Федеральное агентство по образованию

    Московский  государственный  Открытый университет

    Чебоксарский политехнический институт (филиал) 
 
 
 

    Кафедра

    Электроснабжения  промышленных предприятий 

    Специальность 140211   
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

    по  дисциплине «Переходные процессы в  электроэнергетических системах» 

    Тема: Расчет токов КЗ 

    Вариант № 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила:   студент 4-го курса о/о

            группы ЭЛ-41-07

     Максимов С.Н.

     у/шифр: 107073

     Дата  выполнения:_________

     Проверил: доц. Карчин В.В.

     Оценка:__________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                      Чебоксары 2010

 
Задание.

  Для  схемы ТЭЦ рассчитать токи  КЗ в точках К1, К2, К3. Провести выбор основного электрооборудования, установленного в цепях напряжением 110 кВ и генераторных цепях, а также произвести выбор допустимого сечения кабелей, питающих местных потребителей электроэнергии, с учетом установленных типов линейных реакторов. определить значение периодической и апериодической составляющих от генератора через 0,06с с момента КЗ.

    Воздушные линии Для ТСН выбрать сечение алюминиевых шин на стороне высокого напряжения. Выбранные сечения проверить на термическую стойкость;

1. Для ТСН выбрать сечение алюминиевых шин на стороне высокого напряжения. Выбранные сечения проверить на термическую стойкость;
2. Для отходящей линии от реактора РБА-10-600-4 имеющей нагрузку 4 МВт выбрать сечение кабеля и проверить его на термическую стойкость.
3. Требуется проверить на термическую стойкость при КЗ выключатель типа ВМПЭ-10-630-20У3 установленный в цепи кабельной линии. При этом принять t_откл=0,6 с. Данные выключателя ВМПЭ I_{тер.ном}=20 кА, t_{тер.ном}=8 с.

Рис. 1 Расчетная схема

Задание 1.

При трехфазном КЗ на шинах 110 кВ ТЭЦ (точка К1) определить начальное значение периодической составляющей тока месте КЗ I_п0, значение периодической и апериодической составляющей в момент времени t = 0,06 с, а также ударный ток КЗ.

Решение.

В качестве базисных единиц выбираем S_б = 1000 МВ∙А;

U_б = U_{ср ном}, т.е. U_бI = 115 кВ и U_бII = 10,5 кВ, где цифрами I и II (в индексах) обозначены соответственно ступени высшего и генераторного напряжений;  
 

Эквивалентная схема замещения для расчета  I_п0 представлена на рис. 2 

Рис. 2 Эквивалентная схема  замещения 

Индуктивные сопротивления различных элементов  этой схемы определяем, используя  формулы, приведенные ниже: 
 
 
 
 

Находим сверхпереходные ЭДС генераторов, имея в виду, что до КЗ машины работали в нормальном режиме, т.е. с перевозбуждением и

ЭДС системы  Е_*с(б) = 1. 

Рис. 3 Преобразованная (относительно точки К1) схема замещения 

Преобразованная схема замещения представлена на рис. 3. На ней указаны значения эквивалентных  сопротивлений двух независимых (относительно точки КЗ) частей схемы – x_*9(б) и x_*10(б). 
 

Начальные значения периодической составляющей тока КЗ составляют:

от системы 

от генератора 

в месте КЗ 

Найдем значение периодической составляющей тока КЗ от генераторов через 0,06 с с момента КЗ: 

По кривым, представленным на рис. 4, t = 0,06 с найдем

   Рис. 4 Типовые кривые для определения  затухания периодической  составляющей тока КЗ. 
 

