Проектирование электрической части подстанции

Проектирование электрической части подстанции

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионально образования

Томский политехнический университет

Институт - Электротехнический

Направление - Электроэнергетика

Кафедра - Электрические станции

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине

Электрическая часть электрических станций

Проектирование электрической части подстанции

Томск - 2012

Содержание

Исходные данные

Введение

. Определение суммарной мощности подстанции

. Выбор числа и мощности трансформаторов на подстанции

. Определение токов нормального и утяжеленного режимов

. Расчет токов короткого замыкания

. Проверка по обеспечению термической стойкости кабелей отходящих линий 10 кВ

. Выбор главной схемы электрических соединений

. Выбор РУ НН 10 кВ

. Выбор электрических аппаратов

. Выбор трансформаторов тока

. Выбор трансформатора напряжения

. Выбор сборных шин, токопроводов и кабелей

. Основные конструктивные решения

. Выбор источника и оборудования оперативного тока

. Схема управления и сигнализации выключателя с ключом ПМОВФ

Заключение

Список используемой литературы

Исходные данные

Рисунок 1 - Схема питающей сети проектируемой подстанции

Таблица 1

Данные исходного варианта

Продолжение таблицы 1

Введение

Электрической подстанцией называется электроустановка или совокупность электрических устройств для преобразования электрического тока по напряжению (трансформаторная подстанция) или частоте (преобразовательная подстанция), а также для распределения электрической энергии между потребителями.

В данном курсовом проекте необходимо, опираясь на исходные данные, определить тип подстанции. Провести расчет для выбранного варианта.

В ходе проведения расчета производится выбор числа и мощности силовых трансформаторов, расчет нормальных и аварийных режимов работы подстанции, выбор электрических аппаратов, распределительных устройств, и т.п.

При проведении расчетов рекомендуется пользоваться информацией приведенной в методическом пособии.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПОДСТАНЦИИ

Суммарная активная мощность на стороне СН:

 МВт;

Полная мощность на стороне СН:

 МВА;

Реактивная мощность на стороне СН:

МВАр.

Суммарная активная мощность на стороне НН:

 МВт;

Полная мощность на стороне НН:

 МВА;

Реактивная мощность на стороне НН:

МВАр.

Суммарная мощность на стороне ВН:

 МВт;

МВАр;

 МВА;

2. ВЫБОР ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОДСТАНЦИИ

Мощность трансформаторов выбирается по условию:

(МВА)

По [1, табл.П2.5.] принимаем тип трансформатора ТДН - 63000/110. Его паспортные данные сведены в табл. 2.

Таблица 2

Паспортные данные выбранного трансформатора

Мощность автотрансформаторов выбирается по условию:

(МВА)

По [1, табл.П2.10.] принимаем тип автотрансформатора АТДЦТН - 125000/330/110. Его паспортные данные сведены в табл. 3.

Таблица 3

Паспортные данные выбранного трансформатора

Руководствуясь исходными данными, намечаем вариант электрической схемы подстанции:

Рисунок 2 - Схема проектируемой подстанции

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ НОРМАЛЬНОГО И УТЯЖЕЛЕННОГО РЕЖИМОВ

Нормальный режим - цепи силовых трансформаторов подстанции характеризуются током I_норм.:

А

 А

 А

Утяжеленный режим - один из трансформаторов отключен, а по цепи другого протекает рабочий ток I_{раб.макс.}:

А

А

А

Если I_{раб.макс.} ≤ 3200 А, то в цепях НН РУ может быть выполнено комплектным для наружной установки (КРУН) с установкой выключателей ВМПЭ или ВМГ с номинальным током отключения 20 кА или 31,5 кА.

. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Рисунок 3 - Схема замещения питающей сети и подстанции

Расчет параметров схемы замещения:

Примем

Рассмотрим режим КЗ на каждой из шин и определим периодические составляющие токов к.з:

Точка K1: (ВН)

Точка K2: (СН)

Точка K3: (НН)

Вывод: ток трехфазного короткого замыкания ограничивать по отключающей способности нет надобности. Так как расчетные токи меньше чем 31,5кА.

