- •1 Организационно-экономическая часть
- •2 Электротехнический расчет оборудования
- •2.1 Расчет токов короткого замыкания на шинах подстанции
- •2.5 Расчет мощности трансформатора собственных нужд
- •2.6 Расчет контура заземления подстанции
- •3 Выбор и описание схем и оборудования
- •3 .2 Выбор и описание схемы и оборудования по стороне низкого напряжения
- •3.3 Выбор и описание схемы собственных нужд
- •3.4 Выбор и описание схемы оперативного тока
2 Электротехнический расчет оборудования
2.1 Расчет токов короткого замыкания на шинах подстанции
Для расчета токов короткого замыкания (КЗ) применяем следующие допущения:
-считаем индуктивные сопротивления всех элементов цепи постоянными;
-не учитываем намагничивающие токи силовых трансформаторов;
-пренебрегаем активным сопротивлением цепи, если Х/R> 3;
-не учитываем емкостные проводимости воздушных линий;
-считаем источником питания энергосистему неограниченной мощности.
Проводим расчет начального значения периодической составляющей тока трехфазного КЗ. Iпо и значение удельного тока КЗ iу на шинах ВН и НН
Расчет токов КЗ проводим в условных единицах. Схема замещения для расчета токов КЗ представлена на рисунке 1
К1 К2
Xл Xт
Рисунок 1
С опротивление линии:
Хл = Хо * L * Sб/Uн2 (19) [2]
где Хо - удельное сопротивление провода, Ом/км по таблице 7.35 [3]
Sб - базовая мощность = 1000 МВА
Uн - номинальное напряжение, кВ
Хл = 0.408 * 45 * 1000/1152 = 1.5 (Ом)
Сопротивление трансформатора:
Хт = Хт %/100 * Sб/Sт (20) [2]
где Хт% - удельное сопротивление трансформатора = Uкз%
Sб - базовая мощность = 1000 МВА
Sт - мощность трансформатора, МВА
Хт = 10.5/100 * 1000/6.3 = 16.6 (Ом)
Базовый ток на данной ступени:
Iбвн = , кА (21) [2]
где Sб - базовая мощность = 1000 МВА
Uн - номинальное напряжение, кВ
Iбвн = = 5 (кА)
Н ачальное значение периодической составляющей тока КЗ на шинах ВН:
Iпо = * Iб , кА (22) [2]
где Е" - сверхпереходная ЭДС источника питания по таблице 3.4 [4]
Хл - сопротивление линии
Iб - базовый ток на данной ступени, кА
Iпо = * 5 = 3.5 (кА)
Базовый ток на шинах НН
Iб = , кА (23) [2]
где Sб - базовая мощность = 1000 МВА
Uн - номинальное напряжение, кВ
Iб = = 55 (кА)
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ на шинах НН:
Iпо = * Iб , кА (24) [2]
где Е" - сверхпереходная ЭДС источника питания по таблице 3.4 [4]
Хл - сопротивление линии, Ом
Хт - сопротивление трансформатора, Ом
Iб - базовый ток на данной ступени, кА
Iпо = * 55 = 2.75 (кА)
У дарный ток короткого замыкания:
iу = Iпо * * Ку , кА (25) [2]
где Iпо - начальное значение периодической составляющей тока КЗ, кА
Ку - ударный коэффициент по таблице 3.8 [4]
iунн = 2.75 * * 1.61 =6.2 (кА)
iувн = 3.5 * * 1.71 = 8.3 (кА)
2.2 Выбор и проверка шин ВН
На стороне высокого напряжения используются трубчатые алюминиевые шины.
Ток нагрузки на шинах:
Iн = , А (26) [4]
где Sн - полная нагрузка, кВА
Uн - номинальное напряжение, кВ
Допустимый ток шин должен быть больше тока нагрузки: Iдоп > Iн
Допустимый ток и размеры трубчатых шин определяем по таблице 7.4 [3]
Iн = = 31.09 (А)
Допустимый ток шин должен быть больше тока нагрузки Iдоп > Iн
Допустимый ток и размеры трубчатых шин определяем по таблице 7.4
Выбираем шины ВН D=16мм и d=13мм
П роверка шин ВН на термическую стойкость в нормальном режиме.
