Разработка проекта главной понизительной подстанции района электрических сетей

6. Выбор мощности, типа и схемы включения трансформаторов собственных нужд

Состав потребителей собственных нужд (СН) зависит от типа подстанции, электрооборудования, мощности силовых трансформаторов.
Потребителями СН подстанции являются электродвигатели обдува трансформаторов, обогреватели, а так же освещение.

На всех двухтрансформаторных подстанциях 35-500кВ устанавливаются два трансформатора собственных нужд (ТСН). Они могут быть подключены к сборным шинам РУ 10кВ. Однако такая схема обладает недостатком, который заключается в нарушении электроснабжения системы СН при повреждениях в РУ. Поэтому трансформаторы СН предпочитают присоединять к выводам низшего напряжения главных трансформаторов - на участках между трансформатором и вводным выключателем.

Выбор мощности каждого из двух трансформаторов производится по полной нагрузке системы СН. Напряжение системы СН переменного тока на подстанции с постоянным оперативным током принимается 380/220 В с заземленной нейтралью.

Мощность трансформатора СН принимается равной

(6.1)

где - номинальная мощность силового трансформатора

Выбираем трансформатор ТМН - 160/10, Т - трехфазный; М - с естественным масляным охлаждением; Н - регулирование напряжения под нагрузкой (РПН), технические характеристики которого приведены в таб. 6.1

Таблица 6.1

Технические данные трансформаторов собственных нужд

7. Расчет токов короткого замыкания

Для снижения ущерба, обусловленного выходом из строя электрооборудования при протекании токов короткого замыкания, а так же для быстрого восстановления нормального режима работы системы электроснабжения необходимо правильно определить токи короткого замыкания и по ним выбрать электрооборудование, защитную аппаратуру, силовые кабели и шины. Расчет токов короткого замыкания ведем в относительных единицах.

Рисунок 7.1 Расчетная схема

Рисунок 7.2 Схема замещения

Базисные величины

S_Б = 1000 ВА- базисная мощность

UБ1=115кВ, UБ2=38,5кВ, UБ3=10,5кВ

Базисный ток ступени КЗ

(7.1)

Расчёт сопротивлений в схеме замещения в относительных единицах

Энергосистема

Линия

(7.2)

Трансформатор:

(7.3)

(7.4)

(7.5)

Преобразуем исходную схему: т.к. Q1 и Q2 отключены, то Х2, Х4, Х6, Х8 -не учитываются.

Рисунок 7.3 Преобразование схемы замещения

Преобразуем схему замещения относительно К-1 из рис. 7.4:

Рисунок 7.4 Схема замещения К1

(7.6)

Преобразуем схему замещения относительно К-2 из рис. 7.5:

Рисунок 7.5 Схема замещения К2

(7.7)

Преобразуем схему замещения относительно К-3 из рис. 7.6:

Рисунок 7.6 Схема замещения К3

(7.8)

Определение токов короткого замыкания

Начальная периодическая составляющая тока КЗ.

(7.9)

К-1.

К-2

К-3

где Е=1 - ЭДС источника в относительных единицах (о.е).

Ударный ток I_уд кА, определяется по формуле:

(7.10)

где k_уд - ударный коэффициент, определяется по формуле:

 (7.11)

где Т_а - постоянная времени затухания апериодической составляющей

Та1=0,018с, Та2=0,03с, Та3=0,05с

Действующее значение апериодической составляющей тока к.з. в момент начала расхождений дугогасительных контактов выключателя i_a.t кА, рассчитывается по формуле:

(7.12)

где t - усредненное значение собственного времени отключения выключателя, вычисляется по формуле:

(7.13)

где t _с.в-собственное время отключения выключателя.

Для точки К1 tс.в= 0,045 с:

Для точки К2 tс.в= 0,055 с:

Для точки К3 tс.в= 0,03 с:

Тепловой импульс тока В_к, кА*с², определяем по формуле [7.14]:

(7.14)

где tоткл - время отключения тока короткого замыкания, вычисляется по формуле [7.15]:

(7.15)

где t р.з - время действия основной релейной защиты;

t-откл.в-полное время отключения выключателя

Для точки К1:

tотк.в =0,065

Для точки К2:

Для точки К3:

Действующее значение ударного тока КЗ.

