1.8. Вибір схеми електропостачання району міста
Трансформаторні підстанції за планом мікрорайону розподіляємо відповідно до раніше проведених розрахунків.
1.8.1. Вибір і розрахунок живильної мережі напругою 10 кВ
При виборі схеми електропостачання необхідно враховувати наявність джерел живлення в місті, їх кількість, віддаленість від споживачів, доцільність додаткових розподільних пунктів. Доцільність спорудження РП і живильних ліній повинна бути обґрунтована в кожному випадку техніко-економічними розрахунками. Розподільні пункти і живильні лінії споруджувати доцільно з економічної точки зору при щільності електричного навантаження не менше за 5 мВт/км2 і при відстані живильного району від джерела більше 3-4 км. Навантаження на шинах РП 10 кВ має бути не менше 7 мВт. Розподільні пункти слід розміщувати в районі міста таким чином, щоб напрямок потоків енергії в живильній і розподільних мережах 10 кВ, по можливості, співпадав. При цьому зменшуються втрати енергії та скорочується витрати кабеля. Економічно доцільно розташовувати РП 10 кВ потужністю 14-20 мВА на території живлючого ним району між найближчою до джерела живлення межою і центром навантаження, заглиблюючись в район обслуговування на 10-15% від його відстані. Менші за потужністю РП треба розташовувати поблизу межі живлючого району. Розподільний пункт і найближчі до нього ТП доцільно суміщати.
Визначаємо повну потужність, яку споживає район міста:
(1.24)
де n – кількість мікрорайонів у районі міста.
Загальну кількість РП в районі міста знаходимо з урахуванням оптимальної потужності РП:
(1.25)
де 
оптимальна потужність РП, що рекомендується при поверхневій щільності навантаження 3 мВт/км2 – 8 мВт; при 5 мВт/км2 –11 мВт; при 8 мВт/км2 – 14 мВт; при 10 мВт/км2 –16 мВт; при 15мВт/км2 –18 мВт.
Для визначення поверхневої щільності навантаження треба знати площину Fм району міста, що охоплена мережею середньої напруги та повне навантаження Рр . м :
(1.26)
Для розрахунку такої схеми необхідно знати навантаження на РП. Оскільки це навантаження задане в умові прикладу, то ми його й приймаємо. Якщо треба знайти шляхом додавання навантажень підстанцій, що підключені до РП, то воно визначається так:
(1.27)
де Ксм – коефіцієнт суміщення максимуму навантаження ТП, що живляться від даного РП (додаток А.9).
Визначаємо повну потужність навантаження РП:
Знаходимо струм лінії:
,
де nл – кількість ліній, що живлять РП.
Визначаємо переріз лінії:
де Jек – економічна щільність струму (додаток А.10).
За ДГСТ приймаємо кабель перерізом 70 мм2. Допустимий струм кабелю Iприп=165А (додаток А.9).
Перевіряємо кабель за припустимим струмом на нагрівання:
, (1.28)
де Iр – робочий струм кабелю; кп – коефіцієнт, що враховує умови прокладання (Додаток А.10); Iприп – припустимий струм кабелю.
; 
.
Перевіряємо роботу кабелю в аварійному режимі. Допускаємо, що найбільш важким аварійним режимом для даної схеми є пошкодження однієї лінії, тоді живлення РП здійснюється по двох лініях і аварійний струм в цьому випадку визначається так:
В умовах аварійної роботи повинна дотримуватись умова
, (1.29)
де Кпер – коефіцієнт перевантаження, що враховує збільшення припустимого струму кабелю в після аварійному режимі (додаток А.11).
У цьому виразі умова дотримується, тому слід прийняти переріз кабелю рівним 70 мм2.
1.8.2. Вибір розподільчої мережі напругою 0,4 і 10 кВ
Схема електропостачання району міста розробляється з урахуванням розміщення джерел живлення та споживачів, величини їхньої напруги та потужностей, необхідної надійності, розташування та конструктивного виконання ліній, РП і міських ТП.
Згідно з ПУЕ електроприймачі діляться на три категорії.
