1

15

Костромская Г С Х А

Факультет электрификации и автоматизации сельского хозяйства

кафедра “Электроснабжения”

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Электрооборудование станций и подстанций

Кострома 2001 год

1. Задание на курсовое проектирование

Цель проекта: Проектирование понижающей подстанции, имеющей три уровня напряжения - высокое (ВН), среднее (СН), низкое (НН).

Схема электрической сети

Рисунок 1.1. Схема электрической сети

Таблица 1.1. Выбор варианта проекта

Примечание: Если ВН-35 кВ, то считайте, что в данной подстанции имеются две преимущественные нагрузки со стороны НН. При выборе данных по таблице для вариантов (Л-Я) СН считать как НН_1, а НН - какНН_2.

Таблица 1.2.

Таблица 1.3.

Таблица 1.4.

Таблица 1.5.Географический район расположения

Таблица 1.6.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Содержание расчетно-пояснительной записки

Введение

1. Определение нагрузки подстанции, суточный график нагрузок подстанции.

2. Выбор числа, типа и мощности трансформаторов

2.1. Выбор числа и типа трансформаторов

2.2. Проверка трансформаторов на систематическую перегрузку

2.3. Проверка трансформаторов на аварийную перегрузку

2.4. Технико-экономическое обоснование мощности трансформа торов.

3. Выбор схемы соединений подстанции

4. Выбор схемы собственных нужд (С.Н) подстанции

4.1. Определение и расчет нагрузок С.Н подстанции

4.2. Выбор источника оперативного тока

4.3. Выбор числа, типа, мощности трансформатора С.Н

5. Расчет токов короткого замыкания (КЗ)

6. Выбор конструкции распределительных устройств на подстанции

7. Выбор и проверка электрических аппаратов подстанции

7.1. Выбор выключателей на подстанции

7.2. Выбор разъединителей (отделителей, короткозамыкателей)

7.3. Выбор измерительных трансформаторов тока

7.4. Выбор измерительных трансформаторов напряжения

7.5. Выбор токоограничивающих реакторов

8. Выбор проводников на подстанции

8.1. 8.1. Выбор и проверка сборных шин РУ п/станции

8.1.1.На стороне ВЕ

8.1.2.На стороне СН

8.1.3.На стороне НН

8.2. Выбор и проверка ошиновок РУ п/станции

8.2.1.На стороне ВН

8.2.2.На стороне СН

8.2.3.На стороне НН

9. Выбор и проверка кабелей питающих РП.

Содержание графической части проекта

Схема электрических соединений подстанции

План подстанции и разрез по ячейке трансформатора

Методические указания

1. Суточные графики нагрузок подстанции

Электрические нагрузки отдельных потребителей, а следовательно и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электростанции в энергосистеме непрерывно меняется. Принято отражать этот факт «Графиком нагрузки», т.е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени.

По видам фиксированного параметра различают графики:

активной (Р) мощности; реактивной (Q) мощности;

полной (кажущейся S) мощности; тока (I).

Графики отражают изменения нагрузки за определенный период времени. По этому признаку они подразделяются:

суточные (24 часа); сезонные ; годовые (8760 часов).

По месту изучения или элементу энергосистемы, к которому они относятся, графики подразделяются:

графики нагрузки потребителей, определенные на шинах подстанции;

сетевые графики нагрузки - на шинах районных или узловых подстанций;

графики нагрузки электростанции.

графики нагрузки энергосистемы, характеризующие результирующую нагрузку энергосистемы;

Фактический график нагрузки можно получить с помощью самопишущих приборов, которые фиксируют изменения соответствующего параметра в реальном времени.

Перспективный график нагрузки потребителей определяется в процессе проектирования. Для его построения надо обладать сведениями об установленной мощности электроприемников, под которой понимают их суммарную номинальную мощность, для активной нагрузки Р_уст=Р_ном.

Присоединительная мощность на шинах подстанции потребителей

_пр.=,

где _ср.п. - средний КПД электроустановок потребителей;

_ср.с. - средний КПД местной сети при номинальной нагрузке.

На практике действительная нагрузка потребителей меньше суммарной установленной мощности. Это обстоятельство учитывается коэффициентами одновременности К_о, и загрузки К_з.

Тогда выражение для максимальной нагрузки потребителя будет иметь вид:

где К_спр. - коэффициент спроса для рассматриваемой группы потребителей.

Найденное Р_max. является наибольшим в году и соответствует обычно зимнему максимуму нагрузки.

При известной Р_max. можно перевести типовой график нагрузки данного потребителя, используя соотношение для каждой ступени графика:

где % - ордината соответствующей ступени типового графика, %.

Обычно для каждого потребителя дается несколько суточных графиков, которые характеризуют его работу в разное время года и в разные дни недели. Это типовые графики зимних и летних суток для рабочих дней, график выходного дня и т.д. Основным является обычно зимний суточный график рабочего дня.

Его максимальная нагрузка принимается за 100%, и ординаты всех остальных графиков задаются в % именно этого значения.

Кроме графиков активной нагрузки, используются графики реактивной нагрузки. Типовые графики реактивного потребления также имеют ординаты ступеней, % абсолютного максимума:

где tg _max - определяется по значению сos _max, которое должно быть задано как исходный параметр данного потребителя.

Суточный график полной мощности можно получить, используя известные графики активной и реактивной нагрузок.

Значение мощности по ступеням графика определяется по выражениям:

,

где P_n и Q_n активная и реактивная нагрузки данной ступени в именованных единицах.

Эти графики определяются с учетом потерь активной и реактивной мощности в линиях, трансформаторах при распределении электроэнергии.

Потери мощности от протекания тока в проводах ЛЭП и обмотках трансформаторов являются переменной величиной , зависящей от нагрузки.

; - постоянные потери;

; - переменные потери.

Суммарные потери для любой ступени графика нагрузки подстанции могут быть найдены из выражений:

,

где S_i - нагрузка i-элемента сети соответствующая рассматриваемой n-й ступени суммарного графика нагрузки;

S_imax - нагрузка элемента (линии, трансформатора), при которой определены

, .

2. Выбор трансформаторов на основе ТЭР

2.1 Выбор числа, типа, мощности, трансформаторов

Область применения однотрансформаторных подстанций определяется ответственностью (категорией) потребителей и регламентирована ПУЭ:

для электроснабжения неответственных потребителей 3-й категории при условии, что замена поврежденного трансформатора или его ремонт производится в течение не более одних суток;

при электроснабжении потребителей 2-й категории при наличии централизованного подвижного резерва трансформаторов или другого резервного источника питания от сети СН или НН, включаемого вручную или автоматически;

при небольшой мощности потребителей 1-ой категории и наличии резервных источников на стороне НН (передвижные, стационарные ДЭС), вводимые в действие устройствами АВР.

2.3 ТЭО длительности перерывов

Для принятия окончательного решения по сооружению одно- или двух трансформаторных подстанций необходимо ТЭС (технико-экономическое сравнение) вариантов с учетом ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителю при установке одного трансформатора на подстанции.

Следует отметить, что при напряжении 220кВ и выше однотрансформаторные подстанции, как правило, могут рассматриваться, как первая очередь подстанции с последующей установкой еще одного и более трансформаторов в соответствии с динамикой роста нагрузки.

При наличии на подстанции 35…220кВ нагрузки 1-ой категории и отсутствии других резервных источников питания должны устанавливаться 2-х трансформаторные подстанции. Систематические нагрузки трансформатора могут достигать более, чем 2-х кратного значения номинальной мощности трансформатора, но согласно ГОСТа 14209-85 допускается ее любое значение в интервале 1,3 Н 2,0 только после их согласования с заводом-изготовителем. Исходя из этого, можно ориентировочно определить номинальную мощность трансформатора

,

где S_м - наибольшая расчетная нагрузка трансформатора 5-го года эксплуатации на стороне ВН

При номинальной мощности автотрансформаторов (АТ) имеет некоторые особенности. На современных подстанциях 220кВ и более распространенным режимом работы АТ является комбинированный режим: ВН-НН и ВН-СН. В этом случае доступный режим ограничивается загрузкой последовательной обмотки.

,

где Р_сн и Q_сн - активные и реактивные мощности на стороне СН при максимальной нагрузке;

Р_нн и Q_нн - активная и реактивная мощности на стороне НН при максимальной нагрузке;

К_выг.= - коэффициент выгодности АТ.

S_тип. - типовая мощность АТ; S_тип.= К_выг. S_ном. S_тип.=S_посл.

тогда,

По ГОСТ 14209-85 установлены максимально допустимые систематические нагрузки в зависимости от времени перегрузки t_пер. и коэффициент начальной нагрузки К₁ для трансформаторов с системами охлаждения М, Д, МД мощностью до 100МВА включительно 3.

Номинальная мощность трансформатора определяется на основании ТЭС (технико-экономического сравнения ) двух вариантов.

