煤电钻毕业设计.docx

煤电钻毕业设计.docx

《煤电钻毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤电钻毕业设计.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

煤电钻毕业设计

1概述

长期以来，我国的煤矿普遍采用6kV电压下井供电，还用极少数矿井由于历史原因还在采用3kV电压供电。

在旧版的《煤矿安全规程》（86版和以前版本）中有明确的规定“井下配电电压不得超过7000V”，很多煤矿为了符合这一条款，在地面设置了10/6kV的变电站，这在当时认为是必须的。

但随着采掘机械化，井下供电负荷、供电距离的不断的增长，原有的6kV供电系统已经不能满足矿井的供电要求，不能可靠的供电。

另外，从供电系统的经济效益来考虑，需减少变电环节，降低电能损耗。

这样，将6kV的配电电压用10kV电压所替代，也是煤矿供电发展方向。

另外，在我国目前执行的1983年的《全国供电规划》中规定高压电压的国家标准，额定电压为10kV、35kV……，并规定除发电厂直配电可采用3kV、6kV以外，其它等级的电压应逐步过渡到非淘汰电压等级。

而且根据国际电工委员会IEC标准38－77的规定，10kV公共配电电压作为电力系统向用户供电的标准电压。

因此，我国矿井供电系统应由6kV配电系统向10kV配电系统过渡，以适应标准规范的要求。

70年代以来，国内外矿井纷纷对10kV直接下井供电系统作了大量的试验和研究工作，并在部分矿井进行了10kV供电的试点工作，并取得了丰富的经验，至今已安全运行了30多年，取得了良好的经济和技术效益。

在新版的《煤矿安全规程》（92版和2001版）中都将“井下配电电压不得超过7000V”修改为“井下配电电压不得超过10kV”。

这样，矿井采用10kV下井供电就有了充分的技术政策保证。

26kV配电的历史原因与不合理性

2.16kV配电的历史原因

煤矿采用6kV电压作为其配电电压，有其历史原因的。

这主要是受到电气设备供货、行业规程、工矿企业生产工艺机械化程度和生产规模的限制。

其主要原因有以下几个方面：

2.1.1受电气设备供货的限制

工矿企业的主要拖动电器—电动机在90年代以前的最高额定电压为6kV，相应的起动控制设备也就围绕着6kV电压来进行。

2.1.2受行业规程的限制

内部采用6kV配电至今仍在大量的具有6kV高压电动机的工矿企业中应用，从历史的原因来看，这是由于：

在煤矿系统中，在《煤矿安全规程》（86版及以前版本）中有明确规定：

井下的配电电压不超过7000V。

在石油化工，纺织行业中的安全规程也有类似的规定。

2.1.3工矿企业生产工艺机械化程度的限制

主要是指生产工艺机械化、自动化水平较低，大型设备使用较少，从而造成大容量高压电动机的需求也比较少的原因。

有关设计部门曾作过设计方案来比较，400kW及以下的电动机做成6kV的比做成10kV的综合造价低，而500kV及其以上的电动机则是10kV比6kV的综合造价低。

而且容量越大，造价越低。

2.1.4受工矿企业生产规模的限制

因企业规模小，电力负荷相对比较小，供电距离也未超出6kV电压的供电能力，故还存在着得过且过的观念，对采用10kV配电的积极性不高。

2.26kV配电的不合理性

矿井采用6kV配电具有其历史的原因，也就同时具有其不合理性，这些不合理性具体表现在以下几个方面：

2.2.1标准的导向

根据国际电工委员会IEC标准38—77的规定，10kV为标准的公共配电等级之一。

我国的国家标准GB50052—1995供配电系统设计规范以及1983年国家经委颁发的《供用电规则》也有类似的规定，而6kV则被列为逐步被淘汰的电压等级。

2.2.210/6kV变压环节

由于工矿企业及城乡各领域均采用10kV作为电源，有些大型企业也有采用35kV甚至110kV作为电源，再设35/10kV，110/10kV变电站作为企业的内部供电，但由于企业内部或煤矿井下及地面有6kV高压电动机，因而不得不再设置10/6kV变电环节来为之供电，造成设备、投资及电能浪费。

