煤矿35及10KV变电所供电系统设计毕业论文


    煤矿35/10KV变电所供电系统设计 摘 要 35kV变电所是整个煤矿供电系统的重要组成部分,它为全矿提供电力保障。变电所供电系统的可靠运行对提高煤矿经济效益及保证安全生产等方面都有十分重要的意义。 本毕业设计论文是关于某A煤矿供电系统的初步设计。设计内容主要包括负荷计算、变压器选型、主接线设计、短路计算、电气设备选型、微机保护整定、变电所的防雷保护与接地等。根据负荷统计的结果,用需用系数法进行负荷计算和无功补偿。根据负荷计算的结果确定出该变电所主变压器的台数、容量及型号。用标幺值法对供电系统进行短路电流计算,为电气设备的选择及校验提供数据。根据煤矿供电系统的特点,制定变电所的主接线方式、运行方式、微机保护方案等。考虑到电气设备可能的漏电现象及变电所遭到雷击,还要对变电所进行保护接地和防雷保护的设计。 关键字:变电所;短路电流计算;微机保护;防雷保护 35/10KV Power System Design of Substation in Coal Mine Abstract 35kV substation is an important part of the coal mine supply system, which provides power protection for the whole mine. Reliable operation of the substation power supply system is very important and significant for economic efficiency and safety production of coal mine. This graduation project is about power systems preliminary design of A Coal Mine. The design includes load calculations, transformer selection, the main wiring design, short circuit calculations, electrical equipment selection, microcomputer protection setting, substation lightning protection and grounding. According to the results of load statistics, make load calculation with demanding coefficient method. Determine the number of the main transformer, load capacity and type of the transformer based on the results of load calculation. Calculate short circuit current for power supply system with Per-unit value method in order to provide data for the selection and verification of electrical equipment. According to the characteristics of coal-powered systems, make substation main wiring, mode of operation, relay protection programs and so on. Taking the possible leakage phenomenon of electrical equipment and substation was struck by lightning into account, make grounding and lightning protection for substation. Keywords: substation; short circuit calculations;microcomputer protection; lightning protection 目 录 摘 要 I Abstract II 前 言 1 第一章 概 述 2 1.1设计内容 2 1.2煤矿概述 2 第二章 负荷计算和无功补偿 3 2.1负荷计算的目的 3 2.2负荷计算方法 3 2.2.1 用电设备组计算负荷的确定 3 2.2.2 多个用电设备组的计算负荷 4 2.3 负荷计算过程 5 2.3.1各用电设备组负荷计算 5 2.3.2 10kV侧补偿前的总计算负荷 20 2.4无功补偿 20 2.4.1 无功补偿计算 20 第三章.变电所主变压器选型 23 3.1 变电所主变压器的选型原则 23 3.1.1 主变压器容量选型原则 23 3.1.2 变压器台数选型原则 24 3.2变压器的功率损耗 26 3.2.1 变压器的有功功率损耗计算 27 3.2.2变压器的无功功率损耗 27 3.3 35kV侧全矿计算负荷及功率因数校验 28 3.4 变压器经济运行分析方法 28 3.4.1无功功率经济当量的概念 28 3.4.2变压器的经济运行 29 第四章.电气主接线设计 33 4.1 对主接线的基本要求 33 4.2 本所电气主接线方案的确定 33 第五章.短路电流分析与计算 35 5.1 短路的概述 35 5.1.1 短路的种类 35 5.1.2 短路电流计算的目的 36 5.2 短路电流的危害 37 5.3 短路电流计算的目的与基本条件 37 5.3.1 进行短路计算得基本假设 37 5.4 无限大容量电源系统三相短路电流计算 38 5.4.1 标幺值计算的概念及优点 38 5.4.2 短路电流计算中用到的相关物理量 38 5.4.3短路功率Sk 39 5.4.4各路径元件阻抗计算公式 40 5.4.5各元件短路阻抗标幺值计算 40 5.5 短路电流计算过程 42 5.5.1短路电流计算公式 42 5.5.2最大运行方式 43 5.5.3最小运行方式 46 5.5.4 短路计算参数汇总表 49 第六章.变电所一次设备的选型与校验 51 6.1 高压电气设备选型原则 51 6.2 高压开关柜设备的选型及校验 52 6.2.1 35kV 侧高压开关柜的选型及校验 52 6.2.2 10kV 侧高压开关柜的选型及校验 58 6.3 设备选型汇总表 62 第七章.电力线路的选型 64 7.1 概述 64 7.2 电力线路选型的原则 64 7.2.1 供电可靠性 64 7.2.2 操作方便,运行安全灵活 64 7.2.3 经济合理 64 7.2.4 具有发展的可能性 65 7.3 35KV架空线的选型与校验 65 7.4 10kV 电缆及架空线的选型与校验 67 第八章.供电系统微机保护 74 8.1 微机继电保护综述 74 8.1.1 微机继电保护的主要特点 74 8.1.2 微机继电保护与传统的继电保护技术相比的优缺点 75 8.2微机继电保护的硬件原理: 77 8.2.1数据采集系统 77 8.2.2 CPU主系统 77 8.2.3开关量输入/输出回路 78 8.2.4 微机继电保护实物图 80 8.2.4 微机继电保护的算法 80 8.3 微机继电保护的软件原理 81 8.3.1 微机继电保护装置的软件构成 81 8.3.2 微机保护的软件设计 83 8.4 35/6KV供电系统微机保护汇总表 83 KLD-9331微机变压器差动保护装置 83 KLD-9371微机PT监测切换装置 84 8.5 变压器的微机保护 84 8.5.1 变压器的瓦斯保护 84 8.5.2 微机变压器的差动保护装置 85 8.5.3 变压器的过流保护 86 8.6 备用电源自投保护测控装置 86 8.6.1 装置功能及适用范围 87 8.6.2 一次接线示意图: 88 第九章.变电所的防雷与接地 88 9.1 变电所防雷 88 9.1.1 常用的防雷保护装置 89 9.1.2变电所的防雷措施 89 9.2 变电所接地 90 9.2.1 接地的要求 90 9.2.2 接地的种类 91 9.2.3回路式接地装置 91 结 论 92 致 谢 93 参考文献 94 前 言 本设计针对某A煤矿实际情况,进行供电系统设计解决矿山实际问题,即巩固了所学的专业知识,又培养分析问题、解决问题的能力及实际工程设计的基本技能,还学会查阅技术资料和各种文献的方法,最终掌握煤矿供电系统设计的基本方法。 电能是现代煤矿生产的主要能源和动力,首先应该保证供电的可靠性和安全性,并做到技术和经济方面合理的满足生产的需要。由于煤矿生产条件的特殊性,对供电系统有特殊的要求,因此对煤矿供电系统的设计要严格按照相关规定进行设计。 本设计主要完成以下工作:针对矿井负荷的用电要求,用需要系数法进行了负荷计算。据此对主变压器进行选择,并进行无功补偿。根据变电所主接线的设计原则,对变电所的主接线进行设计:35kV侧采用全桥接线,10kV母线采用单母分段接线形式。采用标幺值法对供电系统进行了短路计算。按安装地点、运行环境和使用要求对电气设备的规格型号进行选择,并对它们进行动稳定性和热稳定性校验。继电保护装置保证了电气设备或线路发生故障时,断路器能迅速动作,且有选择地将故障切除,以免事故扩大。为防止变电所遭到雷击,还进行了防雷保护。此外,为了保障人身与设备的安全,还要对变电所进行保护接地设计。 以上只是35kV变电所供电系统初步设计的简单介绍,一些具体的数据分析和计算方法,在本设计中会给出详细的说明。 由于个人能力有限,在设计中难免会出现这样或那样地错误和不妥之处,恳请各位老师能够批评指正。 第一章 概 述 1.1设计内容 (1)矿井负荷计算和无功功率补偿; (2)地面35kV变电所主变压器的选择与校验; (3)地面35kV变电所主接线方案确定; (4)短路电流计算; (5)地面35kV变电所一次设备的选择与校验; (6)电力线路的选择与校验 (7)地面35kV变电所二次回路方案的选择与微机保护的整定; (8)地面35kV变电所的防雷与接地。 1.2煤矿概述 燕龛煤炭有限责任公司下辖的程庄煤矿和燕龛煤矿,井田相邻,地跨阳泉市郊区河底镇和盂县路家村镇。两个井田均批准开采3、8、9、12、15号等五个煤层,井田面积共计11.884km2。 根据两个矿井的实际情况,燕龛煤炭有限责任公司决定对两个矿井的技术改造工程进行调整:关闭燕龛煤矿,将其0.30Mt/a的生产能力划归程庄煤矿;集中改造程庄煤矿,生产规模由0.45 Mt/a扩建至1.20 Mt/a。 现需建设地面35/10kV矿井变电所一座,供电线路采用双回路35kV架空线。一回主供电源引自苇泊110kV变电站,长度9.5km;另一备用电源线路引自燕龛110kV变电站,长度2.77km。35kV母线最大短路参数Sdmax=450MVA,变电所距井下中央变电所1km. 第二章 负荷计算和无功补偿 2.1负荷计算的目的 进行企业电力负荷计算的主要目的就是为正确的选择企业各级变电站的变压器容量,各种电气设备的型号、规格以及供电网所需导线的型号、截面积等提供科学依据。其中,求计算负荷,或称需用负荷,目的是为了合理地选择企业各级变压器的变压器容量和电气设备的型号等。求尖峰电流,用于计算电压损失、电压波动、选择熔断器和保护元件等。求平均负荷,用来计算全场电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。 2.2负荷计算的方法 我国设计部门在进行企业供电设计时经常采用地电力负荷计算方法有:需用系数法、二项系数法、单位电耗法、利用系数法和单位面积功率法等。需用系数法计算简便,对于任何性质的企业负荷均适用,且计算结果基本上符合实际。因此,这种计算方法应用最广泛。尤其对用电设备容量相差较小且用电设备数量较多的用电设备组,这种计算方法最为适宜。二项系数法则主要适用于用电设备容量相差大的场合,如机械加工企业、煤矿井下综采工作面等。利用系数法是以平均负荷作为计算的依据,利用概率论分析出最大负荷与平均负荷的关系。这种计算方法虽理论依据较充分,但由于目前积累的使用数据不多,且计算步骤较繁琐,精确度也并不比前两种方法强多少,所以,目前已逐渐不被采用。最后两种方法常用于方案估算。因此,本设计采用需要系数法进行负荷计算,步骤如下: 2.2负荷计算方法 2.2.1 用电设备组计算负荷的确定 用电设备组是由工艺性质相同、需要系数相近的一些设备合并成的一组用电设备。在一个车间中可根据具体情况将用电设备分为若干组,再分别计算各用电设备组的计算负荷。其计算公式为: Pca=KdPNΣ (2-1) Qca=Pcaφ (2-2) Sca= (2-3) Ica= (2-4) 式中 Pca、Qca、Sca——该用电设备组的有功、无功、视在功率计算负荷。 PNΣ——该用电设备组的设备总额定容量,KW;å UN——额定电压,V; tanφ——功率因数角的正切值; Ica——该用电设备组的计算负荷电流,A;j Kd——需要系数,由表2-2查得。 2.2.2 多个用电设备组的计算负荷 在配电干线上或车间变电所低压母线上,常有多个用电设备组同时工作,但是各个用电设备组的最大负荷并非同时出现,因此在求配电干线或车间变电所低压母线的计算负荷时,应再计入一个同时系数Ksi。具体计算如下: Pca=Ksi (2-5) Qca=Ksi (2-6) Sca= (2-7) Ica= (2-8) 式中 Pca 、Qca 、Sca——为配电干线或变电站低压母线的有功、无功、视在计算负荷; Ksi ——同时系数,其值见表2-3; m ——该配电干线或变电站低压母线上所接用电设备组总数; Kdi 、、——分别对应于某一用电设备组的需用系数、功率因数角正切值、总设备容量; Ica——该干线或变压站低压母线上计算电流,A; UN——该干线或低压母线上的额定电压,V。 2.3 负荷计算过程 2.3.1各用电设备组负荷计算 用电设备分组,由表2-2确定各组用电设备的总额定容量。 由表2-2查出各用电设备组的需用系数Kd和功率因数cosφ,根据公式2-1计算出各用电设备组的计算负荷。 1. 井下负荷: (1) 一水平主排水泵 Kd=0.8,cosφ=0.85,tanφ=0.62 有功功率:Pca=KdPNΣ=0.84×110=92.4KW; 无功功率:Qca=Pcatanφ=92.4×0.62=57.288Kvar; 视在功率:Sca===108.71KVA 计算电流:Ica===95.10A 用同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷,结果记入表2-1全矿电力负荷计算负荷表中。 (2) 井下负荷合计 有功功率:Pca=Ksi=0.92×4913=4519.96KW 无功功率:Qca=Ksi=0.92×4732×0.963=4192.36Kvar 视在功率:Sca===6164.89KVA 2. 地面负荷: (1) 主斜井皮带: Kd=0.86、cosφ=0.85、tanφ=0.62 有功功率:Pca=KdPNΣ=0.86×542=466.12KW 无功功率:Qca=Pcatanφ=466.12×0.62=288.99Kvar 视在功率:Sca===548.44KVA 计算电流:Ica===31.66A 用同样方法可计算出其它各用电设备组的计算负荷,结果记入表2-1全矿电力负荷计算负荷表中。 (2) 地面负荷合计 有功功率:Pca=Ksi=0.92×5211=4794.12KW 无功功率:Qca=Ksi=0.92×3661=3368.12Kvar 视在功率:Sca===5858.99KVA 全矿电力负荷的计算负荷如表2-1所示 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 一 井下负荷 (一) 一水平主排水泵 0.66 110.0 3 1 330.0 110.0 0.84 0.85 0.62 92.4 57.3 678000.0 (二) 二水平主排水泵 0.66 220.0 3 1 660.0 220.0 0.84 0.85 0.62 184.8 114.5     1043000.0 (三) 一水平车场及9号煤大巷 0.66 1 调度绞车 0.66 11.4 9 4 102.6 45.6 2 无极绳绞车 0.66 75.0 1 1 75.0 75.0 3 泵房电动阀门 0.66 3.0 3 3 9.0 9.0 4 主斜井井底撒煤清理 0.66 13.0 1 1 13.0 13.0 小 计 14 9 199.6 142.6 0.7 0.7 1.0 92.7 94.6 2500.0 231725.0 (四) 15101综采工作面 1 采煤机 1.14 600.0 1 1 600.0 600.0 2 刮板运输机(前) 1.14 400.0 1 1 400.0 400.0 3 刮板运输机*(后) 1.14 630.0 1 1 630.0 630.0 4 转载机 1.14 110.0 1 1 110.0 110.0 5 破碎机 1.14 160.0 1 1 160.0 160.0 6 喷雾泵 0.66 55.0 1 1 55.0 55.0 7 乳化液泵 0.66 125.0 2 1 250.0 125.0 8 可伸缩胶带运输机 0.66 160.0 1 1 160.0 160.0 9 调度绞车 0.66 11.4 8 8 91.2 91.2 10 注水泵 0.66 22.0 2 2 44.0 44.0 11 回柱绞车 0.66 22.0 2 2 44.0 44.0 矿井电力负荷统计表 表2-1 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 12 注水钻 0.66 13.0 2 2 26.0 26.0 13 小水泵 0.66 3.0 2 2 6.0 6.0 14 岩石电钻 0.13 2.0 2 2 4.0 4.0 15 煤电钻 0.13 1.2 2 2 2.4 2.4 小 计 29 28 2583 2458 0.55 0.70 1.02 1361 1389   3000 4083120 (五) 9403综采工作面 1 采煤机 1.14 600.0 1 1 600.0 600.0                 2 刮板运输机(前) 1.14 400.0 1 1 400.0 400.0                 3 转载机 1.14 75.0 1 1 75.0 75.0                 4 喷雾泵 0.66 55.0 1 1 55.0 55.0                 5 乳化液泵 0.66 125.0 2 1 250.0 125.0                 6 可伸缩胶带运输机 0.66 160.0 1 1 160.0 160.0                 7 调度绞车 0.66 11.4 8 8 91.2 91.2                 8 注水泵 0.66 22.0 2 2 44.0 44.0                 9 回柱绞车 0.66 22.0 2 2 44.0 44.0                 10 注水钻 0.66 13.0 2 2 26.0 26.0                 11 小水泵 0.66 3.0 2 2 6.0 6.0                 12 小 计     23 22 1751 1626 0.62 0.70 1.02 1010 1031   3000 3031440 (六) 15煤岩巷综掘工作面 0.66 1 局部扇风机   37.0 2 1 74.0 37.0 2 煤巷掘进机   220.0 1 1 220.0 220.0 3 可伸缩胶带运输机   80.0 1 1 80.0 80.0 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 4 转载刮板运输机   40.0 2 2 80.0 80.0   5 探水钻   4.0 1 1 4.0 4.0                   6 调度绞车   11.4 2 2 22.8 22.8                   7 小水泵   3.0 2 2 6.0 6.0                   8 锚杆机   3.0 1 1 3.0 3.0                     小 计     12 11 489.8 452.8 0.57 0.70 1.02 260 266   2200 572704   (七) 15煤综掘工作面 0.66                             1 局部扇风机   60.0 4 2 240.0 120.0                   2 煤巷掘进机   190.0 2 2 380.0 380.0                   3 可伸缩胶带运输机   80.0 2 2 160.0 160.0                   4 转载刮板运输机   40.0 2 2 80.0 80.0                   5 探水钻   4.0 2 2 8.0 8.0                   6 调度绞车   11.4 4 4 45.6 45.6                   7 小水泵   3.0 4 4 12.0 12.0                   8 锚杆机   3.0 2 2 6.0 6.0                     小 计     22 20 931.6 811.6 0.50 0.70 1.02 404 412   2200 888448   (八) (八) 15煤综掘工作面 0.66                             1 局部扇风机   37.0 2 1 74.0 37.0                   2 煤巷掘进机   190.0 1 1 190.0 190.0                   3 锚杆机   3.0 1 1 3.0 3.0                   4 转载刮板运输机   40.0 2 2 80.0 80.0                   矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 5 砼喷射机   5.5 1 1 5.5 5.5                 6 探水钻   4.0 1 1 4.0 4.0                 7 调度绞车   11.4 2 2 22.8 22.8                 8 小水泵   3.0 2 2 6.0 6.0                   小 计     12 11 385 348 0.63 0.70 1.02 219 223   2200 480744 (九) 15煤开拓工作面 0.66           1 局部扇风机   37.0 2 1 74.0 37.0   2 耙斗装岩机   30.0 1 1 30.0 30.0   3 砼搅拌机   5.5 1 1 5.5 5.5   4 砼喷射机   5.5 1 1 5.5 5.5   5 锚杆机   3.0 1 1 3.0 3.0                   6 调度绞车   11.4 3 3 34.2 34.2                   7 小水泵   3.0 2 2 6.0 6.0                   8 岩石电钻 0.13 2.0 2 2 4.0 4.0                   9 探水钻   4.0 1 1 4.0 4.0                     小 计     14 13 166 129 0.30 0.70 1.02 39 40   2000 77520   (十) 9煤综掘工作面 0.66                             1 局部扇风机   60.0 4 2 240.0 120.0                 2 煤巷掘进机   190.0 2 2 380.0 380.0                 3 可伸缩胶带运输机   80.0 2 2 160.0 160.0                 4 转载刮板运输机   40.0 6 6 240.0 240.0                 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 5 锚杆机   3.0 1 1 3.0 3.0                 6 探水钻   4.0 1 1 4.0 4.0                 7 调度绞车   11.4 2 2 22.8 22.8                 8 小水泵   3.0 4 4 12.0 12.0                   小 计     22 20 1061.8 941.8 0.48 0.70 1.02 456 465   2200 1003024 (十一)  9煤开拓工作面 0.66           1 局部扇风机   37.0 2 1 74.0 37.0 2 耙斗装岩机   30.0 1 1 30.0 30.0 3 转载刮板运输机   40.0 4 4 160.0 160.0 4 砼搅拌机   5.5 1 1 5.5 5.5 5 砼喷射机 5.5 1 1 5.5 5.5 6 锚杆机 3.0 1 1 3.0 3.0 7 调度绞车 11.4 4 4 45.6 45.6 8 小水泵 3.0 2 2 6.0 6.0 9 岩石电钻 0.13 2.0 2 2 4.0 4.0 10 煤电钻 0.13 1.2 2 2 2.4 2.4 11 探水钻 4.0 1 1 4.0 4.0   小 计 21 20 340 303 0.30 0.70 1.02 91 93 2000 181800 (十二)   一水平大巷皮带 0.66                           1 胶带输送机   200 1 1 200.0 200.0                 2 胶带输送机   160 1 1 160.0 160.0                 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 3 隔爆硫化器   11.5 1 1 11.5 11.5                   4 液压绞车拉紧装置   4 2 2 8.0 8.0                   5 检修绞车   45 1 1 45.0 45.0                     小 计     6 6 379.5 379.5 0.75 0.80 0.75 285 213   3000 853875   (十三) 二水平暗斜井皮带                               1 胶带输送机 0.66 315 1 1 315.0 315.0                   2 隔爆硫化器 0.66 11.5 1 1 11.5 11.5                 3 液压绞车拉紧装置 0.66 4 1 1 4.0 4.0                 4 盘式制动器 0.66 2.2 2 2 4.4 4.4                   小 计     5 5 334.9 334.9 0.75 0.80 0.75 251 188   3000 753525 (十四) 二水平大巷皮带                             1 胶带输送机 0.66 160 1 1 160.0 160.0                 2 隔爆硫化器 0.66 11.5 1 1 11.5 11.5                 3 液压绞车拉紧装置 0.66 4 1 1 4.0 4.0                 4 盘式制动器 0.66 2.2 2 2 4.4 4.4                   小 计     5 5 179.9 179.9 0.75 0.80 0.75 135 101   3000 404775 (十五)   辅助运输             1 一水平无极绳绞车 0.66 45.0 1 1 45.0 45.0 2 二水平无极绳绞车 0.66 75.0 1 1 75.0 75.0 3 二水平人车 0.66 37.0 1 1 37.0 37.0 4 一水平皮带巷调度绞车 0.66 11.4 8 2 91.2 22.8 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 5 二水平车场调度绞车 0.66 25.0 6 2 150.0 50.0                 6 蓄电车机车充电硐室 0.66 18.7 2 1 37.4 18.7                   小 计     19 8 436 249 0.40 0.60 1.33 99 133   1200 119280 (十六) ) 采区水泵房 0.66 55 2 1 110.0 55.0 0.85 0.85 0.62 47 29     1640242 (十七) 井下照明 0.127       15 15 1.0 0.9 0.48 15 7   8760 131400   井下负荷合计     206 175 10215 8618   0.72 0.963 4913 4732 6821.6   15789572 二 地面负荷                             (一) 主斜井皮带 10 630 2 1 1260 630 0.86 0.85 0.62 542 336     5380000 (二) 材料斜井绞车 10 400 1 1 400 400 0.75 0.80 0.75 300 225   1500 450000 (三) 主斜井皮带辅助设备                 1 给料机 0.66 5.5 2 1 11 5.5                 2 硫化器 0.66 11.5 2 2 23 23                 3 电动双梁起重机 0.38 46.5 1 0 46.5 0                 4 检修绞车 0.38  55 1 0 55.0 0.0 小 计     5 3 136 29 0.70 0.70 1.02 20 20   3000 59850 (四) 材料斜井绞车房                             1 加热器 0.38 3 2 2 6 6                 2 润滑油泵 0.38 2.2 2 1 4.4 2.2                 3 加热器 0.38 24 2 2 48 48                 4 电动单梁起重机 0.38 20 1 0 20 0                 小 计     7 5 78 56 0.70 0.70 1.02 39 40   1500 59010 (五) 回风斜井主扇风机 10 950 2 1 1900 950 0.93 0.85 0.62 884 548     2700000 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) (六) 皇后风井主扇风机 10 1500 2 1 3000 1500 0.93 0.85 0.62 1395 865     4960000 (七) 