Рисунок 4 - Схема подключения нагрузки на низкой стороне

. ПРОВЕРКА ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ КАБЕЛЕЙ ОТХОДЯЩИХ ЛИНИЙ 10КВ

Выбираем сечение кабеля в цепи, отходящей линии меньшей мощности - 5 МВт:

Сечение кабеля выбираем по экономической плотности тока:

,

где = 1,2 при Т_max = 6000 ч. по [2, табл. 4.5] для кабелей с бумажной изоляцией с многожильными алюминиевыми жилами.

По [2, табл. П3.7] принимаем сечение кабеля при прокладке в земле: q_выбр =2*150 мм²

Минимальное сечение кабеля по термической стойкости:

,

где  - тепловой импульс, кА²·с;

 - время отключения тока короткого замыкания

 - функция, значение которой приведены в [2, табл. 3,14].

Условие термической стойкости q_выбр ≥ q_мин (300мм² > 69мм²) - условие выполняется.

Следовательно, кабель термически стоек и ограничения токов КЗ не требуется.

6. ВЫБОР ГЛАВНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

На стороне ВН шесть линий (2 двухцепные и две отходящие) и два автотрансформатора, следовательно, всего восемь присоединений. Напряжение на ВН 330 кВ.

Главная схема электрических соединений подстанции выбирается с учетом схемы развития электрических сетей энергосистемы или схемы электроснабжения района.

Основные требования к схемам электрических соединений:

a) схема должна обеспечивать надежное питание присоединенных потребителей во всех режимах работы;

b)      схема должна обеспечивать надежность транзита мощности через подстанцию;)         схема должна быть по возможности простой, наглядной, экономичной и обеспечивать средствами автоматики восстановление питания потребителей в послеаварийном режиме без вмешательства персонала;)  схема должна допускать поэтапное развитие без значительных работ по реконструкции и перерывов в питании потребителей;)    число одновременно срабатывающих выключателей в пределах одного РУ должно быть не более двух при повреждении линии и не более четырех при повреждении трансформатора.

С учетом вышеперечисленных требований по табл. 36.1 [3] выбираем на ВН полуторную схему (восемь и более присоединений), на СН одну секционированную систему шин (шесть присоединений).

а)                         б)

Рисунок 5 - Главная схема электрических соединений ОРУ ВН 330 кВ (а) и ОРУ СН 35 кВ (б)

. ВЫБОР РУ НН 10кВ

Выбираем шкафы серии КР10-Д10 [3]

Рисунок 6 - Шкаф КРУ серии КР10-Д10 с выключателем (разъединителем): 1 - кожух сборных шин; 2 - кожух магистральных шин вспомогательных цепей; 3 - выкатной элемент с выключателем (разъединителем); 4 - верхние разъемные контакты; 5 - верхние разъемные контакты; 6 - проходной изолятор

Технические данные:

Номинальное напряжение (линейное): 10 кВ

Номинальный ток шкафа: 4000 А

Номинальный ток сборной шины: 4000 А

Номинальный ток электродинамической прочности стойкости главных цепей: 230 кА. Номинальный ток термической стойкости для промежутка времени 3 с.: 90 кА. Выключатель: МГГ-10-500-63

Привод - встроенный электромагнитный

Трансформатор тока: ТШЛ-10,

Трансформатор напряжения: ЗНОЛ. 06-10

Размеры шкафа, мм:

ширина: 1500

глубина: 2600

высота: 4100

Масса шкафа, кг: 5200.

Шкафы для отходящих КЛ, контрольно-измерительных приборов - шкафы серии КРУ2-10-20

Рисунок 7 - Шкафы КРУ серии КРУ2-10-20

Технические данные:

Номинальное напряжение (линейное): 10 кВ

Номинальный ток шкафа: 3200 А

Номинальный ток сборной шины: 3200 А

Номинальный ток электродинамической прочности стойкости главных цепей: 52 кА. Номинальный ток термической стойкости для промежутка времени 3 с.: 20 кА

Привод - встроенный электромагнитный

Трансформатор тока: ТПОЛ - 10,

Размеры шкафа, мм:

ширина: 900

глубина: 1664

высота: 2350

Масса шкафа, кг: 1800.

8. ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Выключатели (Q):

ВН: По [1, П4.4] выбираем ВВ - 330, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

) Отключающая (коммутационная) способность:

где τ=t_рз+t_с,в=0,01+0,055=0,065 с (t_рз - минимальное действие релейной защиты [1, стр.338]; t_с,в - собственное время отключения выключателя [1, П4.4])

Т_а = 0,03 с - значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ [1, табл. 3.8]

где  - это допустимое относительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения[1, табл. П.4.4]

,02 кА < 8,9 кА

4) Электродинамическая стойкость:

) Термическая стойкость:

Где

Таким образом, из проверок следует, что данный выключатель подходит.

СН: По [1, П4.4] выбираем ВВУ - 35 - 40, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

3) Отключающая (коммутационная) способность:

где τ=t_рз+t_с,в=0,01+0,05=0,06 с (t_рз - минимальное действие релейной защиты[1, стр.338]; t_с,в - собственное время отключения выключателя [1, П4.4])

Т_а = 0,02 с - значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ [1, табл. 3.8]

где  - это допустимое относительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения[1, стр.296]

,6 кА < 14,1 кА

4) Электродинамическая стойкость:

5) Термическая стойкость:

где

Таким образом, из проверок следует, что данный выключатель подходит.

НН: По [2, стр. 230] выбираем МГГ - 10 - 5000 - 45У3, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

) Отключающая (коммутационная) способность:

где τ=t_рз+t_с,в=0,01+0,12=0,13 с (t_рз - минимальное действие релейной защиты[1, стр.338]; t_с,в - собственное время отключения выключателя [1, П4.4])

Т_а = 0,1 с - значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ [1, табл. 3.8]

где  - это допустимое относительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения[1, стр.296]

,8 кА < 63,6 кА

4) Электродинамическая стойкость:

) Термическая стойкость:

Таким образом, из проверок следует, что данный выключатель подходит.

Разъединители (QS):

ВН: По [1, табл. 5.5] выбираем РНД - 330 /3200, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

) Электродинамическая стойкость:

) Термическая стойкость:

Следовательно, данный разъединитель подходит.

СН: По [1, табл. 5.5] выбираем РНД - 35 /2000 У1, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

) Электродинамическая стойкость:

) Термическая стойкость:

Следовательно, данный разъединитель подходит.

. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Трансформатор тока предназначен для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.

НН: По [2, табл. П4.5] выбираем ТЛК10 - У3

мощность трансформатор токопровод кабель

Рисунок 8 - Схема включения измерительных приборов

Таблица 4

Выбор трансформатора тока на стороне НН

Таблица 5

Вторичная нагрузка трансформатора тока на стороне НН

Общее сопротивление приборов определяется по выражению:

Сопротивление контактов r_к = 0,1Ом при общем числе приборов более трех;

r_2ном = 0,8Ом.

Допустимое сопротивление проводов:

;

Сечение соединительных проводов:

мм²;

ρ = 0,0283Оммм²/м - удельное сопротивление материала проводника (алюминия),

м - расчетная длина соединительных проводов при включении трансформаторов тока и приборов в неполную звезду.

м - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов (в один конец), стр. 375 [1].

По условию прочности принимаем контрольный кабель АКРГВ с сечением жил 4 мм².

СН: По [2, табл. П4.5] выбираем ТФЗМ35 - У1

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

ВН: По [2, табл. П4.5] выбираем ТФУМ330 - У1

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Номинальный (длительный) ток:

. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения 100 или 100/ В и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения. НН: По [1, табл. 5.13] выбираем ЗНОЛ 09-10.02, и проверяем по следующим условиям:

) Номинальное напряжение (уровень изоляции):

) Нагрузка вторичных цепей:

,

Таблица 8

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения на стороне НН

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения (на одну секцию, всего их 6):

трансформатора напряжения, соединенных в неполную звезду, имеют мощность  ВА, что больше . Таким образом, трансформаторы напряжения будут работать в выбранном классе точности 1.

Выбор трансформатора напряжения на второй секции производится аналогично. Для соединения трансформаторов напряжения с приборами принимаем контрольный кабель АКРВГ с сечением жил 2,5мм² по условию механической прочности.

СН: По [1, табл. 5.13] выбираем ЗНОМ - 35 - 65У1

ВН: По [1, табл. 5.13] выбираем НКФ - 330 - 73У1

. ВЫБОР СБОРНЫХ ШИН, ТОКОПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ

В цепи силового трансформатора со стороны 330 кВ.

