Проектирование ответвительной подстанции

 

 

Министерство образования и науки РФ

Охинский филиал федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

"Сахалинский государственный  университет".

 

Специальность № 140206 «Электрические станции, сети и системы».

 

Допущен к защите

дипломного проекта

Заместитель директора

по УР:

__________________ Чубарова Н.И.

«______»________________2013г.

 

 

 

 

 

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: «Проектирование ответвительной подстанции».

ОФ СахГУ О. 140206 01.Э49 ПЗ

 

 

 

Руководитель дипломного  проекта                                                     Коренев А.С.

Выполнил студент группы Э49                                                             Руденко Д.Д.

 

 

 

Консультанты:

По технической части: Коренев А.С.

По экономической части: Манжурина А.В.

Рецензент:

 

 

 

 

 

 

 

2013г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Электроэнергетика - составляющая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию хозяйства страны на основе рационального производства и распределения электроэнергии. Она имеет очень важное преимущество перед энергией других видов - относительную легкость передачи на большие расстояния, распределения между потребителями, преобразования в другие виды энергии (механическую, химическую, тепловую, свет). 

Специфической особенностью электроэнергетики является то, что ее продукция не может накапливаться для последующего использования, поэтому потребление соответствует производству электроэнергии и во времени, и по количеству (с учетом потерь).

Последние 50 лет электроэнергетика является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей народного хозяйства России. Основное потребление электроэнергии в настоящее время приходится на долю промышленности, в частности тяжелой индустрии (машиностроения, металлургии, химической и лесной промышленности). 

В промышленности электроэнергия применяется в действие различных механизмов и самих технологических процессах; без нее невозможно действие современных средств связи и развитие кибернетики, вычислительной и космической техники.  
Так же велико значение электроэнергии в сельском хозяйстве, транспортном комплексе и в быту. 

Электроэнергетика отличается большим районообразующим значением. Обеспечивая научно-технический прогресс, она решающим образом воздействует не только на развитие, но и на территориальную организацию производительных сил, в первую очередь промышленности. 

Передача энергии на большие расстояния способствует более эффективному освоению топливно-энергетических ресурсов независимо от их удаленности от места потребления. 

Проектирование электрической части электростанций и подстанций представляет собой сложный процесс выработки и принятия решений по схемам электрических соединений, составу электрооборудования и его размещению, связанный с производством расчетов, поиском пространственных компоновок, оптимизацией фрагментов и объекта в целом. Этот процесс на современном этапе требует системного подхода при изучении объекта проектирования, математизации и автоматизации и автоматизации проектных работ с помощью ЭВМ, а также при использовании результатов новейших достижений науки и техники и передового опыта проектных, строительно-монтажных и эксплуатирующих организаций.

Целью курсового проекта является выбор схемы тупиковой подстанции, силового оборудования, составления плана и разработка конструкции подстанции.

 

 

1.Расчет электрических нагрузок подстанции.

 

Согласно заданию активная  потребляемая мощность:

;

Где: n— число потребителей,P— мощность потребителей.

 

Pmax = 2 * 20 = 40MBт

 

Максимальная реактивная мощность:

 

 

 

 

 

Qmax=40 * 1,02=40,8 МВАр

 

Так как трансформаторы и другое оборудование выбирается по средней нагрузке в наиболее загруженную смену, то для начала построим график нагрузки в графической (Рис. 1) и табличной формах  (Таблица 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Суточный график электрической нагрузки для подстанции ремонтно-механического завода.

 

Активная нагрузка потребителя  за час выраженная в именованных единицах.

1. ,

гдеPi%– активная нагрузка потребителя за час выраженная в процентах.

 

Реактивная  нагрузка потребителя за час выраженная вименованных единицах

2. ,

гдеQi%– реактивная нагрузка потребителя за час выраженная в процентах.

 

Полная  нагрузка потребителя за час выраженная вименованных единицах

3. (мВА).

