Электрическая часть станций и подстанций

Электрическая часть станций и подстанций

АННОТАЦИЯ

Дана характеристика ГПП-19, описана система электроснабжения, потребители и требования к надёжности их электроснабжения. На основе расчётных нагрузок выполнена проверка электрооборудования в нормальном и послеаварийном режимах. Выполнена проверка токоведущих частей и коммутационной аппаратуры на стойкость в аварийном режиме. Рассчитаны потери напряжения и мощности в линиях. Изучена система релейной защиты и автоматики, произведён расчёт уставок для питающей и отходящей линии, а также силового трансформатора. Описана схема собственных нужд. Также рассмотрены вопросы обеспечения показателей качества электроснабжения. Особое внимание уделено вопросу компенсации реактивной мощности на подстанции, произведён анализ применяемых фильтрокомпенсирующих устройств и экономическая оценка эффективности их использования. Оценена надёжность схемы электроснабжения ГПП-19. Рассмотрены вопросы охраны труда и обеспечения безопасности жизнедеятельности на подстанции.

ВВЕДЕНИЕ

В данном дипломном проекте рассматривается главная понизительная подстанция №19 ОАО «НЛМК». ГПП-19 введена в работу в 2009 году в ходе программы по реконструкции конверторных цехов №1, 2 ОАО «НЛМК». В ходе программы в КЦ-1, КЦ-2 ведётся сооружение агрегатов «печь-ковш» (АПК). АПК предназначены для внепечной обработки металла после его плавки в конверторе перед подачей на машины непрерывной разливки стали. ГПП-19 осуществляет приём электроэнергии, понижение напряжения со 110 кВ до 35 кВ и распределение её между потребителями на напряжении 35 и 6 кВ.

ГПП-19 представляет собой пример использования современного высокотехнологичного электрооборудования, которое может применяться не только при строительстве новых подстанций, но и при модернизации уже существующих. В состав оборудования ГПП-19 входят:

закрытое распределительное устройство ЗРУ-110 кВ;

открытое распределительное устройство ОРУ-110 кВ с двумя силовыми трансформаторами мощностью по 160 МВА. Учитывая характер нагрузки, на ГПП-19 применяются специальные трансформаторы, приспособленные для работы в режиме пиковых нагрузок;

комплектное распределительное устройство КРУ-35 кВ содержит две системы шин с вакуумными выключателями, разъединителями, трансформаторами тока и напряжения и ОПН;

комплектное распределительное устройство КРУ-6 кВ содержит две системы шин с вакуумными выключателями, разъединителями, трансформаторами тока и напряжения и ОПН;

два фильтркомпенсирующих устройства (ФКУ) 35 кВ мощностью по 30 МВАр. Учитывая, что устройства АПК существенно снижают показатели качества электроэнергии, а также потребляют значительную реактивную мощность из сети, применение ФКУ на ГПП-19 позволяет существенно сократить влияние потребителей на питающую сеть, а также добиться значительной экономии электроэнергии за счёт сокращения потребления реактивной мощности из сети;

главный щит управления, в котором находятся панели управления, релейной защиты и автоматики, пожарной и охранной сигнализации;

два трансформатора собственных нужд;

щит собственных нужд - 0,4кВ;

щит постоянного тока;

аккумуляторная батарея;

системы вентиляции и кондиционирования воздуха;

станция газового пожаротушения;

освещение подстанции.

Кроме того, на ГПП-19 используются современные микропроцессорные средства релейной защиты и автоматики (РЗА) на базе терминалов фирмы Siemens. Это позволяет осуществлять проверку и настройку уставок релейной защиты с помощью одного программатора. Кроме того, микропроцессорные терминалы РЗА позволяют добиться высокой точности срабатывания, существенно повышают быстродействие, селективность и надёжность системы РЗА подстанции, что особенно важно, учитывая ответственность и наличие мощного дорогостоящего оборудования потребителей.

Для прокладки кабельных линий на ГПП-19 используются современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена которые имеют высокие показатели безопасности, просты в обслуживании и позволяют обеспечить пропускную способность на 15÷30% выше, чем у маслонаполненных кабелей, за счёт повышения рабочей температуры проводящей жилы с 70^оС до 90^оС.

Потребителями ГПП-19 являются агрегаты «печь-ковш» КЦ-1, КЦ-2. Основными потребителями КРУ-35 кВ являются два печных трансформатора мощностью 45 МВА, установленные в КЦ-2 и два печных трансформатора мощностью 25 МВА, установленные в КЦ-1. Кроме того, от КРУ-35 кВ запитываются собственные нужды подстанции. Потребителями КРУ-6 кВ являются трансформаторные подстанции, обеспечивающие питание собственных нужд агрегатов печь-ковш и двигатели газоочистки.

Агрегаты «печь-ковш» обеспечивают технологический процесс рафинирования металла в ковше под высокоосновным безжелезистым шлаком и инертной атмосферой над расплавом металла с эффективным раскислением и десульфурацией металла, снижением содержания газов и неметаллических включений. В результате перемешивания металла инертным газом создаются благоприятные условия для усреднения температуры и химического состава металла, в объёме ковша достигается высокий уровень воспроизводимости условий от плавки к плавке и высокое усвоение элементов. Также АПК обеспечивает выдержку металла, в случае необходимости, с регулирующим нагревом, выступая в качестве буфера между конвертером и отделением непрерывной разливки стали. Это позволяет избежать излишнего перегрева металла в конвертере, обеспечивая вместе с тем, необходимую температуру металла на входе в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Кроме того при внепечной обработке стали в сталеразливочный ковш загружаются по расчёту ферросплавы для доведения химического состава стали до заданных условий для данной марки с обеспечением меньшего угара легирующих элементов и сокращения расхода ферросплавов.

Учитывая вышесказанное, видно, что нарушение электроснабжения потребителей ГПП-19 вызовет нарушение сложного технологического процесса, что может привести к простоям, выпуску продукции ненадлежащего качества и повреждению оборудования. По этой причине потребители ГПП-19 относятся к первой категории по надёжности электроснабжения. Питание КРУ-35 кВ осуществляется от двух независимых источников питания, которыми служат разные системы шин РП-1.

Потребители КРУ-35 кВ ГПП-19 имеют низкий коэффициент мощности и оказывают значительное влияние на питающую сеть, так как графики их нагрузки имеют циклический резкопеременный характер, что вызвано работой печных трансформаторов АПК. В связи с этим, на шинах 35 кВ питающей подстанции возникают провалы напряжения, нарушается гармонический состав тока и напряжения, несимметрия напряжения. Таким образом на ГПП-19 необходимо использовать устройства для компенсации реактивной мощности и повышения качества электроэнергии. Для этого к шинам КРУ-35 кВ подключены два фильтркомпенсирующих устройства мощностью по 30 МВАр. Эти устройства представляют собой LC-фильтры, настроенные на резонанс с наиболее ярко выраженными гармониками, генерируемыми устройствами АПК в процессе работы.

молниезащита электрооборудование схема подстанция

1. СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Описание схемы внешнего электроснабжения

Система электроснабжения ОАО «НЛМК» имеет разветвлённую структуру и состоит из системообразующих распределительных подстанций напряжением 110 кВ № 1, 2, главных понизительных подстанций, цеховых распределительных подстанций и комплектных трансформаторных подстанций, а также нескольких тупиковых подстанций, запитанных непосредственно от сетей ЕЭС. РП-1 и РП-2 110 кВ, а также тупиковые ГПП запитаны от районных подстанций напряжением 110/220 кВ «Северная», «Новая», «Металлургическая», которые в свою очередь получают питание от узловых подстанций «Липецкая» и «Борино» 500/220 кВ, а также от ТЭЦ-НЛМК и ТЭЦ-2. Все подстанции внешней системы электроснабжения связаны между собой по радиальным схемам.

РУ-110 кВ и КРУ-35 кВ ГПП-19 питаются от распределительной подстанции 110 кВ №1 (РП-1 110 кВ). Схема РП-1 110 кВ согласно номенклатуре включает в себя четыре рабочие системы шин, которые фактически являются двумя рабочими секционированными системами шин (СШ), а также секционированную обходную систему шин. I и II СШ, а также III и IV СШ соединены между собой секционными выключателями. I и III СШ, а также II и IV СШ соединены шиносоединительными выключателями. I и III СШ получают питание по двухцепной воздушной линии от подстанции «Новая». II и IV СШ получают питание по двухцепной воздушной линии от подстанции «Северная». Все подстанции схемы внешнего электроснабжения питаются по радиальным схемам. Под питание ГПП-19 построены ячейки № 33, 35 I и III СШ РП-1 110 кВ с возможностью перевода присоединения на любую из двух данных систем шин. Таким образом, электроснабжение РУ-110 кВ и КРУ-35 кВ осуществляется от двух независимых источников питания, которыми являются разные системы шин РП-1 110 кВ. При повреждении питающей воздушной линии питание системы шин осуществляется через секционные и шиносоединительные выключатели. Таким образом, схема электроснабжения соответствует требованиям к питанию потребителей первой категории по надёжности электроснабжения.

КРУ-6 кВ ГПП-19 получает питание от ячеек № 27-29, 40-42 РУ-6 кВ ГПП-16 по двум кабельным линиям. ГПП-16 получает питание по двум кабельным линиям от ячеек № 11, 22 РП-1 110 кВ. Таким образом, конечным источником питания КРУ-6 кВ ГПП-19 также являются две различные системы шин РП-110 кВ, однако КРУ-35 кВ и КРУ-6 кВ отделены друг от друга двумя ступенями трансформации, что обеспечивает исключение влияния потребителей с резкопеременной нагрузкой на напряжении 35 кВ на работу потребителей напряжением 6 кВ. Схема внешнего электроснабжения ГПП-19 представлена на рис.1.1.1.

1.2 Описание схемы внутреннего электроснабжения

Питание КРУ-35 кВ ГПП-19 осуществляется через два трансформатора типа ТДЦНМ-160000/250000/110/35, имеющих устройства регулирования напряжения под нагрузкой. Схема КРУ-35 кВ представляет собой одну рабочую секционированную систему шин. Трансформаторы и секции в нормальном режиме работают раздельно. При выводе одного из трансформаторов в ремонт соответствующая секция запитывается через секционный выключатель. Состав потребителей на каждой секции идентичен и включает в себя: печной трансформатор АПК КЦ-2 мощностью 45 МВА, печной трансформатор АПК КЦ-1 мощностью 25 МВА, трансформатор собственных нужд (ТСН) типа ТМГ-630/35/0,4. Также на каждой системе шин установлено ФКУ, включающее в себя три фильтра высших гармоник мощностью по 10 МВАр, и дугогасящий реактор.

КРУ-6 кВ также представляет собой одну рабочую секционированную систему шин. От каждой секции получают питание по одному трансформатору КТП-61 и по одному трансформатору КТП-62 мощностью 2500 кВА, а также по одному асинхронному двигателю газоочистки мощностью 700 кВт. Также на каждой секции КРУ-6 кВ размещено по пять резервных ячеек, которые будут использоваться для подключения дополнительных потребителей по мере реконструкции КЦ-1 и КЦ-2.

ГПП-19 является подстанцией тупикового типа, получающей питание по радиальным схемам. Потребителями подстанции являются новые агрегаты «печь-ковш» и сопутствующие установки, сооружаемые в ходе реконструкции КЦ-1 и КЦ-2 ОАО «НЛМК». Наличие независимых источников питания и устройств автоматического ввода резерва обеспечивает надёжное электроснабжение для потребителей первой категории.

2. РАСЧЁТ НАГРУЗОК

Шины низшего напряжения ГПП-19 относятся к пятой группе электроприёмников [1, с.47]. Нагрузки для данной группы рассчитываются на основе данных о суммарной установленной мощности потребителей и коэффициенте использования активной мощности, либо на основе средних значений потребляемой мощности, определяемых по графикам нагрузок. Однако в связи с тем, что ГПП-19 является новой подстанцией, ввод потребителей в эксплуатацию ещё не завершён, вследствие чего данные о коэффициенте использования активной мощности и графики нагрузок потребителей отсутствуют. Таким образом, в данном дипломном проекте расчёт нагрузок ведётся на основе проектных данных о максимальных нагрузках потребителей [2]. Максимальные нагрузки ГПП-19 сведены в табл.2.1, 2.2.

Таблица 2.1. Максимальные нагрузки для КРУ-35 кВ ГПП-19.

Таблица 2.2. Максимальные нагрузки для КРУ-6 кВ ГПП-19.

Нагрузки для питающих линий определяются на основании данных табл.2.1, 2.2 для нормального и утяжелённого режимов. Нормальным считается режим с раздельной работой секций КРУ-35 кВ и КРУ-6 кВ ГПП-19 и с полностью функционирующими устройствами ФКУ. Утяжелённым считается режим с работой распределительных устройств через одну питающую линию без компенсации реактивной мощности.

Нагрузки питающих линий в нормальном режиме работы:

яч.№1-3, 16-18 КРУ-35 кВ (ввод на секции КРУ-35 кВ ГПП-19):

            (2.1)

                                      (2.2)

                            (2.3)

Токовые нагрузки питающих линий на напряжении 35 кВ составят:

                                                                  (2.4)

Токовые нагрузки питающих линий на напряжении 110 кВ составят:

.                                            (2.5)

- яч.№1-3, 22-24 КРУ-6 кВ (ввод на секции КРУ-6 кВ ГПП-19):

                       (2.6)

                     (2.7)

                          (2.8)

Токовые нагрузки питающих линий составят:

                                                           (2.9)

Нагрузки питающих линий в утяжелённом режиме работы:

яч.№1-3, 16-18 КРУ-35 кВ (ввод на секции КРУ-35 кВ ГПП-19):

                 (2.10)

                                  (2.11)

                                       (2.12)

Токовые нагрузки питающих линий на напряжении 35 кВ составят:

                                                     (2.13)

Токовые нагрузки питающих линий на напряжении 110 кВ составят:

.                                          (2.14)

яч.№1-3, 22-24 КРУ-6 кВ (ввод на секции КРУ-6 кВ ГПП-19):

                (2.15)

             (2.16)

                        (2.17)

Токовые нагрузки питающих линий составят:

                                                           (2.18)

Данные по проектным максимальным и расчётным нагрузкам позволяют осуществить проверку электрооборудования по условиям длительной работы в нормальном и утяжелённом режимах.

