Расчетная схема электроснабжения

Рис. 2.1. Расчетная схема электроснабжения.

2.1. Расчет нагрузок

Расчёт электрических нагрузок ведём методом, разработанным институтом “Гипротюменьнефтегаз”.

Расчетная активная мощность высоковольтных двигателей по этому методу определяется следующим образом:

(2.1)

Р_Р = М, при С > 0,75 М (2.2)

где С = Р_с= (2.3)

(2.4)

Р_ном1 - номинальная активная мощность единичного электроприемника.

1. Определяем среднюю мощность.

В данном случае на НПС используются синхронные электродвигатели. Коэффициент включения и коэффициент загрузки для данного типа электроприёмника составляет К_з =0,84, Кв=0,84.

МВт

2. Определяем максимальную мощность М:

МВт

3. Проверим условие применимости формулы для расчёта активной мощности определив отношение С к М и получим:

Следовательно, расчетную активную мощность высоковольтных электродвигателей определим по формуле (2.1):

МВт

Полную мощность определим по следующей формуле:

(2.5)

Для управления током возбуждения синхронных электродвигателей мощностью до 12 500 кВт и напряжением 6 или 10 кВ ОАО «НИПОМ» предлагает цифровые возбудительные устройства ВТЦ-СД с функциями энергосбережения и обеспечения устойчивости синхронного двигателя.

Преимущества ВТЦ-СД:

Данная система полностью компенсирует реактивную мощность:

cosφ =1, следовательно tgφ =0, отсюда получаем что расчетная реактивная мощность равна:

Тогда полная расчетная мощность равна:

2.2. Выбор числа и мощности трансформаторов

Число трансформаторов выбирается из соображений надежности в зависимости от категории электроснабжения потребителей. Для электроснабжения потребителей I и II категорий надежности должны быть предусмотрены два независимых источника электроснабжения, т. е. двух трансформаторные подстанции.

Учитывая результат полной мощности электродвигателей выберем трансформаторы. Номинальную мощность каждого из трансформаторов выбираем из 100 % резервирования электроснабжения. С учетом допустимых нагрузок мощность каждого из трансформаторов может быть принята S_ном = 25 МВ*А. Выберем двух обмоточные масляные трансформаторы типа ТДН – 25000/110, технические данные которых сведены в табл. 2.1.

Параметры трансформаторов ТДН – 25000/110.

Таблица 2.1

Параметры	Единицы измерения	Данные
Номинальная мощность, S_ном	КВ*А
Номинальное напряжение обмотки ВН	КВ
Номинальное напряжение обмотки НН	КВ
Потери холостого хода, Р₀	КВт
Потери короткого замыкания, Р_к	КВт
Напряжение короткого замыкания, U_к	%	10,85
Ток холостого хода, I₀	%	0,45

Проверим, подходят ли выбранные трансформаторы с учетом потерь.

Коэффициент загрузки трансформаторов при аварийном режиме вычисляется по формуле:

(2.6)

Вычисляем активные потери в трансформаторе по формуле:

(2.7)

МВт

Вычисляем реактивные потери в трансформаторе по формуле:

(2.8)

Тогда полная мощность двигателей с учетом потерь в трансформаторах составит:

(2.9)

МВА

Следовательно, данный тип трансформаторов удовлетворяет нашим требованиям.

Коэффициент загрузки трансформаторов в номинальном режиме вычисляется по формуле:

(2.10)

2.3. Выбор сечений проводов и кабелей

Сечение проводов и кабелей выбирают по техническим и экономическим соображениям. Произведем выбор сечения по расчетному току. За расчетные токи потребителей примем их номинальные значения.

Для выбора высоковольтного оборудования найдём расчетный ток:

Для синхронных двигателей:

(2.11)

где Р_ном- номинальная мощность синхронного двигателя, кВт

где U_ном– номинальное напряжение синхронного двигателя

сos φ – коэффициент мощности синхронного электродвигателя.

Для трансформаторов типа ТДН 25000/110 номинальный ток определяется:

(2.12)

где S_ном.тр – номинальная мощность трансформатора, кВт;

U_ном.тр – номинальное напряжение трансформатора, кВ;

Для трансформатора выбираем тип проводов по экономической плотности тока:

(2.13)

где j_эк - экономическая плотность тока, j_эк = 1.3 А/мм²:

Для параллельно работающих линий, питающих ЗРУ 10 кВ, в качестве расчётного тока принят ток послеаварийного режима, когда одна питающая линия вышла из строя. Расчётный ток для этого случая определим по величине расчётной мощности:

(2.14)

где S_расч – расчётная мощность, равная 16300 кВА.

