Электрические станции сети и системы

2

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Самарская государственная академия путей сообщения

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Электрические станции сети и системы»

Вариант № 69

Выполнил:

студент группы 852

Музалёв Н. А.

Проверил: Козменков О.Н.

Самара 2007

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Исходные данные для расчета

3. Определение ожидаемой суммарной расчетной нагрузки

4. Определение числа и мощности трансформаторов ГПП, обоснование схемы внешнего электроснабжения

5. Электрический расчет электропередачи 110 кВ

6. Определение напряжений и отклонений напряжений

7. Диаграммы отклонения напряжений

8. Определение потерь электроэнергии

9. Расчет токов короткого замыкания

10. Определение годовых эксплуатационных расходов и себестоимости передачи электрической энергии

Введение

Целью курсовой работы является приобретение студентами практических навыков расчета и проектирования электрических сетей напряжением 110кВ и выше. В задание входит:

? расчет электрических нагрузок железнодорожного узла;

? выбор числа и мощности трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП);

? электрический расчет питающей воздушной ЛЭП 110кВ, а также расчет токов короткого замыкания и проверки основной аппаратуры ГПП на термическую и электродинамическую устойчивость.

Необходимо:

1. По заданным значениям отдельных электрических нагрузок, расположенных на территории железнодорожного узла, определить суммарную расчетную нагрузку.

2. Определить мощность ГПП, категорийность потребителя, выбрать число и мощность трансформаторов на ней.

3. Выполнить электрический расчет воздушной ЛЭП 110кВ.

4. Определить годовые эксплуатационные расходы и себестоимость передачи электрической энергии.

5. Составить принципиальную схему электропередачи, и выбрать электрооборудование.

6. Рассчитать токи короткого замыкания, проверить аппаратуру на термическую и электродинамическую устойчивость.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА

Тяговая нагрузка, Р₁ = 6,9 МВА; cos₁ = 0,882

Жилые кварталы, Р₂ = 1,39 МВА; cos₂ = 0,872

Электровозное депо, Р₃ = 1,31 МВА; cos₃ = 0,952

Вокзал с пристанционным хозяйством, Р₄ = 1,22 МВА; cos₄ = 0,878

Сельхоз нагрузка прилегающих районов, Р₅ = 2,8 МВА; cos₅ = 0,743

Прочая нагрузка, Р₆ = 0,788 МВА; cos₆ = 0,946

Число часов использования максимума нагрузки в год, Т_м = 6920 ч.

Длина ЛЭП 110кВ, L = 172 км

Стоимость 1кВтч, в = 156 коп.

Отклонения напряжения на питающей подстанции, U_max/U_min = ±5%

Определение ожидаемой суммарной расчетной нагрузки

Суммарная расчетная активная мощность:

,

где n - количество нагрузок подключенных к данному узлу;

К_раз - коэффициент разновременности максимума.

МВА

Расчетная реактивная мощность:

.

tg ц₁ = 0,534

tg ц₂ = 0,561

tg ц₃ = 0,322

tg ц₄ = 0,545

tg ц₅ = 0,901

tg ц₆ = 0,339

Суммарная расчетная мощность:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ГПП, ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Определим мощность трансформаторов с К_з=0,7:

,

где N_T - количество трансформаторов.

МВА

Выбираем ближайшее стандартное значение номинальной мощности трансформатора:

Тип трансформатора ТДН - 16000/110

Потери: х.х. = 18 кВт

к.з. = 85 кВт

Ток х.х. = 0,7 %

Напряжение к.з. = 10,5 %

Далее проверяем коэффициент загрузки трансформатора в аварийном режиме, когда в работе остается один трансформатор:

, т.к. К_з=0,9051,31,4 трансформатор выбран верно.

Выбираем схему ГПП с короткозамыкателями и отделителями (рис 1), число фидеров 10 кВ: 16/3 = 5,333 ? 5

Провода питающих ЛЭП - 110кВ принимаем сталеалюминевыми, марки АС. Так как по экономическому условию сечение провода всегда будет большим, можно исходить из экономической плотности j_э Сечение провода:

где , А - расчетный ток нормального режима;

j_э = 1 А/ мм² - экономической плотность тока.

Полученное сечение округляем до ближайшего стандартного, т.е. выбираем провод марки АС-70, S=70мм². Осталось проверить выбранное сечение S по длительно допустимому току для аварийной ситуации, когда по одной ЛЭП будет протекать расчетный ток всей ГПП:

Для провода марки АС-70 длительно допустимый ток I_дд=265А, следовательно, провода марки АС-70 подходят.

Электрический расчет электропередачи 110кВ

Схему замещения ЛЭП принимаем «П»-образной, трансформатора «Г»-образной. Таким образом, схема замещения электропередачи получит вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения ЛЭП и трансформатора

Здесь: r_л, x_л - активное и индуктивное сопротивление линии, Ом;

r_т, x_т - активное и индуктивное сопротивление трансформатора, Ом;

G_т, B_т -активная и индуктивная проводимость трансформатора, См;

В_л - емкостная проводимость линии, См;

S_ГПП - мощность на шинах 10кВ, МВА.

