Проектирование электрической подстанции 220/110/6 кВ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ

РАБОТА БАКАЛАВРА

Направление 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Профиль 05 «Электроэнергетические системы и сети»

На тему

Проектирование электрической подстанции 220/110/6 кВ

Г.Волгоград

Студент _______(Н.А. Шемекеев)

Руководитель ________(Л.А. Шестакова)

Заведующий кафедрой _______(В. Г. Ковалев)

Чебоксары 2015 г

АННОТАЦИЯ

В данной работе спроектирована подстанция 220/110/6 кВ. Выбраны трансформаторы по заданным графикам нагрузки, сечение кабелей по условиям длительного режима, электрические схемы для распределительных устройств 220,110 и 6 кВ, так же электрические аппараты и токоведущие части. Произведенрасчётдифференциальнойзащитытрансформатора.

ANNOTATION

In this work the substation of 220/110/6 kV is designed. Transformers according to the given production schedules, the section of cables under the terms of the continuous duty, circuitries for distributing devices 220,110 and 6 of kV, also electric devices and current carrying parts are chosen. Calculation of differential protection of the transformer is made.

МинистерствообразованияинаукиРоссийскойФедерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Факультет энергетики и электротехники

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий имени

А.А Фёдорова»

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой ЭСПП

профессор _______В.Г. Ковалев

ЗАДАНИЕ

На выпускную квалификационную работу бакалавра

Студенту………..…………………........................……....гр…….…………..........

1 Темаработы……………………………………………………………..……...
.............................................................................………….....……….......................

.............................................................................………….....……….......................

Утверждена приказом по университету № .....……...от............2015 г.

2 Срок сдачи работы……………….................................………......…….. 3 Исходные данные к работе…………………………………………………...

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

4 Содержание расчётно-пояснительной записки(перечень подлежащих разработке вопросов) ................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………...............................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………...............................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

5 Графическая часть…………………......................................………..………................................................................................…………………………………

................................................................................…………………………………

Дата выдачи задания “.….”...…….....….....20 г.

Руководитель..........................................…..

Задание принял к исполнению (дата)......………….....................................

Подпись студента...........…….............................

Содержание

Введение ……………………………………………………………………… 7

Краткая характеристика проектируемой электрической подстанции .. 8

Глава 1. Выбор силовых трансформаторов на подстанции …………. 10

1.1. Выбор количества и типов трансформаторов на подстанции …….. 10

1.2. Выбор номинальной мощности трансформаторов ………………...10

1.3. Расчет потерь электроэнергии в трансформаторах ………………… 25

Глава 2. Выбор сечения кабелей питающей сети

по условиям длительного режима ……………………………………….. 28

Глава 3. Ограничение токов короткого замыкания ………………….. 35

Глава 4. Выбор электрических схем распределительных устройств … 41

Глава 5. Выбор и проверка электрических аппаратов и

токоведущих частей ……..…………………………………………………. 48

5.1. Расчетные рабочие токи …………..……………………………………. 48

5.2. Выбор выключателей ……..……………………………………………. 49

5.3. Выбор разъединителей …………………..……………………………... 60

5.4. Выбор трансформаторов тока …………………….…………………… 62

5.5. Выбор трансформаторов напряжения ……………..…………………... 64

5.6. Выбор шинных конструкций ……..……………………………………. 66

Глава 6. Релейная защита автотрансформатора ……………………….. 70

6.1. Сравнение релейных защит с использованием электромеханических и микропроцессорных устройств ……………………………………………… 72

6.2. Расчет дифференциальной защиты трансформатора …………………. 76

Заключение……………………………………………………………………. 86

Список использованной литературы ……….…………………………… 87

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии. Она очень просто и экономично может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, механическую, световую и т.д. Электрическая энергия находит значительное применение в устройствах автоматики, электроники и т.п., без которых немыслимы современные аппараты и технические сооружения. Поэтому обеспеченность потребителей электрической энергией является на сегодняшний день одной из главных задач.

