Расчет подстанции 35/6 кВ
Санкт-Петербургский
государственный аграрный университет
Расчет
подстанции 35/6 кВ
1. Введение
Для экономичной передачи и распределения
электроэнергии требуется ее преобразование (повышение или понижение
напряжения).
Электроустановка, предназначенная для
преобразования и распределения электроэнергии, состоящая из трансформаторов,
распределительных устройств, устройств управления и других вспомогательных
сооружений называется трансформаторной подстанцией.
Часть подстанции, предназначенная непосредственно
для приема и распределения электроэнергии, содержащая коммутационные аппараты,
сборные и соединительные шины, устройства защиты, автоматики и измерительные
приборы, а также другую вспомогательную аппаратуру, называется
распределительным устройством.
В сельских электрических сетях применяют одно- и
двухтрансформаторные подстанции. Двухтрансформаторные подстанции обеспечивают
более надежное электроснабжение потребителей.
2. Выбор главной схемы подстанции
Рисунок 2.1. Главная электрическая схема
подстанции
Таблица 2.1. Перечень оборудования главной схемы
подстанции
Обозначение
|
Наименование
|
Тип
|
W1...W2
|
Питающие
линии
|
|
QS1...QS4
|
Разъединители
|
РДЗ-2-35/1000 УХЛ1
|
QR1... QR2
|
Отделители
|
ОД-35/630 У1
|
QN1... QN2
|
Короткозамыкатели
|
КРН
- 35 У1
|
FV1...FV6
|
Ограничители
перенапряжения
|
ОПН-П1-35/40,5/10/2УХЛ2
|
FV7...FV12
|
Ограничители
перенапряжения
|
ОПН-П1-6/6,9/10/2УХЛ(1,2)
|
Т1...T2
|
Силовые
трансформаторы
|
ТМН
- 2500/35
|
FU1...FU6
|
Предохранители
|
ПКТ-101-6-10-40УЗ
|
FU7...FU12
|
Предохранители
|
ПКТ-101-
6 - 31,5 - 40У3
|
Q1...Q9
|
Выключатели
вакуумные
|
ВВ/TEL-10-20/1000
У2
|
Т3...T4
|
Трансформаторы
собст. нужд
|
ТМ
- 100/6
|
ТА1...2
|
Трансформаторы
тока
|
ТФЗМ-35А
|
ТА3...8
|
Трансформаторы
тока
|
ТВЛМ-6
|
ТV1...2
|
Трансформаторы
напряжения
|
НТМИ-6УЗ
|
Рисунок 2.2. Эквивалентная схема замещения сети
. Описание работы схемы
Питание потребителей 1 категории осуществляется
по двум линиям через два силовых трансформатора.
Со стороны высшего напряжения цепь коммутируется
неавтоматически - используются ручные разъединители QS1
и QS2 (что экономит
средства: дешевле, чем масляные выключатели), выключаемые без нагрузки.
Разъединители соединены с устройством заземления и включаются через привод,
установленный на расстоянии от разъединителя (для электробезопасности
обслуживающего персонала).
Между питающими линиями на стороне высшего
напряжения установлена неавтоматическая перемычка с двумя разъединителями QS3
и QS4 (в нормальном
режиме один из разъединителей разомкнут).
Со стороны высшего и низшего напряжения установлены
разрядники FV1...FV12,
защищающие оборудование от атмосферных (со стороны высшего) и коммутационных
(со стороны низшего напряжения) перенапряжений, в результате которых происходит
пробой искрового промежутка в разряднике и разряд уходит в землю через
устройство заземления. При внутренних повреждениях (межвитковых к.з.) силового
трансформатора Т1 сработает релейная защита, подающая сигнал на
короткозамыкатель QN1,
который создает искусственное к.з. и линия отключается. После этого отключается
отделитель QR1 (за 0,2
секунды). Затем срабатывает автоматическое повторное включение линии (АПВ), при
этом выключается масляный выключатель Q1
и включается автоматический ввод резерва (АВР) (масляный выключатель Q3).
Если возникает устойчивое к.з. на второй линии W2,
то отключается Q2 и
включается АВР. При этом все потребители питаются от трансформатора Т1, который
работает с перегрузкой. Так как работа трансформатора с перегрузкой возможна
лишь кратковременно, то вручную отключают разъединитель QS2
(без нагрузки!). Далее замыкают разъединители QS3
и QS4 на перемычке и от
линии W1 запитывают
трансформатор Т2. Затем включают масляный выключатель Q2
и отключают Q3 (АВР).