程庄风井压风机 10 280 2 1 560 280 0.75 0.85 0.62 210 130   1500 315000 (八) 皇后风井压风机 10 280 2 1 560 280 0.75 0.85 0.62 210 130   1500 315000 (九) 副井井口及平车场 0.38 1 架空人车   45 1 1 45.0 45.0                 2 慢速绞车 0.38  11 1 1 11.0 11.0                 3 防跑车装置 0.38 4 1 1 4.0 4.0                 小 计 4 3 115.0 60.0 0.70 0.70 1.02 42 43   1500 63000 (十) 主井地面生产系统 0.38           1 永久除铁器 0.38 3 1 1 3.0 3.0 2 园振筛 0.38  22 1 1 22.0 22.0 3 大块手选胶带机 0.38 7.5 1 1 7.5 7.5 4 大块手选胶带机 0.38  7.5 1 1 7.5 7.5 5 9号末煤胶带机 0.38  18.5 1 1 18.5 18.5 6 15号煤胶带机 0.38 45 1 1 45 45 7 调度绞车 0.38  11 1 1 11 11 小 计     7 7 115 115 0.70 0.70 1.02 80 82   3600 288540 (十一) 地面矸石系统 0.38                           1 提升绞车   22 1 1 22.0 22.0                 2 装车闸门   3 1 1 3.0 3.0                 小 计     2 2 25 25 0.65 0.75 0.88 14 12.6   1500 21450 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) (十二) 锅炉房 0.38           1 鼓风机 0.38  18 2 2 36.0 36.0 2 引风机 0.38 45 2 2 90.0 90.0 3 鼓风机 0.38  7.5 2 2 15.0 15.0 4 引风机 0.38  18.5 1 1 18.5 18.5 5 锅炉给水泵 0.38 15 2 2 30.0 30.0 6 锅炉补水泵 0.38  7.5 2 1 15.0 7.5 7 上煤机 0.38  2.2 2 2 4.4 4.4 8 出渣机 0.38 11 1 1 11.0 11.0 9 热水循环泵 0.38  55 3 2 165.0 110.0                 10 除氧水泵 0.38  4 2 2 8.0 8.0                 11 除氧水泵 0.38 2.2 2 1 4.4 2.2                 12 上煤机 0.38  1.1 2 2 2.2 2.2                  小 计     23 20 400 335 0.70 0.75 0.88 234 207   2800 656208 (十三) 热风炉及空气加热设备 0.38                           1 上煤机 0.38  1.1 2 2 2.2 2.2                 2 调速器 0.38 2 2 2 4.0 4.0                 3 鼓风机 0.38  3 2 2 6.0 6.0 4 烟气引风机 0.38  7.5 2 2 15.0 15.0                 5 冷风送风机 0.38 45 2 2 90.0 90.0 6 除渣机 0.38  1.1 2 2 2.2 2.2 7 轴流风机 0.38  2 4 4 8.8 8.8 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 8 轴流风机 0.38 4 3 3 12.0 12.0 9 轴流风机 0.38  1.1 2 2 2.2 2.2                  小 计     21 21 142 142 0.75 0.75 0.88 107 94   2500 267000 (十四) 机电修理车间 0.38                 1 普通车床 0.38  11.425 1 1 11.4 11.4                 2 普通车床 0.38 7.8 1 1 7.8 7.8                 3 铣床 0.38  11.2 1 1 11.2 11.2                 4 牛头刨床 0.38  3 1 1 3.0 3.0 5 台钻 0.38 1.1 1 1 1.1 1.1                 6 电动梁式起重机 0.38  10.7 1 1 10.7 10.7                 7 交流电焊机 0.38  3.6 4 4 14.4 14.4                 8 交流电焊机 0.38 6 2 2 12.0 12.0                 9 空气锤 0.38  22 1 1 22.0 22.0                 10 剪板机 0.38  5.5 1 1 5.5 5.5                 11 联合剪冲机 0.38 5.5 1 1 5.5 5.5                 12 液压锻钎机 0.38  7.5 1 1 7.5 7.5                 13 远红外烤箱 0.38  25.20 1 1 25.2 25.2                 14 拆轮机 0.38 0.8 1 1 0.8 0.8                 15 装论机 0.38  0.8 1 1 0.8 0.8                 16 整形机 0.38  2.20 1 1 2.2 2.2                 17 液压站 0.38 18.5 1 1 18.5 18.5                 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 18 开式可倾压力机 0.38  15 1 1 15.0 15.0                 19 清砂机 0.38  3 1 1 3.0 3.0                 20 电动液压马拉 0.38  15 1 1 15.0 15.0                 21 滚丝机 0.38 3 1 1 3.0 3.0                 22 电缆热补器 0.38  0.5 1 1 0.5 1.0                  小 计     26 26 196 197 0.30 0.65 1.17 59.0 69.0   1200 70785 (十五) 渔场取水泵房 0.38 132 2 1 264.0 132.0 0.80 0.85 0.62 105.6 65.4   4200 443520 (十六) 坑木加工房                             1 木工带锯机 0.38 30 1 1 30.0 30.0                 2 自动磨锯机 0.38 1.1 1 1 1.1 1.1                  小 计    2 2 31 31 0.35 0.65 1.17 10.9 12.7   1200 13062 (十七) 皇后风井生活泵房   3 2 1 6.0 3.0 0.80 0.80 0.75 2.4 1.8   2500 6000 (十八) 生活污水处理设备 0.38                           1 风机  0.38 7.5 2 1 15.0 7.5                 3 污泥泵 0.38 1.5 2 1 3.0 1.5                 3 细格栅  0.38 1 2 1 2.0 1.0                 小 计      6 3 39.4 19.7 0.70 0.75 0.88 13.8 12.2   1800 24822 (十九) 井下水处理车间 0.38                           1 提升水泵 0.38 7.5 2 1 15.0 7.5                 2 反洗水泵  0.38 7.5 2 2 15.0 15.0                 3 搅拌泵 0.38 0.75 2 1 1.5 0.8                 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 4 计量泵  0.38 0.6 2 1 1.2 0.6 5 潜污泵  0.38  1.1 2 2 2.2 2.2 小 计     10 7 34.9 26.1 0.70 0.70 1.02 18.2 18.6   2000 36470 (二十) 煤泥泵房 0.38 4 2 1 11 5.5 0.75 0.75 0.88 10 9   3000 30000 (二十一) 空气加热室 0.38                           1 轴流风机(主斜井) 0.38  4 2 2 8.0 8.0                 2 轴流风机(副斜井)   7.5 2 2 15.0 15.0 小 计     4 4 23.0 23.0 0.75 0.75 0.88 10 9   2800 28000 (二十二) 联建、行政福利 0.38           1 工业洗衣机 0.38 7.5 2 2 15.0 15.0                 2 烘干机 0.38 3 1 1 3.0 3.0                 3 联建电热水器 0.38  12 2 2 24.0 24.0                 4 办公楼电热水器 0.38 9 2 2 18.0 18.0 5 联建电热水器 0.38 9 2 2 18.0 18.0 5 矿灯房 0.38  1 7 6 7.0 6.0 6 食堂 0.38    6 6 15.0 15.0                  小 计     22 21 100 99 0.30 0.80 0.75 29.7 22.3   2500 74250 (二十三) 煤样化验室 0.38                            1 密封制样粉碎机 0.38 1.1 1 1 1.10 1.10 2 电热恒温干燥箱 0.38 3.6 1 1 3.60 3.60 3 箱式电阻炉 0.38  5 1 1 5.00 5.00 矿井电力负荷统计表 续表2-1 序号 负 荷 名 称 电压 (kV) 设备 容量 (kW) 设备数量 (台) 设备容量 (千瓦) 需用 系数 Kx 功率 因数 cos φ tg φ 最大负荷 最大负 荷利用 小时 (h) 年耗电量 (kW·h) 备注 全部 工作 全部 工作 有功 (kW) 无功 (kvar) 视在 (KVA) 4 电热恒温干燥箱 0.38  3.6 1 1 3.60 3.60                  小 计     4 4 13 13 0.60 0.80 0.75 8.0 6.0   2500 19950 (二十四) 皇后风井生活泵房   3 2 1 6.0 3.0 0.80 0.80 0.75 2.4 1.8   2500 6000 (二十五) 瓦斯抽放泵 10 220 2 1 440 220 0.70 0.75 0.88 154 136   2500 385000 (二十六) 瓦斯抽放泵 10 400 3 2 1200 800 0.70 0.75 0.88 560 494   2500 1400000 (二十七) 地面照明 0.22       100 100 1.00 0.90 0.48 150.0 72.0   2400 360000 地面负荷合计     167 141 11100 6474       5211 3661     18432917 三 矿井负荷总计                             (一) 井上下负荷总计     373 316 21315 15092       10124 8393     34222489 (二) 矿井10kV母线最大负荷(Kt=0.9)               0.77 0.83 8605.7 7134.4 11178     (三) 变电所电容补偿                     -4621.6       (四) 补偿后10kV母线最大负荷               0.96 0.292 8605.7 2513 8965.1     (五) 主变损耗                   179 897   3200 573766 (六)  35kV母线计算负荷               0.93 0.39 8785 3409 9423.4     四 矿井年总耗电量                           34796254 五 矿井吨煤耗电量                           29.00 2.3.2 10kV侧补偿前的总计算负荷 由于本矿区配电线路短损耗非常小,忽略线路损耗不计。 由表2-1可知,全矿总负荷: ΣPca=4913+5211=10124KW ΣQca=4732+3661=8393Kvar 取同时系数Ksi=0.90,则10kV侧补偿前的计算负荷: PcaΣ=KsiΣPca=0.90×10124=9111.6KW QcaΣ=KsiΣQca=0.90×8393=7553.7Kvar ScaΣ==11835.52 KVA 10KV无补偿时功率因数为: Cosφz===0.77 功率因数角的正切值: tanφz===0.83 2.4无功补偿 2.4.1 无功补偿计算 当采用提高用电设备自然功率因数的方法后,功率因数仍不能达到供用电规则所要求的数值时,就需要增设人工补偿装置。在工矿企业用户中,人工补偿广泛采用并联电容器补偿无功功率。 通常电力电容器的补偿容量可按下式确定: Qc=α·Pca·(tanφ1-tanφ2) (2-9) 式中α——平均负荷系数,一般取0.7~0.8; tanφ1——补偿前功率因数角的正切值; Tanφ2——补偿后要达到的功率因数角的正切值。 本设计要求功率因数达到0.9及以上。假设补偿后10KV侧功率因数cosφz=0.94,则tanφ=0.36,α取0.8,则所需补偿容量由公式2-3计算得: Qc=α·Pca·(tan-tan) =0.8×9111.6×(0.83-0.36) =3425.96Kvar 2. 电容器柜的选择及实际补偿容量计算 本设计采用高压集中补偿方式。因矿井地面变电所10kV母线为单母分段接线,故所选电容器柜应分别安装在两段母线上,即电容器柜数应取偶数。现选用湖北新百特自动化设备股份有限公司生产的XGWB-1型高压电容补偿柜。 3. 使用环境 1) 使用地点的海拔高度不大于2000m; 2) 周围环境温度:-25℃~+40℃; 3) 相对湿度:20℃时不超过90%; 4) 室内安装,通风良好;无凝漏;无易燃、易爆、腐蚀性气体;无导电性尘埃的地方; 5) 安装地点无剧烈震动和冲击的地方; 6) 设备安装时与垂直面的倾斜度不超过5度。 每柜安装容量为qc=900kvar,据此可计算出电容器柜的数量为: N===3.81,取偶数 N=4 则实际补偿容量为:QcS=N·qc=4×900=3600Kvar 根据QcS=α·PcaΣ·(tan-tan) 得3600=0.8×9111.6×(0.83-tan) 计算得tan=0.336,cos=0.952222 所以,补偿后10KV母线功率因数cos=0.95>0.94满足要求。 