До першої категорії належать електроприймачі, перерва електропостачання яких може спричинити небезпеку для життя людей і порушення функціонування особливо важливих елементів міського господарства. До їх складу входять: електроприймачі висотних (більше 16 поверхів) будівель, в тому числі ліфти, пожежні насоси, аварійне освітлення, вузли радіозв’язку, телефонні й телеграфні станції, протипожежні установки, водопровід, каналізація, електрифікований транспорт, споруди та об’єкти з масовим скупченням людей, що діють при штучному освітленні (театри, кіно, клуби, великі стадіони, універмаги і та ін.), особливі операційні палати, лікарні, пологові будинки, пункти невідкладної медичної допомоги, музеї та виставки міського значення, міські ЦП (РП) із загальним навантаженням більше 10000 кВА та ін.
До другої категорії належать електроприймачі, перерва в електропостачанні яких призводить до порушення нормальної діяльності значної кількості міських жителів.До їх складу входять: житлові будинки з електроплитами, житлові будинки висотою 6 поверхів і більше з газовими плитами, гуртожитки на 50 осіб і більше, будівлі закладів з кількістю працюючих від 50 до 2000 осіб, дитячі й медичні заклади, аптеки, криті видовищні та спортивні споруди з кількістю місць у залі від 300 до 800, відкриті спортивні споруди зі штучним освітленням при наявності 20 рядів і більше, підприємства громадського харчування з кількістю посадкових місць від 100 до 500, магазини з торговельною площею від 250 до 2000 м2, комбінати побутового обслуговування, ательє з кількістю робочих місць більше 50, салони-перукарні з кількістю робочих місць 10 і більше, хімчистки, пральні, навчальні заклади з кількістю учнів від 200 до 1000 чоловік, музеї та виставки місцевого значення, готелі з кількістю місць від 200 до 1000, бібліотеки, міські ЦП (РП) і ТП із загальним навантаженням від 400 до 10000 кВА.
До третьої категорії відносяться всі інші електроприймачі, що не підходять під визначення першої і другої категорій.
Електроприймачі першої категорії повинні забезпечуватися електроенергією від двох незалежних джерел живлення, перерва в їх електропостачанні може бути допущена тільки на час автоматичного вводу резервного живлення. Незалежними джерелами живлення є дві секції або системи шин однієї чи двох електростанцій і підстанцій. Як друге незалежне джерело живлення можуть використовуватись автономні джерела живлення (акумуляторні батареї, дизельні електростанції та ін.) і резервні зв’язки по мережі напругою 0,4 кВ від найближчої ТП, що живляться по мережі 10 кВ від іншого незалежного джерела.
Електроприймачі другої категорії рекомендується забезпечувати електроенергією від двох незалежних джерел живлення. Для таких електроприймачів допустимі перерви в електропостачанні на час, необхідний для включення резервного живлення діями чергового персоналу або виїзної оперативної бригади.
Живлення електроприймачів другої категорії, як правило, слід передбачати від однотрансформаторних ТП за умови організації централізованого резерву трансформаторів і забезпеченні можливості заміни пошкодженого трансформатора за час не більше однієї доби. Для цих електроприймачів допускається резервування у післяаварійному режимі шляхом улаштування тимчасових зв’язків напругою 0,4 кВ.
Електроприймачі третьої категорії можуть живитися від одного джерела живлення. Допустимі перерви в електропостачанні на час, необхідний для подачі тимчасового живлення, ремонту чи заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, але не більше ніж на одну добу.
Для електропостачання споживачів третьої категорії в селищах міського типу при повітряному виконанні 0,4 і 10 кВ застосовується радіально-магістральна розподільна мережа 0,4 і 10 кВ без резервування ліній і трансформаторів. Така мережа характеризується найменшими капіталовкладеннями на здійснення електропостачання споживачів через відсутність резервування елементів мережі та вибір параметрів всіх елементів тільки за умовами нормального режиму роботи (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Радіально-магістральна розподільна мережа 0,4 і 10 кВ
Основний принцип побудови розподільної мережі для електроприймачів третьої категорії – це поєднання петльових резервованих ліній напругою 10 кВ з метою двобічного живлення кожної ТП і радіальних нерезервованих ліній 0,4 кВ до споживачів. При живленні мережі напругою 10 кВ повітряними лініями їх резервування може не передбачатися.
