Расчёт электроснабжения шахты 'Ульяновская'

Расчёт электроснабжения шахты 'Ульяновская'

Общие сведения

. ВЫБОР СХЕМЫ ПИТАНИЯ ШАХТЫ И ВЕЛИЧИНЫ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

В дальнейшем будут рассматриваться схема питания электроприёмников шахты: Схема обособленного питания потребителей шахты с применением трёхобмоточных трансформаторов.

Питание шахты будем осуществлять от напряжения 110 кВ, так как к шахте подходит воздушная линия 110 кВ.

2. ВЫБОР СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Передаваемая расчётная активная мощность шахты определяется по формуле

где PР.i-расчётная суммарная активная мощность шахты, из таблицы потребителей PР.i=20570 кВт;

kΣ-коэффициент участия в максимуме, принимается согласно /1-3/, kΣ=0.85.

Тогда

Расчётная мощность ГПП согласно[1, 2] определяется по формуле

где cos φк - коэффициент мощности с учётом компенсации реактивной нагрузки, принимается cos φк=0.97.

Для обеспечения бесперебойного питания потребителей первой и части второй категорий принимается двухтрансформаторная ГПП. Трансформаторы выбираются с учётом того, что один из них может быть выведен из работы, и второй будет обеспечивать электроэнергией потребителей первой и второй категорий.

Мощность каждого силового трансформатора двухтрансформаторной ГПП шахты согласно /1, 2/

Принимается стандартная номинальная мощность трансформатора Sн=16000 кВ·А.

К рассмотрению принимается трансформатор типа - ТДТНШ. Он имеет техническую характеристику:

ТДТНШ-16000/110-84У1

Номинальная мощность Sн=16000 кВ·А, Uвн=115 кВ, Uсн=6,6 кВ·А Uнн=6,3 кВ, Pхх=23 кВт, Pк=76 кВт, Uк.вн-сн=10,5 %, Uк.вн-нн=17 %, Uк.сн-нн=6%.

Рассчитываем потери мощности в трансформаторах ТДТНШ.

где kз.вн, kз.сн, kз.нн - коэффициенты загрузки соответственно высшей, средней и низшей обмоток.

Потребители поверхности составляют 31.67 % всей нагрузки шахты, а подземные - 68.33 %.

Потери мощности на принудительное охлаждение. В условиях Кузбасса можно принять Pоу=0.

Для трёхобмоточного трансформатора потери короткого замыкания

Тогда

Окончательно принимаются к установке силовые трансформаторы типа ТДТНШ-16000/110-84У1. От обмотки 6.3 кВ будут запитаны поверхностные потребители шахты, а от обмотки 6.6 кВ - подземные.

3. РАСЧЁТ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Электроснабжение шахты будет осуществляться по двум кабельным линиям. Каждую линию будем рассчитывать на пропуск 75% всей нагрузки и на пропуск 100% нагрузки потребителей I и II категорий.

Максимальная токовая нагрузка ВЛ (КЛ) определяется по формуле

где Uн-номинальное напряжение в линии;

n-количество цепей линии.

Сечение жил линии

где iэк - экономическая плотность тока в рассматриваемом проводнике, выбирается согласно /2/. Полученное сечение округляется до ближайшего стандартного.

Выбор воздушных и кабельных линий по длительно допустимой нагрузке производится исходя из соотношения

где Iд.д - длительно допустимый ток линии в зависимости от сечения, принимается согласно /4/. Результаты расчётов для всех кабелей сводятся в таблицу 2.

Для того чтобы не проводить проверку воздушной линии по короне принимается сечение токоведущей жилы 70 мм2. Электроэнергия к шахте будет подводиться по ВЛ АС-70.

Параметры выбранных воздушных и кабельных линий сводятся в таблицу 3.2.

Выбранные кабельные линии проверяются по потерям напряжения. Минимально допустимое напряжение у потребителя 5700 вольт, то есть позволительная потеря напряжение в линии от трансформатора до потребителя 900 вольт.

Потери напряжения в кабельных линиях 6 кВ определяются по формуле

где -расчётный ток соответствующего участка сети;

li - длина i-ого участка линии;

z0i - полное удельное сопротивление i-ого участка линии, оно определяется по выражению

где r0i, x0i - соответственно удельные активное и реактивное сопротивления i-ого участка линии, определяемые по /2/.

