Проектирование электрической части понижающей подстанции

 

 

Содержание

Введение.                                                                                                                                                                      3

Исходные данные для выполнения курсовой работы.                                            5

  1. Выбор структурной схемы проектируемой подстанции.                                   6

     1.1. Выбор силовых трансформаторов.                                                                  7

 2. Выбор и обоснование главной схемы подстанции и схемы

     распределительных устройств.                                                                                9

     2.1. Выбор схемы распределительного устройства высокого напряжения.       10

     2.2. Выбор схемы распределительного устройства среднего напряжения.        11

     2.3.  Выбор схемы распределительного устройства низкого напряжения.         11

 3. Выбор проводов ЛЭП.                                                                                             12

     3.1. Выбор сечения провода по допустимой нагрузке.                                         12

     3.2. Выбор сечения провода по экономической плотности тока.                        12

     3.3. Проверка по условиям короны.                                                                        14

     3.4. Проверка проводов ЛЭП на падение напряжения.                                        16

 4. Расчет токов короткого замыкания.                                                                       17

     4.1. Расчет тока КЗ в точке К1.                                                                                22

    4.2. Расчет тока КЗ в точке К2.                                                                                 23

    4.3. Расчет тока КЗ в точке К3.                                                                                 24

 5. Выбор оборудования.                                                                                               26

     5.1.Выбор силовых выключателей.                                                                       26

         5.1.1. Выбор выключателей ВН.                                                                        27

         5.1.2. Выбор выключателей CН.                                                                        28

         5.1.3. Выбор выключателей НН. 29

         5.1.4. Выбор выключатели на отходящих линиях НН. 30

    5.2.Выбор разъединителей. 31

         5.2.1.Выбор разъединителей ВН. 31

         5.2.2.Выбор разъединителей СН. 31

         5.2.3.Выбор разъединителей НН. 32

   

      5.3.Выбор трансформаторов тока. 32

           5.3.1. Выбор трансформаторов тока на ВН. 32

           5.3.2. Выбор трансформаторов тока на СН. 33

           5.3.3. Выбор трансформаторов тока на НН. 33

     5.4.Выбор трансформаторов напряжения. 33

           5.4.1. Выбор трансформаторов напряжения на ВН. 34

           5.4.2. Выбор трансформаторов напряжения на СН. 34

           5.4.3. Выбор трансформаторов напряжения на НН. 34

  Заключение. 35

  Список используемой  литературы. 36

 

 

Графическая часть курсовой работы прилагается, содержит два листа:

• главная схема электрических соединений подстанции.
• спецификация оборудования.

 

 

 

                                    

 

 

 

 

 

 

                                                   Введение

Курсовое проектирование должно способствовать закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных студентами по данной и смежной дисциплинам  на лекциях, практических занятиях, в  лабораториях и на производственной практике. Воспитанию навыков самостоятельной творческой работы, ведения инженерных расчетов и технико-экономического анализа.

   Выполняя  курсовое проектирование, студент учится пользоваться справочной литературой, ГОСТами, едиными нормами, таблицами, приобретает навыки составления технико-экономических записок, подготавливается к дипломному проектированию. Самостоятельная работа студентов по проектированию электрических сетей играет существенную роль в подготовке инженеров.

Проектирование электрических станций, подстанций, электрических систем и сетей заключается в составлении описаний ещё не существующих объектов, предназначенных для производства, передачи и распределения электроэнергии. Это описание в графической и текстовой форме составляют содержание проекта, т. е. совокупности документов, необходимых для создания нового энергетического оборудования и установок.

Электрические станции  и подстанции проектируются как  составляющие единой энергетической системы (ЕЭС), объединенной энергосистемы (ОЭС) или районной электроэнергетической системы (ЭЭС).

Основные цели проектирования электрических станций, подстанций, сетей и энергосистем следующие:

1. производство, передача и распределение заданного количества электроэнергии в соответствии с заданным графиком потребления;
2. надёжная работа установок и энергосистем в целом;
3. заданное качество электроэнергии;
4. сокращение капитальных затрат на сооружение установок;
5. снижение ежегодных издержек и ущерба при эксплуатации установок.

