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摘要
煤礦地面變電所是煤礦供配電的重要組成部分，它直接影響整個煤礦供電的可靠運行，是聯(lián)系地面與井下的中間環(huán)節(jié)，起著變換和分配電能的作用。電氣主接線是地面變電所的主要環(huán)節(jié)，電氣主接線的擬定直接關(guān)系著全所電氣設備的選擇、配電裝置的布置、繼電保護和自動裝置的確定，是決定變電所電氣部分技術(shù)經(jīng)濟性能的關(guān)鍵因素。
本設計初步設計了煤礦地面35kV變電站的設計。設計過程主要包括負荷計算、主接線設計、短路計算、電氣設備選擇、繼電保護方案等。通過對煤礦35KV變電站做負荷統(tǒng)計，用需用系數(shù)法進行負荷計算，根據(jù)負荷計算的結(jié)果確定出該站主變壓器的臺數(shù)、容量及型號。用標幺值法對供電系統(tǒng)進行了短路電流計算，為電氣設備的選擇及校驗提供了數(shù)據(jù)。根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)的特點，制定了礦井變電所的主結(jié)線方式、運行方式、繼電保護方案。其中35kV側(cè)為內(nèi)橋接線，6kV主接線為單母分段。兩臺主變壓器采用分列運行方式。并根據(jù)電流整定值以及相關(guān)數(shù)據(jù)的校驗，選擇了斷路器、隔離開關(guān)、繼電器、變壓器等電氣設備。
關(guān)鍵詞：變電所；地面；選型；系統(tǒng)設計；
I
Abstract
Coal mine ground substation is an important part of the coal mine power supply, it directly affect the reliable operation of the whole coal mine power supply, is contact with the ground and underground of the intermediate links, plays a transformation and distribution of electric energy effect. Ground substation main electrical wiring is the main link, the main electrical wiring to unsafe has a close relationship with the selection of electrical equipment, power distribution equipment layout, the determination of relay protection and automatic device of electric substation technical and economic performance is the key factor.
The preliminary design of the coal mine ground, 35 kv substation design. Its design process mainly include load calculation, the main wiring design, short-circuit calculation, electrical equipment selection, relay protection scheme, etc. Through to the coal mine do load statistical 35 kv transformer substations, the demand factor method for load calculation, according to the result of load calculation to determine the station of the main transformer sets, capacity and model number. With the method of power supply system for the short-circuit current calculation, provides the selection of electrical equipment and calibration data. According to the characteristics of the coal mine power supply system, make the mine substation main connection mode, operation mode, relay protection scheme. Within 35 kv side for bridge connection, 6 kv single mother block for main connection. Two of the main transformer USES operation mode respectively. And according to the current setting value and related data check, choose the circuit breaker, isolating switch, relay, transformers and other electrical equipment.
Keywords: Substation; The ground; Selection; System design；