Цель данного диплома – создание проекта подстанции на основе данных графиков нагрузки. Подстанция должна обеспечивать электроснабжение химического завода и поселка.

Поэтому задачами проекта будут:

1) Выбор трансформаторов по заданным нагрузкам;

2) Выбор электрооборудования подстанции 220/110/6;

3) Выбор и расчёт дифференциальной защиты трансформатора подстанции.

ГЛАВА 1. ВЫБОР СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ПОДСТАНЦИИ

Выбор количества и типов трансформаторов на подстанции

От подстанции питаются потребители на напряжении 110 кВ и 6 кВ. Связь с системой осуществляется на напряжение 220 кВ. На подстанции имеются потребители 1-ой категории. Необходима установка двух автотрансформаторов.

ГЛАВА 2. ВЫБОР СЕЧЕНИЯ КАБЕЛЕЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ ПО

УСЛОВИЯМ ДЛИТЕЛЬНОГО РЕЖИМА

График нагрузки распределительного пункта(РП) типа «А» представлен на рис.2.1.

РП типа «А» питается в нормальном режиме по двум кабелям:

В утяжеленном рабочем режиме, когда один кабель отключен, по оставшемуся в работе кабелю протекает ток:

Используя графики нагрузки РП (зимний и летний) определяем число часов использования максимальной нагрузки:

Рисунок 2.1 - График нагрузки РП А

По табл. 10.1 [1] определяем экономическую плотность тока для кабелей с бумажной и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами А/ . Тогда:

Округляем полученное значение до ближайших стандартных значений: (3´185) с и (3´240) с по табл. 7.10. [1].

Предполагаем, что в траншее рядом проложены 3 кабеля при расстоянии в свету 100 мм (табл. 7.17. [1]), тогда .

Температурный коэффициент:

где определяется по табл.1.12. [1];

определяется по табл. 1.13. [1];

– принятая температура окружающей среды для кабелей, проложенных в траншее на глубине 0,7 м в земле.

По табл.1.30 [1] принимаем время перегрузки 6 часов, например с 8 до 14 часов, тогда нагрузка предшествующего режима определяется за 18 часов:

Ток предшествующего режима и коэффициент загрузки в предшествующем режиме:

Из табл. 1.30 [1] определяем

Проверяем выполнение условия нагрева током утяжеленного режима:

Окончательно выбираем кабель АСБ 2(3´120) .

РП типа «Б» питается в нормальном режиме:

В утяжеленном рабочем режиме, когда один кабель отключен протекает ток:

Используя графики нагрузки РП (зимний и летний) определяем число часов использования максимальной нагрузки:

Рисунок 2.3 - График нагрузки РП Б

По табл. 10.1 [1] определяем экономическую плотность тока для кабелей с бумажной и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами А/ . Тогда:

Округляем полученное значение до ближайших стандартных значений: 2(3´150) с по табл. 7.10. [1].

Предполагаем, что в траншее радом проложены 3 кабеля при расстоянии в свету 100 мм (табл. 7.17. [1]), тогда .

Температурный коэффициент:

где определяется по табл.1.12. [1];

определяется по табл. 1.13. [1];

– принятая температура окружающей среды для кабелей, проложенных в траншее на глубине 0,7 м в земле.

По табл.1.30 [1] принимаем время перегрузки 6 часов, например с 8 до 14 часов, тогда нагрузка предшествующего режима определяется за 18 часов:

Ток предшествующего режима и коэффициент загрузки в предшествующем режиме:

Из табл. 1.30 [1] определяем

Проверяем выполнение условия нагрева током утяжеленного режима:

Окончательно выбираем кабель АСБ 2 (3´150) .

РП типа «Г» питается в нормальном режиме и утяжеленном режиме:

Используя графики нагрузки РП (зимний и летний) определяем число часов использования максимальной нагрузки:

Рисунок 2.4 - График нагрузки РП Г

По табл. 10.1 [1] определяем экономическую плотность тока для кабелей с бумажной и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами А/ . Тогда:

Округляем полученное значение до ближайших стандартных значений: (3´95) с по табл. 7.10. [1].