      Первая цель определяется техническим заданием на электроснабжение потребителей определенного народнохозяйственного комплекса или административно-экономического района. Вторая и третья – существующими техническими нормативами. Четвёртая и пятая выступают в качестве экономического критерия оптимальности. Оптимальность решения при проектировании означает, что заданный производственный эффект получается при минимально возможных затратах материальных и трудовых ресурсов.

Проект представляет собой совокупность документов, содержащих основные проектные решения станции и подстанции. В рабочем проекте осуществляют корректировку решений  в соответствии с замечаниями, полученными при утверждении проекта, уточняют параметры элементов по текущим условиям комплектования оборудования и изготовления на предприятиях.

Так как данный проект является учебным, то принимается ряд допущений, позволяющих избежать чрезмерного увеличения объёма проекта и сосредоточить внимание на более существенных вопросах.

В данном курсовом проекте будут  разрабатываться следующие вопросы:

1. Выбор структурной схемы проектируемой подстанции.
2. Выбор силовых трансформаторов.
3. Выбор и обоснование главной схемы подстанции и схемы распределительных устройств.
4. Выбор сечений проводников воздушных линий и расчет режимов электрической сети проектируемой подстанции.
5. Расчёт токов короткого замыкания.

6. Выбор коммутационных аппаратов.
7. Выбор контрольно-измерительных приборов и измерительных трансформаторов для основных цепей схемы.
8. Выбор и описание конструкции распределительных устройств.

Графическая часть курсовой работы содержит один лист: главная схема электрических соединений подстанции.

Исходные данные для выполнения курсовой работы:

 

1. Трансформаторы на 3(три) напряжения.

2. Количество отходящих линий  – 4.

3. Длина линий:

4. Нагрузка потребителей:

5. Мощность системы 

6. Сопротивление системы   

7. Напряжение первичной  обмотки трансформатора   

8. Напряжение средней  обмотки  

9. Напряжение обмотки низкого напряжения   

10. Коэффициенты мощности  потребителей:      

         

11. Время использования максимальной нагрузки потребителей соответственно:                                               

       у потребителя     у потребителя      

      у потребителя       у потребителя  

12. Категории  потребителей:  первая категория; первая и вторая;

      третья; вторая категория. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор структурной схемы проектируемой подстанции.

 При проектировании  электрической подстанции первоначально  составляются структурные схемы,  в которых определяются состав  основного оборудования (силовые трансформаторы, автотрансформаторы) и связи между ними и распределительными устройствами (РУ) разных напряжений. Одновременно с выбором основного оборудования определяются и схемы, по которым оно будет работать. Выбор структурной схемы осуществим из расчета того, что схема должна отвечать условию, поставленному в курсовом проекте, а также иметь как можно меньшие потери электроэнергии в процессе эксплуатации электростанции.                                                                                               

Число трансформаторов на подстанциях выбирается в зависимости от категории потребителей, а также наличия резервных источников питания в сетях среднего и низкого напряжения. Исходя из данных для выполнения курсовой работы, от проектируемой подстанции питаются потребители всех трех категорий, а питание системы подводится лишь со стороны ВН, то по условиям надежности электроснабжения требуется установка не менее двух трансформаторов. Классификация подстанций по их месту и способу присоединения к сети нормативными документами не установлена. Исходя из применяющихся типов конфигурации сети и возможных схем присоединения подстанций их можно подразделить на:

тупиковые, ответвительные,

Рис. 1 Структурная схема  понижающей подстанции    проходные и узловые. По              назначению подстанции делятся на потребительские, предназначенные для электроснабжения потребителей      электроэнергии, и системные, осуществляющие связь между отдельными частями ЭЭС. Понижающая подстанция 220/110/35 кВ, проектируемая в работе является потребительской узловой подстанцией, являющаяся центром питания по отношению к потребителям электрических сетей напряжением 110 и 35 кВ.

 

1.1. Выбор силовых трансформаторов.

Номинальная мощность трансформатора представляет собой значение полной мощности трансформатора на основном ответвлении, гарантированное заводом-изготовителем в номинальных условиях охлаждающей среды при номинальном напряжении.

Выбор номинальной мощности трансформаторов и оценка допустимости возникающих в эксплуатации режимов  перегрузок осуществляются с учетом нагрузочной способности трансформаторов.