4. 补偿后10kV母线侧总计算负荷 有功功率:PcaΣ=9111.6KW 无功功率:=PcaΣtan=9111.6×0.336=3061.498Kvar 视在功率:===9612.18KVA 通过对10kV母线侧负荷进行无功补偿,可以提高该煤矿供电系统的功率因数,提高供电系统的供电能力,充分地发挥供电设备的能力,降低网络中的功率损耗,减轻上一级电网补偿的压力,改善电压质量,而且可以提高用电设备的工作效率和为企业本身节约电能。 第三章.变电所主变压器选型 3.1 变电所主变压器的选型原则 3.1.1 主变压器容量选型原则 主变压器是煤矿地面变电所的重要设备,通过对全矿各类负荷的统计分析,正确选择主变压器的型号、台数、容量以及运行方式,确保煤矿供电的安全可靠和经济运行。供电变压器是根据其使用环境条件、电压等级及计算负荷选择其形式和容量。变电所的容量是有其装设的主变压器容量所决定的。从供电的可靠性出发,变压器台数是越多越好。但变压器台数增加,开关电器等设备以及变电所的建设投资都要增大。所以,变压器台数与容量的确定,应全面考虑技术经济指标,合理选择。 (1) 以供电安全、可靠、经济为前提,同时考虑发展余地。 (2) 变电所主变压器的选择 a.具有一类负荷的变电所 具有一类负荷的变电所,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,当其中一台停止运行时,另一台应能保证安全及原煤生产用电,并不得少于全矿计算负荷的80%;《工业企业设计规范》也规定,对具有大量一、二类负荷的变电所,一般选用两台变压器,当其中一台故障或检修时,另一台能对全部一、二类负荷继续供电,并不得小于全部负荷的70%。 b.只有二、三类负荷的变电所 对只有二、三类负荷的变电所,可只选用一台变压器,但应敷设与其他接线变电所相连的联络线作为备用电源。对季节负荷或昼夜负荷变动较大的,宜于采用经济运行方式的变电所,也可以采用两台变压器。 C.变电所主变压器容量的确定 当变电所选用两台变压器且同时运行时,每台主变压器容量应按下式计算: (3-1) 式中 ——变电所总的有功计算负荷,KW; ——变压器的额定容量,KVA; ——变电所人工补偿后的功率因数,一般应在0.95以上; ——变电所人工补偿后的视在容量,KVA; ——故障保证系数,根据全企业一、二类负荷所占比重确定,对煤矿企业取不应小于0.8,工厂企业不应小于0.70。 当两台变压器采用一台工作、一台备用运行方式时,则变压器的容量应按下式计算: (3-2) 当变电所只选一台变压器时,主变压器容量 应满足全部用电负荷的需要(一般应考虑15%~25%的富裕容量)。即: (3-3) 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。 3.1.2 变压器台数选型原则 1. 确定车间变电站变压器台数原则 1) 对于一般性生产车间,尽量装设一台变压器。 2) 如车间有一,二级负荷,必须有两个电源供电时,则应装设两台变压器。并且,每台变压器均应能承受全部一,二级负荷供电任务。但如相邻车间有联络线时,当车间变电站故障,其一,二级负荷能通过联络线继续供电,则可只选一台变压器。 3) 当车间负荷昼夜变化较大时,或由公用变电站向几个负荷曲线相差悬殊的车间供电时,如选用一台变压器在技术经济上显然不合理,则装设两台变压器。 4) 特殊场合可选用多台变压器。如井下变电站,因考虑电网过大,接地电流增大,对人身及设备安全不利。为限制接地电流和人身触电电流,应选用多台小容量变压器。 2. 确定企业总降压变电站变压器台数的原则 1) 当企业绝大多数负荷属于三级负荷,其少量一,二级负荷或由邻近企业取得备用电源时,可以装设一台变压器。 2) 如企业的一,二级负荷较多,必须装设两台变压器。两台互为备用,并且当一台出现故障时,另一台应能承担全部一,二级负荷。 3) 特殊情况下可装设两台以上变压器。例如分期建设的大型企业,其变电站个数及变压器台数均可分期投建,从而台数可能较多。再如对引起电网电压严重波动的设备(如大型电弧炉、矿井电力电子传动的大型提升机)可装设专用变压器。 3. 两台变压器互为备用的方式 在供电设计时,选择变压器的台数和容量,实质上就是确定其合理的备用容量的问题。对两台变压器来说,有以下两种备用方式: 1) 明备用。两台变压器,每台均按承担100%负荷来选择,其中一台工作,另一台备用。 2) 暗备用。正常运行时,两台变压器同时投入工作。每台变压器承担50%计算负荷。但两台变压器的容量均按计算负荷的70%~80%选择。这样,变压器正常运行时的负荷率β为: 基本上满足经济运行要求。在故障情况下,不用考虑变压器过负载能力就能担负起对全部一,二级负荷供电的任务。这是一种比较合理的备用方式。 本设计中要求两台变压器一用一备,所以每台变压器的容量都应大于全矿计算负荷。计算得到全矿视在计算负荷为9612.18KVA,因此可以选用华变输配电设备有限公司生产的有载调压油浸式变压器,型号为SZ9-12500/35的三相变压器,此变压器为矿用电力变压器。 SZ9-12500/35三相变压器详细信息和参数: 1) 此变压器为35KV双绕组有载调压油浸式电力变压器,适用于交流50HZ,额定工作电压35KV的电力系统中,作为中,小型变电站变电设备。 2) 型号含义: S Z 9 —— 12500 / 35 高压侧电压等级(KV) 额定容量(KVA) 设计序号 有载调压 三相 图 3—1 3) 工作条件 ·安装高度:海拔不超过1000m; ·环境温度:-40℃~+40℃。 4)主要技术参数 型号 SZ9——12500/35 额定容量SNT(KVA) 12500 联结组标号 YN,d11 空载电流I0(%) 0.56 短路阻抗UK(%) 8 负载损耗ΔPNT(KW) 59.85 空载损耗ΔP0(KW) 13.68 高压分接范围 电压 组合 高压(KV) 38.5 35 低压(KV) 3.15 6.3 10.5 10.0 11.0 表3—1 SZ9-10000/35型变压器主要技术参数 3.2变压器的功率损耗 变压器运行过程中,在绕组和铁芯中都会产生一定的功率损耗。变压器的功率损耗包括有功功率损耗 ΔPT(简称有功损耗)和无功功率损耗ΔQT(简称无功损耗)两部分。 3.2.1 变压器的有功功率损耗计算 变压器的有功功率损耗由两部分组成:一部分是变压器额定电压时的空载损耗,通常称为铁损;另一部分是带负荷时绕组中的损耗,通常称为铜损。变压器的铜损与变压器的负荷率的平方成正比。计算公式为: ΔPT=ΔP0+ΔPN.Tβ2 (3-4) 式中 ΔPT——变压器的有功功率损耗,KW; ΔP0——变压器在额定电压时的空载损耗,KW,见表3-1; ΔPN.T——变压器在额定负荷时的短路损耗,KW,见表3-1; β——变压器的负荷率(亦称负荷系数),它等于变压器的实际负荷容量与其额定容量的比值。 变压器的负荷率: β===0.384 变压器的有功功率损耗为: ΔPT=ΔP0+ΔPN.Tβ2=13.68+59.85×0.3842=22.51KW 3.2.2变压器的无功功率损耗 变压器的无功功率损耗也由两部分组成:一部分是变压器空载时的无功损耗,它与变压器的空载电流百分数有关;另一部分是变压器带负荷时的无功损耗,它与变压器的短路电压百分数及变压器的负荷率有关。计算公式为: (3-5) 式中 ΔQT——变压器的无功功率损耗,kvar; ΔQO——变压器空载时的无功功率损耗,kvar; ΔQN.T——变压器额定负荷时的无功功率损耗,kvar; IO%——变压器的空载电流百分数,见表3-1; UK%——变压器的短路电压百分数,即阻抗电压,见表3-1; SN.T——变压器的额定容量,KV·A; 变压器的无功功率损耗为: =217.46kvar; 3.3 35kV侧全矿计算负荷及功率因数校验 有功功率: Pca35=PcaΣ+ΔPT=9111.6+22.51=9134.11KW 无功功率: =+=3061.498+217.46=3278.958kvar 视在功率: =9704.82KVA 35KV侧功率因数校验: ==0.941>0.90 满足设计要求。 3.4 变压器经济运行分析方法 3.4.1无功功率经济当量的概念 电力系统的有功损耗,不仅仅与设备的有功功率损耗有关,而且还与设备的无功功率损耗有关,这是由于设备消耗的无功功率,也是由于电力系统供给得到的。由于无功功率的存在,使系统中的电流增大,从而使得电力系统的有功功率损耗增加。 为了计算电气设备的无功功率损耗在电力系统中引起的有功功率损耗,引入一个换算系数K,称为无功功率经济当量。它表示当电力系统输送1kvar的无功功率时,在电力系统中增加的有功功率损耗千瓦数,单位是KW/kvar。 无功功率经济当量Kec的值与输电距离、电压变换次数等因素有关。 对于工矿企业变,配电所 Kec=0.02~0.1 对于发电机直配用户 Kec=0.02~0.04 对于经两级变压的用户 Kec=0.05~0.07 对于经三级及以上变压的用户 Kec=0.08~0.1 3.4.2变压器的经济运行 变压器的有功功率损耗是变压器运行时自身的损耗,而变压器的无功功率损耗会引起系统有功功率损耗的增加。因此,应将变压器的无功功率损耗换算成等效的有功功率损耗。然后,计算变压器运行时总的功率损耗。当变压器运行时的功率损耗最小时,运行费用最低,此时变压器的运行方式即为经济运行方式。 单台变压器运行时其功率损耗可按下式计算: (3-6) 式中 Kec——无功功率经济当量,KW/kvar; Sa.c——变电所的负荷容量(此时为变压器的实际负荷容量),KV·A; 两台同容量变压器并联运行时,其总运行功率损耗应为此时单台变压器运行损耗的2倍。同理,当n台同容量变压器并联运行时,其总运行功率损耗为此时一台变压器运行损耗的n倍,即 (3-7) 由于本设计中要求两台变压器一用一备,所以每台变压器的容量都应大于全矿计算负荷,因此,此处在对变压器经济运行分析时,应按照单台变压器运行时功率损耗计算,其中Kec取0.09可得: =23.25+0.09×232.8=44.202KW 变压器的经济运行:根据负荷的变化情况,调整变压器的运行方式,使其在功率损耗最小的条件下运行,称为变压器的经济运行。 对于单台运行的变压器,要使变压器运行经济,就必须满足变压器单位容量的有功功率损耗换算值ΔP1/S最小。令,可求得单台变压器的经济负荷Sec为: (3-8) 单台变压器运行时的经济负荷率βec为: (3-9) 式中 Sec——经济运行临界容量,KVA; SN.T——变压器额定容量,KVA; ΔP0——变压器空载有功损耗,KW; ΔQ0——变压器空载无功损耗,kvar; ΔPNT——变压器满载有功损耗,KW; ΔQNT——变压器满载无功损耗,kvar; Kec——无功功率经济当量,大型矿井一般取Kec=0.09。 变压器功率损耗ΔP1与变压器负荷S的关系曲线: ΔP ΔPⅠ ΔPⅡ A O Scr S 图3-2 变压器经济运行的临界负荷 图中,ΔPⅠ为一台变压器运行的损耗;ΔPⅡ为两台变压器并联运行时的损耗。由图可见,两条曲线的交点A所对应的负荷Scr就是变压器经济运行的临界负荷。 由图3-2可以看出:当SScr时,因ΔPⅠ>ΔPⅡ,两台变压器运行经济。 当S=Scr,则ΔPⅠ=ΔPⅡ,即 (3-10) 由此可求得两台变压器并联经济运行的临界负荷Scr为: (3-11) 当一台变压器运行与两台同容量变压器并联运行损耗相同时,称βec为一台变压器运行时的临界负荷率,即 (3-12) 同理,当变电所设置n台容量相同的变压器时,则n台与n-1台经济运行的临界负荷Scr为: (3-13) 本矿若采用2台变压器经济运行的临界容量为: 因此,当实际负荷容量S<5366KVA时,系统采用一台变压器运行经济;当实际负荷容量S>5366KVA时,系统采用两台变压器运行经济。 由于该煤矿供电系统中35kV侧全矿计算负荷为Sca=9710.71KVA,且大于两台变压器经济运行的临界容量Scr=5366KVA,故宜选用2台变压器同时运行的方案,这样变压器自身和电力系统的有功功率损耗最小,从而获得最佳经济效益的运行方式。 第四章.电气主接线设计 变电所的主接线是由各种电气设备(变压器、断路器、隔离开关等)及其连接线组成,用以接受和分配电能,是供电系统的组成部分。它与电源回路数、电压和负荷的大小、级别以及变压器的台数、容量等因素有关,所以变电所的主接线有多种形式。确定变电所的主接线对变电所电气设备的选择、配电装置的布置及运行的可靠性与经济性等都有密切的关系,是变电所设计的主要任务之一。 4.1 对主接线的基本要求 在确定变电所主接线前,应首先明确其基本要求: 1. 安全可靠。应符合国家标准和有关技术规范的要求,充分保证人身和设备的安全。此外,还应负荷等级的不同采取相应的接线方式来保证其不同的安全性和可靠性要求,不可片面强调其安全可靠性而造成不应有的浪费。 2. 操作方便,运行灵活。供电系统的接线应保证工作人员在正常运行和发生事故时,便于操作和维修,以及运行灵活,倒闸方便。 3. 经济合理。接线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单,以减少设备投资和运行费用。 4. 便于发展。接线方式应保证便于将来发展,同时能适应分期建设的要求。 4.2 本所电气主接线方案的确定 为了保证对一、二级负荷进行可靠供电,在企业变电所中广泛采用由两回电源受电和装设两台变压器的桥式主接线。桥式接线分为外桥、内桥、全桥三种。因上一级变电站距本矿变电所分别为9.5km和2.77km,对于35kV电压等级来说,输电线路不远,可选用外桥接线,但为了提高矿井供电的可靠性和运行的灵活性,选用全桥更合适。故确定本矿35kV侧为双回路的全桥接线。 10kV侧主接线根据矿井一、二级负荷居多及主变压器是两台的情况确定为单母线分段的接线方式。母线分段用断路器,这不仅便于分段检修母线,而且可减少母线故障影响范围,提高供电的 可靠性和灵活性。 35/10kV总降压变电所主接线图如图4-1所示: 图4-1 35/10KV总降压变电所主接线图 第五章.短路电流分析与计算 5.1 短路的概述 在供电系统中危害最大的故障就是短路。短路就是供电系统中不等电位的点没有经过用电器而直接相连通。 5.1.1 短路的种类 表5-1 短路的种类 短路种类 短路示意图 代表符号 性质 三相 短路 K(3) 三相同时在一点短接,属于对称短路 两相 短路 K(2) 两相同时短接于一点,属于不对称短路 两相 接地 短路 K(1.1) 在中性点直接接地系统中,两相在不同点与地短接,属于不对称短路。 单相 接地 短路 K(1) 在中性点直接接地系统中,一相与地短接,属于不对称短路。 三相短路时,短路回路阻抗相等,三相电流和电压是对称的。其他类型短路时,每相电路中的电流和电压数值不等,相角不同。 短路的电压与电流的相位差较正常时增大,接近900。 单相短路只发生在中性点直接接地系统或三相四线制系统中。 其他:层间短路,主要指电动机,变压器和线圈等。 最关键的两个短路电流:一个是最大短路电流,主要用于选择设备、导线,另一个是最小短路电流,主要用于继电保护装置整定、校核。 一切不对称短路的计算,在采用对称分量法后,都可以归纳为对称短路的计算。就上述几种短路故障而言,出现单相短路故障的几率最大,三相短路故障的几率最小。但在配电系统中,三相短路的后果最为严重,因而以此验算电气设备的能力。 5.1.2 短路电流计算的目的 研究供电系统的短路并计算各种情况下的短路电流,对供电系统的拟定、运行方式的比较、电气设备的选择及继电保护整定都有重要意义。短路电流的计算是供电设备选择和继电保护整定的基础,短路产生的后果极为严重,为了限制短路的危害和缩小故障影响范围,在供电设计和运行中,必须进行短路电流计算,通过短路电流的分析和计算,采取合适的保护措施,以确保供电的安全和解决下列技术问题。 1. 