目錄
1概述 1
1.1礦井簡介 1
1.2供電系統(tǒng)概述 1
1.2.1礦山企業(yè)對供電的基本要求 1
1.2.2電力負荷的分級 1
1.2.3煤礦原始負荷資料 1
2 負荷計算及無功功率補償 3
2.1 負荷計算的目的 3
2.2 負荷計算方法的確定 3
2.3 負荷的計算 3
2.3.1 負荷計算的公式 3
2.3.2各用電設備組負荷計算 4
2.4低壓變壓器的選擇與損耗計算 9
2.4.1低壓變壓器的選擇 9
2.5 6KV母線側(cè)補償前總計算負荷 10
2.6 無功補償及電容器柜選擇 11
2.6.1 無功補償裝置的裝設方式 11
2.6.2無功補償計算 11
2.6.3 電容器柜的選擇及實際補償容量計算 12
2.7 補償后6kV母線側(cè)總計算負荷及功率因數(shù)校驗 12
3 變電所主變壓器的選擇 14
3.1 變壓器的選取原則 14
3.2 變壓器選擇計算 14
4 電氣主接線設計 17
4.1 對主接線的基本要求 17
4.2 主接線方案的確定 17
4.2.1 確定礦井35kV進線回路 17
4.2.2 35kV、6kV主接線的確定 17
5 短路電流計算 20
5.1 短路電流計算的目的 20
5.2短路電流計算的方法選取 20
5.3 短路電流計算中應計算的數(shù)值 20
5.4 三相短路電流計算計算的步驟 20
5.5短路電流計算過程 21
6 高壓電氣設備的選擇 30
6.1 高壓電氣設備選擇原則 30
6.2 高壓開關(guān)設備的選擇及校驗 30
6.2.1 高壓斷路器的選擇及校驗 30
6.2.2 本所斷路器的選擇及校驗 31
6.2.3 隔離開關(guān)的選擇及校驗 32
6.2.4 高壓熔斷器的選擇 34
6.3 互感器的選擇及校驗 34
6.3.1 電流互感器的選擇及校驗 35
6.3.2 電壓互感器與避雷器的選擇 35
6.4 6kV高壓開關(guān)柜的選擇 36
6.5 電力線路的選擇 37
6.5.1 35kV輸電線路及母線的選擇與校驗 37
6.5.2 6kV母線、電纜及架空線的選擇 38
6.5.3 母線支柱絕緣子及穿墻套管的選擇 51
7 繼電保護 55
7.1 35kV進出線與聯(lián)絡開關(guān)的繼電保護整定 55
7.1.1進出線開關(guān)的保護整定 55
7.1.2 35kV母線聯(lián)絡開關(guān)保護整定 59
7.2 變壓器的繼電保護整定 59
8結(jié)論 62
致謝 63
參考文獻 64
附錄A 65
附錄B 71
1概述
1.1礦井簡介
本設計是一所35/6kV的陜西某煤礦礦井地面變電所，占地約3000。礦井產(chǎn)量60萬t/年，采用一對豎井開拓，中央邊界式通風。礦井為低沼氣礦井，涌水量較小但有粉塵可能出現(xiàn)爆炸危險。
礦井最高溫度為40℃，最低溫度為-14℃，地面變電所為黃土，預期服役年限為60年，變電所與主副井的距離300m，井筒深度為400m。礦井地面變電所距上級變電所7km，采用雙回路架空線供電，已知系統(tǒng)的2400MVA，系統(tǒng)的1800MVA，對本礦的引出線為過電流保護，動作時限為2s。電源中性點經(jīng)電阻接地。
1.2供電系統(tǒng)概述
電力是現(xiàn)代礦山企業(yè)的動力，第一考慮的是保證供其可靠和安全，并做到技術(shù)和經(jīng)濟方面合理的滿足相關(guān)用電設備的需要。
1.2.1礦山企業(yè)對供電的基本要求
礦山由于生產(chǎn)條件十分特殊，對供電系統(tǒng)要適應其特殊要求，具體的看如下要求：
（1）保證供電安全和生產(chǎn)生活可靠；
（2）保證供電電能達到相關(guān)的質(zhì)量要求；
（3）保證供電系統(tǒng)中相關(guān)的經(jīng)濟性要求；
1.2.2電力負荷的分級
按照對供電的要求不同，一般將電力負荷分為三級，以便在不同情況下區(qū)別對待。本次設計由于多數(shù)用電設備屬于一、二級，因此設計選擇高壓變壓器時，一臺變壓器必須滿足一、二級的用電需求。
1.2.3煤礦原始負荷資料
表1-1 煤礦原始負荷資料
Table 1-1 coal mine original load data
序號
相關(guān)設備
電壓kV
安裝容量kW
工作容量kW
需要系數(shù)
距離km
備注
1
主井絞車
6
800
800
0.81
0.85
0.3
離副井80m
2
副井絞車
6
700
700
0.78
0.8
0.3
一類負荷
續(xù)表1-1
Renewal table 1-1
3
壓風機
6
1200
600
0.8
0.8
0.3
超前
4
主扇風機
6
2500
1250
0.7
-0.9
2
超前
5
支民
0.38
310
310
0.8
0.8
2.3
三類負荷
6
礦綜合廠
0.38
330
290
0.62
0.8
0.8
三類負荷
7
選煤廠
0.38
800
650
0.75
0.78
0.35
三類負荷
8
工人村
0.38
450
360
0.85
0.81
1.7
三類負荷
9
機修廠
0.38
620
550
0.52
0.75
0.3
三類負荷
10
地面底壓
0.38
800
700
0.7
0.75
0.2
一類負荷
11
主排水泵
6
4250
1700
0.9
0.89
0.5
一類負荷
12
一采區(qū)
6
680
650
0.65
0.78
13
二采區(qū)
6
1100
950
0.7
0.76
14
井底車場
6
335
335
0.75
0.75
2 負荷計算及無功功率補償
2.1 負荷計算的目的
變電所工作的負荷電流或容量大小是為正確地選擇合適的變壓器的容量與無功補償及其的裝置、選擇電氣設備與導線、以及繼電器保護的相關(guān)整定等提供技術(shù)參數(shù)，也是整定繼電器有關(guān)保護的主要依據(jù)。