  Рассчитаем активную мощность подстанции:

С учетом собственных нужд подстанции расчетная активная мощность:

  Мощность, потребляемая для  собственных нужд подстанции обычно составляет 4-5% от мощности потребителей (по умолчанию берем 4%). 

Полная мощность подстанции на НН:

 

 

 

  Реактивная мощность на стороне НН:

, где   , а  

 

 

  ; 

 

Полная мощность на стороне СН:

 

 

Реактивная мощность на СН:

 

;

 

 

Суммарная мощность подстанции:

 

 

Номинальная мощность трансформаторов:

 

, где n- количество трансформаторов;    - коэффициент загрузки трансформаторов (для двух трансформаторной подстанции = 0,65…0,8).

 

Исходя из полученной номинальной мощности, выбираем два автотрансформатора марки АТДЦТН - 63000/220/110.

АТДЦТН-63000/220/110 – автотрансформатор трёхфазный, система охлаждения – принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла, трехобмоточный, с системой регулирования напряжения, номинальная мощность 63 МВ·А, класс напряжения обмотки высокого напряжения 220 кВ, обмотки СН – 110 кВ.

 

 

 

Таблица 1. Номинальные данные автотрансформатора

                 

Тип Автотрансфор-матора

Sн МВА

Напряжение обмотки, кВ

Px, кВт

Рк, кВт

Uk, %

Ix, %

Sнн, МВА

ВН

СН

НН

ВН-СН

ВН-НН

СН-НН

ВН-СН

ВН-НН

СН-НН

АТДЦТН - 63000/220/110

63

230

121

6,6; 11; 38,5

37

200

_

_

11

35

22

0,45

32

 

При установке на подстанции более одного трансформатора, расчетным  является случай отказа одного из трансформаторов, когда оставшиеся в работе трансформаторы с учетом их аварийной перегрузки должны передать всю необходимую мощность. Такая перегрузка допускается в течение пяти суток при условии, что коэффициент предшествующей загрузки был не более 0,93 и длительность перегрузки не более шести часов.

Проверка на перегрузку в аварийном  режиме:

, где = 1,4 – допустимый коэффициент аварийной перегрузки трансформаторов.

т.к. , то перегрузка трансформатора будет меньше допустимой. 

 

2. Выбор и обоснование главной схемы подстанции и схемы распределительных устройств.

Схемы промышленного электроснабжения выбираются из соображений надежности, экономичности и безопасности, а так же с расчётом на расширение. Надежность схемы определяется в зависимости от категории приемников электроэнергии. При этом если в числе приемников электроэнергии предприятия или цеха имеется хотя бы один приемник 1-й категории, количество источников питания должно быть не менее двух, а схема электроснабжения должна обеспечивать надежное его питание. Источники питания при этом должны быть независимыми. Они считаются независимыми в том случае, если нарушение режима или повреждение одного из них не влечет за собой нарушение режима работы или прекращение работы другого. Независимыми источниками питания могут быть в системе промышленного электроснабжения собственные электростанции промпредприятия или генераторы, работающие на разные секции шин и имеющие независимые первичные двигатели; станции, линии, секции, трансформаторы разных подстанций энергосистем. Независимыми могут считаться секции шин, питающиеся от генераторов (при условии, что их не менее двух на каждую секцию, причем секции не должны быть электрически связаны) между собой или иметь связь автоматически их разъединяющую.

     Из  комплекса предъявляемых условий,  влияющих на выбор главной  схемы электроустановки, можно выделить  основные требования к схемам:

• надежность электроснабжения потребителей;
• приспособленность к проведению ремонтных работ;
• оперативная гибкость электрической схемы;
• экономическая целесообразность.

     Исходя  из выше указанных основных  требований к схемам соединений, для проектируемой узловой подстанции  выберем  схемы соединений.

 

 2.1. Выбор схемы  распределительного устройства  высокого напряжения. 

РУВН с уровнем  напряжения 220 кВ используем схему четырехугольника. В этой схеме каждая линия может подключаться к любому трансформатору. Для этого на присоединении каждой линии установлены два выключателя. Схема четырехугольника обладает высокой надежностью, так как авария в линии или трансформаторе приводит к отключению только поврежденного элемента. 

