Задание
1. Выбрать электрическуюсхему главной понизительной подстанции.
2. Вычислить токикороткого замыкания для выбора оборудования.
3. Выбрать оборудованиеГПП.
4. Выбрать и рассчитатькомплекс защит линии, отходящей от ГПП к РП.
Исходныеданные
1. Мощностьсистемы SС=1500МВА.
2. Длиналинии 110 кВ LЛ1= IЛ2=20 км.
3. Мощностьтрансформаторов 110/10кВ Sном т1= Sном т2=25МВ·А.
4. Напряжениекороткого замыкания uк=10,5%.
5. Мощность,необходимая для собственных нужд подстанции 50кВ·А.
6. Максимальнаянагрузка предприятия Sрм=25МВ·А.
7. НагрузкаРП РмрРП=5МВт.
8. cos φ= 0,95
Выберем схемуГПП с разъединителями и короткозамыкателями без выключателей и сборных шин настороне высшего напряжения, так как такая схема является наиболее экономичной.На стороне низшего напряжения используем КРУ выкатного исполнения с двумя секциямишин.
Принципиальнаясиловая схема ГПП представлена на рис. 1.
/>
Расчеттоков короткого замыкания
Номинальныйрежим работы электроустановки характеризуется номинальными параметрами: Uном. Sном. Iном. Xном. Для того чтобысопротивление схемы замещения были соизмеримы, ипользуют относительные единицыприведенные к базисным условиям
Ввидуотсутствия данных о воздушной линии 110кВ, примем ее сечение З×95мм2.
Примем базиснуюмощность 100МВ·А.
Для точки к-1базисное напряжение Uб1=115кВ.
Составимрасчетную схему рис. 2
/>
Рисунок – 2
/>
Рисунок – 3
Вычислитьбазисные относительные сопротивления (для точки К-2):
/>
/>
/>
/>
Упрощаемсхему замещения в точке К – 2 до вида:
/>
Рисунок – 4
/>
Определим результирующееполное сопротивление до точки к.з.
/>
Определим токкороткого замыкания
/>
/>
Определимударный ток
/>
Вычисливзначение постоянной времени Та по рис. 3.2 [2] определимзначение ударного коэффициента: Ку=1,8.
Для точки к-2базисное напряжение Uб2=10,5кВ.
Определиммощность короткого замыкания в момент отключения выключателя
/>/>
Вычислимбазисные относительные сопротивления (для точки К-1)
/>
Рисунок 4 –схема замещения для точки К-1
/>
/>
Упрощаемсхему замещения в точке К – 1 до вида:
/>
Рисунок – 6
/>
2,47 применяем графоаналитический метод расчета.
/>
/>
По расчетнымкривым определяем кратность периодической составляющей I0к.з. для моментоввремени: 0с; 0,2с; ∞.
Кп0= 3,4; Кпτ = 2,4; Кп∞ = 2,0.
Определимдействующее значение периодического тока замыкания в различные моменты времени
I0= Iном.u· Кп0 = 7,53 ·3,4 = 25,6 кА
Iτ = Iном.u· Кпτ =7,53 · 2,4 = 18,1 кА
I∞ = Iном.u· Кп∞ =7,53 · 2,0 = 15,1 кА
Определим токударный в точке К – 1
iу = 1,41· I0· Kу = 1,41 · 25,6 · 1,8 =65,2 кА
Определиммощность короткого замыканияв момент отключения выключателя
Sτ = 1,73· Iτ · Uб = 1,73 · 18,1 · 115 = 3605МВ · А
Выборвысоковольтного оборудования
Все высоковольтное оборудование выбираютпо номинальным параметрам:
– по номинальному току (по условиюнагрева);
– по номинальному напряжению (пробойизоляции).
После того как выбрали оборудование, поэтим параметрам проводят проверку на термическую и электродинамическуюустойчивость току короткого замыкания.
Кроме того, некоторое оборудование имеетспецифические условия проверки: высоковольтные выключатели проверяют наотключающую способность по току и мощности короткого замыкания. Для того чтобыобеспечить требуемый класс точности измерительных приборов, измерительныетрансформаторы измеряют по допустимой вторичной нагрузке.
Выбор электрооборудования на 10кВ:
– шины;
– опорные изоляторы;
– вакуумный выключатель;
– трансформаторы тока;
– трансформатор напряжения.
