柳山煤矿大型综采采区供电设计

 2012 届本科毕业设计（论文）

题     目 柳山煤矿大型综采采区供电设计 

所 在 系     机电动力与信息工程系     

专业班级    工业工程4班         

姓     名          吕师傅               

指导教师       孟庆春           

教务处制

柳山煤矿大型综采采区供电设计

Liu Shan large coal mine fully mechanized mining area power supply design

毕业设计（论文）共 28 页

完成日期: 2012年5月15日

答辩日期: 2012年5月17日

摘 要

本论文是针对柳山煤矿采区的地质条件，采煤方法，巷道布置以及采区机电设备容量，分布等情况而设计的采区供电系统和采区设备布置案。

随着生产规模的扩大和新煤层的勘探，为了满足生产发展的需要，根据新采区的实际情况,对其所需设备及供电线路等进行设计，本设计阐述了采区供电系统中各用电设备的选型及其计算过程，如变压器、电缆、开关的选择等，并对其进行整定和校验，设计中比较详细地叙述了矿用电缆及电气设备的选定原则以及井下各种保护装置的选择和整定。

关键词： 采区供电 ； 负荷计算 ；供电系统；电缆

Abstract

This paper is aimed at LiuShan mining coal mine of geological conditions, the coal mining method, arrange tunnels and mining electrical equipment capacity, distribution of the designed area power supply system and mining equipment layout case. 

With the enlarging of the production scale and the exploration of new coal seam, in order to meet the needs of the development of production, according to the actual situation of the new mining things, to the required equipment and power lines of design, the design expatiated mining power supply system of the electrical equipment type selection and calculation process, such as transformer, cable, switch the choice of, carries on the setting and check and so on, design more in detail the mining cable and electrical equipment in the selected principle and the choice of various protection device underground and the setting. 

Keywords: mining power supply; Load calculation; Power supply system; cable

前言

电力是现代化矿山企业生产的主要动力来源，煤矿的电气化为煤矿生产过程的机械化和自动化创造了有利条件，不断地改善矿工的劳动条件。现代的煤矿生产机械无不以电能作为直接（用电动机拖动）或间接（用气压驱动）的动力，矿山的照明、通讯和信号也都使用电能。对矿山企业进行可靠、安全、经济、合理的供电，对提高经济效益及保证安全生产方面都十分重要。

随着生产规模的扩大和新煤层的勘探，为了满足生产发展的需要，根据新采区的实际情况,对其所需设备及供电线路等进行设计。

1 采区介绍及设计条件

1.1 工作面位置

S1821工作面井下位于柳山煤矿S区W部＋350水平上山部份，S区8#轴部巷以南，S1820工作面以西，S1821运输巷以东(S1821工作面以西为打通建筑物下保护煤柱)，S1821切割巷以北，位于S1720、S1721保护层工作面采空区以下，属已保护的8#煤层采煤工作面。工作面地表位于打铁沟、福龙岗、牛滚凼坪、双龙弯、大顶一带。

1.1.1 工作面基本参数 

1.2 工作面负荷统计(详细负荷统计见附表1) 

2.1 确定变压器类型及台数

根据负荷统计情况及工作面的设备分布情况，结合现有设备[1]，拟在S1821工作面的运输巷一台皮带机头处设一台二次侧电压为660V的移动变电站（A配电点）；在距运输巷开口606米处设一台二次侧电压为1140V的移动变电站（B配电点），分别给运输巷设备和工作面设备供电。

2.2 计算容量及选择移动变电站

按需用系数法计算变压器容量[6]

2.2.1 S1821工作面运输巷口处的第一台移变确定(编号B01)

根据公式，计算变压器容量：

SB.j=[6]

式中：－需用率

式中：－参加计算的所有用电设备额定功率(不包括备用)之和(kW)

=802+40+125+172+252=409kW

Pmax－最大电机的额定功率(kW)，乳化液泵电机最大125kW

－联接到变压器的用电设备的总额定容量(kW)

           =802+42+1252+173+254+11.4=580.4kW

－电动机的加权平均功率因素，一般可以取0.8-0.9。这里取0.85

根据计算，查矿用隔爆型移动变电站数据表[8]，选择一台KSGZY-500/6的移变，根据公式：

SB.eSB.j

式中: SB.e－变压器的额定容量(kVA)

故能满足要求.

