第五章--煤矿井下供电基本计算..doc

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第五章煤矿井下供电基本计算

主要内容：

采区供电系统的变压器、开关、电缆的选择，井下电网的短路电流计算，井下过流保护装置的整定。

教学目标：

会选择电缆截面，会选择开关的额定电流、额定电压，会整定和校验开关的过流保护装置；能编写采区供电系统计算说明书。

为采区供电系统选择电气设备、配置电缆、整定过流保护装置，是机电技术人员的日常工作之一。

正确的计算是完成上述工作的前提。

本章采用项目引领的教学方法，通过为采区供电系统配备变压器、开关、电缆，整定过流保护装置，掌握井下供电计算的基本方法。

第一节项目任务

一、项目场景

某煤矿机电科，机电副矿长兼机电总工程师向机电科各专业组下达矿长会议精神。

本矿在东翼新开一上山采区，机电科承担新采区的供电系统设计计算任务。

学生以3~4人为一组，模拟机电科专业组，选出组长。

每组独立完成项目。

教师模拟机电总工程师，向学生讲解采区的巷道布置、基本条件、设备配置情况。

学生跟随课程进度，完成相应的项目任务。

二、项目任务

（1）采区变电所动力变压器的选型计算与台数的确定；

（2）绘制采区生产设备布置图，草拟采区供电系统；

（3）选择采区高、低压动力电缆；

（4）选择采区高低压配电装置；

（5）计算短路电流；

（6）整定过电流保护装置；

（7）画出采区供电系统图（A2图纸），在图中标注电气设备型号、规格，电缆型号、规格，短路电流，过流保护整定值等。

其中

（2）和（4）项在本教材第四章和第三章中已有叙述，本章不再赘述。

三、基本条件

序号

技术参数项目

参数

序号

技术参数项目

参数

1

沼气等级

高沼

8

采煤工作面个数

1

2

电源电压等级（kV）

10

9

煤层倾角

8°

3

与中央变电所距离（m）

1200

10

煤层厚度（m）

3

4

采区走向长度（m）

1600

11

散煤自然安息角

30°

5

采区斜长（m）

600

12

采区掘进工作面个数

2

6

采煤工作面长度（m）

180

13

年工作天数

300

7

工作面采煤方法

综采

14

日工作小时数

14

四、生产机械技术参数

分组

序号

设备名称

台数

型号

额定功率/kW

额定电压/V

备注

采煤工作面

1

采煤机

1

 MGTY200/500-1.1D电牵引采煤机

200×2+40×2+20

1140

2

刮板输送机

1

SGZ-730/264

2×132

1140

3

转载机

1

SZB-730/75

75

1140

4

乳化液泵

2

BRW200/31.5

125

1140

一台工作

5

调度绞车

1

JD-11.4

11.4

1140/660

下顺槽

6

回柱绞车

1

JH-8

7.5

1140/660

下顺槽

7

小水泵

1

5.5

1140/660

下顺槽

8

调度绞车

1

JD-11.4

11.4

1140/660

上顺槽

9

回柱绞车

1

JH-8

7.5

1140/660

上顺槽

10

小水泵

1

5.5

1140/660

上顺槽

11

采煤工作面可伸缩皮带输送机

1

DJS80/40/2×75（B

2×75

1140/660

电机在下顺槽口

集中运输

12

上山皮带输送机

1

DTL100/63/75

75

1140/660

13

上山绞车

1

JTP-1.6×1.2

110

660

掘进工作面

14

掘进机

2

EBZ100E

100

1140/660

15

掘进工作面可伸缩皮带输送机

2

DJS65/20/2×22

2×22

1140/660

16

调度绞车

4

JD-11.4

11.4

1140/660

17

小水泵

2

5.5

1140/660

局扇

18

局部扇风机

4

FBD-6.3/30

2×15

1140/660

二台工作

第二节负荷计算

当我们为采区供电系统选配开关、变压器和电缆时，首先要计算这些设备所负担的功率和电流，这叫负荷计算。

