供电技术课程设计

设 计 题 目指 导 教 师院（系、部）专 业 班 级学 号姓 名日 期

辽宁工程技术大学

供电技术 课程设计

煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计 刘健辰 电气与控制工程学院 2013/1/14

课程设计成绩评定表

学期 专业 课程名称 设计题目 成绩 评分项目 1.设计态度 设2.设计纪律 计表3.独立工作能力 现 4.上交设计时间 2012/2013第一学期 电气工程及其自动化 供电技术 姓名 班级 煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计 优 非常认真 严格遵守 强 提早或按时 良 认真 遵守 较强 按时 中 较认真 基本遵守 能独立设计完成 迟交半天 及格 一般 少量违反 基本独立设计完成 迟交一天 不及格 不认真 严重违反 不能独立设计完成 迟交一天以上 设计思路基设计思路不本清晰，结构清晰，结构方方案基本合案不合理，关理，设计参数键设计参数5.设计内容 选择基本正选择有错误，确，调理清设调理清楚，内楚，内容基本计容不完整，有完整，有些错说明显错误 误 明书 较规范、整基本规范、整基本规范、整不规范、不整规范、整洁、6.设计书写、字体、洁、有条理，洁、有条理，洁、有条理，洁、无条理，有条理，排版排版 个别排版有个别排版有排版有问题排版有问题很好 问题 问题 较多 很大 7.封面、目录、参完整 较完整 基本完整 缺项较多 不完整 考文献 很出色 较出色 一般 较差 很差 图8.绘图效果 纸 9.布局 合理、美观 较合理 基本合理 有些混乱 布局混乱 基本符合标个别不符合完全不符合 10.绘图工程标准 符合标准 较符合标准 准 标准 标准 评定说明： 不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决； 优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。 设计思路较设计思路清设计思路清清晰，结构方晰，结构方案晰，结构方案案基本合理，良好，设计参合理，设计参设计参数选数选择正确，数选择正确，择基本正确，条理清楚，内条理清楚，内调理清楚，内容完整，结果容较完整，极容基本完整，正确 少量错误 有少量错误 最终成绩： 评定教师签字：

供电技术

课 程 设 计 任 务 书

一、设计题目

煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

二、设计任务

根据所提供的某煤矿原始资料，完成以下设计任务： 1. 对原始资料的分析 2. 负荷计算与功率因数补偿 3. 短路电流计算

4. 扩展内容，组内分配选择以下三个内容之一，不允许重复选择（A高压电气设备选

择，B电力线路选择，C继电保护设计）

三、设计计划

本课程设计时间为一周，具体安排如下：

第1天：查阅相关材料，分析原始资料，熟悉设计任务 第2 ~ 3天：负荷计算与功率因数补偿，绘制主接线方案图 第4天：短路电流计算

第5 ~ 6天：扩展内容，整理设计说明书 第7天：答辩

四、设计要求

指 导 教师：刘健辰 教研室主任：宋立业

时 间：2013年 1月 7日

1. 设计必须按照设计计划按时完成

2. 设计成果包括设计说明书一份、主接线方案图（A3）一张 3. 答辩时本人务必到场

一、原始数据

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：l1 =l2=6.5km;

两回35kV电源上级出线断路器过电流保护动作时间：t1=t2=2.5s;

本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：Xs.min=0.12(Sd=100MVA); 本所35kV电源母线上最小运行方式下的系统电抗Xs.max=0.12(Sd=100MVA); 井下6kV母线上允许短路容量：Sal=100MVA；

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。

二、主要内容

1. 对原始资料的分析 2. 负荷计算与功率因数补偿 （1）全矿负荷计算，选择补偿电容器 （2）选择主变压器，绘制一次接线图

3. 短路电流计算

（1）选取短路计算点，绘制等效计算图 （2）选择计算各基准值 （3）计算各元件的标幺电抗

（4）计算各短路点的总标幺电抗与短路参数

4. 扩展内容

A高压电气设备选择：设备选择与校验 B电力线路选择：线路选择与校验

C继电保护设计：过流保护设置与整定计算

全矿负荷统计分组表

序号 设备名称 负荷等级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主提升机 副提升机 通风机1 通风机2 压风机 地面低压设备 机修厂 洗煤厂 工人村 支农 主排水泵 井下低压设备 1 1 1 1 1 1 1 3 2 3 1 1 电压 （V） 6000 6000 6000 6000 6000 6000 380 380 380 380 6000 660 单机容量(kW) 1200 900 650 650 450 500 安装台数/工作台数 1/1 1/1 2/1 2/1 4/2 6/4 总容量 （kW） 1200 900 650 650 900 950 1000 700 630 550 2000 2850 需用 系数 0.95 0.94 0.88 0.88 0.9 0.72 0.6 0.75 0.76 0.75 0.88 0.7 功率 因数 0.85 0.84 -0.91 -0.91 -0.89 0.78 0.7 0.78 0.85 0.85 0.86 0.76 离35kV变电所的距离 0.28 0.20 1.5 1.5 0.36 0.05 0.20 0.46 2.0 2.7 0.65