2.2 負荷計算方法的確定
負荷計算主要有以下方法，結(jié)合各自特點及本次設計的內(nèi)容情況，確定合適的計算方法。
1. 需要系數(shù)法：設備功率乘以需要系數(shù)和同時系數(shù)，直接求出計算負荷。這種方法比較簡單，應用廣泛，尤其適用配、變電所的負荷計算。
2. 利用系數(shù)法：采用利用系數(shù)法求出最大負荷一個班次的平均負荷，在考慮設備的臺數(shù)和功率差異的影響，乘以與有效臺數(shù)有關(guān)的最大系數(shù)得出計算負荷。這種方法的理論根據(jù)是概率論和數(shù)理統(tǒng)計。因而計算結(jié)果比較接近實際。適用于工業(yè)企業(yè)電力負荷計算，可是計算結(jié)果繁瑣。
3. 單位面積功率法、單位指標法和單位產(chǎn)品耗電量法。前兩者多用于民用建筑，后者適用于某些工業(yè)建筑。在用電設備功率和臺數(shù)無法確定時，或者設計前期，這些方法是確定設備負荷的主要方法。
綜上所述，可知采取需要系數(shù)法來計算系統(tǒng)負荷。
2.3 負荷的計算
2.3.1 負荷計算的公式
1）根據(jù)煤礦給定的原始數(shù)據(jù)，計算出。
（1）公式如下：
（2-1）
式中：
——用電設備組的有功功率計算；
——用電設備組無功功率；
——用電設備組視在功率；
——設備總的額定容量，kW；
——功率因數(shù)的正切值；
——需要系數(shù)，表1-1中可以查得。
（2）多組用電設備組的計算負荷
在配電干線上或車間變電所低壓母線上，常有多個用電設備組同時工作，但是各個用電設備組的最大負荷也非同時出現(xiàn)，因此在求配電干線或車間變電所低壓母線的計算負荷時，應再計入一個同時系數(shù)。具體計算如下：
（2-2）
式中：
——為變電站低壓側(cè)母線的有功、無功、視在計算負荷；
——同時系數(shù)；
——該配電干線或變電站低壓母線上所接用電設備組總數(shù)；
——分別對應于某一用電設備組的需要系數(shù)、功率因數(shù)角正切值、總設備容量；
（3）對于低壓用戶的高壓計算負荷，還應計入變壓器和高壓線路的功率。
2.3.2各用電設備組負荷計算
1、用電設備分組，由表1-1確定各組用電設備的總額定容量。
2、由表1-1查出各用電設備組的需要系數(shù)和功率因數(shù)，根據(jù)公式2-1計算出各用電設備組的計算負荷。
（1）主提升機
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（2）主提升機
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（3）主扇風機
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（4）壓風機
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（5）礦綜合廠
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（6）機修廠
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（7）選煤廠
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（8）礦綜合廠
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（9）主排水泵
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（10）一采區(qū)
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（11）二采區(qū)
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（12）井底車場
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（13）工人村
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
（14）支農(nóng)
，，
則:
有功功率 ；
無功功率 ；
視在功率 ；
結(jié)果記入表2-1全礦電力負荷計算負荷表中。
表2-1 全礦負荷統(tǒng)計表
Table 2-1 mineral sheers load statistics
用戶名稱
設備容量
需要系數(shù)
功率因數(shù)
有功功率
無功功率
視在功率
一、地面部分
1、主提升機
800
0.81
0.85
0.62
648
402
763
2、副提升機
700
0.78
0.8
0.75
546
410
683
3、主扇風機
1250
0.7
-0.9
-0.48
875
-420
971
4、壓風機
800
0.8
0.8
0.75
640
480
800
5、礦綜合廠
290
0.62
0.8
0.75
180
135
225
6、機修廠
550
0.52
0.75
0.88
280
251
381
7、選煤廠
650
0.75
0.78
0.8
487
390
625
8、地面低壓
700
0.7
0.75
0.88
490
431
653
地面小計
4146
2079
二、井下部分
9、主排水泵
1700
0.9
0.89
0.51
1530
784
1719
10、一采區(qū)
650
0.65
0.78
0.8
442
338
542
11、二采區(qū)
950
0.7
0.76