Трансформаторы собственных нужд Т3 и Т4 (типа
ТМ160/6) необходимы для освещения подстанции и обогрева коммутирующей
аппаратуры. Измерительные трансформаторы напряжения TV1..TV2
служат для питания параллельных катушек измерительных приборов.
Измерительные трансформаторы тока TА1..TА10
служат для питания последовательных катушек измерительных приборов и реле.
4. Определение количества и мощности
силовых трансформаторов и трансформаторов собственных нужд
Для обеспечения надежности электроснабжения
потребителей 1 категории на подстанциях устанавливают два силовых
трансформатора (для случая аварийного отключения одного из них).
Мощность трансформаторов выбирается из условия:
. при работе обоих трансформаторов и
резервировании этими трансформаторами других подстанций
МВА,
где -
расчетная мощность на шинах низкого напряжения, МВА; - требуемая резервируемая
мощность для других подстанций, МВА; -
коэффициент перегрузки.
. при выходе из строя одного из
трансформаторов и резервировании рабочего трансформатора от других подстанций
где -
требуемая резервируемая мощность от другой подстанции, МВА.
При наибольшей из полученных
мощностей выбираю трансформаторы:
ТМН-2500/35 с паспортными данными:
; м.
А;
А.
На всех двухтрансформаторных
подстанциях 35...110 кВ необходимо установить не менее двух трансформаторов для
питания оборудования собственных нужд подстанций:
-
устройств обогрева выключателей и шкафов РУ с установленными в них
электрическими аппаратами и приборами;
-
электрического освещения;
-
систем сигнализации и пожаротушения.
Номинальную мощность трансформаторов
выбирают по расчетной мощности потребителей собственных нужд, составляющей
около 5% от расчетной мощности подстанции:
кВА
Выбираю два трансформатора ТМ-100/6
с паспортными данными:
.
5. Расчет токов короткого замыкания
Произведу расчет токов короткого
замыкания для:
-
проверки чувствительности защит,
-
выбора и проверки оборудования подстанции на термическую и электродинамическую
стойкость.
Рисунок 5.1. Расчетная эквивалентная
схема сети
Величины напряжения при работе РПН
(регулирование под нагрузкой):
(; ; ;
).
кВ,
кВ,
кВ<кВ - условие выполнено.
Расчет сопротивления трансформатора:
Ом,
Ом,
Ом.
Расчет токов короткого замыкания в
точке К1:
кА,
где кВ, Ом.
кА.
Ударный ток:
кА,
где - постоянная времени, с,
- ударный коэффициент.
Расчет токов короткого замыкания в
точке К2:
кА,
где Ом.
кА.
Ток короткого замыкания, приведенный
к высшему напряжению:
кА,
кА,
кА.
Ток короткого замыкания, приведенный
к низшему напряжению:
кА,
(кВ);
кА,
(кВ);
кВ.
Ударный ток:
кА,
где с, Ом,
.
6. Выбор и проверка
электрических аппаратов и токоведущих частей на стороне высшего напряжения
Коммутационные аппараты.
Выбор разъединителей, отделителей и
короткозамыкателей проводится по условиям:
- по напряжению: Uном
³Uуст;
- по току: Iном≥Iрmax;
-
по электродинамической стойкости: , где -
предельный сквозной ток;
-
по термической стойкости: , где - предельный ток термической
стойкости, - время протекания тока , - приведенное время действия
тока короткого замыкания (3 сек.).
) Разъединитель -
коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения линии без
нагрузки (для обеспечения безопасного изоляционного промежутка между
контактами), для создания видимого разрыва между частями, оставшимися под
напряжением для проведения ремонтных работ. Выключается и включается с помощью
ручного рычажного привода.
Выбираю разъединитель для наружной
установки РДЗ-2-35 УХЛ1: Р - разъединитель, Д - двухколонковый, З - с
заземляющими ножами, 2 - число разъединяющих ножей, У - для районов с умеренным
климатом, ХЛ - для районов с холодным климатом.
Паспортные данные: Uном =35кВ, Iном=1000А, =63кА, =25кА, =3с.
Результаты расчетов сведены в
таблицу 6.1.
) Отделитель - отделяющий
разъединитель для отключения поврежденного силового трансформатора при сохранении
нормального питания исправного трансформатора. Выполняются однополюсными,
соединяются на месте монтажа в трехполюсный аппарат. Отключаются автоматически,
включаются ручным приводом.