 

Таблица 1. Нагрузка потребители на подстанции

Интервал времени, ∆ti ч	Pi, %	Pi, MBт	Pimax, MBт	Qi, %	Qмах, MBт	Qi, MBАp	Si, MBA
0...1	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
1…2	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
2…3	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
3…4	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
4…5	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
5…6	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
6…7	35,00	14,28	40,80	55,00	40,80	22,44	26,60
7…8	80,00	32,64	40,80	85,00	40,80	34,68	47,62
8…9	100,00	40,80	40,80	100,00	40,80	40,80	57,70
9…10	95,00	38,76	40,80	95,00	40,80	38,76	54,81
10…11	95,00	38,76	40,80	95,00	40,80	38,76	54,81
11…12	80,00	32,64	40,80	80,00	40,80	32,64	46,16
12…13	50,00	20,40	40,80	70,00	40,80	28,56	35,10
13…14	70,00	28,56	40,80	85,00	40,80	34,68	44,93
14…15	90,00	36,72	40,80	95,00	40,80	38,76	53,39
15…16	85,00	34,68	40,80	90,00	40,80	36,72	50,51
16…17	75,00	30,60	40,80	85,00	40,80	34,68	46,25
17…18	80,00	32,64	40,80	90,00	40,80	36,72	49,13
18…19	90,00	36,72	40,80	95,00	40,80	38,76	53,39
19…20	85,00	34,68	40,80	80,00	40,80	32,64	47,62
20…21	100,00	40,80	40,80	100,00	40,80	40,80	57,70
21…22	95,00	38,76	40,80	95,00	40,80	38,76	54,81
22…23	65,00	26,52	40,80	80,00	40,80	32,64	42,06
23…24	55,00	22,44	40,80	70,00	40,80	28,56	36,32

 

На основе расчетных данных, мы можем составить суточный график нагрузки (Рис. 2):

Рисунок 2. Суточный график активной и реактивной нагрузки потребителей на подстанции.

 

1) Полня средняя мощность:

(1.6) ;

где период изменения времени равный 1час.

 

2) Активная  средняя мощность: 

(1.7) .

 

3) Число часов использования максимума:

(1.8)   * 365 .

 

= 42,4 МВАр;

= 27,8 МВт;

= 6095,5 ч

 

2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ПОДСТАНЦИИ.

 

Электрическая подстанция — электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств.

Функционально подстанции делятся на:

Трансформаторные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения при помощи трансформаторов.

Преобразовательные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования рода тока или его частоты.

Электрическое распределительное устройство, не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом. Преобразовательная подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты называется вставкой постоянного тока.

Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.

Необходимость в повышении передаваемого напряжения возникает в целях многократной экономии металла, используемого в проводах ЛЭП, и уменьшения потерь на активном сопротивлении. Действительно, необходимая площадь сечения проводов определяется только силой проходящего тока и отсутствием возникновения коронного разряда. Также уменьшение силы проходящего тока влечёт за собой уменьшение потери энергии, которая находится в прямой квадратичной зависимости от значения силы тока. Основная же причина повышения напряжения состоит в том, что чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

 

Мощность подстанции рассчитывается по формуле:

(2.1)

Где Sср— полная средняя мощность подстанции;Sс.н.— полная мощность потребляемая для собственных нужд.

 

Sп/ст = 42,4 + 1,6 = 44 МВА.

 

Мощность собственных нужд потребляется с низкого напряжения подстанции (10кВ), нагрузка собственных нужд составляет 4 % от мощности потребителей:

(2.2)  ;

где Sср— полная средняя мощность подстанции

Sс.н. = 0,04 ∙ 42,4 = 1,7 МВА.

 

3.ВЫБОР ЧИСЛА, МОЩНОСТИ И ТИПА  ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОДСТАНЦИИ.

 

Число трансформаторов на подстанциях выбирается в зависимости от мощности и ответственности потребителей, также наличия резервных источников питания в сетях среднего и низшего напряжений. Таким образом, выбор количества трансформаторов является технико-экономической задачей.

Если потребители, подключенные к проектируемой подстанции, имеют I или II категорию по надежности электропитания, то, согласно ПУЭ, эти потребители должны получать питание от двух независимых источников питания. Такими источниками для районной подстанции является два трансформатора. Если на подстанции нет потребителей I категории, а нагрузка потребителей II категории не превышает 20%, то, как первый этап проектирования на подстанциях, предусматривается установка одного трансформатора. Потребители II категории получают резервное питание по линиям 10 кВ от соседних подстанций или от автономных источников электроснабжения.