Токоведущие части выполняем гибкими проводами. Сечение выбираем по экономической плотности тока j_эк = 1 А/мм² , [2, табл. 4.5]

мм²;

По табл. П.3.3 [3] принимаем 1 провод в фазе АС-150/19, I_доп = 450 А, наружный диаметр провода 16,8 мм. Расстояние между фазами D = 600 см.

Проверка шин на схлестывание не производится, т.к.

Проверяем провод по допустимому току:

, следовательно, провод проходит по допустимому току.

Гибкие провода, расположенные на открытом воздухе, на термическую стойкость не проверяют, так как считается, что имеется достаточный теплоотвод. Проверка по короне:

Начальная критическая напряженность:

где: m = 0,82 - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода;

r₀ - радиус провода, см.

Напряженность вокруг провода:

кВ/см,

где:

U - линейное напряжение,В;

 - средне-геометрическое расстояние между проводами фаз,

n=3 - число проводов в фазе,

 - эквивалентный радиус провода расщепленных проводов

Условие проверки:

Условие выполнено.

В цепи силового трансформатора со стороны 10 кВ.

В качестве токоведущих частей используем жесткие шины.

I_норм = 1364 А; I_max = 2728 А.

По [2, табл. П.3.5] принимаем шины алюминиевые коробчатого сечения. Сечение одной шины 775 мм².

По условию нагрева в продолжительном режиме шины проходят:

Проверка на термическую стойкость при КЗ:

где С = 91 А·с^1/2/мм² [2, табл.3.14].

Таким образом, условие термической прочности выполняется.

Проверка на электродинамическую стойкость не производится, т.к.  Гц.

Проверка на механическую прочность:

Шины коробчатого сечения обладают большим моментом инерции, поэтому расчет производиться без учета колебательного процесса в механической конструкции. Принимаем, что швеллеры шин соединены жестко по всей длине сварным швом, тогда момент сопротивления W_у0-у0=48,6 см³. При расположении шин в вершинах прямоугольного треугольника принимаем расчетную формулу:

,

где, принимаем ; .

Т.к. шины соединены жестко по всей длине, то .

Шины механически прочны, если

,

Условие выполнено.

. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

На проектируемой подстанции принимаем открытое распределительное устройство (ОРУ), которое должно обеспечивать надежность работы, безопасность и удобство обслуживания при минимальных затратах на сооружение, возможность расширения, максимальное применение крупноблочных узлов заводского изготовления.

Расстояние между токоведущими частями и от них до различных элементов ОРУ должно выбираться в соответствии с требованиями ПУЭ. На территории ОРУ предусматриваются проезды для возможности механизации монтажа и ремонта оборудования. Принятый в данной работе на ОРУ гибкий токопровод АС-150 / 19 крепится с помощью подвесных изоляторов на порталах. Под силовыми трансформаторами, предусматривается маслоприемник, укладывается слой гравия толщиной не менее 25 см, и масло в аварийных случаях маслосборники. Кабели оперативных цепей, цепей управления, релейной защиты, автоматики и воздухопроводы прокладывают в лотках из железобетонных конструкций без углубления их в почву или в металлических лотках, подвешенных к конструкциям ОРУ. Все аппараты ОРУ располагаются на невысоких основаниях (металлических или железобетонных).

На стороне ВН приняли полуторную схему системы шин (восемь и более присоединений). На стороне СН выбираем схему с одной секционированной системой шин (максимум 10 присоединений). На стороне НН выбираем - КРУ (КР10-Д10; КРУ2-10-20).

. ВЫБОР ИСТОЧНИКА И ОБОРУДОВАНИЯ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Применение постоянного оперативного тока, требующее установки аккумуляторных батарей, увеличивает стоимость сооружения, эксплуатационные затраты, вызывает необходимость сооружения разветвленной сети постоянного тока.

Внедрение в установках переменного и выпрямленного оперативного тока позволяет отказаться от дорогостоящих аккумуляторных батарей и уменьшить разветвленность оперативных цепей.