Активное сопротивление двухцепной линии:

, Ом

где r₀ - активное сопротивление одного километра линии, Ом/км;

l - длина линии, км.

Ом

Индуктивное сопротивление двухцепной линии:

, Ом

где x₀ - индуктивное сопротивление одного километра двухцепной линии,

Ом/км. Принимаем x₀=0,4 Ом/км.

Ом

Емкостная проводимость двухцепной линии:

, См

где В₀ = См/км емкостная проводимость одного километра линии.

См

Сопротивления трансформаторов:

, Ом

, Ом

где Р_м - потери мощности при коротком замыкании, кВт (потери активной мощности в меди);

U_к - напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

S_н - номинальная мощность трансформатора, кВА;

U_н - номинальное напряжение основного вывода трансформатора, кВ.

Ом

Ом

Проводимости трансформаторов:

, См

, См

где Р_ст - потери активной мощности в стали трансформатора, приближенно

равные потерям мощности при холостом ходе, кВт;

I₀ - ток холостого хода, %.

См

См

Зарядная емкостная мощность двухцепной линии:

, Мвар

Мвар

Согласно принятой П-образной схеме замещения половина емкостной мощности 0,5Q_c генерируется в начале линии и половина - в конце.

Определение потерь мощности в трансформаторах.

Потери мощности имеют место в обмотках и проводимостях трансформаторов, которые для ГПП определим по формуле:

, МВА

МВА

МВА

Потери мощности в проводимостях трансформаторов:

, МВА

где m - число трансформаторов ГПП;

Q - потери реактивной мощности в стали трансформатора, Мвар:

Мвар

МВА

МВА

S_н - номинальная мощность трансформатора, МВА.

Определение мощности в начале линии электропередачи начинаем со стороны ГПП.

Определим мощность в начале расчетного звена трансформаторов S_н.тр. Для этого к потерям мощности в обмотках трансформаторов S_об прибавим мощность на шинах 10кВ ГПП:

, МВА

МВА

МВт

Мвар

МВА

Определим мощность S_п.тр, подводимую к трансформаторам, для чего к мощности в начале расчетного звена трансформаторов S_н.тр прибавим мощность потерь в проводимостях трансформаторов:

, МВА

МВА

МВт

Мвар

МВА

Определим мощность в конце линии передачи S_кл (в конце звена), для чего алгебраически сложим мощность, подводимую к трансформаторам, с половиной зарядной мощности линии:

, МВА

МВА

МВт

Мвар

МВА

Определим потери мощности в сопротивлениях линии:

, МВА

МВА

МВт

Мвар

МВА

Определим мощность в начале линии S_нл (в начале звена), суммировав мощность в конце звена с потерями мощности в линии, и прибавив половину зарядной мощности ЛЭП:

, МВА

МВА

МВт

Мвар

МВА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ

В начале определим напряжение в центре питания, т.е. на шинах районной подстанции U_цп в режиме максимальной нагрузки:

,

где U_max = 5% - отклонение напряжения, которое указывается в задании;

U_н - номинальное напряжение 110кВ.

кВ

Тогда напряжение в конце ЛЭП определяется по формуле:

,

где ;

Р_нл - активная мощность в начале ЛЭП;

Q_нл - реактивная мощность в начале ЛЭП.

кВ

кВ

Потеря напряжения в линии в % составит:

%.

Отклонение напряжения в конце ЛЭП в %:

%

Напряжение на шинах вторичного напряжения трансформатора, приведенное к первичному, будет:

где U_Т - потерю напряжения в трансформаторе, определим по формуле аналогичной потере напряжения в ЛЭП:

;

где Р_н.тр, Q_н.тр - соответственно активная и реактивная мощность в начале расчетного звена трансформатора.

кВ

кВ

В % потеря напряжения в трансформаторе составит:

Отклонение напряжения на шинах вторичного напряжения трансформатора определяется по формуле:

Ответвление +16%: дU₂ = 0,681 + 5 - 5,17 = 0,511 %

Ответвление 0%: дU₂ = 0,681 + 10 - 5,17 = 5,511 %

Ответвление -16%: дU₂ = 0,681 + 16 - 5,17 = 11,511 %

Теперь определим напряжение в центре питания, т.е. на шинах районной подстанции U_цп в режиме минимальной нагрузки:

,

где U_min=- 5% - отклонение напряжения, которое указывается в задании;

U_н - номинальное напряжение 110кВ.

кВ

Тогда напряжение в конце ЛЭП определиться по формуле:

,

где ;

Р_нл - 50% активной мощности в начале ЛЭП;

Q_нл - 50% реактивной мощность в начале ЛЭП.