Рис.2 Схема РУВН

 

2.2. Выбор схемы  распределительного устройства  среднего напряжения.

 Для РУСН с уровнем напряжения 110 кВ       используем одну секционированную систему шин с секционным выключателем, т.к. данная система обеспечивает надежность работы, при небольшом числе присоединений, из-за малого числа коммутационных аппаратов, что делает ее достаточно экономичной.

    

 

          Рис.3  Схема  РУСН

 

2.3.  Выбор  схемы распределительного устройства  низкого напряжения.

 РУНН с уровнем напряжения 35 кВ выполняем с одной секционированной системой шин с секционным выключателем. Схема проста и наглядна. На каждую цепь необходим один выключатель, который служит для отключения и включения этой цепи в нормальных и аварийных режимах. При необходимости отключения линии достаточно отключить выключатель. Если выключатель выводится в ремонт, то после его отключения отключают разъединители: с начала линейный, a затем шинный. Таким

            Рис.4 Схема РУНН                      образом, операции с разъединителями необходимы только при выводе присоединения в целях обеспечения безопасного производства работ. Вследствие однотипности и простоты операций с разъединителями аварийность из-за неправильных действий с ними дежурного персонала мала, что относится к достоинствам рассматриваемой схемы.

 

3. Выбор  проводов ЛЭП.

Проектируемая подстанция связана с энергосистемой, как источником напряжения заданной мощности, линией электропередач ВН. Обычно такие линии выполняются сталеалюминевыми проводами, т.к. они дешевле медных, а по механической прочности не уступают им. Поэтому обычно выбирают для этой цели провода марки АС.

3.1. Выбор сечения провода  по допустимой нагрузке.

Максимальный расчетный ток:

    

По числу цепей воздушные  линии делят на одно цепные, двух цепные и много цепные. Число цепей определяется схемой электроснабжения и необходимой степенью резервирования потребителей электрической энергии. Двух цепные линии могут быть выполнены на одно цепных или двух цепных опорах. Если линия электропередач ВН с точки зрения повышения надежности выбрана двух цепной, то расчетный ток одной цепи:

 

 

3.2. Выбор сечения провода по экономической плотности тока.

Правилами устройств  электроустановок установлены экономические  плотности тока, по которым должны выбираться сечения проводов и кабелей.

Экономическая плотность  тока зависит от значения продолжительности использования максимума нагрузки. С течением времени нагрузка сети не остается постоянной. Например, осветительная нагрузка достигает максимальной величины вечером, ночью она уменьшается, утром в зимний день вновь увеличивается (утренний максимум обычно ниже вечернего), днем нагрузка снова уменьшается. Суточный график нагрузки меняется по сезонам года. Продолжительностью использования максимума нагрузки для данного участка сети называется такое число часов, в течение которого при неизменной нагрузке, равной максимальной для этого участка, потребление электрической энергии в нем было бы равно действительному годовому потреблению. Чем равномерней график нагрузки, тем выше продолжительность использования максимума нагрузки. Если бы нагрузка сохранялась неизменной, продолжительность использования максимума равнялась бы 8 760 ч в году. Чем больше продолжительность использования максимума, тем меньше экономическая плотность тока.

Таблица 2. Экономическая плотность тока для проводов и шин.

Проводник	При ,час
	1000-3000	3000-5000	Более 5000
Неизолированные провода и шины медные/алюминиевые	2,5/1,3	2,1/1,1	1,8/1,0

 

Сечение проводника по условию экономической плотности тока определяется по формуле:   . Рассчитанное сечение провода округляется до ближайшего стандарта.

Рассчитаем сечение провода по экономической плотности тока:

.

Сечение, полученное в результате расчета, округляем до ближайшего стандартного значения . Выбираем сталеалюминевый провод АС-120. Исходя из задачи обеспечения надежности электроснабжения в случае повреждения или отключения одной из ЛЭП, рассчитываем каждую из линий на полную мощность:   при     . Выбираем провод АСО-240. Сталеалюминевый облегченный провод сечением .

 

 

 

3.3. Проверка по условиям  короны.