Условие термической стойкости Iн < Iраб
Тепло, отдаваемое путем излучения:
Qл = 0.0342 * Е , Вт/см (27) [4]
где Е - постоянная теплоизлучения
Е = 0.2 (неокрашенные шины)
Е=0.9 (окрашенные шины)
Qл = 0.0342 * 0.2 = 0.00684 (Вт/см )
Тепло, отдаваемое путем конвекции:
Qк = 3.5 * 10 * (1/D) * ( у - о) (Вт/см ) (28) [4]
где D - внешний диаметр шины, см
у - установившаяся температура = 70 С
о - температура окружающего воздуха, С
Qк = 3.5 * 10 * (1/1.6) * (70 -25) = 0.032 (Вт/см)
Боковая поверхность охлаждения шины, длиной 1см:
F = * D , cм (29) [4]
где D - внешний диаметр шины, см
F = 3.14 * 1.6 = 5.02 (cм )
Т олщина стенки шины:
γ = ( D - d ) / 2 , (мм) (30) [4]
где D и d - диаметры шины, мм
γ = ( 16 – 13)/2 = 1.5 (мм)
Отношение толщины стенки к внешнему диаметру:
О= γ / D (31) [4]
где γ – толщина стенки шины , мм
D – внешний диаметр шины , мм
О= 1.5/16 = 0.09
Коэффициент поверхностного эффекта - Кп определяем по таблице 3.3
Кп = 1.23 [4]
Сечение шины:
g = * ( D - d ), мм (32) [4]
где D и d – диаметры шины, мм
g = 3.14/4 * ( 16 - 13 ) = 68.3 (мм2)
А ктивное сопротивление шины, длиной 1 см:
R = Кп * Rо * [1 + * ( у - о )] * L/g , (Ом) (33) [4]
где Кп - коэффициент поверхностного эффекта
Rо - удельное сопротивление алюминия = 0.03 Ом * мм
- температурный коэффициент сопротивления = 0.0037
L - длина шины = 0.01 м
g - сечение шины, мм
R = 1.23 * 0.03 [1 + 0.0037 * (70 – 25)] * 0.01/68.3 = 6.3 * 10 (Ом)
Рабочий ток шины:
Iраб = , А (34) [4]
где Qл – тепло, отдаваемое путем излучения, Вт/см
Qк – тепло, отдаваемое путем конвекции, Вт/см
R – активное сопротивление, Ом
F – боковая поверхность охлаждения шины, см
Iраб = = 175.3 (А)
Iраб > Iн условие термической стойкости выполняется.
Термический импульс тока КЗ:
Акз =(Iпо/g) * tф , А *сек/мм (35) [5]
где Iпо - периодическая составляющая тока КЗ на шинах ВН, А
g - сечение шины, мм
tф - фактическое время действия тока КЗ, сек по таблице 2.5 [5]
Акз = (3500/68.3) * 1 = 0.26 * 104 (А *сек/мм )
Д о момента КЗ шина имела термический импульс Ау = 0.55 * 10 (А * сек/мм )
Конечный термический импульс:
Ак = Ау + Акз , А * сек/мм (36) [5]
Ак = 0.55 * 10 + 0.26 * 10 = 0.81 * 10 (А * сек/мм )
Конечную температуру нагрева шины - к С определяем по таблице 2.6
к =116 С
Шина термически устойчива, так как выполняется условие: к < доп=200 С
Проверка шин ВН на электродинамическую стойкость в режиме КЗ
Максимальное усилие на 1 см длины шины:
f макс = 0.0177 * , кг/см (37) [5]
где iу - ударный ток КЗ на шинах , кА
а - расстояние между осями фаз, см по таблице 2.7 [5]
f макс = 0.0177 * 8.3 /80 = 0.015 (кг/см)
Наибольший изгибающий момент:
М = , (кг * см) (38) [5]
где fмакс - максимальное усилие на 1 см шины , кг/см
L - расстояние между опорными изоляторами, см по таблице 2.7 [5]
М = (0.015* 180 )/10 =48.6 (кг * см)
М омент сопротивления сечения шины:
W = (D4-d4)/10*d, см3 (39) [5]
где D и d - диаметры шины, см.
1.6 - 1.3
W = ———— = 0.28 (см3)
10 * 1.3
Механическое напряжение:
расч = М / W , кг/см (40) [5]
где М - наибольший изгибающий момент, кг*см
W - момент сопротивления сечения шины, см
расч = 48.6/0.28 = 173.5 (кг/см )
Основное условие механической прочности шин выполняется: расч < доп = 700 кг/см
Механическое усилие на опорный изолятор:
Fмакс = fмакс * L, кг (41) [5]
где Fмакс - максимальное усилие на 1 см шины, кг/см
L - расстояние между опорными изоляторами, см
Fмакс = 0.372 * 175 = 65.1 (кг)
Условие выбора изоляторов выполняется: Fмакс < 0.6 * Fразр.
Для напряжения 110 кВ (ИОС-110) Fразр может быть100,200,300,400 и 600 кг.
Fразр = 200 (кг)
С обственная частота колебаний шин:
fс = , Гц (42) [5]
где К - коэффициент жесткости крепления шин = 112
D и d - диаметры шины, см
L - расстояние между опорными изоляторами, см
fс = = 20.5 (Гц)
Условие электродинамической стойкости выполняется, так как fc<30 Гц
2.3 Выбор и проверка шин НН
На стороне низкого напряжения НН используются прямоугольные алюминиевые шины.
Ток нагрузки на шинах определяем по формуле (25).
Iн = 6079.8/ * 10.5 = 340.6 (А)
Допустимый ток шин Iдоп должен быть больше тока нагрузки : Iдоп > Iн
Допустимый ток и размеры прямоугольных шин определяем по таблице 7.3 [3]
Выбираем 2 шины в пакете, размер шин h=30 мм, b=4 мм
Проверка шин НН на термическую стойкость в нормальном режиме.
