Расчет и выбор высоковольтных аппаратов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

в г. ТАГАНРОГЕ

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И МЕХАТРОНИКИ» 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 

РАСЧЁТ  И ВЫБОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ 

по курсу

Высоковольтные  аппараты 

Вариант 5 

Работа  защищена с оценкой ____________ 

     Таганрог  2010 

     Содержание 

    Введение……………………………………………………………………………..3

    Вариант задания к курсовой работе……………………………………………….3

1. Принципиальная схема распределительного устройства……………………..4

    2.Назначение и характеристика электрооборудования распределительного устройства…………………………………………………………………………………5

    3. Схема замещения для расчёта  токов короткого замыкания……………………6

    4. Расчёт токов короткого замыкания  в точках К-1 и К-2……………………….7

    5. Общие вопросы выбора электрических аппаратов и проводников…………..9

    6. Выбор электрооборудования высшего напряжения:

    6.1. Выключателя…………………………………………………………….10

    6.2. Разъединителя…………………………………………………………...12

    6.3. Трансформатора тока…………………………………………………..13

    6.4. Трансформаторов напряжения…………………………………………14

    6.5. Разрядников (ограничителей перенапряжения)………………………15

    7. Выбор электрооборудования низкого напряжения распределительного устройства:

     7.1. Выключателей вводного, секционного и линейного наиболее загруженной линии…………………………………………………………………16

     7.2. Выбор кабеля для наиболее загруженной линии…………………….22

     7.3. Выбор трансформатора напряжения…………………………………..23

     7.4. Выбор трансформатора тока в цепи силового трансформатора с низкой стороны……………………………………………………………………..24

     7.5. Выбор трансформатора тока для наиболее загруженной линии……25

     7.6. Выбор предохранителей………………………………………………..26

8. Спецификация  выбранного оборудования для  распределительного устройства  высокого и низкого напряжения…………………………………….27

Заключение…………………………………………………………………………28

    Список  использованной литературы……………………………………………..29

     Введение 

     Курсовая  работа по предмету «Высоковольтные  аппараты» является завершающей работой по курсу, основная её задача обобщить все полученные знания.

     Цель  курсовой работы - научиться рассчитывать и выбирать электрооборудование распределительных устройств выше 1000 В, составлять техническую документацию, закрепить навыки чтения и разработки электрических схем в РУ, подготовиться к выполнению квалификационной работы.

           При выполнении курсовой работы необходимо: выполнять чертежи, условные обозначения элементов  схем согласно стандартам ЕСКД и ЕСТД. 

     Вариант задания к курсовой работе 

1. Принципиальная  схема распределительного устройства.

Рис.1 Однолинейная схема ГПП-35/6 кВ

     2. Назначение и характеристика электрооборудования распределительного устройства. 

     На  рис.1 изображены следующие виды электрооборудования: 

     Q1- Q8, QB1 – выключатели;

     QS1- QS6 – разъединители;

     FU1- FU4 – предохранители;

     TA1 – TA8 – трансформаторы тока;

     TV1 – TV4 – трансформаторы напряжения;

     FV1 – FV6 – разрядники (ограничители напряжения);

     T1 – T3 – силовые трансформаторы;

     Опишем каждый электрический аппарат отдельно.

     Выключатель нагрузки - выключатель, имеющий дугогасительное устройство небольшой мощности. Предназначен для отключения номинальных токов нагрузки.

     Разрядники  служат для защиты установки (КТП) от перенапряжений, возникающих в процессе коммутаций и воздействий атмосферных явлений. При повышении напряжения сверхноминального значения разрядник срабатывает и ограничивает напряжение на фазе установки.

     Предохранители - электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки.

     Автоматические  выключатели предназначены для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов, а также для оперативной коммутации отдельных цепей в энергосистемах.

     Переключатель предназначен для ручного выключения и отключения тока в цепях с напряжением до 220 В постоянного напряжения и 380 В переменного. При больших значениях напряжения этот аппарат коммутирует цепь при отсутствии тока. Рубильники выпускаются в одно-, двух- и трехполюсных исполнениях.

     Силовой трансформатор - стационарный прибор, который посредством электромагнитной индукции преобразует систему переменного напряжения и тока в другую систему напряжения и тока, как правило, различных значений при той же частоте в целях передачи электроэнергии.

     Трансформа́торы то́ка служат для измерения, преобразования и передачи информации о режиме работы сильноточной цепи высокого напряжения в цепь низкого напряжения, с целью её последующей обработки, при этом ТА служат для изоляции первичной цепи высокого напряжения от вторичной цепи низкого напряжения, имеющей потенциал земли.

     Трансформаторы  напряжения предназначены, как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты ЛЭП от замыканий на землю.

     Разъединители служат для коммутации обесточенных цепей в целях проведения ремонта или ревизии в высоковольтных аппаратах, а также для выполнения переключений распределительного устройства на резервное питание 

3. Схема замещения для расчёта токов короткого замыкания.