注1：线路类型：C——电缆线路；k——架空线路。

注2：电机型式：Y——绕线异步；X——鼠笼异步；D——直流；T——同步。

摘 要

本设计根据某矿的电力负荷资料，做出了该矿的35KV总降压变电所的整体设计，包括负荷计算及无功补偿、系统主接线方案的选择、高压电气设备的选择、短路电流的计算及对所选的高压电气设备的校验、继电保护的设计、防雷及接地的设计等。本设计以实际负荷为依据，以变电所最佳运行方式为基础，按照有关规定和规范，做出了满足该矿生产需求的设计。

设计中先对负荷进行了统计与计算，选出了所需的主变压器型号，然后根据负荷性质及对供电可靠性要求拟定主接线设计，考虑到短路对系统的严重影响，设计中进行了短路电流计算。设计中还对主要高压电气设备做出了选择与计算，如断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等。

关键词：35KV变电所；负荷计算；主接线设计；短路电流计算；电气设备选择

目 录

摘 要 .......................................................... 1 第一章

负荷计算与功率因数补偿 ............................... 2

1.1 概述 ............................................................................................ 2 1.2 计算各组负荷与填表 ................................................................ 3 1.3 各低压变压器的选择与损耗计算 ............................................ 6

1.3.1 洗煤厂和支农变压器 ........................................................................... 6 1.3.2 工人村和机修厂变压器 ....................................................................... 6 1.3.3 各变压器功率损耗计算 ....................................................................... 6

1.4 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器 ................ 7 1.5 功率因数补偿与电容器柜选择 ................................................ 8

1.5.1 选择思路 ............................................................................................... 8 1.5.2 无补偿时主变压器的损耗计算 ........................................................... 8 1.5.3 35kV侧补偿前的负荷与功率因数 ...................................................... 9 1.5.4 计算选择电容器柜与实际补偿容量 ................................................... 9 1.5.5 补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数 ............................................. 10 1.5.6 补偿后主变压器最大损耗计算 ......................................................... 10 1.5.7 补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验 ................................... 10

1.6 主变压器校验及经济运行方案 .............................................. 11 1.7 全矿电耗与吨煤电耗计算 ...................................................... 11 1.8 拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图 .............................. 11

第 二 章 供电系统短路电流计算 .................................. 14

2.1 概述 .......................................................................................... 14 2.2 选取短路计算点并绘制等效计算图 ...................................... 15 2.3 计算各元件的标么电抗 .......................................................... 16

2.3.1 电源的电抗 ......................................................................................... 17 2.3.2 变压器电抗 ......................................................................................... 17 2.3.3 线路电抗 ............................................................................................... 17

2.4 计算各短路点的短路参数 ...................................................... 18

2.4.1 K35点短路电流计算 .......................................................................... 18

2.4.2 K66点短路电流计算 .......................................................................... 18

'K2.4.3 21点短路电流计算（折算到6kV侧） ......................................... 19 2.4.4 井下母线短路容量计算（K7点） .................................................... 20

2.5 设计计算选择结果汇总 .......................................................... 22

第 三 章 35kV高压电气设备选择 ................................. 23

3.1 概述 .......................................................................................... 23

3.2 高压断路器的选择 .................................................................. 23

3.2.1 按当地环境条件校验 ......................................................................... 23 3.2.2 按短路条件校验 ................................................................................. 24

3.3 隔离开关的选择 ...................................................................... 24 3.4 电流互感器选择 ...................................................................... 25 3.5 电压互感器的选择 .................................................................. 26 3.6 35kV避雷器的选择 ................................................................. 26 3.7 6kV电气设备选择 ................................................................... 27

3.7.1 开关柜方案编号选择 ......................................................................... 27 3.7.2 高压开关柜校验 ................................................................................. 27 3.7.3 36kV母线选择 .................................................................................... 29 3.7.4 6kV支柱绝缘子的选择 ...................................................................... 30 3.7.5 穿墙套管的选择 ................................................................................. 30

3.8 动稳定校验 .............................................................................. 31 3.9 热稳定校验 .............................................................................. 31 3.10 选择结果汇总 ........................................................................ 32

3.10.1 35kV电气设备 .................................................................................. 32 3.10.2 6kV电气设备 .................................................................................... 32 参考文献 ....................................................... 35

煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

前 言

本设计是应用供配电设计的基本原则和方法进行的120万吨/年某矿井降压变电所设计。根据矿区布置情况选择总变电所位置及型号规格等，并由该矿给出的设备容量等通过负荷计算选择变压器、电缆、开关设备等设备的型号规格，并考虑其接线方式。更多的了解并能熟练地应用国家规范和标准，由此来指导整个的设计过程。

通过本次设计，可以培养自己综合运用本专业基础理论,基本知识和基本技能以及分析解决实际问题能力，使自己所学的专业知识更好地应用于实践中，以达到在大学期间对所学专业的深入了解和认识，锻炼自己的独立思考研究能力，初步掌握设计的基本要领，为今后的工作打下良好的基础。

本设计所要解决的主要问题：全矿负荷计算及无功补偿、系统主接线方案的选择、高压电气设备的选择、短路电流的计算及对所选的高压电气设备的校验。

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

第一章 负荷计算与功率因数补偿

1.1 概述

工矿企业负荷计算，首先需收集必要的负荷资料，按参考文献[1]表2—9的格式做

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，题意是要求将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35／6kV变电所的主接线方式。并绘制供电系统一次接线图。

