Проектирование главной схемы

Введение

Электрическая энергия является наиболее удобным и дешевым видом энергии. Широкое распространение электрической энергии обусловлено относительной легкостью ее получения, преобразования и возможностью ее передачи на большие расстояния. Огромную роль в системах электроснабжения играют электрические подстанции - электроустановки, предназначенные для преобразования и распределения электроэнергии. Электрическая подстанция — часть системы передачи и распределения электрической энергии, в которой происходит повышение или понижение значения электрического напряжения с использованием трансформаторов. Различают два вида электрической подстанции: распределительная и трансформаторная. Распределительная подстанция работает на одном напряжении и служит узлом для потребителей и других подстанций. На трансформаторной подстанции используются трансформаторы для повышения или понижения напряжения. Чаще всего встречаются совмещенные подстанции. Они являются важным звеном в системе электроснабжения. При проектировании подстанции стараются использовать типовые решения, схемы и элементы, что приводит к унификации оборудования подстанции и как следствие к удешевлению обслуживания и проектировочной стоимости. Но на практике, при проектировании подстанции приходится учитывать особенности месторасположения и другие исходные условия.

В данной курсовой работе производиться расчет электрической части подстанции. Для этого производится выбор типа подстанции, определение суммарных мощностей, выбор числа и мощности силовых трансформаторов.

Определение токов нормального и аварийного режимов, выбор средств ограничения токов короткого замыкания, сборных шин и электрических аппаратов.

Многообразие условий, которые необходимо учитывать при проектировании подстанций промышленных предприятий разных отраслей промышленности, не позволяет в ряде случаев дать однозначные решения по некоторым вопросам, поэтому приведенные в указаниях рекомендации не следует рассматривать как единственно возможные. В отдельных случаях возможны и неизбежны отступления от них, вытекающие из местных условий и из опыта проектирования в данной отрасли. Кроме этого имеются ссылки на литературу, где тот или иной вопрос рассмотрен более подробно.

Исходные данные для расчёта

1. Подстанция напряжением 110/35/10 кВ

2. Р_max=45 МВт, cos φ=08

3. Сопротивление системы Х_с=0,04 о.е.

4. Количество питающих ВЛ-110 кВ — 2 шт.

Длина ВЛ-110 кВ l=100км

Марка провода ВЛ-110 кВ — АС-120

5. Количество отходящих ВЛ-10 кВ — 8 шт.

6. Количество отходящих ВЛ-35 кВ — 5 шт.

7. Удельное сопротивление грунта ρ=246 Ом∙м

Категории потребители электрической энергии:

1 категории—10%

2 категории—60%

3 категории—30%

1. Выбор главной схемы электрических соединений ПС 110/35/10 кВ

Главная схема электрических соединений определяет основные качества электрической части станций и подстанций: надежность, экономичность, ремонтопригодность, безопасность обслуживания, удобство эксплуатации, удобство размещения электрооборудования, возможность дальнейшего расширения и т. д.

Выбор главной схемы – сложная задача. Многообразие исходных данных исключает возможность типовых универсальных решений, справедливых для любых условий. В большинстве случаев выбор схемы базируется на технико-экономических расчетах.

Проектирование главной схемы

Основные требования к главным схемам электрических соединений:

– схема должна обеспечивать надёжное питание присоединённых потребителей в нормальном, ремонтном и послеаварийном режимах в соответствии с категориями нагрузки с учётом наличия или отсутствия независимых резервных источников питания;

– схема должна обеспечивать надёжность транзита мощности через подстанцию в нормальном, ремонтном и послеаварийном режимах в соответствии с его значением для рассматриваемого участка сети;

– схема должна быть по возможности простой, наглядной, экономичной и обеспечивать средствами автоматики восстановление питания потребителей в послеаварийной ситуации без вмешательства персонала;

– схема должна допускать поэтапное развитие РУ с переходом от одного этапа к другому без значительных работ по реконструкции и перерывов в питании потребителей;

– число одновременно срабатывающих выключателей в пределах одного РУ должно быть не более двух при повреждении линии и не более четырёх при повреждении трансформатора.