3. ОБОСНОВАНИЕ ГЛАВНОЙ СХЕМЫ ПОДСТАНЦИИ

3.1 Схема РУ-110 кВ

На ГПП-19 применяется глубокий ввод напряжением 110 кВ. Это обусловлено большой мощностью потребителей КРУ-35 кВ и позволяет сократить протяжённость кабельных линий напряжением 35 кВ, что снижает потери электроэнергии, упрощает работы по прокладке кабелей, а также повышает надёжность электроснабжения. Схема РУ-110 кВ состоит из открытого и закрытого распределительного устройства и представляет собой схему без сборных шин на первичном напряжении с перемычкой между линиями глубоких вводов [1]. Такие схемы используются для питания трансформаторов подстанций глубокого ввода (ПГВ), особенно расположенных в местах плотной застройки и высокого загрязнения воздуха при небольшом числе присоединений. ГПП-19 занимает небольшую площадь вблизи КЦ-2. В связи с высоким содержанием в воздухе токопроводящей пыли, грязи и т.п. схема РУ-110 кВ выполнена в закрытом исполнении. В открытой части РУ расположены мощные трансформаторы специального исполнения, помещение которых в ЗРУ крайне затруднено из-за больших размеров. Перемычка между линиями вводов в нормальном режиме разомкнута. Она позволяет сохранить электроснабжение потребителей при выводе в ремонт или ревизию одного из трансформаторов или одной из питающих линий. Схема без сборных шин позволяет сократить количество коммутационных аппаратов, а также упростить обслуживание подстанции за счёт более простой и наглядной схемы. Необходимость перемычки обусловлена требованиями к надёжности электроснабжения потребителей.

3.2 Схема КРУ-35 кВ

Схема РУ-35 кВ ГПП-19 представляет собой одну рабочую секционированную систему шин. Такие схемы обычно применяются на распределительных устройствах вторичного напряжения ПГВ и ГПП с нагрузкой, состоящей преимущественно из электродвигателей и электропечей [1]. Преимущество такой схемы заключается в небольшом количестве коммутационных операций при производстве переключений, что снижает риск ошибки и повышает надёжность работы подстанции. Кроме того, разъединители в такой схеме не являются оперативными, а служат лишь для снятия напряжения с выключателя во время ревизии или ремонта. Поэтому для них достаточно простой и надёжной (обычно механической) блокировки, исключающей операции разъединителем под нагрузкой. Комплектное исполнение РУ позволяет сократить время монтажа и наладки РУ, а также упростить обслуживание и повысить безопасность работ в РУ. Это достигается за счёт однотипности конструкции ячеек КРУ, а также благодаря наличию выкатных тележек, обеспечивающих надёжный разрыв электрической цепи и позволяющих производить операции в ячейке на удалении от действующего электрооборудования. Наличие перегородок между ячейками КРУ позволяет снизить вероятность распространения повреждения ячейки на остальные элементы КРУ.

3.3 Схема КРУ-6 кВ

Распределительное устройство напряжением 6 кВ представляет собой одну рабочую секционированную систему шин, выполненную из комплектных ячеек. Эта схема обеспечивает одновременно простоту обслуживания и надёжность электроснабжения потребителей первой категории за счёт двух независимых источников питания.

Таким образом схема ГПП-19 является адекватной назначению распределительных устройств, типу и категории надёжности потребителей. Схемы РУ выполнены с применением минимально необходимого коммутационного оборудования, что вкупе с применением КРУ на напряжении 35 и 6 кВ позволяет добиться размещения ГПП-19 на небольшой площади вблизи КЦ-2, являющегося непосредственным потребителем подстанции. Схемы РУ ГПП-19 приведены на рис.3.1,3.2.

4. ВЫБОР СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Выбор токоведущих частей

.1.1 Выбор силовых трансформаторов

На понижающих подстанциях обычно устанавливается два и более трансформатора. Мощность трансформаторов выбирается с таким условием, чтобы при выводе наиболее мощного из них в ремонт, оставшиеся в работе трансформаторы обеспечивали питание полной нагрузки с учётом допустимой перегрузки. Мощность трансформаторов определяется из двух условий [3]:

;                                                  (4.1.1.1)

,                              (4.1.1.2)

Где S_т - полная мощность трансформатора,_max=140 МВА - максимальная суммарная нагрузка ГПП-19 без учёта устройств компенсации реактивной мощности,

n_т=2 - число трансформаторов на подстанции,

S_утяж.=140 МВА - суммарная нагрузка ГПП-19 в утяжелённом режиме с выводом одного из трансформаторов в ремонт,

К_пер.=1,4 - коэффициент допустимой перегрузки в длительном режиме для масляных трансформаторов [4],

n_откл. - число отключённых трансформаторов.

Как видно из расчётов, для установки на ГПП-19 подходят трансформаторы с типовой мощностью 125 МВА. Однако при выборе следует учесть дополнительные обстоятельства. Во-первых, вся нагрузка КРУ-35 ГПП-19 имеет ударный характер, пиковая мощность при этом может превышать номинальную. Во-вторых, следует учитывать возможность развития подстанции и подключения дополнительных нагрузок без необходимости замены трансформаторов. Учитывая, что для питания агрегатов «печь-ковш» требуются дорогостоящие трансформаторы специального металлургического исполнения с возможностью работы в условиях ударной нагрузки, более экономичным может оказаться изначальное завышение типовой мощности трансформатора по сравнению с необходимостью его замены при подключении дополнительных нагрузок. В-третьих, пониженная загрузка трансформатора в номинальном режиме увеличивает срок его службы, что также делает целесообразным завышение мощности.

Исходя из вышеперечисленных условий, для ГПП-19 принимаются трансформаторы типа ТДЦНМ - 160000/250000/110/35-У1, трехфазные, двухобмоточные, с воздушным дутьем, принудительной циркуляцией масла, с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, с кабельными вводами. Схема и группа соединения обмоток Y/∆ - 11. Напряжение и токи зависят от положения переключателя РПН. Переключатель имеет 19 положений.

Регулирование напряжения обмотки ВН производится в пределах ±12% относительно номинального (10-я ступень) ступенями по 1,5%. Для среднего (10) положения: U_вн = 115кВ; I_вн = 803,3 А; U_нн = 35кВ; I_нн = 2639,3 А.

4.1.2 Выбор кабелей и ошиновок

Для прокладки кабельных линий на ГПП-19 используются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Они обладают повышенной пропускной способностью по сравнению с традиционными типами кабелей, высокой надёжностью и длительным сроком службы. Определённым недостатком данного типа кабелей является неспособность к самовосстановлению изоляции при замыкании на землю, в связи с чем повышается вероятность выхода из строя кабельной линии при данном типе повреждения.

Выбор сечения кабелей производится с тем, чтобы обеспечить наименьшие потери электроэнергии в нормальном режиме работы. Для этого используют понятие экономической плотности тока. С помощью этого параметра можно определить такую величину сечения кабеля, при которой потери электроэнергии будут минимальными. С целью максимизации времени наиболее экономически выгодного использования кабельной линии для расчёта экономического сечения используется величина тока в нормальном длительном режиме. Расчёт производится по формуле/

,                                                                                   (4.1.2.1)

где s - экономическое сечение кабеля, мм²,

j_эк. - экономическая плотность тока; для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и алюминиевыми жилами j_эк.=1,6, для неизолированных алюминиевых проводов j_эк.=1,3.

Результаты расчётов, произведённых по формуле 4.1.2.1 на основе данных табл.2.1, 2.2 сведены в табл.4.1.2.1.

Таблица 4.1.2.1. Результаты расчёта экономического сечения кабельных линий ГПП-19.

После расчёта экономического сечения принимается ближайшее меньшее стандартное значение [4], если разница между ним и экономическим сечением не превышает 20 %. Предварительно принятые сечения кабельных линий ГПП-19 и значения длительно допустимых токов для них приведены в табл.4.1.2.1.

Предварительно выбранные по экономическому сечению кабели проверяются по допустимому току в утяжелённом режиме [5, 6]. Утяжелённым режимом для питающих кабелей трансформаторных подстанций является ремонтный режим для одного из питающих трансформаторов. Ток утяжелённого режима не должен превышать длительно допустимого тока для трансформаторов с учётом перегрузки: 1,4I_н для масляных и 1,2I_н для сухих трансформаторов [4]. Для кабельных линий АПК за утяжелённый режим принимается режим с током равным 1,6I_н, так как работа печи сопровождается токами эксплуатационных коротких замыканий, которые могут доходить до (3÷4)I_н, а печной трансформатор по своей конструкции более устойчив к перегрузкам, чем обычный масляный. Для вводов КРУ-6 кВ за утяжелённый режим принимаем ≈4I_норм., так как около половины ячеек находятся в резерве и будут нести дополнительную нагрузку. В случае если принятое сечение не проходит по допустимому току в утяжелённом режиме, принимается кабель большего сечения с тем, чтобы удовлетворять данному условию. Результаты проверки кабелей по допустимому току в утяжелённом режиме приведены в табл.4.1.2.2.

Таблица 4.1.2.2 Результаты проверки кабелей по допустимому току

4.2 Выбор коммутационной аппаратуры

На РУ-110 кВ установлены элегазовые выключатели фирмы Siemens типа 3AP1DT со следующими характеристиками:

максимальное рабочее напряжение U_ном - 145кВ;

номинальный ток выключателя I_ном - 3150А;

номинальная частота - 50Гц;

номинальный ток отключения выключателя при к.з. - 40кА;

номинальная продолжительность к.з. - 3сек;

номинальный ток включения выключателя - 100кА;

собственное время отключения - 30 ± 4мсек;

собственное время включения - 55 ± 8мсек;

полное время отключения £ 57мсек;

дугогасящая среда - элегаз;

заполняемая масса элегаза - 27кг;

объем элегаза на выключатель - 581дм²;

- номинальное давление элегаза при 20º С - 6кгс/см².

Выключатель является трехполюсным автоматическим компрессионным выключателем открытого типа, в котором в качестве изоляционного и дугогасящего средства используется элегаз (SF₆).

Также на РУ-110 кВ ГПП-19 используются разъединители. Они предназначены для отключения или включения участков электрической цепи при отсутствии нагрузочного тока и создания видимого разрыва при ремонтных работах. Контактная система разъединителя не имеет дугогасительных устройств, поэтому в случае ошибочного отключения токов нагрузки возникает устойчивая дуга, которая может привести к разрушению оборудования и несчастным случаям с обслуживающим персоналом.

На ГПП-19 установлены горизонтально-поворотные разъединители с одним или двумя комплектами заземляющих ножей (шинные разъединители трансформаторов напряжения, шинные разъединители выключателей, линейные разъединители в сторону кабеля и в сторону трансформатора, разъединители перемычки) типа РГ.2-110.II/2000 и РГ.1-110.II/2000:

Р - разъединитель;

Г - горизонтально-поворотного типа;

(2) - количество заземляющих ножей на полюс;

- номинальное напряжение, кВ;

- номинальный ток, А.

С электродвигательными приводами типа:

ПДГ-9-02 УХЛ-1 с блоком БУ-2 для управления разъединителем и одним заземлителем.

ПДГ-9-03 УХЛ-1 с блоком БУ-3 для управления разъединителем и двумя заземлителями.

Также на ГПП-19 используются разъединители типа DBF - 145:

- номинальное напряжение, кВ;

- номинальный ток, А;

кА - ток электродинамической стойкости;

кА - ток термической стойкости (в течение 3 с).

4.3 Выбор измерительных трансформаторов

На РУ-110 кВ ГПП-19 используются индуктивные одновитковые измерительные трансформаторы тока Т1L-1500/5А, Т2L-1500/5А. Проверка измерительных трансформаторов осуществляется по номинальным условиям. Ток кабельной линии 110 кВ в утяжелённом режиме составляет 606 А. Номинальный ток трансформаторов составляет 1500 А, таким образом трансформаторы проходят по номинальным параметрам.

4.4 Комплектные распределительные устройства

РУ-6 кВ и РУ-35 кВ на ГПП-19 выполнены в виде комплектных распределительных устройств. Комплектное распределительное устройств 35кВ находится в здании ЗРУ-35 кВ и состоит из:

13-ти ячеек типа РВМ-35 с вакуумными выключателями VD4 1250, 3150А;

2-х ячеек типа РВМ-35 с трансформаторами напряжения;

3-х ячеек типа РВМ-35 с разъединителями;

2-х ячеек типа РВМ-35 с трансформаторами тока

Все ячейки собраны в две секции при помощи шинопроводов.

Ячейки КРУ представляют из себя шкаф, состоящий из отдельных отсеков, имеющих различное назначение:

отсек сборных шин;

шкаф релейный;

отсек трансформаторов тока и кабелей;

отсек силового оборудования, в котором на выкатной тележке устанавливается выключатель (разъединитель, трансформатор напряжения).

Максимальный ток вводных ячеек в утяжелённом режиме составляет 1040 А. Установленные в ячейках выключатели соответствуют условиям данного режима по номинальным характеристикам. Шинопроводы согласованы по режиму работы с выключателями и отдельной проверке не подлежат.