本章可按以下八步去计算。

（一）计算各组负荷并填入表1-1中11～14各栏。 （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。

试对该矿地面35／6kV变电所初步设计中的负荷计算、主变压器选择、功率因数补偿及供电系统拟定等各内容进行设计计算。

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

1.2 计算各组负荷与填表

利用设计数据表中8～11各列的数据和公式,分别算出各设备或设备组的Pca、Qca、及Sca,并填入表1-1中12～14列。

例如，对于主井提升机有

Pca.1?Kd1PN1?0.95?1200?1140 kW Qca.1?tan?Pca.1?0.62?1140?706.8 kvar

Sca?Pca2?Qca2?11402?706.82?1341.33kVA

又如，对于通风机1，由同步电动机拖动，表1-1中其cosφ标出负值，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：

Pca.3?Kd3PN3?0.88?650?572kW

Qca.3? 0.5（Pca.3tan?3）?0.5?［572?（－0.46）］??263.12kvar

Sca3?Pca.32?Qca.32?5722???263.12?b2?629.62kVA

同理可得其余各组数据见表1-1。

在表1-1的合计栏中，合计有功负荷10395.30 kW和无功负荷5255.14 kvar是表中12列、13列的代数和，而视在负荷11648.12 kVA，则是据上述两个数值按公式计算得出，视在容量的代数和无意义。

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

表1-1 全矿负荷统计分组 设 备 名 称 负 电压 荷 等 级 V 线 路 类 型 安装 电 单机 台数 机 容量 ―― 类 工作 型 kW 台数 5 6 7 工 作 设 备 总容量 kW 8 功率 因数 需用 系数 cosφ Kd 9 10 0.85 0.84 计算容量 有功 kW 11 1140.00 846.00 无功 kvar 12 706.80 549.90 -263.12 -263.12 -413.10 547.20 612.00 420.00 296.86 255.75 1038.40 视在 kVA 13 离35kV 变电所 的距离 km 14 1 1 主机提升 2 副井提升 3 通风机1 4 通风机2 5 压风机 6 地面低压 7 机修厂 8 洗煤厂 9工人村 11主排水泵 12井下低压 2 3 4 1 6000 C 1 6000 C 1 6000 k 1 6000 k 1 6000 C 1 6000 C 1 3 2 380 380 380 380 C K K K Y 1200 1/1 1200 0.95 Y T T T X 900 650 650 450 500 1/1 2/1 2/1 4/2 900 0.94 650 0.88 1341.33 0.28 1009.01 0.20 629.62 629.62 1.5 1.5 -0.91 572.00 572.00 810.00 684.00 600.00 525.00 478.80 412.50 1760.00 650 0.88 -0.91 900 0.9 -0.89 0.78 0.7 0.78 0.85 0.85 0.86 909.26 0.36 875.95 0.05 857.06 0.20 672.33 0.46 563.36 485.35 2.0 2.7 950 0.72 1000 0.6 700 0.75 630 0.76 550 0.75 10支农 3 1 6000 C 6/4 2000 0.88 2043.50 0.65 1 660 C X 2850 0.7 0.76 1995.00 ∑Pca 10395.30 1767.57 ∑Qca 5255.14 2665.39 S c a∑ 11648.12 13合计 4

煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

注1：线路类型：C——电缆线路；k——架空线路。

注2：电机型式：Y——绕线异步；X——鼠笼异步；D——直流；T——同步

1.3 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，选择时跟据表1-1中的计算视在容量按公式的原则进行。

1.3.1 洗煤厂和支农变压器

查参考文献[1]附表1分别选用S9-800，6／0.4kV、S9-630，6／0.4kV型三相油浸自冷式铜线电力变压器各一台。

1.3.2 工人村和机修厂变压器

查参考文献[1]附表1分别选用两台S9-800，6／0.4kV、S9-1000，6／0.4kV、型铜线电力变压器。

1.3.3 各变压器功率损耗计算

单台变压器的功率损耗按公式计算；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1-1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800kVA洗煤厂变压器，据参考文献[1]附表1中的有关参数，可算得

?s??672.33??pT??p0??pK?ca??1.45?7.2????6.53KW

800???SN?T??1.24.5672.332??I0%UK%2??QT?SNT?????800??????35.02kvar 2?100100??100100800?又如，工人村两台800 kVA变压器，同样可算得

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

22???1Sca???563.36???PT?2??P0??PK?????2?1.45?7.2??2?800???4.68KW 2???SN?T??????????1.24.5?563.36?2??I0%UK%2??QT?2SN?T?????2?800????????28.13kvar

1001001001002?800????????井下低压负荷的变压器损耗,按近似公式计算，即

?PT?0.015Sca?0.015?2665.39?39.98 kW ?QT?0.06Sca?0.06?2665.39?159.92 kvar

同理可得其它各低压变压器的损耗如表2－10所示。

表2－10 各低压变压器功率损耗计算结果

井下低负荷名称 洗煤厂 工人村 支 农 压 (2665.3ST.N，kVA 800 2×800 630 9) ΔPT，kW 6.5 4.7 28.1 4.8 24.4 401 59.9 7.11 38.5 2×1000 机修厂 ΔQT，kvar 35.0 合计 ΣΔPT＝63.11kW；ΣΔQT＝285.9kvar

