Задание

1. Выбрать электрическую схему главной понизительной подстанции.

2. Вычислить токи короткого замыкания для выбора оборудования.

3. Выбрать оборудование ГПП.

4. Выбрать и рассчитать комплекс защит линии, отходящей от ГПП к РП.

Исходные данные

1. Мощность системы S_С=1500МВА.

2. Длина линии 110 кВ L_Л1= I_Л2=20 км.

3. Мощность трансформаторов 110/10кВ S_{ном т1}= S_{ном т2}=25МВ·А.

4. Напряжение короткого замыкания u_к=10,5%.

5. Мощность, необходимая для собственных нужд подстанции 50кВ·А.

6. Максимальная нагрузка предприятия S_рм=25МВ·А.

7. Нагрузка РП Р_мрРП=5МВт.

8. cos φ = 0,95

Выберем схему ГПП с разъединителями и короткозамыкателями без выключателей и сборных шин на стороне высшего напряжения, так как такая схема является наиболее экономичной. На стороне низшего напряжения используем КРУ выкатного исполнения с двумя секциями шин.

Принципиальная силовая схема ГПП представлена на рис. 1.

Расчет токов короткого замыкания

Номинальный режим работы электроустановки характеризуется номинальными параметрами: U_ном. S_ном. I_ном. X_ном. Для того чтобы сопротивление схемы замещения были соизмеримы, ипользуют относительные единицы приведенные к базисным условиям

Ввиду отсутствия данных о воздушной линии 110кВ, примем ее сечение З×95мм².

Примем базисную мощность 100МВ·А.

Для точки к-1 базисное напряжение U_б1=115кВ.

Составим расчетную схему рис. 2

Рисунок – 2

Рисунок – 3

Вычислить базисные относительные сопротивления (для точки К-2):

Упрощаем схему замещения в точке К – 2 до вида:

Рисунок – 4

Определим результирующее полное сопротивление до точки к.з.

Определим ток короткого замыкания

Определим ударный ток

Вычислив значение постоянной времени Т_а по рис. 3.2 [2] определим значение ударного коэффициента: К_у=1,8.

Для точки к-2 базисное напряжение U_б2=10,5кВ.

Определим мощность короткого замыкания в момент отключения выключателя

Вычислим базисные относительные сопротивления (для точки К-1)

Рисунок 4 – схема замещения для точки К-1

Упрощаем схему замещения в точке К – 1 до вида:

Рисунок – 6

2,47 < 3 => применяем графоаналитический метод расчета.

По расчетным кривым определяем кратность периодической составляющей I₀ к.з. для моментов времени: 0с; 0,2с; ∞.

К_п0 = 3,4; К_пτ = 2,4; К_п∞ = 2,0.

Определим действующее значение периодического тока замыкания в различные моменты времени

I₀ = I_ном.u · К_п0 = 7,53 · 3,4 = 25,6 кА

I_τ = I_ном.u · К_пτ = 7,53 · 2,4 = 18,1 кА

I_∞ = I_ном.u · К_п∞ = 7,53 · 2,0 = 15,1 кА

Определим ток ударный в точке К – 1

i_у = 1,41· I₀ · K_у = 1,41 · 25,6 · 1,8 = 65,2 кА

Определим мощность короткого замыканияв момент отключения выключателя

S_τ = 1,73· I_τ · U_б = 1,73 · 18,1 · 115 = 3605 МВ · А

Выбор высоковольтного оборудования

Все высоковольтное оборудование выбирают по номинальным параметрам:

– по номинальному току (по условию нагрева);

– по номинальному напряжению (пробой изоляции).

После того как выбрали оборудование, по этим параметрам проводят проверку на термическую и электродинамическую устойчивость току короткого замыкания.

Кроме того, некоторое оборудование имеет специфические условия проверки: высоковольтные выключатели проверяют на отключающую способность по току и мощности короткого замыкания. Для того чтобы обеспечить требуемый класс точности измерительных приборов, измерительные трансформаторы 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:

I_дл.доп.≥ I_м.р.,

Определяем максимально расчетный ток, кА:

,

где U_ном. – номинальное напряжение на низшей стороне трансформатора, кВ.