2.2.36kV配电不适应生产的发展

由供电技术可知，6kV配电的输电能力有限，对于架空线路，其最大负荷距约为20MW·KM；对于电缆线路约为24MW·KM，（电缆指铜芯，架空线只有铝芯线），因而对于大型现代化企业，尤其是电力负荷较大的煤矿、冶金、化工、水泥等企业，显得力不从心。

对于10kV配电，其输电能力对于架空线，最大负荷可达45MW·KM对于电缆线路，可达50MW·KM。

由这些数据可知如采用10kV配电，其负荷距为原6kV负荷距的2倍以上，极大的提高了输电能力，适应了现代企业不断增长的电力负荷要求。

2.310kV直接下井供电的提出

中小型煤矿，一般不设35kV降压站，电源常就近取自城市10kV电网，但由于前述原因，井下高压只能采用6kV配电，因此必须在地面设置10/6kV变电所，增加一个效率很低的变压环节。

因10kV与6kV相差很小，这样会引起一系列的设备投资增加，电力损耗，年运行费用增加等问题，所以，特别要开展10kV直接下井供电技术攻关，以代替这种不合理的供电方案。

对于大型煤矿与特大型煤矿（日产煤万吨及以上），其综合机械化采煤程度高，产量及井下的用电负荷比中小煤矿大几十倍。

而供电距离也长达3～5km，故6kV配电系统已远远不能满足输送容量和电压损失的要求。

此外，部分开采日久的中型煤矿，因井下深度的增加和巷道的延伸，6kV线路的供电半径难以达到。

综合的来说，大型煤矿虽然同样采用10kV下井供电，但与中小型煤矿的目的不同，中小型矿井的主要目的是取消10/6kV变电环节，统一工矿企业的供配电电压，而大型矿井的主要目的是提高电网的输电能力，减小线路损耗。

10kV直接下井供电，不仅适用于煤矿供电，而且对于地面其它工矿企业也有普遍的推广意义，我国有大量的内部有高压电动机的企业也同样存在10/6kV变电环节。

目前，随着10kV电动机及其相应的控制设备的供货日趋充足和国家的经济政策法规的要求，10kV直接供电已在选煤厂、化肥厂、自来水公司、机械厂、排水工程、铝厂，水泥厂等地面企业推广使用，随着生产技术的进一步发展，工矿企业以10kV取代6kV直接为电动机供电完全可以实现的。

310kV配电系统的优越性

3.1简化供电系统，提高供电的可靠性，节约投资和运行费用

这一优点以中小型矿井和地方煤矿为突出，采用10kV配电系统，在矿井地面就与一般工厂一样，只需设双回路10kV配电所，并引出10kV下井电缆即可，因而简化了供电系统，供电可靠性提高，并节约了大量的投资和年运行费用。

两种方案的简化供电系统对比如图3－1所示：

I

由图可以看出，10kV下井供电比6kV下井供电可节省两台10/6kV主变压器和5～8台高压开关柜（含控制保护柜），并节约了主变压器的电力损耗，据设计估算，对于新建的中小型矿井，可节约电气部分投资15～40万元，年运行费用可减少5～15万元。

对于有35kV或110kV总降压站的大型、特大型矿井，若地面和井下高压配电均采用10kV，就可以节省两台大容量10/6kV主变压器及相关设备，其经济效益是很可观的。