Выбор электрооборудования на 110кВ:
– разъединитель.
Выбор шин
Шины выбирают по условию нагрева:
Iдл.доп.≥ Iм.р.,
Определяем максимально расчетный ток, кА:
/>,
где Uном.– номинальное напряжение на низшей стороне трансформатора, кВ.
/>
Iдл.доп = 2820А ≥ Iм.р.= 2020А.
По [2] выбираем коробчатые шины.
Данные сечения шин проверяем натермоустойчивость к току короткого замыкания (q) находим по [2]: q = 775 мм2;α = 11.
Определяем минимально допустимое сечение:
qmin = α ∙ I∞∙ √ tп,
qmin= 11 ∙ 15,1 ∙/> = 105,5 мм2
где qmin- минимально допустимое сечение, прикотором ток короткого замыкания не нагревает шину выше допустимой температуры,мм2;
Определяем приведенное время короткогозамыкания:
tn = tn.n + tn.а,
tn = 0,39 + 0,014 ≈ 0,4
где tn.n – периодическая составляющая приведенного времени;
tn.а – апериодическая составляющая приведенного времени;
Определяем апериодическую составляющуюприведенного времени:
tn.а 0,005 ∙ (β'')2,
tn.а = 0,005 ∙ (1,7)2= 0,014
Определяем кратность тока:
β'' =/>
Io = I'',
где I'' – переходный ток;
β'' – кратность тока.
qmin
105,5
Выбранные шины по нагреву проходят, таккак выполнятся условие.
Проверяем выбранные шины наэлектродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:
Gдоп. ≥ Gрасч.,
где Gдоп — дополнительное механическое напряжение в материале шин, (справочная величиназависит от материала шин);
Gрасч. – расчетное механическое напряжение в шинной конструкции, врезультате действия электромагнитных сил при коротком замыкании.
/>
где Fрасч– расчетная сила, действующая на шинную конструкцию, на изгиб, в моментпротекания ударного тока;
W – момент сопряжения шины, по [2] W =48,6 ∙ 10-6 м3.
/>
где l — длинапролета: в КРУ l = 1м;
а – расстояние между соседними фазами: вКРУ а =0,45 м;
/>
80 МПа > =3,15 МПа.
Так как Gдоп =80 МПа, а Gрасч = 3,15 МПа, то выбранные шины по электродинамическойустойчивости проходят.
Выбираем опорные изоляторы
Выбираем изоляторы по номинальномунапряжению, Uном., кВ:
Uном. ≥ Uуст.,
Uном. = 6кВ; = Uуст = 6кВ
По [2] выбираем опорные изоляторы типа ИО– 10–3.75 У3.
Выбранные изоляторы проверяем наэлектродинамическую активность к токам короткого замыкания:
Fдоп. ≥ Fрасч.,
где Fдоп –дополнительная сила, Н;
Fрасч – расчетная сила, действующая на изолятор, на изгиб, в моментпротекания ударного тока;
По [2] определяем дополнительную силу:
Fдоп. = 0,6 ∙ Fразр.= 0,6 ∙ 3675 = 2205Н;
Fразр = 9,8 ∙ 375 =3675 Н;
Fрасч =1526 Н
Fдоп. = 2205Н > Fрасч = 1526 Н
Следовательно, условие наэлектродинамическую активность к тока короткого замыкания выполняется
Таблица 4 – Выбор опорных изоляторов
Тип
оборудования Условие выбора
Каталожные
данные
Расчетные
данные ИО-10–3.75У3
Uном. ≥ Uуст
Fдоп. ≥ Fразр
Uном 10 кВ
Fдоп = 2205 Н
Uуст. = 10 кВ
Fрасч.= 1526 Н
Выбираем высоковольтный выключатель
По условиям технико – экономических показателей выбираемвакуумный выключатель. Преимуществами вакуумного выключателя являются: высокаяэлектрическая прочность вакуума и быстрое восстановление электрическойпрочности; быстродействие и большой срок службы, допускающий большое числоотключении номинального тока без замены камеры; малые габариты, бесшумностьработы, удобство обслуживания; пригодность для частых операций.
Выбираем выключатель максимальному току:
Iном ≥ Iм.р,
3150А > 2020 А.