负荷计算是正确选择开关、变压器等电气设备和电缆截面的基础。

负荷计算要计算的参数有三个：

一是负荷的有功计算功率，简称计算功率，用Pca表示。

它是负荷在运行时实际需要的长时最大有功功率，单位是kW（千瓦）。

二是负荷的视在计算功率，用Sca表示。

它是负荷在运行时实际需要的长时最大视在功率,单位是kVA（千伏安）。

用来选择变压器容量。

三是长时工作电流，用Ica表示。

它是负荷在实际运行时的长时最大工作电流，单位是A（安）。

用来选择开关和电缆截面。

这里的长时功率、长时电流是指持续30min的平均功率和平均电流。

与长时功率、长时电流相对的是瞬时功率、瞬时电流。

瞬时功率、瞬时电流有时会远大于长时功率、长时电流，但持续时间往往很短，不能作为选择电气设备的依据。

例如电动机起动时的瞬时最大电流可达其额定电流的数倍，但持续时间只有几秒。

一、负荷计算的方法

1.一台电动机的负荷计算

通常我们能够从铭牌上知道一台电动机的额定功率（PN）和额定电流（IN），则

（5-1）

在生产现场常常只知道电动机的额定功率和额定电压，而不知道额定电流。

电动机的额定电流可用式5-2计算，但有些参数需要查电机手册才能得到，现场计算很不方便。

（5-2）

式中PN——电动机额定功率，kW；

UN——电动机额定电压，kV。

下面介绍迅速估算电动机额定电流的方法，准确性可满足工程计算要求。

当电动机额定电压为380V时，IN≈2PN；

当电动机额定电压为660V时，IN≈1.15PN；

当电动机额定电压为1140V时，IN≈0.66PN；

当电动机额定电压为6kV时，IN≈0.12PN；

当电动机额定电压为10kV时，IN≈0.07PN。

例5-1有一台额定电压为660V，额定功率为40kW的电动机，试估算其额定电流。

解：

当电动机额定电压为660V时，IN≈1.15PN，把额定功率等于40kW代入公式

IN≈1.15×40=46A

2.一个用电设备组的负荷计算

生产工艺相同或相近，在生产过程中相互协同共同完成一项生产任务的多台生产机械称为一个用电设备组。

采区有采煤工作面、掘进工作面、集中运输等几类用电设备组。

设一个用电设备组有n台电动机，每台电动机的额定功率已知为PN1、PN2、PN3···PNn。

则总额定功率为：

（5-3）

但是这些电动机在生产运行时，一般不会同时工作，同时工作的电动机一般也不会同时满载，因此实际需要的功率Pca总小于ΣPN。

Pca=KdeΣPN（5-4）

由Pca可计算出Sca和Ica

Sca=Pca/cosφ（5-5）

（5-6）

式中：

UN——额定电压，kV；

Kde——用电设备组的需用系数；cosφ—用电设备组的加权平均功率因数。

Kde和

cosφ均可由表5-1查得。

根据工作面的产量、地质状况以及生产工艺选择合

适的数值。

地质条件好、产量高的工作面Kde和cosφ可取较大的值，反之，

取较小的值。

上述负荷计算方法，称为需用系数法。

负荷计算的方法还有利用系数法、二项式法，不再赘述。

表5-1煤矿各组用电设备的需用系数和加权平均功率因数

用电设备组名称

需用系数

Kde

功率因数

tanφ

备注

井底

车场

无主排水泵

有主排水泵

0.6～0.7

0.75～0.85

0.7

0.8

1.02

0.75

采

区

无机组缓倾斜采煤工作面

0.4～0.6

0.6

1.33

有机组缓倾斜采煤工作面

0.6～0.75

0.6～0.7

1.33～1.02

急倾斜采煤工作面

0.6～0.65

0.6～0.7

1.33～1.02

无掘进机煤巷掘进工作面

0.3～0.4

0.6

1.33

有掘进机煤巷掘进工作面

0.5

0.6～0.7

1.33～1.02

井下

运输

架线式电机车

蓄电池电机车

输送机和绞车

0.4～0.7

0.8

0.6～0.7

0.9

0.9

0.7

0.48

0.48

1.02

例5-2一个缓倾斜炮采工作面，供电电压660V。

有SGB-620/40T刮板输送机5台，额定功率40kW；BRW80/20乳化液泵站2台（一台工作，一台备用），额定功率30kW；JH-8回柱绞车2台，额定功率7.5kW，小水泵2台，额定功率5.5kW，JD-11.4调度绞车2台，额定功率11.4kW；煤电钻2台，额定功率1.2kW。