1.4 计算6kV母线上补偿前的总负荷并初选主变压器

各组低压负荷加上各低压变压器的功率损耗后即为其高压侧的负荷，因ΣPca=9591 kW，由参考文献[1]表2－3得Ksi=0.85，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

Pca.6?Ksi(?Pca???PT)?0.85?? 10395?63.1??8889 kW Qca.6?Ksi(?Qca???Qt)?0.85??5255?285.9??4709 kvar

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煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

Sca?6?P2ca?6?Q2ca?6?88892?47092?10059KVA

补偿前功率因数

cos?6?Pca.68889??0.8850 Sca.610059根据矿井一、二级负荷占的比重大与Sca.6=10059kVA，可初选两台主变压器，其型号容量按附表2选为SF7-10000，35／6.3kV，由于固定电费按最高负荷收费，故可采用两台同时分列运行的方式，当一台因故停运时，另一台亦能保证全矿一、二级负荷的供电，并留有一定的发展余地。

1.5 功率因数补偿与电容器柜选择

1.5.1 选择思路

题意要求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，并按参考文献[1]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。

1.5.2 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

??Sca.610059??1.0059 SN.T10000 8

煤矿企业地面35/6kV变电所初步设计

?PT??P0??2?PK?13.6?1.00592?53?66.6 kW

?QT?SN.T［I0%UK%?（）?2］?10000?(0.008?0.075?1.00592)?836.5 kvar 100100以上△P0、△PK、I0％、UK％等参数由参考文献[1]附表2查得。

1.5.3 35kV侧补偿前的负荷与功率因数

Pca.35?Pca.6??PT?8889?66?8955 kW Qca.35?Qca.6??QT?4709?836.5?5545.5 kvar

sca?35?2222pca?Q?8955?5545?10533KVA ?35ca?35cos?35?Pca.358955??0.8515 Sca.35105331.5.4 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cos??35?0.9，则 tan??35?0.4843，取平均负荷系数

Klo?0.8，据公式可得

Qc?KloPca.35(tan?35－tan?'35)?0.8?8955?(0.5244－0.4843)?287 kvar

按参考文献[1]表2－7选用GR-1C-08型，电压为6kV每柜容量qc=270 kvar的电容器柜，则柜数

N?Qc287? ?1.06 qc270取偶数得Nf=6

实际补偿容量：Qc.f?Nfqc?6?270 ?1620 kvar 折算到计算补偿容量为

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Qc.ca?Qc.f1620? ? 2025 kvar K0.8lo1.5.5 补偿后6kV侧的计算负荷与功率因数

Q?ca.6?Qca.6－Qc.ca? 4709－2025 ? 2684 kvar

因补偿前后有功计算负荷不变，故有

S'ca?6?p2'288892?26842ca?6?Qca?6??9285KVA

cos??Pca.66?S??88899285 ? 0.957 ca.61.5.6 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

???S?ca.6S?100009285?0.9285 N.T?PT???P0???2?PK?13.6?0.92852?53?59.2 kW

?Q?I0%T?SN.T?［100?（UK0）??2］?10000?(0.008?0.075?0.92852)?725.2 kvar1.5.7 补偿后35kV侧的计算负荷与功率因数校验

P?ca.35?Pca.6??PT? ? 8889?59.2? 8947.5kW Q?ca.35?Q?ca.6??QT?? 2684?725.2 ?3409.2 kvar S??P?2222ca?35ca?35?Qca??35?8947.5?3409.2?9548 kVA cos??P?ca?3535?S??8947.5?0.937?0.9 ca?35954810

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合乎要求。

1.6 主变压器校验及经济运行方案

由表1-1负荷统计计算表可知、全矿三级负荷约占总负荷的16.6%，故可取负荷保证系数Kgu=0.85。

则有SN?T?KguS?ca?35?0.85?9548?8115 kVA＜10000 kVA 合乎要求。 两台主变压器经济运行的临界负荷可由公式求出，即

Sec?SN?T2?P0?Kq?Q0?Pk?Kq?Qk

对于工矿企业变电所，可取Kq=0.06，上式ΔQ0、ΔQk由公式求得，临界负荷为

Sec?100002?13.6?0.06?0.008?10000?6128KVA

53?0.06?0.075?10000得经济运行方案为：当实际负荷Ss＜6128 kVA时，宜于一台运行，当Ss?6128 kVA时，宜于两台同时分列运行。

1.7 全矿电耗与吨煤电耗计算

按参考文献[1]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T＝4500小时，故全矿年电耗 max'6AP?TmaxPmax?TmaxPca? 4500?8947.5?40.3?10kWh ?35吨煤电耗为

AP40.2?106At? ??40.2kWht

m10?1051.8 拟定绘制矿井地面供电系统一次接线图

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拟定矿井地面供电系统图，应从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负荷的分配与联接来构思。至于下井电缆的回路数，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统筹考虑。最后绘制地面供电系统一次接线图。

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、二级负荷占总量的2／3以上，故35kV侧宜用全桥接线，6kV则可采用单母线分两段的接线方式。