Таблица 2. - Расчёт и выбор воздушных и кабельных линий

Таблица 3. -Падение напряжения в линиях

При расчёте потерь напряжения в линии напряжением 110 кВ необходимо учитывать влияние ёмкости сети. Определение потерь напряжения в этой линии ведётся в следующем порядке:

Вычисляются активная и реактивная мощности, передаваемые по одной цепи ВЛ по формулам

где tg φк - коэффициент реактивной мощности с учётом компенсации реактивной нагрузки,

тогда

Определяется активная составляющая напряжения на вводе ГПП по формуле

где U1 - напряжение в начале ВЛ, U1=115 кВ;

r0, x0 - соответственно удельные активное и реактивное сопротивления ВЛ, определяются по [3], r0=0.46 Ом/км, x0=0441 Ом/км;

lвл - длина ВЛ, lвл=8 км.

Вычисляется реактивная составляющая напряжения на вводе ГПП по формуле

Определяется подводимое к трансформатору ГПП напряжение как

Фактическая величина падения напряжения на ВЛ

ΔUФ.ВЛ=U1-U2=115-114.75=0.25 кВ.

Характеристики выбранных кабелей приведены в таблице 4.

Таблица 4. - Характеристики выбранных кабелей

4. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Расчёт токов короткого замыкания необходим для правильного выбора и проверки элементов схемы электроснабжения и параметров релейной защиты. При расчёте определяются токи трёхфазного тока короткого замыкания и установившееся значение мощности короткого замыкания.

Расчётные точки короткого замыкания выбираются на вводе ГПП, на вторичной стороне силовых трансформаторов ГПП, на шинах ЦПП и РПП, на первичной и вторично ПУПП участка (рис.4.1).

Для простоты расчётов за базисную величину мощности принимается Sб=100 МВА. За базисное напряжение рассматриваемой ступени принимается величина на 5 % большая номинального напряжения этой ступени.

В соответствии с принятыми базисными величинами для рассматриваемой ступени трансформации определяется величина базисного тока, А.

где SБ - базисная мощность, SБ=100 МВ·А;

UБi - базисное напряжение рассматриваемой ступени, UБ=1.05·UН.

Относительные активное и реактивное сопротивления участка линии

Относительное реактивное сопротивление трансформатора

где UК(%) - напряжение короткого замыкания трансформатора, UК(%)=17 %;

Sн.тр - номинальная мощность трансформатора, Sн.тр=10 МВ·А.

Относительное сопротивление

Для каждой точки короткого замыкания определяется полное суммарное сопротивление короткозамкнутой цепи в относительных единицах по формуле

где r*Σi, x*Σi - соответственно сумма относительных значений активных и реактивных сопротивлений всех элементов сети, по которым проходит ток короткого замыкания.

Сопротивление энергосистемы определяется по формуле

где S(3)к - установившееся значение мощности короткого замыкания энергосистемы на шинах головной подстанции, к которой подключена шахта, для сетей 110 кВ принимается S(3)к=10000 МВ·А.

Значения относительных сопротивлений участков линии сводятся в таблицу 5.

Таблица 5 - Относительные сопротивления участков кабельных линий

Мощность энергосистемы относительно возможной мощности короткого замыкания на вводе ГПП шахты можно считать бесконечной. Исходя из этого, сверхпереходный ток короткого замыкания в рассматриваемых точках определится как

Ударный ток короткого замыкания определяется по формуле

где ку - ударный коэффициент, определяемый как

где Та - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, определяемая по выражению

Мощность короткого замыкания для каждой точки определится как

Результаты расчёта сводятся в таблицу 6.

Таблица 6. - Расчёт токов короткого замыкания

. ПРОВЕРКА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПО ТОКУ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Проверка кабелей по термической стойкости осуществляется в целях обеспечения пожаробезопасности кабелей при дуговых коротких замыканиях посредством выбранных защитных аппаратов с заданным быстродействием отключения максимальных токов трехфазного короткого замыкания. Проверка производится исходя и условия

где Iп - предельно допустимый кратковременный ток короткого замыкания в кабеле. Он определяется по формуле

где С - коэффициент, учитывающий конечную температуру нагрева жил при коротком замыкании, для кабелей с медными жилами с бумажной изоляцией на напряжение 6 кВ С=129 А∙с1/2/мм, для кабелей с алюминиевыми жилами с полихлоридвиниловой изоляцией С=75 А∙с1/2/мм;

Si - выбранное сечение жилы кабеля;

tп - приведённое время отключения, для ячеек типа КРУВ-6 tп=0.17 с; для выключателей, установленных в КРУ общепромышленного применения.