Результаты расчета сведены в табл. 2.2.

Выбор сечений и марки кабелей

Таблица 2.2.

Наименование потребителей	Основной электродвигатель	ЗРУ-10 кВ	Трансформатор ТМН 6300/110
Расчетная мощность, кВт
Номинальный ток, А
Длительно допустимый ток, А	2х234	4х347
Сечение жилы кабеля, мм²
Принятая марка кабеля	ААБЛ-10 2(3х120)	ААБЛ-10 4(3х240)	АС-120/19

Условие выбора сечения жил кабеля по допустимому нагреву при нормальных условиях прокладки: номинальный ток должен быть меньше либо равен допустимому току.

3. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснабжения должно быть устойчивым к токам КЗ и выбираться с учетом этих токов.

На рис.3.1 приведена расчетная схема замещения, построенная в соответствии со схемой на рис. 2.1.

В нормальном режиме все секционные вакуумные выключатели находятся в отключенном состоянии, силовые трансформаторы работают раздельно на отдельные секции шин. Наиболее тяжелый режим работы может наступить при КЗ в момент перевода нагрузки с одного силового трансформатора на другой, т. е. когда секционный выключатель Q5 выключен. Этот режим принят за расчетный.

Преобразовывать сложные схемы при помощи именованных единиц неудобно. В этом случае все величины выражают в относительных единицах, сравнивая их с базисными. В качестве базисных величин принимают базисную мощность Sб и базисное напряжение Uб. За базисную мощность принимают суммарную мощность генераторов, мощность трансформатора, а чаще число, кратное 10, например 100 МВ×А. За базисную мощность принимаем значение 100 МВ×А.

В качестве базисного напряжения принимаем напряжение высокой ступени 115кВ - Uб₁=115кВ и Uб₂=10,5кВ - базисное напряжение на низкой стороне 10,5кВ. Составим расчётную схему и схему замещения цепи короткого замыкания. Ниже приведена расчётная схема:

Рис. 3.1. Расчетная исходная схема замещения.

Т.к. точка КЗ значительно удалена от источника питания и его мощность велика, по сравнению с суммарной мощностью электроприемников, то периодическая составляющая тока КЗ:

(3.1)

Определим базисные токи (I_б) для каждой ступени трансформации:

(3.2)

- базисный ток на высокой стороне

- базисный ток на низкой стороне

Найдем сопротивления отдельных элементов сети в относительных единицах и подсчитаем суммарное эквивалентное сопротивление схемы замещения от источника до точки короткого замыкания:

а) для системы при заданной мощности КЗ:

(3.3)

б) для ВЛ 1 (параметры кабеля АС 120/19):

(3.4)

где,, ,

(3.5)

где , ,

в) для двух обмоточных трансформаторов:

(3.6)

г) для синхронных двигателей:

(3.7)

где S_ном.д – полная мощность СТД, МВ×А,

– сверхпереходное сопротивление, = 0,2

На рис. 3.2. приведена преобразованная схема замещения

Рис.3.2 Преобразованная схема замещения для минимального режима нагрузки.

Параметры преобразованной схемы замещения, определены следующим образом:

Суммарное приведенное индуктивное сопротивление от источника питания до точки короткого замыкания К-1:

Х_*б4= Х_*б1+ Х_*б2=0,11+0,09=0,2

Отношение результирующих активного и индуктивного сопротивлений до точки К-1 составляет:

Поэтому активное сопротивление учитываем:

(3.8)

Определим периодическую составляющую тока К-1:

Для выбора и проверки электрооборудования по условию электродинамической стойкости необходимо знать ударный ток КЗ:

(3.9)

Мощность КЗ в точке К-1:

(3.10)

Суммарное эквивалентное сопротивление схемы замещения от источника до точки КЗ К-2:

(3.11)

Видно что условие выполняется, значит активным сопротивлением можно пренебречь:

Определим периодическую составляющую тока К-2:

(3.12)

Для того чтобы определить периодическую составляющую тока К-2, следует учесть подпитку от электродвигателей:

При минимальном режиме нагрузки:

(3.13)

Расчет тока КЗ в точке К-2 ведем с учетом подпитки от СД. Т.к. выполняется условие: , то активным сопротивлением () можно пренебречь.