当然，前文已提及，大型矿井采用10kV下井的优越性是主要体现在提高输电能力，减少线路损耗上面。

3.2提高输电能力

在相同的导线截面、长度、负荷功率因数的条件下，两种电压等级比较：

10kV线路输送的三相有功功率为：

（3—1）

6kV线路输送的三相有功功率为：

（3—2）

由前面给定条件，由于导线的截面和负荷功率因数都相同，故存在下面的关系：

将（3—1）与（3—2）式相比较，有：

P10/P6=U102/U62=102/62≈2.8（3—3）

即在线路阻抗与负荷功率因数相等的条件下，10kV电网的输电能力是6kV电网的2.8倍。

3.3降低电能损耗

在相同的输送功率，线路的阻抗及负荷功率因数条件下，10kV的有功损耗为：

（3—4）

同理，6kV的有功损耗为：

（3—5）

因为

故有

△P10/△P6=U62/U102=62/10≈0.36（3—6）

即在同等条件下，10kV线路的有功损耗仅为6kV线路的36%。

对于两种线路的无功损耗，也有类似结果。

3.4提高供电质量

对于用电户来说，供电质量主要是指供电线路末端的电压质量，即线路电压损失百分值要小，末端电压与首端电压的相位差要小。

目前矿井负荷对电网的频率的要求还不是很高。

下面在线路阻抗、负荷电流、负荷功率因数相等的条件下来加以比较，但此时10kV线路的输送功率已是6kV线路的

倍了。

设在两回相同的线路中分别通过功率因数同为

的电流I，对于6kV和10kV两种电压，他们的向量关系如图3-2所示。

其中

为始端电压，

为末端电压。

在此条件下，两种电网的电压损失有效值相等。

即

（3—7）

10kV线路的电压损失百分值为：

（3—8）

6kV线路的电压损失百分值为：

（3—9）

故得

（3—10）

可见在线路相同的条件下，即使输送功率是6kV线路的

倍，10kV线路的百分值仍只有6kV线路的60%，因而可以充分保证线路末端用电设备的电压质量。

从另一方面，由向量图很容易推出：

（3—11）

而fd＝eb

故而

（3—12）

显然，对于末端电压与始端电压之差，比有

10kV配电系统还有其它优点，如减小土建投资和有色金属消耗、降低系统运行费用、由于供电可靠性提高减少停电时间而带来的经济效益。

410kV直接下井供电的安全问题

井下配电电压由6kV改为10kV，必然会引起一系列的新的安全问题，因此需要研究和解决的安全问题主要有三个，即：

局部放电问题、短路容量问题和单相接地问题。

下面就分别介绍这三个10kV供电的安全问题：

4.1局部放电问题

4.1.1局部放电问题的提出

局部放电的概念是随着矿井采用10kV供电方案的提出而进入煤矿供电领域的。

局部放电是一种在高压设备中发生的非击穿性放电现象，一般有内部放电、表面放电和电晕放电三种类型。

在电气设备的绝缘构件中难免含有气隙，气隙的介电常数和击穿场强都远比介质低，当外加工频电压足够高时，气隙被首先击穿放电，而包围气隙的介质则仍能保持其绝缘性能，在工频电压的电极之间并没有形成贯穿性的电气通道。

这种现象就叫做内部局部放电，简称内部放电。

表面放电是一种从导体到介质表面所发生的放电现象。

高压带电导体在气体介质的局部放电现象叫做电晕。

局部放电的同时有热、声、臭氧、氧化氮等的产生，腐蚀绝缘材料，使之脆化、炭化等，造成不可恢复的损伤；同时，放电将产生带电质点，在电场的作用下撞击气隙表面的绝缘材料。

这种腐蚀和撞击的损伤若扩大，就使整个绝缘击穿或闪络。

因此在许多情况下，绝缘的损坏是由绝缘内部或表面的局部放电造成的。

所以，检测局部放电是否存在以及检测其放电的强度十分重要

4.1.2局部放电测量原理

在加上高压的电力设备中存在气泡的情况，可视为如图4-1所示的等值电路。

气泡的电容为C0，与气泡串联的绝缘其电容为C1，与气泡并联的无气泡绝缘其电容为C2，C0《C1

这样，由于电压的分配与电容大小成正比，所以在C0上的电压高于C1上的电压。

当外加电压升高到一定值，C0上的电压U0等于间隙放电电压时，间隙中发生放电。

如外加电压是交流的，则放电可反复发生。

设两极间距离为d，气泡为δ。

放电前．极间电容为

。

间隙放电时，电容C0上电荷通过间隙g放掉，其电压迅速下降；同时，C2通过间隙g对C充电，使C上的电压迅速上升，从而Cl上的电压即电极间的电压要下降一个△u（此过程是一个高频过程，电源被阻断）。