Мощность трансформатора в первом варианте принимается равной

,

где 0,5 - коэффициент, устанавливающий целесообразность систематических перегрузок трансформаторов на 2-х трансформаторной подстанции в нормальном режиме.

Мощность автотрансформатора в первом варианте принимается равной

Во втором варианте мощность АТ-ра берется на ступень выше. Температуру охлаждающей среды Ц_охл. принимаем для данного климатического района равной эквивалентной (с точки зрения износа изоляции).

Эквивалентную температуру за любой промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год) ГОСТ 14209-85 рекомендует определить по формуле 5

,

где n 12 - количество равных интервалов промежутка времени.

Т.к. мощность трансформаторов примерно в 1,6 раза больше (таков шаг) номинальных мощностей трансформаторов и время перегрузок, что позволяет перегружать трансформатор в большей мере. В первом варианте требуется определить ту часть нагрузки, которую необходимо отключать в аварийном режиме.

В зависимости от времени перегрузки t_пер, температуры окружающей среды Q_охл и коэффициента начальной нагрузки К1 определяется коэффициент аварийной перегрузки К2.

Экономическим критерием, по которому определяется наивыгоднейший вариант, является минимум расчетных затрат:

З = Р_н К + U + У min,

где Р_н=0,12 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (для новой техники Р_н=0,15);

К- капитальные затраты с учетом дополнительных расходов на транспорт, монтаж и др., тыс. руб.;

U- годовые издержки производства, тыс. руб.

U =,

где Ra=6,3% - норма амортизационных отчислений от кап. вложений для электротехнического оборудования и распределительных устройств всех классов напряжений;

U_пот - стоимость годовых потерь, тыс.руб.

U_пот = С_ст Э_ст + С_м Э_м ,

где Э_ст и Э_м - годовые потери в стали и меди, кВтчас;

С_ст и С_м - удельная стоимость потерянной энергии в стали и меди, руб/кВтчас;

У - ущерб от недоотпуска электроэнергии, тыс. руб.

Величины удельных стоимостей С_ст и С_м для Европейской части России могут быть приняты:

С_ст=0,011 руб/кВтчас, С_м=0,012 руб/кВтчас.

Для Сибири: С_ст=0,006 руб/кВтчас, С_м=0,007 руб/кВтчас.

Для определения капитальных затрат для ТЭР вариантов с 2-мя трансформаторами разной мощности следует учитывать только стоимость трансформаторов

К=К_тр=К_зав.

- коэффициент для пересчета заводской стоимости трансформаторов;

К_зав - коэффициент расчетной стоимости

Таблица 2 6

При ТЭС вариантов установки одного трансформатора с вариантом установки 2-х трансформаторов необходимо в последнем случае учесть стоимость установки дополнительных (по сравнению с другими случаями) выключателей на ВН, СН, НН. При этом контрольные затраты на п/станцию составляет:

К=К_тр.+К_выкл.

Годовые потери электроэнергии в трансформаторах и АТ определяются отдельно для стали и меди. Потери энергии в стали для трех фазных трансформаторов

Э_ст. = nР_хх 8760,

где n - количество параллельно работающих трансформаторов;

Р_хх - потери холостого хода, кВт.

Потери энергии в меди 3-х фазных 2-х обмоточных трансформаторов

Э_м = ,

где Р_кз - потери короткого замыкания. кВт;

S_н - номинальная мощность трансформатора, МВА;

Р_i, ti - активная мощность и продолжительность ступени суточного графика, МВт и часов.

m - число суток работы трансформатора по рассматриваемому графику нагрузки. при неизменном расчетном графике нагрузки в течение года m=365 суток.

Потери в обмотках трех фазных трех обмоточных трансформаторов (при равенстве номинальных мощностей всех трех обмоток).

где Р_кзвн=Р_кзсн=Р_кзнн=Р_кз.

Профессор П.Г. Грудинский в 8 предложил упрощенный метод разделения потерь по обмоткам:

Р_кзвн = 0,7Р_{кзвн-сн.}; Р_кзсн = 0,3Р_{кзвн-сн;}; Р_кзнн = 0,3Р_{кзвн-сн},

где =

При расчете по вышеприведенным формулам необходимо принять

S_ном. = S_нн.ном.

Ущерб “У” вызванный недоотпуском электроэнергии, определяется прежде всего математическим ожиданием длительности аварийного перерыва электро- снабжения в течение года.

Л=WТ_в, час/год,

где W - параметр потока отказов, ¹/год;

Т - среднее время восстановления поле отказа, часов.

Таблица 3. Показатели надежности трансформаторов.

Ущерб от недоотпуска электроэнергии на однотрансформаторной подстанции определяется из выражения:

У=АР_с Уо=WТ_в Р_с У_о тыс. руб.

где Р_с=- среднегодовая нагрузка, МВт.

Э - энергия переданная через п/станцию за год МВч.

У_о=0,6 руб/кВтч - среднее значение удельного ущерба от недоотпуска 1²кВтч эл. энергии.

В случае, когда часть нагрузки питающейся от однотрансформаторной п/станции, имеет резервный источник питания, то

,

где Э_рез. - энергия, полученная от резервного источника во время аварии, МВтч

В случае двухтрансформаторной подстанции величина ущерба от недоотпуска электроэнергии может определяться в тыс. руб. по формуле:

У= 365 F_э К_в У_о,

где К_в=,

F_э=cos - площадь верхней части графика нагрузки отсеченной прямой с ординатой S_огр.;

К_в - коэффициент восстановления силовых трансформаторов.

может осуществляться на одном, двух, трех и четырех (ТЭЦ) повышенных напряжениях. На основании результатов ТЭР принимается к дальнейшему проектированию вариант с наименьшими затратами. Если затраты различаются меньше чем на 5% (по отношению к наименьшим затратам), то варианты считаются равноэкономичными. При этом следует принимать к дальнейшему проектированию вариант с большей установленной мощностью трансформаторов. Проектирование схемы присоединения станции или подстанции к системе заключения в выборе напряжений, на которых будет выдаваться эл. энергия, числа и пропускной способности ВЛ на каждом напряжении в предварительном распределении генерирующей мощности между РУ, в определении связей РУ станции с распределительными и системообразующими сетями.

Таблица 4.1 Наибольшая передаваемая мощность по одной цепи и длина ВЛ обычного исполнения

В таблице даны пределы передаваемой мощности и длины ВЛ различного класса. Выдача мощности от эл. станции может осуществляться на одном, двух, трех, четырех (ТЭЦ) повышенных напряжениях. Напряжение 6-10 кВ используется для распределительных сетей в городах, сельской местности и на предприятиях. Наиболее экономичным считается напряжение 10 кВ. Напряжение 6 кВ оказывается выгодным в сетях предприятий с большой долей ВВ двигателей. Напряжения 35, 110, 150 кВ применяются в распределительных сетях энергосистем, причем 35 кВ - в основном в сельской местности. Напряжения 220, 330, 500 кВ используются для основной системообразующей сети энергосистемы и ЛЭП от станции средней и большой мощности. Напряжения 500, 750 и 1150 кВ применяются на межсистемных линиях связи и дальних передачах от сверхмощных станций (КЭС, ГЭС, АЭС).

Выбор схемы собственных нужд подстанции

Состав потребителей собственных нужд (С.Н.) подстанции зависит от типа подстанции мощности трансформаторов, наличия синхронных компенсаторов, типа электрооборудования.

Наименьшее количество потреб ителей собственных нужд (С.Н.) на подстанции, выполненной по упрощенной схеме, без синхронных компенсаторов, без постоянного дежурства:

- электродвигатели обдува трансформаторов;

- обогрева приводов выключателей;

- шкафов КРУН;

- освещение территории подстанции, помещений, ячеек.

На подстанции с выключателями нагрузки (ВН) дополнительными потребителями являются компрессорные установки. На подстанциях с постоянным оперативным током - зарядный и подзарядный агрегаты.

Наиболее ответственные потребители СН подстанции являются оперативные цены, система связи, телемеханики, система охлаждения трансформаторов и насосы системы охлаждения, аварийное освещение, система пожаротушения, электроприемники компрессорной. Мощность потребителей СН невелика, поэтому трансформаторы с.н. имеют вторичное напряжение 380/220 В. Мощность трансформаторов СН выбирается по нагрузкам СН с учетом коэффициентов загрузки и одновременности, при этом отдельно учитывается летняя и зимняя нагрузки, а также нагрузки в период ремонтных работ на подстанции 5,10

Приняв для электродвигателей сos=0,85 определяем Q_уст. и расчетную нагрузку:

,

где К_с - коэффициент спроса, учитывающий коэффициенты одновременности и загрузки. Можно принять К_с=0,8

Мощность трансформаторов выбирается:

а) при 2-х трансформаторах СН на подстанции без постоянного дежурства и при 1-ом трансформаторе СН S S_расч.

