Электроснабжение промышленного предприятия

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.

		

		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:

		

		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. ≥ 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:

		

		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 замыкания выполняется.

		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 ≥ 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

		

		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.+ R приб,

		

		где Rпров – сопротивление соединительных проводов;

		Rконт – сопротивление контакта, (0,1 Ом);

		R приб – сопротивление приборов.

		R2 = 0,073 + 0,1 + 0,104 = 0,28 Ом;

		Определяем сопротивление проводов:

		

		,

		

		где l – длина соединительных проводов, (≈ 10 м);

		q – сечение соединительных проводов.

		

		Определяем сопротивление приборов:

		

		,

		

		где Sприб – мощность приборов, В А;

		Iном.2 – номинальный ток вторичной нагрузки, А

		

		
Таблица 7. Расчет мощности 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. ≥ 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:

		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

		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:

		

		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



			Справочник по электроснабжению промышленных предприятий, под ред. А.А. Фёдорова, Москва, изд. Энергия, 1973 г.

			Князевский Б.А., Липкин Б.Ю., Электроснабжение промышленных предприятий. 3-е издание, Москва, Металлургия, 1986 г.

			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.

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

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

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





3