当U0下降到较小值时间隙g的放电电流几乎为零，电弧熄灭。

由于外加电压的存在，对C0重新充电．又重复上述过程，这种充放电继续下去，就形成了燃烧、熄灭交替出现的放电过程，使得局部放电电流呈现出脉冲性质．两极间也产生脉冲变化，同时有高频电磁辐射波产生。

令qx＝Cx△u，则称qx视在电荷量或视在放电量。

它表示当绝缘内部气泡放电时，反映在极板上好像有qx电荷被中和掉一样。

因此极板电压要下降一个△u。

局部放电测量就是要测量出这种放电来作判断，测出的参数有：

起始放电电压、视在电荷量、放电电流频率、放电脉冲电流峰值、放电波形等。

4.1.3局部放电的测量法

局部放电测量的方法有电测法和声测法，前者的优点是可以定量测出微小的局部放电，后者使用方便。

电测法测量回路的原理如图4-2所示．在被试品Cx上加测量回路可测绝缘内部产生的局部放电。

当视在放电量qx时，qx在Cx、耦合电容Ck和检测阻抗Zd组成的闭合回路上产生电流，在Zd上产生与qx成正比的电压；将次电压经放大送到检测装置M进行测量。

为防止外界电源的干扰，在电源与Cx之间接入阻抗Zch以阻断高频。

这种方法为直接测量，抗干扰能力较差，使现场应用受到了限制。

近年来，随着电子计算机和电子技术的高速发展．超声波检测技术也取得了很大的成绩。

例如．用超声波定期检测设备有无异常，绝缘材料内部有无缺陷等。

在变压器和SF6气体绝缘全封闭组合电器设备（简称GIS）中已有广泛而有效的应用。

目前常用的超声波检测方法是用声波监视装置进行探测，其工作原理是：

当电气设备内部发生局部放电时，在放电处产生了超声波，可以在材料或设备表面安装带有压电元件的变换器．将材料或设备中产生的声波转变为电信号，以监视绝缘材料的异常情况，推断缺陷发生的部位及绝缘内部是否发生了局部放电。

4.1.4对策分析

在井下10kV电网中，容易发生内部放电的电气设备有塑料电缆、高压电动机、干式变压器、环氧树脂接线盒等。

长期存在的内部放电，通过热、化学及射线辐射作用，使气隙周围的介质劣化变质，最终导致了电气设备绝缘击穿而发生短路。

对于运行中的电缆接线盒突然短路爆炸、电动机突然击穿烧毁等故障，长期存在着内部放电的消耗性破坏就成为其主要原因之一。

为了防止因内部放电而造成的电气事故，可以采取以下措施：

（1）改进制造工艺，降低绝缘构件中的气隙率，特别是防止较大的气隙的产生。

（2）在大量试验的基础上，制定出井下10kV电气设备允许的局部放电量的标准。

（3）定期测试井下各10kV电气设备的局部放电量，对放电量超过规定的电气设备应及时处理或更换。

在井下10kV电网中，这种表面放电常发生在电缆接头和电动机的出线端长期的表面放电将使导体腐蚀、结合面处的绝缘损坏，从而造成导致电气事故。

防止表面放电的措施是尽量降低结合面的电位梯度，如设置电场控制器、缠绕半导体胶带等等。

在井下10kV电网中，当非防爆型电气设备接线端子上的电晕能量超过0.28mJ时，就可能对接线的安全造成严重的威胁。

到目前为至，国内外还没有见到有井下6～10kV级电晕放电造成的瓦斯爆炸事故的报道，现在对电晕放电能量的初步测试表明：

6～10kV级的电晕放电还不足以引起瓦斯爆炸。

这一结论还需尽一步通过测试和爆炸试验来验证。

目前，为了提高电晕放电的起始电压和降低电晕放电的能量，可采用球形接线端子、涂半导体防晕漆、缠绕半导体胶带等一些简单而有效的措施。

4.2短路容量问题

4.2.1短路容量问题的提出

目前，我国的大多数煤矿井下采用6kV供电，其井下6kV母线上的短路容量，常常超出有关规程的规定，设计者不得不在地面上设置限流电抗器来限制短路容量。

这种方案使投资和占地面积增加，并导致电压质量下降。

采用10kV供电后，这一矛盾依然存在，而且产生了一些新的问题，尤其是中小型煤矿和地方煤矿。

由于受技术政策和电气设备的限制，只得在地面设置10/6kV变电所，为煤矿井下提供6kV电力。

这种显然不合理的供电系统，多见取用于10kV的中小型煤矿。

然而，这种供电系统也有一定的优点，例如，由于10/6kV的主变压器的隔离作用，本矿供电系统相对独立于上级变电所；井下6kV母线上的短路容量被10/6kV主变压器的阻抗所限制，使其数值显著降低等。