Паспортные данные: Uном =35кВ, Iном=630А, =80кА, =12,5кА, =3с.
Результаты расчетов сведены в
таблицу 6.1.
) Короткозамыкатель -
короткозамыкающие разъединители для создания мощных искусственных к.з. на
питающих линиях, которые затем отключаются выключателями. Выполняются
двухполюсными. Включаются автоматически, выключаются ручным приводом.
Выбираю короткозамыкатель
КРН-35У1: К - короткозамыкатель, Р - рубящего типа, Н - наружной установки,
У - для районов с умеренным климатом, 1 - для работы на открытом воздухе.
Паспортные данные: Uном =35кВ, =42кА, =12,5кА, =3с.
Результаты расчетов сведены в
таблицу 6.1.
Таблица 6.1.
Условия
выбора и проверки
|
Расчетное
значение
|
Паспортные
данные
|
|
|
Разъединитель
РДЗ-1-35/1000УХЛ
|
Отделитель
ОД-35/630У1
|
Короткозамыкатель
КРН-35У1
|
Uном ³Uуст
|
35
кВ
|
35
кВ
|
35
кВ
|
35
кВ
|
Iном≥Iрmax
|
41,29
А
|
1000
А
|
630
А
|
без
проверки
|
6,524 А63
кА80 кА42 кА
|
|
|
|
|
=
=
=
=
|
|
|
|
|
Тип
привода
|
|
ПВ-20У2
|
ПРО-1У1
|
ПРК-1У1
|
Измерительные аппараты.
Трансформаторы тока
- служат для снижения токов до значений, которые могут быть измерены
стандартными измерительными приборами (с пределами измерений по току 5 А),
обеспечивая безопасность измерений (защита от токов первичных цепей), удобство
обслуживания и питание измерительных приборов.
Коэффициент трансформации тока:
,
выбираю Ктр=100/5=20.
Выбираю трансформатор тока
ТФЗМ-35А 100/5: Т - трансформатор тока, A - с
фарфоровой изоляцией, З - с обмотками звеньевого типа, М - маслонаполненные, А
- категория внешней изоляции по длине пути утечки.
Паспортные данные: Uном =35кВ, I1ном=100А, I2ном=5А,=31кА, =5,8кА, =3с, класс
точности - 1.
Ток вторичной обмотки трансформатора
тока, вызванный протеканием номинального рабочего тока в первичной обмотке:
А.
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 35 кВ ³ 35 кВ.
Проверка по току: Iном≥Iрmax, 100А ³ 41,29А.
Проверка на электродинамическую
стойкость: , 31кА ³ 6,524кА.
Проверка на термическую стойкость: , .
Условия выполнены.
Токоведущие части.
В РУ 35 кВ и выше применяются гибкие
шины, выполненные проводами АС, которые крепятся на фарфоровых изоляторах. На
шины присоединяются все токоведущие части оборудования подстанции.
Выбираю сечение провода по
экономической плотности тока:
мм2,
где j =1,1А/мм2
- экономическая плотность тока при числе часов использования максимума нагрузки
в год Т=3000…5000ч;
А.
Выбираю сечение по термической
стойкости:
мм2< 95 мм2.
Проверяю провод по условию короны:
мм, ,
или мм2 - допустимое
минимальное сечение в соответствии с ПУЭ табл.2.5.6 и соответствует мм.
Окончательно выбираю провод АС
95/15,9.
Защитные аппараты:
Ограничитель напряжения (нелинейные) - служат
для защиты изоляции электрооборудования подстанции от атмосферных (молнии),
наведенных (со стороны оборудования подстанции) и коммутационных
перенапряжений.
Выбираю ограничитель
перенапряжения ОПН-П1-35/40,5/10/2УХЛ2: О - ограничитель, П -
перенапряжения, Н - нелинейный, П - полимерный, 1 - одноколонковый, 35 - для
распред. сетей 35 кВ, 40,5 - наиболее длительно допустимое рабочее напряжение,
10 - номинальный разрядный ток.
7. Выбор и проверка
электрических аппаратов и токоведущих частей на стороне низшего напряжения
электрический подстанция
трансформатор ток
Коммутационные аппараты.
Выключатели вакуумные
- высоковольтные выключатели, служат для включения и отключения электрических
цепей под нагрузкой и при коротких замыканиях.