计算移变绕阻电压损失(V)：

UB=

式中：变压器的二次侧负荷电流IB

式中：KfB－变压器的负荷率

I2e －变压器二次侧额定电流(A)

变压器绕组阻抗RB：

式中：－变压器短路损耗(W)，查表[8]得3300W

变压器绕组电抗XB：

式中：Ux－变压器绕组阻抗，查资料[8]取4

UN2－变压器副边电压(kV)，0.69kV

2.2.2 所选变压器参数表[8]

按需用系数法计算变压器容量

2.3.1 S1821工作面距运输巷口606m处的第二台移变确定(编号B02)

根据公式，计算变压器容量：

[6]

式中：－需用率

Pmax－最大电机的额定功率(kW)，采煤机电机最大375kW（溜子电机是双速电机，低速启动是125kW×2）

－联接到变压器的用电设备的总额定容量(kW)

－电动机的加权平均功率因素，一般可以取0.8-0.9.这里取0.85

根据计算，查矿用隔爆型移动变电站数据表[8]，选择一台KBSGZY2-T-800/1.2的移动变电站，根据公式：

SB.eSB.j

式中: SB.e－变压器的额定容量(kVA)

故能满足要求.

计算移变绕阻电压损失(V)：

UB=

式中：变压器的二次侧负荷电流IB

式中：KfB－变压器的负荷率

I2e －变压器二次侧额定电流(A)

变压器绕组阻抗RB：

式中：=变压器短路损耗(W)，查表[8]得5200W

变压器绕组电抗XB：

式中：Ux－变压器绕组阻抗，查资料[8]取5.5

UN2－变压器副边电压(kV)，1.2kV

2.3.2 所选变压器参数表[8]

3.1 电缆型号的确定及走向

根据采区供电电压等级，工作条件，敷设以及电缆型号选择原则[7]等要求，该工作面电缆型号确定如下：

    1确定从西区+350变电所7＃柜→西区4＃材料上山→西区8＃轨道巷→工作面A配电点的供电采用MYJV22型6kV交联聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套的钢带铠装三相铜芯电缆； 

2确定从A配电点→S1821运输巷→B配电点的供电用MYPTJ-6kV监视型屏蔽铜芯橡套电缆；

3　从A配电点向胶带运输机、调度绞车、张紧绞车等设备供电，采用MY型0.69kV不延燃橡套电缆； 

4　从B配电点向采煤机、刮板运输机、桥转机等移动设备供电，采用MYP、MYCP型1.4kV屏蔽电缆；

3.2 电缆长度的确定

根据电缆长度确定公式[5]要求，现将各段电缆长度计算如下：

1采煤机电缆长度确定：

式中：－巷道实际长度(m)， =250+250=500m

－电缆敷设时对橡套电缆要求的系数，一般取1.1

－电缆长度(m)