Согласно [2, стр. 475] на всех подстанциях 330-750 кВ, на подстанциях 110-220 кВ с числом масляных выключателей 110 или 220 кВ три и более и на подстанции 35-220 кВ с воздушными выключателями применяется выпрямленный оперативный ток, который позволяет применить более надежные схемы и аппаратуру постоянного тока и приводы с более простой кинематикой.

Для получения выпрямленного напряжения (тока) применяют:

1) Силовые выпрямители для питания электромагнитов выключения приводов выключателей.

2)      Зарядные устройства, запасенная энергия которых служит для питания различных аппаратов даже при исчезновении напряжения на объекте.

)        Блоки питания, включаемые на трансформаторы тока, напряжения и для питания вторичных цепей.

Рисунок 9 - Схема питания выпрямленным оперативным током: 1 - стабилизаторы напряжения; 2 - блоки питания; 3 - контроль изоляции

На рис. 9 показана схема питания выпрямленным оперативным током шин управления и сигнализации. Если выпрямленный ток необходим для управления электромагнитными приводами, то применяется схема, аналогичная схеме на рис. 9, то вместо блоков питания устанавливаются силовые выпрямители (полупроводниковые выпрямители), соединенные по трехфазной мостовой схеме.

. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С КЛЮЧОМ ПМОВФ

На рис. 10 представлена общая схема управления и сигнализация выключателя с ключом ПМОВФ (переключатель с самовозвратом рукоятки из оперативных положений «включить» и «отключить» в фиксированное нейтральное положение).

Рисунок 10 - Общая схема управления и сигнализации выключателя с ключом ПМОВФ

Исполнительными элементами схемы являются электромагниты включения YAC и отключения YAT. Электромагнит YAC должен развивать большое усилие, так как кроме перемещения контактной системы выключателя, с его помощью необходимо взвести отключающие пружины. Поэтому такие электромагниты потребляют большой ток и их питание осуществляется от источника питания через специальные шинки питания привода ШП. Контакты ключа управления не рассчитаны на включение и отключение цепи YAC. Эту операцию выполняет своими контактами промежуточный контактор КМ, обмотка которого питается от шинок управлений через замыкающиеся контакты при подачи команды на выключение. Электромагнит отключения YAT предназначен для освобождения защелки привода, после чего выключатель отключается под действием отключающих пружин. Электромагнит YAT питается от шинок управления непосредственно через контакты ключа при реле управления.

В данной схеме управления выполнена блокировка от многократных включений на существующие КЗ (блокировка от «прыгания»). В данной схеме KBS - сигнальное промежуточное реле, которое имеет две обмотки - последовательную KBS1 в цепи YAT и параллельную KBS2.

Предусматриваются следующие виды сигнализации:

1. Положение коммутационных аппаратов - служит для информации оперативного персонала о состоянии схемы электрических соединений в нормальных и аварийных условиях и может осуществляться различными способами. В данной схеме применена схема световой сигнализации положения для выключателей. Сигнальные лампы - красная - «включено», зеленая - «отключено» устанавливаются в пульте дистанционного управления. В отключенном положении замкнуты вспомогательные контакты SQT; во включенном положении замкнуты - SQC, которые имеют связь с приводом и переключаются в конечных положениях выключателя.

2. Сигнализация аварийного отключения выключателя - применяется для извещения персонала об отключении выключателя релейной защитой и выполняется сочетанием светового и звукового сигналов. Индивидуальная аварийная сигнализация построена на применении принципа несоответствия положения ключа управления (после фиксации) положению выключателя.

3.      Предупреждающая сигнализация - извещает персонал о ненормальном режиме работы контролируемых объектов и частей электроустановки или о ненормальном состоянии вторичных цепей защиты и автоматики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнив данную курсовую работу, мною был приобретен опыт проектирования электрической части подстанции, выбор различной аппаратуры, проведение необходимых проверок. В данной работе была рассчитана электрическая часть подстанции 330кВ.

В ходе проведения расчета был произведен выбор числа и мощности силовых трансформаторов и автотрансформаторов, расчет нормальных и аварийных режимов работы подстанции, выбор электрических аппаратов, распределительных устройств, и т.п.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крючков И.П. и др. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового проектирования и дипломного проектирования. Учебное пособие для электротехнических специальностей вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 456 с., ил.

.   Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -648с.

3. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т. 2. Электротехнические устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 640 с., ил.