2．负荷分配

考虑一、二级负荷必须由联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。具体分配方案见图1-1。

3．下井电缆回数确定

由表1-1中11、12行，考虑0.96的同时系数得井下总负荷为

Pca? 0.96??1995?1760? ?3604.8 kW Qca? 0.96??1038.4?1667.5? ?2597.7 kvar

Sca?P2?Q2?3604.82?2597.72?4443.2KVA

caca井下最大长时负荷电流（计算电流）

Ilo.m?Ica?Sca?4443.2?427.5 3UN3?6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，其它电缆应能满足井下全部负荷的供电。所以，本例至少应选用3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，两两并联后分列运行。

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至于下井电缆上是否串接限流电抗器，应在短路计算完成后，根据井下6kV母线上的短路容量是否超出原始资料中不大于100MVA的要求来决定。经粗略估算，本例可以不设置限流电抗器。

4．绘制供电系统图

据以上的计算分析比较，可绘得该矿井地面变电所供电系统一次接线如图1-1

35KV一号进线QS1TA1QF1T3SF9-50,35/0.4VQS3QS5QS11QS7TA2QF3FU3F1TA3SF9-10000/35T1QFIITA5QF4TA6F2FU4QS12QF1QS6QS4GW-35GD/600LZZBJ4-35ZW7-40.5/1250QS2TA4QF2T435KV二号进线FU1RW9-35/2FU235KVRW10-35/0.5HY5WZ-42/134IDI-35TV1LMY80×6.3T2TV2QF51716QF627232119131197252681012142022302829FU5F3F4FU6C1TV3TV4C2备用工人村洗煤厂地面低压压风机通风机通风机下井电缆4下井电缆3电压互感器避雷器柜电容补偿柜TV5副提升井主提升井电压互感器避雷器柜TV6电容补偿柜下井电缆1下井电缆2通风机1通风机2压风机地面低压支农机修厂工人村备用

图1-1 某矿35KV地面变电所供电系统一次接线图

13

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第 二 章 供电系统短路电流计算

2.1 概述

本章要求对图1-1所示的供电系统进行短路计算，故根据短路计算的目的，首先要在图1上选定合理的短路计算点，并根据此绘制等效短路计算图。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。本题可按以下四步求解。

一、选取短路计算点并绘制等效计算图 二、选择计算各基准值 三、计算各元件的标么电抗

四、计算各短路点的总标么电抗与短路参数

按前面给定的条件，对图1-1所示的供电系统进行短路电流计算。要求计算出有关短路点最大运行方式下的三相短路电流、短路电流冲击值以及最小运行方式下的两相短路电流。

根据第一章的计算可列出短路电流计算所需的原始资料如下：该矿地面变电所35kV采用全桥接线，6kV采用单母分段接线；主变压器型号为SF7－10000，35/6.3型，Uk%=7.5； 35kV电源进线为双回路架空线路，线路长度为6.5km；系统电抗在最大运行方式: X*s.min =0.12，在最小运行方式: X*s.max =0.12。

6kV母线上的线路类型及线路长度如表2-1所示。

表2-1 地面变电所6kV母线上的线路类型及线路长度 序号 设备名称 电压（kV） 距6kV母线距离(km) 线路类型 14

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 主井提升 副井提升 通风机1 通风机2 压风机 地面低压 机修厂 洗煤厂 工人村 6 6 6 6 6 6 0.4 0.4 0.4 0.4 6 0.28 0.2 1.5 1.5 0.36 0.05 0.2 0.46 2 2.7 0.65 C C K K C C C K K K C 1 0 支农 1 1 井下6kV母线 注：C—电缆线路 K—架空线路

2.2 选取短路计算点并绘制等效计算图

一般选取各线路始、末端作为短路计算点，线路始端的最大三相短路电流常用来校验电气设备的动、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。故本题在图1-1中可选35kV母线，6kV母线和各6kV出现末端为短路计算点。

由于本题35/6kV变电所正常运行方式为全分列方式，故任意点的短路电流由系统电源通过本回路提供，且各短路点的最大、最小短路电流仅与系统的运行方式有关，故可画得如图1所示的等效短路计算图。

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S=∞ Xs* Xl*35KV XT*K666KV X11*X16*X17*X19* X21*X23*X28* X27*X30*K35 X7* X13*CK7下井电缆K11扇风机1K16K17K19K＇21K23压风机地面低压K27K28机修厂K30支农K13扇风电容机2器组主井副井提升提升洗煤工人村厂图1 等效短路计算图

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

Id1?Id2?Id3?sd100??1.5605KA

3Ud13?37sd100??9.1646KA 3Ud23?6.3sd100??144.3376KA 3Ud33?0.4

2.3 计算各元件的标么电抗

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2.3.1 电源的电抗

X*s.max＝0.12；X*s.min＝0.12

2.3.2 变压器电抗

Sa100?0.075??0.75 SN?T110主变压器电抗 X*T1?U%k2.3.3 线路电抗

Sd100?6.5?0.4??6.5?0.02922?0.1899 22Ud13735kV架空线电抗 X*l?lX0下井电缆电抗 X*7?0.65?0.08?通风机1馈电线路电抗 X*11?1.5?0.4?100?0.65?0.20156?0.131 6.32100?1.5?1.0078?1.5117 6.32通风机2馈电线路电抗 X*13?1.5?1.0078?1.5117 主井提升馈电线路电抗 X*16?0.28?0.20156?0.05644 副井提升馈电线路电抗 X*17?0.2?0.20156?0.0403