Головним принципом побудови розподільної мережі для електроприймачів другої категорії є поєднання петльових ліній 10 кВ, що забезпечують двобічне живлення кожної ТП, і петльових ліній напругою 0,4 кВ для живлення споживачів. Петльові лінії напругою 0,4 кВ можуть приєднуватися до однієї або різних ТП. Допускається використання автоматизованих схем (двопроменевих наприклад) для живлення електроприймачів другої категорії, якщо їх застосування призводить до збільшення приведених витрат на спорудження мережі не більше ніж на 5%.
Рисунок 1.3 – Петльова неавтоматизована розподільна мережа 0,4 і 10 кВ
Петльова неавтоматизована розподільна мережа 0,4 і 10 кВ (рисунок 1.3) застосовується для приймачів другої категорії. Живлення петлі здійснюється як від різних джерел живлення (ДЖ1, ДЖ2; ТП6, ТП12), так і від одного (ДЖ1; ТП4). У нормальному режимі петльові лінії 10 кВ роз’єднуються на одній з ТП (ТП10 або ТП11). Для кабельних ліній 0,4 кВ економічно доцільна робота при замкнених петльових схемах з встановленням розділяючого, плавкого запобіжника в лінії з найменшим потоком потужності. У процесі експлуатації в ряді випадків у нормальних режимах петльові лінії 0,4 кВ роз’єднуються аналогічно лініям 10 кВ.
Петльові мережі рекомендуються як основні для електропостачання споживачів другої і третьої категорій житлових районів міста. За технічними і техніко-економічними показниками цей тип петльових розподільних мереж застосовується при житловій забудові будинків до 9-12 поверхів. Якщо є в наявності ТП, що живлять споживачів першої категорії, то в петльових мережах може застосовуватися вибіркове резервування електропостачання, із використанням автоматизації ввімкнення резерву. Петльові неавтоматизовані розподільні мережі при встановленні лінійних вимикачів навантаження з автоматизованим управлінням називаються петльовими автоматизованими мережами 10 кВ. У ТП встановлюється додатково комплект автоматики, що забезпечує вибіркове вимкнення пошкоджених ліній.
Головним принципом побудови розподільної мережі для електроприймачів першої категорії є двопроменева схема з двобічним живленням з АВР на напрузі 0,4 кВ при двотрансформаторних ТП, якщо підключені взаєморезервовані лінії 10 кВ до різних незалежних джерел живлення і пристрій АВР безпосередньо на вводі 0,4 кВ електроприймачів.
Приклад схеми для живлення електроприймачів першої категорії показаний на (рисунок 1.4.) У цій схемі для надійності електропостачання магістралі 10 кВ переважно живляться від різних джерел.
Областю застосування магістральних автоматизованих мереж є райони, в яких за техніко-економічними показниками доцільно застосування двотрансформаторних ТП. До таких районів орієнтовно відносяться житлові райони із забудовою спорудами в 12-15 поверхів і вище та із значною частиною електроприймачів першої категорії.
Рисунок 1.4 – Радіально-магістральна автоматизована мережа 0,4 і 10 кВ
При живленні одночасно приймачів першої, другої і третьої категорії часто використовують комбіновані двопроменево-петльові схеми розподільної мережі 10 кВ (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 – Комбінована двопроменево-петльова схема розподільної мережі напругою 10 кВ.
Однотрансформаторна схеми ТП зображена на рисунку 1.6. При використанні магістральних розподільних мереж 10 кВ і однотрансформаторних ТП схема підстанції має вигляд на рисунку 1.7. При виконанні магістральних розподільних мереж 10 кВ і однотрансформаторних ТП схема підстанції має вигляд на рисунку 1.7.
Для більш відповідальних споживачів застосовують двотрансформаторні ТП з автоматизованим резервуванням з боку 10 кВ і з АВР з боку 0,4 кВ, виконані із застосуванням контакторів або автоматичних вимикачів (рисунок 1.8).
Рисунок 1.6 – Схема однотрансформаторної підстанції без автоматизованого резервування з боку 10 кВ
Рисунок 1.7 – Схема однотрансформаторної ТП з АВР з боку 10 кВ із застосуванням вимикачів навантаження
Рисунок 1.8 – Схема двотрансформаторної ТП з автоматизованим резервуванням з боку 10 кВ і з АВР з боку 0,4 кВ із застосуванням автоматичних вимикачів
Для вибору схем електропостачання окремих споживачів на напрузі 0,4 кВ і 10 кВ доцільно виділяти райони міста, що характеризуються наявністю:
а) в основному тільки електроприймачів другої і третьої категорії;
б) більшої кількості споживачів, які мають електроприймачі першої категорії.
