基准值计算各元件的标么电抗计算各短路点的总标么电抗与短路参数
.1选取短路计算点并绘制等效计算图
一般选取各线路始、末端作为短路点，线路始端的最大三相短路电流用来校验设备的动热稳定性，并作为上一级继电保护的整定参数之一，线路末端的最小两相短路电流常用来校验相关继电保护的灵敏度。
故选35kV6kV母线和各6kV出现末端为短路计算点。
由于变电所运行方式为全分列式，故任意点短路电流由系统电源通过本回路提供，且各最大、最小短路电流仅与系统的运行方式有关，故可得如所示的等效短路计算图。
4.2选择计算各基准值
选基准容量Sd＝100MVA，基准电压Ud1＝37kV，Ud2＝6.3kV，Ud3＝0.4kV则可求得各级基准电流为
4.3计算各元件的标么电抗
（2）变压器电抗：
主变压器电抗
地面低压变压器电抗
（3）线路电抗：
35kV架空线电抗
下井电缆电抗
扇风机1馈电线路电抗
扇风机2馈电线路电抗
主井提升馈电线路电抗
副井提升馈电线路电抗
压风机馈电线路电抗
地面低压馈电线路电抗
洗煤厂馈电线路电抗
工人村馈电线路电抗
机修厂馈电线路电抗
支农馈电线路电抗
4.4计算各短路点的总标幺电抗与短路参数
1．最大运行方式下的三相短路电流
2．最小运行方式下的两相短路电流
1．最大运行方式下的三相短路电流
2．最小运行方式下的两相短路电流
（3）K’21点短路电流计算（折算到6kV侧）
1．最大运行方式下的三相短路电流
6kV侧的短路电流参数
2．最小运行方式下的两相短路电流
6kV侧的最小两相短路电流为
（4）K7点井下母线短路容量计算
井下6kV母线距井上35kV变电所的最小距离是：
副井距35kV变电站距离+井深+距井下中央变电所的距离，即
其电抗标么值为
最大运行方式下井下母线短路的标么电抗为
井下母线最大短路容量为
该值小于井下6kV母线上允许短路容量100MVA，故不需要在地面加装限流电抗器。
其它短路点的计算与以上各点类似。
各短路点的短路电流计算结果如表3-1所示。
表3－1短路计算结果参数表
短路参数最大运行方式最小运行方式短路点kAkAkAMWAkAkAK355.0312.837.65322.685.034.36K668.6522.0613.1594.358.657.49K258.6522.0613.1594.358.657.49K77.7019.8111.8183.977.706.67K113.569.085.4138.893.563.08K133.569.085.4138.893.563.08K168.2120.9412.4889.588.217.11K178.3321.2412.6690.898.337.21K198.0920.6312.3088.308.097.01K211.373.492.0814.941.371.19K236.0215.359.1565.646.025.21K272.987.604.5332.522.982.58K288.3321.2412.6690.898.337.21K302.426.173.6826.452.422.10
5继电保护设计：
过流保护设置与整定计算
5.1已知数据归纳与列表
序号开关代号设备组
名称短路参数线路计
算负荷电流互
感器变比负荷组
结构短
路
点
kA
kASca
kVAKTA单台y多台x行列1234567811、2QF35kV进线K355.037.659280300/5X2IQF35kV联络K355.037.659280300/5X33、4QF主变高压K355.037.659280300/5X4IIQF6kV联络K668.6513.1589721250/5X57～10QF下井电缆K77.7011.814627300/5X611、12QF1#扇风机K113.565.41286150/5Y713、14QF2#扇风机K133.565.41286150/5Y816QF主井提升K168.2112.481341150/5Y917QF副井提升K178.3312.661047150/5Y1019、20QF压风机K198.0912.30557150/5X1121、22QF地面低压K211.372.08738150/5X1223、24QF洗煤厂K236.029.15390150/5X1325、26QF电容器K252.984.531620／2150/5X1427QF工人村K278.3312.66536100/5X1528QF机修厂K282.423.68814150/5X1630QF支农K303.565.41176100/5X17高压下井电缆型号根数，MYJV42－6Cn418上级35kV出线定时过流时限，t2.5，s19矿井6kV补偿电容器总容量，Qc1620kvar20主变压器型号容量，SF7－35／6.3kVSN.T10000kVA注1：
各开关代号与短路点编号可同时参阅图2确认；
注2：
K7～K30各短路点的位置为图2中各6kV出线的末端；
注3：
地面低压的短路电流为变压器低压侧短路折算至6kV的值。
5.2QFI、QF1、QF2过流保护整定
QFI的瞬时速断
动作电流按躲过6kV母线上最大三相短路电流来整定。
即用公式计算
保护灵敏度按保护装置安装处的最小两相短路电流校验，即用公式校验
合格。
QF1、QF2的限时速断
该级限时速断的动作电流按公式可取为,即
灵敏度用公式校验，即合格。
动作时间取为0.5s。
QF1、QF2的定时过流
动作电流按躲过企业正常最大工作电流整定，即按公式计算
动作时限
本级保护灵敏度按公式计算
合格。
后备保护灵敏度按公式计算
合格。
5.3QF3、QF4过流保护整定
定时过流
对于全分列运行方式，其动作电流可按躲过单台主变压器正常最大工作电流整定。
即按公式计算
动作时限
本级保护灵敏度按公式计算
合格。
后备保护灵敏度用公式计算
由于取最大的亦不能满足后备灵敏度的要求，故各6kV出线应设置近后备保护。
QF3、QF4的过负荷保护
主变压器过负荷保护动作电流按躲过其额定电流整定。
即按公式计算
动作时间top.ol3取为10s。
5.4各6kV馈出线的过流保护整定
各6kV馈出线断路器，一律设置瞬时速断加定时过流的两段式保护，并以瞬时速断为主保护，以定时过流为近后备保护，瞬时速断采用“逆向整定”法。
7～30QF等开关的瞬时速断
其余各6kV出线开关的瞬时速断可用类似方法求出，其结果列于表6－4中。
7～30QF等开关的定时过流
上式Ica.7取为200A来自选定的单根下井电缆长时允许负荷电流。
动作时限
灵敏度合格。
其余各6kV出线开关的定时过流可用类似方法求出，其结果列于表6－4中。
5.5QFII过流保护整定
该级开关设置限时速断保护，主要作为在系统故障运行情况下，切除又发生短路的某段6～10kV母线的保护，因此其动作电流可用6～10kV母线上最小两相短路电流除以灵敏度Ks（＝1.5）来整定。
即
动作时限取为0.5s。
5.6过流保护系统整定结果列表
将以上整定计算结果归纳分类，可得到该例过流保护系统整定结果如表6－4所示。
序号
开关
代号限时速断瞬时速断定时过流一次
电流时限灵敏度一次
电流灵敏度一次
电流时限灵敏度后备灵敏度
kA
S
kA
kA
S
11、2QF1.770.50.3122.013.52.32IQF1.772.463*3、4QF0.204100.331.52.04IIQF4.990.557QF4.11.50.7061.08.7611QF1.981.50.47516.3713QF1.981.50.47516.3816QF4.351.50.74218.8917QF4.411.50.468114.11019QF4.31.50.181135.61121QF1.171.50.22215.31223QF3.261.50.243120.11325QF4.561.50.311122.01427QF1.671.50.120120.81528QF4.411.50.177137.31630QF1.371.50.087123.4*该行限时速断列中记录过负荷动作电流及时限
6结论
本次课程设计是关于煤矿变电所的设计，这是一个综合性的设计。
首先要计算全矿的负荷统计分组情况，然后计算各组负荷，然后选择低压变压器与计算损耗。
选取短路点并绘制等效计算图，然后计算各基准值。
再将短路电流计算汇总。
还要进行电气设备的选择，其中包括隔离开关的选择，电流互感器的选择，电压互感器的选择，母线的选择等。
最后进行继电保护设备的选择和计算。
一个完善的供电系统是企业能够安全稳定生产的基础煤
矿的变电所是接收变换分配电能的环节，是供电系统中极其重要的组成部分，所以合理的变电所设计是对一个企业的生产和发展是尤为重要的。
煤矿供电系统是否需建变电所的相对位置的配电方式和本地区电网的供电系统等等。
煤矿的变电所设计需要考虑许多因素。
7参考文献
【1】王福忠，王玉梅，邹有明.现代供电技术（第2版）.北京：
中国电力出版社，2011
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