2其它电缆长度计算略(见附表2)。

3.3 电缆截面的确定

3.3.1 高压电缆选择

GY01电缆截面的确定

1 按持续允许电流选择电缆截面

总视在功率：

式中：ΣPN－设备最大同时工作的电动机总功率，kW

ΣPN=409+965=1374kW

供电线路额定电压(kV)：6

计算电流为：

根据IN查表选择电缆截面为：A=50 mm2

2 按经济电流密度选择电缆截面

同时工作的电缆根数：n=1

电力电缆经济电流密度：j=2.5A/mm2

计算所得电缆截面为：

n－不考虑电缆损坏时，同时工作电缆的根数，1根

j－经济电流密度(A/mm2)，取2.5    

3 按电缆短路时热稳定选择电缆截面：

高压供电线路平均电压：Up=6.3kV

西区变电所母线的短路容量：Sd=50.0 MVA

三相最大稳态短路电流为：

短路电流作用假想时间：tf=0.25秒

热稳定系数：C=93.4    

计算所得电缆截面为：

4 根据计算所得的最大截面选择电缆参数

高压电缆型号：MYJV22－3×50－1400m

截面：A=50mm2

长时载流量：IY=160A

每公里电缆的电阻值： 

式中：－导电铜线芯+20℃时的电阻率，

每公里电缆的电抗值：X0=0.063Ω/km

5 高压电缆电压损失校验

       平均功率因数：cosφ=0.85

有功功率：P=S×cosφ=911.7×0.85=774.9kW

高压电缆长度：L=1.4km

计算高压电缆损失百分数Δu%为：

　　满足电压损失要求

   GY02高压电缆截面的确定：

1 按持续允许电流选择电缆截面

总视在功率：SBj=718.6kVA

计算电流为：

根据IN选择电缆截面为：A=35 mm2

2 按经济电流密度选择电缆截面

同时工作的电缆根数：n=1

电力电缆经济电流密度：j=2.5A/mm2

计算所得电缆截面为：

n－不考虑电缆损坏时，同时工作电缆的根数，1根

j－经济电流密度(A/mm2)，取2.5    

3 按电缆短路时热稳定选择电缆截面：

高压供电线路平均电压：Up=6.3

变电所母线的短路容量：Sd=50.0 MVA

三相最大稳态短路电流为：

短路电流作用假想时间：tf=0.3秒

热稳定系数：C=93.4    

计算所得电缆截面为：

4 根据计算所得的最大截面选择电缆参数

高压电缆型号：MYPTJ- 3×35+3×16/3+JS－636m 

截面：A=35mm2

长时载流量：IY=130A

每公里电缆的电阻值：

－导电铜线芯+20℃时的电阻率， 

每公里电缆的电抗值：X0=0.08Ω/km

5 高压电缆电压损失校验

       平均功率因数：cosφ=0.85

有功功率：P=SBj×cosφ=718.6×0.85=610.8kW

高压电缆长度：L=636 m=0.636km

计算高压电缆损失百分数Δu%为：

　　满足电压损失要求

3.3.2 低压电缆截面的确定

1 G01第一台皮带到第二台皮带段电缆截面的确定：

  计算该段电缆实际流过的负荷电流：

  式中：kx－需用率，取0.8

  =80+25=105kW

  按长时允许负荷选择电缆主截面：

  矿用电缆型号：MY-3×50+1×16-440m 

  AG01=50mm2

  电缆允许载流量为：IY=173A   

  每公里电阻：R0=0.448Ω/km

  每公里电抗：X0=0.081Ω/km

  以允许电压损失校验电缆，对于660V电网，其允许损失为：

  变压器电压损失：=14.7V

  电缆电压损失：

  式中：－电缆长度：495m

  Pe－第二台皮带处装机容量：105kW

  －电导率，铜：42.5m/Ω-mm

  －电缆截面，50mm2

        　故满足电压损失要求

2 G02，A配电点到泵站及机头回柱机段电缆截面的确定：

计算该段电缆实际流过的负荷电流，该电缆分为两段：

式中：kx－需用率，取0.7

=125+17=142kW

按长时允许负荷选择电缆主截面：

矿用电缆型号：MY-3×70+1×25-5m 

AG02=70mm2

电缆允许载流量为：IY=215A

每公里电阻：R0=0.258Ω/km

每公里电抗：X0=0.0612Ω/km

以允许电压损失校验电缆，对于660V电网，其允许损失为：

变压器电压损失：=14.7V

电缆电压损失：

式中：、－电缆长度：5m、308m

、－乳化液泵站处装机容量、工作面机头回柱机电机容量：142kW，17kW

－电导率，铜：42.5m/Ω-mm

、－电缆截面，70mm2、35mm2

　故满足电压损失要求

3 G03，A配电点到回风工作面机尾段电缆截面的确定：

本段电缆一直到机尾全部采用等截面电缆，以长时允许负荷电流选择，电压损失校验。

计算该段电缆实际流过的负荷电流：

式中：kx－需用率，取0.65

=11.4+25+25+17=78.4kW

按长时允许负荷选择电缆主截面：

矿用电缆型号：MY-3×35+1×10-1422m 

     AG03=35mm2

电缆允许载流量为：IY=138A   

每公里电阻：R0=0.616Ω/km

每公里电抗：X0=0.084Ω/km

以允许电压损失校验电缆，对于660V电网，其允许损失为：

变压器电压损失：=14.7V

由于该电缆是由几段电缆组成

电缆电压损失：

式中：=11.4+25+25+17=78.4kW

      =25+25+17=67kW

      =25+17=42kW

      =17kW

      =353m