0.86
665
572
875
續(xù)表2-1
Renewal table 2-1
12、井底車場
335
0.75
0.75
0.88
251
221
334
井下小計
2888
1915
三、其他用戶
13、工人村
360
0.85
0.81
0.72
306
220
377
14、支農(nóng)
310
0.8
0.8
0.75
248
186
310
其他小計
554
406
變電所總計
7588
4400
2.4低壓變壓器的選擇與損耗計算
2.4.1低壓變壓器的選擇
對各低壓變壓器選擇時可按表2-1的計算容量進行選擇?；诿旱V生產(chǎn)負荷對供電可靠性和安全性的要求且供電方式為雙回路，應選兩臺或者兩臺以上變壓器同時運行。并且，當其中的一臺變壓器發(fā)生故障時其余的應能承擔全部一、二級負荷供電的任務。
（1）礦綜合廠、機修廠、支農(nóng)變壓器分別選S7-160/6型、
S7-250/6型、S7-200/6型油浸式鋁線雙繞組無勵磁調(diào)壓變壓器各2臺。
（2）工人村變壓器選3臺S7-160/6型油浸式鋁線雙繞組無勵磁調(diào)壓變壓器。
（3）地面低壓、選煤廠變壓器選S7-200/6型浸式鋁線雙繞組無勵磁調(diào)壓變壓器各4臺。
各低壓變壓器參數(shù)如表2-2所示。
表2-2低壓變壓器參數(shù)及功率損耗計算表
Table 2-2 low pressure transformer parameters and power loss calculation table
負荷名稱
礦綜合廠
機修廠
地面低壓
選煤廠
工人村
支農(nóng)
計算容量 (kVA)
225
381
653
625
377
310
所選變壓器參數(shù)
型號
S7
S7
S7
S7
S7
S7
容量(kVA)
160
250
200
200
160
200
連接組別
Y,yn0
Y,yn0
Y,yn0
Y,yn0
Y,yn0
Y,yn0
6/0.4
6/0.4
6/0.4
6/0.4
6/0.4
6/0.4
4
4
4.5
4.5
4
4.5
1.5
1.9
1.8
1.8
1.5
1.8
損耗（kW）
0.64
0.92
0.76
0.76
0.64
0.76
4
5.8
4.8
4.8
4
4.8
各
項
損
耗
值
臺數(shù)
2
2
4
4
3
2
負荷率β
0.71
0.76
0.82
0.78
0.79
0.78
kvar
1.6
7.6
6.3
6.3
1.6
6.3
kvar
10
16
12.6
12.6
10
12.6
kW
4.88
6.19
7.66
6.41
6.35
5.37
kvar
15.14
24.46
37.5
37.12
24.95
19.31
總計
總有功損耗 kW
36.86
總無功損耗 kvar
158.48
2.5 6KV母線側(cè)補償前總計算負荷
由于本礦區(qū)配電線路短損耗非常小，忽略線路損耗不計。由表2-1可知，全礦總負荷為：，。考慮同時系數(shù)，有功取0.85，無功取0.9則6kV側(cè)計算負荷由公式2-2計算可得：
==7671kVA
6kV無補償時功率因數(shù)為：
0.845
功率因數(shù)角的正切值為：
==0.63
2.6 無功補償及電容器柜選擇
2.6.1 無功補償裝置的裝設方式
在供電系統(tǒng)中，無功補償裝置的裝設方式一般有三種：高壓集中補償、低壓集中補償和分散就地補償（分組或末端補償）。
根據(jù)實際情況可知，高壓集中補償能對企業(yè)高壓側(cè)的無功功率進行有效補償，且便于集中運行維護，所以選擇高壓集中補償。
電容器的裝設方式如下：
2.6.2無功補償計算
當采用提高用電設備自然功率因數(shù)的方法后，功率因數(shù)仍不能達到供用電規(guī)則所要求的數(shù)值時，就需要增設人工補償裝置。在工礦企業(yè)用戶中，人工補償廣泛采用靜電電容器作為無功補償電源。
用電力電容器來提高功率因數(shù)時，其電力電容器的補償容量用下式計算：
（2-4）
式中——平均負荷系數(shù)，計算時取0.7-0.8
——補償前功率因數(shù)角的正切值；
——補償后要達到的功率因數(shù)角的正切值；
本設計要求功率因數(shù)達到0.9及以上。假設補償后6kV側(cè)功率因數(shù)，=0.92，=0.43。取0.8，則所需補償容量由公式2-9計算得：
=0.86481（0.63-0.43）=1037kvar
2.6.3 電容器柜的選擇及實際補償容量計算
本設計采用高壓集中補償方式。因礦井地面變電所6kV母線為單母分段接線，故所選電容器柜應分別安裝在兩段母線上，即電容器柜數(shù)應取偶數(shù)，由于電容器柜連接方式為角形連接，所以選擇的柜數(shù)應是3的倍數(shù)。綜合考慮先取柜數(shù)N=6。則每柜容量的計算容量為：
現(xiàn)選用GR-1/6型高壓靜電電容柜，每柜安裝容量為=175kvar，最大不超過360kvar，據(jù)此可計算出電容器柜的數(shù)量為：
則 實際補償容量為：kvar
折算為計算容量為：kvar
2.7 補償后6kV母線側(cè)總計算負荷及功率因數(shù)校驗
功率補償后6kV側(cè)
有功功率 6481kW
無功功率 4103-1300=2803kvar
視在功率 7061 kVA
補償后6kV母線功率因數(shù)：
滿足要求。
3 變電所主變壓器的選擇
3.1 變壓器的選取原則
供電變壓器是根據(jù)其使用環(huán)境條件、電壓等級及計算負荷選擇其形式和容量。變電所的容量是有其裝設的主變壓器容量所決定的。從供電的可靠性出發(fā)，變壓器臺數(shù)是越多越好。但變壓器臺數(shù)增加，開關(guān)電器等設備以及變電所的建設投資都要增大。所以，變壓器臺數(shù)與容量的確定，應全面考慮技術(shù)經(jīng)濟指標，合理選擇。