При 2-х трансформаторах СН на подстанции с постоянным дежурством

S,

где К_п - коэффициент допустимой аварийной нагрузки, его можно принять равным 1,4;

Если число трансформаторов СН больше 2-х, то

S_т

Предельная мощность каждого трансформатора СН должна быть не более 630 кВА.

При ТЭО допускается применение трансформатора 1000 кВА.

На всех 2-х трансформаторных подстанциях устанавливаются два трансформатора СН. Один трансформатор СН устанавливается на однотрансформаторных подстанциях 35…220 кВ с постоянным оперативным током без синхронных компенсаторов и воздушных выключателях с силовыми трансформаторами ТМ. Если на 1-ой трансформаторной подстанции установлен ВВ или трансформатор с системой охлаждения Д или ДЦ то предусматривается 2 трансформатора СН, один из которых присоединяется к местной сети 6…35 кВ. Для питания оперативных цепей подстанции может применяться переменный и постоянный ток. Постоянный оперативный ток применяется на всех подстанциях 330-750 кВ., на подстанциях 110…220 кВ с числом МВ-110 кВ или 220 кВ 3-х и более, на подстанциях 35…220 кВ с В.В.

Переменный оперативный ток применяется на подстанциях 35…220 кВ без выключателей на ВН. Возможно применение выпрямленного оперативного тока на подстанции 110 кВ с одним или двумя выключателями ВН.

Расчет токов КЗ

Для выбора электрооборудования аппаратов, шин, кабелей, токоограничивающих реакторов необходимо знать токи КЗ.

При этом достаточно уметь определить ток 3-х фазного КЗ в месте повреждения, а в некоторых случаях - распределение токов в ветвях схемы, непосредственно примыкающих к этому месту.

Расчет токов 3-х фазного КЗ выполняются в следующем порядке:

для рассматриваемой установки составляют схему;

по расчетной схеме составляют электрическую схему замещения;

путем постепенного преобразования приводят схему замещения к простому виду так, чтобы каждый источник питания или группа источников с регулирующей ЭДС были связаны с точкой КЗ одним сопротивлением Х результирующая (Х рез.);

определяют начальное значение периодической составляющей тока КЗ (I_по), затем ударный ток КЗ (i_у) и при необходимости - периодическую и апериодическую составляющие тока КЗ для заданного момента времени t.

Расчетная схема - это однолинейная схема электроустановки с указанием тех элементов и их параметров, которые влияют на значение тока КЗ и поэтому должны учитываться при выполнении расчетов. Расчетная схема эл. установки должна отражать нормальный режим работы. На ней намечаются точки КЗ - так, чтобы аппараты и проводники попадали в наиболее тяжелые условия работы. Исключением являются аппараты в цепи присоединений с реактором, выбираемые по току КЗ за реактором.

По расчетной схеме составляют схему замещения, заменяя электромагнитные связи электрическими. Источники вводят в схему замещения как ЭДС и сопротивления, остальные элементы - как сопротивления. Расчет токов КЗ можно вести как в именованных, так и в относительных единицах. В электроустановках до 1000 В обычно производят расчет в именованных единицах.

В электроустановках напряжением выше 1000 В принято все сопротивления короткозамкнутой цепи приводить к базисным условиям и выражать в относительных единицах. Базисную мощность (удобно 100 или 1000 МВА). За базисное принимается среднеэксплуатационное напряжение (U_ср.) той ступени, на которой предполагается КЗ, согласно следующей шкале: 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 24; 37; 115; 154; 230; 340; 515; 770 кВ.

Для каждой точки КЗ будут свои базисные напряжения и ток.

Для синхронных компенсаторов и генераторов

X_*г=Xd,

где Xd - относительное сверхпереходное сопротивление по продольной оси, определяемое по справочникам;

S_ном. - номинальная мощность генератора.

Для 2-х обмоточных генераторов

Х_*Т=,

где U_к - напряжение КЗ%, определяемое по справочникам или паспортным данным.

Для 3-х обмоточных трансформаторов или АТ напряжение КЗ, приведенное к номинальной мощности трансформатора или АТ, даны для каждой пары обмоток: U_{к вв-н}, U_{к в-с}, U_{к с-н}%.

Схема замещения таких трансформаторов приведена на рис.6.2.

Относительное сопротивление лучей схемы, приведенных к базисным условиям можно определить по формулам:

Х_*в=

Х_*с=

Х_*н=

Двухобмоточные трансформаторы с 2-мя или 3-мя расщепленными обмотками, вводят в схему замещения как индуктивные сопротивления (рис. 6.3) приведенные к базисным условиям. Сопротивления Х_в и Х_н схемы замещения определяют по уравнениям (40, 61) Рыжкова Л.Д., Козулин В.С. “Эл. оборудование станций и подстанций”. Если известно напряжение U_{к в-н} для 3-х фазного трансформатора с расщепленными обмотками, то Х_в-н=

Х_в=0,125Х_в-н; Х_н1=Х_н2=1075Х_в-н

Для группы из однофазных трансформаторов с обмоткой НН, разделенной на 2-е ветви Х_в=0, Х_н1=Х_н2=2Х_в-н, а с обмоткой разделенной на три ветви:

Х_в=0, Х_н1=Х_н2=3Х_в-н.

Если же в каталоге на трансформаторы заданы напряжения U_{к в-н} и U_кн1-н2(последнее отнесено к номинальной мощности расщепленной обмотки S_ном.н1=S_номн2=0,5S_ном.), то

;

Х_н1 = Х_н2 = Х_н1 - Х_н1-н2; Х_в = Х_вн - 0,5Х_н1-н2.

ВЛ и КЛ характеризуются удельными значениями индуктивных сопротивлений и емкостей проводимости, зависящими от номинального напряжения и конструкции линии передачи.

При проектировании можно использовать среднее значение удельных сопротивлений (Х_уд.) и проводимостей (G_уд.)

Таблица 4.Примерные сопротивления линий

Линии напряжением до 220 кВ включительно и 330 кВ-750 кВ длиной менее 150 км. входят в схему замещения как индуктивное сопротивление, относительное значение которого

,

где L - длина линии в км.

При большей длине линии напряжением 330 кВ и выше необходимо учитывать емкостную проходимость и применять П-образную или Т-образную схему замещения.

Для расчета токов КЗ на электрических станциях, необходимо располагать данными, характеризующими энергосистему.

Система может быть задана:

Известна схема системы и параметры ее элементов - генераторов, трансформаторов, линий и др. Составляют полную схему замещения и ток КЗ от системы рассчитывают также, как и ток проектируемой установки.

Известны суммарная мощность системы S_{с ном.} и результирующее сопротивление всех элементов системы Х_с до некоторой точки, к которой присоединяют проектируемую установку. Находят относительное базисное сопротивление системы Х_*с, ЭДС системы принимают постоянной, равной среднему эксплуатационному напряжению в узле присоединения. При расчетах в относительных единицах Е_*с=1.

Задано действующее значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ от системы I_пс (в килоамперах) или так называемая мощность КЗ S^”_с (в МВА). В этом случае относительное сопротивление до заданной точки определяют как

;

Известен тип выключателя, установленного или намечаемого к установке в данном узле энергосистемы. Считается, что ток трехфазного КЗ в этой точке равен номинальному току отключения выключателя I_{откл.ном.}

Определяем ток КЗ в узле I_ст. от станции, тогда максимально допустимый ток от системы может быть определен как I_откл.- I_ст. и относительное сопротивление системы

Х_*с =

Сопротивления элементов схемы, приведенные к базисным условиям, наносятся на схему замещения. Для этого каждый элемент в схеме замещения обозначают дробью: в числителе ставят порядковый номер элемента, а в знаменателе - значение относительного индуктивного сопротивления.

Теперь необходимо определить результирующее сопротивление Х_РЕЗ цепи КЗ для данной точки КЗ путем постепенного преобразования схемы.

Возможны следующие преобразования схемы:

Замена неполных сопротивлений, соединенных последовательно, эквивалентным

Замена нескольких сопротивлений, соединенных параллельно эквивалентным:

.

Соединение звездой с относительным сопротивлением лучей Х_*1, Х_*2, Х_*3, может быть заменено эквивалентным соединением в треугольник по формулам:

Соединение звездой с относительным сопротивлением лучей Х_*1, Х_*2, Х_*3, может быть заменено соединением в треугольник.

При преобразовании треугольника относительных сопротивлений в эквивалентную звезду пользуются допущениями:

Если принять ЭДС источников питания одинаковыми, то в схеме точки «m» и «n» будут равнопотенциальными.

При совмещении равнопотенциальных точек сопротивления одноименных элементов складываются как параллельные, и получают новую схему.

В результате преобразований схему приводят к одному из видов, удобных для расчета токов КЗ с учетом индивидуального изменений в отдельных лучах.

Обычно схему сводят к 2-3 лучам, выделяя в отдельные лучи разнотипные генераторы или однотипные генераторы с различной удаленностью относительно точки КЗ. Например, генераторы одной станции подсоединяют к РУ разных напряжений.