I_дл.доп = 2820А ≥ I_м.р.= 2020А.

По [2] выбираем коробчатые шины.

Данные сечения шин проверяем на термоустойчивость к току короткого замыкания (q) находим по [2]: q = 775 мм²; α = 11.

Определяем минимально допустимое сечение:

q_min = α ∙ I_∞ ∙ √ t_п,

q_min= 11 ∙ 15,1 ∙ = 105,5 мм²

где q_min - минимально допустимое сечение, при котором ток короткого замыкания не нагревает шину выше допустимой температуры, мм²;

Определяем приведенное время короткого замыкания:

t_n = t_n.n + t_n.а,

t_n = 0,39 + 0,014 ≈ 0,4

где t_n.n – периодическая составляющая приведенного времени;

t_n.а – апериодическая составляющая приведенного времени;

Определяем апериодическую составляющую приведенного времени:

t_n.а 0,005 ∙ (β'')²,

t_n.а = 0,005 ∙ (1,7) ² = 0,014

Определяем кратность тока:

β'' ₌

I_o = I'',

где I'' – переходный ток;

β'' – кратность тока.

q _min < q

105,5 < 775

Выбранные шины по нагреву проходят, так как выполнятся условие.

Проверяем выбранные шины на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:

G_доп. ≥ G_расч.,

где G_доп - дополнительное механическое напряжение в материале шин, (справочная величина зависит от материала шин);

G_расч. – расчетное механическое напряжение в шинной конструкции, в результате действия электромагнитных сил при коротком замыкании.

где F_расч – расчетная сила, действующая на шинную конструкцию, на изгиб, в момент протекания ударного тока;

W – момент сопряжения шины, по [2] W =48,6 ∙ 10^-6 м³.

где l - длина пролета: в КРУ l = 1м;

а – расстояние между соседними фазами: в КРУ а =0,45 м;

80 МПа > =3,15 МПа.

Так как G_доп = 80 МПа, а G_расч = 3,15 МПа, то выбранные шины по электродинамической устойчивости проходят.

Выбираем опорные изоляторы

Выбираем изоляторы по номинальному напряжению, U_ном., кВ:

U_ном. ≥ U_уст.,

U_ном. = 6кВ; = U_уст = 6кВ

По [2] выбираем опорные изоляторы типа ИО – 10–3.75 У3.

Выбранные изоляторы проверяем на электродинамическую активность к токам короткого замыкания:

F_доп. ≥ F_расч.,

где F_доп – дополнительная сила, Н;

F_расч – расчетная сила, действующая на изолятор, на изгиб, в момент протекания ударного тока;

По [2] определяем дополнительную силу:

F_доп. = 0,6 ∙ F_разр. = 0,6 ∙ 3675 = 2205Н;

F_разр = 9,8 ∙ 375 =3675 Н;

F_расч =1526 Н

F_доп. = 2205Н > F_расч = 1526 Н

Следовательно, условие на электродинамическую 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 выбираем вакуумный выключатель. Преимуществами вакуумного выключателя являются: высокая электрическая прочность вакуума и быстрое восстановление электрической прочности; быстродействие и большой срок службы, допускающий большое число отключении номинального тока без замены камеры; малые габариты, бесшумность работы, удобство обслуживания; пригодность для частых операций.

Выбираем выключатель максимальному току:

I_ном ≥ I_м.р,

3150А > 2020 А.

По [2] выбираем тип вакуумного выключателя: ВВЭ – 10 – 31,5 / 3150 У3.

Выбираем выключатель по напряжению:

U_ном. ≥ U_п/ст,

U_ном.=10 кВ = U_п/ст =10 кВ

Проверяем выключатель термоустойчивость к токам короткого замыкания:

где I_{ном т.у} – номинальный ток термоустойчивости, кА;

t_т.с. – время срабатывания, с; t_т.с = 3

По [2] номинальный ток термоустойчивости, I_{ном т.у} = 31,5 А

I_{ном т.у} =31,5 кА > 5,4 кА

Условие проверки на термоустойчивость к токам короткого замыкания выполняется.

Проверяем выбранный выключатель на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:

i_м ≥ i_у,

где i_м – предельный сквозной ток, кА;

i_у – ударный ток, (62,5кА).