      =35m

      =517m

      =517m

      －电导率，铜：42.5m/Ω-mm

     －电缆截面，35mm2

　故满足电压损失要求

4 Z01， B配电点至桥转机电机电缆截面的确定：

计算该段电缆实际流过的负荷电流：

式中：桥式转载机电机功率：=90kW

桥式转载机效率：=0.935

按长时允许负荷选择电缆主截面：

矿用屏蔽电缆型号：MYP-3×35+1×10-275m 

     AZ01=35mm2

电缆允许载流量为：IY=138A   

每公里电阻：R0=0.622Ω/km

每公里电抗：X0=0.084Ω/km

以允许电压损失校验电缆，对于1140V电网，其允许损失为：

变压器电压损失：=37.4V

电缆电压损失：

式中：－负荷率，取0.8

 －电缆长度：275m

 －电导率，铜：42.5m/Ω-mm

 －电缆截面，35mm2

 －效率，0.935

　故满足电压损失要求

5 Z02，B配电点到采煤机段电缆截面的确定：

计算该段电缆实际流过的负荷电流：

式中：采煤机总功率：=375kW

采煤机效率：=0.94

按长时允许负荷选择电缆主截面， MYCP-3×95+1×10+6×6-550m

     AZ02=95mm2

电缆允许载流量为：IY=260A   

每公里电阻：R0=0.232Ω/km

每公里电抗：X0=0.075Ω/km

以允许电压损失校验电缆，对于1140V电网，其允许损失为：

变压器电压损失： =37.4V

电缆电压损失：

式中：－负荷率，取0.8

－电缆长度：550m

－电导率，铜：42.5m/Ω-mm

－电缆截面，95mm2

－效率，0.94

　故满足电压损失要求

6 Z03，B配电点到刮板运输机段电缆截面的确定：

该运输机采用了双速电机，一级启动时总功率为125kW×2，延时5秒后再全负荷启动250kW×2，计算时一级电机的电缆只计算启动电流，不作校验。

计算该段电缆实际流过的负荷电流：

式中：工作面刮板运输机双速电机一级功率：=2×125 kW

工作面刮板运输机双速电机二级功率：=2×250 kW

工作面刮板运输机效率：=0.93

按长时允许负荷选择主电缆截面：

矿用电缆型号：MYP-3×95+1×25-275m、MYP-3×50+1×16-275m 

AZ03=95mm2

电缆允许载流量为：IY=260A

每公里电阻：R0=0.232Ω/km

每公里电抗：X0=0.075Ω/km

AZ03’  =50mm2

电缆允许载流量为：IY=173A

每公里电阻：R0=0.453Ω/km

每公里电抗：X0=0.081Ω/km

以允许电压损失校验电缆，对于1140V电网，其允许损失为：

变压器电压损失：=37.4V

电缆电压损失：

式中：－电缆长度：275m、275m

Pe’－工作面刮板运输机机尾电机功率：250kW

－电导率，铜：42.5m/Ω-mm

－电缆截面，95mm2、50mm2

－效率，0.93

　故满足电压损失要求

3.4 采区低压电器选择

3.4.1 计算各点的短路电流

用解析法[4]计算d6点的短路二相电流

式中：－变压器二次侧电压，690V

R=RB+R0L+RH

=0.0063+(0.258×0.467+0.517×0.440)+0.01=0.3Ω

X=XB+X0L

=0.0381+(0.0612×0.467+0.0637×0.440)=0.095Ω

RB、XB－变压器折合到二次绕组的相电阻及相电抗(Ω)

R0、X0－每公里电缆的电阻及电抗(Ω/km)，查表[6]得

R01=0.258Ω/km；X01=0.0612Ω/km

R02=0.517Ω/km；X02=0.0637Ω/km    

L－换算电缆长度(km)

式中：a1、a2－电缆换算系数，查表[6]得：a1=0.724；a2=1.43

－电缆长度，该电缆由两段组成，5米，308米

RH－短路点的电弧电阻，0.01Ω

根据计算负荷的电流，选择低压开关见下表：

3.5.1 GK01高压开关的整定

计算通过该高压开关的电流：

式中：SB01－该台变压器带负荷的视在功率，398.1kVA 

该高压开关柜采用WGZB-H4型微电脑控制高压馈电综合保护器，根据实际通过该开关的电流值进行整定。

额定电流：200A

过载：IGK01=0.3倍(60A)

短路：IGK01=6倍(360A) 

灵敏度校验：

式中：变压器变压比：KB=6000/690=8.7

－变压器低压侧母线上的最小两相短路电流：8325A

3.5.2 GK02高压开关的整定

计算通过该高压开关的电流：

式中：SB02－该台变压器带负荷的视在功率，718.6kVA 

该高压开关柜采用WGZB-H4型微电脑控制高压馈电综合保护器，根据实际通过该开关的电流值进行整定。

额定电流：200A

过载：IGK02=0.4倍(80A)

短路：IGK02=3倍(240A)

灵敏度校验：

式中：KB－变压器变压比：KB=6000/1200=5

－下一级保护范围末端的最小两相短路电流：5920A

PB4-200/6(改)高压开关整定值，见下表：

3.6.1 低压开关各种保护装置整定及检验

1K01矿用隔爆型真空馈电开关(KBZ-200/660)的整定，计算该开关实际流过的负荷电流[4]：

3.3.2　已经计算出该开关所带负荷电流：

该馈电开关采用PIR-800智能综合保护器，根据实际通过该开关的电流值进行整定。

过载整定：I1K01=55A

短路整定：I1K01=4倍(220A)