По [2] выбираем тип вакуумноговыключателя: ВВЭ – 10 – 31,5 / 3150 У3.
Выбираем выключатель по напряжению:
Uном. ≥ Uп/ст,
Uном.=10 кВ = Uп/ст =10 кВ
Проверяем выключатель термоустойчивость ктокам короткого замыкания:
/>
где Iномт.у– номинальный ток термоустойчивости, кА;
tт.с. – время срабатывания, с; tт.с =3
По [2] номинальный ток термоустойчивости, Iномт.у = 31,5 А
Iномт.у =31,5 кА > 5,4 кА
Условие проверки на термоустойчивость ктокам короткого замыкания выполняется.
Проверяем выбранный выключатель наэлектродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:
iм ≥ iу,
где iм – предельныйсквозной ток, кА;
iу – ударный ток, (62,5кА).
По [2] предельный сквозной ток, iм = 80 кА.
iм = 80 кА > iу = 62,5кА.
Условие проверки на электродинамическуюустойчивость к токам короткого замыкания выполняется.
Проверяем выбранный выключатель наотключающую способность по току и мощности короткого замыкания:
Iном.откл ≥ Iτ,
Sном.откл ≥ Sτ,
где Sном.откл – номинальная мощность отключения, МВ ∙ А;
Iном.откл – номинальный ток отключения, кА.
Определяем номинальную мощностьотключения, МВ ∙ А:
Sном.откл = /> ∙Iном.откл ∙ Uср.1= /> ∙ 31,5 ∙10,5 =572 МВ∙А
По [2] Iном.откл =31,5 кА. Следовательно:
Iном.откл =31,5 кА > Iτ=18,1кА;
Sном.откл = 572 МВ ∙А > Sτ= 188,5 МВ ∙А
Условия на отключающую способность по токуи мощности короткого замыкания выполняется.
Таблица 5. Выбор вводного вакуумноговыключателя
Тип
выключателя Условие выбора Каталожные данные Расчетные данные ВВЭ-10 31,5/3150 У3
Iном ≥ Iм.р
Uном. ≥ Uп/ст
/>
iм ≥ iу
Iном.откл ≥ Iτ
Sном.откл ≥ Sτ
Iном = 3150 А
Uном. = 10 кВ
Iномт.с = 31,5 кА
iм = 80 кА
Iном.откл=31,5кА
Sном.отк=572МВ∙А
Iм.р = 2020А
Uп/ст = 10 кВ
tn= 0,4с
I∞ = 15,1 кА
iу = 62,5 кА
Iτ = 18,1 кА
Sτ = 3605 МВ∙А
Выбор трансформатора тока
/>
Рисунок – 7. Подключение измерительных приборовк трансформатору напряжения
Выбираем трансформатор тока пономинальному току
Iном ≥ Iм.р,
Iном = 3000 > Iм.р = 2020 А
Выбираем трансформатор тока пономинальному напряжению:
Uном. ≥ Uп/ст,
По [2] определяем номинальное напряжение:
Uном = 10 кВ = Uп/ст = 10 кВ
По [2] выбираем трансформатор тока типа:ТШЛ-10/3000.
Выбранный трансформатор тока проверяем натермоустойчивость к токам короткого замыкания:
/>
где Iном1– номинальный ток первичной цепи, кА;
Кт.с. – коэффициент термическойстойкости;
tт.с – время термической стойкости.
По [2] Кт.с = 35.Следовательно:
35 > 6,6
Условие проверки на термоустойчивость ктокам короткого замыкания выполняется.
Выбранный трансформатор тока проверяем наэлектродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:
/>
где Кдин. – кратностьдинамической устойчивости;
Iном.1 – номинальный ток, кА.
По [2] кратность динамическойустойчивости, Кдин = 100 А.
Кдин = 100 А > Кдин.расч= 14,7 кА.
Условие по электродинамическойустойчивости к токам короткого замыкания выполняется.
Выполним проверку по допустимой вторичнойнагрузке:
Z2доп./> Z2,
где Z2доп– полное допустимое сопротивление вторичной нагрузки
для класса точности равный 0,5, Ом;
Z2 – полное расчетное сопротивление вторичной цепи.