(7.16)

К-1

К-2

К-3

Таблица 7.1

Свободная таблица токов КЗ

8. Выбор коммутационной аппаратуры

Электрические аппараты, изоляторы и токоведущие устройства работают в условиях эксплуатации в трех основных режимах: длительном, перегрузки (с повышенной нагрузкой, которая для некоторых аппаратов достигает значения до 1,4 номинальной) и короткого замыкания (КЗ).

В длительном режиме надежная работа аппаратов, изоляторов и токоведущих устройств обеспечивается правильным выбором их по номинальному напряжению и току.

Расчетными токами продолжительного режима являются:

Iнорм - наибольший ток нормального режима;

Iмакс. - наибольший ток ремонтного или послеаварийного режимов, в котором часть элементов электроустановки отключена, поэтому на оставшиеся в работе элементы ложится повышенная нагрузка.

Расчет токов нормального и послеаварийного режимов

1. Цепь линии к потребителю

Для расчета максимального тока потребителя I_max, А получающего питание от четного числа линий, подключенных симметрично к двум секциям сборных шин, используется формула:

(8.1)

РУ СН:

где Sп- мощность нагрузки единичного потребителя СН

 (8.2)

n - количество линий к потребителю, подключенных симметрично к двум секциям сборных шин соответствующего напряжения(n=2).

Наибольший ток нормального режима I_норм, А рассчитывается по формуле [8.3]:

(8.3)

РУ НН:

2. Цепь питающей линии.

Так как потребителей на стороне ВН нет, то токи питающей линии будут такие же, что и в цепи трансформатора на стороне ВН:

(8.4)

3. Цепи секционных выключателей

В нормальном режиме секционные выключатели отключены.

Максимальный расчетный ток определяется для самого неблагоприятного режима, когда питание переведено на одну секцию. Максимальный ток I_max, А рассчитывается по формуле:

(8.5)

Для шин СН:

Для шин НН:

4. Сборные шины:

Для шин СН:

Для шин НН:

Выбор высоковольтных выключателей:

- по напряжению установки:

(8.6)

- по длительному току:

(8.7)

(8.8)

- по отключающей способности:

на симметричный ток отключения:

(8.9)

- на возможность отключения апериодической составляющей тока:

(8.10)

где в_ном - номинальное значение относительного содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, i_а.ном - номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени а.

-на электродинамическую стойкость:

 (8.11)

-по номинальному току отключения:

(8.12)

- по ударному току:

(8.13)

где i_у - ударный ток к.з. в цепи выключателя; i_дин. - номинальный ток электродинамической стойкости выключателя (амплитудное значение предельного полного тока, допустимого для рассматриваемого аппарата)

-на термическую стойкость (по тепловому импульсу):

(8.14)

где В_к - тепловой импульс по расчету; I_T - предельный ток термической стойкости по каталогу; t_Т - длительность протекания тока термической стойкости, с.

Выбор разъединителей:

- по напряжению установки:

- по току:

-по электродинамической стойкости:

- по ударному току:

где i_у - ударный ток к.з. в цепи выключателя; i_дин. - номинальный ток электродинамической стойкости выключателя (амплитудное значение предельного полного тока, допустимого для рассматриваемого аппарата).

-по термической стойкости (по тепловому импульсу):

где В_к - тепловой импульс по расчету, кА*с²; I_T - предельный ток термической стойкости по каталогу; t_Т - длительность протекания тока термической стойкости, с.

Таблица 8.1

Выбор выключателей и разъединителей РУ ВН

Таблица 8.2

Выбор выключателей и разъединителей РУ СН

Таблица 8.3

Выбор выключателей и разъединителей РУ НН

9. Выбор измерительных трансформаторов тока

Трансформаторы тока (ТА), предназначенные для питания измерительных приборов, выбираются:

1. По напряжению U_уст ? U_ном ;

2. По току I_max ? I_доп ;

3. По конструкции и классу точности ;

4. По электродинамической стойкости i_уд ? i_дин ;

5. По термической стойкости B_k ? I_T²t_T ;

6. По вторичной нагрузке Z₂?Z_2НОМ.

Выбор класса точности определяет назначение трансформатора тока. В соответствие с ПУЭ:

а) трансформаторы тока для включения электроизмерительных приборов должны иметь класс точности не ниже 3;

б) обмотки трансформаторов тока для присоединения счётчиков, по которым ведутся денежные расчеты, должны иметь класс точности 0,5;

в) для технического учёта допускается применение трансформаторов тока класса точности 1.

1. Выбор трансформаторов тока на стороне 110кВ ПС:

(9.1)

Тепловой импульс при коротком замыкании рассчитывается по формуле [7.14]:

Предварительно выбираем трансформатор тока ТВТ-110/200/5

Таблица 9.1

Данные выбора ТТ ТВТ-110/200/5

Выбор приборов для цепей измерений и учета встроенных трансформаторов тока

Таблица 9.2

Приборы учета и контроля для встроенных трансформаторов тока 110кВ

Из таблицы видно, что наиболее загружены трансформаторы тока фаз А и С.

Вторичная нагрузка r₂ состоит из сопротивления приборов r_приб, соединительных проводов r_пр и переходного сопротивления контактов r_к:

r₂ = r_приб + r_пр + r_к (9.2)

Сопротивление приборов определяется по выражению

(9.3)

где S_приб - мощность, потребляемая приборами,

I_2ном - вторичный номинальный ток прибора.

Сопротивление контактов принимается 0,05 0м при двух - трех приборах и 0,1 0м при большем числе приборов. Сопротивление соединительных проводов зависит от их длины и сечения. Чтобы трансформатор тока работал в заданном класса точности, необходимо выдержать условие

r_приб + r_пр + r_к ? Z_2ном.

Приняв Z2 = Z2ном, определяют rпр:

r_пр = Z_2ном - r_приб - r_к. (9.4)

r_пр = 30 - 0,22 - 0,1 = 29,68 Ом

где Z_2ном - номинальная вторичная нагрузка трансформатора тока(Z_2ном = 30 Ом)

Зная r_пр, можно определить сечение соединительных проводов

(9.5)

где с - удельное сопротивление материала провода.

Провода с медными жилами ( с = 0,0175) применяются во вторичных цепях основного и вспомогательного оборудования мощных электростанций с агрегатами 100 МВт и более. В остальных случаях - во вторичных цепях применяются провода с алюминиевыми жилами (с = 0,0283); l_расч - расчётная длина соединительных поводов, учитывающая схемы включения приборов и трансформаторов тока (рис.9.1)

Рисунок 9.1 Схемы включения приборов и трансформаторов тока

Длину соединительных проводов от трансформаторов тока до приборов (в один конец) можно принять для равных присоединений приблизительно равной, м:

Таблица 9.3 Длина соединительных проводов от трансформатора до приборов в метрах

По условию прочности сечение соединительных проводов не должно быть меньше 2,5_мм2.Сечение больше 6_мм2 обычно не применяется.

Выбираем контрольный кабель марки АКВВГ 5х2,5 мм²

Окончательно выбираем трансформатор тока ТВТ - 110/200/5

2. Выбор трансформаторов тока на стороне 35кВ ПС:

Тепловой импульс при коротком замыкании:

Предварительно выбираем трансформатор тока ТОЛ-35/400/5. Класс точности 0,5

Таблица 9.4

Условия выбора ТТ ТОЛ-35/400/5

Выбор приборов для цепей измерений и учета встроенных трансформаторов тока

Таблица 9.5

Приборы учета и контроля для встроенных трансформаторов тока 110кВ

Из таблицы видно, что наиболее загружены трансформаторы тока фаз А и С.

Вторичная нагрузка r₂ состоит из сопротивления приборов r_приб, соединительных проводов r_пр и переходного сопротивления контактов r_к:

r₂ = r_приб + r_пр + r_к

Сопротивление приборов определяется по выражению

где S_приб - мощность, потребляемая приборами,

I_2ном - вторичный номинальный ток прибора.

Приняв Z2 = Z2ном, определяют r_пр:.

r_пр = 30 - 0,22 - 0,1 = 29,68 Ом

Определяем сечение соединительных проводов

Выбираем контрольный кабель марки АКВВГ 5х2,5 мм²

Окончательно выбираем трансформатор тока ТОЛ-35/400/5.

3. Выбор трансформаторов тока на стороне 10кВ не проводится, т.к КРУ К-116 встроенные трансформаторы тока ТОЛ-10/0,5 УХЛ.

10. Выбор измерительных трансформаторов напряжения

Выбор трансформаторов напряжения (TV) производится по напряжению, конструкции и классу точности. При этом должно выполняться условие:

где S_2У - полная нагрузка трансформатора напряжения, ВА;

S_H - номинальная допустимая нагрузка трансформатора напряжения, ВА

Полная нагрузка трансформатора напряжения определяется по формуле [10.1]:

(10.1)

где P - общая активная мощность присоединенных к вторичной обмотке приборов, Вт;

Q - общая реактивная мощность присоединенных к вторичной обмотке приборов, Вар.

1. Выбираем трансформатор напряжения для контроля напряжения на шинах 110кВ типа НКФ 110-57У1, класс точности 0,5.

Трансформаторы напряжения проверяются в соответствии с классом точности по условию:

где S_2У = 75ВА - номинальная мощность в выбранном классе точности 0,5

Производим проверку трансформатора напряжения по вторичной нагрузке

Вторичная нагрузка определяется по формуле [10.1]:

Таблица 10.1

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения на 110кВ

Выбранный трансформатор имеет номинальную мощность 400ВА. Трансформатор напряжения будет работать в необходимом классе точности, так как 26,4ВА < 400ВА

2. Выбираем трансформатор напряжения для контроля напряжения на шинах 35кВ типа НОМ 35-66У1, класс точности 0,5.

Таблица 10.2

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения на 35кВ

Производим проверку по вторичной нагрузке по формуле [10.1]:

Окончательно выбираем трансформатор типа НОМ 35-66У1. Выбранный трансформатор имеет номинальную мощность 150ВА. Трансформатор напряжения будет работать в необходимом классе точности, так как 29,8ВА < 150ВА

3. Выбираем трансформатор напряжения для контроля напряжения на шинах 10кВ типа НТМК - 10У4, класс точности 0,5.

Таблица 10.3

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения на 10кВ

Производим проверку по вторичной нагрузке по формуле [10.1]:

Окончательно выбираем трансформатор типа НТМК - 10У4 для заказа в ячейку КРУ К-116 10кВ с параметрами: U_ном1 = 10кВ; основной вторичной обмотки U_ном2 = 100В; дополнительный обмотки U_ном2 = 100В; в классе точности 0,5, необходимым для присоединения приборов выбранный трансформатор имеет номинальную мощность S_2н = 75ВА. Трансформатор будет работать в необходимом классе точности, так как 75ВА < 150ВА

11. Расчет и выбор ошиновки силового трансформатора

1. Выбор гибких шин РУ 110кВ

Провода выбираются по максимальному значению тока ремонтного и послеаварийного режима.

Нагрузка заданной ПС: , , .

Для ВЛ 110кВ выбирают провода. По 1 проводу в фазе.

Принимают к расчётам провод марки АС 70/11 с

, , , , , .

Проверка по допустимому току:

(11.1)

Проверка по допустимой нагрузке:

(11.2)

Шины, выполненные голыми проводами на открытом воздухе, на термическое действие не проверяются.

Проверка на электродинамическое действие тока КЗ:

(11.3)

Проверка на коронирование:

Согласно ПУЭ минимальное сечение для ВЛ 110кВ-АС 70/11. Таким образом, проверка провода на коронирование не проводится.

2.Выбор гибких шин РУ 35кВ

В РУ 35кВ применяются гибкие шины, выполненные проводами марки АС, провода выбираются по максимальному значению тока ремонтного или послеаварийного режима.

Нагрузка заданной ПС: , , .

Для ВЛ 35кВ выбираются провода. По одному проводу в фазе.

Принимаются к расчетам провода марки АС 95/16 с

, , , .

Проверка по допустимому току:

Проверка по допустимой нагрузке:

Шины, выполненные голыми проводами на открытом воздухе, на термическое действие не проверяются.

Проверка на электродинамическое действие тока КЗ:

3. Выбор шин РУ 10кВ

Согласно ПУЭ сборные шины и ошиновку в пределах РУ по экономической плотности тока не выбираются, поэтому выбор производится: по допустимому току.

Для выбора ошиновок используем максимальный ток обмотки НН.

, (11.4)

где

-длительно допустимый ток шины с учётом поправки на установку шин плашмя . Принимаем двухполосные алюминиевые шины прямоугольного сечения 2 (60Ч6) ммІ, расположенные плашмя с

-по термической стойкости:

ошиновку проверяем по току короткого замыкания на сборных шинах 10 кВ подстанции.

Минимальное сечение по термической стойкости, q_min мм² вычисляется по формуле:

(11.5)

где С=91 - некоторая функция, принимается по справочным данным в зависимости от материала шины.

Получили, что принятая шина проходит по термической стойкости.

-по механической стойкости:

Определяем пролёт, L м при условии, что частота собственных колебаний будет > 200 Гц по формуле:

(11.6)

где J - момент инерции поперечного сечения шины, см⁴ для шин, установленных плашмя вычисляется по формуле:

(11.7)

q - поперечное сечение шины, см²

Принимаем расположение пакета шин плашмя; пролёт L=0,91 м; расстояние между фазами а = 0,22 м

Определим расстояние между прокладками Lп, м по формуле:

(11.8)

(11.9)

где ап - расстояние между осями полос, см определяется по формуле [11.10]:

(11.10)

Jп - момент инерции одной полосы, см⁴:

(11.11)

Е - модуль упругости материала шин, для алюминиевых шин равен 7*10¹⁰ Па.

k_ф - коэффициент формы, для соотношения b/h=0,1 будет равен 0,4.

m_п - масса полосы на единицу длины, кг/м. Определяется по сечению q, плотности материала шин (для алюминия 2,7·10-3 кг/смі) и длине 100 см:

m_п = 2,7·10-3· 10 · 1 ·100 = 2,7 кг/м

Принимаем меньшее значение L_п = 1,5 м, тогда число прокладок в пролёте будет равно 1.

Определяем силу взаимодействия между полосами f_п, Н по формуле:

(11.12)

где b = 0,6 мм = 0,006 м

Напряжение в материале шин от взаимодействия полос ,МПа определяется по формуле:

(11.13)

где Wп - момент сопротивления одной полосы, см3. Определяется по формуле:

(11.14)

Напряжение в материале шин от взаимодействия фаз, МПа определяется по формуле:

(11.15)

где l - длина пролета между изоляторами, м

W_ф - момент сопротивления пакета шин. Определяется по формуле [11.15]:

(11.16)

(11.17)

что меньше допустимого У_ДОП= 40 МПА. Таким образом, шины механически прочны.

12. Расчет заземляющего устройства подстанции

Заземляющее устройство, которое выполняется с соблюдением требований, предъявляемых к напряжению прикосновения, должно обеспечивать в любое время года при стекании с него тока замыкания на землю значение напряжения прикосновения, не превышающего нормированных значений. В целях выравнивания потенциала и обеспечения присоединения электрооборудования к заземлителю на территории, занятой оборудованием, следует прокладывать продольные и поперечные горизонтальные заземлители и объединять их межу собой в заземляющую сетку. Для создания защитного заземления сооружаемого здания, в котором будет находиться комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией, предполагается на глубине 0,7-1 м и на расстоянии 1 м от фундаментов укладка горизонтального контура заземления из прутка диаметром 16 мм, который будет присоединяться к общему контуру заземления.

Исходные данные:

1. S=3500 м² - площадь подстанции;

2. Максимальный ток трехфазного КЗ на ОРУ составляет 3,1кА, время действия защит составляет 0,095 сек;

3. L_г =2000 м -- суммарная длина всех горизонтальных проводников сетки;

4. n_В = 60 -- число вертикальных электродов, размещенных на рассматриваемой подстанции;

5. l_в = 5м -- длина вертикального электрода;

6. а=6м - среднее расстояние между горизонтальными проводниками;

7. Среднее расстояние между вертикальными проводниками 5м.

В соответствии с инженерно-геологическими изысканиями определяем по таблице 1 удельное сопротивление верхнего слоя чернозема с=50 Ом*м и нижнего слоя грунта (суглинок) с= 150 Ом*м.

Таблица 12.1

Удельные сопротивления грунта

Определяем толщину слоя сезонных изменений h_c = h₁ = 2,2 м по таблице, исходя из климатической зоны I, так как подстанция находится в г. Кемерово

Таблица 12.2

Климатические зоны

Определяем полную длину вертикальных электродов:

(12.1)

Определяем сопротивление заземлителя:

(12.2)

где:

при (12.3)

при (12.4)

Определяем по какой формуле будем рассчитывать коэффициент А:

где:

l_B = 5м - длина вертикального электрода;

t = 0,5м - глубина прокладываемых горизонтальных проводников;

S = 3500м² - площадь подстанции;

Определяем коэффициент А по формуле [12.3]:

Определяем эквивалентное удельное сопротивление земли:

(12.5)

где:

при при (12.6)

при при (12.7)

Определяем по какой формуле буде рассчитывать коэффициент ?:

Коэффициент ? рассчитывается по формуле [10.6]:

где:

l_B = 5м - длина вертикального электрода;

h_С = h1 = 2,2м - толщина слоя сезонных изменений исходя из климатической зоны;

Определяем сопротивление заземляющего устройства, включая естественные заземлители:

(12.8)

где:

R_E = 1,5 Ом -приближенное сопротивление естественных заземлителей.

Как мы видим, сопротивление заземляющего устройства ниже допустимого, но основной является величина допустимого напряжения прикосновения.

По таблице 12.3 определяем наибольшее допустимое напряжение прикосновения(Uпр.доп,в), исходя из расчетной длительности воздействия, принимается

ф=tрз+tов=0,095 сек (12.9)

где:

t_РЗ - время действия основной релейной защиты(t_РЗ=0,03сек);

t_ОВ - полное время отключения выключателя(t_ОВ=0,065сек);

Таблица 12.3

Допустимое напряжение и время прикосновения

В соответствии с таблицей 3 для длительности воздействия ф =0,095 сек наибольшее допустимое напряжение прикосновения Uпр.доп = 500В

Рассчитываем напряжение, приложенное к человеку:

(12.10)

где: - максимальный ток трехфазного КЗ на ОРУ составляет 3,1кА.

Определяем параметр М для с1/ с2 =0,4 по таблице 12.4, где М = 0,36.

Таблица 12.4

Данные отношений удельных сопротивлений верхнего и нижнего слоя (M)

Определяем коэффициент распределения потенциала по поверхности земли - б:

(12.11)

Определяем коэффициент в:

 (12.12)

где:

R_ч = 1000 Ом - сопротивление тела человека, принимается в соответствии с ПУЭ;

R_c = 1,5* св.с. - сопротивление растекания тока от ступней.

с_в.с. = с1 = 40 Ом*м - сопротивление верхнего слоя земли.

Определив все коэффициенты, рассчитываем напряжение, приложенное к человеку:

Как мы...