Комплектное распределительное устройство 6кВ находится в здании ЗРУ-35 кВ и состоит из:

19-ти ячеек типа К104-КФ с вакуумными выключателями «SIEMENS» серии 3АН5 с номинальным током 1250, 2500 А;

2-х ячеек типа К104-КФ с трансформаторами напряжения 3×3НОЛП-6;

1 ячейки типа К104-КФ с разъединителем.

Все ячейки собраны в две секции при помощи сборных шин, между секциями КРУ-6 кВ имеется АВР. Ячейки КРУ представляют из себя шкаф, состоящий из отдельных отсеков, имеющих различное назначение:

отсек сборных шин;

релейный отсек;

отсек трансформаторов тока;

отсек силового оборудования, в котором на выкатной тележке устанавливается выключатель (разъединитель, трансформатор напряжения).

Максимальный ток вводных ячеек в утяжелённом режиме составляет 640 А. Установленные в ячейках выключатели соответствуют условиям данного режима по номинальным характеристикам.

Шины КРУ соответствуют по номинальным параметрам установленным выключателям и отдельной проверке не подлежат. Номинальное напряжение всех устройств соответствует номинальному напряжению КРУ.

5. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

5.1 Составление расчётной схемы и выбор точек короткого замыкания

В сети трёхфазного переменного тока могут возникать следующие виды коротких замыканий (КЗ): трёхфазное, двухфазное, однофазное на землю. Причём однофазное замыкание на землю является коротким лишь в том случае, когда общая точка сети имеет непосредственную связь с землёй (режим работы сети с заземлённой или эффективно заземлённой нейтралью), в остальных случаях замыкание на землю не является аварийным режимом (режим работы сети с изолированной нейтралью или нейтралью, заземлённой через большое сопротивление). Токи короткого замыкания имеют значительную величину, намного превышая токи нормального режима. При протекании токов КЗ электрооборудование подвергается термическому и электродинамическому воздействию, что может привести к его повреждению. По этой причине всё силовое электрооборудование на подстанции следует проверять на стойкость в режиме КЗ. Кроме того значения токов КЗ используются для расчёта уставок релейной защиты с целью обеспечения быстрого отключения повреждённого участка от сети и предотвращения повреждения оборудования.

Расчётным является режим трёхфазного короткого замыкания в максимальном режиме питающей сети, так как в нём протекают наибольшие токи. Для проверки чувствительности релейной защиты используют значения токов двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме питающей сети. Для проверки электрооборудования и расчёта уставок релейной защиты необходимо определить расчётные точки короткого замыкания. Для проверки электрооборудования напряжением 110 кВ выбираем точку короткого замыкания вблизи шин РП-1 110 кВ в месте присоединения кабельной линии РП-1 - ГПП-19. Для проверки электрооборудования напряжением 35 кВ выбираем точку короткого замыкания на шинах КРУ-35 кВ. Для проверки электрооборудования напряжением 6 кВ выбираем точку короткого замыкания на шинах КРУ-6 кВ питающей подстанции ГПП-16, так как протяжённость и суммарная площадь сечения кабельной линии сравнительно невелика. Для расчёта уставок релейной защиты необходимо выбрать точку за трансформатором, получающим питание от ГПП-19.

Рис.5.1.1 Расчётная схема для определения токов КЗ на ГПП-19

В связи со сложной и разветвлённой системой внешнего электроснабжения необходимые для расчёта данные по величине токов КЗ на шинах РП-1 принимаем согласно данным Липецкого РДУ, приведённым в табл.6.1.1. Для расчёта токов КЗ принимаем участок цепи ГПП-19, состоящий из кабельной линии 110 кВ, трансформатора 110/35 кВ, кабельной линии 35 кВ и трансформатора АПК-1 КЦ-1 мощностью 25 МВА. Так как параллельная работа 1Т и 2Т ГПП-19 режимными схемами не предусмотрена, при расчётах не учитывается подпитка от соседней секции. Расчётная схема для определения токов КЗ приведена на рис.5.1.1.

Таблица 5.1.1. Режимы короткого замыкания на шинах РП-1 110 кВ

5.2 Определение параметров схемы замещения

На расчётной схеме указываются только те элементы, сопротивление которых должно быть учтено при расчёте токов КЗ. Расчёт токов будет производиться в именованных единицах для большей точности и удобства при учёте устройства регулирования под напряжением (РПН) трансформаторов ГПП-19. Активное сопротивление элементов сети пренебрежимо мало, поэтому для упрощения расчётов оно не учитывается. Погрешность, возникающая при этом, влияет на величину тока КЗ только в сторону увеличения, поэтому опасности недостаточной стойкости в режиме КЗ для электрооборудования нет. Схема замещения с расчётными параметрами представлена на рис.5.2.1.

Сопротивление системы по данным табл.5.1. равно:

 при

 при

Рис.5.2.1 Схема замещения для расчёта токов КЗ

Сопротивление кабельной линии 110 кВ A2XS(FL)2Y 3(1x500) равно:

                                     (5.2.1)

Где Х_уд.=0,09 Ом/км - удельное сопротивление кабельной линии;

l=1,46 км - длина кабельной линии.

Сопротивление трансформатора ТДЦН - 160000/250000/110/35 в минимальном режиме при напряжении U_с1=126 кВ с учётом РПН:

                      (5.2.2)

Сопротивление трансформатора ТДЦН - 160000/250000/110/35 в максимальном режиме при напряжении U_с2=101,2 кВ с учётом РПН:

                       (5.2.3)

Сопротивление кабельной линии 35 кВ АПвВнг2г 3(1х800)/90 равно:

.                                          (5.2.4)

Сопротивление трансформатора АПК-1 КЦ-1равно:

                                   (5.2.5)

5.3 Расчёт токов короткого замыкания

На основании расчётной схемы производим расчёт токов короткого замыкания для точек К-1, К-2, К-3, К-4.

Суммарное сопротивление участка сети до точки К-1 равно:

;                (5.3.1)

.                (5.3.2)

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания для точки К-1 составляет:

;                                         (5.3.3)

.                                          (5.3.4)

Максимальное значение ударного тока КЗ составляет [7]:

,                  (5.3.5)

Где k_уд. - ударный коэффициент, для высоковольтных цепей с преобладающим индуктивным сопротивлением k_уд.≈1,8.

Суммарное сопротивление участка сети до точки К-2 равно:

   (5.3.6)

;

  (5.3.7)

.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания, приведённое к уровню 35 кВ для точки К-2 составляет:

;                           (5.3.8)

.                            (5.3.9)

Максимальное значение ударного тока КЗ составляет:

,                 (5.3.10)

Суммарное сопротивление участка сети до точки К-3 равно:

 (5.3.11)

;

 (5.3.12)

.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания для точки К-3 составляет:

;                                 (5.3.13)

.                                 (5.3.14)

Максимальное значение ударного тока КЗ составляет:

,         (5.3.15)

Суммарное сопротивление участка сети до точки К-4 равно:

.               (5.3.16)

.             (5.3.17)

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания для точки К-4 составляет:

;                                 (5.3.18)

.                                 (5.3.19)

Максимальное значение ударного тока КЗ составляет:

,         (5.3.20)

6. ПРОВЕРКА ВЫБРАННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА СТОЙКОСТЬ В РЕЖИМЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

.1 Проверка выключателей и разъединителей

Для проверки выбираем выключатели, установленные на элементах расчётной схемы токов КЗ (см п.5.3):

) элегазовые выключатели 3AP10T-145EK: U_н=110 кВ, I_н=3150 А;

) вакуумные выключатели VD4: U_н=36 кВ, I_н=1250 А, 3150 А;

Проверка включающей способности и динамической стойкости:

I_{вкл. н}≥I_п.0,

Где I_вкл.н=I_откл.н и составляет: I_вкл.н1=40 кА, I_вкл.н2=25 кА;

I_п.01=27,4 кА, I_п.02=17,2 кА, - ток трёхфазного короткого замыкания.

i_скв.≥i_уд.,

где i_скв.1=69,5 кА, i_скв.2=63 кА - пиковый ток включения выключателя;

i_уд.1=80 кА, i_уд.2=43,6 кА.

Оба выключателя удовлетворяют условиям включающей способности и динамической стойкости.

Проверка отключающей способности (для периодической и апериодической составляющей тока КЗ):

I_{откл. н} ≥I_п.0 (проверка аналогична проверке на включающую способность);

i_{а норм.}≥i_аπτ,

где ,                           (6.1.1)

,                                  (6.1.2)

,              (6.1.3)

,              (6.1.4)

,                        (6.1.5)

,                        (6.1.6)

Т_а.экв.=0,03 с - приближённое значение эквивалентной постоянной времени согласно [8].

В расчёте принимается минимальное время срабатывания релейной защиты, поскольку полный ток короткого замыкания через электрооборудование протекает лишь в случае повреждения непосредственно вблизи него, а в этому случае релейная защита действует на отключение без выдержки времени.

Оба выключателя удовлетворяют условиям отключающей способности.

Проверка на термическую стойкость заключается в сравнении найденного при данных расчётных условиях интеграла Джоуля с его допустимым значением для данного аппарата [9]. Для ГПП-19 короткое замыкание считается удалённым, так как источники подпитки находятся на большом электрическом удалении от подстанции. В этом случае применяется радиальная схема, содержащая одну ветвь с источником практически неизменной по амплитуде ЭДС. При этом, так как t_откл.≥Т_а, интеграл Джоуля определяется по упрощённой формуле:

,   (6.1.7)

.   (6.1.8)

Нормированный интеграл Джоуля определяется по формуле:

,                           (6.1.9)

.                  (6.1.10)

Оба выключателя удовлетворяют условиям термической стойкости.

Разъединители проверяются на предмет соответствия параметров термической и динамической стойкости к условиям короткого замыкания. Разъединители напряжением 110 кВ типа DBF - 145 имеют следующие характеристики: I_терм.=63 кА, I_дин.=160 кА, что удовлетворяет условиям стойкости. Выкатные элементы КРУ выполняются в соответствии с параметрами стойкости к токам КЗ у выключателей ячеек, поэтому дополнительная проверка для них не требуется.

.2. Проверка кабелей

Кабели проверяются на термическую стойкость в режиме КЗ. Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена производителем приводятся данные по допустимому односекундному току короткого замыкания. При длительности короткого замыкания отличной от t_откл.=1 с допустимый ток пересчитывается по формуле [5]:

.                                                                           (6.2.1)

Для кабеля A2XS(FL)2Y 3(1x1000) 110 кВ:

.                                       (6.2.2)

Для кабеля АПвВнг 3(1х800) 35 кВ:

.                           (6.2.3)

Кабели удовлетворяют условию термической стойкости.

6.3 Проверка измерительных трансформаторов

Трансформаторы тока напряжением 110 кВ встроены в элегазовые выключатели фирмы «Siemens» и должны выдерживать те же токи короткого замыкания, что и выключатели. Поэтому отдельной проверки для них не требуется.

Трансформаторы тока ячеек КРУ-35 кВ имеют тип TPU 7x.xx и коэффициент трансформации от 600/5 до 1000/5 Согласно каталожным данным [10] для трансформаторов тока типа TPU 70.xx 600/5 I_терм.=50 кА, Iдин.=125 кА, а для трансформаторов тока типа TPU 73.xx 1000/5 I_терм.=80 кА, Iдин.=200 кА. Таким образом, трансформаторы тока удовлетворяют условиям термической и динамической стойкости в режиме короткого замыкания.

7. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

7.1 Регулирование уровня напряжения на подстанции

Источники и потребители электроэнергии в энергосетях связаны между собой воздушными и кабельными линиями различной протяжённости. Сопротивление линий сравнительно невелико, однако при прохождении электроэнергии через несколько подстанций суммарная их протяжённость оказывается значительной, что может привести к тому, что напряжение на шинах потребителей окажется ниже номинального уровня, что приведёт к увеличению потерь, снижению эффективности освещения, а также и к невозможности работы отдельных электроприёмников. Кроме того, изменение уровня напряжения может происходить из-за изменения величины суммарной нагрузки потребителей. Для компенсации потерь напряжения в линиях на ГПП-19 применяют устройства регулирования напряжения, позволяющие менять коэффициент трансформации за счёт переключения отпаек обмоток трансформаторов и автотрансформаторов. Такие устройства делятся на РПН (устройства регулирования напряжения под нагрузкой) и ПБВ (устройства переключения без возбуждения).

На ГПП-19 применяются трансформаторы типа ТДЦНМ - 160000/250000/110/35-У1, снабжённые устройствами РПН. Переключатель РПН имеет 19 положений. Регулирование напряжения обмотки ВН производится в пределах ±12% относительно номинального (10-я ступень) ступенями по 1,5%. Таким образом обеспечивается поддержание номинального уровня напряжения на шинах 35 кВ при напряжении на стороне обмотки высшего напряжения от 101,2 до 128,8 кВ.

7.2 Расчёт потерь мощности и напряжения

Расчёт потерь мощности и напряжения в линиях показан на примере КЛ 110 кВ РП-1 - ГПП-19 в нормальном режиме без учёта ФКУ. Поскольку состав нагрузок на секциях КРУ-35 кВ ГПП-19 идентичен, достаточно привести расчёты для одной из кабельных линий. Продольная составляющая потерь напряжения в линии рассчитывается по формуле:

, (7.2.1)

Где Р=56504 кВт - расчётная активная мощность, передаваемая линией,=37378 кВАр - расчётная реактивная мощность, передаваемая линией,_н=110 кВ - номинальное напряжение линии,

r_уд.=0,033 Ом/км - удельное активное сопротивление кабеля,

x_уд.= 0,0707 Ом/км - удельное реактивное сопротивление кабеля,=1,46 км - длина линии.

