Пояснения по содержанию курсовой работы

Г.

Введение

Согласно рабочему учебному плану подготовки бакалавров направления 13.03.02 -«Электроэнергетика и электротехника» предусматривается выполнение курсовой работы по дисциплине «электрические сети, релейная защита и автоматика». В процессе проектирования студенты должны рассмотреть широкий круг технических и организационно-экономических вопросов, относящихся к области проектирования и организации эксплуатации системы электроснабжения промышленного предприятия.

Выполнение курсовой работы следует проводить поэтапно, последовательно решая поставленные задачи. При выполнении курсовой работы важнейшим условием является принятие обоснованных решений, с учетом требований нормативно-технической документации, действующих правил, ГОСТов. Целью курсовой работы является:

- систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических сведений, получаемых при изучении дисциплины;

- применение полученных знаний при решении конкретных технических, экономических и производственных задач;

- углубленная проработка специальных вопросов, предназначенных для самостоятельного изучения;

- развитие навыков ведения самостоятельной работы при решении разрабатываемых в курсовой работе вопросов и проблем;

- умение пользоваться нормативной, справочной и другой специальной литературой;

- выявление степени подготовленности студентов к самостоятельной работе в условиях современного производства.

При проектировании следует учесть следующие основные требования, предъявляемые к системам электроснабжения.

Современная система электроснабжения должна отвечать следующим требованиям:

экономичности и надежности;

безопасности и удобству обслуживания;

обеспечению качества электроэнергии;

уровню напряжения и стабильной частоте.

Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки, содержащей обоснование принятых решений с необходимыми расчетами и чертежей, позволяющих проиллюстрировать принятые решения.

Содержание курсовой работы

Введение.

Исходные данные.

1 Составление и обоснование схемы и вариантов номинальных напряжений сети.

2 Баланс реактивной мощности и выбор компенсирующего устройства.

3 Выбор типа и мощности трансформаторов понижающих подстанций.

4 Электрический расчет составленных вариантов сети.

4.1 Выбор питающих линий 110 кВ.

4.2 Расчет распределительной сети 10 кВ/6 кВ.

5 Технико-экономический расчет вариантов схем.

6 Расчет электрической части трансформаторной подстанции 110/10(6) кВ.

6.1 Расчет токов короткого замыкания.

6.2 Выбор электрической аппаратуры.

7 Расчет молниезащиты и заземления 110/10 (или 6) кВ .

7.1 Расчет молниезащиты.

7.2 Расчет заземляющего устройства.

Заключение

Содержание графической части:

1. Схема электрических соединений подстанции.

2. Схема молниезащиты.

Радиальная схема

В радиальной схеме, потребляемая мощность является передаваемой.

; ;

Магистральная схема

В магистральной схеме потокораспределение находится по I закону Кирхгофа.

; ;

Кольцевая схема

В кольцевой схеме потокораспределение находится по правилу обратных плеч. Покажем на примере расчет кольцевой схемы.

Рисунок 6. – Развернутая кольцевая схема.

(15)

(16)

Проверяем правильность расчета по уравнению:

(верно)

Определяем потокораспределение в сети по I закону Кирхгофа:

Рисунок 7. – Потокораспределение нагрузок по сети.

4.3 Определяем сечения проводов в электрических сетях. Критерием для выбора сечения проводников ВЛ является минимум приведенных затрат. В практике проектирования линий массового строительства выбор сечения проводников производится по нормативным обобщенным показателям.

В качестве такого показателя при проектировании ВЛ 35¸500 кВ используется экономическая плотность тока j_э , которая в зависимости от типа проводки и числе часов использования максимума нагрузки в год выбирается по [4]:

Экономически целесообразное сечение S определяется из соотношения:

(17)

где – максимальный ток в аварийном режиме (при обрыве одной из линий), А.

Расчетный ток (расчетный и максимальный) определяется по формулам:

(18)

, (19)

где – мощность, передаваемая по конкретной линии. При двухцепной ( ) линии это значение уменьшается в два раза.

Значение находится по той же формуле, но при обрыве одной из питающих линий.

