ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ 1 страница

ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И

Методические указания по выполнению курсового проекта

для студентов специальности 140211

Курск 2010

Составитель: Н.В. Хорошилов

УДК 621.311

М 54

Рецензент,

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение» О.М. Ларин

Электропитающие системы и электрические сети [Текст]: методические указания по выполнению курсового проекта / Курск. гос. техн. ун-т; сост.: Н.В. Хорошилов. Курск, 2010. 48 с.: ил. 6, табл. 7, прилож. 5. Библиогр.: с. 47-48.

Содержат сведения о методике выбора силовых трансформаторов, электрических аппаратов, кабелей и о разработке конструкции подстанций. Указывается порядок выполнения курсового проекта, подходы к решению различных задач и правила оформления курсового проекта.

Методические указания соответствуют содержанию программ курсов «Электроэнергетика» и «Электропитающие системы и электрические сети».

Предназначены для студентов специальности 140211 дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60х84 1/16.

Усл.печ.л. .Уч.–изд.л. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВЛ – воздушная линия электропередачи,

ВН – высшее напряжение,

ГН – график нагрузки,

ЗН – заземляющий нож,

ЗРУ – закрытое распределительное устройство,

КЗ – короткое замыкание,

КЛ – кабельная линия,

КРУ – комплектное распределительное устройство для внутренней установки,

КРУН – комплектное распределительное устройство для наружной установки,

КТП – комплектная трансформаторная подстанция,

МУ– методические указания,

НН – низшее напряжение,

ОПН – ограничитель перенапряжений нелинейный,

ОПУ – опорный пункт управления,

ОРУ – открытое распределительное устройство,

ОТ – оперативный ток,

ПАВ – послеаварийный режим,

ПС – понижающая трансформаторная подстанция,

РПЗ – расчетно-пояснительная записка,

РПН – устройство регулирования напряжения под нагрузкой,

РУ – распределительное устройство,

СЗА – степень загрязнения атмосферы,

ТН – трансформатор напряжения,

ТСН – трансформатор собственных нужд,

ТТ – трансформатор тока.

ВВЕДЕНИЕ

В условиях необходимости обеспечения роста объемов производств как в промышленных, так и сельскохозяйственных сферах экономики страны, а также бурного развития электроники и новейших технологий неизбежен рост потребления электроэнергии не только имеющимися в настоящее время крупными промышленными центрами и предприятиями практически любых отраслей, но прогнозируемыми и организующимися мелкими фирмами, организациями, а также бытовыми потребителями. Возникает ряд задач, непосредственно связанных с энергоснабжением потребителей. Одной из таких задач является качественное и бесперебойное снабжение электроэнергией. Ее решением может послужить проектирование новых ПС у потребителей.

На ПС всех напряжений, как правило, применяется не более двух трансформаторов по соображениям технической и экономической целесообразности. В большинстве случаев это обеспечивает надежное питание потребителей и в то же время дает возможность применять простейшие блочные схемы подстанций без сборных шин на ВН, что упрощает их конструктивные решения и уменьшает стоимость.

Курсовое проектирование считается первым шагом самостоятельной работы студента по своей специальности, который знакомится с основными приемами и методами проектирования элементов электрической части подстанции, приучается к обобщению теоретических сведений, полученных при изучении специальных курсов, к использованию нормативной документации, ГОСТов, справочной литературы, результатов практики, учебной и периодической литературы для решения отдельных задач и выполнения проекта в целом.

В связи с этим в МУ приводится материал, позволяющий проектанту достаточно обоснованно разработать проект, соответствующий реальным условиям.

Настоящие методические указания посвящены проектированию ПС и могут быть использованы студентами специальности 140211 «Электроснабжение» при выполнении ими курсовых и дипломных проектов.

1. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И СОСТАВ КУРСОВОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Согласно учебным планам специальности 140211 курсовой проект по дисциплине «Электропитающие системы и электрические сети» выполняется в 8 семестре на 4 курсе дневной формы обучения и в 10 семестре на 5 курсе заочной формы обучения.