Для таких груп і здійснюється побудова розподільних мереж 0,4 і 10 кВ відповідно зі схемами, наведеними в цьому розділі.
У випадку, якщо економічно недоцільно здійснювати розподіл на ці групи, здійснюють електропостачання від однієї мережі, при цьому повинні виконуватися вимоги до електропостачання електроприймачів першої категорії.
Для електропостачання районів міста із споживачами, що мають в основному електроприймачі тільки другої і третьої категорій, на напрузі 10 кВ треба застосовувати петльову схему з однотрансформаторними ТП.
Для електропостачання районів міста з великою кількістю споживачів, які мають електроприймачі першої категорії, на напрузі 10 кВ рекомендується двопроменева схема з двобічним живленням з двотрансформаторними ТП.
Застосування трипроменевої (багатопроменевої) схеми рекомендується при реконструкції або будівництві нових міських електричних мереж, коли вона може виявитися більш економічною, ніж двопроменева з двобічним живленням.
Для електропостачання районів міста з окремими ділянками, що мають велику кількість споживачів з електроприймачами першої категорії, на напрузі 10 кВ слід використовувати комбіновану петльово-двопроменеву схему з виконанням двопроменевої схеми з двотрансформаторними ТП на ділянках з великою кількістю споживачів, які мають електроприймачі першої категорії.
У випадку застосування на напрузі 10 кВ петльової схеми з однотрансформаторними ТП для електропостачання споживачів, які мають електроприймачі другої і третьої категорії, мережу напругою 0,4 кВ виконують за петльовою схемою, якщо не потрібне роздільне живлення силового та освітлювального навантаження, і за двопроменевою схемою з однобічним живленням, якщо потрібне роздільне живлення силового та освітлювального навантаження будинків.
Приєднання ліній петльової або двопроменевої схеми мережі 0,4 кВ до різних ТП треба виконувати для живлення житлових і громадських будівель з електричними плитами, будинків висотою 9 поверхів і вище. В інших випадках приєднання ліній до різних ТП рекомендується за умови, якщо це не призводить до погіршання економічних показників мережі більше ніж на 5%.
При петльовій схемі з однотрансформаторними ТП для електропостачання окремих споживачів, які мають електроприймачі першої категорії на напрузі 0,4 кВ, рекомендується застосування одній з наступних схем:
а) петльової або двопроменевої схеми з двобічним живленням від різних однотрансформаторних ТП, підключених до різних напівпетель одної лінії 10 кВ або до різних магістралей 10 кВ, з АВР безпосередньо в електроприймачів першої категорії;
б) петльової або двопроменевої схеми з однобічним живленням від різних секцій одної з ТП, на якій встановлюються два трансформатори і здійснюється ділення кабельної лінії на напівпетлі з АВР у споживачів.
Вибір тієї чи іншої схеми виконують з урахуванням їх економічності, потужності електроприймачів першої категорії та можливості практичного виконання.
При двопроменевій схемі на напрузі 10 кВ з двотрансформаторними ТП мережу 0,4 кВ виконують за двопроменевою схемою з однобічним живленням від різних секцій однієї ТП.
1.8.3. Розрахунок розподільної електричної мережі 10 кВ
Вибір перерізів дротів і кабелів напругою вище 1 кВ виконують:
- за економічною щільністю струму в нормальному режимі;
- за припустимим тривалим струмовим навантаженням за нагріванням в нормальному і післяаварійному режимах;
- припустимій втраті напруги в нормальному і післяаварійному режимах;
- термічній стійкості при струмах короткого замикання, якщо кабельні лінії не захищені плавкими запобіжниками.
Економічний переріз жил кабелів розподільних ліній 10 кВ розраховують для кожної ділянки за вже знайомою формулою
(1.30)
де 
- переріз ділянки розподільної мережі 10 кВ, мм2;
- розрахунковий струм ділянки розподільної мережі 10 кВ, А;
- нормоване значення економічної щільності струму, А/мм2, вибране за додатком А.10.