Рис.1. Исходная схема электроснабжения

Графики нагрузок в процентах от максимальной активной нагрузки

Суточные графики НН:

а) зимой

;

;

;

;

.

Определяется суточный расход электроэнергии

= 810 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

б) летом

;

;

;

;

.

Определяется суточный расход электроэнергии

= 594 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

Суточные графики СН:

а) зимой

;

;

;

;

.

Определяется суточный расход электроэнергии

= 918 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

б) летом

;

;

;

;

Определяется суточный расход электроэнергии

= 702 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

Годовые графики НН:

а) зимой

б) летом

Годовые графики СН:

а) зимой

б) летом

а) Зимой ВН

Определяется суточный расход электроэнергии

= 1725 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

б) Летом ВН

Определяется суточный расход электроэнергии

= 1296 МВт∙час

Годовое потребление электрической энергии

МВт∙час

Определим продолжительность использования максимальной нагрузки часов

3 Выбор типа, числа и мощности силовых трансформаторов

В задании на курсовое проектирование указывается три напряжения подстанции 110 кВ, 35 кВ, 6 кВ, поэтому по количеству обмоток выбираем трехобмоточные трансформаторы. Мощность силовых трансформаторов должна обеспечивать в нормальных условиях питание всех потребителей. При выборе мощности трансформаторов надо добиваться экономически целесообразного режима их работы, а также обеспечения резервирования питания потребителей при аварийном отключении и выводе из работы на продолжительное время одного из трансформаторов.

Мощность трансформатора на двух трансформаторной подстанции выбираем по заданной мощности с учетом графика нагрузки.

где — номинальная мощность трансформатора

— максимальная нагрузка подстанции с учетом компенсирующих устройств

— максимальная реактивная мощность

МВАр

где определяется по заданному .

Реактивная мощность компенсирующих устройств определяется:

МВАр

при U=110 кВ

МВА

По шкале ГОСТ 1265-85

МВА

По шкале выбираем трансформатор типа ТДТН-40000/110 с МВА.

4 Расчет токов короткого замыкания

Коротким замыканием (КЗ) является всякое не предусмотренное нормальными условиями работы соединение двух точек электрической цепи (непосредственно или через пренебрежительно малое сопротивление).

Причинами КЗ являются механические повреждения изоляции, её пробой из-за перенапряжения и старения, обрывы, набросы и схлёстывания проводов воздушных линий (ВЛ), ошибочные действия персонала и тому подобное. В следствии КЗ в цепях возникают опасные для элементов сети токи, которые могут вывести их из строя. Поэтому для обеспечения надёжной работы электрооборудования, устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), электрической сети в целом производится расчёт токов КЗ.

В трёхфазных сетях и устройствах различают трёхфазные (симметричные), двухфазные и однофазные (не симметричные) КЗ. Могут иметь место также двухфазные КЗ на землю, КЗ с одновременным обрывом фаз. Наиболее частыми являются однофазные КЗ на землю (до 65% от общего числа КЗ), значительно реже случаются двухфазные КЗ на землю (до 20% от общего количества КЗ), двухфазные КЗ (до 10% от общего количества КЗ) и трёхфазные КЗ (до 5% от общего количества КЗ).

Токи короткого замыкания (КЗ) рассчитывают для выбора и проверки аппаратов и токоведущих частей на термическую и динамическую стойкость, для выбора, при необходимости, устройств по ограничению этих токов, а также для выбора и оценки устройств релейной защиты.

Расчётным является трёхфазное короткое замыкание, т.к. токи КЗ в этом случае имеют максимальные значения. При расчётах токов КЗ принимаются допущения:

- все источники, участвующие в питании рассматриваемой точки КЗ, работают одновременно и с номинальной нагрузкой;

- расчётное напряжение каждой ступени схемы электроснабжения принимается на 5 % выше номинального значения;

- короткое замыкание наступает в момент времени, при котором ударный ток КЗ будет иметь наибольшее значение;

- сопротивление места КЗ считается равным нулю;

- не учитывается сдвиг по фазе ЭДС различных источников питания, входящих в расчётную схему;

- не учитываются ёмкости, а, следовательно, и емкостные токи в воздушных и кабельных сетях;

- не учитываются токи намагничивания трансформаторов;

- напряжение источников питания остаются неизменным.