электроприёмник шахта ток замыкание

6. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

С целью уменьшения и полной ликвидации отрицательных последствий повышенного потребления реактивной мощности её следует компенсировать.

Мощность компенсирующего устройства определится

Qку=PΣр∙(tgφе-tgφк)

где tgφе - естественный коэффициент реактивной мощности, tgφе=QΣр/PΣр,

tgφк - коэффициент реактивной с учётом компенсации реактивной нагрузки, соответствующий cosφк.

Количество компенсирующих устройств определяется по формуле

где Qн - номинальная реактивная мощность компенсирующего устройства, берётся из ряда номинальных мощностей конденсаторных установок (600, 900, 1350, 2700 кВ·Ар).

Так как ГПП и ЦПП питаются от различных обмоток трансформатора, то компенсирующие устройства для ГПП и ЦПП будут рассчитываться отдельно.

Для ГПП:

Тогда

Принимается n1=4.

Для ЦПП:

Принимается n2=6.

К установке на ГПП принимаются 4 компенсирующих устройства мощностью по 900 кВ·Ар, на ЦПП - 6 компенсирующих устройств мощностью по 1350 кВ·Ар.

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Потери активной мощности на передачу активной нагрузки предприятия определяется как

где n - число цепей ВЛ.

Потери активной мощности на передачу реактивной нагрузки предприятия определяется как

где QΣр - суммарная реактивная нагрузка, определяемая как

Тогда

Суммарные потери активной энергии на передачу активной и реактивной нагрузки шахты определяются как

где τа - число часов использования максимума активных потерь /2/, τа=2500 ч.

Потери активной энергии в трансформаторе

где Тп - полное число часов присоединения трансформатора к сети , определяемое как

Тп=365·24=8760 ч;

Тр - число часов работы трансформатора под нагрузкой за расчётный период, с небольшой погрешностью можно принять Тр=τа=2500 ч.

. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Для питания цепей управления, сигнализации, автоматики и связи, аварийного освещения, приводов выключателей и других систем и механизмов собственных нужд берётся источник оперативного тока.

В качестве последнего принимаются два трансформатора ТМ мощностями по 40 кВт, которые будут подключаться непосредственно к выходным зажимам силовых трансформаторов ГПП на стороне 6.3 кВ.

Техническая характеристика трансформаторов ТМ-40/10-65У1

Номинальная мощность Sн=40 кВ·А,

Номинальное высшее напряжение Uвн=6.3 кВ,

Номинальное низшее напряжение Uнн=0.4 кВ,

Группа соединений обмоток Y/Zн-11,

Потери мощности холостого хода Pхх=190 Вт,

Потери мощности короткого замыкания Pк=1000 Вт,

Напряжение короткого замыкания Uк=4.7%,

Ток холостого хода i0=3 %.

Выбор КРУ для ГПП.

Для установки на ГПП принимаются стационарные камеры серии КСО-285 с технической характеристикой, приведённой в таблице 7.

Таблица 7. - Техническая характеристика КРУ типа КСО-285

Выбор выключателей.

Так как для установки в ячейку требуется выключатель ВМП-10, то принимается выключатель внутренней установки ВМП-10-20/630У3. Его техническая характеристика приведена в таблице 9.2.

Таблица 9.2 - Техническая характеристика выключателя ВМП -10-20/630У3

Для установки между секциями шин ГПП принимается выключатель ВМПЭ-10-630-20У3. Его основные технические данные аналогичны техническим данным выключателя ВМП-10-20/630У3, приведённым в таблице 9.2.

Отключающая способность выключателей проверяется по симметричному току отключения по следующему соотношению

где Iн.о- номинальный ток отключения выключателя;

I’’к - ток короткого замыкания в точке установки выключателя.

Для выключателей ВМП и ВМПЭ 20 кА > 4.804 кА.

Выбор разъединителей, отделителей и короткозамыкателей.

Расчётный тепловой импульс в воздушной линии.

где tп.п - приведённое время действия короткого замыкания, tп.п=0.2 с.

Выбранное оборудование проверяется по соотношению

где Iму - предельный ток термической стойкости;

tн -номинальное время протекания тока короткого замыкания.