Переріз ділянок, отриманий в результаті розрахунку, необхідно округляти до найближчого стандартного. При цьому для сусідніх ділянок допускається приймати однакові перерізи жил, що відповідають економічному для найбільш довгої ділянки, якщо різниця між значеннями економічного перерізу для цих ділянок знаходиться в межах одного ступеня за шкалою стандартних перерізів.
Розрахунок жил кабелів розподільної мережі 10 кВ за припустимим тривалим струмовим навантаженням по нагріванню в нормальному режимі здійснюють за виразом
(1.31)
де 
- розрахунковий струм в нормальному режимі на ділянці, А;
- припустиме тривале струмове навантаження жил кабеля ділянки, А;
- поправний коефіцієнт на кількість працюючих кабелів, що лежать поряд в землі (додаток 1.14);
- поправний коефіцієнт на температуру землі (таб 1.15);
- поправний коефіцієнт на питомий тепловий опір землі (таб 1.16);
- поправний коефіцієнт попереднього навантаження кабелю в нормальному режимі (таб 1.17);
Таблиця 1.14 – Поправні коефіцієнти на кількість працюючих кабелів, що лежать поряд в землі (в трубах та без труб)
| Відстань на світлі, мм; | Кількість кабелів | |||||
| 1,00 | 0,90 | 0,85 | 0,80 | 0,78 | 0,75 | |
| 1,00 | 0,92 | 0,87 | 0,84 | 0,82 | 0,81 | |
| 1,00 | 0,93 | 0,90 | 0,87 | 0,86 | 0,85 |
Таблица 1.15 – Поправний коефіцієнт Кt на температуру землі
| Нормована температура жил, 0С | Поправний коефіцієнт на струми при температурі землі, 0С | ||||||||||
| -5 і нижче | +5 | +10 | +15 | +20 | +25 | +30 | +35 | +40 | +45 | ||
| 1,14 | 1,11 | 1,08 | 1,04 | 1,0 | 0,96 | 0,92 | 0,88 | 0,83 | 0,78 | 0,73 | |
| 1,20 | 1,15 | 1,12 | 1,06 | 1,0 | 0,94 | 0,88 | 0,82 | 0,75 | 0,67 | 0,57 |
Таблиця 1.16 – Поправний коефіцієнт Кс на питомий тепловий опір землі
| Характеристика землі | Питомий тепловий опір, см*К /Вт | Поправний коефіцієнт |
| Пісок вологістю більше 9% | 1,05 | |
| Нормальний грунт та пісок вологістю 7-9% | 1,00 | |
| Пісок вологістю більше 4, але менше 7% | 0,87 | |
| Пісок вологістю до 4%, каменистий грунт | 0,75 |
В післяаварійному режимі:
(1.32)
де 
- поправний коефіцієнт короткочасного перевантаження в післяаварійному режимі.
Припустимі тривалі струмові навантаження жил кабелів 0,4–10 кВ 
з розрахунку прокладення в землі на глибині 0,7-1,0 м не більше одного кабеля при температурі землі +15 0С і питомому тепловому опорі 120 см*К/Вт і прокладанні у повітрі при температурі +25 0С. При цьому припустимі температури нагрівання жил кабелів з бумажною просоченою ізоляцією 0,4 кВ складає +80 0С, а для напруги 10 кВ – +60 0С, кабелі с пластмасовою ізоляцією +650С.
При температурі землі, що відрізняється від +15 0С, слід припустимі тривалі струми, вказані в таблиці, змінювати шляхом введення поправного коефіцієнта 
, значення якого наведені таб. 1.15.
При питомому тепловому опорі землі, що відрізняється від 120 Ом/Вт, припустимі тривалі струми, вказані в таблиці, треба змінити шляхом введення поправного коефіцієнта 
, значення якого наведені в таб. 1.16.
Кабельні лінії, що несуть в нормальних режимах навантаження, менші за номінальні, можуть короткочасно перевантажуватися в нормальному і післяаварійному режимах, для цього припустимі тривалі струми, вказані в таблиці, змінюють в нормальному режимі, на коефіцієнт попереднього навантаження кабеля 
, а в післяаварійному – на . Як правило, на час ліквідації аварії, припустиме перевантаження кабеля 0,4- 10 кВ з бумажною просоченою ізоляцією вибирають рівним =1,3 (з урахуванням попереднього навантаження в нормальному режимі у години максимуму = 0,8).