當企業(yè)絕大多數(shù)負荷屬三級負荷，其少量負荷或由鄰近企業(yè)取得備用電源時，可裝設一臺變壓器。如企業(yè)的一、二級負荷較多，必須裝設兩臺變壓器。兩臺互為備用，并且當一臺出現(xiàn)故障時，另一臺能承擔全部一、二及負荷。特殊情況下可裝設兩臺以上變壓器。例如分期建設大型企業(yè)，其變電站個數(shù)及變壓器臺數(shù)均可分期投建，從而臺數(shù)可能加多。
3.2 變壓器選擇計算
按第2章計算出來的計算負荷進行用電負荷分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇變壓器容量及臺數(shù)。其計算計算過程如下：
1、用電負荷分析；將用戶的用電負荷性質(zhì)分別匯總。
安全用電負荷負荷：包括副提升機、主扇風機、井下主排水泵各項，其總負荷為2951kW，占全礦總負荷的38.9%。
主要生產(chǎn)負荷：包括主提升機、壓風機、選煤廠、地面低壓、一采區(qū)、二采區(qū)、井底車場各項，其總負荷為3133kW，占全礦總負荷的41.3%。
其他負荷：包括礦綜合廠、機修廠、工人村、支農(nóng)各項，其總負荷為1504kW，占全礦總負荷的19.8%。
2、根據(jù)礦井主變壓器的選擇條件，一般選兩臺，當一臺故障停運時，另一臺必須保證一、二級負荷的用電。在上述分析中一、二級負荷占全礦總負荷的80.2%，當兩臺變壓器中一臺停止運行時，另一臺必須保證80.2%的正常供電。
3、變壓器的選擇：根據(jù)礦井主變壓器的選擇條件，一般選兩臺，當一臺故障停運時，另一臺必須保證一、二級負荷的用電。在上述分析中一、二級負荷占全礦總負荷的80.2%，當兩臺變壓器中一臺停止運行時，另一臺必須保證80.2%的正常供電。選用兩臺S7-6300/35型銅線雙繞組無勵磁調(diào)壓變壓器，其技術(shù)參數(shù)如表3-1所示：
表3-1 主變壓器技術(shù)參數(shù)
Table 3-1 the main transformer technology parameters
型號
S7
容量(kVA)
6300
連接組別
Yd11
電壓
36/6.3
阻抗電壓
7.5
空載電流
0.9
損耗（kW）
空載
8.2
負載
41
兩臺主變壓器采用分列運行方式，備用方式為暗備用。
變壓器的損耗計算
變壓器負荷率：0.56
空載無功損耗： 56.7kvar
滿載無功損耗：472.5kvar
則有功損耗：kW
無功損耗：
kvar
35kV側(cè)全礦負荷計算及功率因數(shù)校驗
有功功率 kW
無功功率 kvar
視在功率 kVA
35kV側(cè)功率因數(shù)校驗
0.9。
滿足設計的要求。
4.變壓器經(jīng)濟運行方案的確定
兩臺變壓器經(jīng)濟運行的臨界負荷值可由公式3-1確定。
（3-1）
如果S<宜一臺運行，如果S>宜兩臺運行。
式中：
——經(jīng)濟運行臨界負荷， kVA；
——變壓器額定容量 ，kVA；
——變壓器空載有功損耗，kW；
——變壓器空載無功損耗,kW
——變壓器滿載有功損耗，kW；
——變壓器滿載無功損耗，kvar；
——無功經(jīng)濟當量，大型礦井一般取無功經(jīng)濟當量kq=0.09。
本礦兩臺變壓器經(jīng)濟運行的臨界負荷為：
6300kVA
故經(jīng)濟運行方案為：當實際負荷S<3555kW時，宜一臺運行，當實際負荷S>3555kW時，宜兩臺運行。
4 電氣主接線設計
變電所的主接線是由各種電氣設備（變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等）及其連接線組成，用以接受和分配電能，是供電系統(tǒng)的組成部分。它與電源回路數(shù)、電壓和負荷的大小、級別以及變壓器的臺數(shù)、容量等因素有關(guān)，所以變電所的主接線有多種形式。確定變電所的主接線對變電所電氣設備的選擇、配電裝置的布置及運行的可靠性與經(jīng)濟性等都有密切的關(guān)系，是變電所設計的主要任務之一。
4.1 對主接線的基本要求
在確定變電所主接線前，應首先明確其基本要求：
（1）安全可靠。應符合國家標準和有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，充分保證人身和設備的安全。此外，還應負荷等級的不同采取相應的接線方式來保證其不同的安全性和可靠性要求，不可片面強調(diào)其安全可靠性而造成不應有的浪費。
（2）操作方便，運行靈活。供電系統(tǒng)的接線應保證工作人員在正常運行和發(fā)生事故時，便于操作和維修，以及運行靈活，倒閘方便。
（3）經(jīng)濟合理。接線方式在滿足生產(chǎn)要求和保證供電質(zhì)量的前提下應力求簡單，以減少設備投資和運行費用。
（4）便于發(fā)展。接線方式應保證便于將來發(fā)展，同時能適應分期建設的要求。
4.2 主接線方案的確定
4.2.1 確定礦井35kV進線回路
35kV礦井變電所距上級供電電源7km，對上一級供電部門來說是一級負荷，故上級礦井變電所對礦井采用有備用的雙回路供電，即35kV進線為兩路架空線進線。
4.2.2 35kV、6kV主接線的確定
1）本變電所是雙電源進線的終端變電所，屬雙回路供電。主變?nèi)萘?，故擬定選用橋式接線。
橋式接線分為內(nèi)橋、外橋、全橋三種。下對其可行性作簡單比較。
內(nèi)橋接線：它由兩臺受電線路的斷路器和內(nèi)橋上的母聯(lián)斷路器組成。主變壓器與一次母線的隔離開關(guān)聯(lián)結(jié)。它的優(yōu)點是切換進線方便，設備投資、占地面積相對全橋少，缺點是倒換變壓器不方便，繼電保護較復雜，適用于距離較長，變壓器切換不很頻繁的變電所。這種接線一次側(cè)可設線路保護，但主變壓器和受電線路保護的短路器均由受電斷路器承擔，互有影響，這是它的主要缺點。