В сетях менее 110 кВ, расчёт токов КЗ производится для трёхфазного вида КЗ.

В связи с необходимостью проверки выбираемого силового и коммутационного электрооборудования на правильную работу в режимах коротких замыканий, а также для правильной работы устройств РЗиА расчётным видом КЗ является трёхфазное симметричное КЗ.

В зависимости от назначения расчёта выбираются соответствующие режимы работы электрической сети.

Например, выбор и проверка коммутационной аппаратуры на термическую стойкость требует, чтобы в ветви с КЗ протекал максимально возможный ток. Этот режим требует включения в расчетной схеме всех источников питания и ветвей связи. Такой режим называется максимальным.

Наоборот, проверка чувствительности устройств релейной защиты должна производиться с учётом ремонтных режимов сети, при которых отключена часть источников питания и ветвей связи, для того чтобы ток КЗ через проверяемую защиту был минимальным.

Однако, хотя расчётные режимы и виды повреждения для проверки чувствительности устройств РЗиА должны устанавливаться, исходя из наиболее неблагоприятных условий работы системы, выбранный режим работы должен быть реально возможным.

Находим токи короткого замыкания в точках К1 , К2, К3. Для нахождения токов в системе относительных единиц, примем базовыми следующие величины:

· Базовая мощность МВА;

· Базовое высшее напряжение U_б1 = 115 кВ,

U_б2 = 35 кВ,

U_б3 = 10,5 кВ.

Рис.2. Исходная схема замещения

Находим базовый ток:

Находим относительное сопротивление системы:

о.е.

Находим относительные сопротивления линий электропередач:

о.е.;

о.е.;

о.е.;

о.е.;

о.е.

Находим относительные сопротивления нагрузки:

о.е.;

о.е.

Находим относительные сопротивления генераторов:

о.е.;

Находим относительные сопротивления силовых трансформаторов:

Т22, Т23 S_H =40 МВА ТДТН 40000/110 кВ :

U_KB = 0,5(U_KB-C +U_KB-H –U_KC-H) = 0,5(10,5+17,5-6,5) =10,75

U_KC = 0,5(U_KB-C +U_KC-H –U_KB-H) = 0,5(10,5+6,5-17,5) = -0,25

U_KH = 0,5(U_KB-H +U_KC-H –U_KB-C) = 0,5(17,5+6,5 – 10,5) = 6,75

о.е.

о.е.

о.е.

Т9, Т10 S_H =100 МВА ТДТН 100000/220 кВ:

U_KB = 0,5(U_KB-C +U_KB-H –U_KC-H) = 0,5(12,5+12,5-28) =-1,5

U_KC = 0,5(U_KB-C +U_KC-H –U_KB-H) = 0,5(12,5+28-12,5) = 14

U_KH = 0,5(U_KB-H +U_KC-H –U_KB-C) = 0,5(12,5+28 – 12,5) = 14

о.е.

о.е.

о.е.

Т3, Т4 S_H =250 МВА ТДТН 250000/110 кВ х 4:

U_KB = 0,5(U_KB-C +U_KB-H –U_KC-H) = 0,5(11+32-20) =11,5

U_KC = 0,5(U_KB-C +U_KC-H –U_KB-H) = 0,5(11+20-32) = -0,5

U_KH = 0,5(U_KB-H +U_KC-H –U_KB-C) = 0,5(32+20-11) = 20,5

о.е.

о.е.

о.е.

Находим токи короткого замыкания в точке К3.