Z2 ≈ R2 ≈ 0,28 Ом;
R2 = Rпров.+ Rконт.+R приб,
где Rпров– сопротивление соединительных проводов;
Rконт – сопротивление контакта, (0,1 Ом);
R приб– сопротивление приборов.
R2 = 0,073 + 0,1 + 0,104 = 0,28 Ом;
Определяем сопротивление проводов:
/>,
где l – длина соединительных проводов, (≈ 10 м);
q – сечение соединительных проводов.
Определяем сопротивление приборов:
/>,
где Sприб– мощность приборов, В А;
Iном.2 – номинальный ток вторичной нагрузки, А
Таблица 7. Расчет мощности приборовтрансформатора тока Тип прибора S, В ∙ А Амперметр Э-335 0,1 Счетчик активной нагрузки 2,5
Итого 2,6
По [2] находим Z2доп.= 0,4 Ом.
Z2доп. = 0,4 Ом > Z2 = 0,28 Ом.
Условие по допустимой вторичной нагрузкевыполняется.
Таблица 8. Выбор трансформатора токаТип оборудования Условие выбора Каталожные данные Расчетные данные ТШЛ-10/3000
Uном. ≥ Uп/ст
Iном ≥ Iм.р
Z2доп. ≥ Z2
/> />
Uном =10кВ
Iном = 3000 А
Z2доп. = 120В ∙ А
К т.с = 35
Кдин. = 100
Uп/ст = 6кВ
Iм.р = 2600 А
Z2. = 28,5 В ∙ А
Кт.с = 6,3
Кдин = 10,4
Выбор трансформатора напряжения
Выбираем трансформатор напряжения пономинальному напряжению:
Uном/> Uп/ст,
По [2] определяем номинальное напряжение
Uном. = 10кВ = Uп/ст = 10кВ
Для обеспечения требуемого класса точностиизмерительных приборов выполняем проверку по допустимой вторичной нагрузке:
S2доп./> Sприб.,
где S2доп.– допустимая вторичная нагрузка, В ∙ А;
Sприб – мощность измерительных приборов, В ∙ А.
По [2] определяем допустимую вторичнуюнагрузку S2доп = 75 В ∙ А;
Таблица 9. Расчет мощности измерительныхприборовНаименование и тип прибора Р, Вт Q, В А Вольтметр Э-375 2,0 - Ваттметр 3,0 - Счетчик активной энергии 4,0 9,7 Счетчик реактивной энергии 6,0 14,7 Итого 15,0 24,2
Определяем мощность измерительныхприборов, Sприб, В ∙ А:
/>
S2доп = 75 В ∙ А > S2приб= 28,5 В ∙ А
Условие по допустимой вторичной нагрузке выполняется.
Таблица 10. Выбор трансформатора напряженияТип оборудования Условие выбора Каталожные данные Расчетные данные НТМИ-10–66
Uном. ≥ Uп/ст
S2доп. ≥ Sприб.
Uном =10кВ
S2доп. = 75 В∙ А
Uп/ст = 10кВ
S2приб. = 28,5 В∙ А
Выбираем высоковольтный разъединитель 110 кВ
Выбираем разъединитель по номинальномутоку:
Iном./> Iм.р.,
Определим максимальный расчетный ток:
/>,
По [2] выбираем разъединитель типа РДНЗ –1– 630 У3, номинальный ток которого Iном. = 630А.
Iном. = 630А > Iм.р.= 183,7А
Выбираем разъединитель по номинальномунапряжению:
Uном./> Uп/ст
110 = 110
Проверяем разъединитель натермоустойчивость к токам короткого замыкания:
/>;
/>;
Iном.т.у = 31,5 кА > 6,6 кА
Условие на термоустойчивость к токамкороткого замыкания выполняется.
Проверяем разъединитель на электродинамическуюустойчивость к токам короткого замыкания:
iм/> iу,
По [2] iм =80 кА, iу = 62,5 кА
iм = 80 > iу = 62,5
Условие на электродинамическую устойчивость к токамкороткого замыкания выполняется.