外橋接線：它由主變壓器一次側(cè)兩斷路器和外橋上的聯(lián)絡短路器組成，進線由隔離開關(guān)受電。這種接線對變壓器的切換方便，比內(nèi)橋少兩組隔離開關(guān)，繼電保護簡單，易于過渡到全橋或單母線分段的結(jié)線，且投資少，占地面積小。缺點是倒換線路時操作不方便。所以這種接線適用于進線短而倒閘次數(shù)少的變電所，或變壓器采用經(jīng)濟運行需要經(jīng)常切換的終端變電所。
全橋接線：它由進線的兩臺斷路器、變壓器一次側(cè)的兩斷路器和35kV匯流母線上的聯(lián)絡短路器組成。這種接線方式適應性強，對線路、變壓器的操作均方便，運行靈活，且易于擴展成單母線分段式的中間變電所（高壓有穿越時負荷時）。繼電保護全面。缺點是設備多，投資大，且變電所占地面積大。
考慮到本設計線路特點、主變壓器的容量以及經(jīng)濟性要求，選擇內(nèi)橋式作為本設計的主接線方式。主變壓器一次側(cè)接線如下圖所示。
圖4-2 主變壓器一次側(cè)的接線
Figure 4-2 wiring of the main transformer primary side
2） 本設計采用單母分段，母線用斷路器分段，這不僅便于分段檢修母線，而且可減小母線故障影響范圍。可以提高可靠性和靈活性。對礦上的重要用戶從不同分段上引接，以便在母線上某一段發(fā)生故障的時候，能保證重要用戶的正常供電，簡單清晰，設備少，操作方便，且有利于擴建。主變壓器二次側(cè)的接線圖如下圖所示。
圖4-3 主變壓器二次側(cè)的接線
Figure 4-3 main transformer secondary side of the connection
5 短路電流計算
5.1 短路電流計算的目的
研究供電系統(tǒng)的短路并計算各種情況下的短路電流，對供電系統(tǒng)的擬定、運行方式的比較、電氣設備的選擇及繼電保護整定都有重要意義。短路產(chǎn)生的后果極為嚴重，為了限制短路的危害和縮小故障影響范圍，在供電設計和運行中，必須進行短路電流計算，以解決些列技術(shù)問題。
(1) 選擇電氣設備和載流導體，必須用短路電流校驗其熱穩(wěn)定性和機械強度。
(2) 設置和整定繼電保護裝置，使之能正確地切除短路故障。
(3) 確定限流措施，當短路電流過大造成設備選擇困難或不經(jīng)濟時，可采取限制短路電流的措施。
(4) 確定合理的主接線方案和主要運行方式等。
5.2短路電流計算的方法選取
對于無限大容量供電系統(tǒng)三相短路電流計算的方法有兩種：
1、絕對值法（有名單位制），主要用于低壓電網(wǎng)中的短路計算。
2、相對值法（標幺制），主要用于高壓中的短路計算。
結(jié)合本設計的實際情況選取標幺值制法計算短路電流。
5.3 短路電流計算中應計算的數(shù)值
1、短路電流,即三相短路電流周期分量第一周期的有效值。它可供計算繼電保護裝置的整定值和計算短路沖擊電流及短路全電流最大有效值之用。
2、三相短路容量，用來判斷母線短路容量是否超過規(guī)定值、作為選擇限流電抗器的依據(jù)，并可供下一級變電所計算短路電流之用；
3、短路電流穩(wěn)態(tài)有效值,可用來校驗設備、母線及電纜的熱穩(wěn)定性；
4、短路沖擊電流及短路全電流最大有效值，可用來校驗電器設備、載流導體及母線的動穩(wěn)定性。
5.4 三相短路電流計算計算的步驟
1、根據(jù)供電系統(tǒng)繪制等值網(wǎng)絡
（1）選取基準容量Sj和基準電壓Uj，并根據(jù)公式?jīng)Q定基準電流值Ij。
（2）求出系統(tǒng)各元件的標么基準電抗，將計算結(jié)果標注在等值網(wǎng)絡圖上。
（3）按等值網(wǎng)絡各元件的聯(lián)接情況，求出由電源到短路點的總阻抗。
（4）按歐姆定律求短路電流標么值：對于電源是無限大容量的系統(tǒng)，其短路電流標么值可按公式5-1求出：
（5-1）
且短路后各種時間的短路電流標么值與短路容量標么值都相等，即
（5）求短路電流和短路容量；為了向供電設計提供所需的資料，應下列短路電流和短路容量：
① 求出次暫態(tài)短路電流和短路容量；
② 求出短路沖擊電流和短路全電流最大有效值
kA
MVA (5-2)
kA
kA
5.5短路電流計算過程
短路點選取35kV母線側(cè)、6kV母線側(cè)及6kV各出線回路末端，各元件參數(shù)可由表1-1中獲得。
圖5-1 系統(tǒng)短路計算電路圖
Figure 5-1 system short circuit calculation circuit diagram
輸電線路、主變壓器和下井電纜均為一臺（路）工作，一臺（路）備用。該電源為無限大容量，其電抗標么值,最大運行方式下，系統(tǒng)阻抗為=0.041，最小運行方式下，系統(tǒng)阻抗為=0.056，離上一級變電所距離為7km。主變壓器為兩臺，每臺容量為6300kVA，=7.5。線路電抗：對于電纜=0.08Ω/km，架空線=0.4Ω/km。
1、選取基準容量=100MVA
計算點時，選取=37kV， kA
計算點時，選取=6.3kV， kA
2、計算各元件的電抗標幺值
（1）系統(tǒng)電抗：
最大運行方式下， =0.041
最小運行方式下， =0.056
（2）35kV進線（架空線）:
（3）主變壓器:
（4）主提升機、副提升機(電纜):
（5）主扇風機（架空線）：
（6）壓風機（電纜）：
（7）礦綜合廠（架空線）：
（8）機修廠（電纜）：
（9）選煤廠（電纜）：
（10）地面低壓（兩臺分列運行）：
由于變壓器在所內(nèi)，只計算變壓器阻抗，不計線路