试计算该工作面的负荷（Pca、Sca和Ica）。

解：

1）计算总额定功率

ΣPN=PN1+PN2+PN3+···+PNn

=5×40+30+2×7.5+2×5.5+2×11.4+2×1.2

=281.2kW

2）查表5-1，缓倾斜炮采工作面Kde取0.5，cosφ取0.6。

3）计算有功计算功率

Pca=KdeΣPN=0.5×281.2=140.6kW

4）计算长时负荷电流

A

5）计算视在功率

Sca=Pca/cosφ=140.6/0.6=234KVA

例5-3试计算项目中的综采工作面设备的负荷并选择工作面移动变电站容量。

解：

项目中的综采工作面设备，除下顺槽可伸缩皮带输送机和上顺槽设备外，均由工作面移动变电站供电。

1）计算总额定功率

ΣPN=PN1+PN2+PN3+···+PNn

=500+2×132+75+125+11.4+7.5+5.5

=988.4kW

2）查表5-1，综采工作面Kde取0.7，cosφ取0.7。

3）计算有功计算功率

Pca=KdeΣPN=0.7×988.4=692kW

4）计算视在功率

Sca=Pca/cosφ=692/0.7=988KVA

选取一台KBSG-1000/10/1.2型矿用隔爆型移动变电站。

3.多个用电设备组的负荷计算

当一个变压器、开关或一条电缆向两个或两个以上用电设备组供电时，就需要计算这多个用电设备组的总功率和总电流。

步骤如下：

1）计算各组的ΣPN

2）查表5-1选取各组的Kde、cosφ和tanφ

3）计算各组的Pca和Qca

Qca=Pcatanφ（5-7）

4）计算PcaΣ和QcaΣ

PcaΣ=Pca1+Pca2+Pca3……（5-8）

QcaΣ=Qca1+Qca2+Qca3……（5-9）

5）计算Sca

（5-10）

例5-4设一个炮采工作面和一个掘进工作面由一台变压器供电，已知：

采煤工作面Pca1=140.6kW，cosφ1=0.6，tanφ1=1.33；掘进工作面Pca2=58kW，cosφ2=0.6，tanφ2=1.33；电动机额定电压660V。