Предполагаем, что в траншее радом проложены 3 кабеля при расстоянии в свету 100 мм (табл. 7.17. [1]), тогда .

Температурный коэффициент:

где определяется по табл.1.12. [1];

определяется по табл. 1.13. [1];

– принятая температура окружающей среды для кабелей, проложенных в траншее на глубине 0,7 м в земле.

По табл.1.30 [1] принимаем время перегрузки 6 часов, например с 8 до 14 часов, тогда нагрузка предшествующего режима определяется за 18 часов:

Ток предшествующего режима и коэффициент загрузки в предшествующем режиме:

Из табл. 1.30 [1] определяем

Проверяем выполнение условия нагрева током утяжеленного режима:

Окончательно выбираем кабель АСБ 2(3´95) .

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Расчетные рабочие токи

Синхронный компенсатор.

Для присоединений синхронных компенсаторов расчетный ток утяжеленного режима определяется их номинальной мощностью и напряжением ниже номинального на 5%, т.е.

Автотрансформатор со стороны НН.

Автотрансформатор со стороны СН.

Автотрансформатор со стороны ВН.

Кабельная линия (РП типа Б).

Ветвь сдвоенного реактора.

Выбор выключателей

Расчетные точки короткого замыкания приведены на рисунке 5.1. Аппарату каждого присоединения соответствует своя расчетная точка, в которой при КЗ аппараты данного присоединения находятся в наиболее тяжелых условиях. Расчетные точки и их характеристика приведены в табл. 5.1.

Рисунок 5.1 - Расчетная схема

При выборе выключателей необходимо знать время действия релейной защиты, которое приведено в табл. 5.2. Расчетное время к моменту расхождения контактов выключателя определяется по:

(5.1)

Наименьшее время действия РЗ принимается равным 0,01 с.

Таблица 5.1 - Расчетные точки и их характеристика

Присоединение	Расчетные условия
Точка КЗ	Положение выключателей	Расчетная схема
Кабельная линия и ветвь сдвоенного реактора	К5	Q7 – отключен, остальные включены	система
Синхронный компенсатор	К4	Q7 – включен, Q2,Q8 – отключены	система-генератор (СК2)
АТ 6 кВ	К3	Q7 – включен, Q2,Q8 – отключены	система-генератор (СК1,2)
АТ 110 кВ	К2	Q7 – отключен, остальные включены	система
АТ 220 кВ	К1	Q7 – отключен, остальные включены	система
ТСН: 6 кВ	К6	Q7 – отключен, остальные включены	система-генератор (СК1)

Таблица 5.2 - Время действия релейной защиты

Присоединение	Тип РЗ	Время действия РЗ, с
Кабельная линия и ветвь сдвоенного реактора	МТЗ	1,0
СК	ТО	0,1
АТ 10 кВ	ДФЗ	0,2
АТ 110 кВ	0,2
АТ 220 кВ	0,2

Рисунок 5.2 - Эквивалентная расчетная схема

Выключатель на стороне НН автотрансформатора (точка К3).

U_ном=6,6 кВ, I_раб.ут.= А.

сопротивления элементов сети приведенные к НН автотрансформатора из гл.3.

Ток двух СК:

Тогда:

где γ – коэффициент затухания периодического тока КЗ к моменту времени τ=0,01+0,12=0,13 с, определяемый по П 5.1. [2].

Интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система - генератор»:

Относительный токовый импульс и относительный интеграл Джоуля определяются по рис. П. 5.2 [2].

Таблица 5.3 – Расчетные и номинальные данные выбранных выключателей

МГГ-10-4000-45УЗ	Расчетные величины
Внутренняя установка	ЗРУ

Выключатель на стороне СН автотрансформатора (точка К2).

U_ном=121 кВ, I_раб.ут. = 420,85 А.