X*19?0.36?0.20156?0.0726 压风机馈电线路电抗 地面低压馈电线路电抗 X*21?0.05?0.20156?0.0101 洗煤厂馈电线路电抗 X*23?0.46?1.0078?0.4636 工人村馈电线路电抗 X*27?2?1.0078?2..0156 机修厂馈电线路电抗 X*28? 0.2?0.20156?0.0403

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支农馈电线路电抗 X*30?2.7?1.0078?2.7211

2.4 计算各短路点的短路参数

由于本所35kV电源母线上最大运行方式下的系统电抗：Xs.min=0.12(Sd=100MVA)等于 最小运行方式下的系统电抗，因此最小运行方式下的两相短路电流0.866倍三相短路电流。

2.4.1 K35点短路电流计算

1．最大运行方式下的三相短路电流

X**35. m＝X*s.min? Xl＝0.12?0.1899＝0.3099

I*35. m＝1??＝1＝3.2268 350.3099I?3?35. m＝I*35.mId1＝3.2268?1.5605＝5.05 kA

i(3)sh.35＝2.55 I35.m＝2.55?5.05＝12.88kA I(3)sh.35＝1.52 I35.m＝1.52?5.05＝7.68 kA S*35＝I35.mSd＝3.2268?100＝322.68MVA

2．最小运行方式下的两相短路电流

I(2)(3)35. m＝0.866 I35.m＝0.866?5.05 ＝4.37 kA

2.4.2 K66点短路电流计算

1．最大运行方式下的三相短路电流

X**66. m?X35.m? X*T1?0.3099?0. 75?1.0599

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I*66. m?11??0.9435 ??1.059966I(3)*66. m＝I66.mId2＝0.9435?9.1646＝8.65 kA ish.66＝2.55I(3)66.m＝2.55?8.65＝22.06kA Ish.66＝1.52I(3)66m＝1.52?8.65＝13.15 kA S*66＝I66mSd＝0.9435?100＝94.35MVA

2．最小运行方式下的两相短路电流

I?2?66. m＝0.866 I(3)66.m＝0.866?8.65＝7.49 kA2.4.3 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

X*21.m＝X*66.m?X*21＝1.0599?0.0101＝1.07

I*21. m?1???1?0.9346 21m1.076kV侧的短路电流参数

I?3?*21. m＝I21.mId3＝0.9346?9.1646＝8.56kA

I(3)sh.21＝2.55I21.m＝2.55?8.56?21.84kA ish.21＝1.52I(3)21.m＝1.52?8.56＝13.01 kA S21＝I*21.mSd＝0.9346?100＝93.46MVA

2．最小运行方式下的两相短路电流

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I(2)21. m＝0.866 I(3)21.m＝0.866?9.1646＝7.94 kA

2.4.4 井下母线短路容量计算（K7点）

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l7?0.2?0.36?0.09?0.65（km），其电抗标么值为

X*l7＝X0l7Sd100＝0.08?0.65?＝0.131 22Ud26.3最大运行方式下井下母线短路的标么电抗为

X*??X*s.min?X*l1?X*T?X*l7?0.12?0.1899?0.75?0.131?1.1909

井下母线最大短路容量为Sk7＝11S＝?100＝83.97MVA d???1.1909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2-2所示。

表2-2 短路计算结果参数表

最小运行方式下短路 短 路 点 最大运行方式下短路参数 参数 Ik（kA） ish（kA） (3)(3)Ish（kA） Sk（MVA） Ik（ kA） Ik（kA） (3)(3)(3)(2) 20

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K35 5.04 12.85 7.66 322.68 5.04 4.36 K66 8.65 22.06 13.15 94.35 8.65 7.49 K25 8.65 22.06 13.15 94.35 8.65 7.49 K7 7.77 19.81 11.81 83.97 7.77 6.73 K11 3.56 9.08 5.41 38.89 3.56 3.08 K13 3.56 9.08 5.41 38.89 3.56 3.08 K16 8.21 20.94 12.48 89.58 8.21 7.11 K17 8.33 21.24 12.66 90.89 8.33 7.21 K19 8.09 20.63 12.30 88.30 8.09 7.01 K21 8.56 21.84 21.84 13.01 8.56 7.94 K23 6.02 15.35 9.15 65.64 6.02 5.21 K27 2.98 7.60 4.53 32.52 2.98 1.58 K28 8.33 21.24 12.66 90.89 8.33 7.21 K30 2.42 6.17 3.68 26.45 2.42 2.10 21

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2.5 设计计算选择结果汇总

1．补偿后6kV侧负荷与功率因数

??2684 kvar；P?ca.6?Pca.6?8889 kW；S?ca.6?9285kVA； Qca.6 cos??6?0.957

2．补偿后35kV侧负荷与功率因数

P?ca.35?8947.5kW；Q?ca.35?3409.2 kvar ；S?ca.35?9548 kVA ；cos??35?0.937

3．主变压器选择：SF7-10000，35／6.3kV型，两台。 4．电容器柜与放电柜

GR-1C-08型，6kV，270 kvar，六台；GR-1C-03型，6kV放电柜，两台。 5．两主变压器经济运行临界负荷：Sec＝6226 kVA 6．全矿年电耗：AP＝40.3?106kwh 7．吨煤电耗：At?40.2kWht