Тепло, отдаваемое путем теплоизлучения определяем по формуле (26)
Qл = 0.0342 * 0.2 = 0.00684 (Вт/см )
Т епло, отдаваемое путем конвекции:
Qк = 1.5 * 10 * ( у - о) , Вт/см (43) [4]
где у - установившаяся температура = 70 С
о - температура окружающего воздуха, С
Qк = 1,5 * 10 * (70 – 25) = 0.0255 ( Вт/см )
Боковая поверхность охлаждения шины длиной 1 см:
F = 2 * (h + b) , cм (44) [4]
где h и b - размеры шины, см
F = 2 * ( 3 + 0.4 ) = 6.8 (cм )
Сечение шины:
g = h * b , мм (45) [4]
где h и b - размеры шины, мм
g = 30 * 4 = 120 (мм )
Активное сопротивление шины определяем по формуле с учетом, что Кп = 1.025
R = 1.025 * 0.03 * [1 + 0.0037 * ( 70 -25)] * 0.01/120 = 0.000009 (Ом)
Рабочий ток шины определяем по формуле (33)
Iраб = =360 (А)
Iраб > Iн условие термической стойкости выполняется.
Проверка шин НН на термическую стойкость в режиме КЗ.
Термический импульс тока КЗ:
Акз =(Iпо/g) * tф , А *сек/мм (46) [5]
где Iпо - периодическая составляющая тока КЗ на шинах НН, А
g - сечение шины, мм
tф - фактическое время действия тока КЗ, сек по таблице 2.5 [5]
Акз = ( 2750/120) * 2 =0.1* 10 (А *сек/мм )
До момента КЗ шина имела термический импульс Ау = 0.55 * 10 (А *сек/мм )
Конечный термический импульс определяем по формуле (35)
Ак = 0.55 * 10 + 0.1*10 = 0.65 * 10 (А *сек/мм )
Конечную температуру нагрева шины - к С определяем по таблице 2.6
к =87 С [5]
Шина термически устойчива, так как выполняется условие: к < доп=200 С
Проверка пакета шин на электродинамическую стойкость
Максимальное усилие между фазами определяем по формуле (36)
f макс = 0.0177 * = 0.023 (кг/см)
Изгибающий момент между фазами определяем по формуле (37)
М = ( 0.023 * 100 )/10 = 23 (кг*см)
М омент сопротивления пакета шин определяем по формуле (46) с учетом количества шин:
W= ( h * b) /6 , см (47) [5]
где h и b - размеры шин, см
W = ( 3 * 0.4 ) / 6=0.6 (см )
Механическое напряжение определяем по формуле (39)
расч = 23/ 0.6=38.3 (кг/см )
Основное условие механической прочности шин выполняется: расч < доп = 700 кг/см
Механическое усилие на опорный изолятор
Fмакс = 0.023* 100=2.3 (кг)
Условие выбора изоляторов: Fмакс < 0.6 * Fразр
Для изоляторов на напряжение 10 кВ (ИО-10) Fразр может быть100,200,300,400 и 600 кг.
Fмакс < 0.6 * Fразр
Выбираем Fразр: 100кг
Собственная частота колебаний шин:
fc = , Гц (48) [5]
где К - коэффициент жесткости крепления шин = 112
L - расстояние между опорными изоляторами, см
b - размер шины, см
fc = ( 4470 * 112 * 0.4)/ 100 = 20 (Гц)
Условие электродинамической стойкости выполняется, так как fc<30 Гц
2.4 Расчет мощности батареи статических конденсаторов (БСК)
Установка на подстанции БСК позволяет снизить величину реактивной мощности, передаваемой по ВЛ и снизить потери напряжения в ВЛ.
Удельная емкостная проводимость линии:
Во = , См/км (49) [5]
где D - расстояние между проводами линии, мм
D = 3000 мм при Uн =110 кВ
d - диаметр провода, мм по таблице 7.35 [3]
Во = = 3.2*10-6 (См/км)
Реактивная мощность, генерируемая линией:
Qл = U * Bo * L * 1000 , кВАр (50) [5]
где U - номинальное напряжение, кВ
Bo - удельная емкостная проводимость линии, См/км
L -длина линии, км
Qл = 115 * 3.2 * 10 * 45 * 1000 =1928 (кВАр)
П отери напряжения в линии:
Uвл = ,В (51) [5]
где Рн - активная нагрузка, кВт
Rл - активное сопротивление линии, Ом
Qн - реактивная нагрузка, кВар
Qл - реактивная мощность, генерируемая линией, кВар
Хл - индуктивное сопротивление линии, Ом
U1н - номинальное напряжение стороны ВН, кВ
Uвл = = 0.86 (В)
Фактическое напряжение на шинах НН:
U2ф = *U2н, кВ (52) [5]
где U1н – номинальное напряжение стороны ВН, кВ
Uвл - Потери напряжения в линии, кВ
U2ф = *10.5 = 10.4 (кВ)
Так как U2ф>9.5 кВ => установка БСК на ПС не требуется.