Для линий напряжением выше 35 кВ необходимо также учитывать поперечную составляющую потерь:

.          (7.2.2)

Полные потери напряжения в линии составляют:

.                           (7.2.3)

Относительные потери напряжения в линии в номинальном режиме составляют:

.                                  (7.2.4)

Допустимыми являются потери до 5%, таким образом, данная линия обеспечивает приемлемое качество передаваемого напряжения.

Потери активной энергии в элементах схемы за год определяются по формуле:

,                                                                    (7.2.5)

Где t=8760 ч - количество часов в году.

Потери энергии в кабельной линии за год:

                       (7.2.6)

.

7.3. Компенсация реактивной мощности и подавление высших гармоник

Основной нагрузкой ГПП-19 являются агрегаты «печь-ковш», имеющие ударный характер нагрузки и достаточно низкий коэффициент мощности, а также являются источниками высших гармоник тока и напряжения.

Устройства АПК являются крупными потребителями не только активной, но и реактивной мощности, в связи с чем вопросу компенсации реактивной мощности уделяется большое внимание. Коэффициент мощности АПК в среднем составляет 0,8. В период расплавления металла его значение становится ещё ниже. Потребление реактивной мощности сталеплавильными печами происходит более неравномерно, чем активной. В моменты эксплуатационных коротких замыканий (на стадии расплавления) происходят значительные броски реактивной мощности, величина которых может достигать 2÷4-кратного значения от номинальной величины. Дисперсия реактивной мощности в остальные периоды работы АПК значительно меньше. В целом график потребления реактивной мощности содержит постоянную и значительную переменную составляющую (рис.7.3.1).

Рис.7.3.1 Характерный график изменения потребляемой реактивной мощности дуговой сталеплавильной печи

Эти факторы определяют необходимость использования установок искусственной компенсации реактивной мощности печей. Применение средств компенсации позволяет уменьшить потери электроэнергии в питающих линиях, снизить уровень колебаний напряжения, а в некоторых случаях и увеличить пропускную способность печного трансформатора по активной мощности. Для компенсации реактивной мощности электродуговых печей применяют различные типы устройств: статические компенсаторы поперечного включения, управляемые реакторы и фильтрокомпенсирующие устройства, установки продольной компенсации, синхронные двигатели и синхронные компенсаторы. Их установленная мощность, а также быстродействие должны соответствовать требованиям компенсации постоянной и переменной составляющих графика потребляемой реактивной мощности.

Конденсаторы поперечного включения позволяют компенсировать постоянную часть графика реактивной мощности. Величина генерируемой ими мощности напрямую зависит от напряжения в точке подключения батареи конденсаторов (БК). Обеспечить компенсацию переменной составляющей реактивной мощности можно путём ступенчатого подключения конденсаторов к сети или применения управляемых БК. Подключение БК может осуществляться по одной из следующих схем: параллельно обмотке высшего напряжения электропечного трансформатора; с помощью специального повышающего трансформатора, подсоединённого к стороне низшего напряжения печного трансформатора; к регулировочным выводам соответствующей обмотки печного трансформатора; при наличии в печном трансформаторе вольт-добавочного трансформатора к крайним выводам его регулировочной обмотки; в промежутке между регулировочным трансформатором или автотрансформатором и печным трансформатором. Достоинство схемы, приведённой на рис.7.3.2, заключается в том, что мощность конденсаторной батареи не зависит от коэффициента трансформации при регулировании напряжения. Эта же схема обеспечивает наибольшее увеличение пропускной способности печного трансформатора по активной мощности.

Рис.7.3.2 Схема компенсации реактивной мощности с конденсаторной батареей поперечного включения

Непосредственное подключение БК к вторичному контуру электропечного трансформатора не практикуется из-за нестандартности и малости величины вторичного напряжения, а также значительных его изменений при регулировании режима работы, что снижает экономические показатели использования БК. Батареи поперечного включения могут перегружаться токами высших гармоник, генерируемых АПК, уровень перегрузки при этом не должен превышать 130%.

Управляемый реактор и фильтрокомпенсирующие устройства вместе с конденсатором поперечного включения образуют две части быстродействующего статического компенсирующего устройства (рис.7.3.3). БК совместно с ФКУ осуществляет компенсацию постоянной части реактивной мощности на максимальном уровне, а с помощью управляемого реактора осуществляется регулирование результирующей мощности. Требуемое быстродействие обеспечивается с помощью применения в силовой цепи управляющего реактора тиристоров. Фильтрокомпенсирующее устройство представляет собой силовой резонансный LC-фильтр, настроенный на определённую гармонику напряжения.

Рис.7.3.3 Статическое компенсирующее устройство с управляющим реактором и ФКУ

Установки продольной компенсации обладают тем преимуществом, что позволяют автоматически, без применения регулятора осуществить компенсацию переменной и постоянной составляющих графика потребления реактивной мощности. Место подключения устройства продольной компенсации в электрической цепи принципиально безразлично, но отмеченные выше особенности вторичного контура печи и большие токи исключают возможность размещения устройства с низкой стороны печного трансформатора. Продольная компенсация существенно улучшает качество напряжения, а также обеспечивает преимущества, вызываемые БК поперечного включения. Кроме того она выравнивает мощности электродов.

Схемы подключения установок продольной компенсации следующие: последовательно во вторичную обмотку специального разделительного трансформатора; последовательно с первичной обмоткой печного трансформатора или между ним и регулировочным автотрансформатором; последовательно в цепь обмотки вольтдобавочного трансформатора (рис.7.3.4). К недостаткам продольной компенсации относится возможность феррорезонансных явлений при различных периодических режимах. Поэтому установки продольной компенсации применяют на электропечах с достаточно спокойным режимом работы.

Рис.7.3.4 Схемы включения устройства продольной компенсации в электропечной контур

Специальные синхронные компенсаторы являются автоматическими и быстродействующими источниками реактивной мощности, обеспечивающими уменьшение колебаний напряжения при работе печей. Они обладают большой кратковременной перегрузочной способностью по реактивной мощности и снабжены системой тиристорного возбуждения, работающей в режиме слежения за реактивным током. Мощность синхронного компенсатора может быть принята меньшей, чем мощность статических конденсаторов, по среднеквадратичному значению компенсирующей мощности. При расчёте схемы электроснабжения необходимо учитывать большую подпитку от синхронного компенсатора места короткого замыкания. Недостатками синхронных компенсаторов является наличие вращающихся частей, относительно высокие удельные потери активной мощности, большие капитальные затраты и эксплуатационные издержки. Также для компенсации реактивной мощности электродуговых печей используют и синхронные двигатели общепромышленного назначения. При этом они должны иметь быстродействующее тиристорное возбуждение.

Естественный коэффициент мощности АПК составляет 0,8. Использованием ФКУ предполагается увеличить его значение до 0,95÷0,98. Требуемое количество потребляемой из сети реактивной мощности на секцию для обеспечения заданного значения cosφ можно определить по формуле:

. (7.3.1)

Тогда требуемая мощность ФКУ на секцию составит:

.                      (7.3.2)

Помимо низкого коэффициента нагрузки влияние АПК на питающую сеть заключается в загрязнении её высшими гармониками. Высшие гармоники тока и напряжения создают дополнительные потери в линиях, а также ускоряют старение изоляции и нарушают работу чувствительной электроники, в частности микропроцессорной техники, используемой в устройствах управления и защиты. Характерными для печных трансформаторов являются третья, четвёртая и пятая гармоники. Для их подавления принимается ФКУ мощностью 30 МВАр, состоящее из трёх LC-фильтров мощностью по 10 МВАр каждый, настроенных на резонанс с данными гармониками (рис.7.3.5). Полученные в результате характеристики полного сопротивления сети, представленные на рис.7.3.6÷7.3.8, показывают, что использование данной конфигурации ФКУ позволяет надёжно подавлять типичные гармоники высшего порядка, генерируемые устройствами АПК без усиления других гармоник в следствие параллельного резонанса.

Рис.7.3.5. Схема фильтро-компенсирующих устройств ГПП-19

Рис.7.3.6. Характеристика сопротивления сети на I с.ш. при работе АПК-1 КЦ-2 с отключённой II с.ш.

Рис.7.3.7. Характеристика сопротивления сети на I с.ш. при работе АПК-2 КЦ-2 с подключенной II с.ш.

Рис.7.3.8. Характеристика сопротивления сети на I с.ш. при работе АПК-1, АПК-2 КЦ-2.

Таким образом, применение ФКУ позволяет повысить коэффициент мощности на шинах КРУ-35 кВ ГПП-19 до величины выше 0,95, а также компенсировать влияние наиболее значительных высших гармоник тока и напряжения.

7.4 Экономический эффект от использования ФКУ

С использованием ФКУ, потребляемая из сети полная мощность снизится, что даст экономический эффект в виде уменьшения стоимости закупаемой электроэнергии, а также стоимости покрытия потерь электроэнергии в линиях.

Суммарная максимальная полная мощность, потребляемая ГПП-19 в режиме без ФКУ составляет:

                                     (7.4.1)

.

Суммарная максимальная мощность, потребляемая ГПП-19 в режиме с компенсацией реактивной мощности составляет:

(7.4.2

Экономия потребляемой мощности из внешней энергосети составит:

ВА,      (7.4.3)

Потери электроэнергии в кабельной линии за год с использованием ФКУ составят:

,           (7.4.4)

,           (7.4.5)

.                              (7.4.6)

. (7.4.7)

Таким образом, снижение потерь электроэнергии в кабельных линиях 110 кВ РП-1 - ГПП-19 за год составит:

(7.4.8)

При цене электроэнергии 2,1 руб/кВт∙ч годовая экономия составит:

                        (7.4.9)

Как видно из расчётов, применение ФКУ позволяет снизить затраты на компенсацию потерь электроэнергии в линиях.

8. СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ГПП-19

Для питания потребителей собственных нужд на ГПП-19 установлены два трансформатора мощностью по 630 кВА напряжением 35/0,4 кВ, подключённые к 1 и 2 с.ш. КРУ-35 кВ (рис.8.1). Распределение электроэнергии на напряжение 220/380 В по потребителям осуществляется от двухсекционного щита собственных нужд, состоящего из 8 шкафов производства "Schneider Electric". В качестве коммутационных и защитных аппаратов используются автоматические выключатели "Мастерпакт" типа NT10Н1 на ток 1000А. На вводных выключателях и секционном организовано устройство АВР для осуществления автоматического взаимного резервирования питания секций.

На подстанции принят постоянный оперативный ток напряжением 220В. В качестве источника оперативного тока применена аккумуляторная батарея емкостью 275 Ач серии Power Safe V, состоящая из 104 элементов типа 2V275. Режим работы аккумуляторной батареи буферный, т.е. аккумуляторная батарея постоянно включена в режим подзаряда от двух взаиморезервирующих зарядно-выпрямительных устройств типа HРТ 100.200ХE.

Распределение постоянного оперативного тока по потребителям осуществляется от щита постоянного тока, состоящего из трех панелей. В качестве коммутационных и защитных аппаратов используются предохранители рубящего типа. Данные аппараты имеют преимущества перед автоматическими выключателями в части ограничения перенапряжений в распределительной сети постоянного оперативного тока. Достоинством установленного щита постоянного тока является полный автоматический мониторинг всех составных частей и компонентов с контролем технических и электрических параметров и величин.

От ЩСН-0,4кВ получают питание щитки рабочего освещения ЩО-1 (ЗРУ-110 кВ), ЩО-1М (ЗРУ-35 кВ), ящик управления наружным освещением подстанции, механизмы автоматического регулирования напряжения трансформаторов 160000 кВА, магистрали питания и обогрева приводов разъединителей 110 кВ, щит распределительный ЩР, распределительные пункты 1ПР, 2ПР, 3ПР, 4ПР (отопление, вентиляция и кондиционирование подстанции), зарядные устройства №1 и №2, блок аварийного освещения (далее БАО), шкафы управления охлаждением трансформаторов.

Подключение потребителей выполнено непосредственно с ЩСН и с распределительных шкафов, расположенных в помещении ЩСН, ЗРУ-35 кВ и ЗРУ-110 кВ.

Рис.8.1 Схема собственных нужд ГПП-19

9. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА

9.1 Анализ аварийных режимов на подстанции

На ГПП-19 возможны различные типы повреждений электрооборудования. Кабельные линии напряжением 110, 35 и 6 кВ проложены в закрытых помещениях и в достаточной степени защищены от воздействия окружающей среды. Однако это не исключает повреждений изоляции при несоблюдении условий эксплуатации или нарушениях технологического процесса. На ГПП-19 установлены мощные трансформаторы напряжением 110/35 кВ, повреждения изоляции и обмоток которых влекут за собой серьёзные последствия. Трансформаторы АПК, питающиеся от отходящих линий ГПП-19 работают в тяжёлом режиме при эксплуатационных КЗ, поэтому не исключены внутренние повреждения из-за ускоренного старения изоляции, высоких динамических нагрузок или при нарушении хода технологического процесса. Ячейки КРУ являются достаточно надёжными элементами, поэтому основной причиной повреждений в них, как и в ЗРУ-110 кВ могут явиться ошибки обслуживающего персонала при выполнении оперативных переключений. На подстанции установлено мощное дорогостоящее оборудование, а потребители имеют первую категорию по надёжности электроснабжения, по этой причине ГПП-19 должна быть оборудована надёжной системой релейной защиты и автоматики, позволяющей в кратчайшие сроки локализовать повреждение и избежать развития аварии.