Так как во всех приемных пунктах имеются потребители I и II категорий, то все линии выбирают двухцепными, кроме кольцевой схемы. Выбранные сечения проверяются по допустимому току в нормальном и послеаварийном режимах, а также на потерю напряжения в нормальном и послеаварийных режимах. Также необходимо учесть минимальный диаметр проводов ВЛ по условиям короны.

Радиальная схема

Участок АБ:

; ,

где =

Участок АВ:

; ,

где

Участок АГ:

; ,

где =

Магистрльная схема

Участок АБ:

; ,

где =

Участок БВ:

; ,

где =

Участок АГ:

Этот участок аналогичен участку в радиальной схеме.

Кольцевая схема

Участок АБ:

; ,

где ; ;

;

Участок БВ:

; ,

где ; ;

;

Участок ВГ:

; ,

где ; ;

;

Участок АГ:

; ,

где ;

;

Находим потери напряжения сетей по формуле:

(20)

(21)

Потери мощности находим по формулам:

(22) ; (23)

Потери электроэнергии определяем по формуле:

(24)

Все потери записываем в таблицу 10 и в таблицу 11.

Таблица 10. Определение сечения провода линий.

Схема	Участок	Расчетный ток, , А	Максимальный ток, , А	Марка провода	Допустимый длительный ток провода, А	Погонные сопротивления (проводимости)
активное, R0 , Ом/км	индуктивное, Х0 , Ом/км	емкостная, b0 , 10 -6 1/(Ом .км)
радиальная	АБ
АВ
АГ
магистральная	АБ
БВ
АГ
кольцевая	АБ
БВ
ВГ
АГ

Таблица 11. Параметры линий.

Схема	Участок	Длина участка, , км	Потери напряжения	Потери мощности	Потери электроэнергии, , кВт .ч
DUл , кВ	DUл , %	DРл , кВт	DQл , кВар
радиальная	АБ
АВ
АГ
Итого, DWл.S
магистральная	АБ
БВ
АГ
Итого, DWл.S
Кольцевая	АГ
ВГ
ВБ
АБ
Итого, DWл.S

Все потери напряжения меньше 5%, т.е. в пределах нормы.

5 Технико-экономический расчет вариантов схем

Для выбора технико-экономического варианта или наиболее выгодного варианта сопоставляются экономические и технические варианты.

К важнейшим технико-экономическим показателям относятся: надежность, долговечность, удобство эксплуатации, степень автоматизации.

Одним из основных экономических показателей является затраты на сооружение:

, (25)

где - капиталовложения линии (затраты на изыскательные работы, подготовку трассы, затраты на приобретение опор, проводов, изоляторов, на их транспортировку и монтаж)

- капиталовложения подстанции (затраты на приобретение оборудования и его монтаж)

Эксплуатационные расходы слагаются из затрат на амортизацию, ремонт, обслуживание электрических сетей и стоимости потерь электроэнергии в течение одного года:

,26)

где – годовые издержки, связанные с потерей электроэнергии.

, (27)

где и - стоимость 1 кВт ^. ч потерянной электроэнергии, зависящей и независящей от нагрузки.

(28)

(29)

По графику [1, стр.22] определяем, что b ^/=6,4 коп./(кВт ^. ч) и b ^//=4,8 коп./(кВт ^. ч).

Издержки в [%] от капиталовложения – это отчисления на амортизацию. Устанавливаются с таким расчетом, чтобы к моменту возможного износа оборудования или сооружения накопилась сумма, необходимая для их восстановления (реконструкции)

(30)

Отчисления на амортизацию идут на капитальный ремонт и инновацию.

Ремонтные затраты связаны с текущим ремонтом оборудования для поддержания его в нормальном состоянии (мелкий ремонт, профилактика, чистка изоляции):

(31)

В затраты на обслуживание входят: зарплата обслуживающего персонала, расходы на связь, транспорт, жилые дома для обслуживающего персонала:

(32)

В расчетах издержки определяются по формуле:

, (33)

где , принимаем =5%;

, принимаем =15%.

Расчет капиталовложений трех вариантов представлен в таблице 12, эксплуатационные расходы за один год – в таблице 13 (расчет приведен в ценах на 2000г.).

Таблица 12. Расчет капиталовложений на строительство подстанций трех вариантов.