По условиям исключения общей короны и радиопомех сечение проводов выбирается таким образом, чтобы напряженность поля у поверхности любого провода не была больше определённого допустимого значения. При малых диаметрах провода напряженность электрического поля у поверхности провода велика. Увеличение диаметра может снизить величину этой напряженности до значений, при которых корона либо вообще не развивается, либо проявляется в незначительной степени. Разряд в виде короны возникает при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля , кВ/см:

,

где m - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода (для многопроволочных проводов m= 0,82);

- радиус провода, см.

Рассчитаем значение начальной критической напряженности электрического поля:

диаметр провода АСО-240 составляет 21,6мм, а 

Действительная напряженность  электрического поля около поверхности нерасщепленного провода:

где U- линейное напряжение, кВ;

- среднее расстояние между  проводами фаз, см.                                               При горизонтальном расположении фаз ,где Д- расстояние между

 

 

соседними фазами, см. Для напряжения 220кВ  Д=250см (ПУЭ п.п. 2.5.125, 2.5.126).

Провода не будут коронировать в  случае, если , проверяем:

в нашем случае это  неравенство не выполняется. Следовательно, необходимо прибегнуть к расщеплению проводов. Расстояние между проводами а в расщепленной фазе принимается при U=220кВ равным 20-30 см.

Напряженность электрического поля вокруг расщепленных проводов:

;

Где k- коэффициент, учитывающий число проводов n в фазе;

- эквивалентный радиус расщепленных  проводов.

 

 Таблица 3. Значения k и

 

Параметр	Число проводов в фазе, n
	2	3	4
Коэффициент, k
Эквивалентный радиус, , см.

 

Выберем два провода  АС-120 с наружным радиусом

Тогда эквивалентный  радиус расщепленного провода:

  

а коэффициент k равен:     

Действительная напряженность  электрического поля при расщепленных проводах:

, что равно допустимой напряженности  .

3.4. Проверка  проводов ЛЭП на падение напряжения.

При передаче электроэнергии по проводам часть напряжения теряется на сопротивление проводов и в  результате в конце линии, т. е. у потребителя, напряжение получается меньшим, чем в начале линии. Понижение напряжения у потребителя по сравнению с нормальным сказывается на работе токоприемника. Поэтому при расчете любой линии электропередачи отклонения напряжений не должны превышать допустимых норм, сети, выбранные по току нагрузки, как правило, проверяют по потере напряжения. Потерей напряжения ΔU называют разность напряжений в начале и конце линии (участка линии). 

Фактическое падение напряжения рассчитывается по формуле:

,

где - удельное активное сопротивление ЛЭП;

       -удельное индуктивное сопротивление ЛЭП;

        - длина линии ВН(по заданию).

Падение напряжения на расщепленной линии:

,

где n – число параллельно проложенных проводников;

,       .

 

 

Таблица 4. Значение удельных сопротивлений линии.

Провод
АС-70	0,46	0,444
АС-95	0,33	0,429
АС-120	0,27	0,427
АС-185	0,17	0,413
АС-240	0,13	0,405

 

Если рассчитанное падение  напряжения будет менее 5% выбранное  сечение провода остается. В противном случае необходимо увеличить сечение провода.

Для расчета ΔU необходимо рассчитать:

 

,  

 

, что менее допустимого.

 

4. Расчет токов короткого замыкания.

Расчет токов короткого  замыкания необходим для выбора и проверки электрооборудования  по условиям короткого замыкания (КЗ); для выбора уставок и оценки возможного действия релейной защиты и автоматики; для определения влияния токов нулевой последовательности линий электропередачи на линии связи; для выбора заземляющих устройств .

Короткие замыкания  есть случайные события. Совокупность параметров режима короткого замыкания  образует множество вероятностных  параметров. Расчетные условия КЗ, т.е. наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия КЗ, формируются на основе опыта эксплуатации электроустановок, анализа отказов электрооборудования и последствий КЗ, использования соотношений параметров режима КЗ, вытекающих из теории переходных процессов в электроустановках. Расчетные условия КЗ определяются индивидуально для каждого элемента электроустановки. Для однотипных по параметрам и схеме включения элементов электроустановки допускается использовать аналогичные  
расчетные условия. 
Расчет производим в следующем порядке:

На основании структурной  схемы с учетом принятого режима работы трансформаторов составляется расчетная схема, в которой показываются основное оборудование и приводятся его параметры.