Суммарный ток  в месте КЗ в момент времени  t = 0,06 с составляет 

Точка КЗ К1 делит схему на две независимые части. Поэтому для определения апериодической составляющей тока КЗ и ударного тока необходимо вычислить две эквивалентные постоянные времени затухания апериодических составляющих тока КЗ – со стороны системы и со стороны генератора. С этой целью целесообразно использовать схему замещения обратной последовательности (рис. 5), на которой все элементы расчетной схемы представлены как соответствующими индуктивными сопротивлениями, так и сопротивлениями постоянному току. Генераторы учтены сопротивлением обратной последовательности:

Рис. 5 Схема замещения  обратной последовательности 
 

и сопротивлением постоянному току 

остальные элементы – индуктивными сопротивлениями  прямой последовательности и активными  сопротивлениями: 
 
 
 

В результате преобразований получилась схема представленная на рис. 6 (при преобразованиях из схемы на рис. 5 целесообразно исключить  x₆ и R₆, так как схема симметрична относительно точки К1). 
 
 

 
Рис. 6 Преобразованная (относительно точки К1) схема замещения обратной последовательности.

Постоянные времени Т_а:

- от системы;

- от генератора;

Здесь и далее «штрих» означает, что соответствующее индуктивное сопротивление подсчитано при учете генератора сопротивлением обратной последовательности.

Найдем ударные  коэффициенты: 
 

При этом ударный  ток в месте КЗ 

Апериодическая  составляющая тока КЗ в момент времени  t = 0,06 c составляет 
 

Задание 2.

При трехфазном КЗ на шинах 10 кВ ТЭЦ определить периодическую  составляющую тока КЗ в начальный  момент КЗ и в момент t = 0,06, а также ударный ток КЗ.

Решение.

Принимаем те же базисные условия, что и в задаче 1. При этом 

Эквивалентная схема замещения (см. рис. 2) остается неизменной. Изменяется лишь методика преобразования схемы, так как при КЗ в точке К2 необходимо треугольник, образованный индуктивными сопротивлениями x₃, x₄ и x₆, преобразовать в эквивалентную звезду (рис. 7, а): 
 
 
 
 
 
 

Результаты дальнейших преобразований представлены на рис. 7, б и в, где 

Рис. 7 Преобразование схемы  замещения относительно точки К2

Начальные значения периодической составляющей тока КЗ:

от генератора G1 

от генератора G2 и системы 

в месте КЗ 

Найдем значение периодической составляющей тока КЗ от генератора G1 через 0,06 с.: 

По кривым, представленным на рис. 4, при t = 0,06 с найдем  

Порядок определения периодической составляющей тока КЗ от генератора G2  и системы, т.е. тока I_{пtG2 с}:

1) из  схемы (рис. 7, б) определяем значение  периодической составляющей тока  генератора G2 в начальный момент КЗ (в относительных единицах при базисных условиях): 

2)

3) находим    как 

I_{пtG2 с} = I_п0G2с = кА

Таким образом, суммарный ток в месте КЗ в  момент t = 0,06 с равен 

Ударный ток  КЗ от генератора G1 

Чтобы вычислить ударный ток КЗ от генератора G2 и системы, необходимо предварительно определить соответствующую эквивалентную постоянную времени затухания апериодической составляющей тока КЗ Т_{аG2 с}. С этой целью из рис. 7 находим 
 

из схемы (рис. 5) при неучете индуктивных сопротивлений определяем 
 

Рис. 8 Преобразование схемы  замещения составленной из сопротивлений  постоянному току, относительно точки  К2 

Дальнейшее преобразование схемы, составленной только из сопротивлений  постоянному току и показанной на рис. 8, а, дает

Преобразованная схема представлена на рис. 8, б. Таким  образом 

и ударный ток  от генератора G2 и системы 

Суммарный ударный  ток в месте КЗ 
 
 
 
 
 

Задание 3.

При трехфазном КЗ за LR ТЭЦ (точка К3 на рис. 1) определить начальное значение периодической составляющей тока КЗ и ударный ток КЗ

Решение.

Частично  преобразованная расчетная схема  замещения, содержащая как индуктивные  сопротивления, так и сопротивления  постоянному току, представлена на рис. 9.