总结1）在将低压负荷功率归算到高压侧时不可引入电压折算，但应加上变压器损耗。 2）由本例功率因数补偿计算可以看出，补偿前后主变压器的功率损耗计算值相对变电所总负荷而言差距不大，因此在工程实际中可以直接按补偿前的损耗值计算。

3）因为电力电容器在6kV母线上是相对长时稳定投运的，起的是平均无功补偿的作用，即发出的是平均无功功率，而不是计算无功功率，所以在用35kV侧计算有功功率Pca.35由公式来计算所需的电容器柜容量Qc时，应将Pca.35乘以平均负荷系数Klo ，换算成平均功率；而求得实际的补偿容量Qc.f后，欲求其计算补偿容量Qc.ca，则应将Qc.f再除以Klo ，否则将得出错误的结果。

4）在有功平均负荷系数与无功平均负荷系数近似相等的条件下，平均功率因数就近似等于计算功率因数。

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第 三 章 35kV高压电气设备选择

3.1 概述

电气设备的选型，除了掌握电气设备选择理论外，还必须了解电气设备制造情况，才能选择出合理型号。对具体设备选择时，需要弄清其两种运行方式（正常和短路运行）下通过它的最大长时负荷电流和最大短路电流。热稳定校验是否合理，在很大程度上取决于继电保护动作时间确定的合理性。

本章可按前述各设备的选择原则，依次选择变电所35kV与6kV电气设备。 按第一章和第二章给定的条件，对图1-1所示的供电系统进行主要高压电气设备选择计算。

3.2 高压断路器的选择

35kV接线形式为全桥式，而运行方式采用全分列方式，所以35kV进线和变压器回路的断路器应选相同型式的断路器。当一侧的变压器和另一侧的进线检修时，桥断路器必须把完好的进线和变压器联络起来，所以35kV的所有断路器应选相同的型号，其最大长时负荷电流应为变压器的最大长时负荷电流，即

Il0?m?1.05SN?T1.05?10000??173? 3UN13?35按照工作室外、工作电压为35kV和最大长时负荷电流为173A，可选择ZW7-40.5型户外真空断路器，其额定电压为35kV，额定电流为1250A。其技术参数如参考文献[1]表4—3所示。

对ZW7-40.5型户外真空断路器按当环境条件和短路情况进行校验。

3.2.1 按当地环境条件校验

ZW7－40.5型户外真空断路器，额定工作环境最高空气温度为 +40℃，实际工作环境

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温度为44℃，因此额定电流必须按当地环境温度进行修正。按当高于+40℃时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8%进行修正。在44℃下允许通过的最大电流为

IN0?IN??44?40??1.8%IN?1250?4?0.018?1250?1160??173? 符合要求。

3.2.2 按短路条件校验

（1）额定开断电流校验。断路器的额定开断电流是INbr=25kA，而K1点的短路电流为IK1=5.03kA，因此额定开断电流符合要求。

（2）额定关合电流校验。断路器的额定关合电流是iNcl=63kA，而K1点的短路的冲击电流为ish=12.83kA，因此额定关合电流符合要求。

（3）热稳定校验。因两回35kV电源上级出线断路器过流保护动作时间为2.5s，断路器的开断时间为0.1s，则短路电流通过断路器的最长时间为tk =tbr＋tpr＝0.1+2.5＝2.6s，即假想时间 ti＝2.6s 。

3?对于无限大容量系统有：I?＝I?K5.03kA 1?max＝相当于4s的热稳定电流：I?ti2.6＝5.03?＝4kA?25kA 符合要求。 tts4（4）动稳定校验。由于ies＝63kA，ish1＝12.83kA 则ies?ish1 符合要求。

3.3 隔离开关的选择

布置室外的35kV隔离开关一般选用GW5型。基于35kV断路器选择相同型号的原因，35kV所有的隔离开关也应选择相同的型号。为了便于检修时接地，进线35kV隔离开关与电压互感器回路的隔离开关要选用带接地刀闸的，型号为GW5-35GD/630型。其余回路均选GW5-35/630型隔离开关。

在额定环境温度40℃）下的额定电流为630A，实际环境温度（44℃）下允许通过的电流IN 为

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IN??IN??44?40??1.8%IN?630?4?0.018?630?583?

隔离开关只需要按正常工作条件选择，按短路情况校验动热稳定性。以进线隔离开关为例选择校验。表3-1列出了进线隔离开关的有关参数。

假想时间的确定：当短路发生在隔离开关后，并在断路器前时，事故切除靠上一级变电所的过流保护，继电保护动作时限要比35kV进线的继电保护动作时限2.5s大一个时限级差，故tpr＝2.5+0.5＝3s。

表3-1 隔离开关的选择结果

计算数据 UNS ：35kV Imax ：173.21 A 2I?.ti：5.04×3.1 GW5－35GD型隔离开关参数 UN ∶ 35kV IN ∶ 583A 2Its.tts：202×4 ish ：12.85kA ies ∶50 kA 则短路电流经过隔离开关的总时间tk＝ti＝tbr?tpr＝0.1?3＝3.1s 由表3-1可知，所选GW5-35型隔离开关符合要求。