选择电气设备和载流导体,必须用短路电流校验其热稳定性和机械强度。 2. 设置和整定继电保护装置,使之能正确地切除短路故障。 3. 确定限流措施,当短路电流过大造成设备选择困难或不经济时,可采取限制短路电流的措施。 4. 确定合理的主接线方案和主要运行方式等。 5.2 短路电流的危害 发生短路时,由于系统中总阻抗大大减小,因而短路电流可能很大。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毁电气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。 5.3 短路电流计算的目的与基本条件 5.3.1 进行短路计算得基本假设 1) 忽略磁路的饱和与磁滞现象,认为系统中各元件的参数为恒定。 2) 假设系统有无限大的容量。用户处短路后,系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多。具体规定: 对于3~35KV 级电网中短路电流的计算,可以认为110KV 及以上的系统的容量为无限大。只要计算35KV 及以下网络元件的阻抗。 3) 在计算高压电器中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗,而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻.。 4) 短路电流计算公式或计算图表,都以三相短路为计算条件。因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流。能够分断三相短路电流的电器,一定能够分断单相短路电流或二相短路电流。 5) 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,只是在某些继电保护的计算中才考虑过渡电阻。 5.4 无限大容量电源系统三相短路电流计算 5.4.1 标幺值计算的概念及优点 1)标幺值计算的概念 对于较复杂的高压供电系统,计算短路电流时采用标幺值进行计算比较简单。标幺值属于相对对单位制的一种,在用标幺值计算时,各电器元件参数都用标幺值表示,标幺值又称相对值。在短路计算中所遇到的电气量有功率、电压、电流和电抗四个量,某一电气量的标幺值就是它的实际值与一个预先选定的同单位的基准值的比值。因此,用标幺值表示电气参数时,首先要选择基准值。如果选择功率、电压、电流、电抗的基准值分别为Sd,Ud,Id,Xd,这四个基准量之间应满足欧姆定律和功率方程的关系,即 (5-1) (5-2) 根据上述表达式,四个基准量中如选定了两个,则其他两个基准量也就确定了。通常选基准功率Sd,基准电压Ud。为了便于计算,基准电压Ud分别选为线路各级平均电压Uav;基准功率Sd通常选为100或1000MV·A. 5.4.2 短路电流计算中用到的相关物理量 1) 短路电流次暂态值I“,是指短路后第一个周期的短路电流周期分量的有效值。在无限大容量系统中,短路电流周期分量幅值保持不变,有: (5-3) 式中: I”——短路电流次暂态值的有效值; IP——短路电流稳态值的有效值; I∞——短路电流的稳态值。 2) 三相短路容量SK,用来判断母线短路容量,用来判断母线短路容量是否超过规定值、作为选择限流电抗器的依据,并可供下一级变电所计算短路电流用。 3) 短路电流冲击值: (5-4) 式中:——短路电流冲击值; ——冲击系数。 一般在高压供电系统中通常取Ta=0.05s,故,则。短路冲击电流及短路全电流最大有效值,可用来校验电气设备、载流导体及母线的动稳定性。 4) 两相短路电流,可用来作保护整定。 具体计算公式及他们之间的关系如下: (5-5) (5-6) (5-7) (5-8) (5-9) 式中 ——短路电流; ——三相短路容量; ——短路冲击电流; ——短路全电流最大有效值; ——两相短路电流; 5.4.3短路功率Sk 短路功率又称短路容量,它等于短路电流有效值同短路处的正常工作电业(一般平均额定电压)的乘积。在短路的是同计算中,常只用次暂态短路电流来计算短路功率,称为次暂态功率S ’。 5.4.4各路径元件阻抗计算公式 1) 变压器阻抗计算公式: (5-10) 式中:XT——变压器阻抗标幺值; Sdmax——35kV 母线最大短路参数,本设计两个35KV 母线最大 短路参数均为450MV·A; Sd——基准容量,基准容量一般取100MV·A; 2) 线路阻抗计算公式: (5-11) 式中:XL——电缆或架空线阻抗标幺值; X0——线路单位长度电抗; 1——线路的长度; Sd——基准容量,基准容量一般取100MV·A; Uav——工作电压,短路点所在线段的平均电压,取1.05 倍UN(额定电压); 5.4.5各元件短路阻抗标幺值计算 1. 电源系统电抗: 2. SZ9——10000\35型变压器: 3. 苇泊110kV变电站到某A煤矿35kV变电站架空线: 4. 燕龛110kV变电站到某A煤矿35kV变电站架空线: 5. 下井电缆: 6. 材料斜井绞车路线(电缆): 7. 某A风井压风机线路(电缆): 8. 皇后风井压风机线路(电缆): 9.主斜井皮带线路(电缆): 10.1#瓦斯抽放泵线路(架空线): 11.2#瓦斯抽放泵线路(架空线): 12. 皇后风井主扇风机线路(架空线): 13.回风斜井主扇风机线路(架空线): 5.5 短路电流计算过程 5.5.1短路电流计算公式 短路回路中各元件的标幺电抗算出后,即可根据供电系统单线图作出它的等值电路图。然后利用阻抗的等值变换公式简化等值电路,计算出回路的总标幺电抗,最后根据欧姆定律的标幺值公式计算短路电流周期分量标幺值为: (5-12) 式中,为电源电压的标幺值,在取时,。 则 (5-15) 式中:——短路电流标幺值; ——短路线路总阻抗值,最大运行方式就是各种短路时总阻抗最小的运行方式;最小运行方式就是各种短路时总阻抗最小的运行方式; (5-16) 式中:——额定电流; ——基准容量; ——短路点所在侧电压; (5-17) 式中:——短路电流; (5-18) 式中: ——冲击电流峰值; (5-19) 式中: ——冲击电流有效值; (5-20) 注:为两相短路电流,四种短路中最小的短路电流。为三相短路电流。这个公式主要用于计算最小短路电流。 5.5.2最大运行方式 上级电源同时给35kV变电站供电,35kV变电站两台变压器同时工作,以及10kV母线各负荷均采用双回路供电时整个系统的阻抗最小,此时为最大运行方式。最大运行方式短路计算图如图5-1。 图5-1 最大运行方式短路计算图 基准电压: Ud1=37KV, Ud2=10.5KV 基准电流: 1) 当K1点发生短路时: 2) 当K2点发生短路时: 3) 当K3点发生短路时: 0.745 7.383 18.83 11.15 134.23 同理可得其他各短路点的短路参数、ish、Ish、Sk,见表5-2: 表5-2 最大运行方式短路参数统计表 序号 短路点 1 K1 8.254 21.05 12.46 529.10 2 K2 10.78 24.49 16.28 196.08 3 K3 10.07 25.68 15.21 183.15 4 K4 10.29 26.24 15.54 187.09 5 K5 10.40 26.51 15.70 189.04 6 K6 10.29 26.24 15.54 187.09 7 K7 10.29 26.24 15.54 187.09 8 K8 7.383 18.83 11.15 134.23 9 K9 7.383 18.83 11.15 134.23 10 K10 7.757 19.75 11.70 140.85 11 K11 7.192 18.33 10.86 130.72 5.5.3最小运行方式 上级电源中的一台给35kV变电站供电,35kV变电站两台变压器只有一台工作,以及10kV母线各负荷均采用单回路供电时整个系统的阻抗最大,此时为最小运行方式。最小运行方式短路计算图如图5-2。 图5-2 最小运行方式短路计算图 1) 当K1点发生短路时: 2) 当K2点发生短路时: 3) 当K3点发生短路时: 1.612 11.78 6.973 3.999 83.96 同理可得其他各短路点的短路参数、、、,见表5-3。 表5-3 最小运行方式短路参数统计表 序号 短路点 1 K1 3.120 7.956 4.711 2.685 200 2 K2 4.825 12.30 7.286 4.178 87.72 3 K3 4.545 11.59 6.863 3.936 82.64 4 K4 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 5 K5 4.661 11.89 7.043 4.041 84.75 6 K6 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 7 K7 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 8 K8 3.412 8.71 5.16 2.96 62.11 9 K9 3.412 8.71 5.16 2.96 62.11 10 K10 3.572 9.11 5.39 3.09 64.94 11 K11 3.331 8.50 5.03 2.89 60.61 5.5.4 短路计算参数汇总表 表5-4 短路计算参数汇总表 短 路 点 最大运行方式 最小运行方式 KA KA KA MVA KA KA KA KA MVA 35KV母线K1 8.254 21.05 12.46 529.10 3.120 7.956 4.711 2.685 200 10KV母线K2 10.78 24.49 16.28 196.08 4.825 12.30 7.286 4.178 87.72 下井电缆K3 10.07 25.68 15.21 183.15 4.545 11.59 6.863 3.936 82.64 材料斜井绞车K4 10.29 26.24 15.54 187.09 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 某A风井压风机K 10.40 26.51 15.70 189.04 4.661 11.89 7.043 4.041 84.75 5 皇后风井压风机K6 10.29 26.24 15.54 169.64 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 主斜井皮带K7 10.29 26.24 15.54 187.09 4.618 11.78 6.973 3.999 83.96 瓦斯抽放机K8 7.383 18.83 11.15 134.23 3.412 8.71 5.16 2.96 62.11 瓦斯抽放机K9 7.383 18.83 11.15 134.23 3.412 8.71 5.16 2.96 62.11 皇后风井主扇风机K10 7.757 19.75 11.70 140.85 3.572 9.11 5.39 3.09 64.94 回风斜井主扇风机K11 7.192 18.33 10.86 130.72 3.331 8.50 5.03 2.89 60.61 第六章.变电所一次设备的选型与校验 电气设备的选择是供配电系统设计的主要内容之一,正确选择电气设备对供电的可靠性、安全性、经济性都有着重要的意义,首先选择电气设备的类型,然后按电路的实际工作条件选择和校验电气设备的技术参数,以保证电力系统在正常或发生故障时电气设备均能安全、可靠地工作。在选择电气设备时,应根据工程实际情况,按照有关设计规程的规定,积极采用新技术、新设备,力争使电气设备工作安全、可靠,运行维护方便,投资经济合理。 在供配电系统中尽管不同的设备作用不一样,具体选择的方法也不同,但其基本要求是相同的。为保证电气设备安全、可靠地运行,必须按正常工作进行选择,并按短路条件校验动稳定和热稳定。 变电所常用的电气设备主要包括:高压断路器、隔离开关、熔断器、电压互感器、电流互感器、避雷器、高压开关柜等。选择前应了解常用高压电气技术参数、各设备的组成、结构和原理,然后根据选择电气设备的一般原则进行选择和校验。选择电气设备时尽量选用国产先进设备。 6.1 高压电气设备选型原则 对各种电气设备的基本要求是正常运行时安全可靠,短路通过短路电流时不致损坏,因此,电气设备必须按正常工作条件进行选择,按短路条件进行校验。 1) 按正常工作条件选择 ① 按环境条件选择 供电系统的电气设备在制造上分户内、户外两大类。此外还应考虑防腐、防爆、防尘及海拔高度等要求。 ② 按电压等级选择 在选择电气设备的额定电压时,应使设备的额定电压UN不低于设备装设处的电网额定电压UNS,即:UN≥UNS。 ③ 按长时允许电流选择 电气设备的额定电流IN应不小于长期通过它的最大工作电流Imax,即:IN≥Imax。 2) 按短路条件进行校验 ① 动稳定性校验 电气设备可能通过的最大冲击电流不超过电气设备动稳定电流,即:ish≤imax。 ② 热稳定性校验 电气设备的热稳定性校验按式: (6-1) 母线或电缆线路的热稳定性校验按式: (6-2) 其中S为导体的截面积,Smin为导体的最小热稳定截面积。 ③ 断流容量的校验 对于断路器、熔断器等需要开断短路电流的设备,应校验其断流容量或开断电流,即: 或 (6-3) 6.2 高压开关柜设备的选型及校验 6.2.1 35kV 侧高压开关柜的选型及校验 本35kV变电所35kV 侧初选上海输配电气有限公司生产的JYN2-40.5(F)间隔移开式交流金属封闭型高压开关柜,用于接受和分配电能并对电路实行控制、保护及监测。 1>使用环境条件 (1)使用环境:周围介质温度上限+40℃;下限-25℃; (2)海拔高度:不超过1000m; (3)相对湿度:日平均值≤95%,月平均值≤90%; (4)地震烈度:不超过8度。 (5)水蒸气压力日平均值不超过2.2KPa,月平均值不超过1.8KPa; (6)无火灾、爆炸危险、严重污染、化学腐蚀及剧烈震动的场所。 2>适用范围 JYN2-40.5(F)金属封闭型移开式高压开关柜,作为接受和分配电能的户内开关设备使用,广泛用于城市电网建设和改造工程、工矿企业、高层建筑和公共设施等,起着电能的分配、控制、监测和电气设备的保护作用,也可装在箱式变电站中,在供电系统中亦可作为开断负荷电流和短路电流以及关合短路电流之用。本开关柜配用真空负荷开关,操作机构为弹簧操动机构或电磁操动机构,该机构既可手动操作,又可电动操作,符合IEC420《高压交流负荷开关-熔断路器组合电器》,GB3906-97《3-35K交流金属封闭开关设备》的有关规定。 3>型号与含义 J Y N 2 -40.5(F) / □ □ J □ (TA)用于干热带 (TH)用于湿热带 (G) 用于8海拔 具有接地开关 操作方式:D为电磁操动 T为弹簧操动 一次方案 防误型 额定电压KV 设计序号 户内型 移开式(手车机构) 金属封闭间隔式开关柜 注:TA、TH、G是指不同的环境特征类型。 JYN2-40.5(F)金属封闭型移开式高压开关柜的技术参数见表6-1: 表6-1 JYN2-40.5(F)金属封闭型移开式高压开关柜的技术参数 序号 项目 单位 参数 1 额定电压 KV 40.5 2 主母线额定电流 A 1250,1600,2000,2500* 3 额定绝缘水平 1min工频耐压(有效值) KV 相间及对地 95 隔离断口 115 雷电冲击耐受电压(峰值) 相间及对地 185 隔离断口 215 4 额定频率 HZ 50 5 额定短时耐受电流(有效值) KA 20/25/31.5 6 额定峰值耐受电流(峰值) KA 50/63/80 7 控制回路额定电压电压 V DC110,220 AC110,220V 8 额定短路关合电流 KA 50/63/80 9 额定电缆充电开断电流 A 50 10 机械寿命 次 2000 11 防护 等级 外壳 IP4X 手车室打开时防护等级 IP2X 熔断器室 IP67 12 重量 kg 1500 13 外形尺寸(宽*深*高) mm 1818*2400*2925 14 动荷重 向上 kg 约500kg 向下 约500kg 1.35kV侧高压开关柜内断路器的校验 高压断路器除了考虑电压、电流、动稳定性和热稳定性等因素外,还应校验其断流容量或开断电流。 