Курсовое проектирование направлено на закрепление знаний по курсам «Электроэнергетика (Производство электроэнергии)» и «Электропитающие системы и электрические сети», приобретение навыков самостоятельных технических решений, практических навыков инженерного проектирования электроустановок, подготовку к курсовому, дипломному проектированию, а также к практической деятельности по избранной специальности.

При проектировании подстанций стараются использовать типовые решения, схемы и элементы. Это приводит к унификации оборудования и, как следствие, к удешевлению обслуживания и проектировочной стоимости, в результате чего главной задачей при проектировании является выбор такого оборудования, которое будет не только обеспечивать качественное и бесперебойное электроснабжение, но в тоже время требовать минимальное обслуживание и быть дешевле своих аналогов.

В курсовом проекте необходимо разработать электрическую часть двухтрансформаторной ПС.

Основными этапами курсового проектирования являются:

1. выбор силовых трансформаторов,

2. расчет токов короткого замыкания и их ограничение,

3. разработка главной схемы ПС,

4. выбор электрических аппаратов и кабелей,

5. разработка конструкции ПС,

6. графическая часть.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Выполнять проект рекомендуется в порядке расположения разделов настоящих методических указаний в сроки, определенные графиком курсового проектирования.

Исходные данные для курсового проектирования приведены в приложениях А–В к настоящим методическим указаниям.

Номер варианта задания, процент резерва и состав курсового проекта для студентов дневной и заочной форм обучения определяется преподавателем при выдаче задания, которое может быть изменено преподавателем с целью наибольшего приближения проекта к реальному.

Преподаватель является одновременно руководителем проекта и консультантом. Студент как автор проекта полностью отвечает за принятые в проекте решения, правильность выполнения расчетов и практической части.

Выполненный студентом КП в виде РПЗ и графической части предоставляются для проверки преподавателю в сроки, указанные в графике курсового проектирования.

Студенты дневной формы обучения на индивидуальных консультациях должны предоставлять преподавателю для проверки результаты выполнения ими отдельных этапов проектирования.

Окончательно оформленный проект, содержащий РПЗ и графическую часть, должен быть представлен руководителю проекта. Все замечания по проекту приводятся в письменном виде руководителем проекта в РПЗ и на чертежах.

Проверенные проекты, не имеющие принципиальных ошибок, допускаются руководителем проекта к защите.

Защита проекта происходит открыто перед комиссией, назначенной заведующим кафедрой электроснабжения. На защите автор проекта делает краткое сообщение по основным разделам проекта, отвечает на вопросы членов комиссии.

По результатам сообщения студента, ответов на поставленные вопросы, просмотра РПЗ и графической части, замечаний и мнения руководителя проекта комиссия определяет оценку курсового проекта.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1. Выбор количества, типа и мощности силовых

трансформаторов

При проектировании ПС выбор мощности силовых трансформаторов выполняют на основании расчета систематических нагрузок и аварийных перегрузок по ГОСТ 14209-97. В курсовом проекте выбрать мощность силовых трансформаторов достаточно исходя из расчета аварийных перегрузок, тем самым будет обеспечено наилучшее использование мощности силовых трансформаторов, уменьшен расход электроэнергии [21].

Наиболее часто проектируются двухтрансформаторные ПС, другое количество силовых трансформаторов применяется редко и должно быть экономически обосновано.

Силовые трансформаторы выбираются однотипными и располагаются обычно на открытой части ПС. Согласно [1] при расширении, реконструкции и техническом перевооружении подстанций 35-110 кВ рекомендуется применять силовые трансформаторы единичной мощностью не выше 10 МВА на подстанциях 35 кВ и не выше 63 МВА - на подстанциях 110 кВ.

3.2. Расчет токов короткого замыкания и их ограничение

3.2.1. Расчет токов короткого замыкания

С целью выбора и проверки электрических аппаратов и кабелей производится расчет токов КЗ в относительных единицах для симметричного трехфазного КЗ.