     Рис. 2. Схема замещения

4. Расчёт  токов короткого замыкания в  точках К-1 и К-2.

     Секционный  выключатель QB1 на шинах 6 кВ ГПП принят нормально отключенным для ограничения токов короткого замыкания и включается автоматически при отключении одного из трансформаторов Т1, Т2. Трансформаторы Т1 и Т2 работают раздельно. Составляется схема замещения исходной схеме. Расчёт токов КЗ ведётся в именованных единицах и принимаются индуктивные сопротивления приведённые к ступени напряжения 37,5 кВ. Активными сопротивлениями пренебрегаем.

     Определяем  сопротивления элементов схемы  замещения:

     х_с = 25 Ом (исходные данные); 
 

     где х₀ = 0,4 Ом/км, удельное сопротивление ЛЭП; 

      ,

     Где U_н – номинальное линейное сопротивление трансформатора с высшей стороны (35 кВ);

       – номинальная  мощность трансформатора  в мВА,  = 4 мВА; 
 

     где х₀ = 0,08 Ом/км, удельное сопротивление кабельной линии.

     Сопротивление кабельной линии находится на ступени напряжения 6 кВ, это сопротивление необходимо привести к ступени напряжения 37,5 кВ, поэтому приведённое сопротивление кабельной линии будет определено по формуле: 
 

     Определяем  трёхфазные токи короткого замыкания  в точках (К-1, К-2 и К-3) по формуле:

      ,

     Где – среднее напряжение ступени равное 37,5 кВ;

     - суммарное сопротивление  до точки КЗ. 

     Определяем  трёхфазный ток КЗ в точке К-1: 
 

     Определяем  ток трёхфазного КЗ в точке К-2: 

     Приводим  этот ток КЗ к напряжению 6,3 кВ: 
 

     Определяем  ток трёхфазного КЗ в точке К-3: 
 

     Приводим  этот ток КЗ к напряжению 6,3 кВ: 
 

     Определяем  ударные токи КЗ (амплитудное значение с учётом апериодической составляющей) в точках К-1, К-2 и К-3:

      ,

     Где- ударный коэффициент, зависящий от схемы сети, мощность системы и места КЗ, = 1,8.

     Ударный ток:

     в точке К-1: 

     в точке К-2: 

     в точке К-3: 
 

     Значения  токов КЗ и ударных токов сводим в таблицу 1.

     Таблица 1.

     5. Общие вопросы выбора электрических аппаратов и проводников 

     Все электрические аппараты, токоведущие  части и изоляторы должны быть выбраны по условиям длительной работы и проверены по условиям короткого  замыкания (КЗ) в соответствии с указаниями «Правил устройства электроустановок» [1] и Руководящих указаний по расчёту  коротких замыканий, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания [2].

     Выбор аппаратов и проводников проектируемой  установки начинают с определения  по заданной электрической схеме  расчётных условий, а именно: расчётных  рабочих токов присоединений, расчётных  токов короткого замыкания и  т. д.

     Расчётные величины сопоставляют с соответствующими номинальными параметрами аппаратов  и проводников, выбираемых по каталогам  и справочникам.

     При выборе аппаратов необходимо учитывать  род установки (наружная или внутренняя), температуру окружающего воздуха, влажность, загрязнённость помещения, а также габариты, вес, стоимость  аппарата, удобство его размещения в распределительном устройстве.

     Различают следующие напряжения электрических  сетей и присоединённых к ним  источников и приёмников электрической  энергии в установках выше 1000 В:

     номинальное междуфазное напряжение U_ном;

     наибольшее  рабочее напряжение U_max;

     среднее рабочее напряжение U_ср.

     Значение  напряжений выражено в кВ:

     Таблица 2

     Изоляция  электрических аппаратов и кабелей  должна соответствовать номинальному напряжению установки U_у, для чего должно быть выполнено условие U_у ≤ U_ном , где

     U_ном – номинальное напряжение аппарата или кабеля. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Выбор электрооборудования  высшего напряжения

     6.1. Выбор выключателя 

Выбор выключателя Q2 в цепи силового трансформатора Т1 мощностью           4 мВА с учётом 30 % перегрузки.

     В нормальном рабочем режиме через  выключатель протекает ток 
 

     Определяем  расчётный ток утяжелённого режима: 
 
 

     Расчётным током КЗ является ток на шинах  высшего напряжения в точке  К-1.

     Выключатели распределительных устройств напряжением 35 кВ и выше выбираются обычно однотипными  для всех цепей данного распределительного устройства и проверяются по наиболее тяжёлым условиям КЗ. К установке  принимаем выключатель маломасляный трёхполюсный типа ВМ-35-12,5/630 с собственным временем отключения  t_св = 0,05 с. Привод к выключателю пружинный типа ППК-2300. Расчётное значение периодической составляющей тока КЗ:

     I_пt = I_п0 = 0,72 кА (удалённое КЗ).

