Проектирование главной понизительной подстанции района и выбору основного оборудования распределительных устройств 110 и 6 кВ

Содержание
1. Введение. 5
2. Задание к курсовому проекту 6
3. Расчет центра электрических нагрузок (ЭН) и определение места установки ГПП. 8
4. Выбор схемы электрических соединений ГПП и территориально-распределенных потребителей 10
4.1 Схемы питания ГПП. 11
4.2 Схемы питания территориально-распределенных потребителей 13
5. Выбор конструкции РУ-6 кВ и разработка схемы его заполнения 15
6. Определение мощности компенсирующих устройств 17
6.1 Расчет реактивной мощности компенсирующего устройства 17
6.2 Выбор конденсаторной установки 18
6.3 Место установки компенсирующих устройств 19
7. Выбор основного оборудования ГПП 21
7.1 Выбор числа и мощности силовых трансформаторов ГПП 21
7.2 Выбор проводов воздушных и кабельных линий…………………22
7.2.1 Выбор сечения проводов питающей линии 110 кВ 22
7.2.2Выбор сечения отходящих кабельных линий 6 кВ 24
8 Расчет токов короткого замыкания 28
8.1 Методика расчета токов короткого замыкания. 28
8.2 Расчет токов КЗ в выбранных точках 30
9 Расчет выбранных проводников на термическую стойкость 32
10 Выбор электрооборудования 34
10.1 Выбор выключателей 34
10.2 Выбор разъединителей 36
10.3 Выбор трансформаторов напряжения. 36
10.4 Выбор трансформаторов тока 38
10.5 Выбор трансформаторов собственных нужд. 39
11 Комплектация РЗА 41
12 Потери мощности и электроэнергии 42
12.1 Потери мощности и электроэнергии в трансформаторах 42
12.2 Потери мощности и электроэнергии в линиях 43
Заключение 45
Список литературы 46

1. Введение.
Курсовой проект заключается в проектирование главной понизительной подстанции 110/6 кВ района, с целью электроснабжения территориально- распределенных потребителей 6 кВ.
В ходе выполнения курсового проекта требуется решить следующие задачи:
- разработать схему понижающей подстанции (ГПП) 110/6 кВ;
- выбрать схему питания потребителей, выбрать конструкцию РУ–6 кВ;
- рассчитать параметры основных нормальных и послеаварийных режимов проектируемой электрической сети;
- рассчитать необходимую мощность компенсирующих устройств по условию баланса мощности энергосистемы;
- выбрать основное электрооборудование ГПП и отходящих питающих линий;
- проверить выбранное оборудование по условиям нормального и ремонтного режимов;
- определить потери электроэнергии в элементах схемы.
По проведенным расчетам сделать вывод о соответствии схемы электроснабжения и выбранного оборудования требованиям надежности электроснабжения потребителей и условию длительного режима работы.


2. Задание к курсовому проекту
В рамках курсового проекта ставится задача спроектировать главную понизительную подстанцию района (ГПП). Для решения задачи проектирования необходимо:
1. рассчитать центр электрических нагрузок (ЭН), и определить место установки ГПП на предложенной территории;
2. выбрать и обосновать схему электрических соединений подстанции и схему питания территориально-распределенных потребителей;
3. выбрать конструкцию РУ 6-35 кВ и разработать схему его заполнения;
4. выбрать основное оборудование ГПП и отходящих питающих линий, в том числе элементы (трансформаторы тока, напряжения) для релейной защиты и автоматики (РЗиА). Указать, какими типами РЗиА необходимо укомплектовать ГПП и отходящие на ЭН фидеры. Возможно также использование предохранителей и автоматических выключателей;
5. определить мощность и место установки компенсирующих устройств;
6.
...

4. Выбор схемы электрических соединений ГПП и территориально-распределенных потребителей
При выборе главной схемы электрических соединений следует учитывать число присоединений (линий, трансформаторов), требования надежности электроснабжения потребителей, безопасность обслуживания. Схема должна формироваться таким образом, чтобы была возможность ее поэтапного развития. При возникновении аварийных ситуаций должна быть возможность восстановления электроснабжения потребителей средствами автоматики. Число и вид коммутационных аппаратов выбираются таким образом, чтобы обеспечивалась возможность проведения поочередного ремонта отдельных элементов подстанции без отключения других присоединений. К схеме подстанции предъявляются требования простоты, наглядности и экономичности. Эти требования могут быть достигнуты за счет применения типовых блочных схем электрических соединений распределительных устройств.
...