此外，受上级变电所的电气参数的影响小也是这种供电系统的优点之一。

如果煤矿采用10kV直接下井供电系统，本矿供电系统对上级变电所就不再是相对独立的了，井下10kV母线上的短路容量由上级变电所的主变压器的容量、最大运行方式下高压侧的短路容量及10kV输电距离等三个参数共同决定。

若煤矿距上级变电所较近，该短路容量就在很大程度上取决于上级变电所的电气参数，因而对煤矿井下的电气安全造成了威胁。

随着生产技术的发展，各大电网的相互合并以及变压器容量与系统短路容量的增加，使得短路容量最大与电气设备的选择的矛盾更为突出。

所以，对于采用10kV供电系统的煤矿（不设置10/6kV主变压器），在作供电设计时应充分考虑到这一矛盾，对电气设备的选择留有一定的余地。

4.2.2短路容量的参数分析及计算

对于中小型煤矿的10kV供电系统，其供电回路见图4-4：

根据供电的理论，其井下10kV母线上的短路容量可由下式求得：

（4—1）

式中Sd—井下中央变电所10kV母线上的短路容量，MVA；

Up—电网的平均电压，Up=0.5kV；

—短路回路总电抗（忽略各元件的电阻）；

；

XX—最大运行方式下的系统电抗，

；

XL1—10kV架空线电抗，

；

Xb—上级变电所主变压器电抗，

；

XL2—下井电缆电抗,

；

Sxd—系统最大运行方式下，上级变电所（35~110/10kV）（110/35/10kV）高压侧的短路容量，MVA；

L1—10kV架空线长度，km；

Ud%—上级变电所主变压器容量，MVA；

L2—下井电缆长度，km；

表4-1短路容量

编号

1

2

3

4

5

Sxd（MVA）

400

500

600

700

800

Sbe（MVA）

20

31.5

40

50

63

Sd（MVA）

69.8

77.2

83.7

89.7

94.7

当L1=2km，L2=0.5km，Sbe=20~63MVA，Ud%=10.5，Sxd=400~800MVA时，可根据上面的公式求出Sd的值，其结果如表4-1所示。

（110/35/10kV）三绕组变压器的计算结果与此类似。

若上级主变压器在煤矿的服务年限内增加两次，则Sd的增长比例为

（4—2）

同理

（4—3）

（4—4）

由此可知，只须将初期Sd的值增加到一定比例，来作为选择电气设备的依据，就可以解决这一矛盾。

而对于大型矿井，由于设置有110/10kV或35/10kV地面变电所，而且距离上级变电所较远，故本矿10kV供电系统上相对独立的。

但由于大型矿井的变压器容量较大，所以各级母线上的短路容量仍然比较大。

4.2.3对策分析

根据以上的分析，提出下列对策

提高井下10kV母线的Sdy值，这是解决Sd超限的好措施。

若能将Sdy提高到100MVA，则基本可以解决中小型煤矿的短路容量问题。

在新研制的井下10kV开关设备，其分断能力应具有50，100，200，300，400MVA等多种规格。

设计上采用储备系数。

采用10kV供电的煤矿，应设置不少于2km的架空线路，以限制短路容量。

此外，还应将初期的短路容量Sd增值15~20%来作为选择效验电气设备的依据。

对于大型矿井，可选择断路容量较大的开关设备来满足短路容量的要求。

4.3单相接地问题

4.3.1单相接地问题的产生

在《煤矿安全规程》（2001版）第457条规定：

"矿井高压电网的单相接地电流不得超过20A，否则，就必须加以限制。

这一规定的目的上为了防止间歇电弧而引起的过电压。

这种过电压的实测值小于等于3.2倍的相电压。

它虽不能危害绝缘良好的电气设备，但因为它分布在整个电网中，容易击穿电网中的绝缘薄弱处而造成一相接地短路，故对于运行多年的老矿井有更大的危险性。

一种有效的限制单相短路电流的措施是在变压器的中性点与地之间接入消弧线圈，利用消弧线圈产生的感性电流来抵消一部分接地电流（容性电流），就可以将接地电流限制到20A以下，从而消除了间隔电弧的发生。