По условию задания, проектируемая подстанция является тупиковой. С  учетом выше изложенного выбираем подстанцию двухтрансформаторную.

Установленная мощность двухтрансформаторной подстанции

Kпав= 1,4 – дополнительный коэффициент перегрузки (ГОСТ 1429-85).

Такая перегрузка допустима не более 5 суток при условии, что длительность максимальной нагрузки не более 6 часов.

 

Заданные параметры:

ВН = 35 кВ

НН = 10 кВ

 

Выбор мощности трансформатора

 

Выбор силового трансформатора будет производиться по трём основным параметрам, таким как: Высшее напряжение (ВН), Низшее напряжение (НН) и номинальная мощность трансформатора. Выбор будет производиться с учётом типа подстанции. Согласно заданию тип подстанции – тупиковая. Для расчёта номинальной мощности трансформатора нам необходимо рассчитать мощность потребителей первой категории по формуле (3.1) и третий категории по формуле (3.2).

Число трансформаторов, ;

(3.1)

=57,7 *8%= 4,6мВА.

(3.2)   ;

где Smaxiзначение полной мощности соответствующие 100% нагрузки.

= 57,7 – 4,6 = 53,1мВА.

Номинальную мощность определяем по формуле (3.3):

(3.3)  

= 0,8 * 53,1 = 42,48мВА.

 

Ориентировочный выбор трансформатора производится с учётом того, что номинальная мощность трансформатора должна быть больше или ровна расчётной мощности (формула 3.3).

По следующим формулам определяем коэффициенты загрузки:

(3.4)   ≤0,7- в нормальном режиме

(3.5)   ≤ 1,4- в аварийном режиме

 

Тип трансформатора	Номинальная мощность, МВА	Высшее напряжение, кВ	Низшее напряжение, кВ
ТРДНС 40000/35	40	35	10,5
ТРДНС 63000/35	63	35	10,5
ТДЦ 80000/35	80	35	10,5

 

1)ТРДНС 40000/35 а)

б)

2)ТРДНС 63000/35 а)

б)

3)ТДЦ 80000/35 а)

 б)

В данном случае лучше выбрать трансформаторТРДНС 63000/35- Трансформаторы трехфазные силовые масляные двухобмоточные с расщепленной обмоткой НН.

 

 

 

 

 

Таблица №2 Параметры трансформатора.

Тип	Мощность, кВА	Номинальные напряжения, кВ		Потери, кВт		Напряжение КЗ на номинальной ступени, %	Ток XX, %	Схема и группа соединений обмоток	Цена, тыс.руб.
		ВН	НН	XX	КЗ
ТРДНС-63000/35	63000	20; 24; 27	6,3-6,3; 6,3-10,5	50	250	ВН-НН 12,7 НН,-НН2 не менее 40	0,35	Д/Д-Д-0-0	90 700
		36,75	6,3-6,3; 10,5-10,5; 6,3-10,5					Ун/Д-Д-11-11; Д/Д-Д-0-0

 

 

 

4. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СХЕМЫ ПОДСТАНЦИИ.

 

Электрическая схема — это чертеж, на котором показано упрощенное и наглядное изображение связи между отдельными элементами электрической цепи, выполненной с применением условных графических обозначений, и позволяющий понять принцип действия устройства. В отличие от машиностроительных и строительных чертежей электрические схемы выполняют без соблюдения масштаба, а действительное пространственное расположение составных частей установки не учитывают или учитывают приближенно.

К схемам электрических соединений электрических станций и подстанций предъявляются следующие общие требования:

1) надежность  работы;

2) экономичность;

3) техническая  гибкость и удобство эксплуатации;

4) безопасное  обслуживание;

5) возможность  расширения.

Главная схема электрических соединений подстанции — это совокупность основного электрооборудования (трансформаторы, линии), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними соединениями.

Выбор главной схемы является определяющим при проектировании электрической части подстанции, так как он определяет полный состав элементов и связей между ними. Выбранная главная схема является исходной при составлении принципиальной схемы электрических соединений, схем собственных нужд, схем вторичных соединений, монтажных схем и так далее.