本开关柜内使用的断路器型号为ZN80-40.5,技术参数见表6-2: 表6-2 ZN80-40.5真空断路器主要技术参数 序号 项目 单位 参数 1 额定电压 KV 40.5 2 额定电流 A 1250,1600,2000 3 额定短路开断电流(有效值) KA 25/31.5 4 额定短路关合电流(峰值) KA 63/80 5 4S热稳定电流(有效值) KA 25/31.5 6 额定峰值耐受电流 KA 63/80 本开关柜断路器的型号及含义: Z N 80 - 40.5/T □ - □ 额定短路开断电流 额定电流 T为弹簧操动 操动机构代号 额定电压 D为电磁操动 设计序号 户内 真空断路器 (1) 额定电压校验: UN=40.5KV≥UNS=35KV符合要求。 (2) 额定电流校验: IN=1250A≥Imax=符合要求。 (3)动稳定性校验(额定动稳定电流又称额定峰值耐受电流): 符合要求。 (4) 热稳定性校验: 当短路发上在35kV母线时,变压器的差动保护动作,此时继电保护动作时间为,断路器的分闸时间,断路器通过短路电流的持续时间,断路器的相当于4秒的热稳定电流为: 热稳定性符合要求。 (5) 开断电流校验: 符合要求。 2.35kV侧高压开关柜内母线的选型与校验 按长时允许电流初选导线截面,并按短路条件校验其动稳定和热稳定。 (1) 按正常持续工作电流选择,并考虑最大长时工作电流时,变压器可能过载5%,故最大长时工作电流应为额定电流的1.05倍。 通常除因电流较大选择铜母线外,大都采用铝母线。故初选LMY-40×4型矩形母线,其截面为40×4mm²,安装方式为竖放。在环境温度为25℃时长时允许载流量为456A。 (2) 按长时允许电流校验导线截面 本所环境温度为43℃,故环境温度为43℃时,导线的长时允许载流量为: ,满足要求。 (3) 热稳定校验 按热稳定选择最小截面为: (6-4) 式中: C——热稳定系数,铝母线取87; Kf——集肤效应系数,Kf取1; ——稳态短路电流,=8.254kA; ——假想时间,=0.2s。 则最小热稳定截面为: 满足要求。 (4) 动稳定校验 每跨距母线受到的电动力为: 作用于母线上的弯矩为: 母线的截面系数: 母线的计算应力: 母线的计算应力小于铝母线允许应力68.6MPa。故满足动稳定性要求。 6.2.2 10kV 侧高压开关柜的选型及校验 本35kV变电所10kV 侧初选上海输配电气有限公司生产的JYN2-12间隔移开式交流金属封闭型高压开关柜,用于接受和分配电能并对电路实行控制、保护及监测。 JYN2-12型开关设备具有各种防止误操作的措施,包括防止带负荷移动手车、防止接地开关处在闭合位置时合断路器、防止带电时误合接地开关和防止误入带电隔离室等功能,简称“五防”功能。 1>使用环境条件: (1)周围空气温度不超过40℃,最低周围空气温度不低于-25℃; (2)海拔高度:不超过1000m; (3)周围空气没有明显地受到尘埃、烟、腐蚀性和可燃性气体、蒸汽或盐雾的污染; (4)相对湿度:日平均值≤95%,月平均值≤90%; (5)地震烈度:不超过8度; (6)水蒸气压力日平均值不超过2.2KPa,月平均值不超过1.8KPa; (7)设备安装时与垂直面的倾斜度不超过5度。 2> JYN2-12型金属封闭型移开式高压开关柜的技术参数见表6-3: 6-3 JYN2-12型金属封闭型移开式高压开关柜的主要技术参数 序号 项目 单位 参数 1 额定电压 KV 12 2 主母线额定电流 A 630,1000,1250,1600,2500 3 额定绝缘水平 1min工频耐压(有效值) KV 相间及对地 42 隔离断口 48 雷电冲击耐受电压(峰值) 相间及对地 75 隔离断口 85 4 额定频率 HZ 50 5 额定短时耐受电流(有效值) KA 20/25/31.5/40 6 额定峰值耐受电流(峰值) KA 50/63/80/100 7 控制回路额定电压电压 V DC110,220 AC110,220V 8 额定短路关合电流 KA 50/63/80/100 9 额定电缆充电开断电流 A 50 10 机械寿命 次 10000 11 防护 等级 外壳 IP2X 手车室打开时防护等级 IP2X 熔断器室 IP67 12 重量 kg 750 13 外形尺寸(宽*深*高) mm 1200*1500*2200 3>10kV侧高压开关柜内断路器的校验 高压断路器除了考虑电压、电流、动稳定性和热稳定性等因素外,还应校验其断流容量或开断电流。 本开关柜内使用的断路器型号为ZN12-12/1250-20,主要技术参数见表6-4: 表6-4 ZN12-12/1250-20真空断路器主要技术参数 序号 项目 单位 参数 1 额定电压 KV 12 2 额定电流 A 630,1250 3 额定短路开断电流(有效值) KA 20 4 额定短路关合电流(峰值) KA 50 5 4S热稳定电流(有效值) KA 20 6 额定峰值耐受电流 KA 50 (1) 额定电压校验: 符合要求。 (2) 额定电流校验: 符合要求。 (3) 动稳定性校验: 符合要求。 (4) 热稳定性校验: 当短路发生在10kV 母线上时,差动保护不动作(因为不是其保护范围),此时继电保护动作时间为,断路器的分闸时间,断路器通过短路电流的持续时间,断路器的相当于4 秒的热稳定电流为: 热稳定性符合要求。 (5) 开断电流校验: 4>10kV侧高压开关柜内母线的选择与校验 按长时允许电流初选导线截面,并按短路条件校验其动稳定和热稳定。 (1)按正常持续工作电流选择,并考虑最大长时工作电流时,变压器可能过载5%,故最大长时工作电流应为额定电流的1.05倍。 通常除因电流较大选择铜母线外,大都采用铝母线。故初选LMY-80×6型矩形母线,其截面为80×6mm2,安装方式为竖放。在环境温度为25℃时长时允许载流量为1050A。 (2)按长时允许电流校验导线截面: 本所环境温度为43℃,故环境温度为43℃时,导线的长时允许载流量为: ,满足要求。 (3) 热稳定校验: 按热稳定选择最小截面为: (6-5) 式中 C—热稳定系数,铝母线取87; —集肤效应系数,取1; ——稳态短路电流,=9.750kA; ——假想时间,=2.2s。 则最小热稳定截面为: 满足要求。 (4) 动稳定校核: 每跨距母线受到的电动力为: 作用于母线上的弯矩为: 母线的截面系数: 母线的计算应力: 母线的计算应力小于铝母线允许应力68.6MPa。故满足动稳定性要求。 6.3 设备选型汇总表 表6-5 设备选型汇总表 序号 名称 型号 单位 数量 1 一、主变压器 SZ9-10000/35 台 2 2 二、35KV侧高压开关柜 JYN2-40.5(F) 3 进线柜 JYN2-40.5-07 面 2 4 电压测量与避雷器柜 JYN2-40.5-21 面 2 5 出线柜 JYN2-40.5-06 面 2 6 联络(右)开关柜 JYN2-40.5-13 面 1 7 联络(左)开关柜 JYN2-40.5-09 面 1 8 所用变压器柜 JYN2-40.5-29 面 2 9 三、10KV侧高压开关柜 JYN2-12 10 进线柜 JYN2-12-31 面 2 11 电压测量与避雷器柜 JYN2-12-41 面 2 12 出线柜 JYN2-12-03 面 16 13 无功补偿柜 JYN2-12-29 面 2 14 联络(右)开关柜 JYN2-12-11 面 1 15 联络(左)开关柜 JYN2-12-55 面 1 第七章.电力线路的选型 7.1 概述 众所周知,电能是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;电能的输送的分配既简单,又便于调节、控制和测量,有利于实现生产过程自动化。工厂供电系统就是将电力系统的电能降压再分配电能到各个厂房或车间中去,它由工厂降压变电所,高压配电电线路,车间变电所,低压配电线路及用电设备组成。工厂总压降变电所及配电系统设计,是根据各个车间的负荷数量和性质,生产工艺对负荷的要求,以及负荷布局,接合国家供电情况。解决对各部门的安全可靠,经济技术的分配电能问题。其基本内容有一下几个方面:进线电压的选择,变配电所谓之和变压器的数量、容量的选择,防雷接地装置设计等。工厂供电设计是否完善不仅影响工厂的生产,而且也反映到工厂供电的可靠性和安全生产上。它与企业的经济效益,设备安全运行以及工人的人身安全密切相关,因此,搞好工厂供电工作对于整个工厂的生产发展有十分重要的意义。 7.2 电力线路选型的原则 确定供电系统的一般原则是:供电可靠,操作方便、运行安全灵活,经济合理,具有发展的可能性。 7.2.1 供电可靠性 供电可靠性是指供电系统不间断供电的可靠程度。应根据负荷等级来保证其不同的可靠性。在设计时,不考虑双重事故。 7.2.2 操作方便,运行安全灵活 供电系统的接线应保证在正常运行和发生事故时操作和检修方便、运行维护安全可靠。为此,应简化接线,减少供电层次和操作程序。 7.2.3 经济合理 接线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单,以减少投资和运行费用,并应提高供电安全性。 7.2.4 具有发展的可能性 接线方式应保证便于将来发展,同时能适应分期建设的需要。 7.3 35KV架空线的选型与校验 (1)按经济电流密度选择导线截面: 全矿总负荷电流为: 式中为35kV侧补偿后的视在负荷。 导线经济界面为: 式中 为经济电流密度,与年最大负荷利用小时数有关,取小时,。 故初选LGJ-150型钢芯铝绞线,其最高允许温度为70℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为445A。 (2)按长时允许电流校验导线截面 选择的导线截面应使导线的长时允许电流大于线路长时最大工作电流,即: (7-1) 当环境温度不是标准温度(25℃)时,导线的长时允许载流量按下式修正: (7-2) 式中为导线最高允许稳定温度,为环境温度。 本所环境温度为43℃,故导线的长时允许载流量为: ,满足要求。 (3)以电压损失校验导线截面 取几何间距为1.5m,LGJ-150型钢芯铝绞线的单位长度电阻,电抗。 则电压损失为: 电压损失百分数为: 均满足要求。 (4) 按机械强度校验 由表7-1查得35kV非居民区最小允许截面为16mm2,故所选的LGJ-150型钢芯铝绞线符合规定。 故35kV架空线选用LGJ-150型钢芯铝绞线。 表7-1 架空线路按机械强度要求的最小允许截面 导线材料种类 6~35KV架空线路/mm2 1KV以下架空线路 居民区 非居民区 铝及铝合金绞线 35 25 16/mm2 铜芯铝绞线 25 16 16/mm2 铜线 16 16 Φ3.2mm 7.4 10kV 电缆及架空线的选型与校验 1> 10kV侧各出线电缆的选择 电缆与架空线相比,散热条件差,故应考虑在短路条件下的热稳定性问题。按经济电流密度选择电缆截面,按长时允许电流和电压损失校验电缆截面,并按短路电流校验电缆的热稳定性。 (1) 下井电缆: ① 经济电流密度选择电缆截面: 由于下井电缆为双回路并联运行,所以计算电缆经济截面时应按最大长时负荷电流的一半计算,即: 取小时,。 故电缆经济截面为: 初选MYJV22-6/10-3×95型交联聚乙烯绝缘阻燃铜芯电缆,最高允许工作温度为80℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为278A。 ②按长时允许电流校验电缆截面 本所环境温度为43℃,故环境温度为43℃时,导线的长时允许载流量为: 满足条件。 ③稳定性校验 最大三相稳态短路电流为,,电缆最小热稳定截面为: 不满足条件。 故选用MYJV22-6/10-3×120型交联聚乙烯绝缘阻燃铜芯电缆,最高允许工作温度为80℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为318A。此时: 满足条件。 也满足要求。 ④按正常工作电压损失校验电缆截面 已知电缆长度为1000m,,A=120mm2, 故电压损失为: 电压损失百分数为: 满足要求。 (2)材料斜井绞车线路(电缆) ①按经济电流密度选择导线截面 负荷电流为: 取小时,。 电缆经济截面为: 故选用MYJV22-6/10-3×25型交联聚乙烯绝缘阻燃铜芯电缆,最高允许工作温度为80℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为128A。 ②按长时允许电流校验导线截面 本所环境温度为43℃,故环境温度为43℃时,导线的长时允许载流量为: ,满足要求。 ③稳定校验 最大三相稳态短路电流为,主保护为速断保护,,电缆最小热稳定截面为: 不满足要求。 故选用MYJV22-6/10-3×120型交联聚乙烯绝缘阻燃铜芯电缆,最高允许工作温度为80℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为318A。此时: ,满足要求。 也满足要求。 ④按正常工作电压损失校验电缆截面 已知电缆长度为700m,,A=120mm2, 故电压损失为: 式中 ——电缆工作电流; rcu——导线导电率; A——导线截面面积。 电压损失百分数为: 满足要求。 其它10kV出线电缆,同样按经济电流密度选取截面,按电压损失和热稳定校验。结果如表7-2所示。 表7-2 电缆选型结果汇总 名称 型号 下井电缆 MYJV22-6/10-3×120 260.82 177.97 100.75 120 38.06 0.38 材料斜井绞车 MYJV22-6/10-3×120 260.82 21.65 102.51 120 3.24 0.03 某A风井压风机 MYJV22-6/10-3×120 260.82 14.26 103.50 120 1.68 0.02 皇后风井压风机 MYJV22-6/10-3×120 260.82 14.26 103.50 120 2.13 0.02 主斜井皮带 MYJV22-6/10-3×120 260.82 36.82 102.51 120 5.51 0.06 2>10kV侧各出线架空线的选型与校验 按经济电流密度选择导线截面,按长时允许电流校验导线截面,并进行电压损失校验 1#瓦斯抽放泵: ①按经济电流密度选择导线截面 负荷电流为: 取小时,。 导线经济截面为: 选用LGJ-16型钢芯铝绞线,最高允许工作温度为70℃,在环境温度为25℃时长时允许载流量为105A。 ②按长时允许电流校验导线截面 本所环境温度为43℃,故环境温度为43℃时,导线的长时允许载流量为: ,满足要求。 ③电压损失校验导线截面 取几何间距为1.5m,LGJ-16型钢芯铝绞线的单位长度电阻r0=1.926Ω/km,电抗为x0=0.412Ω/km。 则电压损失为: 电压损失百分数为: 满足要求。 ④按机械强度校验 由表7-1查得10kV非居民区最小允许截面为16mm2,故所选的LGJ-16型钢芯铝绞线符合规定。 其余架空线选型方法与上述过程类似,结果如表7-3所示。 表7-3 架空线选型结果汇总表 名称 型号 1#瓦斯抽放泵 LGJ-16 81.33 11.86 13.18 16 45.84 0.46 2#瓦斯抽放泵 LGJ-50 170.41 43.11 47.90 50 166.67 1.67 皇后风井主扇风机 LGJ-95 259.49 94.77 82.39 95 334.75 3.34 回风斜井主扇风机 LGJ-50 151.33 14.26 15.84 50 64.12 0.64 第八章.