对于中性点不接地的10kV电网，计算单相接地电流的近似公式是：

（4—4）

式中IE—单相接地电流（其主要成分是电容电流），A；

Kin—因电气设备而引起电容电流的增值系数，对于10kV电网，K=1.06；

UN—电网的线电压，kV；

Lch—电网架空线总长度，km；

Lca—电网电缆线路总长度，km；

煤矿若用10kV电网，其线路的总长度将小于6kV电网，但由于已由6kV增加到10kV，因而IE的计算结果仍大于6kV电网对于采用10kV供电系统（不设10/6kV主变压器）的中小煤矿，IE的计算就不能只考虑本矿的长度，而应计算该上级变电所10kV母线上所有用户的线路长度。

所以，IE的数值必有较大的增加。

而且其大小还要受其他单位负荷运行情况的影响，本矿在实际的运行过程中无法及时的管理和控制。

这与前面的短路容量问题是类似的。

对于大型矿井，本矿设置110/35kV地面变电所，供电系统独立。

但因其变压器的容量大，所带负荷也大，特别是大型矿井井下区域大，井下电缆长度的，所以单相接地电流一般将超出不大于20A的规定，需要采取措施进行补偿。

4.3.210kV系统接地故障分析

10kV电网一般是中性点不接地或经高阻抗接地，属于小接地电流系统。

在该系统中发生单相接地故障时，往往不会引起电网线电压的降低和电网电流的急剧增大，因此，电网仍然可以继续运行一段时间，并可以在这段时间内找出接地线路地点，并采取措施排除单相接地故障。

在正常条件下，电网三相对称，即电网三相电压

、

、

是对称的，电网导线与地之间的绝缘为无穷大，对地电容均匀分布。

通过每相的对地电流超过相应的电压90o，三相电容电流向量和等于零，电网的单相对地电压就是电源的相电压。

当电网发生单相金属性接地时，其电网及向量图如图4-5所示：

A相对地电压变为零，在向量图上反应出中性点O移动到A点与地重合，这相当于在接地外得到了一个与

大小相等而方向相反的电压

，既零序电压，

。

而此时各相对地电压

、

、

等于正常情况下各相对地电压

、

、

与零序电压

的向量和，即

（4—6）

由此可见，当中性点不接地系统的10kV母线发生单相金属性接地，接地相对地电压变为零，非接地相上升为线电压，电源中性点对地电压升高到相电压。

但三相电源及电网线电压仍保持不变，因此，电网中的设备仍可正常运行，并无影响，否则引起多相接地短路故障。

4.3.3规程及对策

严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。

矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。

地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上，必须装设在有选择性的单相接地保护装置；供移动变电站的高压馈电线上，必须装设有选择性跳闸的单相接地保护。

电压在36V以上和由绝缘损坏可能带有危险电压的电器设备的金属外壳构架，铠装电缆的钢带（或钢丝）、铅皮或屏蔽护套必须有保护接地。

接地网上任一保护接地点的接地电阻不得超过2

。

每一移动式和手持式电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯和接地导线的电阻值不得超过1

。

在供电设计中采用措施以减少单相接地电流，如地面10kV尽可能采用架空线，设置多台变压器分立运行等。

对于设有110/10kV或35/10kV地面变电所的煤矿，如果10kV接地电网接地电流超过规定，则应采用变压器中性点经消弧线圈接地的运行方式，但补偿度应是随机可控的，有条件的可设置接地电流自动补偿装置。

4.3.410kV系统单相接地保护装置

由前文的分析可知，如果单相接地长期的运行，会造成系统对地绝缘薄弱处击穿，从而造成相间短路。

如果单相接地