Наименование оборудования	Единица измерения	Цена, тыс.руб/шт., (тыс.руб/км)	Варианты схем
радиальная	магистральная	кольцевая
	шт. (км)	тыс. руб	шт. (км)	тыс. руб	шт. (км)	тыс. руб
ОРУ 110 кВ с МВ	шт.
ТП-110/10 кВ; 2,5 МВ .А	шт.
ТП-110/10 кВ; 6,3 МВ .А	шт.
ТП-110/10 кВ; 10 МВ .А	шт.
Компенсирующие устройства; 2,3 МВар	шт.
Компенсирующие устройства; 2,9 Мвар	шт.
Итого, Кп/ст
ВЛ-110 кВ (одноцепная) с ж/б опорами, провод АС-120/19	км.
То же, провод 2хАС-120/19	км.
ВЛ-110 кВ (двухцепная) с ж/б опорами, провод АС-70/11	км.
То же, провод АС-2*120/19	км.
То же, провод АС-120/19	км.
Итого, Кл
Всего, К

Таблица 13.Расчет эксплуатационных затрат на сооружаемых подстанциях трех вариантов.

Наименование показателя	Единица измерения	Варианты схем
радиальная	магистральная	кольцевая
Потери электроэнергии, зависимые от нагрузки, DW /	кВт .ч
Потери электроэнергии, независимые от нагрузки, DW //	кВт .ч
Расходы, связанные с потерей электроэнергии, ИDW	тыс. руб
Расходы, связанные с амортизацией, ремонтом и обслуживанием ВЛ, Ил	тыс. руб
Расходы, связанные с амортизацией, ремонтом и обслуживанием ТП, Ип/ст	тыс. руб
Всего, И	тыс. руб

Из трех вариантов схем наиболее целесообразной является магистральная схема. Дальнейшие вычисления приведены для радиальной схемы.

6 Расчет трансформаторной подстанции 110/10(6) кВ

При выборе систем распределения электрической энергии важную роль играет опыт их эксплуатации и проектирования. Примем нашу проектируемую подстанцию двухсекционной с двумя трансформаторами и питанием от двух линий с раздельным питанием. В каждой линии со стороны 110 кВ в цепи трансформатора устанавливаем разъединитель и высоковольтный выключатель. Секции соединены шинным мостом с двумя разъединителями и выключателем для питания двух трансформаторов от одной из ВЛ 110 кВ. Главная схема соединений подстанций представлена на рисунке 8.

При расчете в схему замещения включаем источник А и приемник Б (для четных вариантов) и В (для нечетных вариантов). Все исходные данные относятся к радиальной схеме.

На подстанции имеется 10 отходящих кабельных линий (фидеров).

Данные по расчетной мощности и длине для отходящих линий представлены в таблице14.

Необходимо определить сечение кабельных линий по экономической плотности токов. Выбранное сечение кабеля должно быть проверено по потере напряжения и на термическую устойчивость к токам короткого замыкания (данная проверка выполняется после расчета токов короткого замыкания). Для всех отходящих линий cosj одинаковый (для четных вариантов cos j= 0,85, а для нечетных cos j= 0,95).

Таблица 14. Данные расчетных мощностей и длин отходящих линий радиальной схемы.

Последняя цифра шифра
S1, кВА
S2, кВА
S3, кВА
S4, кВА
S5, кВА
S6, кВА
S7, кВА
S8, кВА
S9, кВА
S10, кВА
Предпоследняя цифра шифра
L1, км	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,1	1,2	1,3	1,4
L2, км	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9
L3, км	3,4	3,8	4,2	4,6		5,4	5,8	6,2	6,6
L4, км		4,8	4,6	4,4	4,2		3,8	3,6	3,4	3,2
L5, км		4,3	4,9	4,6	5,2	5,5	3,7	3,4	5,8	6,1
L6, км		2,7	3,7	4,7	5,7	6,7	7,7	8,7	9,7	1,7
L7, км	1,4	1,3	1,2	1,1		0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
L8, км	3,3		3,8	3,5	3,7	3,9	4,1	4,3	4,5	4,7
L9, км	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9
L10, км	5,9	5,7	5,5	5,6	4,9	4,5	4,4	4,9	5,2

Рисунок 8. - Главная схема соединений подстанций

6.1 Расчет токов короткого замыкания

Рассмотрим пример расчета токов короткого замыкания на подстанции.