По [2] предельный сквозной ток, i_м = 80 кА.

i_м = 80 кА > i_у = 62,5кА.

Условие проверки на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания выполняется.

Проверяем выбранный выключатель на отключающую способность по току и мощности короткого замыкания:

I_{ном.откл} ≥ I_τ,

S _{ном.откл} ≥ S_τ,

где S _{ном.откл} – номинальная мощность отключения, МВ ∙ А;

I_{ном.откл} – номинальный ток отключения, кА.

Определяем номинальную мощность отключения, МВ ∙ А:

S _{ном.откл} = ∙ I_{ном.откл} ∙ U_ср.1 = ∙ 31,5 ∙10,5 = 572 МВ∙А

По [2] I_{ном.откл} =31,5 кА. Следовательно:

I_{ном.откл} =31,5 кА > I_τ=18,1 кА;

S _{ном.откл} = 572 МВ ∙А > S_τ= 188,5 МВ ∙А

Условия на отключающую способность по току и мощности короткого замыкания выполняется.

Таблица 5. Выбор вводного вакуумного выключателя

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 S ном.откл ≥ Sτ	Iном = 3150 А Uном. = 10 кВ Iном т.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 приборов к трансформатору напряжения

Выбираем трансформатор тока по номинальному току

I_ном ≥ I_м.р,

I_ном = 3000 > I_м.р = 2020 А

Выбираем трансформатор тока по номинальному напряжению:

U_ном. ≥ U_п/ст,

По [2] определяем номинальное напряжение:

U_ном = 10 кВ = U_п/ст = 10 кВ

По [2] выбираем трансформатор тока типа: ТШЛ-10/3000.

Выбранный трансформатор тока проверяем на термоустойчивость к токам короткого замыкания:

где I_ном1 – номинальный ток первичной цепи, кА;

К_т.с. – коэффициент термической стойкости;

t_т.с – время термической стойкости.

По [2] К_т.с = 35. Следовательно:

35 > 6,6

Условие проверки на термоустойчивость к токам короткого замыкания выполняется.

Выбранный трансформатор тока проверяем на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:

где К_дин. – кратность динамической устойчивости;

I_ном.1 – номинальный ток, кА.

По [2] кратность динамической устойчивости, К_дин = 100 А.

К_дин = 100 А > К_{дин.расч} = 14,7 кА.

Условие по электродинамической устойчивости к токам короткого замыкания выполняется.

Выполним проверку по допустимой вторичной нагрузке:

Z_2доп. Z₂,

где Z_2доп – полное допустимое сопротивление вторичной нагрузки

для класса точности равный 0,5, Ом;

Z₂ – полное расчетное сопротивление вторичной цепи.

Z₂ ≈ R₂ ≈ 0,28 Ом;

R₂ = R_пров.+ R_конт.+ R _приб,

где R_пров – сопротивление соединительных проводов;

R_конт – 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 S_приб – мощность приборов, В А;

I_ном.2 – номинальный ток вторичной нагрузки, А

Таблица 7. Расчет мощности приборов трансформатора тока

Тип прибора	S, В ∙ А
Амперметр Э-335	0,1
Счетчик активной нагрузки	2,5
Итого	2,6

По [2] находим Z_2доп. = 0,4 Ом.

Z_2доп. = 0,4 Ом > Z₂ = 0,28 Ом.

Условие по допустимой вторичной нагрузке выполняется.

Таблица 8. Выбор трансформатора тока

Тип 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 по номинальному напряжению:

U_ном U_п/ст,

По [2] определяем номинальное напряжение

U_ном. = 10кВ = U_п/ст = 10кВ

Для обеспечения требуемого класса точности измерительных приборов выполняем проверку по допустимой вторичной нагрузке:

S_2доп. S_приб.,

где S_2доп. – допустимая вторичная нагрузка, В ∙ А;

S_приб – мощность измерительных приборов, В ∙ А.

По [2] определяем допустимую вторичную нагрузку S_2доп = 75 В ∙ А;

Таблица 9. Расчет мощности измерительных приборов

Наименование 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 измерительных приборов, S_приб, В ∙ А:

S_2доп = 75 В ∙ А > S_2приб = 28,5 В ∙ А

Условие по допустимой вторичной нагрузке выполняется.