Выбираю выключатель ВВ/TEL-10-20/1000
У(1,2): В - выключатель, В - вакуумный, ТЕL
- фирменная марка предприятия, 10 - номинальное напряжение сети, 20 -
номинальный ток отключения кА, 1000 - номинальный ток А, У - для умеренного
климата, 1,2 - для установки на открытом воздухе и в помещениях.
Паспортные данные: Uном =10кВ, Iном=1000А, Iотк.н=20кА,=32кА, =3с, =20кА.
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 10 кВ ³ 6 кВ.
Проверка по току: Iном≥Iрmax, 1000А ³ 229,38А.
Проверка на термическую стойкость: , .
Условия выполнены.
Предохранители - служат
для отключения электрической цепи при появлении токов короткого замыкания или
опасных токов перегрузки, устанавливаются в РУ0,4 кВ.
Для защиты трансформаторов
собственных нужд выбираю предохранители
ПКТ-101-6-10-31,5УЗ: П -
предохранитель, К - короткозамкнутый, Т- токоограничивающий.
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 6 кВ ³ 6 кВ.
Проверка по току: Iном≥Iрmax,
А,
А ³ 9,6А.
Проверка на электродинамическую
стойкость: , 31,5кА ³ 8,55кА.
Проверка на термическую стойкость: , .
Для защиты трансформаторов
напряжения выбираю
Для защиты трансформаторов
напряжения выбираю предохранители
ПКТ-101-6-31,5-40УЗ: П -
предохранитель, К - короткозамкнутый, Т- токовый.
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 6 кВ ³ 6 кВ.
Проверка по току: Iном≥Iрmax, А, 31,5А ³ 28,9А.
Проверка на электродинамическую
стойкость: , 31,5кА ³ 8,55кА.
Проверка на термическую стойкость: ,
Для защиты трансформаторов
напряжения выбираю
Измерительные аппараты.
Рис. 7.1. Схема подключения
измерительных приборов через трансформатор тока
Трансформаторы тока - служат для
снижения токов до значений, которые могут быть измерены стандартными
измерительными приборами (с пределами измерений по току 5 А), обеспечивая
безопасность измерений (защита от токов первичных цепей), удобство обслуживания
и питание измерительных приборов.
,
выбираю Ктр=300/5=60.
Выбираю трансформатор тока ТВЛМ-6
300/5: Т - трансформатор тока, В - встроенный, Л с литой изоляцией, М -
модернизированный.
Паспортные данные: Uном =6кВ, I1ном=300А, I2ном=5А,=35,2кА,=15кВА, =20кА, =3с, класс
точности - 1.
Ток вторичной обмотки трансформатора
тока, вызванный протеканием номинального рабочего тока в первичной обмотке:
А.
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 6 кВ ³ 6 кВ.
Проверка по току: Iном≥Iрmax, 300А ³ 229,38А.
Проверка на электродинамическую
стойкость: , 35,2кА ³ 8,55кА.
Проверка на термическую стойкость: , .
Условия выполнены.
В качестве подключаемых измерительных
приборов выбираем: амперметр, ваттметр, счетчики активной и реактивной
мощности, устанавливаемые в РУ 6кВ.
Таблица 7.1.
Прибор
|
Тип
|
Нагрузка
по фазам, ВА
|
Амперметр
|
Э-335
|
0,5
|
-
|
-
|
Ваттметр
|
Д-335
|
0,5
|
-
|
0,5
|
Счетчики
энергии
|
активной
|
САЗ-681
|
2,5
|
-
|
2,5
|
|
реактивной
|
СРЗ-682
|
2,5
|
-
|
2,5
|
Итого:
|
6,0
|
-
|
5,5
|
Трансформаторы напряжения
- служат для включения и питания катушек измерительных приборов, реле защиты и
автоматики, приборов сигнализации. Выбираю трансформатор напряжения НТМИ-6УЗ:
Н - трансформатор напряжения, Т - трехфазный, М - с естественным масляным
охлаждением, И - измерительный.
Паспортные данные: Uном=6кВ, Uном2=100А, схема
соединения -10, классы
точности 0,5 (ВА), 1 (ВА), 3 (ВА).
Проверка по напряжению: Uном ³Uуст, 6 кВ ³ 6 кВ.