Середньомісячна температура грунту на глибині прокладання кабеля для всіх районів України в осінньо-зимовий сезон складає 10 0С, а для літнього сезону 20-25 0С залежно від регіону. Для Харківської області ця температура становить 20 0С.
Розрахунок жил кабелів за припустимою втратою напруги здійснюють за виразом
, (1.33)
де 
- найбільша втрата напруги в нормальному режимі роботи, В; 
- припустима втрата напруги, В.
Припустима втрата напруги в розподільній мережі 10 кВ до найбільш віддаленого ТП в нормальному режимі, при відсутності живлючої мережі 10 кВ, не повинна перевищувати 6%, а при наявності живлючої мережі 10 кВ – 4%.
Для лінії з декількома ділянками розподільної мережі втрату напруги від шин джерела живлення до найбільш віддаленого навантаження розраховують за формулою
, (1.34)
де 
- номінальна напруга лінії, кВ;
- активна і реактивна потужність на к-й ділянці лінії, кВт, кВар;
- активний і реактивний опір к-ї ділянки лінії довжиною 
, Ом;
(1.35)
Активний 
та індуктивний 
опір кабелів наведені в табл. 14 Додатку.
Розрахунок розподільної мережі 10 кВ за термічною стійкістю при струмах короткого замикання та виконанні живильної мережі можна виконати за виразом
, (1.36)
де 
- сталий струм короткого замикання, кА;
- мінімально допустимий переріз жили кабеля, мм2 за умовою термічної стійкості при струмах к.з.;
С=85…90; tп=tз+tотк=0,2…0,6 с;
tз - час спрацьовування захисту;
tотк – час спрацьовування вимикачів, що дорівнює 0,1…0,2 с.
а) Розрахунок живильної мережі 10 кВ без РП.
Таблиця 1.17 - Розрахунок лінії ДЖ-ТП1-ТП3 та ДЖ-ТП2–ТП4
| Найменування | Ділянка мережі | |||
| ДЖ-ТП1 | ТП1-ТП3 | ДЖ-ТП2 | ТП2-ТП4 | |
| Довжина ділянки, км | 1,19 | 0,3 | 1,24 | 0,31 |
Струм ділянки в нормальному режимі  ,А
| 47,70 | 21,72 | 56,19 | 27,08 |
| Розрахунковий переріз кабелю Fэк, мм2 | 34,1 | 15,5 | 40,1 | 19,3 |
| Переріз за ДСТ, мм2 | ||||
Припустимий струм кабелю,  , А
| ||||
Припустимий струм кабелю з урахуванням поправних коефіцієнтів в нормальному режимі,  , А
| 88,55 | 57,75 | 88,55 | 57,75 |
Розрахунковий струм в післяаварійному режимі при живленні від точки А1  ,А
| 95,40 | 43,45 | 112,37 | 54,16 |
Припустимий струм кабелю з урахуванням поправних коефіцієнтів в після-аварійному режимі,  ,А
| 155,5 | 101,4 | 155,5 | 101,4 |
| Уточнений переріз кабеля за ДСТ, мм2 | ||||
| Припустимий струм кабелю, , А
| ||||
| Припустимий струм кабелю з урахуванням поправних коефіцієнтів в після-аварійному режимі, , А
| 155,5 | 101,4 | 155,5 | 101,4 |
| Активний опір кабеля по ділянках, Ом | 1,06 | 0,58 | 1,10 | 0,60 |
| Реактивний опір кабеля по ділянках, Ом | 0,11 | 0,03 | 0,11 | 0,03 |
Втрати напруги в норм. режимі, 
| 0,89 | 0,21 | 1,09 | 0,27 |
Сумарні втрати до віддаленої точки 
| 1,10 | 1,36 | ||
Втрати напруги в аварійному режимі, 
| 1,78 | 0,42 | 2,18 | 0,55 |
Сумарні втрати до віддаленої точки 
| 2,20 | 2,73 | ||
| Втрати навантаження ∆Р,кВт | 7,23 | 0,82 | 10,45 | 1,32 |
б) Розрахунок живильної мережі 10 кВ з РП.