式中：－最大一台电动机的启动电流

－其余电动机的额定电流之和(A)

因回风巷设备同时工作的可能性较小，故只用25kW绞车校核启动电流。

灵敏度校验：

 （符合要求）

－1K01馈电开关保护范围末端的最小两相短路电流：444A

其它整定计算省略，整定值见下表：

4.1 井下保护接地装置的装设原则

1、36V以上的由于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备的金属外壳、架构等，都必须有保护接地装置。铠装电缆的金属铠装层、橡套电缆的接地芯线等均须接地[2]。

2、所有需要接地的电气设备，均应通过其专用的连接导线直接与接地网或铠装电缆的金属铠装层、铅护套相连接，禁止将几台设备串联接地，也禁止将几个接地部分串联。

3、所有必须接地的设备和局部接地装置，都应同井下接地极接地一个总接地网。

4、每个装有电气设备的硐室和配电点应设置辅助接地母线。

5、每个单独装设的高压电气设备设置1个局部接地极。

6、电缆的接地芯线，除用作监测接地回路外，不能兼作其它用途。

7、辅助接地极与主接地极相距5米以上。

4.2 保护接地装置的安装地点和要求

1、A、B两个工作面配电点，皮带机硐室以及高压连接器各装设1组局部接地极，同一地点有3台电气设备及其以上集中安装1组局部接地极。

2、接地网上任一保护接地点的接地电阻不得超过2欧。

3、所有电气设备的保护接地装置(包括电缆的铠装、铅皮、接地芯线)和局部接地装置，应与主接地极连接成1个总接地网。

4、局部接地极组成部件的材质和几何参数不得低于<<煤矿安全规程>>第四百八十六条的要求。禁止采用铝导体作为接地极、接地母线、接地导线和连接导线。

4.3 保护接地装置的安装和接地

1、安装主接地极时，应保护接地母线和主接地极连接处不承受较大拉力，并应有便于取出主接地极进行检查的牵引装置，接地母线和主接地极采用焊接连接。

2、局部接地极应平放于水沟深处，钻眼钢管必须垂直埋于潮湿的地下，地下部分不小于1.5m，地表部分应留有100m以上的焊接长度。

3、接地导线与接地母线的连接最好也用焊接。

4、固定电气设备与连接导线采用螺栓连接。

5、电缆接线盒的接地，应将接线盒 上的接地螺栓直接用接地导线与局部接地极相连。

6、保护接地装置所使用的钢材应镀锌或采取其他防蚀措施。

5 防火措施

1、配电硐室、皮带硐室、各配电点必须用耐火材料建筑[3]，硐室出口附近5米以内的巷道支架应用耐火材料支护。

2、为了通风良好，在硐室内最高温度不得超过附近巷道中温度的5℃。

3、硐室内应设有砂箱1个、砂袋不少于1.5立方米及干式灭火器材4具。

6 结 论

经过这段时间的努力和精心设计,通过翻阅大量的资料文献，使我对柳山煤矿采区供电系统有了深入的探索和研究。依照采区煤矿具体现状，设计出了能满足本矿安全、可靠生产的煤矿采区供电系统。

虽然本设计满足了本矿一般的生产需要，但由于本人知识水平的相对欠缺，对现代先进的煤矿开采方式和供电系统先进设备缺少一定的了解，因此在设计中很少使用现代化的计算机监控，这也是本设计有待于改进的地方。在以后的学习和社会实践中，我会加强各方面知识的学习，掌握更多的科学文化知识，为社会献出自己的微薄之力。

通过这段时间对柳山煤矿采区供电系统的设计，使我对所学知识进行了系统的归纳，对自己现在所掌握的知识水平有了一定的了解，这对我以后的实际工作将会起着很大的促进作用。

附表1

电缆长度及规格列表：

从毕业设计定题到论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 

    在这我要感谢我的指导教师孟庆春教授以及我的同学。在写作过程中给与了我非常大的帮助，使我顺利的完成了我的毕业设计。

参考资料

[1] 中华人民共和国国家标准《煤矿井下供配电设计规范》－GB50417-2007

[2]《煤矿井下电缆安装、运行、维修、管理工作细则》－中华人民共和国煤炭工业部制  订1988年

[3]佟熙田.煤矿井下供电设计指导[M],煤矿工业出版社,19

[4]《煤矿电工手册》第二分册，井下供电及照明煤炭工业出版社1981年12月

[5]郭玉.矿山电工学煤炭[M],工业出版社,19

[6]李荣生.矿山供电技术[M],化学工业出版社，2010

[7]李树伟.矿山供电[M],中国矿业大学出版社，2006

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