Рис.3. Первое преобразование схемы замещения

Объединяем последовательные и параллельные ветви схемы 2:

о.е.;

Е₁ = о.е.;

о.е.;

о.е.;

Е₂ = о.е.;

о.е.;

о.е.;

Е_ЭКВ = о.е.;

о.е.;

о.е.;

о.е.;

о.е.;

Находим токи короткого замыкания в точке К1:

о.е.;

кА;

кА.

Находим токи короткого замыкания в точке К2.

Составляем схему, используя данные предыдущего расчета

о.е.;

Рис. 8 Последнее преобразование схемы замещения

Находим токи короткого замыкания в точке К2:

о.е.;

кА;

кА.

Находим токи короткого замыкания в точке К3

Составляем схему, используя данные предыдущего расчета

о.е.

Рис. 10 Последнее преобразование схемы замещения

Находим токи короткого замыкания в точке К3:

о.е.;

кА;

кА.

5 Определение ударного тока.

Для проверки аппаратов на динамическую устойчивость определяют ударный ток короткого замыкания i_уд, который обычно имеет место через 0,01 секунды после начала короткого замыкания.

Формулы нахождения ударного тока:

ί _уд = · · (1 + ℓ- )

Та =

Таблица 1.1 - Средние значения отношения X/R

Рис. 11 Схема замещения активных сопротивлений

Расчет активных сопротивлений схемы замещения.

R_Г = 0,16 /75 = 0,00213 Ом

R_Н1 =0,875/2,5 = 0,35 Ом

R_Н6 =0,64/2,5 = 0,256 Ом

R_W2 =0.132/5 =0.0264 Ом

R_W4 =0.066/5 =0.0132 Ом

R_W5=0.045/5 = 0.009 Ом

R_W7 =0.165/5 = 0,033 Ом

R_W8 = 0.165/5 = 0,033Ом

R_BH=0.046/18=0.0026 Ом

R_CH=-0.002/18=-0.0001 Ом

R_HH=0.082/18=0.0046 Ом

R_BH=-0.015/18=-0.00083 Ом

R_CH=0.14/18=0.0078 Ом

R_HH=0.14/18=0.0078 Ом

R_BH=0.27/18=0.015 Ом

R_CH=-0.00625/18=-0.00035 Ом

R_HH=0.17/18=0.0094 Ом

R₁₈= 0.0132+0.0066 = 0,0198Ом

R₁₉= 0.0005325+0.0023 = 0.003 Ом

R₂₀ =0.35-0.00005=0.349 Ом

R₂₁ =0.0045-0.000415=0.0041Ом

R₂₂=0.0039+0.256=0.2599 Ом

R₂₃=0.0039+0.0165+0.0165=0.0369 Ом

Преобразование схемы замещения активных сопротивлений

R₂₄ = R₁₉ // R₂₀ =0.00297 Ом

R₂₅ = R ₂₄ + R₇ =0.00297+0.0013=0.0043 Ом

R₂₆ = R₂₅// R₁₈ = 0,00353 Ом

R₂₇ = R₂₆ + R₂₁= 0.00353+0.0041=0.00763 Ом

R₂₈ = R₂₇ // R₂₂ = 0,0074Ом

R₂₉ = R₂₈ + R₂₃ =0.0074+0.0369=0.0443 Ом

Для К1:

R₃₀= R₁₆ //R₁₇ =-0.000182Ом

R₃₁ = 0.0075-0.000182=0.00732 Ом

R₃₂= R₃₁ //R₂₉ =0.0063 Ом

Та = = = 0.0465

ί _уд1 = · · (1 + ℓ- ) = 5.84 · (1 + ℓ ) = 14.92 кА

Для К2:

R₃₀= R₂₉ + R₁₅ +R16=0.0443+0.0075-0.000175= 0,052 Ом

Та = = = 0,027

ί _уд2 = · · (1 + ℓ- ) = 4.06· (1 + ℓ ) =9.71 кА

Для К3:

R₃₀= R₂₉ + R₁₅ +R₁₇= 0.0443+0.0075+0.0047=0.0565 Ом

Та = = = 0,029

ί _уд3 = · · (1 + ℓ- ) = 11.25 · (1 + ℓ ) = 27.2 кА

Таблица 1.2 — Результаты вычислений

№	Номер расчетной точки К.З.	,кА	, кА	, кА
	К-1	5.84	5.08	14.92
	К-2	4.06	3.53	9.71
	К-3	11.25	9.8	27.2

6 Выбор оборудования подстанции на ВН

6.1 Выбор шин для ОРУ-110 кВ

В ОРУ-110 кВ используют гибкие шины. В качестве гибких шин применяют сталеалюминевые провода АС-95, АС-120, АС-150, АС-185, АС-240, АС-300, АС-500.

Сечение шин определяют по экономической плотности тока

при Тмах=7008 час

А

Полученное сечение проводов округляется до стандартного сечения. Поэтому выбираем провод АС-120.

Проверка шин на коронирование

Разряд в виде короны возникает при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля — .

кВ/см

где m — шероховатость проводов (m=0,82)

— радиус проводов (для АС-120 =6.182 мм)

Фактическая максимальная напряженность — :

где U — линейное напряжение

— среднее геометрическое расстояние между проводами при горизонтальном расположении шин.

При U=110 кВ

Провода не будут коронировать, если будет выполнено условие:

Провод марки АС-120 проходит по проверке на коронирование.

6.2 Выбор опорных изоляторов 110 кВ

Для ОРУ-110 кВ применяют опорные изоляторы типа ИОС-110-300 УХЛ, Т1

Усилие на опорный изолятор:

6.3 Выбор подвесных изоляторов

Для ОРУ-110 кВ применяют изоляторы стеклянные ПС-70Е по 9 шт. в подвесной и натяжной гирлянде изоляторов. В качестве креплений гирлянд изоляторов используем комплекты линейной арматуры, включающие в себя:

1 Узел крепления типа КГП-7-1

2 Скоба СК-7-1

3 Ушко У-7-1

4 Серьга СР-7-1

5 Промзвено ПТР-12

6.4 Выбор высоковольтных выключателей

Выключатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения тока.

Выключатель является основным аппаратом в электрических установках, он служит для отключения и включения в цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход, несинхронная работа. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание.

Привод выключателя предназначен для операции включения, для удержания во включенном положении и для отключения выключателя.

В РУ-110 кВ выбираем элегазовые выключатели типа ВГБУ-110.

Uн=110 кВ

Iн=1250 А

Ток отключения — 40 кА

Ток электродинамической устойчивости — 102 кА

Ток термической устойчивости — 50 кА

Расчетные и каталожные данные по выбору выключателей на стороне ВН

Таблица 6.1

Условия выбора	Расчетные данные	Каталожные данные
	кВ	кВ
	А	кА
	А	кА
	А	кА
	кА2´с	кА2´с

6.5 Выбор разъединителей

Разъединитель – это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.

Разъединители, устанавливаемые в открытых распределительных устройствах, должны обладать соответствующей изоляцией и надежно выполнять свои функции в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Разъединители типа РДЗ-110/1000Н.УХЛ1 с ручным приводом ПР-Т1

Iн=1000 А

Ток электродинамической устойчивости — 63 кА

Ток термической устойчивости — 25 кА

Расчетные и каталожные данные по выбору разъединителей для наружной установки

Таблица 6.2

Условия выбора	Расчетные данные	Каталожные данные
	кВ	кВ
	А	А
	А	кА
	кА2´с	кА2´с

6.6 Выбор разрядников

Для защиты от перенапряжений применяем разрядники

РВМГ-110(вентильный с магнитным гашением дуги) для стороны 110 кВ

6.7 Выбор отделителей

Отделители типа ОД -110 кВ с ручным приводом ПР-Т1

Iн=800 А

Ток электродинамической устойчивости — 31,5 кА

Ток термической устойчивости — 31,5 кА

6.8 Выбор короткозамыкателей

Короткозамыкатели типа КЗ-110-УХЛ1.

Ток электродинамической устойчивости — 20 кА

Ток термической устойчивости — 20 кА