Для этого следует произвольно задаться величиной базисной мощности , удобной для расчетов, например, 1000 МВА.

Вычислить приведенные значения сопротивлений для всех элементов расчетной схемы по формулам, приведенным в таблице 1 [2, 3, 9].

Расчетная схема должна быть составлена для удаленного КЗ при включенных всех основных элементах схемы: силовых трансформаторах, ВЛ, секционных выключателях и др.

Таблица 1. Формулы приведенных сопротивлений в относительных

единицах

Элемент схемы	Формула
Электрическая система С1, С2
Воздушная линия электропередачи
Трансформатор двухобмоточный с нерасщепленной обмоткой НН
То же, но с расщепленной обмоткой НН

где – мощность КЗ системы С1, С2, МВА;

Х₀ – индуктивное сопротивление 1 км длины ВЛ, Ом/км;

l – длина ВЛ, км;

– высшее напряжение, кВ;

– низшее напряжение, кВ;

– напряжение КЗ трансформатора, % [4, 5, 10, 12];

– номинальная мощность трансформатора, МВА [4, 5, 10, 12].

Базисный ток на шинах НН и ВН:

(3.1)

Должны быть составлены и рассчитаны не менее трех вариантов схем электроснабжения (например, ремонтная перемычка ВН и секционный выключатель НН включены, потом отключены и другие варианты). После преобразования расчетной схемы определить результирующие сопротивления и цепей до точек КЗ соответственно на шинах НН и ВН.

В курсовом проекте при расчете токов КЗ необходимо определить следующие величины:

а) начальные действующие значения периодической составляющей на шинах НН и ВН

(3.2)

б) полное время отключения цепи при КЗ

, с, (3.3)

где t_з – время действия релейной защиты, с;

– время отключения выключателя, с [4, 14].

Принять в курсовом проекте время действия релейной защиты для вводных выключателей – 1,6 с для НН и 2,1 с для ВН, секционного выключателя – 1,1 с, выключателей отходящих линий – 0,6 с (если не выполняется условие (3.8), то принять 0,1 с ) [2, 6];

в) время отключения тока КЗ

, с, (3.4)

где – собственное время отключения выключателя, с [4, 14];

г) постоянную времени затухания апериодической составляющей , с (можно выбрать по таблицам [2, 3, 9]);

д) значение апериодической составляющей в момент времени τ – , кА, [2, 3, 9];

е) ударный ток , кА;

ж) импульс квадратичного тока КЗ

, , (3.5)

з) действующее значение периодической составляющей к моменту расхождения контактов выключателя τ считать равным , т.е. ток КЗ считать удаленным от генераторов.

3.2.2. Определение необходимости ограничения токов короткого замыкания

Необходимость ограничения тока КЗ на шинах НН должна быть определена на основании проверки двух условий:

1) возможностью отключения токов КЗ вакуумными выключателями типов ВВЭ-М-10, ВБЭТ-10, ВВ/TEL-10 и др., выпускаемыми в настоящее время взамен маломасляным в комплектных ячейках РУ НН, т.е. необходимо чтобы

, (3.6)

где – номинальный ток отключения выключателя НН [14], кА;

2) термической стойкостью головных участков кабельной сети, т.е. кабелей, отходящих от РУ НН.

Минимальную площадь сечения кабеля, отвечающую требованию его термической стойкости при КЗ, можно приближенно определить по формуле

, мм², (3.7)

где С – функция, зависящая от вида кабеля, А∙с^1/2 /мм².

В курсовом проекте выбрать сечение кабеля НН с алюминиевыми жилами – С = 90 А∙с^1/2 /мм² [2].

Условие термической стойкости головных участков кабельной сети НН выглядит так

, (3.8)

где – стандартное сечение кабеля, мм², ≤ 240 мм².

Если хотя бы одно из двух вышеперечисленных условий не выполняется, ограничивают токи КЗ.