3.4 电流互感器选择

选用供ZW7－40.5型户外真空断路器用LZZBJ4-35型电流互感器，其额定电压为35kV，额定电流为300A。本型电流互感器为环氧树脂浇注全封闭结构，具有高动热稳定，高精度，多级次，并可制作复变比等特点，主要作计量、测量和继电保护用。其技术参数如下表3-2所示。

表3-2 LZZBJ4—35型电流互感器参数

变比 300/5 准确级次组合 0.5/0.5/10P10/10P10 额定输出(VA) 25/25/50/50 4s热电流 (有效值)，kA 17.1 动稳定电流 (峰值)，kA 42.8 25

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实际环境温度(44℃)下允许通过的电流IN 为

IN??IN??44?40??1.8%IN?300?4?0.018?300?278??173?符合要求。 1．动稳定性校验

由表3-1、表3-2有Ies? 42.8kA＞Ish? 7.66kA，符合要求。 2．热稳定校验

22tts?17.12?4?1170＞I?由表3-1、表3-2有Its It?5.024?3.?1 8.符合要求。 743.5 电压互感器的选择

35kV电压互感器，为油浸绝缘型，均为单相，有双圈与三圈之分。如对35kV不进行绝缘检测时，可选两台双圈互感器，接成V型，供仪表用电压，否则选用三台三圈互感器，接成Y/Y/△型。互感器短路保护采用限流高压熔断器。

由于煤矿35kV变电所不对35kV进行绝缘检测（由上级变电所检测）。则选两台JDJ－35型单相双圈油浸式户外电压互感器。其主要技术数据为：

原边电压 35kV ；工频试验电压 95kV ；副边电压 0.1kV ；极限容量 1000VA 。 配用两台RW10－35/0.5 型限流熔断器。

3.6 35kV避雷器的选择

避雷器是防护雷电入侵对电气设备产生危害的保护装置。在架空线上发生感因雷击后，避雷器首先被击穿并对地放电，从而使其它电气设备受到保护。当过电压消失后，避雷器又能自动恢复到起初状态。

本例中选用HY5WZ-42/134型阀型避雷器,其主要技术数据为：

额定电压 42kV ；系统电压 35kV ；工频放电电压 不小于80kV ； 伞裙数 18 ； 最大雷击残压 134kV 。

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3.7 6kV电气设备选择

6kV采用室内成套配电装置，选用开关柜的型号为KYN28A-12（Z），即铠装移开式交流封闭金属开关设备。开关柜的一次接线方案与供电系统图上的要求相适应。开关柜中的电流互感器配置数量应根据继电器保护与测量等要求进行选择。对双回路及环形供电的开关柜需选用两组隔离开关以利检修。电缆回路的开关柜都需装设零序电流互感器，作为向选择性漏电保护提供零序电流的元件。在每段母线上还需装设电压互感器与避雷器柜，供6kV绝缘检测、仪表继电保护之用。

3.7.1 开关柜方案编号选择

1．6kV进线柜方案编号

选用架空进线柜019和母联柜052以及架空进线柜021和母联柜053配合使用，分别组成进线柜。

2. 母联柜方案编号

选用母联柜009和母联柜052配合使用组成分段联络柜。 3．出线柜方案编号

电缆出线方案编号选001号； 架空出线方案编号选023号。 4．电压互感器与避雷器柜

选用电压互感器与避雷器柜方案编号为043。

3.7.2 高压开关柜校验

高压开关柜只需对其断路器进行校验即可。 1. 进线柜和母联柜断路器选择校验

进线柜和母联柜配用ZN63A-6/1250型户内真空断路器，其电气技术数据如表4－9所

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5．高压开关柜配用电流互感器型号为LZZBJ9－12/15

6．电压互感器和避雷器柜配用JDZ10－10型电压互感器和HY5WS－17/50型避雷器 7．6kV母线采用LMY80×6.3型矩形母线 8．6kV母线户内支柱绝缘子选用ZNA－6型 9．6kV穿墙套管选用CLWB－10/1500 型

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结论

在本设计中，涉及到大量的计算：负荷计算、无功补偿的计算、短路电流的计算，所有的计算都尽量力求对数据的计算达到精确和合理。对电气设备的选择也力求达到合理和经济。

本次设计主要完成了：

1）根据负荷计算的结果对该变电所电力系统的运行方式进行分析和研究，并结合该变电所的实际情况，确定出最优的运行方式，使供电系统的各项技术及经济指标达到最佳状态，即对电力系统的运行方式进行优化。

2）在进行高压电气设备的选择时力求按照经济适用的目标进行选择，但在校验时严格按照要求的饿短路条件进行校验。

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参考文献

[1]王福忠等.现代供电技术。北京：中国电力出版社，2011 [2] 刘介才.工厂供电. 北京:机械工业出版社,2000.

[3] 张宏勋等.煤矿电工手册（修订本）（上）.北京：煤炭工业出版社,1994. [4] 顾永辉等.煤矿电工手册（修订本）（下）.北京：煤炭工业出版社,1994. [5] 赖昌干,刘湘元.地方煤矿供电与电气化.

北京:煤炭工业出版社,1990. 35

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c9m5.html