9.2 Анализ существующей системы РЗиА

Система РЗиА ГПП-19 построена с использованием микропроцессорных терминалов защиты (МПЗ) и автоматики серии SIPROTEC производства фирмы Siemens. Эти устройства обладают высокими техническими характеристиками и позволяют создавать системы защиты, удовлетворяющие самым высоким требованиям по быстродействию, селективности, чувствительности и надёжности. МПЗ нечувствительны к вибрациям и другим механическим воздействиям (за исключением разрушающих нагрузок), однако требуют проведения предварительных исследований по обеспечению электромагнитной совместимости с сетью предприятия. Устройства SIPROTEC имеют встроенные цепи контроля, что упрощает поиск неисправности. Также терминалы позволяют записывать осциллограммы аварийных процессов, что помогает выяснить причины аварий. Настройка терминалов осуществляется с помощью программатора (ноутбука с установленным программным обеспечением DIGSI), что позволяет проверить все уставки и логику срабатывания защиты перед заливкой программы в терминал. Однако для полноценного использования всех возможностей микропроцессорных защит необходимо повышать квалификацию обслуживающего персонала. Это затрудняется принципиальными отличиями в идеологии построения защит производства иностранных фирм, ограниченной информацией и не всегда достойным качеством перевода документации. Однако эти проблемы будут решаться с развитием рынка микропроцессорных защит в России и накоплением опыта по их эксплуатации, поэтому на сегодняшний день применение микропроцессорных терминалов является наиболее перспективным направлением развития систем релейной защиты и автоматики.

9.3 Выбор типов защит

Несмотря на применение терминалов защиты иностранного производства, система РЗиА ГПП-19 должна отвечать требованиям ПУЭ [4], НТП ПС ОАО «ФСК ЕЭС России» [11] и другим нормативным документам, согласно которым осуществляется выбор типов защит для каждого участка сети. На основе выбора типов защит осуществляется выбор модели терминала серии SIPROTEC. В данном проекте в качестве примера приводится выбор и расчёт уставок релейной защиты для участка цепи, состоящего из трёх элементов: кабельной линии 110 кВ, трансформатора 110/35 кВ мощностью 160 МВА и отходящей кабельной линии 35 кВ, питающей трансформатор устройства АПК-1 КЦ-1 мощностью 25 МВА. На этом участке можно рассмотреть практически весь спектр защит, применяемых на подстанции и представить методику их расчёта.

9.3.1 выбор защит питающей кабельной линии 110 кВ

Согласно требованиям [4], [11] для защиты кабельной линии напряжением 110 кВ должны применяться два типа быстродействующих защит. В связи с этим для защиты кабельной линии принимаем следующие типы защит:

в качестве основной - продольную дифференциальную токовую защиту (ДЗЛ) без выдержки времени;

в качестве резервной - ступенчатую дистанционную защиту с минимальной выдержкой времени и ускорением при отказе дифференциальной защиты;

в качестве дополнительной - максимальную токовую защиту;

для защиты от коротких замыканий на землю - максимальную токовую защиту нулевой последовательности.

Также согласно требованиям [4], [11] для линии напряжением 110 кВ требуется установка двух комплектов защит, а также использование УРОВ. Для этих целей выбираем два терминала микропроцессорной защиты SIPROTEC 7SD522. Данные терминалы позволяют реализовать дифференциальную токовую защиту и ступенчатую защиту, согласуя селективность их срабатывания с помощью внутренней логики устройства. Также в терминале возможно использование максимальной токовой защиты в качестве аварийной, осуществляя ускорение срабатывания защиты при повреждении цепей основных защит.

9.3.2 Выбор защит трансформаторов 110/35 кВ

Учитывая значительную мощность, специальное исполнение и высокую стоимость установленных на ГПП-19 трансформаторов 110/35 кВ выбираем следующие типы защит:

в качестве основной - дифференциальную токовую защиту без выдержки времени;

в качестве резервной - максимальную токовую защиту;

в качестве дополнительной - токовую защиту от перегрузки;

также для трансформаторов данной мощности обязательно применение газовой защиты бака трансформатора и РПН.

Для реализации данных типов защит выбираем терминал микропроцессорной защиты SIPROTEC 7UT6135.

9.3.3 Выбор защит отходящей линии к трансформатору АПК-1 КЦ-1

Согласно [12], [13] для защиты печных трансформаторов используются следующие типы защит:

в качестве основной - максимальная токовая защита без выдержки времени;

в качестве дополнительной - токовая защита от перегрузки;

для сигнализации замыкания на землю - токовая защита нулевой последовательности.

Для реализации данных типов защит выбираем терминал SIPROTEC 7SJ645.

9.4. Расчёт уставок релейной защиты

.4.1 Защиты питающей кабельной линии 110 кВ

Основной является продольная дифференциальная защита с торможением. Данная защита сравнивает величину тока в начале и в конце линии, при этом ток, проходящий через реле равен разности данных токов. Для обеспечения несрабатывания защиты при внешних коротких замыканиях осуществляется торможение. Для этого из тока, протекающего в реле, вычитается величина тормозного тока (равного сумме токов в начале и конце линии), умноженная на коэффициент торможения, определяемый характеристикой срабатывания защиты. В терминале SIPROTEC 7SD522 характеристика торможения задаётся по умолчанию и рекомендуется к использованию без внесения изменений. Поэтому для задания уставок защиты достаточно определить величину тока срабатывания [14].

В нормальном режиме по кабельной линии протекает емкостной ток заряда, вызывающий небаланс в цепях дифференциальной защиты. Ток срабатывания должен быть выше емкостного тока. Кроме того для отстройки от погрешностей, вызванных протеканием рабочего тока уставка срабатывания защиты должна быть не меньше 15% от максимального рабочего тока линии. Таким образом, ток срабатывания первой ступени дифференциальной защиты выбирается, исходя из двух условий:

(9.4.1.1)

Где С_уд.=0,19∙10^-6 Ф/км - удельная ёмкость линии [5];

f =50 Гц - частота тока промышленной сети;

l = 1,46 км - длина кабельной линии;

.                (9.4.1.2)

За максимальный рабочий ток линии принимает максимальный ток с учётом перегрузочной способности трансформатора для того, чтобы не возникала необходимость перенастройки дифференциальной защиты при подключении новых нагрузок.

Ток срабатывания реле равен:

.                                    (9.4.1.3)

Принимаем уставку срабатывания: I_с.з.1=177 А, I_с.р.1=0,59 А.

Также терминал содержит вторую ступень дифференциальной защиты, основанную на сравнении интегралов токов за время, равное четверти периода тока. Это позволяет быстрее определять возникновение повреждения и передавать сигнал на отключение. Уставка второй ступени дифференциальной защиты отстраивается от номинального рабочего тока:

,        (9.4.1.4)

Где К_отс. - коэффициент отстройки; для микропроцессорных терминалов защиты принимаем К_отс.=1,1÷1,2.

Ток срабатывания реле равен:

.                   (9.4.1.5)

Принимаем уставку срабатывания: I_с.з.1=930 А, I_с.р.1=3,1 А.

Коэффициент чувствительности защиты должен быть не менее 2-х при токе двухфазного короткого замыкания в конце защищаемой линии:

.                                                         (9.4.1.6)

Защита удовлетворяет требованиям чувствительности.

Резервной является ступенчатая дистанционная защита. Данный тип защит основан на вычислении сопротивления участка цепи. При повреждении на защищаемом участке сопротивление неповреждённой части оказывается меньше уставки срабатывания, что приводит к срабатыванию защиты. Данный принцип действия позволяет не отстраиваться от защит предыдущих присоединений по времени, что сокращает величину выдержки времени.

Первая ступень дистанционной защиты отстраивается от сопротивления кабельной линии и трансформатора. Таким образом обеспечивается защита кабельной линии на всей её длине, а также защита части обмотки трансформатора. Для расчётов используется минимальное значение сопротивления трансформатора с учётом РПН:

(9.4.1.7)

Вторая ступень дистанционной защиты обеспечивает резервирования нижестоящих защит и отстраивается от максимального тока нагрузки при минимально допустимом напряжении:

.                                (9.4.1.8)

Максимальная токовая защита является аварийной защитой на случай неисправности в цепях основных защит. Отстройка МТЗ осуществляется от максимально допустимого рабочего тока трансформатора:

.           (9.4.1.9)

.                                    (9.4.1.10)

Принимаем I_с.з.=1440 А, I_с.р.=4,8 А. Выдержку времени с учётом предыдущих защит и ступени селективности Δt=0,3 с принимаем t_с.з.=1,1 с.

Коэффициент чувствительности защиты должен быть не менее 1,5 при токе двухфазного короткого замыкания в конце защищаемой линии:

.                                                          (9.4.1.11)

Токовая защита от замыканий на землю в сетях с эффективно заземлённой нейтралью действует на отключение без выдержки времени в связи с большими величинами токов повреждения. Поскольку защита включается на фильтр нулевой последовательности, для неё требуется только отстройка от токов небаланса при внешних коротких замыканиях:

,                                 (9.4.1.12)

.

где    К_пер.=2 - коэффициент, учитывающий переходный процесс;

К_одн.=1 - коэффициент однотипности трансформаторов тока;

ε=0,01 - максимальная погрешность трансформаторов тока;

.                              (9.4.1.13)

Принимаем I_с.з.=1500 А, I_с.р.=5 А.

9.4.2. Расчёт уставок защит трансформатора 110/35 кВ

Основной является продольная дифференциальная защита с торможением. Характеристика торможения имеет два участка наклона. Уставки защиты задаются на обоих сторонах в относительных единицах, что избавляет от необходимости пересчёта токов на разные напряжения. Относительный дифференциальный ток срабатывания на первом горизонтальном участке характеристики при отсутствии торможения и токе I=I_т1н=840 А определяется по условию отстройки от тока небаланса и рассчитывается по выражению [15]:

, (9.4.2.1)

где    ,             (9.4.2.2)

,

Где К_пер.=1 - коэффициент, учитывающий переходный процесс;

К_одн.=1 - коэффициент однотипности трансформаторов тока;

ε=0,01 - максимальная погрешность трансформаторов тока;

ΔU_РПН - диапазон регулирования напряжения под нагрузкой:

;                      (9.4.2.3)

Δf_выр.=0,02 - относительная погрешность выравнивания токов плеч.

Принимаем I_д.0*=0,3.

Относительный ток небаланса при I=1,5∙I_т1н=1260 А равен:

.                       (9.4.2.4)

Ток срабатывания защиты при I=1,5∙I_т1н=1260 А равен:

         (9.4.2.5)

Принимаем I_с.з.1*=0,5.

Ток небаланса для режима максимального внешнего короткого замыкания I_к3=14,1 кА равен:

,            (9.4.2.6)

;

.   (9.4.2.7)

Принимаем I_с.з.2*=6,7.

Относительный ток срабатывания дифференциальной отсечки равен:

.         (9.4.2.8)

Принимаем I_д.о.*=9,3.

Относительный ток начала торможения составляет I_нач.т.*=2, тогда угол наклона первого горизонтального участка кривой торможения составляет:

.                                                                  (9.4.2.9)

Угол наклона второго горизонтального участка кривой торможения составляет:

.                                           (9.4.2.10)

Принимаем s₂=0,5 для лучшей отстройки от внешних КЗ.

Резервной защитой является максимальная токовая защита. Уставка МТЗ на напряжении 110 кВ рассчитывается аналогично МТЗ, установленной в терминале защиты линии (см п.11.4.1). Уставка защиты на напряжении 35 кВ отстраивается от максимального рабочего тока трансформатора с учётом необходимости обеспечить селективность с защитой секционного ввода, отстраиваемой от того же тока.

Таким образом, уставка МТЗ трансформатора напряжением 35 кВ рассчитывается следующим образом:

                             (9.4.2.11)

.

.                          (9.4.2.12)

Принимаем I_с.з.=3000 А, I_с.р.=5 А. Выдержку времени с учётом предыдущих защит и ступени селективности Δt=0,3 с принимаем t_с.з.=0,8 с.

Коэффициент чувствительности защиты должен быть не менее 1,5 при токе двухфазного короткого замыкания за обмоткой низшего напряжения трансформатора:

.                                              (9.4.1.13)

Также на трансформаторе предусмотрена токовая защита от сверхтоков перегрузки. Она отстраивается от номинального тока трансформатора:

,                                     (9.4.2.14)

Где К_в=0,95 - коэффициент возврата для терминалов SIPROTEC.

.                                        (9.4.2.15)

Принимаем I_с.з.=960 А, I_с.р.=1,6 А. Выдержка времени защиты от перегрузки принимается равной t_с.з.=10 с и может быть изменена в зависимости от условий работы.

Также на трансформаторе данной мощности предусматривается газовая защита бака трансформатора и РПН, действующая на сигнал или отключение в зависимости от режима работы.

9.4.3 Расчёт уставок защит отходящей линии к АПК-1 КЦ-1

Уставки защиты линии определяются типом защищаемого объекта. Для трансформаторов сталеплавильных печей характерен режим работы с резко-переменной нагрузкой, сопровождающийся частыми замыканиями электрода на металл и обрывами электрической дуги. По этой причине в качестве основной применяется максимальная токовая защита без выдержки времени от многофазных коротких замыканий, отстроенная от токов эксплуатационных коротких замыканий [16]:

.                    (9.4.3.1)

.                             (9.4.3.2)

Принимаем I_с.з.=1440 А, I_с.р.=12 А.

Коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5 при двухфазном коротком замыкании на выводах низшего напряжения печного трансформатора:

.                                               (9.4.3.3)

Защита от перегрузки рассчитывается аналогично п.9.4.2:

;                                    (9.4.3.4)

.                                         (9.4.3.5)

Принимаем I_с.з.=480 А, I_с.р.=4 А. Выдержка времени принимается равной t_с.з.=10 с и может быть изменена в зависимости от условий работы.