Периодическая составляющая тока КЗ от источника питания:

(3.14)

Периодическая составляющая тока КЗ от СД:

(3.15)

На основании полученных результатов, результирующий ток КЗ в точке К-2:

Для выбора и проверки электрооборудования по условию электродинамической стойкости необходимо знать ударный ток КЗ.

Ударный ток КЗ в точке К-2:

(3.16)

Ударный ток КЗ от электродвигателей:

(3.17)

где к_уд=1,8 – принимают в сетях, где активные сопротивления не учитывают из-за их несущественного влияния на полное сопротивление цепи КЗ.

Ударный ток КЗ от энергосистемы

(3.18)

Ударный ток КЗ в точке К-2:

Мощность КЗ в К-2:

, (3.19)

(3.20)

(3.21)

В качестве минимального тока КЗ, который необходим для проверки чувствительности релейных защит, используют ток двухфазного КЗ в наиболее удаленной точке. Минимальное значение тока КЗ можно определить по формуле:

I_k⁽²⁾ = I_k⁽³⁾ (3.22)

где I_k⁽³⁾ = I_k

I_k₁⁽²⁾= (3.23)

I_k₁⁽²⁾=

I_k₂⁽²⁾= (3.24)

Результаты расчета токов КЗ

Таблица 3.1.

Точка КЗ	I_k⁽³⁾, кА	i_уд, кА	I_k⁽²⁾, кА
К-1	2,5	6,36	2,16
К-2_min	10,65		9,2	192,9

4. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

4.1. Выбор ячеек КРУ-10 кВ

В качестве распределительного устройства 10 кВ применим закрытое распределительное устройство (ЗРУ). ЗРУ состоит из отдельных ячеек различного назначения.

Для комплектования ЗРУ-10 кВ выберем малогабаритные ячейки КРУ серии КВ-02-10 (КРУ2-10) производства ОАО «Электрон», г. Чебоксары. Данные ячейки отвечают современным требованиям эксплуатации, имеют двухсторонний коридор обслуживания, выкатные тележки с вакуумными выключателями, безопасный доступ к любому элементу КРУ. Релейный и кабельный отсеки отделены от отсека коммутационных аппаратов металлическими перегородками, все коммутации производятся только при закрытой наружной двери, имеются функциональные блокировки.

В состав КРУ серии КВ-02-10 входят вакуумные выключатели с электромагнитным приводом, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, предохранители, разъединитель с заземляющими ножами, релейный шкаф с аппаратурой.

КРУ серии КВ-02-10 предназначены для установки в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственного регулирования климатических условий. Обслуживающая среда должна быть невзрывоопасной, не содержать агрессивных газов и испарений, химических отложений, не насыщенной токопроводящей пылью и водяными парами.

Выбор шин.

В качестве сборных шин выбираем алюминиевые шины прямоугольного сечения размером 80х6 мм. Длительно допустимый ток при одной полосе на фазу составляет I_доп = 1150А. Условие выбора

; (4.1)

Проверим шины на электродинамическую стойкость к токам КЗ.

Шину, закрепленную на изоляторах можно рассматривать как многопролетную балку.

Наибольшее напряжение в металле при изгибе:

, (4.2)

где М – изгибающий момент, создаваемый ударным током КЗ, Н×м;

W – момент сопротивления, м³.

Изгибающий момент для равномерно нагруженной многопролетной балки равен

(4.3)

где F -сила взаимодействия между проводниками при протекании по ним ударного тока КЗ, Н;

– расстояние между опорными изоляторами,

, (4.4)

где – расстояние между токоведущими шинами, = 0,2 м;

– коэффициент формы, =1,1.

Момент сопротивления

, (4.5)

где b,h – соответственно узкая и широкая стороны шины, м.

Тогда наибольшее напряжение в металле при изгибе

Допустимое напряжение при изгибе для алюминиевых шин 70 МПа.

Следовательно выбранные шины удовлетворяют условиям электродинамической стойкости.

Для проверки возможности возникновения механического резонанса в шинах определим частоту свободных колебаний шин

, (4.6)

где – пролет шины, =1,1 м;

– модуль упругости материала шин, для алюминия =7,2×10¹⁰ Н/м²;

– масса единицы длины шины, = 0,666 кг/м;

– момент инерции сечения шин относительно оси изгиба.

(4.7)

Т. к. , то явление резонанса не учитываем.

Проверим шины на термическую стойкость к токам КЗ.

Минимально допустимое сечение алюминиевых шин

, (4.8)

где – периодическая составляющая тока КЗ в точке КЗ;

– приведенное время КЗ.