Результирующая сопротивления каждой схемы определяется по формулам:

для схемы а)

для схемы

б)

для схемы

в)

При разнотипных источниках можно вычислить результирующую ЭДС:

для схемы а,б)

для схемы в)

На схемах (б,в) приведены простейшие случаи питания точки КЗ от источников разнотипных или разноудаленных. Здесь источники непосредственно связаны с местом повреждения, поэтому ток КЗ можно определить отдельно от каждого источника! Ток в точке КЗ равен сумме токов от источников.

Для схемы (а) уже нельзя рассчитывать тока КЗ от каждого источника в отдельности, так как токи протекают в место повреждения через общее сопротивление Х_*3. Необходимо эту схему преобразовать в n-лучевую так, чтобы результирующее сопротивление и токи распределения в лучах остались неизменными.

Для схемы (а) находим коэффициент распределения по лучам:

или

При этом должно выполняться равенство Затем находят результирующее сопротивление лучей:

и таким образом приводят схему (а) к виду схемы (б).

Выбор конструкции РУ на подстанциях ВН, СН, НН

РУ называется электроустановка, предназначенная для приема и распределения электрической энергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства защиты, автоматики и измерений. На станциях и подстанциях обычно имеется РУ нескольких ступеней напряжения, связанные через трансформатор или АТ.

Существует два основных вида РУ - открытые и закрытые.

Закрытыми РУ называются РУ, оборудование которого расположено в здании. ЗРУ в основном применяются на напряжение 3…20 кВ. В электроустановках больших напряжений (35…220 кВ) применяются только при ограниченности площадей для РУ, при повышенной загрязненности атмосферы, вблизи морского побережья и в условиях Крайнего Севера.

Открытыми РУ (ОРУ) называется РУ, все или основное оборудование расположено на открытом воздухе. ОРУ применяется на напряжение 35…750 кВ, так как при этих напряжениях ОРУ обладает существенным преимуществом по сравнению с ЗРУ:

меньше объем строительных работ, существенная экономия строительных материалов (сталь, бетон);

меньшие капитальные затраты, сроки сооружения, опасность распространения повреждений (вследствие больших расстояний между аппаратами смежных частей);

хорошая обозреваемость;

удобство расширения и простота замены оборудования другим, даже с большими габаритами, а также возможность быстрого демонтажа и монтажа оборудования.

При напряжении выше 1000 В РУ должны быть оборудованы стационарными заземленными ножами (ЗН), которые обеспечивают заземление аппарата и остановки без использования переносных заземлений.

Ножи окрашиваются в черный цвет, а рукоятки их проводов - в красный цвет.

Разъединители 3 кВ и выше устанавливаются с одним или двумя стационарными заземляющими ножами (ЗН) сблокированными с основными ножами.

Электрические соединения в ОРУ должны выполняться, как правило, из алюминиевых или сталеалюминиевых проводов, полос, труб и шин продольного сечения из А и АС сплавов электротехнического назначения.

Сетчатые ограждения токоведущих частей и электрооборудования должны иметь высоту для ОРУ и открыто установленных трансформаторов 2 или 1,6 метра, а для ЗРУ и трансформаторо установленных внутри здания - 1,9 м; размер ячеек сетки не более 25х25 мм. Должно быть предусмотрено устройство запирания ОРУ на замок.

В РУ содержится большое число электрических аппаратов и проводников. Выбор и расчет токоведущих частей аппаратов и проводников любой электроустановки, от которой в значительной степени зависит надежность ее работы.

При выборе токоведущих частей необходимо выполнить ряд требований, вытекающих из условия работы.

Аппараты и проводники должны:

Длительно проводить рабочие токи без чрезмерного повышения t⁰C;

Противостоять кратковременному электродинамическому и термическому действию тока КЗ;

Выдерживать механические нагрузки, создаваемые собственной массой связанных с ним аппаратов, а также усилий возникающих в результате атмосферных воздействий (ветра, гололеда).

Удовлетворять требованиям экономичности электроустановки.

При работе электроустановки происходит нагрев электрических проводников, аппаратов, что является следствием потерь мощности в них. Составляющими этих потерь являются:

Потери в токоведущих частях, обмотках, контактах;

Потери от вихревых токов в металлических частях особенно ферромагнитных;

Потери в магнитопроводах трансформаторов и электромагнитах;

Потери в диэлектриках.

Рассматривая вопрос о допустимых температурах аппаратов и проводников, необходимо определить понятие о наблюдаемых температурах о температурах в наиболее нагретых точках аппаратов (машин).

Под наблюдаемыми температурами понимают температуры, найденные простым измерением. Они на 5…15⁰С отличаются от температур в наиболее нагретых точках. Принято нормировать наблюдаемые температуры поскольку это удобно для практического использования (табл.5.)

Таблица 5. «Допустимые (наблюдаемые) температуры для аппаратов и проводников при длительной работе» (ГОСТ 7024-69)

В основу нормирования положены максимальные допустимые температуры в наиболее нагретых точках.

У_о = 0,6 руб/кВтчас -среднее значение удельного ущерба от недоотпуска эл. энергии.

Выбор и проверка электрических аппаратов подстанций

А) Выбор выключателей.

Выключатель является основным коммутационным аппаратом и служит для отключения и включения цепей в различных режимах работы.

Наиболее ответственной операцией является отключение токов КЗ и включения на существующие КЗ.

Выключатели должны надежно отключать любые токи:

нормального режима и КЗ, а также малые индуктированные токи и емкостные токи без появления при этом опасных коммутационных предохранителей.

Для сохранения устойчивой работы системы отключения КЗ должно производится как можно быстрее;

выключатель должен быть приспособлен для быстродействующей АПВ.

Конструкция выключателя должна быть простой, удобной для эксплуатации и транспортировки, он должен обладать высокой работоспособностью, взрыво и пожаробезопасностью.

ГОСТ 687-78 дает основные параметры выключателя:

Номинальное напряжение,U_НОМ.

Номинальный ток, I_НОМ.

Номинальный ток отключения I_ОТКЛ. - наибольший ток КЗ (действующее значение периодической составляющей), который выключатель способен отключить при напряжении, равном наибольшему рабочему, при заданных условиях восстановленное напряжение и заданном цикле операций. Цикл операций зависит от того, предназначены ли выключателя для АПВ. Выключатели без АПВ должны выдерживать цикл О-180с-ВО-180с-ВО.

Выключатель предназначенный для однократного или 2-х кратного АПВ имеет циклы О-t_б-ВО-15 мин-0- t_б-ВО; О-t_б-ВО-180с -ВО.

Здесь О- операция отключения;

ВО - операция включения и немедленного отключения;

t_б - время бестоковой паузы при АПВ, с.

Номинальное процентное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения в соответствии с ГОСТ 687-78

Время от начала КЗ до расхождения контактов выключателя определяется из выражения:

=t_ЗMIN + t_С.В.

где t_ЗMIN - минимальное время действия релейной защиты, принимается равным 0,001 с;

t_С.В - собственное время отключения выключателя по каталогу.

Действующее значение периодической составляющей I_ДИН и амплитудные значения полного тока I_MДИН, которые характеризуют электродинамическую стойкость выключателя. Эти токи выключатель выдерживает во включенном положении без повреждений, препятствующих его дальнейшей работе.

Ток термической стойкости I_Т - и время действия тока термической стойкости t_Т.

Номинальный ток включателя I_ВКЛ - наибольший ток КЗ, который выключатель способен включить без сваривания контактов и других повреждений. В каталоге задают действующее значение периодической составляющей I_ВКЛ и амплитудное значение полного тока I_MВКЛ. Выключатели конструируют так, что I_ВКЛ I_ОТК.

Время действия выключателя:

Собственное время отключения t_С.В - промежуток времени от подачи команды на отключение до расхождения контактов выключателя;

Время отключения t_О.В - промежуток времени от подачи команды на отключение до погасания дуги во всех фазах;

Время включения выключатели t_В.В - промежуток времени от подачи команды на включение до возникновения тока в цепи.

Параметры восстанавливающего напряжения.

По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают следующие типы выключателей:

масляные объемные;

масляные малообъемные;

воздушные;

электромагнитные;

элегазовые;

автогазовые;

вакуумные.

К особой группе относятся выключатели нагрузки, рассчитанные на отключение токов нормального режима.

Выбор выключателей производят по следующим параметрам:

по напряжению электроустановки - U_УСТU_НОМ;

по длительному току I_РАБ.НI_НОМ; I_РАБ.НI_НОМ;

Проверка на электродинамическую стойкость выполняется по условиям I_П0I_ДИН; I_УI_М.ДИН, где I_П0 и I_У - расчетные значения периодической составляющей тока КЗ и ударного тока в цепи, для которой выбирается выключатель.

Выбрав выключатель по рассматриваемым параметрам, а следовательно, зная t_С.В. находим и для этого момента времени определяют периодическую (I_П) и апериодическую (I_А) составляющие тока КЗ.