Найдем индуктивные  и активнее сопротивления: 
 

Результирующая эквивалентная ЭДС и результирующие эквивалентные сопротивления составляют

Рис. 9 Схема замещения  для расчета тока КЗ за линейным реактором 
 
 
 

При этом 
 
 
 

Периодическая составляющая тока генератора G1  в начальный момент КЗ соответственно при базисных и номинальных условиях 
 

По кривым, представленным на рис. 4, при t = 0,06 с найдем  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       Выбор Основного  Электрооборудования. 

 Сборные шины по экономической плотности тока не выбираются (ПУЭ п.1.3.28), поэтому выбор сечения шин проводим по допустимому току. Наибольший ток цепи сборных шин: 

   Принимаем по табл. Шины коробчатого профиля 2(200х90х10) мм² сечением 2х3435 мм² с Iдоп.ном=7750 А.

   Поправочный  коэффициент на температуру воздуха  () по табл. равен 0,94, тогда Iдоп=0,947750=7097<Imax= А

Рис.10 Расчетная схема  для выбора токоведущих  частей и аппаратов. 
 

Проверка  сборных шин на термическую стойкость.

Интеграл Джоуля АО формуле 

где t_откл=4с для цепей генераторов мощностью 60 МВт и более (время действия резервной защиты); T_а=0,41с

   Минимальное  сечение по условию термической  стойкости 
 
 

где С=91 для шин из алюминия АД1Н.

   Шины  термически стойки, так как 
 
 

   Проверка  сборных шин на механическую прочность.

Расчет  производим без учета колебательного процесса в механической конструкции, так как шины коробчатого профиля  обладают большим моментом инерции. Принимаем, что швеллеры шин соединены  жестко по всей длине сварным швом, тогда момент сопротивления W_y0-y0=167 см³. При расположении шин в вершинах прямоугольного треугольника расчетную формулу принимаем: 
 
 

где принято  l=1 м, a=0,8 м; 
 
 

где  =0 при жестком соединении элементов шин коробчатого профиля.

   Шины  механически прочны.

  Выбор изоляторов.

Выбираем опорные  изоляторы  ИО-10-20У3:

F_разр=20 кН; H_из=134 мм;  

=12 кН, 

где   - поправка  на высоту коробчатых шин.

  Таким образом, изолятор ИО-10-20У3 не проходит по механической прочности.

Выбираем изолятор ИО-10-42,50квУ3:

F_разр=42,50 кН; H_из=230 мм;

=25,5 кН,

где   - поправка  на высоту коробчатых шин.

Принимаем для  крепления сборных шин опорные  изоляторы типа ИО-10-42,50квУ3.

Выбираем проходной  изолятор ИП-10/8000-42,5У2:

U_ном=10 кВ; I_ном=8000 А>I_max= А; F_разр=42,50 кН.  
Проверяем изолятор на механическую прочность: 
 

Выбор шин в цепи генератора G2.

Номинальный ток  генератора (нормальный режим) 

Наибольший ток  в цепи генератора 

   Ошиновка  в пределах закрытого РУ выбирается по допустимому току. Принимаем алюминиевые шины коробчатого профиля 2(200х90х12) мм²,  такие же, как для сборных шин. Расчетный ток КЗ в цепи генератора по табл.

 16,93 (ветвь G1+ система) меньше, чем на сборных шинах, поэтому ошиновка в цепи генератора термически стойкая. 

  Проверка шин на  механическую прочность.

   Примем  l=2м, а=0,6 м; швеллеры шин соединены жестко в местах крепления на изоляторах  (l_n=l). По табл. расчетный ток 46,3, тогда напряжение в материале шин при взаимодействии фаз  
 

где W_ф= W_y0-y0=167 см³.

   Напряжение  в материале шин от взаимодействия полос  

  МПа, 

где h=150 мм=0,15 м; W_п=W_у-у=14,7 см³; 

поэтому шины механически  прочны. 

   Выбор изоляторов.

Выбираем опорные изоляторы ИО-10-20У3:

F_разр=20 кН; H_из=134 мм;  :

. 

   Выбираем  проходной изолятор ИП-10/8000-42,5У2:

U_ном=10 кВ; I_ном=8000 А>I_max=7958 А; F_разр=42,50 кН. Проверяем изолятор на механическую прочность: 
 

Выбор комплектного токопровода.