Таблица 10. Выбор трансформатора напряжения

Тип 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 номинальному току:

I_ном. I_м.р.,

Определим максимальный расчетный ток:

,

По [2] выбираем разъединитель типа РДНЗ –1 – 630 У3, номинальный ток которого I_ном. = 630А.

I_ном. = 630А > I_м.р.= 183,7А

Выбираем разъединитель по номинальному напряжению:

U_ном. U_п/ст

110 = 110

Проверяем разъединитель на термоустойчивость к токам короткого замыкания:

;

;

I_ном.т.у = 31,5 кА > 6,6 кА

Условие на термоустойчивость к токам короткого замыкания выполняется.

Проверяем разъединитель на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:

i_м i_у,

По [2] i_м = 80 кА, i_у = 62,5 кА

i_м = 80 > i_у = 62,5

Условие на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания выполняется.

Выбор сечения отходящей кабельной линии 10 кВ

Согласно [4], длительно допустимый ток кабеля напряжением 10 кВ определится:

I_дл.доп ≥ I_мрРП / (k₁ ∙ k₂)

где к₁ – поправочный коэффициент, учитывающий удельное тепловое сопротивление почвы, определяется по табл. 1.3.23 [4] (примем к₁=0,87);

к₂ – поправочный коэффициент, учитывающий количество работающих 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 нестекающей массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке сечением q=(З×120) мм² при I_{дл. доп} = 2×240А.

Рассчитаем экономически целесообразное сечение q_эк.

где j,_к=1,2А/мм нормированное значение экономической плотности тока для заданных условий работы (примем более 5000 максимума нагрузки в год) по табл. 1.3.36 |4|.

Принимаем два кабеля сечением q=(3×150) мм².

Проверяем условие пригодности выбранного кабеля по потерям напряжения (L – 0,4 км):

R₀(20)⁼0,2070 м/км; Х₀=0,0990 м/км – активное (при 20 °С) и индуктивное сопротивления трехжильной кабельной линии по табл. 3.5 [1]. cоsφ – значение коэффициента мощности в период максимальных нагрузок за наиболее загруженную смену (примем соs φ=0,95).

Таким образом, к качестве линии, питающей РП, принимаем два параллельных кабеля с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестскающей массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке сечением q = (З×150) мм²; при I_{дл. доп} = 2×275А.

Выбор защиты линии, отходящей от ГПП к РП

В качестве защиты кабельной линии 10 кВ выберем двухступенчатую токовую 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 вычислить коэффициент чувствительности необходимо рассчитать ток короткого замыкания в конце 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 Т_а по рис. 3.2 [2] определим значение ударного коэффициента к_уд:

Ударный ток в точке К-З

Уставку срабатывания реле КА1. КА2 (токовая отсечка) определим согласно (11.10) [2]:

где к_над – коэффициент надежности (примем 1,25); к_сх – коэффициент схемы (для неполной звезды к_сх=1); к_тт – коэффициент трансформатора тока (к_тт=400/5).

Согласно рекомендациям § 11.1 [2] в данном случае ток срабатывания реле КАЗ, КА4 следует рассчитать следующим образом:

Для вычисления коэффициентов чувствительности защит рассчитаем ток двухфазного короткого замыкания (как минимальный ток КЗ) в конце кабельной линии.

При расчете режима двухфазного КЗ расчетное сопротивление цепи может быть получено путем удвоения расчетного сопротивления, вычисленного для трехфазного КЗ в конце кабельной линии. Это связано с тем, что эквивалентное сопротивление схем прямой и обратной последовательности можно считать одинаковыми.

Таким образом:

Коэффициент чувствительности токовой отсечки:

5 Коэффициент чувствительности МТЗ:

Список литературы

1. Справочник по электроснабжению 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. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г.

4. Правила устройств электроустановок 6-е издание пер. и доп. с изм., Москва, Главгосэнергонадзор, 1998 г.

5. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. – М: Высшая школа, 1990–360 с.

6. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть станций и подстанций – М: Энергоатомиздат, 1989 – 608 с.