Проектирование тяговой подстанции переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Ярославский филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Разработал Н.М. Хомутова

Руководитель проекта Н.М. Шахарова

2014

Содержание

подстанция электроснабжение сеть замыкание

Ведение

1. Создание схемы внешнего электроснабжения

2. Расчет мощности подстанции

2.1 Определение мощности районных потребителей

2.2 Схема питания и секционирования контактной сети

2.3 Расчет мощности собственных нужд

2.4 Расчетная мощность для выбора главных понижающих трансформаторов

2.5 Расчет мощности главных понижающих трансформаторов

2.6 Определение полной мощности подстанции

2.7 Создание принципиальной схемы

3. Расчет максимальных рабочих токов

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Создание расчетной схемы для определения параметров короткого замыкания

4.2 Расчет относительных сопротивлений элементов цепи короткого замыкания

4.3 Схема замещения

5. Выбор и проверка электрического оборудова6ия подстанций по режиму короткого замыкания

6. Расчет контура заземления

7. Выбор аккумуляторной батареи

8. Расчет молниезащиты

9. Потребители собственных нужд

9.1 Расчет осветительной и силовой низковольтной сети подстанции

10. Охрана труда и Электробезопасность при выполнении ремонта оборудования

11. Пожарная безопасность

11.1 Содержание территории, зданий, помещений, сооружений

11.2 Требования к энергетическому оборудованию

12. Расчет годовых эксплуатационных расходов на содержание тяговых подстанций

Заключение

Список используемых источников

Введение

Высокая оценка электрической энергии в развитии общества объясняется большим преимуществом ее перед всеми другими видами энергии, а именно транспортабельностью на большие расстояния, дробимостью и легкостью превращения в другие виды энергии, что позволяет применить ее для самых разных нужд общественного производства и потребностей населения.

Электрическая тяга является основным потребителем электроэнергии на железнодорожном транспорте. Удовлетворение потребностей железнодорожного транспорта в электроэнергии осуществляется в основном путем присоединения железнодорожных установок к районным сетям энергосистемы.

Энергию на тягу поездов получают от энергосистемы через их высоковольтные линии и районные подстанции и, непременно, через специальные тяговые подстанции. Каждая тяговая подстанция является ответственным электротехническим сооружением, оснащенным мощной современной силовой аппаратурой (трансформаторы, автотрансформаторы, полупроводниковые преобразователи, батареи конденсаторов, разъединители, короткозамыкатели) и усилительной аппаратурой, большая часть которой работает в режиме телеуправления.

Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока) с целью передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов, трамваев и троллейбусов. Как известно первой тягой, которая применялась на железных дорогах, была тепловозная. В дальнейшем увеличение грузовых и пассажирских перевозок привело к тому, что встал вопрос об использовании электрической тяги. Это было верное направление. Отсутствие загрязнения окружающей среды, больший, по сравнению с тепловозной тягой, коэффициент полезного действия, снижение себестоимости перевозок - это одни из положительных сторон электрической тяги.

29 августа 1929 года была завершена электрификация первого участка Москва - Мытищи на постоянном токе. Сначала электрификация осуществлялась напряжением 1,5 кВ, но из-за больших потерь его увеличили до 3 кВ.

Следующим этапом стала электрификация на переменном токе напряжением 27,5 кВ. К этому времени часть дорог была электрифицирована на постоянном токе. Это привело к необходимости строительства станций стыкования. Эти станции включают в себя устройства и оборудование как постоянного, так и переменного тока и имеют высокий уровень оснащенности.

Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 25--50 км. Это расстояние зависит, как от размеров движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций РАО «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередачи напряжением 6--500 кВ. Электроэнергия поступает в первичное открытое или закрытое распределительное устройство.

Далее электроэнергия поступает на понижающий трансформатор, откуда она подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель) - при работе контактной сети на постоянном токе. С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие автоматы. В Российской Федерации номинальное напряжение выпрямленного тока железнодорожных тяговых подстанций нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3300В.

Тяговые подстанции переменного тока имеют то же предназначение, что и подстанции постоянного тока, за исключением того, что в них отсутствуют преобразовательные агрегаты для выпрямления тока. Расстояние между подстанциями составляет 50-120 км. Номинальное напряжение, подаваемое в контактную сеть 27500 В. Подстанции переменного тока питаются по линиям напряжением 110 или 220 кВ. Первичные обмотки трансформаторов соединены в звезду, нейтраль заземляется. Вторичные обмотки соединены в треугольник, фаза.

C заземляется и соединяется с рельсами железной дороги без каких-либо коммутационных аппаратов. Напряжение фаз A и B через открытое распределительное устройство подается в контактную сеть двух путей соответственно, а также в линию ДПР ("Два Провода -- Рельс") для питания нетяговых потребителей. Как правило, силовые трансформаторы имеют третью обмотку -- 6, 10, реже 35 кВ, так как на железной дороге имеется множество других потребителей, кроме электровозов. Во-первых, это автоматика и телемеханика дороги -- светофоры, стрелки, связь. Эти потребители требуют качественного и стабильного напряжения, для их снабжения прокладываются линии СЦБ (Сигнализация-Централизация-Блокировка) напряжением 6 или 10 кВ, которые запитываются через повышающий трансформатор 0,23(0,4)/6(10) кВ от сети собственных нужд подстанции.

Во-вторых, прочие потребители -- отопление и освещение станций, переездов и так далее, а также сторонние потребители. Для их подключения используются либо фидеры ДПР напряжением 27,5 кВ, либо специальные линии ПЭ (Продольное Электроснабжение) на напряжении 6 или 10 кВ.