供电系统微机保护 8.1 微机继电保护综述 电力系统继电保护是指继电保护技术和由继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置在电力系统中承担重要的保护任务,在系统发生故障时,自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除,保证其他部分恢复正常运行;在系统出现不正常工作状态时,可动作于发出信号、减负荷或跳闸。继电保护在技术上一般应满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的基本要求。 微机继电保护装置自20世纪80年代在我国首次投入运行以来,越来越受到继电保护工作者的青睐和关注,并在电力系统中得到了广泛应用。由于微机继电保护装置具有比常规的继电保护装置不可比拟的优越性,从而大大提高了电力系统供电的可靠性和安全性,促进了电力系统自动化的发展。伴随着集成电路、通讯技术、计算机技术,信息技术、人工智能的迅速发展,微机继电保护的结构更加合理,性能更加完善,功能更加全面,有效地承担起了确保电网安全可靠的重任。 8.1.1 微机继电保护的主要特点 1、改善和提高继电保护的动作特征和性能,动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性;其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护;可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等,其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。 2、可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等,可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。 3 、工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用,制造容易统一标准;装置体积小,减少了盘位数量;功耗低。 4、可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响,不易受元件更换的影响;且自检和巡检能力强,可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。 5、使用灵活方便,人机界面越来越友好。其维护调试也更方便,从而缩短维修时间;同时依据运行经验,在现场可通过软件方法改变特性、结构。 6、可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能,与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 8.1.2 微机继电保护与传统的继电保护技术相比的优缺点 常规继电保护缺点:常规继电保护是采用继电器组合而成的,比如:过流继电 器、时间继电器、中间继电器、等通过复杂的组合,来实现保护功能,它的缺点: 1.占的空间大,安装不方便 2.采用的继电器触点多,大大降低了保护的灵敏度和可靠性 3.调试、检修复杂,一般要停电才能进行,影响正常生产 4.没有灵活性,当CT变比改动后,保护定值修改要在继电器上调节,有时候还要更换. 5.使用寿命太短,由于继电器线圈的老化直接影响保护的可靠动作. 6.继电器保护功能单一,要安装各种表计才能观察实时负荷 7.数据不能远方监控,无法实现远程控制 8.继电器自身不具备监控功能,当继电器线圈短路后不到现场是不能发现的 9.继电器保护是直接和电器设备连接的,中间没有光电隔离,容易遭受雷击 10.常规保护已经逐渐淘汰,很多继电器已经停止生产 11.维护复杂,故障后很难找到问题. 12.运行维护工作量大运行成本比微机保护增加60%左右 13.操作复杂、可靠性低,在以往的运行经验中发现很多事故的发生主要原因有两 条:A人为原因:因为自动化水平低,操作复杂而造成事故发生.B继电保护设备性 能水平低,二次设备不能有效的发现故障 14. 经济分析:常规保护从单套价来说比微机保护约便宜,但使用的电缆数量多、屏柜多、特别是装置寿命短、运行费用(管理费用、维护费用等)比微机保护高出 60%,综合费用还是比微机保护多的. 微机保护优点: 1.微机保护是采用单片机原来,系统具备采集、监视、控制、自检查功能、通过一台设备可以发现:输电线路的故障,输电线路的负荷、自身的运行情况(当设备自身某种故障,微机保护通过自检功能,把故障进行呈现),采用计算机原理进行远程控制和监视. 2.由于微机保护采用各种电力逻辑运算来实现保护功能,所以只需要采集线路上的电流电压,这样大大简化了接线. 3.微机保护的保护出口、遥控出口、就地控制出口都是通过一组继电器动作的, 所以非常可靠. 4.微机保护采用计算机控制功能,保护定值、保护功能、保护手段采用程序逻辑, 这样可以随时修改保护参数,修改保护功能,不用重新调试. 5. 微机保护还具备通讯功能,可以通过网络把用户所需要的各种数据传输到监控中心,进行集中调度. 6.微机保护采用光电隔离技术,把所有采集上来的电信号统一形成光信号,这样有强电流攻击时候,设备可以建立自身保护机制. 7.微机保护采用CPU进行数据处理,加大了数据处理速度. 8.微机保护的寿命长,由于设备在正常状态处于休眠状态,只有程序实时运行,各 个元器件的寿命大大加长. 9. 微机保护具备时钟同步功能,对于故障可以记录,采用故障录波的方式把故障 记录下来,便于对故障的分析. 10. 微机保护采用了多层印刷板和表面贴装技术,因而具有很高的可靠性和抗干 扰能力. 11.易用性:中文用户界面标准化,易学、易用、易维护. 12.经济分析:微机保护从单套价来说比常规保护约贵些,但使用的电缆数量极少、屏柜少、特别是使用寿命长达25年、运行费用(管理费用、维护费用等)比常规保护降低60%,综合费用还是比常规保护少许多. 8.2微机继电保护的硬件原理: 从功能上讲,微机保护装置硬件包括四个部分:数据采集系、CPU、主系统、开关量、输入/输出回路、电源回路等。其中处理器、数据采集系统对微机保护工作的性能提高影响很大。 8.2.1数据采集系统 在微机继电保护装置中,数据采集系统的功能是将输入的模拟量准确的转换为微机能够是别的数字量。微机继电保护装置中的数据采集的速度、精度以及动态范围对保护性能有十分重要的影响。 早期的微机继电保护装置中数据采集系统多为基于A/D转换的数据采集系统,以A/D转换器为模拟量到数字量的转换单元。按其原理主要有,逐次逼近是、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。该系统使用的芯片比较多,电路复杂,抗干扰性较差。例如基于逐次逼近式A/D转换的数据采集系统,它包括电压形成回路、模拟低通滤波器ALF、采样保持电路S/H、多路转换开关MPX及A/D转换电路等。 第二代微机保护采用根据电压频率转换(VFC)原理的计数式数据采集系统。电压频率转换器VFC(Voltage Frequency Converter)是一种实现模数转换功能的器件,我们可以通过VFC器件与其他电路一起构成数据采集系统,从而实现模拟信号到数字信号的转换功能。 该系统用光电隔离实现信号隔离且输出的是方波脉冲,所以抗干扰性较强,同时更容易实现与多单片机系统的多CPU接口。 近几年来,人工智能技术和小波分析理论等逐步引入几点保护领域,对采样速度提出了更高的要求。 8.2.2 CPU主系统 一个基本的CPU主系统包括中央处理器CPU、存储器、晶振电路、复位电路、定时器、I/O接口等、CPU执行放在程序存储器中的程序,对数据采集系统输入到数据存储器的原始数据进行分析处理,完成继电保护的参量、逻辑和控制功能。继电保护装置中的处理器主要有三类:单片机、DSP和嵌入式处理器。单片机与通用的微机相比,在结构、指令设置上有独到之处。单片机的存储器RAM和ROM是严格区分的,采用面向控制的指令系统,多功能引脚,并且具有较强的外部扩展能力。由于单片机具有体积小、面向控制、抗干扰能力强、方便实现多机和分布式控制的优点,所以被应用于微机继电保护装置中。在微机继电保护中要进行大量的数字信号处理,这就需要高速处理能力 的微处理器。DSP具有相当强大的处理能力,在相同的主频下,比目前最先进的个人计算机快10~50倍。随着数字信号处理器(DSP)技术的不断推广和应用,DSP强大的处理能力逐渐在微机继电保护装置中得到体现。快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用乘法器、 特殊的指令,加上集成电路优化设计,可以使DSP的指令周期达到200ns。将DSP应用于微机继电保护,极大地缩短了数字滤波、滤序和算法的计算时间。不但可以完成数据采集、信号处理功能,还可以完成以往主要由CPU完成的运算功能,甚至完成独立的继电保护功能。 8.2.3开关量输入/输出回路 所谓开关量就是触电状态(接通或断开)或逻辑电平的高低等。微机继电保护装置中,除了模拟量输出外,还有大量的开关量输入和输出。与微机继电保护相关的外设的开关量状通过输入回路送入CPU,CPU将相关的开关量指令输出到执行回路。为了提高稳定性,开关量输入/输出回路中应用光电偶和隔离实现信号传递和干扰的隔离。 硬件电路总体结构图: 人机接口( 通信单元 键盘与显 中央处理 示单元) 数据采集单元 单元(单 片机) 模拟量和开 时钟单元 关量输出单元 图8-1 硬件电路总体结构图 微机保护硬件系统框图: 交流 电压U 变换器 滤波 S/H 被交流 多 电流I 变换器 滤波 S/H 路 A/D 微 键盘 保----------------------------------- 转 显示 直流 换 型 护电压U 降压 滤波 S/H 器 隔离 计 设 开关 光耦 算 备 隔离 机 打印 光耦 驱动 图8-2 微机保护硬件系统框图 8.2.4 微机继电保护实物图 图8-3 微机继电保护实物图 8.2.4 微机继电保护的算法 算法就是对数据进行处理、分析、判断以实现保护功能的方法。通过算法的处理,可以若干已被量化的采样数据求得被测信号的有效值、相位、比值等量值。 传统的微机保护算法分两类。一类是直接由采样值经过某种运算,求出被测信号的实际值,在预定值比较。另一类是依据几点起的动作方程,将采样值代入动作方程,转换为运算式的判断。算法基于的数学模型的不同,有基于正弦信号的算法、基于复杂数学模型的算法、基于随即函数模型的算法等。目前广泛采用全波傅氏算法和最小二乘法,作为电力系统微机继电保护提取基波分量的算法。全波傅氏算法能滤除所有整次谐波分量,且稳定型好,但响应速度慢;最小二乘法需已知故障信号的模型和干扰信号的分布特性;除此之外还有半波傅氏算法, 但半波傅氏算法滤波能力相对较弱只能用于保护切除出口或近处故障。随着电力系统的不断发展,对保护的要求越来越高,继电保护的性能都力求能适应各种运行方式和各种复杂故障,而传统的微机保护算法自适应能力有限,故探讨新理论和新方法应用于微机保护 势在必行。 继电保护的算法种类很多,不管哪一类保护的算法,其核心问题归根结底不外乎是算出可表征被保护对象运行特点的物理量,如电压、电流等的有效值和相位以及视在阻抗等,或者算出他们的序分量、基波分量、某次谐波分量的大小和相位等。有了这些基本电气量的计算值,就可以很容易地构成各种不同原理的保护。基本上可以说,只要找出任何能够区分正常与短路的特征量,微机保护就可以实现。 8.3 微机继电保护的软件原理 8.3.1 微机继电保护装置的软件构成 微机继电保护的硬件氛围人机接口和保护接口两大部分,与之相对应的软件也分为接口软件和保护软件两大部分。 (1) 接口软件 接口软件是指人机接口部分的软件,其程序分为监控程序和运行程序。监控程序主要是键盘命令处理程序,是为接口插件及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序。运行程序由主程序和定时服务中断程序构成。主程序的任务是完成巡检、键盘扫描和处理及故障信息的排列和打印;定时中断服务程序包括软件时钟程序、以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软时钟和检测各CPU插件启动元件是否动作的检测启动程序。 (2) 保护软件 保护软件包括主程序和两个中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块及跳闸处理模块。中断服务程序有定时采样中断服务程序和串行口通信服务程序。 微机继电保护的典型主程序图: Y 开始 初始化to 打开中断 初始化A/D 初始化串口CHUANKO 结束 采集数据<MM ? 打开out0 灯亮 不报警 打开out1 灯不亮 报警 打开out2 灯亮 报警 MM<采集数据<AA ? AA<采集数据 ? N N N Y Y 图8-4 微机继电保护的典型主程序图 8.3.2 微机保护的软件设计 微机保护的软件设计就是建立保护的数学模型。所谓数学模型,即是微机保护工作原理的数学表达式,是编程保护计算程序的依据。通过不同的算法可以实现各种保护的功能。模拟式保护的特性和功能完全由硬件决定,而微机保护的硬件是共同的,保护的特性与功能主要由软件决定。 供电系统继电保护的种类很多,然而不管哪一类保护的算法,其核心问题都是要算出可表示被保护对象运行特点的物理量,如电压、电流的有效值和相位等。或者算出它们的序分量,或基波分量,或谐波分量的大小和相位等。有了这些基本电器量的值,就可以很容易地构成各种不同原理的保护。所以讨论这些基本电量的算法是研究微机保护的重点之一。 目前微机保护的算法较多,常用的有导数算法、正弦曲线拟合法(采样值积算法)、傅立叶算法等。 8.4 35/6KV供电系统微机保护汇总表 本设计需要采用的微机保护类型: 序号 型号 保护功能 测控功能 适用范围 1 KLD-9311微机线路保护测控装置 1)三段过流保护;2) 电流闭锁电压速断保护;3) 三段零流保护;4) 两段逆功率保护;5)低频减载;6) 低压保护;7) 过压保护;8)冷负荷保护;9)过负荷保护;10)快速母线保护;11)母线充电保护;12)反时限过流保护;13)过频保护;14)非电量保护;15)三相四次重合闸(检无压、同期、不检);16) 后加速保护 遥测、遥信、遥控、手动合闸检无压/检同期 作为110KV及以下系统输电线路的主保护或后备保护测控装置 1)差动速断保护;2)比率差动保护(可单独投退CT断线闭锁和二次、五次谐波闭锁);3)一段2时限高压侧过电流保护;4)一段2时限低压侧过电流保护;5)一段2时限中压侧过电流保护;6)一段2时限第四侧过电流保护;7)非电量保护;8)差流越限报警 1)可采集16路开入量,并记录遥信变位;2)本侧路断路器遥控分合; 3)可采集变压器四侧电流,计算差动电流中二次、五次谐波分量、各个模入量与高压侧A相电流的夹角;4)遥控事件记录及事件SOE等 2 KLD-9331微机变压器差动保护装置 作为110KV及以下系统变压器的主保护装置 3 KLD-9361微机备用电源自投保护测控装置 1)变电站备投;2)并网线备投;3)DL位异常告警;4)母线失压保护;5)母线过压保护;6)PT断线 遥测、遥信、遥控 作为110KV及以下系统的备用电源自投保护测控装置 4 KLD-9371微机PT监测切换装置 过压保护、失压保护、零压保护、接地保护、PT高压断线保护、PT低压断线保护、PT自动切换功能、随隔刀同步切换功能 遥测、遥信、遥控 适用于110KV以下电压等级系统中所装设PT的监视及测控 5 KLD-9316微机配电变压器保护测控装置 三段定时限过流保护(带方向、低电压闭锁投退)、反时限过流保护、过负荷保护、低压零流保护、低压零流反时限保护、高压零流保护、二段负序过流保护、零压保护、非电量保护、故障录波 遥测、遥信、遥控 适用于3-10KV等级的非直接接地系统或小电阻接地系统中所装设配电变压器的保护及测控 8.5 变压器的微机保护 变压器是电力系统的主要设备之一,他的正常运行对供电系统的可靠性意义重大,电力变压器的常用保护装置有瓦斯保护、电流速断保护、过电流保护、过负荷保护和差动保护等。 