Карты селективности устройств РЗиА ГПП-19 для РУ-110, 35 и 6 кВ приведены на рис.9.1, 9.2.

Рис.9.1. Карта селективности устройств РЗиА ГПП-19 ОРУ-110 кВ, КРУ-35 кВ.

Рис.9.2. Карта селективности устройств РЗиА ГПП-19 КРУ-6 кВ.

10. НАДЁЖНОСТЬ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Надёжность схемы электроснабжения зависит от надёжности её отдельных элементов и способа их соединения. Инженерные оценки надёжности базируются на характеристиках, определяемых по статистическим данным испытаний эксплуатируемых изделий или наблюдений за отказами объектов в процессе эксплуатации. При количественной оценке надёжности систем электроснабжения определяются показатели надёжности элементов, из которых состоит система. Потребители ГПП-19 имеют первую категорию по надёжности электроснабжения. Поэтому требуется обеспечить высокую надёжность всей схемы электроснабжения. Это достигается за счёт резервирования и применения устройств противоаварийной автоматики. Произведём расчёт надёжности как вероятности бесперебойного электроснабжения, то есть без учёта резерва, имеющего определённое время ввода. Таким образом, при расчёте не учитывается возможность перевода присоединения на обходную систему шин и питания от соседних секций через секционный выключатель, включаемого от устройства АВР. Следует заметить, что перечисленные меры вкупе с питанием потребителей в нормальном режиме от двух систем шин, запитываемых от двух двухцепных воздушных линий, обеспечивают крайне высокую надёжность электроснабжения. Расчётная схема, учитывающая только источники питания в нормальном режиме, приведена на рис.10.1. Основные элементы схемы и их характеристики надёжности приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1. Показатели надёжности элементов схемы электроснабжения

Рис.10.1. Схема питания ГПП-19 в нормальном режиме

Вероятность отказа элементов сети вычисляется по формуле:

;                                                                                      (10.1)

;                                       (10.2)

;

;

.

После ряда преобразований схему можно представить в виде структурных элементов, как показано на рис.10.2.

Рис.10.2. Упрощённая структурная схема питания ГПП-19

Схемы питания первой и второй секции шин ГПП-19 симметричны, таким образом, надёжность их питания одинакова. Поэтому для расчёта достаточно взять схему питания нагрузки 1 (рис.10.3).

Рис.10.3. Структурная схема питания первой секции шин ГПП-19

Показатели надёжности последовательного соединения элементов определяются по формулам:

,                                                                     (10.3)

,                                                                           (10.4)

,                                                                             (10.5)

.                                                                              (10.6)

Промежуточные вычисления в силу их громоздкости здесь не приводятся, расчётные характеристики участков последовательного соединения элементов следующие:

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Показатели надёжности для параллельного соединения элементов вычисляются по формулам:

,                                                                                (10.7)

,                                                                            (10.8)

,                                                                 (10.9)

,                                                                                   (10.10)

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Наработка схемы на отказ определяется по формуле:

.                                                             (10.11)

Таким образом, надёжность схемы питания ГПП-19 является достаточно высокой. Расчёты показывают, что надёжность шин РП-1 110 кВ как источника питания стремится к единице. По этой причине шины подстанций с четырьмя источниками питания в упрощённых расчётах считаются абсолютно надёжным источником питания. Надёжность же питающих линий от РП-1 к ГПП-19 является ограниченной. Однако на ГПП-19 предусмотрена возможность резервирования питания потребителей за счёт двух секций шин, соединённых секционным выключателем, снабжённым устройством АВР. Это позволит увеличить надёжность снабжения для удовлетворения требований к питанию потребителей первой категории.

11. ОХРАНА ТРУДА

11.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на ГПП-19

При работе на ГПП-19 на человека оказывает воздействие ряд опасных и вредных производственных факторов. Их воздействие и меры защиты регламентируются инструкциями по охране труда. Согласно нормативным документам на ГПП-1 имеют место следующие опасные и вредные производственные факторы.

Основную опасность при работе в электроустановках представляет собой поражение человека электрическим током, вызывающее электротравмы различной степени тяжести вплоть до смертельного исхода. Для защиты от поражения электрическим током используются индивидуальные и групповые средства.

При эксплуатации электрооборудования ГПП-19 возможно проведение работ на высоте, что чревато возможностью получения травмы. Для предотвращения несчастных случаев следует соблюдать правила работы на высоте.

Из-за наличия работающих электродвигателей и электрооборудования высокого напряжения на подстанции, а также при проведении работ, на ГПП-19 наблюдается повышенный уровень шума, что является вредным производственным фактором, приводящим к профессиональному заболеванию. Для снижения воздействия шума следует использовать индивидуальные защитные средства.

Вращающие части механизмов представляют собой опасность получения травмы при несоблюдении правил эксплуатации.

Повышенная температура поверхности оборудования представляет собой опасность получения ожогов. Во избежание подобных травм следует применять защитные средства и соблюдать правила эксплуатации оборудования.

Электролит в аккумуляторных батареях представляет собой опасность получения химических ожогов. При работе в помещении аккумуляторной батареи требуется соблюдать осторожность и при необходимости использовать защитные средства.

Повышенная и пониженная температура воздуха ухудшают самочувствие человека, снижая его работоспособность и притупляя восприятие, а также могут явиться причиной травмы. При работе на ГПП-19 следует применять спецодежду, соответствующую температуре окружающего воздуха.

Наличие в воздухе твёрдых частиц пыли и металла представляет опасность попадания в глаза. При работе в загрязнённом воздухе следует применять средства для защиты глаз.

11.2 Производственный шум и борьба с ним

Шумом называются любые нежелательные для человека звуки, мешающие труду или отдыху и создающие акустический дискомфорт. Звук, или звуковые волны, - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах под воздействием возмущения. Пространство, в котором присутствуют звуковые волны, называется звуковым полем.

Повышенный уровень шума на рабочем месте является одним из наиболее распространенных вредных и опасных производственных факторов. В условиях сильного шума возникает опасность снижения и потери слуха, которая во многом обусловлена индивидуальными особенностями человека. Некоторые люди теряют слух даже после непродолжительного воздействия шума сравнительно умеренной интенсивности, у других даже сильный шум при длительном воздействии не приводит к потере слуха. С действием шума связан ряд профессиональных заболеваний (нервные и сердечно-сосудистые заболевания, язвенная болезнь, тугоухость и др.). Шум оказывает вредное воздействие на центральную и вегетативную нервную систему, вызывая переутомление и истощение клеток коры головного мозга. Снижая общую сопротивляемость организма, шум способствует развитию инфекционных заболеваний. В условиях шума понижается внимание, нарушается координация движений, ухудшается работоспособность, что создает угрозу возникновения несчастного случая. Кроме того, шум в помещении не позволяет расслышать сигналы опасности, определить на слух сбои в работе оборудования и механизмов, что может привести к аварии и человеческим жертвам.

В производственных условиях источниками шума являются работающие станки и механизмы, ручные механизированные инструменты, электрические машины, компрессоры, кузнечно-прессовое, подъемно-транспортное, вспомогательное оборудование (вентиляционные установки, кондиционеры) и т.д. По характеру спектра шумы подразделяются на широкополосные и тональные. По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные и непостоянные. В свою очередь непостоянные шумы подразделяются на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные.

В качестве характеристик постоянного шума на рабочих местах, а также для определения эффективности мероприятий по ограничению его неблагоприятного влияния, принимаются уровни звукового давления в децибелах (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц [17]. В качестве общей характеристики шума на рабочих местах применяется оценка уровня звука в дБ(А), представляющая собой среднюю величину частотных характеристик звукового давления.

Основные мероприятия по борьбе с шумом - это технические мероприятия, которые проводятся по трем главным направлениям:

устранение причин возникновения шума или снижение его в источнике;

ослабление шума на путях передачи;

непосредственная защита работающих.

Наиболее эффективным средством снижения шума является замена шумных технологических операций на малошумные или полностью бесшумные. Одним из наиболее простых технических средств борьбы с шумом на путях передачи является звукоизолирующий кожух, который может закрывать отдельный шумный узел машины. Значительный эффект снижения шума от оборудования дает применение акустических экранов, отгораживающих шумный механизм от рабочего места или зоны обслуживания машины. Применение звукопоглощающих облицовок для отделки потолка и стен шумных помещений приводит к изменению спектра шума в сторону более низких частот, что даже при относительно небольшом снижении уровня существенно улучшает условия труда. Безусловно, в некоторых случаях можно ограничиться средствами индивидуальной защиты работника.

Обычные мероприятия по защите от шума малоэффективны в отношении инфразвука. Инфразвук - это колебания с частотами ниже слышимых человеком. Их верхняя граница находится в пределах 16...25 Гц, а нижняя не определена. Имея большую длину волны, инфразвуковые колебания очень слабо поглощаются в атмосфере и легче огибают препятствия, чем колебания с более высокой частотой. Характерная особенность инфразвука - очень малое поглощение в различных средах, что затрудняет борьбу с ним. Инфразвук проходит даже через самые толстые стены и распространяется на большие расстояния.

Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов, что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.

Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.

Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.

Ультразвук - неслышимый человеческим ухом звук частотой свыше 18 кГц Ультразвук весьма сильно поглощается газами и значительно слабее - жидкостями. Ультразвуковой диапазон частот условно делится на низкочастотный (12... 100 кГц) и высокочастотный (100 кГц...1 ГГц), которые оказывают различное воздействие на организм человека [17].

Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм человека состоят, в первую очередь, в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся: создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20-40 дБ; размещение оборудования в звукоизолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами. При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.

Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой.

Степень восприятия низкочастотного ультразвука зависит от его интенсивности, длительности и размеров области организма, подвергнутой воздействию ультразвука. Для индивидуальной защиты от ультразвука используют противошумы (звуковые колебания в противофазе), наушники, резиновые перчатки. Мерами защиты от ультразвука служат звукоизолирующие материалы, кожухи, экраны, звукопоглощающие устройства. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, УФ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.

Вибрация - это механическое колебательное движение системы с упругими связями. Она возникает, например, при эксплуатации транспортных средств и оборудования; используется для производственных целей для выполнения технологических операций (уплотнение материалов, забивка свай в грунт, разгрузка транспортных средств и др.). Вызывает быструю утомляемость и заболевания людей. Наиболее чувствителен организм к частотам от 200 до 250 Гц. Особенно опасны колебания в диапазоне 6...9 Гц, так как внутренние органы человека имеют такую же собственную частоту. При совпадении собственных частот с внешними резко нарастает амплитуда вынужденных колебаний. Это явление называется резонансом. Воздействие общей вибрации в резонансной зоне весьма опасно, так как может стать причиной повреждения внутренних органов человека. Резонанс также приводит к расстройству зрительного восприятия.

Наиболее действенным средством защиты человека от вибрации является устранение непосредственно его контакта с вибрирующим оборудованием. Осуществляется это путем применения дистанционного управления, промышленных роботов, автоматизации и замены технологических операций. Снижение неблагоприятного действия вибрации ручных механизированных инструментов на оператора достигается путем технических решений:

уменьшением интенсивности вибрации непосредственно в источнике (за счет конструктивных усовершенствований);

средствами внешней виброзащиты, которые представляют собой упругодемпфирующие материалы и устройства, размещенные между источником вибрации и руками человека-оператора.

В комплексе мероприятий важная роль отводится разработке и внедрению научно обоснованных режимов труда и отдыха. Например, суммарное время контакта с вибрацией не должно превышать 2/3 продолжительности рабочей смены; рекомендуется устанавливать 2 регламентируемых перерыва для активного отдыха, проведения физиопрофилактических процедур, производственной гимнастики по специальному комплексу. В целях профилактики неблагоприятного воздействия локальной и общей вибрации работающие должны использовать средства индивидуальной защиты, рукавицы или перчатки.

11.3 Электробезопасность на подстанции

Опасность поражения людей электрическим током на производстве обусловлена несоблюдением мер предосторожности, а также отказом или неисправностью электрического оборудования. Следствием этого могут быть местные и общие нарушения в организме. Местные нарушения могут варьироваться от незначительных болевых ощущений до тяжелых ожогов с обгоранием и обугливанием отдельных частей тела. Общие нарушения вызывают сбои в функционировании центральной нервной системы, органов дыхания и кровообращения. При этом наблюдаются обмороки, потеря сознания, расстройства речи, судороги, нарушение дыхания вплоть до остановки. При тяжелых поражениях электрическим током может наступить мгновенная смерть [18].

По характеру воздействия различают биологическое, тепловое, механическое и химическое действие электрического тока. Биологическое действие проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма (судороги). Тепловое действие вызывает ожоги отдельных участков тела, нагрев кровеносных сосудов и нервных волокон. Внешнее проявление ожогов начинается с покраснения кожи и образования пузырей с жидкостью до почернения и обугливания кожи и мягких тканей. Механическое действие связано с сильным сокращением мышц вплоть до их разрыва, вывихом суставов и даже повреждением костей. Химическое действие тока приводит к электролизу (разложению) крови, межтканевой и других жидкостей организма.

Опасность электрического тока как поражающего фактора состоит в том, что его присутствие не ощущается органами чувств человека. Только в момент прикосновения тела человека к источнику электрического напряжения и возникновения поражающего воздействия организм начинает ощущать болевые проявления от протекания тока. Степень вредного воздействия электрического тока на человека при его поражении зависит от индивидуальных особенностей организма, общего электрического сопротивления тела (электропроводности), напряжения и рода тока, пути прохождения тока через тело человека, продолжительности воздействия, условий внешней среды (температура, влажность, запыленность) и других факторов. Тяжесть поражения человека пропорциональна силе тока, прошедшего через его тело. Сила тока зависит от приложенного напряжения и электрического сопротивления организма.