4.1 Схемы питания ГПП.
Существует несколько типовых схемных решений для электроснабжения потребителей первой группы (в случае двухтрансформаторной подстанции):
1. Два блока с выключателями и неавтоматической перемычкой из двух разъединителей со стороны линии (перемычка позволяет осуществлять питание потребителей через два трансформатора при ремонте или повреждении одной из линий).

Рис.2 Два блока с выключателями и неавтоматической
перемычкой со стороны линии.

2. Два блока с выключателями и автоматической перемычкой со стороны линии (при повреждении одной из линий автоматически отключается выключатель со стороны поврежденной линии и включается выключатель в перемычке, оба трансформатора остаются в работе, питание осуществляется по одной линии).

Рис.3 Два блока с выключателями и автоматической
перемычкой со стороны линии.

Выбор схемы питания ГПП был произведен в пользу схемы с двумя блоками с выключателями и автоматической перемычкой со стороны линии (рис.3), т.к.
...

4.2 Схемы питания территориально-распределенных потребителей
Электроснабжение от ГПП до территориально-распределенных потребителей может осуществляться по радиальным, магистральным и смешанным схемам различных модификаций.
Радиальными являются такие схемы, в которых электрическая энергия от центра питания передается непосредственно к цеховой подстанции, без ответвлений для питания других потребителей, применяются в тех случаях, когда пункты приема расположены в различных направлениях от центра питания. При наличии потребителей первой и второй категории РП и ТП питаются не менее чем по двум раздельно работающим линиям. Кроме того, для повышения надежности при питании по радиальной схеме применяются АВР. Радиальная схема питания обладает большой гибкостью и удобствами в эксплуатации, так как повреждение или ремонт одной линии отражается на работе только одного потребителя. Схема представлена в графической части лист №1.
...

6. Определение мощности компенсирующих устройств
В отличие от активной мощности, вырабатываемой на электростанции, реактивную мощность несложно генерировать в любом узле электрической сети с помощью установки источника реактивной мощности. Полное или частичное покрытие потребности узла нагрузки в реактивной мощности называется компенсацией реактивной мощности. В качестве компенсирующих устройств применяются конденсаторные батареи, которые выпускаются в виде комплектных устройств, состоящих из последовательно и параллельно включенных конденсаторов, коммутационной и защитной аппаратуры. Мощность конденсаторной батареи зависит от количества параллельно-последовательно включенных конденсаторов в одной фазе, напряжения сети в точке подключения батареи и схемы включения фаз (при включении батареи треугольником генерируемая реактивная мощность в три раза больше чем при включении звездой).

6.1 Расчет реактивной мощности компенсирующего устройства
Реактивная мощность компенсирующего устройства QКУ должна определяться как разность между реактивной мощностью нагрузки предприятия Q и предельной реактивной мощностью QЭ, предоставляемой предприятию энергосистемой по условиям режима ее работы:
QКУ=Q – QЭ=P(tgφ – tgφЭ), (2)
где Q=Р tgφ – расчётная мощность нагрузки в пункте присоединения к питающей энергосистеме; QЭ – мощность, соответствующая установленным предприятию условиям получения энергии от энергосистемы; tgφ – тангенс угла, соответствующий коэффициенту мощности нагрузки предприятия Р; tgφЭ – тангенс угла, отвечающий установленным предприятию условиям получения мощности QЭ, который указывается в технических условиях на присоединение и является оптимальным коэффициентом мощности (tgφЭ=0,31, при высшем напряжении ГПП 110 – 150 кВ для Урала);
P – расчётная мощность активной нагрузки в пункте его присоединения к питающей энергосистеме.
...

6.2 Выбор конденсаторной установки
КУ представляет собой ячейки, в которых размещена аппаратура управления, измерения и сигнализации и конденсаторы, соединенные по схеме треугольник.
Автоматическое отключение конденсаторов при нагрузке по току за счет увеличения напряжения и внешних гармоник обеспечивает электротоковое реле. Защита от токов КЗ осуществляется плавкими предохранителями для групповой или индивидуальной защиты. Для отключения и включения ступеней в установках применяются магнитные пускатели.
Выбираем КУ типа КРМ(УКЛ57)-6,3/10,5-2100 с номинальной реактивной мощностью Q=2100 кВар.
КУ присоединяется к шине 6 кВ в количестве 2-х штук с общей мощностью 4200 кВар.
После компенсации реактивной мощности тангенс угла мощности нагрузки равен (3):

Реактивная мощность после компенсации составляет 50,59% от номинальной, тогда выражения для полной мощности имеет вид.
...