Далее проверяют выключатель на ток отключения (I_П ) (I_ОТК) и на возможность отключения апериодической составляющей (i_А). Определяют процентное содержание (i_А) в токе :

и проверяют выполнение условия _НОМ

Если условие (I_П ) (I_ОТК) выполняется, а >_НОМ (велика доля апериодического тока), то в соответствии с ГОСТ 687-78 допускается выбирать выключатель по полному току:

При выборе выключателей по включающей способности достаточно, чтобы были выполнены условия

I_П0I_ВКЛ; i_УI_М.ВКЛ.

На термическую стойкость выключатель проверяют по расчетному импульсу квадратичного тока КЗ и найденным в каталоге значениям I и t:

Расчетным видом КЗ для проверки на электродинамическую и термическую стойкость является 3х фазное КЗ.

В РУ генераторного напряжения электростанций находят применение масляные малообъемные выключатели при токах отключения до 100 кА.

В цепях мощных блоков устанавливают воздушные выключатели воздушные выключатели.В РУСН станций, подстанций 6…10 кВ находят применение малогабаритные масляные малообъемные выключатели. В сетях напряжение 110 кВ могут быть установлены масляные малообъемные, воздушные выключатели. Чем выше напряжение, тем больше оказывается преимуществ у воздушных выключателей, а в электроустановках напряжением 330 кВ и выше применяются только воздушные выключатели. Перспективным является применение элегазовых выключателей в элегазовых РУ на все напряжения.

Выбор выключателей рекомендуется производить в табличной форме.

Номинальный ток отключения выключателя I_ОТКЛ дан в (ГОСТ687-78) для допустимого значения восстанавливающегося напряжения.

Переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) - это напряжение появляющееся на контактах полюса выключателя после погасания в нем электрической дуги.

Процесс восстановления напряжения может быть апериодическим, одно, двух и многочастотным.

ГОСТ 687-78 нормирует для выключателей характеристики восстанавливающего напряжения. Они заданы в виде граничных линий, определяющих допустимые пределы изменения восстанавливающего напряжения в месте установки выключателя, и линий запаздывания, учитывающих процесс запаздывания процесса восстановления электрической прочности дугового промежутка, свойственное прежде всего воздушным выключателям.

Характеристики ПВН нормированы для токов отключения, составляющих 100, 60 и 30% номинального.

,

где К_пг - коэффициент первого гасящего полюса (нормированное отношение возвращающегося напряжения на первом гасящем полюсе выключателя к наибольшему фазному рабочему напряжению), принимается равным 1,5;

К_а - коэффициент превышения амплитуды, значение К_а нормированы в зависимости от тока отключения: К_а100 = 1,4; К_а60=К_а30=1,5.

Линия запаздывания располагается параллельно линии ПВН в начальном участке и определена параметрами U=U_C/3, t=0.15t₃. Дополнительными параметрами является допустимая скорость восстановления напряжения (СВН), которая определяется как U_Н=U_C/t₃. Значения параметров t₃ и U_Н даны в таблице 6.

Таблица 6.

Примечание: В числителе - номинальное, в знаменателе - максимальное рабочее напряжение.

Для выключателей 110 кВ и выше условная граничная линия ПВА определяется параметрами U₁, U_C, t₁, t₂. Причем

U=K_aU₁, где К_пг..=1,3; К_а принимает значения, что и для выключателей до 35 кВ включительно.

Рис. «Нормированная кривая ПВН для выключателей 110 кВ.»

Линия запаздывания, параллельная граничной линии определяется параметрами U = 0.5 U₁ и t. Параметры t₁, t₂, t нормированы в зависимости от номинального тока отключения выключателей и отключаемого тока (100, 60, 30%). Так, например, t₁₀₀=2 мкс, , t₆₀=4 мкс, , t₃₀=8 мкс. Допустимая скорость СВН является дополнительным параметром и определяется отношением: U_H=U₁/t₁.

Выбор разъединителей, отделителей, короткозамыкателей, выключателей нагрузки

Разъединители предназначены для отключения и выключения цепей без тока и для создания видимого разрыва цепи в воздухе В электроустановках небольшой мощности разрешается отключать разъединители ненагруженные трансформаторы, включать и отключать нагрузочный ток линии до 15 кА при напряжении 10 кВ и ниже, отключать (в определенных пределах) зарядный ток ВЛ и КЛ и ток КЗ на землю. При этом полагается 3х полюсный разъединитель.

По конструкции различают рубящие, поворотные, качающиеся, катящиеся разъединители. Важным элементом электроустановки ВН является заземляющие разъединители. При напряжении до 500 кВ - заземляющие разъединители монтируются на общей раме с основным разъединителем и блокируется с ним механически.

Блокировка разрешает включение заземляющего разъединителя только при отключенном основном и наоборот. Разъединители могут выполняться с одним или 2я заземляющими ножами (число заземляющих ножей обозначается цифрой 1 или 2 после первой черточки: РНДЗ-1-200У/2000 или РЛНД-2-220/1000). В эл. установках со сборными шинами в качестве линейных - с двумя заземляющими ножами. При напряжении 750 кВ и выше целесообразна раздельная установка основного и заземляющего разъединителя. Специального типа разъединители - короткозамыкатели и отделители, применяемые на подстанциях, выполненных по упрощенной схеме.

Короткозамыкатели создают искусственное ККЗ на стороне ВН трансформатора п/станции с целью повышения чувствительности РЗА линии.

Отделители предназначены для автоматического отделения поврежденного участка цепи в бестоковую паузу АПВ. Отделители допускается отключать те же токи, что и разъединителю.

Воздушные короткозамыкатели и отделители выпускаются на напряжение 35…220 кВ. Серьезным недостатком их является относительно большое время действия и затрудненность действия в условиях низких температур и гололеда. Разработаны конструкции элегазовых отделителей и короткозамыкателей.

Выключатели нагрузки используются для отключения рабочего тока цепи. Для отключения токов КЗ выключатели нагрузки не предназначены, но включающая их способность должна быть достаточной для включения их на не устраненное КЗ.

В ряде случаев к выключателям нагрузки не напряжение 6…10 кВ пристраивают кварцевые предохранители типа ВСНГ для цепей генераторов мощных блоков, допускающая синхронизацию. На напряжение 110 и 220 кВ в схема подстанций для автоматического секционирования сети разрабатываются выключатели нагрузки, вакуумные или элегазовые, на одно, два и три направления. Разъединители, отделители и выключатели нагрузки выбираются по номинальному напряжение (U_НОМ), номинальному длительному току I_НОМ, а в режиме КЗ проверяют термическую и электродинамическую стойкость.

Для короткозамыкателей выбор по номинальному току не требуется.

Выключатели нагрузки проверяют дополнительно по току отключения:

I_{РАБ.УТЖ}I_ОТКЛ.

Расчетные величины для выбора перечисленных аппаратов те же, что и для выключателей. Для правильного выбора аппаратов необходимо учитывать их перегрузочную способность и температуру окружающей среды. Нормированная температура окружающей среды для аппаратов + 35⁰С, но лн более + 60⁰С и при условии снижения нагрузки, характеризуемого следующими коэффициентами:

При температуре ниже + 35⁰С, допустимый ток может быть увеличен на 20%:

Условия выбора аппаратов сводятся в таблицу.

Выбор токоограничивающих реакторов

Служат для ограничения токов КЗ в мощных электроустановках, что позволяет применять более легкие и дешевые выключатели и уменьшать площади сечения кабелей, а следовательно удешевлять РУ и распределительные сети.

Основная область применения реакторов - электрические сети напряжением 6…10 кВ. Иногда токоограничивающие реакторы используют в электроустановках напряжением 35 кВ, а также при напряжении ниже 1000 В.

Для ограничения тока КЗ в РУ применяют секционные и линейные реакторы. В нормальном режиме подстанции через секционные реакторы проходят небольшие токи и потери напряжения в них малы. При нарушении нормального режима работы, например отключении трансформатора, ВЛ через реактор проходят значительные рабочие токи и потери напряжения в них достигают 4…6% U_НОМ.

Секционные реакторы ограничивают ток КЗ в зоне сборных шин, присоединения генераторов, трансформаторов и сопротивления реакторов должно быть достаточным для того, чтобы ограничивать ток КЗ до значений соответствующих параметрам намечаемых к установке выключателей. Номинальный ток секционного реактора должен соответствовать мощности, передаваемой от секции к секции при нарушении нормального режима.

Обычно принимают

I_Р.НОМ.(0,6…0,7)I_R._НОМ.;

Х_Р = 0,2…0,35 Ом.

Задав сопротивление реактора, рассчитывают ток КЗ на шинах установки. Если ток остается больше ожидаемого, следует изменить сопротивление реактора и повторить расчет.

Линейные реакторы включают последовательно в цепь отходящей линии, они хорошо ограничивают ток КЗ в распределительной сети и поддерживают остаточное напряжение U_ОСТ. на шинах установки при КЗ на одной из линий. Последнее благоприятно сказывается на потребителях электроэнергии, и по условиям самозапуска электродвигателей нагрузки U_ОСТ. должно составлять не менее (60…70)% от U_Н.