Общее электрическое сопротивление организма складывается из сопротивлений участков тела, расположенных на пути тока. Отдельные части тела обладают различной электропроводностью: ее наименьшее значение свойственно верхнему слою кожи, в котором отсутствуют нервные окончания и кровеносные сосуды (его сопротивление составляет до 100 кОм), более высокой электропроводностью обладают костные, нервные, мышечные ткани и жидкости. При расчетах значения сопротивления человеческого организма принимают равными 1 кОм при напряжении 50 В и выше и 6 кОм - при напряжении 36 В. В связи с большими различиями значений сопротивления тканей человека и невозможностью заранее предвидеть место контакта тела человека с токоведущей частью оборудования определить поражающую силу тока невозможно. Поэтому для оценки безопасных условий исходят из допустимого напряжения. Безопасным напряжением считают 36 В (для светильников местного стационарного освещения, переносных светильников и электроинструмента в помещениях с повышенной опасностью) и 12 В (для переносных светильников при работе внутри металлических резервуаров, котлов, в осмотровых канавах). Однако и такие напряжения в определенных ситуациях могут представлять опасность для жизни и здоровья работающих. При электросварочных работах используют напряжение 65 В [17].

Безопасные уровни напряжения получают, преобразуя напряжение осветительной сети с помощью понижающих трансформаторов. Распространить применение безопасного напряжения на все электрические устройства не представляется возможным, так как уменьшение рабочего напряжения ведет к снижению мощности, что экономически неоправданно.

В производственных процессах используются два рода тока - постоянный и переменный. Они оказывают различное воздействие на организм при напряжениях до 500 В. Опасность поражения постоянным током меньше, чем переменным. Переменный ток с повышением частоты менее опасен. Наибольшую опасность представляет ток частотой 50 Гц, которая является стандартной для отечественных электрических сетей. Продолжительность воздействия тока часто является фактором, от которого зависит исход поражения. Чем длительнее воздействует электрический ток на организм, тем тяжелее последствия.

Условия внешней среды, окружающей человека в ходе производственной деятельности, могут повысить опасность поражения электрическим током. Например, работа в жарких и сырых помещениях с большими энергозатратами приводит к повышенному потовыделению и к уменьшению сопротивления поверхностного слоя кожи. Стесненный характер помещений увеличивает вероятность случайного прикосновения к токопроводящим частям оборудования. Металлический или другой токопроводящий пол также создает повышенную электроопасность.

По степени воздействия на человека различают три пороговых значения тока: ощутимый, неотпускающий и фибрилляционный. Ощутимым называют электрический ток, который при прохождении через организм вызывает ощутимое раздражение. Неотпускающим считают ток, который при прохождении через человека вызывает непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, ноги или других частей тела, соприкасающихся с токоведущим проводником. Фибрилляционным является ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца - разновременное и разрозненное сокращение отдельных мышечных волокон сердца и паралич дыхания.

По степени опасности поражения человека током все помещения делят на три класса: помещения без повышенной опасности, с повышенной опасностью и особо опасные помещения. Помещения без повышенной опасности характеризуются нормальными температурой и влажностью, отсутствием пыли и наличием нетокопроводящих полов.

В таких помещениях можно пользоваться электрифицированным инструментом напряжением до 220 В. К помещениям без повышенной опасности относятся рабочие комнаты административно-управленческого персонала, вычислительные центры, приборные участки, диспетчерские, инструментальные и др. Помещения с повышенной опасностью имеют либо повышенную относительную влажность воздуха, длительно превышающую 75 %, либо температуру, постоянно или периодически превышающую 35 °С, либо технологическую токопроводящую пыль, оседающую на проводах и внутри электрических машин и аппаратов, либо токопроводящие металлические, земляные, железобетонные или кирпичные полы. Такие условия встречаются в производственных помещениях транспортных организаций: зонах технического обслуживания и ремонта, кузнечно-рессорных, сварочных, термических, вулканизационных и других отделениях.

Особо опасные помещения характеризуются наличием двух или более условий, относящихся к помещениям с повышенной опасностью, или чрезмерной влажностью, достигающей 100 % и постоянно вызывающей образование конденсата внутри помещения, или наличием агрессивных паров, газов, жидкостей, действующих разрушающе на изоляцию и токоведущие части электрооборудования. В транспортных организациях особо опасными считаются места хранения топливо-смазочных материалов, аккумуляторные, малярные отделения, склады для хранения опасных грузов.

Для обеспечения безопасности жизнедеятельности при обслуживании электроустановок и надежности работы необходимы точное соблюдение правил технической эксплуатации электроустановок и проведение мероприятий по защите от электротравматизма. Одним из таких направлений является применение безопасного напряжения - 12 или 36 В. Для его получения используют понижающие трансформаторы, которые включают в стандартную сеть напряжением 220 или 380 В.

В целях уменьшения опасности поражения человека электрическим током применяют малое номинальное напряжение - не выше 42 В. Оно используется для питания ручного электрифицированного инструмента, переносных светильников и местного освещения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных помещениях. Однако и низкое напряжение не гарантирует безопасности, поэтому должны приниматься и другие меры защиты. По условиям электробезопасности электрические устройства разделены по напряжению: до 1 кВ включительно, выше 1 кВ, а также устройства с низким напряжением, не превышающим 42 В.

Для защиты от случайного прикосновения человека к токоведущим частям электроустановок используют ограждения в виде переносных щитов, стенок или экранов, размещаемых в непосредственной близости от опасного оборудования или открытых токоведущих шин. Ограждения создают помехи для неконтролируемого перемещения работающего и исключают возможность его попадания в опасную зону. Другой прием для предупреждения случайных электротравм состоит в размещении опасных или незащищенных электрических проводов на недоступной высоте в помещении.

Важное значение для защиты от случайных прикосновений имеет изоляция токоведущих частей и деталей электрооборудования. Сопротивление изоляции зависит от напряжения сети. В сетях с напряжением ниже 1 кВ оно должно быть не менее 0,5 МОм. Различают рабочую, двойную и усиленную рабочую изоляцию. Приборы и электрические устройства всегда имеют рабочую изоляцию, обеспечивающую их нормальное функционирование и защиту от поражения электрическим током. Для повышения надежности и электробезопасности оборудования используют двойную изоляцию, состоящую из рабочей и дополнительной. Сопротивление двойной изоляции должно быть не менее 5 МОм, что в 10 раз превышает сопротивление рабочей. В некоторых ответственных электрических устройствах применяют усиленную рабочую изоляцию, обеспечивающую такую же степень защиты, как и двойная изоляция.

Для защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, используют защитное заземление или зануление.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение металлического корпуса электроустановки с землей или ее эквивалентом (водопроводные трубы, железобетонные балки, расположенные в земле). Занулением называется преднамеренное электрическое соединение при помощи нулевого защитного проводника металлических частей электрического устройства, которые в обычном режиме не находятся под напряжением, но могут под него попасть, с заземленным нулевым проводом источника питания. Защитное заземление и зануление следует выполнять во всех случаях при номинальном напряжении переменного тока 380 В и выше. При проведении работ с повышенной опасностью и особо опасных работ защитное заземление и зануление выполняют, начиная с малых напряжений, а во взрывоопасных помещениях независимо от значения напряжения.

Основным средством борьбы со статическим электричеством на всех объектах является применение заземляющих устройств Они позволяют снизить разность потенциалов между объектом и землей до нуля и тем самым исключить возможность накопления опасного потенциала. Для гарантии надежности заземления сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 100 Ом. Эффективным средством защиты от статического электричества является увлажнение помещений. Установлено, что при относительной влажности 70 % накопления электростатических зарядов на поверхностях не происходит.

Рассмотренные направления деятельности по обеспечению электробезопасности должны осуществляться в комплексе с использованием средств коллективной и индивидуальной защиты. Последние защищают людей, работающих с электроустановками, от поражения электрическим током, воздействия электрической дуги или электромагнитного поля.

11.4 Мероприятия по обеспечению пожаробезопасности

Пожарная безопасность объекта - это такое его состояние, при котором исключается возможность возникновения и развития пожаров, а также воздействия на людей опасных факторов пожара и обеспечивается защита материальных ценностей. Опасными факторами пожара являются факторы, которые приводят к травмам, отравлениям или гибели людей, большому материальному ущербу (открытый огонь и искры, высокая температура воздуха, токсичные продукты горения, дым, пониженное содержание кислорода в воздухе, обрушение перекрытий и стен зданий, сооружений, взрыв) [17].

Пожарная безопасность обеспечивается системами предотвращения пожаров и противопожарной защиты, включающими в себя комплекс организационно-технических мероприятий и средств. При обеспечении пожарной безопасности необходимо руководствоваться Правилами пожарной безопасности в Российской Федерации, а также стандартами, строительными нормами и правилами, нормами технологического проектирования и другими нормативными документами в этой области.

Руководитель обязан обеспечить противопожарный режим согласно требованиям Правил пожарной безопасности в Российской Федерации и соответствующих отраслевых документов; назначить лиц, ответственных за пожарную безопасность на территории и в производственных помещениях подстанции, а также на местах стоянок подвижного состава; проверять не реже одного раза в квартал состояние пожарной безопасности подстанции, наличие и исправность технических средств противопожарной защиты, боеготовность объектовой пожарной охраны и добровольной пожарной дружины; организовывать проведение противопожарного инструктажа и занятий по пожарно-техническому минимуму.

Содержание территории подстанции должно соответствовать требованиям правил пожарной безопасности. Строительство временных зданий и сооружений, а также складов топливо-смазочных материалов на территории подстанции не допускается без согласования с органами государственной противопожарной службы. Запрещается загрязнять территорию отработавшими топливо-смазочными материалами. В здании подстанции запрещается курить в местах, специально не отведенных для этого; производить работы с применением открытого огня в непредусмотренных местах; пользоваться открытым огнем для освещения, проведения ремонтных и других работ; оставлять в подвижном составе промасленные обтирочные материалы и спецодежду по окончании работы.

По степени пожароопасности все вещества и материалы оцениваются по их воспламеняемости и горючести. Воспламеняемость - это способность вещества возгораться под действием источника зажигания. Горючесть - способность вещества к самостоятельному горению после воспламенения. Негорючими являются вещества, не способные к горению; трудногорючими - способные гореть под действием источника зажигания, но гаснущие после его удаления; горючими - вещества, которые продолжают гореть после удаления источника зажигания. К легковоспламеняющимся веществам относятся те, которые могут воспламеняться при кратковременном воздействии слабого источника зажигания (пламя спички, искра, накаленный электропровод и т. п.). Трудновоспламеняющимися считают вещества, воспламеняющиеся под действием мощного источника зажигания.

Газы, жидкости и твердые вещества имеют различные температурные пределы воспламенения в воздухе, по которым их причисляют к разным классификационным группам. Например, горючие газы и пары, не способные гореть в воздухе при температуре до 900 °С, относят к негорючим; неметаллические твердые вещества - также к негорючим, если при нагревании до температуры 750 °С они не горят и не выделяют теплоты, достаточной для самовоспламенения.

Для обеспечения пожаробезопасности на РП-1 установлена насосная станция пожаротушения. Также доступными средствами пожаротушения являются различные виды огнетушителей, дымовые, световые и комбинированные извещатели. Нормами пожарной безопасности предусматривается ежегодная проверка огнетушителей или их перезарядка.

11.5 Молниезащита

Согласно [4] станции и подстанции подлежат принудительной защите от прямых ударов молнии в районах с числом грозовых часов более 20. Липецкая область находится в области с 40÷60 грозовыми часами в году. ГПП-19 относится к I категории по устройству молниезащиты.

Расчёт молниезащиты зданий и сооружений заключается в определении границ зоны защиты молниеотводов, которая представляет собой пространство, защищаемое от прямых ударов молнии. Зона защиты обеспечивается для ГПП-19 двойным тросовым молниеотводом. Тросы натянуты от тросостоек порталов до зданий ЗРУ-110 кВ и ЗРУ-35/6 кВ. Надёжность защиты принимается равной P_з=0,9. Порталы присоединяются в двух местах полосой 40х4 мм к заземляющему устройству с R_з<10 Ом.

Расчёт устройств молниезащиты производится следующим образом. Определяется высота молниеотвода, равная в данном случае высоте портала с тросостойкой на зданиях ЗРУ-110 кВ и ЗРУ-35/6 кВ: h=14,1 м, h₁=10,35 м, h₂=9,6 м. Тогда высота необходимой зоны защиты составляет: h_x=11,35 м, h_x1=7,7 м, h_x2=7,1 м. Расстояние между тросами составляет b=14,5 м.

Максимальная высота зоны защиты:

,                                  (11.5.1)

,                                 (11.5.2)

.                                   (11.5.3)

Радиус границы зоны защиты на уровне земли:

(11.5.4)

.                               (11.5.6)

Радиус границы зоны защиты на уровне h_x составляет:

,                                                                                (11.5.7)

,           (11.5.8)

.                            (11.5.9)

Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габариты. Так как L>h, то:

                           (11.5.10)

,

, (11.5.11)

, (11.5.12)

,                (11.5.13)

,                                        (11.5.14)

,                                            (11.5.15)

,  .

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода представлена на рис.11.5.1.

Рис.11.5.1. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

11.6 Защита электрооборудования подстанции от атмосферных и внутренних перенапряжений

Напряжение, сколь угодно длительное приложение которого безопасно для электрооборудования, называется максимальным рабочим напряжением. Любое превышение этого уровня напряжения в той или иной степени в зависимости от длительности опасно для изоляции и называется перенапряжением.