6.3 Место установки компенсирующих устройств
Конденсаторные установки напряжением выше 1 кВ целесообразно устанавливать на вторичном напряжении ГПП. Не рекомендуется чрезмерное дробление мощности КУ, так как это приводит к значительному увеличению удельных затрат на отключающую аппаратуру, измерительные приборы, конструкции и прочее на 1квар установленной мощности батареи. Единичная мощность БК на напряжении выше 1 кВ принимается не менее 400 квар, если присоединение выполняется с помощью отдельного выключателя. Также требуется учитывать резкопеременный характер нагрузки ЭН-1, ЭН-3, ЭН-4. Резкопеременный характер потребления реактивной мощности вызывает значительную несимметрию и колебания напряжения сети. Требуется компенсировать как постоянную так и переменную составляющие реактивной мощности. К нарушению нормальной работы и значительным перегрузкам БК приводит наличие в сети высших гармоник тока и напряжения.
...

7.1 Выбор числа и мощности силовых трансформаторов ГПП
Главная понижающая подстанция объекта выполняется двухтрансформаторной, учитывается наличие потребителей первой категории. Мощность трансформаторов определяется активной нагрузкой предприятия и реактивной мощностью, передаваемой от системы в период максимума нагрузок (с учетом установки на ГПП устройств компенсации реактивной мощности). Мощность трансформаторов выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного из них второй воспринял основную нагрузку подстанции с учетом допускаемой перегрузки в послеаварийном режиме. Значение допустимого коэффициента перегрузки трансформаторов в аварийных ситуациях согласно ПУЭ берется равным 1.4, что допускает перегрузку трансформатора на 40% в течение не более пяти суток на время максимумов нагрузки продолжительностью не более 6 часов в сутки.
...

7.1 Выбор проводов воздушных и кабельных линий
7.1.1 Выбор сечения проводов питающей линии 110 кВ
Сечение проводов ВЛ выбирается в зависимости от напряжения, расчетной токовой нагрузки, района по гололеду, материала и цепности опор.
Выбранное сечение провода должно быть проверено по допустимой токовой нагрузке по нагреву с использованием справочных таблиц предельных допустимых токов, составленных для различных марок проводов и кабелей и условий прокладки согласно ПУЭ.
Iрасч.≤ kп Iдоп., (8)
где Iрасч – расчетный ток в послеаварийном режиме, Iдоп – допустимый длительный ток нагрузки, kп – поправочный коэффициент при фактической температуре воздуха (kп=1.0 при )
(9)
где – расчетная мощность, передаваемая по линии (с учетом послеаварийного режима).
...

7.2 Методика расчета токов короткого замыкания.
Для расчета токов короткого замыкания необходимо составить расчетную схему, соответствующую нормальному режиму работы системы электроснабжения при параллельном включении всех источников питания. По расчетной схеме составляется схема замещения, на которой все магнитосвязанные электрические сети заменяют эквивалентной электрически связанной цепью. В схему замещения вводятся все источники питания, участвующие в питании места К.З., и все сопротивления, по которым проходит рассчитываемый ток К.З. Расчетными точками, как правило, являются выводы высшего напряжения понижающих трансформаторов, участки между выводами низшего напряжения трансформаторов и реакторами, сборные шины РУ, выводы выключателей отходящих линий.
...

7.3 Расчет токов КЗ в выбранных точках
Схемы замещения представлены в графической части лист 3, 4.
Определим сопротивление энергосистемы:

Сопротивления трансформаторов № 1,2 ТДН-16000/110:

Сопротивления воздушных линий 110 кВ № 1,2:

Результирующее сопротивление до точки К1:
zрез=+ zл = 0,018+0,004=0,022 Ом
Произведём расчет токов КЗ на стороне 110 кВ перед силовыми трансформаторами ГПП:

Для остальных линий расчёты аналогичны, результаты сведены в таблицы 8, 9.
Таблица 8. Сопротивления линий

Л1,Л8
Л2,Л7
Л3,Л6
Л4,Л5
r, Ом
0,603
0,341
0,139
0,207
x, Ом
0,263
0,062
0,050
0,061
z, Ом
0,658
0,347
0,148
0,216

Таблица 9. Расчёт токов КЗ

К2
К3
К4
К5
К6
z, Ом
0,282
0,940
0,629
0,430
0,498
Iкз(3), А
12898
3869
5783
8459
7304
Iуд, А
32833
9849
14721
21533
18593

Данный расчёт токов КЗ производится для проверки выбранных воздушных и кабельных линии и устанавливаемого оборудования.
...