（11）工人村（架空線）：
（12）支農(nóng)（架空線）：
（13）下井電纜：
（14）主提升機（異步電動機）：
（15）主扇風機（同步電動機）：查表可知
3、將上述計算的值繪制成等效電路圖，如下圖所示。
圖5-2短路等效電路圖
Figure 5-2 short circuit equivalent circuit diagram
4、各短路點短路計算
（1）點短路（35kV）
①最大運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最大運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
②最小運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最小運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
（2）點短路（6kV母線）
因主扇風機（同步電動機）、主提升機（異步電動機）構(gòu)成附加電源，要考慮電動機反饋的影響，異步電動機只對短路沖擊電流有影響。
S1支路提供的短路參數(shù)：
①最大運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最大運行方式下點短路時，S1支路提供的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
②最小運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最小運行方式下點短路時，S1支路提供的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
S2支路提供的短路參數(shù)：
S2支路為異步電動機構(gòu)成的附加電源，故只考慮其對短路沖擊電流的影響。
異步電動機提供的沖擊電流可由公式5-3計算：
（5-3）
式中：
——電動機的額定電流；
——電動機反饋電流沖擊系數(shù)，對于高壓電動機取=1.4～1.7，對于低壓電動機取=1
——異步電動機的電勢平均值=0.9，
則：S2支路的額定電流為：
kA
S2支路電抗為：
由公式5-3可得，S2支路提供的短路沖擊電流為：
kA
S3支路提供的短路參數(shù)：
取=0.9，則該支路的額定電流為：
kA
考慮到同步電動機一般裝有低壓保護裝置，當t>0.2秒后，開關(guān)跳閘，故它對穩(wěn)態(tài)短路電流無影響，利用+0.07=0.27（0.07）是考慮查具有阻尼繞組的水輪發(fā)電機計算曲線時，計算電抗需增加的數(shù)值）查具有阻尼繞組的水輪發(fā)電機計算曲線，得：
,
則：次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
故：①最大運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
②最小運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
（3）點短路（下井電纜）
①最大運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最大運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
②最小運行方式下
短路回路電抗標么值為：
短路電流標么值：
則：最小運行方式下點短路時的短路參數(shù)為：
次暫態(tài)電流周期分量：
kA
短路電流沖擊值：
kA
短路全電流最大有效值：
kA
次暫態(tài)三相短路容量：
MVA
5、其他短路點計算類似，不作具體敘述，結(jié)果見下表。
表5-3 短路點參數(shù)表
Table 5-3 short circuit parameter list
短路點
最大運行方式
最小運行方式
kA
kA
kA
MVA
kA
kA
kA
MVA
35kV母線k1
6.47
16.5
9.83
415
6.09
15.54
9.26
391
6kV母線 k2
7.13
18.19
10.83
76.8
7.06
18.02
10.72
75.8
下井電纜 k3
6.14
15.67
9.33
67
6.08
15.51
9.24
66
主、副提升機 k4
6.14
15.67
9.33
67
6.08
15.51
9.24
66
主風扇機 k5
2.66
6.78
4.04
29
2.56
6.53
3.89
28
壓風機k6
6.14
15.67
9.33
67
6.08
15.51
9.24
66
礦綜合廠k7
4.12
10.51
6.26
45
4.03
10.28
6.13
44
機修廠 k8
6.14
15.67
9.33
67
6.08
15.51
9.24
66
選煤廠 k9
6.14
15.66
9.33
67
6.04
15.4
9.18
66
地面低壓 k10
1.1
2.81
1.67
12
1.01
2.56
1.54
11
工人村 k11
2.93
7.47
4.45
32
2.84
7.24
4.32
31
支農(nóng)k12
2.47
6.3
3.75
27
3.28
6.07
3.62
26
6 高壓電氣設備的選擇
電氣設備選擇是變電所電氣設計的主要內(nèi)容之一。選擇是否合理將直接影響整個供電系統(tǒng)的可靠運行。
變電所主要的電氣設備有：高壓斷路器；隔離開關(guān)；熔斷器；電壓互感器；電流互感器；避雷器；母線和絕緣子；成套配電裝置。
6.1 高壓電氣設備選擇原則
對各種電氣設備的基本要求是正常運行時安全可靠，短路通過短路電流時不致?lián)p壞，因此，電氣設備必須按正常工作條件進行選擇，按短路條件進行校驗。
1）按正常條件選擇
環(huán)境條件：電氣設備在制造上分戶內(nèi)、戶外兩大類。此外，選擇電氣設備，還應根據(jù)實際環(huán)境條件考慮防水、防火、防腐、防塵、防爆以及高海拔區(qū)或濕熱地區(qū)等方面的要求。
2）按電網(wǎng)額定電壓選擇電氣設備的額定電壓
在選擇電器時，一般可按照電器的額定電壓UN不低于裝置地點電網(wǎng)額定電壓的條件選擇，即：
3）按最大長時負荷電流選擇電氣設備的額定電流
電氣設備的額定電流應不小于通過它的最大長時負荷電流，即：
4) 按短路情況校驗
（1）按短路情況來校驗電氣設備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。
（2）按裝置地點的三相短路容量來校驗開關(guān)電器的斷流能力。
6.2 高壓開關(guān)設備的選擇及校驗
6.2.1 高壓斷路器的選擇及校驗
高壓斷路器是供電系統(tǒng)中最重要的電氣設備之一。它具有完善的滅弧裝置，是一種專門用于切斷和接通電路的開關(guān)設備。正常運行時把設備或線路接入或退出運行，起著控制作用。當設備或線路發(fā)生故障是，能快速切出故障回路，保證無故障部分正常運行，起著保護作用。
高壓斷路器除按電氣設備的一般原則選擇外，還必須按斷路器的功能校驗其額定斷流容量（或開斷電流）、額定關(guān)合電流等各項指標。
6.2.2 本所斷路器的選擇及校驗
1．35kV側(cè)的選擇及校驗
(1) 根據(jù)布置方式，室外一般采用SW2-35型斷路器，共三臺，操動機構(gòu)選CT2-X電磁操動機構(gòu)，油開關(guān)的戶外端子箱選擇XJ-1型。所選斷路器電氣參數(shù)如表6-1所示。
表6-1 所選斷路器參數(shù)
table 6-1 the breaker parameters
型號
額定電壓/kV
額定電流/kA
額定開斷電流/kA
額定容量/MVA
極限電流峰值/kA
熱穩(wěn)定電流/kA
熱穩(wěn)定時間/s
固有分閘時間/s
SW2-35
35
1000
24.8
1500
63.4
24.8
4
0.06
(2)額定電壓：，符合要求。
(3)額定電流：
，符合要求。
(4)動穩(wěn)定校驗：，符合要求。
(5)熱穩(wěn)定校驗：繼電保護動作時間=2s，斷路器的分閘時間=0.06s,則，的相當于4s的熱穩(wěn)定電流為：
熱穩(wěn)定性符合要求。式中，，分別為斷路器的熱穩(wěn)定電流及該電流所對應的熱穩(wěn)定持續(xù)時間；，分別為短路穩(wěn)定電流及短路電流的持續(xù)時間。斷路器通過短路電流的持續(xù)時間按下式計算：
式中，為繼電保護動作時間；為斷路器的分閘時間。
(6)斷流容量校驗：,符合要求。
2．6kV側(cè)的選擇及校驗
(1)根據(jù)布置方式，室內(nèi)一般采用SN8-10型少油斷路器，本設計采用SN8-10型斷路器，操動機構(gòu)選電磁操動機構(gòu)。所選斷路器電氣參數(shù)如表6-2所示。
表6-2 斷路器參數(shù)
table 6-2 Circuit breaker parameter
型號
額定電壓/kV
額定電流/A
額定開斷電流/kA
額定容量/MVA
極限電流峰/kA
熱穩(wěn)定電流/kA
熱穩(wěn)定時間/s
固有分閘時間/s
SN8-10
10
1000
23
350
63
23
4
0.1
(2)額定電壓：，符合要求。
(3)額定電流：，符合要求。
(4)動穩(wěn)定校驗：，符合要求。
(5)熱穩(wěn)定校驗：繼電保護動作時間=2s，斷路器的分閘時間=0.1s,則s，的相當于4s的熱穩(wěn)定電流為：
熱穩(wěn)定性符合要求。
(6)斷流容量校驗：,符合要求。
6.2.3 隔離開關(guān)的選擇及校驗
隔離開關(guān)的主要功能是隔離高壓電源，保證其它電氣設備和線路的安全檢修及人身安全。隔離開關(guān)斷開后，具有明顯的可見斷開間隙，絕緣可靠。隔離開關(guān)沒有滅弧裝置，不能拉、合閘。隔離開關(guān)按電網(wǎng)電壓、額定電流電流及環(huán)境條件選擇，按短流電流校驗其動、熱穩(wěn)定性。
1．35kV側(cè)的隔離開關(guān)～的選擇及校驗
(1)根據(jù)布置方式，室外采用GW2型隔離開關(guān)。本設計中為了方便檢修時的接地，兩個進線隔離開關(guān)選用GW2-35GD/600帶接地刀閘的隔離開關(guān)，操動機構(gòu)為CS8-2D。兩個電壓互感器隔離開關(guān)選用GW2-35D/600帶接地刀閘的隔離開關(guān)，操動機構(gòu)為CS8-2D?！x用GW2-35G/600不帶接地刀閘的隔離開關(guān)，操動機構(gòu)選CS8-3。所選隔離開關(guān)電氣參數(shù)如表6-3所示。
表6-3 隔離開關(guān)參數(shù)
Table 6-3 isolator parameters
型號
額定電壓/kV
額定電流/A
極限電流峰值/kA
熱穩(wěn)定電流/kA
熱穩(wěn)定時間/s
GW2-35GD/600
35
600
50
14
5
GW2-35G/600
35
600
50
14
5
GW2-35D/600
35
600
50
14
5
(2)額定電壓：，符合要求。
(3)額定電流：，符合要求。
(4)動穩(wěn)定校驗：，符合要求。
(5)熱穩(wěn)定校驗：繼電保護動作時間=2s，斷路器的分閘時間=0.06s, s，QF1～QF5的相當于5s的熱穩(wěn)定電流為：
，熱穩(wěn)定性符合要求。
同理驗算，其余的隔離開關(guān)也符合要求。
2．6kV側(cè)隔離開關(guān)～