Для ограничения тока КЗ целесообразно иметь, возможно, большее индуктивное сопротивление реактора. Однако значение Х_Р должно быть ограничено допустимым ограничением потери напряжения в реакторе при нормальном режиме работы установки (1,5…2% номинального).

Основные параметры реакторов следующие:

U_{НОМИНАЛЬНОЕ};

I_{НОМИНЛЬНЫЙ};

Х_Р - индуктивное сопротивление;

I_mДИН - ток динамической стойкости, (амплитудное значение).

I_Т - ток термической стойкости;

t_Т - допустимое время действия тока термической стойкости.

При большом числе линий применяют групповые реакторы, то есть один реактор на несколько линий. Затраты, связанные с установкой реактора, в этом случае уменьшаются, однако и уменьшаются токоограничивающие свойства реактора с большим номинальным током при заданном значении потери напряжения. Сдвоенные реакторы лишены недостатков групповых реакторов. К среднему выводу реактора присоединены источники питания, а потребители подключаются к крайним выводам. Сдвоенные реакторы характеризуются номинальным напряжением, номинальным током ветви и сопротивлением одной ветви Х_Р= Х_В=L при отсутствии тока в другой. При эксплуатации стремится к равномерной загрузке ветвей (I₁=I₂=I)/

В нормальном режиме работы установки потеря напряжения в ветви реактора с учетом взаимной индукции ветвей определится как:

,

где R_C=M/L - коэффициент ветвей реактора. Если Х_В=L, то индуктивное сопротивления ветви с учетом взаимной индукции

Обычно коэффициент связи R_C близок к 0,5, тогда Х_B=0,5Х_В, то есть потеря напряжения в сдвоенном реакторе вдвое меньше по сравнению с обычным реактором. При КЗ одной из ветвей, ток в ней значительно превышает ток в неповрежденной ветви. Влияние взаимной индукции мало, и Х_Р=Х_В, то есть сопротивление реактора при КЗ вдвое больше, чем в нормальном режиме. Рассмотрим порядок выбора линейных реакторов. Реакторы выбираются по номинальному напряжению и номинальному току:

Индуктивное сопротивление реактора выбирается исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня, определяемого коммутационной способностью выключателей, которые устанавливаются в данной сети.

Например, на линиях часто устанавливаются выключатели ВМ-10К с током отключения I_ОТК=20 кА.

Первоначально известно значение периодической составляющей тока КЗ I_П0, которое с помощью реактора необходимо уменьшить. Результирующее сопротивление цепи КЗ до места присоединения реакторов можно определить по выражению.

Начальное значение периодической составляющей тока за реактором должно быть равно току отключения выключатели: I_П0К2=I_ОТКЛ

Сопротивление цепи КЗ до точки К2 за реактором:

Рис. 8.6 Схема замещения для определения сопротивления реактора.

Разность полученных сопротивлений дает необходимое сопротивление реактора:

Х_Р=Х_{РЕЗ К2}-Х_РЕЗК1.

По каталогу выбирают тип реактора с ближайшим большим значение Х_Р и рассчитывают действительное значение периодической составляющей тока КЗ за реактором. Выбранный реактор необходимо проверить на электродинамическую стойкость:

i_У I_MДИН,

где i_{У -} ударный ток 3х фазного КЗ за реактором:

Проверка на термическую стойкость проводится по условию:

где В_К - расчетный импульс квадратичного тока при КЗ за реактором.

При этом в значение t_ОТКЛ входит время действия РЗА отходящих линий, составляющее 1…2 секунды.

Необходимо также определить потерю напряжения в реакторе и остаточное напряжение на шинах установки (в %):

И сравнить полученные значения с допустимыми.

Выбор трансформаторов тока

Измерительные ТТ предназначены для уменьшения первичных токов до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики.

ТТ характеризуются номинальным первичным током I_1НОМ (стандартная шкала номинальных первичных токов содержит значения от 1 до 40000 А) и номинальным вторичным током I_2НОМ, который принят равным 5 или 1 А.

Отношение I_1НОМ к I_2НОМ - представляет собой коэффициент трансформации К= I_1НОМ/ I_2НОМ.

ТТ характеризуются токовой погрешностью и угловой погрешностью в минутах.

В зависимости от токовой погрешности измерительные ТТ разбиты на 5 классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности ТТ при I₁ равном 1…1,2 номинального. Для лабораторных измерений класс точности -0,2; для подсоединения электросчетчиков класс 0,5; для подсоединения щитовых измерительных приборов класс точности - 1…3.

Нагрузка ТТ - это полное сопротивление внешней цепи Z₂ выраженное в Омах. Сопротивления r₂ и x₂ представляют собой сопротивление приборов, проводов и контактов.

Нагрузка ТТ может также характеризовать полная (кажущаяся мощность)

.

Под номинальной нагрузкой ТТ Z_2НОМ понимают нагрузку, при которой погрешности не выходят за пределы, установленные для ТТ данного класса точности. Значение Z_2НОМ дается в каталогах.

Электродинамическая прочность ТТ характеризует номинальный током динамической стойкости I_{М ДИН} или отношением

.

Термическая стойкость определяется номинальным током термической стойкости I_T или отношением R_T=I_T/I_1НОМ и допустимым временем действия тока термической стойкости t_T.

По конструкции ТТ различают на:

катушечные;

одновитковые (типа ТПОЛ);

многовитковые (с литой изоляцией) типа ТПЛ и ТЛМ.

ТТ типа ТЛМ предназначены для КРУ и конструктивно совмещены с одним из штепсельных разъемов первичной цепи ячейки. Для больших токов применяют ТТ типа ТШЛ и ТПШЛ, у которых роль обмотки - первичный выполняет шина. Электродинамическая стойкость таких ТТ определяется стойкостью шины. Для ОРУ выпускаются ТТ типа ТФН, в фарфоровом корпусе с бумажно-масляной изоляцией и каскадного типа - ТРН. Для РЗА имеются специальные конструкции. На выводах масляных баков выключателей и силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и выше устанавливаются встроенные ТТ.

Таблица 7. «Условия выбора ТТ»

Подробнее остановимся на расчете нагрузки Z₂. Индуктивное сопротивление токовых цепей невелик, поэтому Z₂r₂.

Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов, соединительных проводов и переходного сопротивления контактов:

r₂=r_ПРИБ + r_КОНТТ+ r_ПРОВ.

Сопротивление приборов

где S_ПРИБ. - мощность, потребляемая приборами.

Для подсчета S_ПРИБ рекомендуется табличная форма 8.

Таблица 8. «Расчет S_ПРИБ ВА»

ТТ установлены во всех цепях (цепи генераторов, трансформаторов, линий и пр.). Необходимо учесть схемы включения и распределения приборов по комплектам или сердечника ТТ [23,40].

Сопротивление контактов r_К принимают равным 0,05 Ом при 2х-3х и 0,1 Ом - при большем числе приборов. Зная Z_2НОМ, определяем допустимое сопротивление

r_ПР = Z_2НОМ - r_ПРИБ -r_КОНТ

и площадь сечения проводов; l_РАСЧ.- расчетная длина, зависящая от схемы соединения ТТ и расстояния l от ТТ до приборов: при включении в неполную звезду при включении в звезду при включении в одну фазу

Для разных присоединений принимаются следующие длины соединительных проводов (м).

Для подстанций указанные длины снижаются на 15…20%.

Полученные площади сечений не должны быть меньше 4 мм² для проводов с алюминиевыми жилами и 2,5 мм² - с медными. По условиям механической прочности.

Провода сечение более 6 мм² обычно не применяются.

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные ТН характеризуются номинальным значением первичного напряжения, вторичного напряжение (обычно 100 В или 100/3), коэффициент трансформации К=U_1НОМ/ U_2НОМ. В зависимости от погрешности различают следующие классы точности ТН: 0,2; 0,5; 1; 3.

Вторичная нагрузка ТН - это мощность внешней вторичной цепи под номинальной вторичной нагрузкой S_2НОМ понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для ТН данного класса точности.

В электроустановках напряжением до 18 кВ применяются 3х фазные и 1-о фазные ТН, при более высоких напряжениях - только однофазные.

При напряжении до 20 кВ имеется большое число типов трансформаторов напряжения:

сухие (НОС);

масляные (НОМ, 3 НОМ, НТМИ, НТМК) с литой изоляцией (ЗНОЛ).

Следует отличать однофазные 2х обмоточные ТН-НОМ от однофазных 3х обмоточных ТН ЗНОМ. ТН ЗНОМ-15-20-24 и ЗНОЛ-06 устанавливаются в комплектных токопроводах мощных генераторов.

В эл. установках напряжением 110 кВ и выше применяются ТН каскадного типа НКЖ и емкостные делители напряжения НДЕ.