9 Расчет выбранных проводников на термическую стойкость
Термическая стойкость проводников это способность выдерживать протекание номинального тока термической устойчивости в течение заданного времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токах КЗ, и без нарушения пригодности к дальнейшей исправной работе.
Выбор термически стойкого сечения жил кабеля производят по значению установившегося тока КЗ и времени прохождения этого тока через кабель. Время определяется уставкой защиты, имеющей наибольшее время выдержки (в случае использования нескольких защит).
Условие выбора и проверки проводников на термическую устойчивость:
(26)
где F - фактическое сечение кабеля, мм2; Fмин - минимально допустимое по термической устойчивости сечение кабеля, мм2; - ток КЗ в амперах; tпр. - приведённое (фиктивное) время действия тока К.З, с; С - термический коэффициент, Ас1/2/мм2.
Приведённое время действия тока К.
...

8. Выбор электрооборудования
Выбор электрооборудования состоит в выборе его по условиям продолжительных режимов (нормальный, ремонтный, послеаварийный) и проверке по условиям кратковременных режимов, определяющим из которых, как правило, является режим К.З.
Электрические аппараты выбираются по уровню изоляции, допустимому нагреву токоведущих частей в продолжительных режимах.
Выбранное оборудование необходимо проверить:
1. по номинальному напряжению (электрические аппараты изначально имеют запас электрической прочности, что позволяет им работать при напряжении на 10-15% выше номинального)
2. по номинальному току (номинальным током аппарата называют ток, который при номинальной температуре окружающей среды может проходить по аппарату неограниченно длительное время и при этом температура наиболее нагретых частей его не превышает длительно допустимых значений.)
3. на электродинамическую стойкость (сравнение с ударным током).
4.
...

8.1 Выбор выключателей
Выключатели выбираются по номинальным значениям напряжения и тока, роду установки и условиям работы, конструктивному выполнению и коммутационной способности. Выбранные выключатели проверяют на стойкость при сквозных токах К.З.
10.1.1 Выбор выключателей 110 кВ
Выбираем выключатели марки ВБЭ-110
IКЗ(3)= 8962 A
Iр.max= 77,873 А
iуд= 22813 А
Марка ВБЭ-110-1600
Iном.в=1600 А ≥  Iр.max= 77,873 А
Iном.отк=25 кА ≥ IКЗ(3)=8962 А
iдин=41,5 кА ≥ iуд=22813 А
Iн.тер.с.=25 кА ≥ 
10.1.2 Выбор выключателей 6 кВ
IКЗ(3)= 12898 A
Iр max =1536 А
iуд = 32833 А
Марка ВВ/TEL-10-31,5/1600 У2
Iном.в=1600 А ≥ IР мах=1536 А
Iном.отк=31,5 кА ≥ IКЗ(3)=12898 А
iдин=81 кА ≥ iуд=32833 А
=9120,26 А
10.1.
...

Список литературы
1. Правила устройства электроустановок. Издание седьмое. - М.: Энергия, 2003..
2. Конюхова Елена Александровна. Электроснабжение объектов : учеб. пособие. – М. : Мастерство, 2002.
3. Герасименко А.А. Передача и распределение электроэнергии : учебное пособие / А.А. Герасименко, В.Т. Федин. – Ростов-н/Д. : Феникс, 2006.
4. Лыкин Анатолий Владимирович. Электрические системы и сети : учеб. пособие. – М.: Логос, 2006.
5. Костин Владимир Николаевич. Электропитающие системы и электрические сети : учеб. пособие / В.Н. Костин. – СПб.: СЗТУ, 2007.
6. Электротехнический справочник: В 4 т. / ред. В.Г. Герасимов. Т.3: Производство, передача и распределение электрической энергии. – 8-е изд., испр. и доп .– 2004 .– 964 с.
7. Князевский Борис Александрович. Электроснабжение промышленных предприятий : учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1986.
8. Справочник по проектированию электроснабжения. / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина - М.: Энергия,1980.
9. Кудрин Борис Иванович. Электроснабжение промышленных предприятий : учеб. для вузов / Б.И. Кудрин .— 2-е изд.– М. : Интермет Инжиниринг, 2005 .– 670 с.