1. Создание схемы внешнего электроснабжения

Электроснабжение проектируемой подстанции осуществляется от воздушных линий 110 кВ (ВЛ1 - 110кВ, ВЛ2 - 100кВ), которые соединяют две электроустановки (энергосистему ГРЭС мощностью 200МВА и районную подстанцию мощностью 126 МВА). По схеме присоединения подстанции к энергосистеме был определен тип тяговой подстанции - отпаечная.

Рисунок 1.1 Схема внешнего электроснабжения

2. Расчет мощности подстанции

Подстанция получает питание по вводам от сети внешнего электроснабжения. Питающие напряжение подается на первичные обмотки главных понижающих трехобмоточных тр-ов. Вторичные обмотки тр-ов напряжением 27,5кВ запитывают ОРУ-27,5кВ,которое служит для обеспечения электрической энергии железной дороги по фидерам к.с. От третьей обмотки запитывается КРУН-10кВ для питания нетяговых потребителей.

Целью расчета является определение суммарной мощности всех потребителей для определения расчетной мощности главных понижающих трансформаторов и выбора их типов, а также определение полной мощности подстанции.

2.1 Определение мощности районных потребителей

Для определения полной мощности указанных потребителей используют следующую формулу:

S_max = P_ц*К_с/ cosб,кВА, (2.1)

где P_ц- активная мощность;

К_с - коэффициент спроса;

cosб - коэффициент мощности.

S_max = 2000*0.8/0.8=2000кВА

Полная мощность остальных потребителей определяется аналогично и полученные данные записываются в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Мощности районных потребителей

Потребители	Тип, длина линии	Р, кВт	Кс	cosц	Smax,кВА/ Iрmax,А
ОРУ-10кВ
ТП-10/0,4	Каб.5км	2000	0,8	0,8	2000
ТП-10/0,4	Каб.8км	1500	0,9	0,8	1687,5
ТП-10/0,4	Каб.1км	1000	0,7	0,8	875
КТП-10/0,4	Каб.3км	600	1	0,8	750
КТП-10/0,4	Каб.2км	400	0,6	0,8	300
ОРУ-27,5кВ
ДПР-1	Вл-40км	5000	1	0,8	625
ДПР-2	Вл-40км	7000	1	0,8	8750
КРУН СЦБ
Ф1 СЦБ	Вл-40км	80	1	0,85	94,11
Ф2 СЦБ	Вл-40км	75	1	0,85	88,23

2.2 Схема питания и секционирования контактной сети

I₁=300А I₄=2700А

I₃=400А I₂=200А

Токи, потребляемые поездами, определяются расчетом параметров тяговой сети переменного тока и в данном курсовом проекте взяты за основу для определения мощности на тягу.

S_тяг=(2 S?_тяг+0,65 S?_тяг)*Кр*Кк*К_м, ВА, (2.2)

где Кр=0,9- коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки фаз тр-ра;

Кк=0,93-коэффициент,учитывающий влияния компенсации реактивной мощности;

Км=1,45-коэффициент,учитывающий влияние внутрисуточной неравномерности движения на износ обмоток тр-ра(для двухпутного участка);

S?_{тяг=11….13мВА;}

S?_{тяг=7….8мВА.}

S_тяг=(2*11000+0,65*7000)*0,9*0,93*1,45=32222,3 ВА

2.3 Расчет мощности собственных нужд

Мощность трансформаторов собственных нужд (ТСН)выбирают исходя из мощности, необходимой для питания собственных нужд переменного тока, то есть всех вспомогательных устройств, необходимых для эксплуатации их в нормальных и аварийных режимах.

Для тяговых подстанций переменного тока S_с.н.принимается равной 0,5-0,7% от мощности на тягу:

S_с.н.=(0,005-0,007)*S_тяг,кВА. (2.3)

где S_тяг - мощность на тягу.

S_с.н.=0,005*32222,3=161,11кВА

2.4 Расчётная мощность для выбора главных понижающих тр-ов

S₁₀= S_max1+…. S_max5,кВА, (2.4)

где S_max - полная мощность указанных потребителей.

S₁₀=2000+1687,5+875+750+300=5612,5

S_27,5=(S_тяг+S_дпр+S_с.н.)*К_р,кВА, (2.5)

где S_тяг - мощность на тягу;

S_с.н - мощность собственных нужд;

S_дпр - мощность потребителя ДПР.

S_27,5=(32222,3+8750+161,11)*0,95=39076,73кВА

S_max=( S₁₀+ S_27,5)*к_р,кВА, (2.6)

где к_р - коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки фаз трансформатора;

S₁₀ - полная мощность указанных потребителей.

S_max=(5612,5+39076,73)*0,95=42454,76кВА

2.5 Расчет мощности главных понижающих трансформаторов

Число главных понижающих трансформаторов на подстанциях определяется категорией потребителей и как правило, их устанавливается два с учётом надёжного электроснабжения при аварийном отключении одного из трансформаторов.

S_тр.рас.= S_max/К_ав(n_тр-1),кВА, (2.7)

где S_max-суммарная полная нагрузка первичной обмотки тр-ра;

К_ав = 1,4-коэффициент допустимой аварийной перегрузки тр-ра по отношению к его номинальной мощности;

n_тр- количество главных понижающих трансформаторов.

S_тр.рас.=42454,5/1,4*(2-1)=30324,82 кВА

Главные понижающие трансформаторы выбираем типа ТДТНЖ-40000/110кВА

U_ном=40000кВ*А Напряжение КЗ:

ВН=110 ВН-СН-17,5%

СН=27,5 ВН-НН-10,5%

НН=10 СН-НН-6%

Схема и группа соединения обмоток: Y^*- Y^*-Д-0-11

Трансформаторы собственных нужд выбираем типа ТМ-250/27,5

Мощность трансформаторов собственных нужд (ТСН) выбирают исходя из мощности, необходимой для питания собственных нужд переменного тока, то есть всех вспомогательных устройств, необходимых для эксплуатации их в нормальных и аварийных режимах.На подстанциях устанавливается два ТСН с вторичным напряжением 0,4 кВ, каждый из которых рассчитан на полную мощность потребителей собственных нужд.