3.2.3. Ограничение токов короткого замыкания

Самым эффективным, наиболее распространенным и рекомендуемым способом ограничения токов КЗ является раздельная работа трансформаторов, что и рекомендуется применить в данном КП для его упрощения и показать на однолинейной электрической схеме ПС.

3.3. Разработка схем подстанции

3.3.1. Определение структурной схемы и основных характеристик подстанции

Исходя из заданной схемы присоединений (приложение В, рис. В.1), необходимо определить структурную схему, тип ПС с учетом категории надежности электропотребителей [2, 3, 5, 16, 19].

3.3.2. Разработка главной схемы подстанции

Выбранный вариант структурной схемы ПС должен быть подробно разработан для обоих напряжений (ВН и НН). Подробная разработка приводит к составлению принципиальной электрической схемы главных цепей подстанции, называемой в дальнейшем «главной схемой».

Разработка главной схемы предполагает выбор ее вида, определения количества систем шин и секций РУ, расстановку электрических аппаратов в зависимости от структурной схемы, номинального напряжения, режимов работы оборудования и нейтрали, требований надежности и других условий [17–19].

3.3.2.1. Разработка схемы высшего напряжения

Блочные схемы применяются на стороне ВН тупиковых, в основном потребительских ПС или ответвительных ПС до 500 кВ включительно. Это упрощенные, экономичные схемы ПС, территориально недалеко расположенные от питающих ПС или проходящих ВЛ [2, 15, 17–19].

Сейчас существует тенденция к применению комплектных трансформаторных подстанций блочных (КТПБ) наружной установки с высшим напряжением 35, 110 и 220 кВ, изготавливаемых на заводах и крупноблочными узлами доставляемых на место монтажа [2, 13, 17–19].

При наличии одной ВЛ, связывающей ПС с системой, надо применять схемы укрупненного блока (линия + два трансформатора) (рис. 3.1 а–г). При одной линии и двух трансформаторах разъединители в «перемычки» допускается не устанавливать [17–19].

Если ПС ответвительная или тупиковая и подключена к двум ВЛ, надо использовать сдвоенные блоки с перемычкой (рис. 3.1 ж, з) при напряжении 35, 110 кВ, если окружающая среда не имеет СЗА или последние невелики (I–II степени), и нет ограничения на площадь, выделенную под проектируемую открытую ПС [17–19].

При ограничении на площадь, выделенную под проектируемую ПС, и (или) при наличии сильной СЗА (III, IV степени) выбирается сдвоенный блок без перемычки (рис. 3.1 д, е). При IV СЗА применяются также глухие вводы или присоединение трансформаторов к ВЛ через разъединители, которые должны быть вынесены за пределы зоны сильных СЗА.

Рис. 3.1. Рекомендуемые схемы тупиковых и

ответвительных подстанций

Мостиковые схемы применяются на стороне ВН ПС 35, 110 и 220 кВ при 4-х присоединениях (2ВЛ+2Т) и необходимости осуществления секционирования сети [17–19].

На напряжении 110 и 220 кВ мостиковые схемы применяются как с ремонтной перемычкой, так и при соответствующем обосновании без ремонтной перемычки [17–19].

При необходимости секционирования сети на ПС в режиме ремонта выключателя предпочтительнее применять схему «мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов» (рис. 3.2 а, б).

Данная схема применяется при необходимости частого отключения трансформаторов (неравномерный график нагрузок), а также для сохранения транзита при КЗ (повреждении) в трансформаторе.

Рис. 3.2. Рекомендуемые схемы проходных подстанций

При равномерном графике нагрузок применяется схема «мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий», что позволяет сохранить в работе два трансформатора при КЗ на ВЛ в нормальном режиме работы ПС (рис. 3.2 в, г).

Необходимость установки ремонтной перемычки в мостиковых схемах определяется возможностью отключения одной из ВЛ в схеме рисунка 3.2 в, г (одного из трансформаторов в схеме рис. 3.2 а, б) на время ремонта выключателя: если такое отключение ВЛ по условиям электроснабжения потребителя возможно - перемычка не устанавливается.