, (4.9)

где – время действия апериодической составляющей времени КЗ;

– время действия периодической составляющей времени КЗ.

Для времени отключения КЗ и β” = 1:

Выбранные шины удовлетворяют условиям термической стойкости, т.к.

, (4.10)

или .

Выбор изоляторов

Выберем опорные изоляторы ИО-10-3,75 II У3 предназначены для изоляции и крепления токоведущих частей в электрических аппаратах и распределительных устройствах номинальным напряжением сети до 10 кВ частотой до 60 Гц.

(4.11)

с – Fрас – расчетная сила, действующая на головку изолятора при КЗ

Fдоп – допустимая нагрузка на головку изолятора

(4.12)

Fразр - Минимальная разрушающая сила

Отсуда следует, что выбранные изоляторы удовлетворяют условиям механической прочности при коротких замыканиях на сборных шинах 10кВ

Основным несущим элементом изоляторов является стеклопластиковая труба или стержень, защищенный от внешних атмосферных воздействий кремнийорганическим оребренным покрытием. Внутренняя поверхность трубы или стержня от пробоя защищена обрезиниванием.

Выбор выключателей

Высоковольтные выключатели выбираются по номинальному напряжению, номинальному току, конструктивному исполнению и проверяются по параметрам отключения, а также на термическую и электродинамическую стойкость. Выбор высоковольтных выключателей произведен на основе сравнения каталожных данных с соответствующими расчетными данными.

Высоковольтные выключатели выбираются по номинальному напряжению, номинальному току, конструктивному выполнению, месту установки и проверяются по параметрам отключения, а также на электродинамическую и термическую стойкость.

Для выключателей Q1, Q2: 100-SFMT-40SE:

I_∞=20 - номинальный ток отключения, кА;

t_п=3 - номинальная продолжительность тока, с.

Расчет теплового импульса тока при КЗ

, (4.13)

где I_¥-действующее значение периодической составляющей тока КЗ, кА;

t_откл–время от начала КЗ до его отключения.

t_откл=t_з+t_вык,(4.14)

где t_з–время действия релейной защиты, для МТЗt_з = 0,5-1с. Примем t_з=1 с.

t_вык=0,05 с. –полное время отключения выключателя, для выключателей 100-SFMT-40SE:

T_а –постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, для данной точки КЗ:

t_откл=1+0,05=1,05 с

Т.к. при расчёте токов КЗ в точке К-1 активное сопротивление не учитывается, то

Тогда тепловой импульс тока при КЗ для Q1, Q2

Интеграл Джоуля для Q1,Q2:

(4.15)

Все каталожные и расчётные данные выключателей, сведены в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Место установки выключателя	Тип выключателя	Условия выбора	Расчетные данные сети	Каталожные данные выключателя
Q1-Q2	100-SFMT40SE		110кВ 133.6А 2,5 кА 6,6	110кВ 1200А 20кА 1200
Q3-Q9	BB/TEL-10-20/1000-У2		10кВ 988А 10.65кА 222.4	10кВ 1000А 20кА 1200

Выбор разъединителей.

Разъединители выбирают по конструктивному исполнению и месту установки (наружная или внутренняя), по номинальному току(I_ном), по номинальному напряжению(U_ном) и проверяют на электродинамическую и термическую стойкость.

Выбор разъединителей производим на основе сравнения расчетных и каталожных данных, для чего составим таблицу:

Таблица 4.2.

Место установки	Тип разъединителя	Условия выбора	Расчетные данные сети	Каталожные данные разъединителя
Питающая линия 110 кВ	РД-110	U_c ≤ U_ном I_расч ≤ I_ном i_уд ≤ i_дин B_к ≤ I_∞²t	110 кВ 133,6 А 6,36 кА 32,6 кА²·с	110 кВ 1250 А 80 кА 1200 кА²·с
Питающая линия 10 кВ	РВ-10/1000	U_c ≤ U_ном I_расч ≤ I_ном i_уд ≤ i_дин B_к ≤ I_∞²t	10 кВ 988 А 6,36 кА 91,3 кА²·с	10 кВ 1000 А 51 кА 1200 кА²·с

Тепловой импульс тока при КЗ вне помещений:

B_к = I_∞²·t_пр

где – действующее значение периодической составляющей тока КЗ;

– приведенное время КЗ, = 0,805 с.

B_к = 6,36²·0,805=32,6 кА²·с