При выборе схемы электроустановок должны учитываться различные факторы: значение и роль подстанции для энергосистемы; положение подстанции в энергосистеме, схемы и напряжения прилегающих сетей; категория потребителей по степени надежности электроснабжения; перспектива расширения подстанции и прилегающего участка сети. Из всего комплекса условий, влияющих на выбор главной схемы подстанции, можно выделить основные требования:

- надежность электроснабжения потребителей;

- приспособленность к проведению  ремонтных работ;

- оперативная гибкость электрической  схемы;

- экономическая целесообразность.

 

Рисунок 3 Схема электрических соединений  подстанции

 

Данная схема является более простой по сравнению непосредственно со схемой электрических соединений подстанций, которая является наиболее расширенной версией структурной схемы. В ней (рис. 4) мы будем рассматривать устройство, положительные и отрицательные черты РУ (Распределительных устройств).

 

 

Рисунок 4. Схема электрических соединений подстанций.

 

На стороне РУ ВН 35кВ применяется система с одной рабочей и обходной системой сборных шин.

В нормальном режиме работы обходная система шин А0 находится без напряжения, разъединители QS1, QS6, QS9, QS12 и QS15 соединяющие линию и трансформатор с обходной системой шин А0 отключены. В схеме предусмотрен обходной выключатель Q0, который может быть присоединен к любой секции с помощью развилки из двух разъединителей. Секции в этом случае расположены параллельно друг другу. Выключатель Q0 может заменить собой любой другой выключатель, для чего надо произвести следующие действия: включить обходной выключатель Q0 для проверки исправности обходной системы шин А0; отключить Q0; включить QS9; включить Q0; отключить Q3; отключить разъединители QS10 и QS11.

После указанных операций линия получает питание через обходную систему шин А0 и выключатель Q0 от первой секции. Все эти операции производятся без нарушения электроснабжения по линии, хотя и связаны с большим количеством переключений. 

С целью экономии функции обходного и секционного выключателей могут быть совмещены. Кроме выключателя Q0 есть перемычка из 2 разъединителей QS2 и QS4. В нормальном режиме она включена, обходной выключатель присоединен к секции B2 и также включен. Таким образом, секции B1 и B2 соединены между собой, и обходной выключатель выполняет функции секционного выключателя. При замене любого линейного выключателя обходным необходимо отключить Q0, отключить разъединитель перемычки (QS2), а затем использовать Q0 по его назначению. На все время ремонта линейного выключателя параллельная работа секций и линий нарушается.

На стороне РУ НН 10кВ применяется система сборных шин, которые секционируются выключателем.

Выбор данной схемы производится из следующих соображений:  Схема проста, наглядна, экономична и достаточно высоконадежна. Источник питания 6-10 кВ присоединяется к сборным шинам помощью выключателей и разъединителей. На каждую линию необходим один выключатель, который служит для отключения и включения этой цепи в нормальных и аварийных режимах. Схема с одной системой сборных шин позволяет использовать комплектные распределительные устройства (КРУ), что снижает стоимость монтажа, позволяет широко применять механизацию и уменьшает время сооружения подстанции. Кроме того, авария на сборных шинах приводит к отключению только одного источника и половины потребителей, вторая секция и все присоединения остаются в работе.

Однако схема имеет ряд недостатков: При повреждении и последующем ремонте одной секции ответственные потребители, нормально питающиеся с обеих сторон, остаются без резерва, а потребители, нерезервированные по сети, отключаются на всё время ремонта. Также источник питания, подключенный к ремонтируемой секции, отключается на все время ремонта.

 

Этот недостаток можно устранить, присоединив источник питания одновременно к двум секциям, но это усложнит конструкцию РУ и увеличит число секций (по две на каждый источник)

На подстанциях секционный выключатель Q1 в нормальном режиме отключен в целях ограничения токов КЗ

 

5. ВЫБОР ПРОВОДОВ ВН  КАБЕЛЕЙ И ШИН НН.

 

Провод— электротехническое изделие, служащее для соединения источника электрического тока с потребителем, а так же компонентов электрической схемы. Провод состоит их проводящей жилы и изоляции.

В качестве проводящей жилы как правило используется медная или алюминиевая проволока. Жила может состоять из нескольких проводников (обычно скрученных) - многожильный провод. Тип жилы выбирается из условий применения. Одножильные провода обладают большей жесткостью. Многожильные обладают лучшей гибкостью и на высоких частотах обеспечивают меньшее электрическое сопротивление за счёт более однородного распределения плотности тока в поперечном сечении жилы.