试计算变压器的总负荷，并选择变压器的容量。

解：

炮采工作面Qca1=Pca1tanφ1=140.6×1.33=187kvar

掘进工作面Qca2=Pca2tanφ2=58×1.33=77kvar

PcaΣ=Pca1+Pca2=140.6+58=198.6kW

QcaΣ=Qca1+Qca2=187+77=264kvar

kVA

需选用KBSG-400/6/0.693矿用隔爆型干式变压器，其额定容量为400kVA。

二、项目进度要求

各专业组应在教师指导下，先画出采区巷道布置图，并标出各生产机械的位置和电动机所在准确地点，选择采区变电所的位置。

然后完成掘进工作面移动变电站和集中运输组变压器的选型计算，集中运输组变压器计算时要把备用局部通风机统计在内。

变压器选型计算完成后，拟定采区变电所主结线图和工作面配电结线图。

采区变电所主结线必须采用单母线分段。

正常工作局部通风机要使用专用变压器、专用电缆、专用开关供电。

正常工作局部通风机的专用变压器和备用局部通风机的变压器应分配在两段母线上。

可在下顺槽口单设一台移动变电站向综采工作面下顺槽可伸缩皮带输送机和上顺槽设备供电，也可用设置在变电所内的集中运输组变压器供电。

掘进工作面采用移动变电站供电，移动变电站距掘进机300~500米，兼顾掘进工作面可伸缩皮带输送机供电。

具体要求请参见本教材第四章相关内容。

负荷计算结果填入下表：

组别

ΣPN/kW

Kde

cosφ

Pca/kW

Qca/kvar

Sca/kVA

变压器容量

备注

采煤工作面

掘进工作面

集中运输和备用局扇

其他

局扇

总计

第三节电缆导线截面计算

电缆导线截面的选择是井下供电计算的关键。

合适的电缆导线截面，可以使电缆安全运行，可以使电动机电压正常、高效运行，可以使过流保护动作灵敏度校验容易满足要求。

通常井下电缆线路导线截面计算的步骤如下：

（1）按长时允许电流初选电缆导线截面。

（2）给采掘工作面生产机械供电的支线电缆要校验机械强度允许最小截面。

长电缆要校验允许电压损失。

（3）高压电缆还要校验短路热稳定性，详见本章第四节。

一、电缆导线截面的计算方法

1.按长时允许电流初选电缆导线截面

导线是有电阻的，当电流通过时会发热。

温度过高会缩短电缆寿命、烧坏电缆绝缘，造成短路，使电缆报废。

长时允许电流是导线能长期通过又不过热的最大电流。

为了使导线在正常运行时不超过其长时允许温度，流过导线的长时工作电流不得超过导线的长时允许电流。

即

≥（5-11）

式中——标准环境温度（一般为25℃）时导线的长时允许电流（见表5-2）；

——导线的最大长时工作电流。

例5-5试为例5-2的采煤工作面选择电缆线路截面。

解：

在例5-2中，已计算出工作面负荷的长时工作电流Ica=205A。

查表5-2，选取70mm2低压矿用橡套电缆，其长时允许电流Ip=215A，Ip＞Ica，满足要求，初选合格。

2.按机械强度允许最小截面校验导线截面

电缆在工作面和巷道中敷设，难免会受到外部机械力的作用，截面太小的电缆很容易出现断线、护套破裂、绝缘损坏现象。

为避免在拖拽、碰撞等外力作用下断线、破裂，给采掘工作面生产机械供电的支线电缆按长时允许电流初选后，还要校验机械强度允许最小截面。

这些电缆的截面应符合表5-3的要求。

表5-2井下常用电缆在空气中敷设时的长时允许电流A

导线截面

mm2

聚氯乙烯绝缘铠装电缆

交联聚乙烯绝缘细钢丝

铠装电缆

矿用橡套

电缆

1kV四芯

6kV三芯

6kV

10kV

低压

高压

铜芯

铝芯

铜芯

铝芯

铜芯

铝芯

铜芯

铝芯

铜芯

铜芯

4

6

10

16

25

35

50

70

95

120

30

39

52

70

94

119

149

184

226

260

23

30

40

54

73

92

115

141

174

201

56

73

95

118

148

181

218

251

43

56

73

90

114

143

168

194

211

260

318

367

163

203

246

285

148

180

214

267

324

372

115

140

166

207

251

288

36

46

64

85

113

138

173

215

260

320

53

72

94

121

148

170

205

250

注：

表中长时允许电流是环境温度为25℃时的数值，如果环境温度不是25℃，则需要修正。

实际中，如果环境温度高于25℃，可选择大一级的截面。

表5-3矿用橡套电缆满足机械强度的最小截面（mm2）

用电设备名称

最小截面

用电设备名称

最小截面

采煤机组

可弯曲输送机

一般输送机

回柱绞车

装岩机

35～50

16～35

10～25

16～25

16～25

调度绞车

局部扇风机

煤电钻

照明设备

4～6

4～6

4～6

2.5～4

3.按允许电压损失校验导线截面

输电线路通过电流时，将产生电压损失。

电压损失过大，会造成电动机电压过低，电动机起动困难、工作电流增大、甚至会因电流过载烧坏电动机。

因此，按长时允许电流初选的长电缆，还要校验允许电压损失。

1）线路电压损失的计算

所谓电压损失是指输电线路始、末两端电压的算术差值。

三相线路的线电压损失为

（5-12）

式中——线路的线电压损失，V；

——线路的长时工作电流，A；

——线路所带负载的功率因数角；

——线路每相电阻、电抗，Ω。

式5-12用功率表示时则为

（5-13）

式中——线路所带负荷的有功计算功率，kW；无功计算功率，kvar；