кВ

кВ

Потеря напряжения в линии в % составит:

%.

Отклонение напряжения в конце ЛЭП в %:

%

Напряжение на шинах вторичного напряжения трансформатора, приведенное к первичному, будет:

где U_Т - потерю напряжения в трансформаторе, определим по формуле аналогичной потере напряжения в ЛЭП:

;

где Р_н.тр, Q_н.тр - соответственно 50% активной и 50% реактивной мощности в начале расчетного звена трансформатора.

кВ

кВ

В % потеря напряжения в трансформаторе составит:

Отклонение напряжения на шинах вторичного напряжения трансформатора определяется по формуле:

Ответвление +16%: дU₂ = 8,139 + 5 - 2,675 = 10,464 %

Ответвление 0%: дU₂ = 8,139 + 10 - 2,675 = 15,464 %

Ответвление -16%: дU₂ = 8,139 + 16 - 2,675 = 21,464 %

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Согласно ГОСТ 13109-97 для сетей 6-10 кВ и выше максимальные отклонения напряжения не должны превышать ±10 %, а в сетях до 1 кВ - ±5 %.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В линии, выполненной проводами одинакового сечения по всей длине, потери электроэнергии:

, кВтч,

где r₀ - активное сопротивление провода, Ом/км;

U_н - номинальное напряжение линии, кВ;

S_p - расчетная мощность, кВА;

l - длина ЛЭП, км;

-- время максимальных потерь, ч.

Время потерь можно определить лишь приближенно. Для определения используем формулу:

ч

кВтч

Потери электроэнергии в трансформаторах ГПП:

, кВтч,

где Р_м.н - потери активной мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке (потери короткого замыкания), кВт;

Р_ст - потери активной мощности в стали трансформатора (потери холостого хода), кВт;

S_н - номинальная мощность трансформатора, кВА;

S_р - максимальная расчетная мощность, преобразуемая трансформаторами подстанции, кВА;

m - число трансформаторов на подстанции;

t - время, в течение которого трансформатор находится под напряжением (принять в расчетах t=8760ч), ч.

кВтч

Полные потери электрической энергии составят:

, кВтч.

кВтч

РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Сопротивление воздушной ЛЭП:

, Ом

где х₀ - удельное сопротивление одного километра воздушной ЛЭП-110 (принимаем х₀=0,4Ом/км);

l - длина линии, км.

Ом

Результирующее сопротивление:

, Ом

Ом

Периодическая составляющая тока короткого замыкания для т. К₁:

, кА

кА

Амплитуда ударного тока:, кА.

кА

Для т. К₂ (напряжение 10кВ) приведем сопротивление ЛЭП-110кВ коэффициент напряжению 10кВ по формуле:

, Ом

где U₁₀ и U₁₁₀ - среднее номинальное напряжение ступени.

Ом

Результирующее сопротивление равно:

, Ом

где сопротивление трансформатора определяется по формуле:

, Ом

Ом

Ом

Периодическая составляющая тока короткого замыкания в т. К₂ определится по формуле:

, кА

кА

Амплитуда ударного тока: кА.

кА

Определение годовых эксплуатационных РАСХОДОВ И СЕБЕСТОИМОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Годовые эксплуатационные расходы состоят из трех слагаемых:

? стоимость потерь электроэнергии в электрических сетях;

? отчисление на амортизацию оборудования сети;

? расходы на текущий ремонт и обслуживание сети.

Годовые эксплуатационные расходы:

,

где - стоимость электроэнергии, руб./кВтч;

Р_ак, Р_рк - амортизационные отчисления и отчисления на текущий ремонт и обслуживание в к-том элементе сети, %;

К_к - капиталовложения в рассматриваемый элемент, тыс. руб.

тыс.руб.

Полные затраты на электропередачу составят:

где С - годовые эксплуатационные расходы (годовые издержки производства) при рассматриваемом варианте, тыс.руб.;

К - капиталовложения при рассматриваемом варианте, тыс.руб.;

Р_н - нормативный коэффициент эффективности, который для расчетов в области энергетики принимаем 0,12.

тыс.руб.

Себестоимость передачи электроэнергии:

где Р_р - расчетная мощность железнодорожного узла;

Т_м - продолжительность максимума нагрузки, ч.

руб./кВтч.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федоров А.А., Старкова Л.Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 368с.

2. Правила устройства установок ПУЭ., 6-е, 7-е издание. - Санкт-Петербург: Деан, 2001. - 942с.

3. Караев Р.И., Волобринский С.Д. Электрические сети и энергосистемы. - М.: Транспорт, 1988. - 312с.

4. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. - М.: ВШ, 1986. - 400с.

5. Справочник по проектированию электроснабжения /Под ред.Ю.Г. Барыбина. - М.: Энергоатомиздат, 1990.--576с.