В качество изоляции используются лаковое покрытие, полимеры, бумага, волокнистые материалы (шёлк, хлопок). А так же их комбинации. Иногда в качестве изолятора медного проводника используется оксидная плёнка. У голых проводов изоляция отсутствует.

Провода классифицируются по проводимости, площади поперечного сечения или диаметру, материалу проводника, типу изоляции, гибкости, теплостойкости и т. п.

Шинопровод — устройство, представляющее собой систему проводников, состоящее из шин, установленных на опорах из изоляционного материала и в каналах, коробах или подобных оболочках, и прошедшее типовые испытания.

В линиях электропередачи, как правило, используется провод марки АС. Выбор сечений проводников производится на основании: технико-экономических расчетов по экономической плотности тока и расчётных токов протекающих по проводнику.

 

Выбор проводов ВЛ ВН.

 

Воздушная линия электропередачи — устройство, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикреплённым с помощью траверс, изоляторов и арматуры к опорам.

 

Таблица №3. Экономическая плотность тока

Проводники	Экономическая плотность тока, А/мм2, при числе часов использования максимума нагрузки, ч/год
	1000-3000	3000-5000	более 5000
Неизолированные провода и шины:
Медные	2,5	2,1	1,8
Алюминиевые	1,3	1,1	1,0
Кабели с бумажной и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с жилами:
Медными	3,0	2,5	2,0
Алюминиевыми	1,6	1,4	1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с жилами:
Медными	3,5	3,1	2,7
Алюминиевыми	1,9	1,7	1,6

 

 

Выбор проводов начинают с расчёта максимального тока:

 

где:Smax-максимальная мощность, (мВА), -напряжение (кВ),n – количество кабелей.

 

После этого определяют экономическое сечение проводника по формуле (5.1).

(5.3)    Fэк = ,

Где: Iрасч – расчетный ток;

jэк – экономическая плотность тока (2,5 А/ для алюминиевого провода).

Fэк = =877()

Близкое стандартное сечение 600. Таким образом приравниваем и остальные значения.

При выборе провода нужного сечения провода, необходимо руководствоваться правилам:

1. необходимо чтобы провода проходили по условиям короны;
2. длительно допустимый ток, должен быть больше расчётного;
3. выбранный провод должен быть экономически выгоден.

Выбираем провод марки AC - 600/72. Жила — состоит из стального сердечника и скрученных алюминиевых проволок.

Электрические характеристики провода АС 600/72:удельное электрическое сопротивление материала проволок при температуре 20 °С, Ом•мм2/м — не более 0,0283;температурный коэффициент электросопротивления при неизменной массе, на 1 °С — 0,00403.

Условия прокладки провода АС 600/72:  -по воздуху на опорах ЛЭП в соответствии с правилами устройства электроустановок и правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей.

Условия эксплуатации: рабочая температура эксплуатации — от -60 до +40°С; длительно допустимая температура нагрева жил в процессе эксплуатации — не более 90 °С; временное сопротивление разрыву, МПа (Н/мм2) — 160–195;минимальный срок службы провода АС 600/72— не менее 45 лет.- гарантийный срок эксплуатации4 года с момента ввода проводов в эксплуатацию. 

 

(5.4)   Iд.≥Iрасч.(А)

Условие выполняется

Выбор на стороне НН

 

где:Smax-максимальная мощность, (мВА), -напряжение (кВ),n – количество кабелей.

 

После этого определяют экономическое сечение проводника по формуле:

Fэк = ,

Где: Iрасч – расчетный ток;jэк – экономическая плотность тока (2,5 А/ для медного провода).

Fэк = = 444,4 ()

Близкое стандартное сечение 500 . Таким образом приравниваем и остальные значения.

Выбираем провод АС – 700/86.Жила состоит из стального сердечника и скрученных алюминиевых проволок.

Электрические характеристики провода АС 700/86: удельное электрическое сопротивление материала проволок при температуре 20 °С, Ом•мм2/м — не более 0,0283; температурный коэффициент электросопротивления при неизменной массе, на 1 °С — 0,00403.

Условия прокладки провода АС 700/86:по воздуху на опорах ЛЭП в соответствии с правилами устройства электроустановок и правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей.