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 SС
=1500МВА.
2. Длина линии 110 кВ LЛ1
= IЛ2
=20 км.
3. Мощность трансформаторов 110/10кВ Sном т1
= Sном т2
=25МВ·А.
4. Напряжение короткого замыкания uк
=10,5%.
5. Мощность, необходимая для собственных нужд подстанции 50кВ·А.
6. Максимальная нагрузка предприятия Sрм
=25МВ·А.
7. Нагрузка РП РмрРП
=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: Uном.
Sном.
Iном.
Xном.
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 Uб1
=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 Та
по рис. 3.2 [2] определим значение ударного коэффициента: Ку
=1,8.
Для точки к-2 базисное напряжение Uб2
=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; ∞.
Кп0
= 3,4; Кпτ
= 2,4; Кп∞
= 2,0.
Определим действующее 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 ток ударный в точке К – 1
iу
= 1,41· I0
· Kу
= 1,41 · 25,6 · 1,8 = 65,2 кА
Определим мощность короткого замыканияв момент отключения выключателя
Sτ
= 1,73· Iτ
· Uб
= 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:
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 на термоустойчивость 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, при котором ток короткого замыкания не нагревает шину выше допустимой температуры, мм2
;
Определяем приведенное время короткого замыкания:
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 составляющую приведенного 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
< q
105,5 < 775
Выбранные шины по нагреву проходят, так как выполнятся условие.
Проверяем выбранные шины на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:
Gдоп.
≥ Gрасч.
,
где Gдоп
- дополнительное механическое напряжение в материале шин, (справочная величина зависит от материала шин);
Gрасч.
– расчетное механическое напряжение в шинной конструкции, в результате действия электромагнитных сил при коротком замыкании.
где Fрасч
– 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 Gдоп
= 80 МПа, а Gрасч
= 3,15 МПа, то выбранные шины по электродинамической устойчивости проходят.
Выбираем опорные изоляторы
Выбираем изоляторы по номинальному напряжению, Uном.
, кВ:
Uном.
≥ Uуст.
,
Uном.
= 6кВ; = Uуст
= 6кВ
По [2] выбираем опорные изоляторы типа ИО – 10–3.75 У3.
Выбранные изоляторы проверяем на электродинамическую активность к токам короткого замыкания:
Fдоп.
≥ Fрасч.
,
где Fдоп
– дополнительная сила, Н;
Fрасч
– расчетная сила, действующая на изолятор, на изгиб, в момент протекания 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 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.
Fдоп.
|
Uном
Fдоп
|
Uуст.
Fрасч.
|
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:
Iном
≥ Iм.р
,
3150А > 2020 А.
По [2] выбираем тип вакуумного выключателя: ВВЭ – 10 – 31,5 / 3150 У3.
Выбираем выключатель по напряжению:
Uном.
≥ Uп/ст
,
Uном.
=10 кВ = Uп/ст
=10 кВ
Проверяем выключатель термоустойчивость к токам короткого замыкания:
где Iном
т.у
– номинальный ток термоустойчивости, кА;
tт.с.
– время срабатывания, с; tт.с
= 3
По [2] номинальный ток термоустойчивости, Iном
т.у
= 31,5 А
Iном
т.у
=31,5 кА > 5,4 кА
Условие проверки на термоустойчивость к токам короткого замыканиявыполняется.
Проверяем выбранный выключатель на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания:
iм
≥ iу,
где iм
– предельный сквозной ток, кА;
iу
– ударный ток, (62,5кА).
По [2] предельный сквозной ток, iм
= 80 кА.
iм
= 80 кА > iу
= 62,5кА.
Условие проверки на электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания выполняется.
Проверяем выбранный выключатель на отключающую способность по току и мощности короткого замыкания:
Iном.откл
≥ Iτ
,
S ном.откл
≥ Sτ
,
где S ном.откл
– номинальная мощность отключения, МВ ∙ А;
Iном.откл
– номинальный ток отключения, кА.
Определяем номинальную мощность отключения, МВ ∙ А:
S ном.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
=18,1 кА;
S ном.откл
= 572 МВ ∙А > Sτ
= 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
Uном.
iм
Iном.откл
S ном.откл
|
Iном
Uном.
Iном
iм
Iном.откл
Sном.отк
|
Iм.р
Uп/ст
tn
I∞
iу
Iτ
Sτ
|
Выбор трансформатора тока
Рисунок – 7. Подключение измерительных приборов к трансформатору напряжения
Выбираем трансформатор тока по номинальному току
Iном
≥ Iм.р
,
Iном
= 3000 > Iм.р
= 2020 А
Выбираем трансформатор тока по номинальному 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 на термоустойчивость к токам короткого замыкания:
где Iном1
– номинальный ток первичной цепи, кА;
Кт.с.
– коэффициент термической стойкости;
tт.с
– время термической стойкости.
По [2] Кт.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 Кдин.
– кратность динамической устойчивости;
Iном.1
– номинальный ток, кА.
По [2] кратность динамической устойчивости, Кдин
= 100 А.
Кдин
= 100 А > Кдин.расч
= 14,7 кА.
Условие по электродинамической устойчивости к токам короткого замыкания выполняется.
Выполним проверку по допустимой вторичной нагрузке:
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.
+ Rприб
,
где Rпров
– сопротивление соединительных проводов;
Rконт
– сопротивление контакта, (0,1 Ом);
Rприб
– 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 приборов трансформатора 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 нагрузке выполняется.
Таблица 8. Выбор трансформатора тока
| Тип оборудования | Условие выбора | Каталожные данные | Расчетные данные |
| ТШЛ-10/3000 | Uном.
Iном
Z2доп.
|
Uном
Iном
Z2доп.
К т.с
Кдин.
|
Uп/ст
Iм.р
Z2.
Кт.с
Кдин
|
Выбор трансформатора напряжения
Выбираем трансформатор напряжения по номинальному напряжению:
Uном
Uп/ст
,
По [2] определяем номинальное напряжение
Uном.
= 10кВ = Uп/ст
= 10кВ
Для обеспечения требуемого класса точности измерительных 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 вторичную нагрузку S2доп
= 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, Sприб
, В ∙ А:
S2доп
= 75 В ∙ А > S2приб
= 28,5 В ∙ А
Условие по допустимой вторичной нагрузке выполняется.
Таблица 10. Выбор трансформатора напряжения
| Тип оборудования | Условие выбора | Каталожныеданные | Расчетныеданные |
| НТМИ-10–66 | Uном.
S2доп.
|
Uном
S2доп.
|
Uп/ст
S2приб.
|
Выбираем высоковольтный разъединитель
110 кВ
Выбираем разъединитель по номинальному току:
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 номинальному напряжению:
Uном.
Uп/ст
110 = 110
Проверяем разъединитель на термоустойчивость к токам короткого замыкания:
;
;
Iном.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:
iм
iу
,
По [2] iм
= 80 кА, iу
= 62,5 кА
iм
= 80 > iу
= 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:
Iдл.доп
≥ IмрРП
/ (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 Iдл. доп
= 2×240А.
Рассчитаем экономически целесообразное сечение qэк
.
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 Iдл. 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 Та
по рис. 3.2 [2] определим значение ударного коэффициента куд
:
Ударный ток в точке К-З
Уставку срабатывания реле КА1. КА2 (токовая отсечка) определим согласно (11.10) [2]:
где кнад
– коэффициент надежности (примем 1,25); ксх
– коэффициент схемы (для неполной звезды ксх
=1); ктт
– коэффициент трансформатора тока (ктт
=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.