S_н.т.=250кВА U_н2=0,4кВ

U_к=6,5% U_н1=27,5кВ

Трансформатор Т СЦБ выбираем типа ТМ-100/10кВА

S_н.т.=100кВА U_н2=0,4кВ

U_к=4,5% U_н1=10кВ

2.6 Определение полной мощности подстанции

Полная мощность подстанции зависит от схемы внешнего электроснабжения, определяющей ее тип (опорная, транзитная, на отпайках, тупиковая, трансформаторная, получающая питание от шин другой подстанции), и от количества и мощности главных понижающих трансформаторов.

Для отпаечной подстанции:

S_тп=n_тр* S_н.т.,кВА, (2.8)

где S_н.тр - мощность главного понижающего трансформатора;

n_тр - число установленных на проектируемой подстанции главных понижающих трансформаторов.

S_тп =2*40000 = 80000(кВА)

2.7 Создание принципиальной схемы

Рисунок 2.3 Принципиальная схема тяговой подстанции переменного тока

3. Расчет максимальных рабочих токов

Токоведущие части и электрическое оборудование подстанции выбирают по условию их длительной работы при номинальной и повышенной нагрузке, не превышающей максимальной рабочей. Для этих целей необходимо рассчитать максимальные рабочие токи сборных шин и всех присоединений к ним. Эти значения тока необходимы для определения допустимых токов токоведущих частей и номинальных токов электрического оборудования подстанции.

Таблица 3.1

Расчет токов короткого замыкания

Присоединение	Формула	Результат	Примечание
1	2	3	4
Вводы подстанции	Iр. max = Кав*Sн.тр/ v3*Uн1 Iр. max=1,4*80000/v3*110	598,9 (А)	Кав = 1,4 - коэффициент аварийной перегрузки трансформатора; Sн.тр. - полная мощность подстанции; Uн1 - номинальное напряжение первичной обмотки Т
Сборные шины первичного напряжения тяговой подстанции	Iр.max=Кпр*Кр.н*SТП/v3*Uн1 Iр.max=1,3*0,7*80000/v3*110 Iр.max=1,3*0,7*5612,5/v3*10 Iр.max=1,3*0,7*40000/v3*27,5	389,3 (А) 300,4(А) 778,6(А)	Кпр = 1,3 - коэффициент перспективного развития подстанции; Кр.н = 0,7 - коэффициент распределения нагрузки на СШ и перемычках первичного напряжения; Uн1 - номинальное напряжение первичной обмотки ГПТ
Первичные и вторичные обмотки силовых трансформаторов (главные понижающие трансформаторы, ТСН, Т СЦБ)	Iр. max = Кав*Sн.тр / v3*Uн1 Iр. max = 1,4*40000/v3*110 Iр. max = 1,4*5612,5/v3*10 Iр. max = 1,4*40000/v3*27,5 Iр. max = 1,4*250/v3*27,5 Iр. max = 1,4*250/v3*0,4 Iр. max = 1,4*100/v3*0,4 Iр. max = 1,4*100/v3*10	294,4 (А) 462,2 (А) 1197,86 (А) 11,97(А) 823,52(А) 205,88(А) 8,23(А)	Sн.тр - номинальная мощность силового трансформатора; Uн1 - номинальное напряжение первичной обмотки силового трансформатора
Сборные шины вторичных напряжений главных понижающих трансформаторов	Iр. max=Кр.н *? Sн.тр /v3*Uн2(3) Iр. max =0,5*40000/v3*27,5 Iр. max =0,5*40000/v3*10	855,61 (А) 1176,4 (А)	Кр.н = 0,5 - коэффициент распределения нагрузки на сборных шинах вторичного напряжения при пяти и более находящихся в работе присоединений к шинам; Кр.н = 0,7 - коэффициент распределения нагрузки на сборных шинах вторичного напряжения при находящихся в работе присоединений к шинам менее пяти; ?Sн.тр - суммарная мощность главных понижающих трансформаторов
Сборные шины РУ-0,4 (кВ)	Iр. max = SСН / v3*Uн2 Iр. max = 250/v3*0,4	588,23(А)	SСН - расчётная мощность собственных нужд тяговой подстанции; Uн2 - номинальное напряжение вторичной обмотки ТСН
Сборные шины КРУН СЦБ	Iр. max = SСЦБ / v3*Uн1 Iр. max = 100/ v3*10	5,88 (А)	SСЦБ - расчётная мощность СЦБ; Uн1 - номинальное напряжение первичной обмотки Т СЦБ

4. Расчет параметров короткого замыкания

Из возможных аварийных режимов (КЗ различных видов, обрывы проводов, нарушение устойчивости параллельной работы и возникновение асинхронного хода частей электрической системы, сложные виды повреждений и т.п.) расчетным для выбора электрооборудования обычно является режим КЗ.

Расчетные условия КЗ включают в себя: расчетную схему электроустановки, расчетное место КЗ, расчетный вид КЗ, расчетную продолжительность КЗ.

Расчетный вид КЗ принимается в зависимости от степени воздействия тока КЗ на электрооборудование. Расчетным видом КЗ при проверке на термическую стойкость проводников и электрических аппаратов электроустановок напряжением свыше 1 кВ вплоть до 35 кВ является трехфазное КЗ, в электроустановках напряжением 110 кВ и выше -- трех- или однофазное КЗ.

Электродинамическая стойкость проводников и электрических аппаратов проверяется обычно по условиям воздействия электродинамических сил от ударного тока КЗ (t ? 0,01 с).

Расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ определяют сложением времени действия основной релейной защиты, в зону действия которой входят проверяемые проводники и аппараты, и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя.

При проверке проводников на термическую стойкость при КЗ определяют их температуру нагрева к моменту его отключения и сравнивают ее с предельно допустимой температурой нагрева.

Проводник удовлетворяет условию термической стойкости, если температура нагрева проводника Т_к к моменту отключения КЗ не превышает предельно допустимую температуру Т_{К ДОП} нагрева соответствующего проводника при КЗ.

4.1 Создание расчётной схемы для определения параметров короткого замыкания

Рисунок 4.1 Расчетная схема для определения параметров короткого замыкания

Система величин, которая положена в основу расчетов параметров цепи короткого замыкания, называется базисной. В базисную систему величин входят базисная мощность S_б, базисное напряжение U_б, базисные токи I_б.

За базисную мощность S_б, можно принять суммарную мощность трансформаторов районных подстанций S_б = 100 (МВА)

Базисное напряжение:

Для каждой ступени напряжения схемы внешнего электроснабжения в качестве базисного напряжения для расчета сопротивлений принимают среднее напряжение, т.е. U_б = U_ср, которое превышает номинальное напряжение приемников.

Таблица 4.1

Расчет базисного тока

Ступень напряжения	Формула	Результат	Примечание
110 кВ	Iб = Sб / v3 * Uср I = 100/v3 * 115	0,5 (кА)	Iб - базисный ток; Uср - среднее напряжение Sб-базисная мощность
27,5кВ	Iб = Sб / v3 * Uср I = 100/v3 * 28,8	2,04 2,04(кА)
25кВ	Iб = Sб / v3 * Uср I = 100/v3· 26,2	2,24 (кА)

4.2 Расчет относительных сопротивлений элементов цепи короткого замыкания

Таблица 4.2

Расчет относительных сопротивлений элементов цепи

Элемент схемы	Исходные параметры	Расчётная формула
Генератор	Sнг, МВА Х"d	Х*б.г = Х"d · (Sб/ Sнг) Х*б.г1=0,146*(100/100)=0,146
Линия электропередачи воздушная (кабельная)	Uср, кВ L, км Хо, Ом/км	Х*ВЛ(КЛ) = Хо L · (Sб/U 2ср) Х*ВЛ=0,4*3(100/1152)=0,009
Трансформатор двухобмоточный	Sн.тр, МВА Uк, %	Х*б.тр = (Uк /100) · (Sб/ Sн.тр) Х*бтр =10/100+100/40=0,25
Трансформатор трёхобмоточный	Sн.тр, МВА Uк В-С, % Uк В-Н, % Uк С-Н, %	Uк.В = 0,5(Uк В-С+ Uк В-Н - Uк С-Н) % Uк.С = 0,5(Uк В-С+ Uк С-Н - Uк В-Н) Х*б.тр.В = (Uк.В /100) *(Sб/ Sн.тр) Х*б.тр.В = (11/100) *(100/40) = 0,275 Х*б.тр.С = (Uк.С /100) * (Sб/ Sн.тр) Х*б.тр.С = (6,5 /10)*(100/40)=0,16

4.3 Схемы замещения

Рисунок 4.2 Схема замещения

Таблица 4.3

Основные формулы для преобразования схем замещения

Выполняемые преобразования	Формулы для определения результирующих сопротивлений после преобразования
Последовательное соединение сопротивлений	Хрез = Х1 + Х2 + Х3 + …. Хn
Параллельное соединение сопротивлений	1/ Хрез = 1/ Х1 + 1/ Х2 + 1/ Х3 + …1/ Хn при двух ветвях Хрез = (Х1 · Х2) / (Х1 + Х2) при трёх ветвях Хрез = (Х1 · Х2 · Х3) / (Х1 · Х2 + Х1 · Х3 + Х2 · Х3)

Анализируя схему замещения, определяем, что:

1. Сопротивления 1,2 и 3 соединены последовательно - их эквивалентное сопротивление будет х_б1-3

х_*б1-3=х_*б1+ х_*б2+ х_*б3= 0,146+0,25+0,06=0,456 (4.1)

Рисунок 4.3 Схема замещения сопротивлений 1,2 и 3

2. Сопротивления 4,5 и 6 соединены последовательно - их эквивалентное сопротивление будет х_*б4-6.(Смотри рисунок 4.3).

х_*б2-5=х_*б4+ х_*б5+х_*б6=0,09+0,15+0,009=0,249 (4.2)

3. Сопротивления 1-3 и 4-6 соединены параллельно - их эквивалентное сопротивление будет х_*б1-6.

х_*б1-5== = 0,16 (4.3)

Рисунок 4.4 Схема замещения сопротивлений 1-3 и 4-6

4. Сопротивления 7,8 и 9 соединены последовательно - их эквивалентное сопротивление будет х_*б7 (Сморти рисунок 4.5)

х_*б7-9=х_*б7+ х_*б8+х_*б9=0,16+0,27+0,16=0,59 (4.4)

Рисунок 4.5 Схема замещения сопротивлений 1-9

Определяем относительное сопротивление до точки КЗ:

(4.5)

Удельное сопротивление тяговой сети для контактной подвески ПБСМ-70+МФ-85

r₂₁=0.22

x₂₁=0.42

X_б.т.с.= x₂₁*l*S_б/U_ср²=0,42*20*(100/26,2²)=1,22 (4.6)

R_б.т.с.= r_21*l* S_б/U_ср²=0.22*20*(100/26.2)=0,64 (4.7)

где - среднее расчётное сопротивление тяговой сети;

- расстояние до точки КЗ.

Z=v(0.59+0.5*1.22)²+(0.5*0.64)²=1.2

Установившееся значение тока короткого замыкания:

I_к1 = I_б110 / Х_*б.к1, (кА), (4.8)

где I_б - базисный ток для той ступени напряжения, где находится точка КЗ;

Х_*б.к - результирующее сопротивление до расчётной точки короткого замыкания.

I_к1 =0,5/0,16=3,125(кА)

I_к2 =2,04/0,59=3,45(кА)

Определяем максимальный ток двухфазного КЗ:

(4.9)

I _{k max}=100/(2*26,2*1,2)=1,6(кА)

Ударный ток короткого замыкания:

i_у = 2,55 I_к (4.10)

i_у =2,55*1,6=4,08(кА)

5. Выбор и проверка электрического оборудования подстанции по режиму короткого замыкания

Выбор электрооборудования состоит в определении его типа (марки, сечения) по условиям продолжительных режимов и проверке по условиям кратковременных режимов, определяющим из которых, как правило, является режим короткого замыкания. Выбор электрических аппаратов и проводников производится на основе задания на дипломное проектирование.

Под расчетными условиями понимаются наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия, в которых могут оказаться электрический аппарат или проводник при различных режимах их работы в электроустановках. Расчетные условия -- это требования энергосистем и электроустановок к параметрам электрооборудования конкретной электрической цепи.

Различают четыре режима работы электроустановок и их элементов: нормальный, аварийный, послеаварийный и ремонтный. Аварийный режим является кратковременным режимом, остальные -- продолжительными. Хотя различные аварийные режимы по продолжительности составляют обычно доли процента от продолжительности рабочих режимов, но их условия могут оказаться крайне опасными для успешного функционирования электрооборудования, поэтому оно выбирается по расчетным условиям продолжительных рабочих режимов и обязательно проверяется по расчетным условиям аварийных режимов.

ОРУ-110кВ:

Выбор и проверка высоковольтных выключателей переменного тока:

Условие выбора: U_н ? U_раб

I_н ? I_{р. max}

Выбираем выключатель типа ВГТ-110кВ

I_н ? I_{р. max} U_н ? U_раб

2500А?598,9А 110кВ?110кВ

Проверка на электродинамическую стойкость:

I_к - установившееся значение тока трехфазного короткого замыкания в цепи, где установлен выключатель.

а) по ударному току: i_пр.с ? i_у

20кА?4,08кА

где i_пр.с - амплитудное значение предельного сквозного тока по паспорту.

б) на термическую стойкость: I²_Т t_Т ? В_к

4800?29,76

где I_Т - среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) по паспорту;

t_Т - длительность протекания тока термической стойкости по паспорту;

В_к - тепловой импульс тока короткого замыкания,

в) по номинальному периодическому току отключения: I_н.откл ? I_к

40кА?3,125кА

где I_н.откл - номинальный предельно отключаемый ток выключателя по паспорту при его номинальном напряжении.

РУ-27,5кВ:

Выбираем выключатель ВБН-27,5кВ

Проверка на электродинамическую стойкость:

по номинальному периодическому току отключения: Iн.откл ? Iк

20кА?3,125кА

Выбор и проверка изоляторов:

Для крепления токоведущих частей и их изоляции от заземленных конструкций применяются различные типы подвесных и опорных изоляторов.

Выбираем опорный изолятор марки ОФ-35-375:

Условие выбора:F=0.176/ (iу2*l/a)

Fрасч=0,176*(4,08*4/1)=2,8

Fразр=3680*0,6=2208

Fрасч ? 0,6 Fразр

2,8?1324,8

6. Расчет контура заземления

Согласно ПУЭ в целях выравнивания потенциала и обеспечения присоединения электрооборудования к заземлителю на территории занятой оборудованием, следует прокладывать продольные и поперечные заземлители и соединять их между собой в заземляющую сетку. Продольные заземлители должны быть проложены вдоль осей электрооборудования со стороны обслуживания на глубине 0,5-0,7 м от поверхности земли и на расстоянии 0,8-1 м от фундамента или основания оборудования. Поперечные заземлители прокладывать в удобных местах между оборудованием на глубине 0,5-0,7 м. Расстояние между продольными заземлителями рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки. Расстояние от ограды до сетки 2 м.Сетка выполняется из металлических полос, ширина полосы (0,02-0,04)м.Конструкция вертикальных заземлителей(труба, диаметром 50мм,длинной 2,5м,расстояния между заземлителями 5м).Размер территории тяговой подстанции 80 на 80м. Грунт-торф.

Число вертикальных заземлителей:

n?_в=L_г/а, (6.1)

где а=5;

L_{г(Периметр)}=4*80=320(м)

n?_в=320/5=64

Удельное сопротивление грунта:

?расч.=Кс?(Ом*м), (6.2)

где Кс=2,0…4,5-коэффициент сезонности, учитывающий просыхание и промерзание грунта;

?-удельное сопротивления грунта.

?_расч.=20*1,45=29(Ом*м)

Сопротивление горизонтальных заземлителей:

Rг=0,37* ?расч/( Lг*?г)*lg(2 Lг2/bh),(Ом), (6.3)

где b=(0,02…0,04)м - ширина горизонтальной полосы;

h=(0,05…0,8)м - глубина заложения полосы;

?_г - коэффициент экранирования горизонтальных заземлителей.

R_г=0.37*29/(1500*0.31)* lg(21500²/0.02*0.05)=0.19(Ом)

Сопротивление вертикальных заземлителей:

R_в ? ( R_г* R_з)/ (R_г- R_з),(Ом) (6.4)

R_в ? ( 0,19*0,1)/(0,19-0,1)=0,2(Ом)

R_з.гр.=0,308* ?_расч,(Ом) (6.5)

R_з.гр.=0,308*29=8,9 (Ом)

Количество вертикальных заземлителей:

n_в= R_з.гр/( R_в* ?_в), (6.6)

где ?_в- коэффициент экранирования вертикальных заземлителей.

n_в=8.9/0.2*0.54=82

7. Выбор аккумуляторной батареи

При выборе батареи исходят из аварийного режима работы электроустановки, когда к постоянной нагрузке батареи добавляется нагрузка аварийного освещения и других потребителей, переключаемых на питание от постоянного тока при исчезновении переменного напряжения. К постоянной нагрузке на подстанциях относятся цепи управления, сигнализации, защиты, автоматики, телемеханики, блокировок безопасности, на тяговых подстанциях постоянного тока дополнительно - держащие катушки быстродействующих выключателей.

Таблица 7.1

Потребители аккумуляторной батареи

Потребители постоянного тока	Число одновременно работающих	Ток одного потребителя, А	Нагрузка батареи, А
			Длительная	Кратко временная
Постоянно присоединённые приёмники; лампы положения выключателей держащие катушки БВ устройства автоматики, управления и защиты	26	0,065	1,6 15
Приёмники, присоединённые при аварийном режиме; устройства ТУ, ТС и связи; аварийное освещение			1,4 10
Привод выкл.ВБН-110				5
Итого:			28	5

Выбор аккумуляторной батареи:

- Ток длительного разряда в аварийной режиме:



(А), (7.1)

где - ток постоянной нагрузки рабочего режима;

- ток временной аварийной нагрузки.

I_{дл.разр.} =28+5=33(А)

- Необходимая расчетная мощность емкость батареи:

(А*ч), (7.2)

где tав = 2ч - длительность разряда при аварии для тяговых подстанций.

Q=33*2=66 (А*ч)

Исходя из всех параметров, выбираем аккумулятор «Зонненшайн» серии GroE:диапазон емкостей: 75…2600 (А*ч)

- производство необходимых отключений, переключений и принятие мер, препятствующих ошибочному или самопроизвольному включению;

- вывешивание плакатов и при необходимости установка ограждений, присоединение к заземленным частям переносных заземлений, включение заземляющих ножей, проверка отсутствия напряжения на токоведущих частях, к которым должно быть присоединено переносное заземление;

- наложение заземлений.

Если работа выполняется без применения переносного заземления, то должны быть приняты дополнительные меры по предотвращению ошибочного включения, например, включением устройств блокировки, запирание приводов аппаратов на замок, снятие рукояток рубильников и автоматов, снятие предохранителей, установка накладок между ножками и контактными стойками рубильников, при невозможности осуществить эти меры должны быть отсоединены провода, по которым может быть ошибочно подано напряжение.

8. Расчет молниезащиты

Каждый молниеотвод образует вокруг себя строго определенное пространство, вероятность попадания в которое молний практически равна нулю. Это пространство называют зоной защиты молниеотвода. Теоретически вероятность поражения объектов, расположенных в пределах зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов, все же составляет около 1%.

Высота главного понижающего тр-ра( h_x=6.3м);

Высота молниеотвода 20м;

Расстояние между трансформатором и молниеотводом 5м.

Радиус действия молниеотвода на уровне земли:

R_x1=Н_а 1,6К/(1+Н_х/Н), (8.1)

где К - поправочный коэффициент (К=1);

Н_х- высота трансформатора;

Н- высота молниеотвода.

R_x=13,7*1,6*1/(1+6,3/20)=16,6

R_x2=13,7*1,6*1/1=21,92

9. Потребители собственных нужд подстанции

Приемниками электроэнергии собственных нужд (СН) подстанций являются: электродвигатели системы охлаждения трансформаторов; устройства обогрева масляных выключателей и шкафов распределительных устройств с установленными в них аппаратами и приборами; электрическое освещение и отопление помещений и освещение территории подстанций.

Наиболее ответственными приемниками СН являются устройства системы управления, релейной защиты, сигнализации, автоматики и телемеханики. От этих приемников СН зависит работа основного оборудования подстанций, прекращение их питания даже кратковременно приводит к частичному или полному отключению подстанции. Приемники собственных нужд, перерыв в электроснабжении которых не вызывает отключения или снижения мощности электроустановки, относятся к неответственным.

Для электроснабжения потребителей СН подстанций предусматриваются трансформаторы собственных нужд (ТСН) со вторичным напряжением 380/220 В, которые получают электроэнергию от сборных шин РУ--10 кВ, а на тяговых подстанциях -- от шин РУ-27,5 кВ или РУ-35 кВ (на тяговых подстанциях постоянного тока с первичным напряжением 35 кВ). Такая схема питания ТСН обладает недостатком, который заключается в нарушении электроснабжения потребителей СН при повреждениях на шинах РУ, от которого питаются ТСН. Поэтому ТСН трансформаторных подстанций предпочитают подключать к выводам низшего напряжения главных понижающих трансформаторов -- на участках между трансформатором и выключателем. Питание потребителей СН электроустановок может быть индивидуальным, групповым и смешанным. При индивидуальном питании каждый потребитель получает электроэнергию от шин СН по индивидуальному кабелю, чем обеспечивается высокая надежность электроснабжения, но это приводит к значительному расходу кабелей.

При групповом питании потребители получают энергию от групповых щитков и сборок, расположенных вблизи группы потребителей и подключенных одним кабелем к шинам СН.

При этом снижается расход кабеля, но возникают дополнительные расходы на групповые щитки и сборки, снижается надежность электроснабжения, так как повреждение кабеля приводит к отключению всех потребителей данной группы. Наиболее рациональным является смешанное питание, при котором ответственные потребители питаются по индивидуальным кабелям непосредственно от шин СН, а остальные -- от групповых щитков и сборок.

На тяговых подстанциях всех типов, кроме опорных на напряжение 110-220 кВ, обычно устанавливают по два ТСН мощностью 250-400 кВ А каждый.

На подстанциях с двумя ТСН мощность каждого трансформатора должна обеспечить (с учетом его перегрузочной способности) питание всех потребителей СН, включая устройства подогрева высоковольтной аппаратуры.

Распределение энергии собственных нужд тяговых подстанций переменного и постоянного тока показана на рисунке 9.1. Подключение вторичных обмоток ТСН к шинам 380/220 Вв шкафах 1 и 2 переменного тока на открытой части подстанции осуществляется через автоматические выключатели. Шины СН выполняются одинарными секционированными автоматическим выключателем. Выключатели являются одновременно коммутационными и защитными аппаратами. В летний период включен обычно один ТСН, для второго предусматривается автоматика включения резерва (АВР).

В зимний период включаются оба ТСН, г. на опорных подстанциях 110(220) кВ и трансформаторы подогрева, которые подают питание в шкаф 15 подогрева масляных выключателей. От шкафа 15 получает электроэнергию шкаф 16 автоматики подогрева приводов выключателей 110 (220) кВ.

Рисунок 9.1 Распределение энергии собственных нужд тяговых подстанций переменного и постоянного тока

К шинам шкафа 1 подключены фидеры, питающие цепи подогрева масляных выключателей и их приводов от шкафов автоматики 3, 4 и 5 соответственно 27,5 кВ (только для подстанций переменного тока), 35 и 110 кВ. К шинам СН шкафа 1 подключаются трансформатор СЦБ, подогрев КРУН-10, обдув понижающих трансформаторов, дежурный пункт контактной сети, а также могут подключаться различные передвижные устройства (подстанции, масляное хозяйство и т.д.). От шкафа 2 питание шкаф 6 СН переменного тока в здании подстанции, к которому подключены стойки и шкафы телеблокировки, телемеханики и связи, цепи управления моторными приводами, шкаф 10 рабочего освещения подстанции. Дизель-генератор 9, установленный в специальном помещении здания подстанции, через шкаф б подключается к шинам СН 380/220 В и является источником резервного питания устройств СЦБ при аварийном выходе из работы ТСН или полном отключении питания электротяги на участке железной дороги. Шкаф 12 СН постоянного тока получает выпрямленное напряжение от зарядно-подзарядного агрегата 13 типа ВАЗП, а в аварийных ситуациях -- от аккумуляторной батареи 14, которая питает также щиток 11 аварийного освещения подстанции, а также устройства телемеханики и связи. Шкаф 7, подключенный к шинам СН. Служит для включения цепей отопления и вентиляции помещения аккумуляторной батареи. Шкаф 8 подключается к шинам СН через изолированный трансформатор ТИ-1, который предотвращает попадание высокого напряжения при нарушении изоляции РУ-3,3 кВ в цепи СН. Этот шкаф служит для питания потребителей собственных нужд, расположенных в местах, где возможно такое нарушение изоляции.

9.1 Расчёт осветительной и силовой низковольтной сети подстанции

Таблица 9.1

Потребители собственных нужд подстанции

No-No п/п	Потребитель	Потребляемая активная мощность Рц,кВт	cosб	Кс	Полная мощность Smax,кВА	Тип кабеля (провода)
1	Освещение открытой части подстанции	4,8	1	0,5	2,4	АНРГ - 4х4
2	Внутренние освещение здания подстанции	0,88	1	0,5	0,44
3	Внутренние освещение КРУН -10	0,4	1	1	0,4	АНРГ - 4х4
4	Обогрев здания подстанции	26,4	1	1	26,4	АНРГ -4х16
5	Обогрев КРУН - 10	12	1	1	12	АНРГ -4х6
6	Двигатель обдува Т1 и Т2	38,4	0,8	0,4	19,2	ААГВ - 3х6
7	Мастерская	40	0,8	0,4	20	ААГВ - 3х6
8	Прочие потребители	40	0,8	0,4	20	ААГВ - 3х6

1. Освещение открытой части подстанции:

Для освещения открытой части подстанции используются две металлические прожекторные мачты высотой 21м,с типом светильников СПО - 300 (16 шт.)мощность одного светильника 300Вт.

Р_ц= 16*0,3=4,8 кВт (9.1)

S_пол = P*К_с/ cosб,кВА (9.2)

S_пол =4,8*0,5/1=2,4кВА

I = S_пол/v3*0,4,А, (9.3)

где S_пол - полная потребляемая мощность.

2. Внутренние освещение здания подстанции:

Таблица 9.2

Внутренние освещение здания подстанции

Название комнаты	Кол-во лампочек (шт.)	Тип лампочек
Щитовая	8	Люминесцентные, ЛБ - 40
Комната отдыха	1	Люминесцентные, ЛБ - 40
Кабинет начальника	1	Люминесцентные, ЛБ - 40
Аккумуляторная	4	Лампы накаливания, Б - 40
Мастерская	2	Люминесцентные, ЛБ - 40
Туалет	1	Лампы накаливания, Б - 40
Коридор	2	Люминесцентные, ЛБ - 40
Отсек дизель-генератора	2	Люминесцентные, ЛБ - 40

Р_ц=22 * 0,4 =0,88 кВт (9.4)

S_пол = P*К_с/ cosб,кВА (9.5)

S_пол = 0,88*0,5/1=0,44 кВА

I = S_пол/v3*0,22,А (9.6)

I = 0,44/v3*0,22= 1,1А

3. Внутрение освещение КРУН - 10:

В крунах находится восемь ячеек и один коридор, в каждую ячейку устанавливается одна лампа накаливания типа Б-40, в коридоре устанавливаются две люминесцентные лампы типа ЛБ-40.

Р_ц=10*40=0,4кВт (9.7)

S_пол = P_ц*К_с/ cosб,кВА (9.8)

S_пол =0,4*1/1=0,4кВА (9.9)

4. Обогрев здания подстанции

Мощность одного обогревателя 2,4 кВт

Таблица 9.3

Обогрев здания подстанции

Название комнаты	Кол-во электрообогревателей
Щитовая	4
Комната отдыха	1
Кабинет начальника	1
Аккумуляторная	2
Мастерская	1
Туалет	1
Коридор	-
Отсек дизель-генератора	2
Всего: 11

Р_ц=11*2,4=26,4кВт (9.10)

S_пол = P_ц*К_с/ cosб,кВА (9.11)

S_пол =26,4*1/1=26,4кВА (9.12)

I = S_пол/v3*0,22,А (9.13)

I =26,4/v3*0,22=70,5А

5. Обогрев КРУН-10:

В крунах установлено пять обогревателей мощностью 2,4кВА каждый.

Р_ц=5*2,4=12кВт (9.14)

S_пол = P_ц*К_с/ cosб,кВА (9.15)

S_пол =12*1/1=12кВА

I = S_пол/v3*0,22,А (9.16)

I =12/v3*0,22=32,08А

6.Обдув понижающих трансформаторов:

Р_ц=32*1,2=38,4кВт (9.17)

S_пол = P_ц*К_с/ cosб,кВА (9.18)

S_пол =38,4*0,4/0,8=19,2кВА

I = S_пол/v3*0,4,А (9.19)

I =19,2/v3*0,4=28,23А

7.Суммарная потребляемая мощность двигателя станков в мастерской 40кВт.

S_пол = P_ц*К_с/ cosб,кВА (9.20)

S_пол =40/0,4/0,8=20кВА

I = S_пол/v3*0,4,А (9.21)

I =20/v3*0,4=29,4А

10. Охрана труда и электробезопасность при выполнении ремонта оборудования

Охрана труда - это система по сохранению жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включая правовые, социально - экономические, организационно - технические, санитарно - гигиенические, лечебно - профилактические, реабилитационные и другие мероприятия.
Электробезопасность - система правовых, организационных и технических мер и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Человек, попадая в зону работы железнодорожного транспорта подвергается повышенной опасности: механического травматизма, вредного воздействия шума, вибрации, электромагнитных полей, микроклиматических факторов, загрязненным воздухом и др.

Электробезопасность: знание ПТБ и ПТЭ; присвоение квалификационной группы по безопасности с 1 по 5 группу; знание межотраслевых правил по охране труда при эксплуатации электроустановок (ПОТ Р.М. - 016 - 2001, РД153 - 034.0 - 03.150 - 00); Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог (ЦЭ - 936); Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ); Структуру службы электрификации и электроснабжения по охране труда.В службе электрификации и электроснабжения вопросы охраны труда ведет инженер по охране труда. В дистанции электроснабжения (ЭЧК, ЭЧЭ, ЭЧС) ответственными за охрану труда являются руководители этих подразделений.

Организация эксплуатации электрооборудования:

Персонал для работы в электроустановках готовится специально. К работам могут быть допущены лица, достигшие 18 - летнего возраста, прошедшие медицинскую комиссию и имеющие удостоверение на право производства работ.

В удостоверении указывается группа по технике безопасности, соответствующая тем работам, которые могут быть доверены данному лицу. Для персонала, непосредственно работающего в электроустановках, производится повторная проверка знаний раз в год.

Для безопасности работ в электроустановках осуществляются организационные и технические мероприятия.

Организационными мероприятиями являются:

- оформление работы нарядом и распоряжением;

- допуск к работе, надзор во время работы, оформление перерывов в работе, переводов на другое рабочее место, окончания работы.

Работы в электроустановках до 1000 В могут производиться по распоряжению устному или письменному (заданию на производство работы, определяющему место, время, меры безопасности и лиц, которым поручено ее выполнение с указанием группы по электробезопасности), в отдельных случаях по наряду (письменному заданию на работу, составленное на бланке установленной формы, определяющее содержание, место, время, меры безопасности, категорию, условия ее выполнения, время начала и окончания, необходимые меры безопасности, состав бригады и лиц, ответственных за безопасность проведения работ), а работы со снятием напряжения специально закрепленным персоналом могут производиться единолично, причем работы на высоте более 2,5 м должны производиться в присутствии второго лица.

Работы в электроустановках выше 1000 В, как правило производятся по наряду, и лишь в отдельных случаях - по распоряжению. Независимо от категории работ, они должны производиться в составе не менее двух лиц, включая производителя работ.

При допуске к работам на электроустановке производителю работ проводит инструктаж допускающий, а членам бригады уже на рабочем месте проводит инструктаж, соответственно, производитель работ. За проведения инструктажа производителю работ, он расписывается в журнале нарядов и распоряжений и в самом наряде. За проведение инструктажа члены бригады расписываются также в журнале и в наряде. Только после этого приступают к работе. Наряд - допуск составляется в двух экземплярах, один из них находится у производителя работ, а другой сдается на проверку инженеру по охране труда.

Во время выполнения служебных обязанностей работник должен иметь удостоверение при себе. Помимо удостоверения, производитель работ должен иметь при себе наряд - допуск.

Инструктаж целевой - указание по безопасному выполнению работы в электроустановках, охватывающую категорию лиц, определенных нарядом или распоряжением, от выдавшего наряд и лиц отдавшего члену бригады.

Работник, выдающий наряд, определяет необходимость и возможность безопасного выполнения работы.

Право выдачи наряда предоставляется административно - техническому персоналу, имеющему 5 группу по электробезопасности выше 1000 В и 4 группу - до 1000 В.

К техническим мероприятиям относятся:

- производство необходимых отключений, переключений и принятие мер, препятствующих ошибочному или самопроизвольному включению;

- вывешивание плакатов и при необходимости установка ограждений, присоединение к заземленным частям переносных заземлений, включение заземляющих ножей, проверка отсутств...