В зависимости от назначения могут применяться разные схемы включения ТН.

Два однофазных ТН, соединенных в неполный треугольник, позволяют измерить 2 линейных напряжения. Такая схема целесообразна для подключения счетчиков и ваттметров. Для измерения линейных и фазных напряжений могут быть использованы 3 однофазных ТН, соединенных по схеме «Звезда-Звезда» или 3х фазный типа НТМИ, третья обмотка которого соединена в разомкнутый треугольник и используется для присоединения реле защиты от замыканий на землю. Так же соединяются в 3х фазную группу однофазные 3х обмоточные ТН ЗНОМ и НКФ,

ТН выбирают по условиям U_УСТ U_1НОМ, S₂ S_2НОМ.

За мощность S_2НОМ принимают мощность всех 3х фаз однофазных ТН, соединенных по схеме звезды и удвоенную мощность однофазного ТН, включенного по схеме неполного треугольника.

Для подсчета S₂ рекомендуется табличная форма (9). Перечень измерительных приборов для расчетной цепи принимается на основании рекомендаций [ ]. Расчетную нагрузку приборов для упрощения расчетов не разделяют по фазам, тогда получают

Таблица 9. “Расчет нагрузки ТН”

Итого…

При определении вторичной нагрузки сопротивление соединительных проводов не учитывается, так как оно мало, однако сопротивление проводов создает дополнительную потерю напряжения.

Согласно ПУЭ потери напряжения в проводах от трансформаторов напряжения к счетчикам не должны превышать -0,5%, а в проводах к щитовым измерительным приборам - 3%.

Площадь сечения проводов принимают:

1,5 мм² - медных, 2,5 мм² - алюминиевых.

Выбор и расчет токоведущих частей аппаратов, шин, проводов и кабелей

Выбор и расчет токоведущих частей аппаратов и проводников - важнейший этап проектирования любой электроустановки, от которого в значительной степени зависит надежность ее работы.

При выборе токоведущих частей необходимо обеспечить выполнение ряда требований, вытекающих из условий работы.

Аппараты и проводники должны:

Длительно проводить рабочие токи без чрезмерного повышения температуры;

Противостоять кратковременному электродинамическому и тепловому действию токов КЗ;

Выдерживать механические нагрузки, создаваемые собственной массой и массой связанных с ними аппаратов, а также усилия, возникающие в результате атмосферных воздействий (ветер, гололед), это требование учитывается при расчете ЛЭП и РУ;

Удовлетворять требованиям экономичности электроустановки;

Один из важнейших вопросов - обеспечение термической стойкости аппаратов и проводников, что является следствием потерь мощности в них.

Составляющими этих потерь являются:

Потери в токоведущих частях, обмотках, контактах;

Потери от вихревых токов в металлических частях, особенно в ферромагнитных;

Потери в магнитопроводах трансформаторов, электромагнитов;

Потери в диэлектриках.

Для аппаратов и проводников эти потери являются сложной функцией тока, напряжения и частоты. Не учитывая, что при протекании по проводника частоты и напряжение меняется незначительно, то можно считать, что потери мощности пропорциональны квадрату тока.

Различают два основных режима нагрева токоведущих частей:

Длительный нагрев рабочим током; этот режим характеризуется тепловым равновесием, в нем проводники приобретают определенную (установившуюся температуру);

Кратковременный нагрев током КЗ; в этом режиме температура проводника непрерывно растет, так как теплота выделяется во много раз больше, чем в нормальном режиме, она не успевает отводиться и тепловое равновесие не устанавливается.

Допустимые температуры в каждом режиме различны и определяются рядом требований;

Обеспечить экономически целесообразный срок службы изоляции;

Обеспечить надежную работу контактной системы;

Не допускать заметного ухудшения механически свойств металла токоведущих частей;

Не допускать разрушение изоляции.

Рассматривая вопрос о допустимых температурах аппаратов и проводников, необходимо определить понятия о наблюдаемых температурах и температурах в наиболее нагретых точках аппаратов (машин).

Под наблюдаемыми температурами понимают температуры, найденные простым измерением. Они на 5…15 ⁰С отличаются от температуры, в наиболее нагретых точках.

Для кабелей длительно допустимые температуры определены в зависимости от номинального напряжения и конструкции кабеля:

Для одножильных кабелей всех напряжений и 3х жильных кабелей 3 кВ - 80⁰С; для трехжильных кабелей 6 кВ - 65⁰С; 10 кВ - 60⁰С; 20 и 35 кВ - 50⁰С;

Допустимые конечные температуры для кратковременного нагрева при КЗ значительно выше допустимых температур при длительной работе, так как износ изоляции и интенсивность окисления контактов определяются не только температурой, но и длительностью теплового воздействия. Допустимые конечные температуры ( в ⁰С) при КЗ приведены ниже:

Неизолированные части аппаратов и проводников

Силовые кабели до 10 кВ включительно с бумажной изоляцией и эмалями:

Силовые кабели 20…35 кВ с бумажной изоляцией175

Силовые кабели с резиновой изоляцией, а так же провода

С резиновой и полихлорвиниловой изоляцией200

Таким образом, исходя из рабочего режима, токоведущие элементы выбирают по условиям рабочего режима и проверяют на термическую и электродинамическую стойкость при токах КЗ.

При выборе токоведущих частей по условиям рабочего режима учитываются два фактора:

Нагрев проводника длительным рабочим током;

требования экономичности установки.

Допустимая температура нагрева шин - 70⁰С;

Температура окружающей среды - 25⁰С; Превышение температуры шин над температурой окружающего воздуха - 45⁰С.

Теплоотдача шин пропорциональна превышению ее температуры над температурой воздуха, а потеря энергии пропорциональна квадрату тока

где - нормированное и принимаемое превышение температуры шины над температурой воздуха.

Для шин прямоугольного сечения шириной до 60 мм, расположенных плашмя, допустимый ток снижается по сравнению с табличным значением на 5%, и шириной больше 60 мм - 8%. Для кабелей таблицы длительно допустимого тока составлены в расчете на одиночный кабель, проложенный в земле при температуре почвы +15⁰С или на воздухе при температуре +25⁰С. При других условиях необходимо вводить поправочные коэффициенты на температуру почвы, воздуха (К1) и на число кабелей в траншее (к₂) [23, 59], то есть

I_ДОП=К₁К₂ I_ДОП.

Кабели отходящих линий (к потребителям) прокладываются обычно в земле в траншеях. Кабели генераторных, трансформаторных цепей, РУ и линии к двигателям собственных нужд, как правило, имеют небольшую длину и прокладываются в кабельных каналах, туннелях, открытых шахтах, и их выбор по условиям длительного нагрева производится, как для кабелей, проложенных на открытом воздухе. Для кабелей прокладываемых к механизмам собственных нужд в котельном и турбинному цехах, следует учитывать высокую температуру воздуха в этих цехах.

При выборе сечения проводников, учитывающих условия рабочего режима, необходимо также учитывать расход проводникового материала и потери энергии в проводниках. При заданном рабочем токе увеличение площади сечения проводника связано с увеличением затрат на сооружение РУ, шинной или кабельной линий и соответствующих отчислений на амортизацию и ремонт. Но одновременно уменьшаются потери энергии, стоимость которых входит в суммарные эксплуатационные расходы. Последние являются, таким образом, функцией сечения проводника: из минимум определяет экономичное сечение проводника.

Плотность тока, соответствующую минимуму суммарных эксплуатационных расходов называют экономической плотностью тока, которое является функцией многих величин, из которых главными является стоимость проводникового материала, стоимость энергии и продолжительность использования максимальной нагрузки T_MAX установки.

«Экономическая плотность тока, А/мм²» Таблица 10.

Примечание. Числа без скобок относятся к Европейской части, Дальнему востоку. В скобках к Центральной Сибири.

В курсовом проекте при выборе кабелей к потребителям на генераторном напряжении можно принимать Т_МАХ =3000…5000ч. Для шин связи генераторов и трансформаторов на ТЭС и АЭС Т_МАХ5000, на ГЭС - Т_МАХ<3000 ч.

Таким образом по условиям рабочего режима определяется 2е площади сечения проводников: S_ЭК, при которой обеспечивается минимум эксплуатационных расходов;

S_ДОП - при которой температура проводника не превышает допустимой при длительной работе. Однако определяются эти две площади по разным рабочим токам. Первая - по рабочему току нормального режима.

вторая - по току утяжеленного режима, то есть S_ДОП определяется из условия I_ДОП I_{РАБ.УТЖ.}

Принимается большая площадь сечения.