Выбор сечения отходящей кабельной линии 10 кВ
Согласно [4], длительно допустимый ток кабеля напряжением 10 кВопределится:
Iдл.доп ≥ IмрРП / (k1 ∙ k2)
где к1 – поправочный коэффициент, учитывающий удельноетепловое сопротивление почвы, определяется по табл. 1.3.23 [4] (примем к1=0,87);
к2 – поправочный коэффициент, учитывающий количествоработающих кабельных линий, лежащих рядом в земле, и расстояние в свету,определяется по табл. 1.3.26 [4] (примем к=0,92);
/>
/>
По табл. 1.3.16 [4] выбираем два кабеля (параллельное соединение)с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающеймассами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке сечением q=(З×120) мм2при Iдл. доп = 2×240А.
Рассчитаем экономически целесообразное сечение qэк.
/>
где j, к=1,2А/мм нормированное значение экономическойплотности тока для заданных условий работы (примем более 5000 максимуманагрузки в год) по табл. 1.3.36 |4|.
Принимаем два кабеля сечением q=(3×150) мм2.
Проверяем условие пригодности выбранного кабеля по потерямнапряжения (L –0,4 км):
/>
R0(20)=0,2070 м/км; Х0=0,0990 м/км –активное (при 20 °С) и индуктивное сопротивления трехжильной кабельнойлинии по табл. 3.5 [1]. cоsφ – значение коэффициента мощности в период максимальныхнагрузок за наиболее загруженную смену (примем соs φ=0,95).
/>
/>
/>
Таким образом, к качестве линии, питающей РП, принимаем двапараллельных кабеля с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанноймаслоканифольной и нестскающей массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочкесечением q= (З×150) мм2; при Iдл. доп = 2×275А.
Выбор защиты линии, отходящей от ГПП к РП
В качестве защиты кабельной линии 10 кВ выберем двухступенчатуютоковую защиту, первая ступень которой выполнена виде токовой отсечки, а вторая– в виде максимальной токовой защиты с независимой выдержкой времени.
Электрическая схема такой защиты приведена на рисунке 4.
/>
Рисунок – 8
Чтобы рассчитать ток срабатывания реле КА1, КА2 и вычислитькоэффициент чувствительности необходимо рассчитать ток короткого замыкания вконце кабельной линии, для этого составим схему замещения (см. рис. 5).
Вычислим базисные относительные сопротивления кабельной линии:
/>
Рисунок – 9
Базисный ток (для точки К-З):
/>
/>
Ток КЗ в точке К – 3:
/>
Вычислив значение постоянной времени Та по рис. 3.2[2] определим значение ударного коэффициента куд:
/>
Ударный ток в точке К-З
/>
Уставку срабатывания реле КА1. КА2 (токовая отсечка) определимсогласно (11.10) [2]:
/>
где кнад – коэффициент надежности (примем 1,25); ксх– коэффициент схемы (для неполной звезды ксх=1); ктт – коэффициенттрансформатора тока (ктт=400/5).
Согласно рекомендациям § 11.1 [2] в данном случае токсрабатывания реле КАЗ, КА4 следует рассчитать следующим образом:
/>
Для вычисления коэффициентов чувствительности защит рассчитаем токдвухфазного короткого замыкания (как минимальный ток КЗ) в конце кабельнойлинии.
При расчете режима двухфазного КЗ расчетное сопротивление цепиможет быть получено путем удвоения расчетного сопротивления, вычисленного длятрехфазного КЗ в конце кабельной линии. Это связано с тем, что эквивалентноесопротивление схем прямой и обратной последовательности можно считатьодинаковыми.
Таким образом:
/>
Коэффициент чувствительности токовой отсечки:
/>
5 Коэффициент чувствительности МТЗ:
/>
Список литературы
1. Справочник поэлектроснабжению промышленных предприятий, под ред. А.А. Фёдорова, Москва,изд. Энергия, 1973 г.
2. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю.,Электроснабжение промышленных предприятий. 3-е издание, Москва, Металлургия, 1986 г.
3. Зелинский А.А., Старкова Л.Е. Учебноепособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжениюпромышленных предприятий: Учебное пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат,1987 г.
4. Правила устройствэлектроустановок 6-е издание пер. и доп. с изм., Москва, Главгосэнергонадзор,1998 г.
5. Липкин Б.Ю. Электроснабжениепромышленных предприятий и установок. – М: Высшая школа, 1990–360 с.
6. Неклепаев Б.Н. Электрическаячасть станций и подстанций – М: Энергоатомиздат, 1989 – 608 с.