本变电所中变压器主要采用瓦斯保护、过流保护和差动保护。其中瓦斯保护和差动保护是主保护,过流保护是后备保护。 8.5.1 变压器的瓦斯保护 瓦斯保护主要用于变压器油箱内部故障的主要保护以及油面过低保护。瓦斯保护是利用安装于油箱和油枕间管道中的瓦斯继电器来实现的。容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内,变压器都应装设瓦斯保护。其中轻瓦斯动作于预告信号,重瓦斯动作于跳开变压器各侧的断路器。 瓦斯保护的主要优点是动作快,灵敏度高,稳定可靠,接线简单,能反应变压器油箱内部的各种类型的故障,特别是短路匝数很少的匝间短路,其他保护可能不动作,对这种故障,瓦斯保护具有特别重要的意义,所以瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护之一。 8.5.2 微机变压器的差动保护装置 本设计采用石家庄科林电气股份有限公司生产的KLD-9331微机变压器差动保护装置, KLD-9331微机变压器差动保护装置满足变电站综合自动化系统的要求,可作为110KV及以下系统变压器的主保护装置。 KLD-9331微机变压器差动保护装置的保护功能包括:1)差动速断保护;2)比率差动保护(可单独投退CT断线闭锁和二次、五次谐波闭锁);3)一段2时限高压侧过电流保护;4)一段2时限低压侧过电流保护;5)一段2时限中压侧过电流保护;6)一段2时限第四侧过电流保护;7)非电量保护;8)差流越限报警。 装置的测控功能包括:1)可采集16路开入量,并记录遥信变位;2)本侧路断路器遥控分合; 3)可采集变压器四侧电流,计算差动电流中二次、五次谐波分量、各个模入量与高压侧A相电流的夹角;4)遥控事件记录及事件SOE等。 装置逻辑框图: 图8-5 KLD-9331微机变压器差动保护装置逻辑框图 8.5.3 变压器的过流保护 为了防止外部短路引起变压器绕组的过电流,并作为差动和瓦斯保护的后备,变压器还必须装设过电流保护。 对于单侧电源的变压器,过流保护安装在电源侧,过流保护动作时切断变压器两侧的开关。过流保护安躲过最大工作电流整定,起动值比较大,不能满足灵敏要求时可采用电压闭锁的过电流保护以提高灵敏度。 8.6 备用电源自投保护测控装置 本设计采用科林电气生产的KLD-9361微机备用电源自投保护测控装置作为该矿备用电源的保护装置。 8.6.1 装置功能及适用范围 KLD-9361微机备用电源自投保护测控装置的保护功能包括:1)变电站备投;2)并网线备投;3)DL位异常告警;4)母线失压保护;5)母线过压保护;6)PT断线。 装置的测控功能包括:遥测、遥信、遥控。 本装置满足变电站综合自动化系统的要求,可作为110KV及以下系统的备用电源自投保护测控装置。 8.6.2 一次接线示意图: 图8-6 KLD-9361微机备用电源自投保护测控装置的一次接线示意图 第九章.变电所的防雷与接地 9.1 变电所防雷 在电气线路或电气设备上出线的超过正常工作电压要求的电压,称为过电压。它可分为内部过电压和雷电过电压。根据运行经验表明:内部过电压一般不会超过系统正常运行时相对地(即单相)额定电压的3-4倍。因此对电力系统和电气设备绝缘的威胁不是很大。而雷电过电压又称为大气过电压,也叫外部过电压,它是由于电力系统中的设备,线路和建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波,其电压幅值可高达一亿伏,其电流幅值可高达几十万安,因此对供电系统危害极大,必须加以防护。雷电过电压有两种基本形式:直击雷和间接雷击。还有一种就是沿着架空线路或金属管道侵入变电所或其他建筑物。这种雷电过电压称为雷电波侵入。这三种雷电过电压中对供电系统危害最大的是雷电波侵入。 9.1.1 常用的防雷保护装置 接闪器是专门用来接受直接雷击的金属物体。接闪的金属杆称为避雷针。接闪的金属线称为避雷线,又称架空地线。接闪的金属带称为避雷带。 1.避雷针:它的功能实质上是引雷作用,所以避雷针的实质是引雷针,它把雷电流引入地下,从而保护了线路、设备和建筑物等。避雷针的保护范围,以它能够防护直击雷的空间来表示。现行国家标准GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》则规定采用IEC推荐的“滚球法”来确定。 2.避雷线:它一般采用不小于25mm2的镀锌钢绞线,架设在架空线路的上方,以保护架空线路或其他物体免遭受直接雷击。由于避雷线既是架空又要接地,因此它又称为架空地线。 3.避雷器:它是防护雷电波侵入对电气设备产生危害的保护装置。避雷器的放电电压低于所有被保护设备的正常耐压值。由于它具有良好的接地,故雷电波侵入时,避雷器首先被击穿并对地放电,从而使其他电气设备受到保护。当过电压消失后,避雷器又能自动恢复到起始状态。避雷器分为火花间隙、管型避雷器和阀型避雷器。 9.1.2变电所的防雷措施 (1)装设避雷针:室外配电装置应装设避雷针来防护直击雷。如果变配电所处在附近更高的建筑物上的防雷设施的保护范围之内或变电所本身为车间内型,则不再考虑直击雷的防护。独立的避雷针宜设独立的接地装置。在非高土壤地区,其工频接地电阻Re≤10Ω。独立的避雷针及其引下线与变电所装置在空气中的水平间距不得小于5m。独立避雷针的接地装置与变配电所主接地电网分开时,则它们在地中的水平间距不得小于3m。这些规定都是为了防止雷电过电压对变电所电气设备进行反击闪络。 (2)装设避雷线: 在变电所的进线段杆塔上装设一段1.5km的避雷线,使感应过电压产生在1.5km以外,侵入的冲击波沿导线走过这一段路程后,波幅值和波陡度均下降,使雷电流能限制在5kA,避免其引起的雷电侵入波对变电所电气装置产生危害。 (3)装设避雷器:用来防止雷电侵入波对变电所电气装置特别是对主变压器的危害。为了减少变压器所受过电压幅值,阀型避雷器应尽量安装在电气距离靠近主变压器的地方。如果进线是具有一段引入电缆的架空线,则架空线路终端装设的避雷器应与电缆头处的金属外皮相连并且一同埋地。每组高压母线上均应装设阀型避雷器。对于3-10kV配电变压器低压中性点不接地时,应在中性点装设击穿保险器。变压器两侧的避雷器应与变压器中性点及金属外壳一同接地。 9.2 变电所接地 变电所的接地装置直接关系到变电所的正常运行,更涉及到人身与设备的安全。若接地装置设计考虑不全面、测试不准确,将会导致多起事故,不仅烧毁一次设备,甚至还通过二次控制电缆窜入主控室,造成了事故扩大,因此接地装置对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。 电气设备的某部分与大地之间作良好的电气连接,称为接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体,称为接地体或接地极。电气设备接地部分与接地体相连接的金属导体称为接地线。接地体与接地线的组合称为接地装置。由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体称为接地网。 9.2.1 接地的要求 对于接地的要求大致有以下几点: (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。 (2)应设置一个总的接地装置,这样可以将各种电气设备接地。 (3)在接地装置有困难时,允许用绝缘台来维护电气设备,但应防止同时和电气设备的不接地部分及地有连接的建筑物相接触。 (4)电气设备的人工接地体应尽可能的使电气设备所在地点附近对地电压分配均匀。 (5)设计接地装置时,应考虑到一年四季中,均能保证接地电阻的要求值。 9.2.2 接地的种类 对于接地可分成三种: (1)工作接地:为了保证电力系统和电气设备达到正常工作要求而进行的一种接地称为工作接地,例如电源中性点的接地、防雷装置的接地等。当配电网单相故障接地时,工作接地也有抑制电压升高的作用。如没有工作接地,发生单相接地故障时,中性点对地电压可上升到接近相电压,另两相对地电压可上升到接近线电压。 (2)保护接地:将在故障情况下可能呈现危险的对地电压的设备外露可导电部分进行接地称为保护接地。接地保护一般用于配电变压器中性点不直接接地(三相三线制)的供电系统中,用以保证当电气设备因绝缘损坏而漏电时产生的对地电压不超过安全范围。 (3)重复接地:将零线上的一处或多处通过接地装置与大地再次连接,称重复接地。零线重复接地能够缩短故障持续时间,降低零线上的压降损耗,减轻相、零线反接的危险性。在保护零线发生断路后,当电器设备的绝缘损坏或相线碰壳时,零线重复接地还能降低故障电器设备的对地电压,减小发生触电事故的危险性。因此零线重复接地在供电网络中具有相当重要的作用,而这一作用却往往被人们忽视了。 9.2.3回路式接地装置 变电所中通常用扁钢将若干接地体连接成一个整体构成接地网。接地网的布置形式有外引式和回路式。外引式将接地体引出户外某处集中埋于地下,该方式安装方便,且较经济,但接地体附近地面电位分布不均,跨步电压较大,变电所内接触电压较大;另外,接地网的连线可靠性也较差。因此,变电所中常采用回路式接地装置,回路式是将接地体围绕设备或建筑物四周打入地中,它使地面电位分布均匀,减小跨步电压,同时抬高了地面电位,减小了接触电压,安全性好,连接可靠。 本设计中变电所保护接地采用回路式接地装置,回路式接地装置的布置见图9-1。 图9-1 回路式接地装置的布置 结 论 本论文根据变电所的设计原则,围绕煤矿35KV变电所设计这一课题展开设计,主要完成以下方面的设计工作: (1)针对矿井负荷的用电需求情况,用需要系数法进行了负荷计算。据此对主变压器进行选择,并进行无功补偿。最终无功补偿后的功率因数是0.96,主变压器选择的型号为S11-12500/35。 (2)根据变电所主接线设计原则,对变电所的主接线进行了设计:35kV侧采用全桥接线的主接线方式,10kV侧的母线采用单母分段的主接线方式。 (3)用标幺值法对供电系统进行了短路电流计算,为电气设备的选择和校验,以及继电保护的整定提供了数据。 (4)按安装地点、运行环境和使用要求对电气设备的规格型号进行选择,并按短路条件对它们进行动稳定和热稳定等方面的校验。最终35kV侧选用JYN2-40.5(F)型金属封闭型移开式高压开关柜,10kV侧选用JYN2-12型间隔移开式交流金属封闭型高压开关柜。 (5)为了保障在供电系统发生故障时,能够迅速、可靠、有选择地将故障设备从系统中切除,对变电所进行了继电保护设计。最终变电所35kV电源进线侧选用时限电流速断和定时限过流保护,10kV侧各主要馈电线路的继电保护均选用三段式电流保护,主变压器采用瓦斯保护、过流保护和差动保护相配合的方式。 (6)防雷和接地保护是变电所保护中的重要保护。本设计采用了在35kV电源进线路上装设1.5km的避雷线,在35kV母线上安装阀型避雷器进行防雷保护,并在变电所安装回路式接地装置进行接地保护。 致 谢 我的毕业论文是在XX老师的精心指导和大力支持下完成的,他渊博的知识开阔的视野给了我深深的启迪,论文凝聚着他的血汗,他以严谨的治学态度和敬业精神深深的感染了我对我的工作学习产生了深渊的影响,在此我向他表示衷心的谢意。 在本次论文设计过程中,感谢我的学校,给了我学习的机会,在学习中,王老师从选题指导、论文框架到细节修改,都给予了细致的指导,提出了很多宝贵的意见与建议,王老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在XX师的精心指导和大力支持下才完成的。 感谢所有授我以业的老师,没有这些年知识的积淀,我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余,诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正,使我及时完善论文的不足之处。 这四年来感谢xx学院机电系的老师对我专业思维及专业技能的培养,他们在学业上的心细指导为我工作和继续学习打下了良好的基础,在这里我要像诸位老师深深的鞠上一躬! 感谢这四年来我的朋友以及采矿xx班的四十多位同学对我的学习,生活和工作的支持和关心。三年来我们真心相待,和睦共处,不是兄弟胜是兄弟!正是一路上有你们我的求学生涯才不会感到孤独,马上就要各奔前程了,希望你们有好的前途,失败不要灰心,你的背后还有采矿xx班这个大家庭! 最后我要感谢我的父母,你们生我养我,纵有三世也无法回报你们,要离开你们出去工作了,我在心里默默的祝福你们平安健康,我不会让你们失望的,会好好工作回报社会的。 谨以此致谢最后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。 参考文献 [1]袁河津.煤矿安全规程2011版[M]. 北京:煤炭工业出版,2011. [2]李虎伟.矿山供电[M].徐州:中国矿业大学出版社.2011. [3] Chem. Eng. G. E. Introduces New Power Distribution System[J].News.1942, 20 (7):486–488. [4]GB 50215,煤炭工业矿井设计规范[S]. [5]GB\T 12173-2008,矿用一般型电气设备国家标准[S]. [6]MT/T 570—1996,煤矿电气图专用图形符号[S]. [7]GB50417,煤矿井下供配电设计规范[S]. [8] Jia Y, He ZY, Zang TL. S-transform based power quality indices for transientdisturbances. In: 2010 Asia-pacific power and energy engineeringconference(APPEEC); 2010. p. 1–4. [9]吴荣光.煤矿电工手册(第二分册)矿井供电(上)[M].北京:煤炭工业出版社,1999. [10]顾永辉.煤矿电工手册(第四分册)[M]. 北京:煤炭工业出版1998. [11]MOHAN.UNDE.LANDT.M.ROBBINSW.P.:‘Powerelectronics:converters, applications, and design’. [12]王春学.电力设备选型手册[M].北京:中国水利水电出版社,2007. [13]王彦文.煤矿供电技术[M].北京:中国矿业大学出版社,2013. [14]Morsi WG, El-Hawary ME. Power quality evaluation in smart grids consideringmodern distortion in electric power systems[J]. Electr Power Syst Res.2011,81(11):17–23. [15]张荣立.采矿工程设计手册[M].徐州:中国矿业大学出版社.2003. [16]王彦文.煤矿供电技术.北京:中国矿业大学出版社,2012. [17]梁南丁.煤矿供电.徐州:中国矿业大学出版社,2009. [18]王崇林.煤矿供电与电气控制.徐州:中国矿业大学出版社,2008. 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    文档贡献者

    赖俊安

    贡献于2019-04-15

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