Для установки принимаются разъединители РВ-6/400У3 с технической характеристикой, приведённой в таблице 8.

Таблица 8. - Техническая характеристика РВ-6/400У3

Для установки на трансформаторной подстанции принимаются отделители типа ОД-110/1000УХЛ1 и короткозамыкатели КЗ-110УХЛ1, характеристика которых приведена в таблице 9.

Защита от перенапряжений.

Для защиты оборудования от атмосферных перенапряжений на ГПП шахты предусматривается установка вентильных разрядников типа РВС 110МУ1. Его техническая характеристика приведена в таблице 10.

Выбор трансформаторов напряжения.

Для питания цепей контроля сопротивления изоляции и подключения счетчиков принимаются трансформаторы напряжения внутренней установки типа НОМ-10-66У3 и НТМИ-6-66У3. Их характеристика приведена в таблице 11.

Для защиты трансформаторов напряжения принимаются разрядники типа РВО-6У1. Его техническая характеристика приведена в таблице 10.

Таблица 9

Техническая характеристика ОД-110/1000УХЛ1 и КЗ-110УХЛ1

Таблица 10. - Техническая характеристика РВС-110МУ1 и РВО-6У1

Таблица 11. -Техническая характеристика трансформаторов напряжения

. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ЦПП и РПП-6

Выбор КРУ.

Так как ЦПП находится на поверхности, то для её комплектации принимаются две ячейки КРУН-6Л, которые устанавливаются на поверхности. Для комплектации РПП-6 принимаются ячейки во взрывобезопасном исполнении КРУВ-6. Техническая характеристика КРУ приведена в таблице 12.

Таблица 12. Технические данные КРУ

В качестве межсекционного выключателя на секциях шин ЦПП принимается тот же тип выключателя, что и для ГПП - ВМПЭ-10-630-20У3.

Выбор и проверка уставок КРУ.

Уставка максимальной токовой защиты (МТЗ) любого КРУ, установленного в подземных выработках шахт, выбирается исходя из условия

где кн - коэффициент надёжности, принимается кн=1.2 - 1.4;

Iр.max - рабочий максимальный ток.

Для КРУ, питающих ПУПП, рабочий максимальный ток определяется как

где Iн.пупп - номинальный ток защищаемой ПУПП;

Iп.max - номинальный пусковой ток наиболее крупного электродвигателя на вторичной стороне низкого напряжения ПУПП;

кт - коэффициент трансформации ПУПП.

Максимальный рабочий ток вводных и секционных КРУ ЦПП и РПП-6 определяется как

где Iр.в - рабочий ток линии, питающей ЦПП или РПП-6, в аварийном режиме;

Iп.пуск - пусковой ток наиболее крупного электродвигателя, получающего питание по защищаемой ветви.

Уставка МТЗ ячеек КРУВ-6 благодаря использованию ступенчатого и плавного её регулирования может быть принята любой величины в пределах, начиная от номинального значения тока первичной цепи установленных в ячейке трансформаторов тока и кончая максимально возможной величиной 2400 А.

Проверка выбранной уставки МТЗ высоковольтного КРУ, питающего ПУПП, осуществляется по току двухфазного короткого замыкания на низкой стороне защищаемого трансформатора по формуле

где I(2)к.min -ток двухфазного короткого замыкания на стороне вторичной обмотки (НН) трансформатора, который определяется как

Уставка высоковольтной ячейки, установленной на питающей линии ЦПП и РПП-6, соответствует условиям эксплуатации, если выполняется соотношение

где I(2)к.з - ток двухфазного короткого замыкания в самой удалённой точке резервируемой смежной зоны.

Результаты расчётов сводятся в таблицу 13.

Таблица 6. - Расчёт токов короткого замыкания

Принятые уставки удовлетворяют условиям эксплуатации.

Список используемой литературы

1.     Справочник по проектированию электроснабжения. Под редакцией В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовеа. - 3-е изд., перераб. И доп. - М. Энергия, 1980.

.       Справочник по электроустановкам угольных предприятий. Электроустановки угольных шахт: Справочник/ Под общей ред. В.В. Дегтярёва, В.И. Серова, Г.Ю. Цепелинского - М.: Недра, 1988.

3.      Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

.        Самохин Ф.И., Маврицин А.М., Бухтояров В.Ф. Электрооборудование и электроснабжение открытых горных работ. - М.: Недра, 1988.