При СЗА более IV, как правило, следует предусматривать сооружение ЗРУ. В этом случае выбор схемы ВН должен быть проведен для обычных условий, т.е. при малой степени СЗА и отсутствии ограничений на площадь [11].

3.3.2.2. Разработка схемы низшего напряжения

РУ НН состоит из двух секций соответственно количеству трансформаторов с нерасщепленными обмотками (рис. 3.3 а). Если трансформаторы имеют расщепленные обмотки НН, то РУ НН содержит четыре секции соответственно общему количеству обмоток НН (рис. 3.3 б).

Рис. 3.3. Типовые схемы РУ НН

Количество секций РУ НН зависит также от количества кабельных линий (КЛ) НН, от характера нагрузки. В отдельных случаях ПС могут иметь иное количество секций РУ НН, не кратное двум. Разработка схемы РУ НН должна быть проведена на основании сетки основных схем (рис. 3.4), компоновок шкафов КРУ выбранных типов с указанием номеров шкафов согласно использованным схемам [7, 8, 15].

Заданное количество КЛ НН следует равномерно распределить по секциям РУ НН с учетом резерва и возможности подключения в шкафах К-59 нескольких кабелей параллельно (до 4-х) [15].

Рис. 3.4. Сетка основных схем КРУ (КРУН) НН

3.3.3. Выбор вида оперативного тока

На ПС напряжением 35 кВ (кроме ответвительных и тупиковых) и выше должна применяться система оперативного постоянного тока (система ОПТ, СОПТОТ) напряжением 220 В [17, 19].

На ПС с высшим напряжением 35–110 кВ применяется одна аккумуляторная батарея.

Для организации выпрямленного ОТ должны быть использованы стабилизированные блоки напряжения, которые должны быть подключены к трансформаторам напряжения на стороне ВН подстанции, и токовые блоки питания, подключаемые ко вторичным цепям отдельностоящих трансформаторов тока на стороне ВН ПС. При необходимости предусматривается установка дополнительного блока стабилизированного напряжения, подключенного к трансформатору собственных нужд, который принимает на себя часть нагрузки оперативных цепей в нормальном режиме работы. Для питания цепей сигнализации могут применяться нестабилизированные блоки напряжения, которые должны быть подключены к секциям щита собственных нужд [17, 19].

Также согласно [17, 19] возможно применение переменного ОТ.

В курсовом проектировании рекомендуется применение оперативного постоянного или выпрямленного тока.

3.3.4. Выбор трансформаторов собственных нужд

Расчет нагрузки собственных нужд двухтрансформаторной ПС проделать с использованием [3], учесть, что ПС без дежурного персонала, результаты расчета поместить в таблицу 2, типы ТСН выбрать по [5, 15]. На всех двухтрансформаторных ПС 35–750 кВ должны быть установлены два ТСН со скрытым резервом.

Таблица 2. Расчетные нагрузки собственных нужд подстанции

Продолжение табл. 2

Примечание: *установленная мощность устройств подогрева зависит от типа и вида электрооборудования.

Таблица 3. Установленная мощность устройств охлаждения

трансформаторов

3.3.5. Выбор схемы питания трансформаторов собственных нужд

Схема питания ТСН зависит от вида оперативного тока. На ПС с постоянным оперативным током ТСН присоединяются через предохранители или выключатели к шинам РУ 6–35 кВ. На ПС с переменным или выпрямленным током ТСН присоединяются через предохранители к вводам НН трансформаторов до их выключателей (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема подключения ТСН

Сухие ТСН обычно применяются в шкафах КРУ, масляные ТСН – в шкафах КРУН. ТСН мощностью более 63 кВ∙А размещают вне КРУ, а их коммутационные аппараты устанавливают в КРУ [15, 17].

Соединение таких ТСН с коммутационными аппаратами выполняются кабелями.