В нормальном режиме трансформаторы подстанции включены раздельно для снижения токов короткого замыкания. Схема электроснабжения для определения токов короткого замыкания представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. – Схема электроснабжения для определения токов короткого

замыкания.

На основе этой схемы составляем схему замещения для расчета значений токов короткого замыкания в точках К1-К3, рисунок 11. Все элементы электроустановки, влияющие на величину токов КЗ, входят в схему замещения со своими сопротивлениями, при этом для трансформаторов учитываются их индуктивные сопротивления, а для воздушных линий — индуктивное и активное сопротивление проводов ВЛ.

В точке К1 определяем ток короткого замыкания для выбора и проверки аппаратуры на стороне 110 кВ. В точках К2 и К3 ток короткого замыкания определяется для выбора и проверки аппаратуры отходящих линий.

Рисунок 10. – Схема замещения для расчета токов короткого замыкания

Проведем расчет токов КЗ в относительных единицах . В общем случае выбор базовых параметров, используемых в расчете, произволен. Принимаем: базовая мощность

МВА; частота сети: Гц; базовое напряжение I и II ступеней: кВ, кВ. Находим базовые токи для соответствующих ступеней по формуле:

(34)

Для первой ступени:

кА

Для второй ступени:

кА

Определим сопротивления элементов схемы замещения в относительных единицах (символ * означает, что расчеты ведутся в относительных единицах) активное и индуктивное:

(35)

(36)

Найдем активное и индуктивное сопротивления ВЛ-110 кВ:

Ом

Ом

С учетом того, что подстанция соединена с системой двумя параллельными линиями то:

(37)

Ом

(38)

;

;

Определим сопротивление трансформаторов в относительных единицах:

(39)

Ом

Определим сопротивление выбранных кабелей для сети 10 кВ в относительных единицах, в качестве примера рассмотрим кабельную линию КЛ-1:

(40); (41)

;

Значения сопротивлений для остальных кабелей рассчитываются аналогично, результаты расчетов сведены в таблице 8.1.1. На рисунке 11 представлены схемы замещения для соответствующих участков, включая все кабельные линии .

Рисунок 11. – Схемы замещения для соответствующих участков.

Проведем расчет токов короткого замыкания на примере участка ВЛ110кВ - КЛ1, 10кВ. Начнем с точки к.з. К1:

(42)

Ток трехфазного короткого замыкания в точке К1:

(43)

Ударный ток трехфазного короткого замыкания в точке К1:

(44)

где - ударный коэффициент тока к.з. [3];

- постоянная времени апериодической составляющей тока к.з. [3];

w = 314 рад/с, при частоте переменного тока в сети f = 50 Гц.

Ток двухфазного короткого замыкания в точке К1:

(45)

Ударный ток двухфазного короткого замыкания в точке К1:

(46)

Мощность короткого замыкания:

(47)

Примем, что рассматриваемая система - бесконечной мощности, поэтому активное и индуктивное сопротивления системы равны нулю ( ; ). Ток трехфазного и двухфазного короткого замыкания до точки :

кА

кА

Ударный ток трехфазного и двухфазного короткого замыкания до точки :

с

кА

кА

Мощность короткого замыкания до точки :

МВ×А

Расчеты для остальных точек к.з. К2 – К11 ведутся аналогично. При этом необходимо учитывать поправки для результирующих сопротивлений к соответствующим участкам. В частности, для точек К2 и К3 в состав xрез* войдет сопротивление x2* трансформатора:

(48)

Для точек К4 – К11 в состав xрез* войдет сопротивление x2* трансформатора и индуктивное сопротивление соответствующей кабельной линии, а в состав rрез* войдет активное сопротивление прокладываемого кабеля, например, для точки К4:

(49)

(50)

Результаты проведенных расчетов приведены в таблице 15.

Таблица 15. Расчет токов короткого замыкания.