От выводов  генератора до стены главного корпуса  и далее, до главного распределительного устройства токоведущие части выполняются  пофазно-экранированным комплектным токопроводом. Выбираем ТЭКН-20/8000: U_ном=20 кВ; I_ном=8000А; i_дин=300 кА.

   Проверяем  токопровод: 
 

   Выбор сборных шин 110 кВ и токоведущих частей от сборных шин до выводов трансформатора связи.

Трансформатор ТДЦ-40000/110, T_max=6000 ч. Токи КЗ на шинах 110 кВ:

I_по⁽³⁾=5,344 кА; i_уд=13,2 кА.

   Так как  сборные шины по экономической  плотности тока не выбираются, принимаем сечение по допустимому  току при максимальной нагрузке  на шинах, равной току наиболее  мощного присоединения, в данном  случае – трансформатора: 
 
 

   Принимаем  АС-95/16: q=95 мм²; d=13,5 мм; I_доп=330 А. Фазы расположены горизонтально с расстоянием между фазами 300 см.

   Проверка  шин на схлестывание не производится, так как I_по⁽³⁾ < 20 кА.

   Проверка  на термическое действие тока  КЗ не производится, так как  шины выполнены голыми проводами  на открытом воздухе.

   Выбираем сечение кабеля в линии, присоединенной к шинам 10,5 кВ через реактор РБА-10-600-4: I_норм=600 А; I_max=480 А; х_р=0,04 Ом. Кабель прокладывается в кабельном полуэтаже закрытого распределительного устройства, ύ₀=30, Т_max=4500 ч.

   Выбираем  кабель ААГ, 10 кВ, трехжильный, экономическое  сечение

мм². 

   Принимаем  два кабеля по 240 мм², I_{доп.ном}=585 А. Поправочный коэффициент на температуру воздуха к₂=0,93, тогда

   Термическая  стойкость определяется по току  КЗ за пучком кабелей (ПУЭ,  п.1.4.17).

   Из условий табл.1 находим =72,32

 Сопротивление ветви от системы и генераторов 
 
 

   Сопротивление  реактора  х_р=0,04 Ом;  
индуктивное сопротивление одного кабеля

   
активное сопротивление

   Ток КЗ  за пучком кабелей 

   По каждому кабелю проходит ток КЗ 21,3/2=10,64 кА. Подсчитываем интеграл Джоуля, учитывая, что на линии основная релейная защита – максимальная токовая с выдержкой времени t_р.з=0,8, выключатель, установленный на линии – вакуумный ВВТЭ+10/630, имеющий t_откл.в.=0,05 с, величина Т_а=0,1 с (КЗ за реактором), тогда 
 

   Минимальное  сечение по термической стойкости 

  мм² 

   Таким  образом, выбранные кабели по 120 мм² термически стойкие. 

   Выбор выключателя Q2 и разъединителя QS1 в цепи трансформатора связи Т2; выключатель Q9 и разъединитель QS2 в цепи генератора G2.

   Выбираем  выключатель Q2 и разъединитель QS1. Расчетные токи продолжительного режима 
 
 
 

   Выключатель  Q2 и разъединитель QS1 входят в первую расчетную зону и выбираются по суммарным токам КЗ на шинах повышенного напряжения (точка К-1). Определяем расчетные токи КЗ:

I_по= кА; I_nt= 6,5 кА; i_aτ= 2,23 кА; i_уд= 15,2 кА; 
 

 Выбираем  вакуумный выключатель ВВК-110Б-20, разъединитель РГН-110/1000 УХЛ1. Все каталожные и расчетные величины сведены в табл.2.

   Результаты  выбора выключателя Q8 и разъединителя QS2 в цепи генератора G2 сведены в табл.3

табл.2

Расчетные и каталожные данные

табл.3

Расчетные и каталожные данные 

Расчетная таблица токов трехфазного короткого замыкания при расчете споротивлений схемы замещения Рис. 2