——电网的额定电压，kV。

在式5-12和式5-13中，、、cosφ、sinφ都在负荷计算时得到，需要计算的是。

可用下式计算：

（5-14）

式中：

L——电缆的长度，m；

A——电缆导线截面，mm2；

——电缆导线的电导率，m/Ω·mm2；橡胶电缆取43.5，塑料电缆取48.6，铝芯

电缆取28.8。

可用下式计算：

（5-15）

式中：

L——电缆的长度，km；

——线路每千米电抗，和线路结构、电压等级有关，电缆线路取0.06~0.08

Ω/km，架空线路取0.3~0.4Ω/km，高压线路取较大的值。

因为电缆线路的电抗很小（0.06~0.08Ω/km），通常情况下可忽略，式5-12和式5-13可简化为

（5-16）

例5-6设例5-5中电缆长度为400m，试计算其电压损失。

解：

从例5-2和例5-5中已知Ica为205A，cosφ=0.6，Pca=140.6kW，电缆截面为70mm2，代入式5-15可得：

V

或：

V

表5-4电网额定电压与线路允许电压损失的对照表

电网额定电压UN/kV

线路允许电压损失ΔULP/V

0.127

6

0.38

19

0.66

33

1.14

57

6

300

10

500

2）线路允许电压损失

井下变压器的二次侧额定电压为1.05UN，电动机的允许最低电压为0.95UN，因此，变压器和线路的电压损失之和不能超过10%UN。

考虑到井下变压器的电压损失通常不超过5%UN，则如果从变压器出口处到电动机的线路电压损失不超过5%UN，即可满足电动机运行的要求。

为计算简便起见，规定从变压器副边出口处到用电设备（电动机、变压器）的线路允许电压损失=5%UN。

表5-4为电网额定电压与线路允许电压损失的对照表。

例5-7采区上山绞车PN=110kW，UN=660V，从采区变电所到绞车房的电缆长400m，试选取电缆截面。

解：

1）按长时允许电流初选截面

Ica=IN=1.15×110=126.5A

查表5-2选取35mm2矿用橡套电缆，其长时允许电流Ip为138A。

Ip＞IN满足要求，初选合格。

2）校验电压损失

代入式5-15

V

查表5-4可知=33V，＞不合格。

增大截面为50mm2

V

＜校验合格。

例5-8某采区供电系统局部如图5-1所示，试选择电缆L1和L2的型号与截面。

解：

1）选择电缆型号

选择MYP-0.38/0.66型矿用橡套电缆。

2）计算L1的截面

L1的负荷是一台电动机，长时工作电流为：

Ica=IN=1.15PN=1.15×75=86A

查表5-2，选取25mm2，长时允许电流为113A，Ip＞IN满足要求，初选合格。

L1电缆的电压损失为：

V

3）计算L2的截面

L2的负荷是多台电动机。

因台数较少，故取Kde=0.8。

长时工作电流为

A

选取50mm2。

长时允许电流为173A，Ip＞Ica满足要求，初选合格。

L2电缆的电压损失为

V

从变压器到电动机的总电压损失为

V

＞不合格，把L2的截面增大到70mm2，重新计算电压损失。

V

总电压损失为

V

≈，合格。

例5-9炮采工作面运输巷配电接线图如下，试选择各段电缆的截面。

当从变压器到电动机有多段电缆时，可采用单位长度等电压损失法计算。

此方法只适用于电缆。

解：

1）求电缆总长度

m

2）计算单位长度允许电压损失

V/m

3）计算各段电缆的截面

L1段

mm2

选取70mm2，IP=215A。

校验长时允许电流

A

IP＞Ica，合格。

L2段

mm2

选取70mm2，IP=215A。

校验长时允许电流

A

IP＞Ica，合格。

L3段

mm2

选取50mm2，IP=173A。

校验长时允许电流

A

IP＞Ica，合格

L4段：

mm2

选取35mm2，IP=138A。

校验长时允许电流

A

IP＞Ica，合格

L5段：

mm2

选取25mm2，IP=113A。

校验长时允许电流

Ica=IN=1.15PN=46A

IP＞Ica，合格

例5-10某采区变电所向综采工作面移动变电站供电的高压电缆长1100m，移动变电站型号为KBSGZY-1000/6/1.14，该电缆允许电压损失为1%UN①，试选电缆型号和截面。

解：

1）选取电缆型号

可选MYPTJ-3.6/6型电缆。

2）按长时允许电流初选截面

移动变电站的额定电流为A

查表5-2，选25mm2，Ip=121A＞I1N，初选合格。

3）校验电压损失

V

＞不合格，把L2的截面增大到70mm2，重新计算电压损失。

V

＜合格。

注①：

从地面主变压器到工作面移动变电站的电缆分三段，地面——井下中央变电所——采区变电所——移动变电站，总电压损失正常时不得超过5%UN，故障时不得超过7%UN。

故该例题中采区变电所到移动变电站的电缆允许电压损失规定为1%UN。

二、变电所电压管理

电压是衡量电能质量的主要指标。

供电系统在运行中，送到用电设备的实际电压与额定电压总有一些偏差，此偏差值称为电压偏移。

如果电压偏移超过允许的范围，电气设备的运行状态将显著恶化，甚至损坏电气设备。

例如交流电动机电压过低时，电动机转矩急剧下降，起动困难，电流增大，运行温度升高，加速绝缘的老化，甚至烧毁电动机；电压过高时，会造成电动机空载电流和铁损的增大，温度升高，过高的电压甚至会造成绝缘击穿，引起短路。

一般电动机和照明灯的允许电压偏移为其额定电压的±5%。

煤矿井下常见电压问题是靠近变压器的地方电压过高，可达额定电压的1.1倍以上；离变压器远的地方电压过低，可低于0.9倍的额定电压。

当变压器出口处的电压偏高时，可通过电力变压器的调压分接头来调节，矿用隔爆干式变压器的调压分接头有+5%