Под нормальным рабочим режимом установки или ее части понимают режим, предусматривающий план эксплуатации, при котором все элементы рассматриваемой установки находятся в рабочем состоянии. Утяжеленным называется режим при вынужденном присоединении вследствие их повреждения или в связи с профилактическим ремонтом. При этом рабочие токи других присоединений могут заметно увеличиваться и значительно превышать рабочие токи нормального рабочего режима. При отключении одной из двух параллельных ВЛ и КЛ или одного из 2х параллельно включенных трансформаторов нагрузка второй линии ли второго трансформатора увеличивается вдвое против ее нормального значения. Такой режим допускается в течении ограниченного времени (до нескольких суток) необходимого для восстановления нормального режима. Пропускную мощность линии, номинальную мощность трансформаторов выбирают с учетом таких режимов. При этом может быть использована перегрузочная способность силовых трансформаторов, кабелей 6-10 кВ и некоторых других элементов. Рабочие токи в шинах и проводах РУ в утяжеленном режиме не должны превышать номинальных значений во избежание повреждения контактных соединений и аппаратов, к которым они примыкают.

Для того, чтобы определить расчетные рабочие токи присоединенной ВЛ и КЛ, необходимо найти распределение тока в сети для заданных нагрузок при нормальном режиме и при отключении одной из линии. Отношение расчетных токов утяжеленного и нормального режимов зависит от схемы сети: Обычно оно равно 1,5…2,0. Расчетные рабочие токи сборных шин зависят от рабочих токов присоединений, их взаимного расположения в РУ, а также от вида сборных шин (одиночные, двойные, кольцевые и тому подобное) и режима установки. Для выбора площади сечения шин по утяжеленному режиму следует выявить ожидаемые рабочие токи на отдельных участках РУ при наиболее неблагоприятных условиях. Если рабочие токи на этих участках резко различны, шины могут быть выбранными «ступеньками» - с площадью сечений, соответствующих рабочим токам участков. Площадь сечения шин должна быть достаточной для передачи рабочего тока наиболее мощного агрегата. В ЗРУ до 20 кВ включительно шины выполняют из полос прямоугольного сечения. Они более экономичны, чем с круглыми, так как при равной площади сечения имеют большую боковую поверхность охлаждения, меньший коэффициент поверхностного эффекта и больший момент сопротивления (по одной оси). Наибольшие размеры сечения однополосных алюминиевых шин 12010 мм I_ДОП = 2070 А. При больших токах применяют многополосные шины - пакеты из 2х-3х полос на фазу. В многополосных шинах на переменном токе вследствие эффекта близости ток по сечению распространяется неравномерно. В 3х полосных пакетах в крайних полосах протекает до 40%, а в средней - 20% полного тока фазы.

При рабочих токах, превышающих допустимые для 2х полосных шин, следует применять коробчатые шины - пакет из 2х швеллеров на фазу , а при еще больших токах - трубчатые шины квадратного и круглого сечения.

Критерием термической стойкости аппарата и проводника является их конечная температура при КЗ, которая должна быть меньше допустимой. За время протекания тока КЗ температура проводника возрастает до 200…300⁰С, необходимо учитывать зависимость сопротивления проводника и его теплоемкости от температуры. Для определения конечной температуры проводника обычно используют вспомогательную функцию А, характеризующую связь между выделившейся в проводнике энергии и его температурой (рис. 7-1) «Кривые для определения температуры нагрева токами КЗ проводника из стали (1), алюминия (2), меди (3).

Количество, выделившейся в проводнике теплоты принято характеризовать импульсом квадратичного тока - (А_Н), при температуре в конце КЗ (А_К), импульсом В_К и площадью сечения проводников S существует зависимость

А_К-А_Н = В_К/S²,

откуда

А_К = В_К/S² +А_Н.

По значению А_Н определяют температуру _К в конце КЗ. Проводники термически устойчивы, если _КК.ДОП.

Чаще всего проводники проверяют на термическую стойкость по минимальной площади сечения проводника:

где А_К.ДОП - величина характеризующая допустимое тепловое состояние проводника в конце КЗ при температуре _К.ДОП (_К.ДОП.=300 ⁰С для медных проводников и при _К.ДОП.=200 ⁰С для алюминиевых проводников); значение А_Н находится по кривым 7.1 при _К.ДОП.=70 ⁰С.

«Значение коэффициента С»

Если нагрузка проводника меньше допустимой по условиям нагрева, то есть I_Н<I_{Н. ДОП}, то проводник будет нагреваться в нормальном режиме до температуры, меньше допустимой:

где ₀ - расчетная температура окружающей среды (+25 для шин , +15⁰С для кабеля).

После определения S_MIN условие термической стойкости проводника запишется в виде : S_MIN S_РАСЧ. , где S_РАСЧ. - площадь сечения проводника, выбранная по условиям рабочего режима.

Импульс квадратичного тока КЗ для мощны современных генераторов при удаленном КЗ определяется [61]:

,

где t_ОТКЛ.= t₃+ t_В, t_З - время действия РЗ; t_В - полное время отключения выключателя; T_а - постоянная времени цепи КЗ.

Проверка шин на динамическую стойкость сводится к механическому расчету шинной конструкции при КЗ. Эл. динамические сила, возникающая при КЗ носит колебательный характер и имеет периодическую составляющую с частотой 50 Гц и 100Гц. Эти силы приводят шины и изоляторы, представляющие собой динамическую систему, в колебательное движение. Деформация элементов конструкции и соответствующие напряжения в материала зависят от составляющей электродинамической силы и от собственной частоты элементов, приведенных в колебание.

Особенно большие напряжения возникают в условиях резонанса, когда собственные частоты системы шины-изоляторы оказываются близки к 50 и 100 Гц. В этом случае напряжения в материале шин и изоляторов могут в 2…3 раза превышать напряжения, рассчитанные по максимальной электродинамической силе при КЗ, вызванной ударным током КЗ.

Если же собственные частоты системы меньше 30 или более 200 Гц то мианического резонанса не возникает и проверка шин на электродинамическую стойкость производится в предположении, что шины и изоляторы являются статической системой с нагрузкой, равной максимальной электродинамической силе при КЗ.

При проектировании новых РУ с жесткими шинами, определяется частота собственных колебаний по следующим выражением:

для алюминиевых шин.

для медных шин,

где l - пролет между изоляторами, м;

J - момент индукции поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной направлению изгибающей силы, см⁴;

S- площадь сечения шины, см^2.

Изменяя длину пролета и форму сечения шин, добиваются того , чтобы механический резонанс был исключен, то есть чтобы ₀ >200 Гц. Если этого добиться не удается, то производится специальный расчет шин с учетом динамических усилий, возникающих при колебаниях шинной конструкции.

При расчете шин как статической систем, исходя из допущения, что шина каждой фазы является многопролетной балкой, свободно лежащей на жестких опорах с равномерно распределенной нагрузкой. В этом случае -изгибающий момент определяется выражением

где f- сила, приходящаяся на единицу длины шины, Н/м.

В наиболее тяжелых условиях находится средняя фаза, которая принимается за расчетную; за расчетный вид КЗ принимаются 3х фазные.

Максимальная сила, приходящаяся на единицу длины средней фазы при 3х фазном КЗ.

где i_У - ударный ток КЗ, А.

а - расстояние между осями смежных фаз, м:

Напряжение в Мпа возникающее в материале шины,

где W- момент сопротивления шины, м³.

В графической части проекта схемы электрических соединений подстанции выполняется однолинейной на листе ватмана формата 1 576814 мм. Условные графические обозначения должны быть сделаны в соответствии с Единой системой конструкторской документации. Компоновка всех элементов должна быть выполнена, такой, чтобы получился более наглядный и выразительный чертеж с правильным соотношением размеров обозначений машин, аппаратов и измерительных приборов, четкими пояснениями к ним.

План подстанции в разрезе по ячейке трансформатора выполняется на миллиметровой бумаге формата 22-24. При выполнении конструктивных чертежей следует использовать [1, гл. 10; 3, #6-3, 6-5; 5, #5-3, 26-4, 26-5].

Список литературы

Васильев А.А, Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф., и др. Электрическая часть станций и подстанций: Учебник для Вузов / Под редакцией А.А. Васильева- М. Энергия, 1980 г-608 стр.

Неклепаев Б.Н. «Электрическая часть станций»- М. Энергия, 1976 г-475 стр.

Рожкова Л.Д., Козулин В.В. Электрооборудование станций и подстанций - М. Энергия, 1987 г-600 стр.

Усов С.В. Электрическая часть электростанций, - М. Энергия, 1977 г-420 стр.

Справочник по электроснабжению предприятий. Промышленные электрические сети./ Под общей редакцией Федорова А.А и Сербинского Г.В, - М. Энергия, 1980 г-576 стр.

Гук Ю.Б. и др. «Проектирование электрической части станций и п/станций» Л. Энергоатомиздат, 1985 г - 312 с.

«Электрическая часть станций и по/станций»: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования /Под редакцией Б.Н. Неклепаева. - М.-Энергия, 1986

Методические указания по выбор трансформаторов на п/ст 35…220 кВ для курсового и дипломного проектирования. -Кострома, КГСХА, 1997 г.

Методические указания по выбору эл. аппаратов для курсового и дипломного проектирования.