Точки к.з.	rрез*	xрез*	zрез*	Tк, с	Ку	Iк(3),кА	iуК(3),кА	Iк(2),кА	iуК(2),кА	Sк,МВА
К1	0,232	0,370	0,437	0,0051	1,14	1,15	1,85	0,995	1,604	132,2
К2	0,232	1,026	1,052	0,0141	1,87	4,99	13,18	4,322	11,47	499,0
К3	0,232	1,026	1,052	0,0141	1,87	4,99	13,18	4,322	11,41	499,0
К4	0,538	1,097	1,222	0,0065	1,10	4,30	6,70	3,721	5,804	429,6
К5	0,844	1,168	1,441	0,0044	1,06	3,64	5,45	3,155	4,720	364,3
К6	1,455	1,310	1,958	0,0029	1,01	2,68	3,83	2,321	3,316	268,1
К7	2,373	1,523	2,820	0,0020	1,01	1,86	2,67	1,612	2,312	186,2
К8	3,902	1,879	4,330	0,0015	1,02	1,21	1,75	1,050	1,517	121,2
К9	6,348	2,447	6,803	0,0012	1,05	0,77	1,14	0,668	0,988	77,2
К10	10,32	3,371	10,86	0,0010	1,03	0,48	0,70	0,419	0,609	48,3
К11	16,74	4,864	17,43	0,0009	1,17	0,30	0,50	0,261	0,431	30,1

6.2 Выбор электрической аппаратуры

Надежная и экономичная работа электрических аппаратов и токоведущих частей (шин, кабелей и др.) может быть обеспечена лишь при их правильном выборе по условиям работы как в длительном (нормальном) режиме, так и в режиме короткого замыкания.

Для длительного режима аппаратуру подстанции выбирают по номинальному току, номинальному напряжению, роду установки, конструктивному исполнению, току и мощности отключения (аппараты для отключения рабочих и аварийных токов).

После выбора аппаратов и проводников по условиям длительного режима их проверяют на электродинамическую и термическую стойкость при протекании токов короткого замыкания, вызывающих наибольшие механические напряжения и нагрев. Отключающие аппараты, кроме того, выбирают по их отключающей способности.

Таким образом, выбор аппаратуры производим исходя из проектных данных согласно схеме подстанции.

Выбор высоковольтных выключателей [5].

Выключатель - это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения цепи в нормальных и аварийных режимах. Допустимо производить выбор выключателей по важнейшим параметрам:

1. По напряжению установки: .

2. По длительному току: ;

3. По электродинамической стойкости:

; , (51)

где , - предельный сквозной ток КЗ (ударное и действующее значение тока), А.

4. По отключающей способности: ;

5. По термической стойкости:

(52)

где - тепловой импульс по расчету;

- предельный ток термической стойкости, кА;

-время протекания предельного тока термической стойкости, с.

Для ВЛ 110/10 кВ определяем максимальные токи:

А

А

Действующие значения периодической составляющей тока КЗ:

кА; кА;

Значение ударного тока КЗ:

кА; кА;

Тепловой импульс определяем по формуле:

(53),

где - максимальное время действия релейной защиты (для сетей 110...220 кВ с)

- собственное время отключения выключателя (обычно с)

Расчетные значения теплового импульса:

кА ×с; кА ×с

Исходя из расчетных данных, выбираем следующие выключатели [3]: МКП-110М-1000-20У3 с приводом ШПЭ-33 на сторону 110 кВ , ВМПЭ-10-630-20У3 с встроенным приводом на сторону 10 кВ. Результаты расчета сведем в таблицу 16.

Таблица 16. Расчетные и технические данные высоковольтных выключателей.

Тип выключателя	, кВ	, А	, кА	, кА	, кА ×с
МКП-110М-1000-20У1	110 110	84,24 1000	1,85 52	20 1,15	0,331 1200
ВМПЭ-10-1600-20У3	10 10	1566,2 1600	11,66 52	20 4,99	6,22 3696

Выбор разъединителей [3].

Разъединитель — это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток. Выбор разъединителей производится:

1. По напряжению установки:

2. По току: ;

3. По электродинамической стойкости:

; , (54)

где , - предельный сквозной ток КЗ (ударное и действующее значение напряжения), А.

4. По термической стойкости:

, (55)

где - тепловой имп