Перенапряжения подразделяют на атмосферные (грозовые) и внутренние. Атмосферные перенапряжения возникают при ударе молнии в электроустановку (перенапряжение прямого удара) или вблизи неё в землю (индуцированные). Внутренние перенапряжения подразделяются на резонансные, возникающие в результате изменения соотношений между индуктивностями и ёмкостями цепи при неблагоприятном сочетании схемы, параметров и режима сети, и коммутационные. Важнейшие виды коммутационных перенапряжений: при плановых включениях и отключениях ненагруженных линий, реакторов и ненагруженных трансформаторов; при аварийных разрывах электрической цепи в процессе ликвидации короткого замыкания или асинхронного хода. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью возникают перенапряжения при дуговых однофазных замыканиях на землю.

Электротехнические установки напряжением выше 1 кВ согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) разделяются на установки с большими токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю превышает 500 А) и установки с малыми токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю меньше или равна 500 А).

В установках с большими токами замыкания на землю нейтрали присоединены к заземляющим устройствам непосредственно или через малые сопротивления. Такие установки называются установками с глухозаземленной нейтралью.

В установках, имеющих малые токи замыкания на землю, нейтрали присоединены к заземляющим устройствам через элементы с большими сопротивлениями. Такие установки называются установками с изолированной нейтралью.     В установках с глухозаземленной нейтралью всякое замыкание на землю является коротким замыканием и сопровождается большим током. В установках с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не является коротким замыканием (КЗ). Прохождение тока через место замыкания обусловлено проводимостями (в основном, емкостными) фаз относительно земли.

Выбор режима нейтрали в установках напряжением выше 1 кВ производится при учете следующих факторов: экономических, возможности перехода однофазного замыкания в междуфазное, влияние на отключающую способность выключателей, возможности повреждения оборудования током замыкания на землю, релейной защиты и др.

В электрических сетях РАО ЕЭС России приняты следующие режимы работы нейтрали:

электрические сети с номинальными напряжениями 6...35 кВ работают с малыми токами замыкания на землю;

при небольших емкостных токах замыкания на землю - с изолированными нейтралями;

при определенных превышениях значений емкостных токов - с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

Если в одной из фаз трехфазной системы, работающей с изолированной нейтралью, произошло замыкание на землю, то напряжение ее по отношению к земле станет равным нулю, а напряжение остальных фаз по отношению к земле станет равным линейному, т. е. увеличится в √3 раз. Ток замыкания на землю будет небольшим, поскольку вследствие изоляции нейтрали отсутствует замкнутый контур для его прохождения. Ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью будет небольшим и не вызовет аварийного отключения линии. Таким образом, изоляция нейтрали источника питания обеспечивает надежность электроснабжения, так как не отражается на работе потребителей.

Повышение напряжения по отношению к земле в неповрежденных фазах при наличии слабых мест в изоляции этих фаз может вызвать междуфазное короткое замыкание. Кроме того, напряжение в неповрежденных фазах повышается в √3 раз, следовательно, требуется выполнять изоляцию всех фаз на линейное напряжение, что приводит к удорожанию машин и аппаратов. Поэтому, хотя и разрешается работа сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, его требуется немедленно обнаружить и устранить.

Электрические сети с номинальным напряжением 110 кВ и выше работают с большими токами замыкания на землю (с эффективно заземленными нейтралями). Замыкание одной фазы на землю при глухозаземленной нейтрали является однофазным коротким замыканием, при котором возникает значительный ток. Напряжение фаз по отношению к земле при любых режимах не выше фазного номинального напряжения. Исключаются перемежающие дуги. Однофазные замыкания на землю обнаруживаются по большим токам и отключаются автоматически.

Рассматриваемый режим имеет недостатки. Около 75% всех повреждений в электрических сетях относятся к однофазным замыканиям на землю, что при глухозаземленной нейтрали приводит к отключению и перерывам в электроснабжении потребителей. Кроме того, значительно усложняются и удорожаются заземляющие устройства, поскольку для систем с большими токами замыкания на землю ПУЭ допускают максимальное сопротивление заземляющего контура 0,5 Ом, следовательно, число заземляющих электродов должно быть значительным.

Еще один недостаток глухого заземления нейтрали - большие токи однофазного короткого замыкания, которые могут превосходить токи трехфазного КЗ. Вследствие этого глухо заземляют нейтрали не всех трансформаторов, некоторая часть нейтралей разземляется для уменьшения тока однофазного КЗ до величины тока трехфазного КЗ, определяющего отключающую способность выключателей.

Для ограничения перенапряжений оптимальным средством для осуществления этого процесса являются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) это аппараты, способные обеспечить глубокое ограничение грозовых и внутренних перенапряжений. Ограничитель перенапряжений (ОПН) представляет собой колонку высоколинейных резисторов, заключенных в герметизированный корпус. Корпус ограничителя перенапряжений (ОПН) обеспечивает заданную механическую прочность и изоляционные характеристики.

Ограничители перенапряжений (ОПН) для внутренней установки выпускаются в полимерном изоляционном корпусе. Ограничители перенапряжений (ОПН), предназначенные для наружной установки, выпускаются в корпусе с оболочкой из кремнийорганической резины. Применение покрытия из кремнийорганической резины препятствует разрушительному воздействию солнечной радиации на покрышку ограничителя перенапряжений (ОПН) и усиливает ее гидрофобность.

По принципу работы ограничители перенапряжений (ОПН) представляют собой разрядники без искровых промежутков. Ограничители перенапряжений (ОПН) подключаются напрямую к сети - это является особенностью их эксплуатации. В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель перенапряжений (ОПН) носит емкостной характер и составляет десятые доли миллиампера. При возникновении волн перенапряжений резистор ограничителя перенапряжений (ОПН) переходит в проводящее состояние и ограничивает дальнейшее нарастание напряжения на выводах. Когда перенапряжение снижается, ограничитель перенапряжений (ОПН) возвращается в непроводящее состояние.

По сравнению с вентильными разрядниками, пришедшие им на смену ограничители перенапряжений обладают массой преимуществ, среди которых эффективность, высокое быстродействие, взрывобезопасность, малые габариты и многие другие. Так как ограничители перенапряжений (ОПН) не имеют искрового промежутка, то при их срабатывании не происходит износа контактов, а, следовательно, ОПН в течение всего срока службы не требуют обслуживания и контроля параметров.

На ГПП-19 используется режим с нейтралью, заземлённой через дугогасящие реакторы, подключённые к нейтралям специальных трансформаторов на I и II секциях КРУ-35 кВ.

Для защиты от перенапряжений на ГПП-19 установлены устройства ОПН следующих типов:

·   3EL2-096-3PJ31-4NA1 на стороне 110кВ трансформаторов 160000кВА, служащие для защиты обмоток трансформаторов,

·   3EL2-045-3PF31-4NAO на токопроводах вводов 35кВ трансформаторов 160000кВА;

·   на секциях №1 и 2 35 кВ в ячейках трансформаторов напряжения, на кабельных линиях, во вводных и отходящих ячейках 35 кВ в отсеках трансформаторов тока

·   КР/TEL-6/6,9 на секциях №1 и №2 - 6 кВ в ячейках трансформаторов напряжения, на кабельных линиях, во вводных и отходящих ячейках 6 кВ в отсеках трансформаторов тока;

Эксплуатация ограничителей перенапряжений заключается в периодическом контроле состояния покрытия, заземления, контактных соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном дипломном проекте рассматривалась главная понизительная подстанция №19 ОАО «НЛМК». Данная подстанция предназначена для питания агрегатов «печь-ковш» КЦ-1, КЦ-2 ОАО «НЛМК», осуществляющих внепечную обработку металла после плавки в конверторе и перед подачей на машины непрерывной разливки стали. Основной целью проекта было изучение и проверка электрооборудования ГПП-19. Произведённые расчёты подтвердили соответствие оборудования подстанции условиям нормального, аварийного и послеаварийного режимов работы, а также обеспечение требований к электроснабжению первой категории потребителей.

На ГПП-19 применяется современное оборудование, имеющее высокие технические характеристики. На подстанции используются элегазовые выключатели на напряжении 110 кВ и вакуумные на напряжении 35 и 6 кВ. Данные типы выключателей являются компактными, обеспечивают быстрое и надёжное отключение и гашение дуги, а также удобны в эксплуатации и не являются источниками опасности для персонала и окружающей среды. Для прокладки кабельных линий используются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые позволяют снизить использование активных материалов за счёт повышенной пропускной способности и имеют длительный срок службы. Проводящие части и коммутационные аппараты ГПП-19 были проверены на соответствие условиям нормального и послеаварийного режимов, а также на стойкость в режиме короткого замыкания.

В системе релейной защиты и автоматики ГПП-19 используются микропроцессорные терминалы SIPROTEC производства фирмы SIEMENS. Эти устройства позволяют добиться высокой точности срабатывания, существенно повышают быстродействие, селективность и надёжность системы РЗА. Для выбранного участка цепи ГПП-19 был произведён расчёт уставок релейных защит различных типов.

Также в дипломном проекте были рассмотрены вопросы обеспечения качества электроэнергии. В связи с тем, что основными потребителями электроэнергии ГПП-19 являются печные трансформаторы агрегатов «печь-ковш», нагрузка подстанции оказывает определённое негативное влияние на качество электроэнергии потребителей питающей подстанции РП-1 110 кВ. В проекте были рассмотрены основные средства компенсации реактивной мощности, применяемые для электропечных установок. Наиболее оптимальным является применение фильтрокомпенсирующих устройств. Это позволяет одновременно повысить коэффициент мощности на шинах подстанции и подавить наиболее ярко выраженные гармоники. На ГПП-19 установлены два фильтро-компенсирующих устройства мощностью по 30 МВАр, настроенные на резонанс с 3-й, 4-й и 5-й гармониками. В проекте была произведена оценка экономического эффекта от внедрения ФКУ на подстанции.

Кроме того, в дипломном проекте был рассмотрен вопрос надёжности электроснабжения ГПП-19 и произведён расчёт вероятности отказа питающих линий. Была рассмотрена схема собственных нужд и описаны основные потребители. Также в дипломном проекте описаны меры безопасности при работе на подстанции, основные опасные и вредные факторы и меры по защите от их воздействия. Был произведён расчёт молниезащиты на подстанции и представлена схема расстановки молниеотводов.

В ходе дипломного проекта был подтверждён высокий уровень технических решений, применённых при строительстве ГПП-19. Установленное оборудование и схемные решения на подстанции могут служить основой для проведения модернизации других действующих подстанций ОАО «НЛМК».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. - М:Энергия, 1980. - 456 с.

. ОАО «НЛМК». Конвертерный цех № 2. Сооружение вакууматора и двух агрегатов «печь-ковш». Основные проектные решения по агрегатам ковш-печь: проект / гл. инженер Л.М. Савинов, гл. инженер проекта Г.И. Сериков. М.: - ОАО «Гипромез», 2006. - 83 с.

. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. - М.: НЦ ЭНАС, 2006. - 350 с.

. Правила устройства электроустановок / Минэнерго России. - 7-е изд. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. - 512 c.

. Каталог компании «Южкабель» [Электронный ресурс]: каталог кабельной продукции. - Режим доступа:http://www.yuzhcable.com.ua/catalog/index.html

. Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования / И.П. Крючков. - М.: Энергия, 1978. - 457 с.

. Неклепаев Б.Н. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Б.Н. Неклепаев. - М.: НЦ ЭНАС, 2008. - 143 с.

8. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев, В.А. Старшинов и др., под ред. И.П. Крючкова и В.А. Старшинова - 2-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 416 с.

9. Балаков Ю.Н. Проектирование схем электроустановок: Учеб. пособие для вузов / Ю.Н. Балаков, М.Ш. Мисриханов, А.В. Шунтов. - М: Издательский дом МЭИ , 2006. - 288с.

. Приборный трансформатор тока TPU 7x.xx [Электронный ресурс]: технические характеристики. Режим доступа: http://www05.abb.com/global/scot/ scot235.nsf/veritydisplay/861975106660720cc12573ca0049273e/$File/TPU%207x.xx%20ru_a%20(2007.11).pdf

11. СО 153-34.20.122-2006. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750кВ: Стандарт организации ОАО ФСК ЕЭС. - Введ. 2006-16-06. М. : Изд-во стандартов, 2006.- 60 с.

. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В.А. Андреев. - М.: Высш. шк. 1991. - 496с.

. Беркович М.А. Основы техники релейной защиты / М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А. Семёнов. - М.: Энергоатомиздат 1984. - 376с.

. Руководство по эксплуатации терминала SIPROTEC 4 7SD52 [Электронный ресурс]. Режим доступа: yanviktor.narod.ru/rele/siprotec/diff/7sd52_rus_ 1.pdf

. Руководство по эксплуатации терминала SIPROTEC 4 7UT6 [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.rza.org.ua/down/o-164.html

. Руководство по эксплуатации терминала SIPROTEC 4 7SJ62/63/64 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.electricalmanuals.net/index. php?/Manuals/Protective-Relays/SIEMENS/7SJ62-64/C53000-G1140-C147-8/View-details

17. Арустамов Э.А. Охрана труда: Справочник / Э.А. Арустамов. - М.: Дашков и К, 2008. - 588 с.

. ПОТ РМ-016-2001 РД 153-34.0-03.150-00. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. - Введ. 01.07.03. - М.: Изд-во "Энас", 2004 . - 160 с.

. Толмачев В.Д., Соловьев С.В. Молниезащита. Справочное пособие / В.Д. Толмачев, С.В. Соловьев. - М.: МИЭЭ, 2005. - 148 с.

. Зайцев В.С. Стандарты Липецкого государственного технического университета / В.С. Зайцев. - Липецк: ЛГТУ 2002. - 32с.