     Расчётное время:

     τ = t_з,min+ t_св = 0,01+0,05=0,06 с.

     Апериодическая  составляющая тока КЗ для ветви от энергосистемы:

      ,

     ,

     Где Т_а = 0,02, е = 2,7 - натуральное число.

     Завод-изготовитель гарантирует выключателю апериодическую составляющую в отключаемом токе для времени τ

     , 

     Где = 0,1  для τ = 0,06 с.

     Тепловой  импульс, выделяемый током КЗ:

      ,

     ,

     Где t_отк = t_р.з + t_с.в = 0.1 + 0,08 = 0,18 с ;

     T_а = 0,02 (табл. 2 методические указания);

     t_р.з – время действия основной защиты трансформатора равное 0,1 с;

     t_с.в – полное время отключения ВМ-35-12,5/630, равное 0,08 с. 

     Все расчётные и каталожные данные сводим в таблицу 3.

      Выбираем  по каталогу или справочнику разъединитель типа РНДЗ-2-35/630. 

     Таблица 3.

     Как видно из таблицы 3. все каталожные данные больше или равны расчетным параметрам. Следовательно, выключатель ВМ-35-12,5/630 в цепи силового трансформатора выбран правильно. 

     6.2. Выбор разъединителя 

           Выбор разъединителя  QS4 в цепи трансформатора собственных нужд мощностью S_н = 25 кВА.

           Разъединитель выбирается:

     - по номинальному напряжению –  U_уст ≤ U_ном ;

     - по номинальному длительному  току – I_{раб.утяж}  ≤ I_ном

      ; 

     - по конструкции. Разъединитель QS4 должен быть наружной установки. 

     Предварительно  выбираем РЛНД-1-10/200. Это разъединитель линейный, наружной установки, двухколонковый, с одним заземляющим ножом, на U_н = 10 кВ, I_ном = 200 А (с медными ножами).

           Проверяем по электродинамической  стойкости или по предельному  сквозному току: 

     2,5 кА < 20 кА

      = 2,5 кА

     = 20 кА

     Таким образом, выбранный разъединитель  РЛНД-1-10/200 удовлетворяет расчётным и каталожным данным и принимается к установке. 

     6.3. Выбор трансформатора тока  

     Выбор трансформатора тока ТА1, он устанавливается в ОРУ-35 кВ в цепи силового трансформатора и предназначен для устройств релейной защиты, измерений электрических величин (тока, активной и реактивной мощности, для измерения активной и реактивной энергии).

     Поэтому предусматривается трансформатор  тока на номинальное напряжение 35 кВ в открытых распределительных устройствах (наружной установки) типа ТФМ- 35-II-У1 (трансформатор тока, с фарфоровой покрышкой, для защит). 

     Сравнение расчётных и каталожных данных заносим в таблицу 4.

     Таблица 4.

     Таким образом выбираем трансформатор тока в цепи силового трансформатора с высокой стороны ТФМ-35-II-У1 (однофазный масляный трансформатор тока серии ТФМ наружной установки предназначен для питания электрических измерительных приборов и защитных устройств в электросетях переменного тока 35 и 110 кВ, для использования в системах защиты электрооборудования классов напряжения до 500 кВ и выше)

      Проверка трансформатора тока на вторичную  нагрузку S₂≤ S_ном в курсовой работе не производится. 

     6.4. Выбор трансформатора напряжения TV1 

           Трансформатор напряжения TV1 устанавливается в открытом распределительном устройстве ОРУ-35 кВ, следовательно, TV1 должен быть для наружной установки. Выбираем TV1:

     - по номинальному напряжению –  U_уст ≤ U_ном принимаем U_ном = 35 кВ;

     - по конструкции (наружной установки)  и схеме соединения обмоток.  Принимаем три однофазных трансформатора напряжения типа ЗНОМ-35-65У1, соединённых с первичной стороны в звезду с заземлённой нейтралью;

     - по классу точности кл. 0,5;

     - по вторичной нагрузке - не проверяем, так как в ОРУ-35 кВ первой и второй секциях шин 35 кВ только лишь по одному присоединению (Т1 и Т2).

           Таким образом принимаем к установке TV1 и TV2 трансформаторы напряжения типа ЗНОМ-35-65У1

      = 150 ВА (для класса точности 0,5);

      = 250 ВА (для класса точности 1,0). 

     Трансформатор напряжения ЗНОМ-35-65У1 удовлетворяет  условиям выбора и принимается к  установке. 
 
 
 
 

     6.5. Выбор разрядников (ограничителей перенапряжения) 

           Высоковольтные разрядники (ограничители перенапряжения) выбираются:

     - по номинальному напряжению –  U_уст ≤ U_ном ;

     - по конструктивному исполнению (для  закрытых или открытых установок).