Проверка по вторичной нагрузке:
В качестве подключаемых
измерительных приборов выбираем вольтметр, счетчик активной и реактивной
энергии, установленные в РУ 6кВ:
Прибор
|
Тип
|
Кол
|
Рпотр,Вт
|
Qпотр,Вт
|
РS, Вт
|
QS, Вт
|
Вольтметр
|
Э-335
|
2
|
2
|
-
|
4
|
-
|
Счетчики
энергии
|
активной
|
САЗ-681
|
5
|
4
|
9,7
|
20
|
48,5
|
|
реактивной
|
СРЗ-682
|
5
|
6
|
14,5
|
30
|
72,5
|
Итого:
|
54
|
121
|
ВА.
Условия выполнены.
Защитные аппараты:
Ограничители перенапряжения - служат для
защиты изоляции электрооборудования подстанции от атмосферных (молнии),
наведенных (со стороны оборудования подстанции) и коммутационных перенапряжений.
Выбираю ограничитель
перенапряжения ОПН-П1-6/6,9/10/2УХЛ(1,2): О - ограничитель, П -
перенапряжения, Н - нелинейный, П - полимерный, 1 - одноколонковый, 6 - для
сетей 6 кВ, 6,9 - наиболее длительно допустимое рабочее напряжение, 10 - номинальный
разрядный ток.
Токоведущие части.
В закрытых РУ 6кВ ошиновка и сборные
шины выполняются жесткими алюминиевыми шинами.
А.
Выбираем шину сечением F=75мм2
(25х3) с Iдоп=265А.
Проверка на термическую стойкость:
мм2< 75 мм2 - условие
выполнено.
Проверка на электродинамическую
стойкость:
Рассчитаю напряжение в шине из
условия:
,
где =82 МПа - допустимое напряжение для
алюминиевых шин.
,
где М - изгибающий момент,
Нм; W - момент
сопротивления, м3.
,
где f - удельная
сила на изгиб шины,
l =
150см=1,5м - расстояние между опорными изоляторами.
,
где кф =1 -
коэффициент формы, а =15см = 0,15м - расстояние между шинами.
Н/м.
Нм.
.
МПа.
- условие выполнено.
. Расчет заземляющего устройства
В соответствии с ПУЭ для обеспечения
нормальной работы оборудования подстанции и обеспечения безопасных условий для
его эксплуатации необходимо выполнить заземляющее устройство ТП, выполненное в
виде заземляющей сетки из соединенных продольных и поперечных стальных полос
под РУ 6кВ.
Допустимое сопротивление
заземляющего устройства на подстанции 35 кВ должно быть не более 4 Ом.
Рисунок 8.1. Эскиз заземляющей сетки
для РУ 6кВ
Дано: Ом×м - сопротивление верхнего слоя
грунта,
Ом×м - сопротивление нижнего слоя
грунта,
м - глубина прокладки
горизонтального заземлителя,
м - длина верхнего электрода (уголок
равнополочный 50х50х5мм),
горизонтальный заземлитель -
стальная полоса 40х4мм,
м - длина территории подстанции,
м - ширина территории подстанции,
укладываю 6 продольных полос общей
длиной 39 м,
укладываю 6 поперечных полос общей
длиной 26 м.
Эквивалентное сопротивление грунта:
,
где кс.г - коэффициент сезонности
для горизонтального заземлителя, кг = 4,5;
кс.в - коэффициент сезонности для
вертикального заземлителя, кв =1,8.
.
Сопротивление одной продольной
полосы:
Ом,
где - коэффициент сезонности.
Общее сопротивление всех продольных
полос:
Ом,
где - коэффициент использования, - количество
продольных полос.
Сопротивление одной поперечной
полосы:
Ом,
Общее сопротивление всех поперечных
полос:
Ом.
Общее сопротивление сетки:
Ом.
Суммарное сопротивление естественных
заземлителей и сетки:
Ом,
где Ом - сопротивление трос-опоры.
Вывод: <, 1,95Ом<4 Ом - условие выполнено.
9. Список используемой литературы
1.
И.А. Будзко, Н.М. Зуль. Электроснабжение сельского хозяйства. М. Агропромиздат.
1990г.
.
М.А. Шабад. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - Л.:
Энергоатомиздат, 1985г. - 296 с.
.
Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков. Электрическая часть электростанций и подстанций:
Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. - М.:
Энергоатомиздат, 1989г. - 608 с.
.
Правила устройства электроустановок. 7-е издание. - СПб.: Издательство ДЕАН,
2007. - 625 с.