Приводим параметры необходимых элементов к стороне СН автотрансформатора:

Рисунок 5.3 - Эквивалентная расчетная схема

Тогда:

Интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система»:

Таблица 5.4 – Расчетные и номинальные данные выбранных выключателей

ВМТ-110Б-20/1000 УХЛ1	Расчетные величины
Наружная установка	ОРУ

Выключатель на стороне ВН автотрансформатора (точка К1).

U_ном=230 кВ,I_раб.ут.=221,4 А.

Рисунок 5.4 - Эквивалентная расчетная схема

Приводим параметры необходимых элементов к стороне ВН АТ:

Тогда:

Интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система»:

Таблица 5.5 – Расчетные и номинальные данные выбранных выключателей

ВМТ-220Б-20/1000 УХЛ1	Расчетные величины
Наружная установка	ОРУ

Рисунок 5.5 - Эквивалентная расчетная схема

Выключатель СК (точка К4).

U_ном=6,6 кВ, I_раб.ут.=482,33 А.

сопротивления элементов сети приведенные к НН автотрансформатора из гл.3.

Ток от СК:

Тогда:

Интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система - генератор»:

Относительный токовый импульс и относительный интеграл Джоуля определяются по рис. П. 5.2 [5].

Таблица 5.6 – Расчетные и номинальные данные выбранных выключателей

ВВТЭ – 10 – 20/630 УХЛ2	Расчетные величины
Внутренняя установка	ЗРУ

Рисунок 5.6 - Эквивалентная расчетная схема

Выключатель сдвоенного реактора и кабельной линии (точка К5).

U_ном=6,6 кВ, I_раб.ут.= А.

Суммарное сопротивление от системы до точки КЗ :

Тогда:

Интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система»:

Таблица 5.7 – Расчетные и номинальные данные выбранных выключателей

ВВТЭ – 10 – 20/1000 УХЛ2	Расчетные величины
Внутренняя установка	ЗРУ

Выбранные выключатели отвечают всем условиям выбора и проверки. Результаты сведены в таблицу 5.8.

Таблица 5.8 – Данные выбранных выключателей

Присоединение	Тип выключателя					τ, с
Ветвь сдвоенного реактора и кабельной линии	ВВТЭ – 10			0,03	0,05	0,04	1,15
Синхронный компенсатор	ВВТЭ – 10			0,03	0,05	0,04	0,15
АТ 6 кВ	МГГ-10			0,12	0,15	0,13	0,25
АТ 110 кВ	ВМТ – 110Б			0,05	0,08	0.06	0.28
АТ 220 кВ	ВМТ – 220Б			0,05	0,08	0,06	0,28

Выбор разъединителей

Разъединитель на стороне ВН автотрансформатора

Таблица 5.9 – Расчетные и номинальные данные разъединителя на стороне ВН автотрансформатора

РНД – 220/1000 У1	Расчетные величины
Наружная установка	ОРУ

Разъединитель на стороне СН автотрансформатора

Таблица 5.10 – Расчетные и номинальные данные разъединителя на стороне СН автотрансформатора

РНД – 110/1000 У1	Расчетные величины
Наружная установка	ОРУ

Разъединитель на стороне НН автотрансформатора.

Таблица 5.11 – Расчетные и номинальные данные разъединителя на стороне НН автотрансформатора

РВР – 10/4000 У3	Расчетные величины
Внутренняя установка	ЗРУ

Разъединитель сдвоенного реактора и кабельной линии.

Таблица 5.12 – Расчетные и номинальные данные разъединителясдвоенного реактора и кабельной линии

РВР – 10/4000 У3	Расчетные величины
Внутренняя установка	ЗРУ

Выбор трансформаторов тока

Используя те же расчетные величины, что и для выбора выключателей, выполним расчет, выбор и проверку трансформаторов тока на стороне НН (6 кВ) в цепи присоединения сдвоенного реактора.

U_ном=6 кВ, I_раб.ут.=360,8 А.

Суммарное сопротивление внешней вторичной цепи трансформатора тока:

(5.2)

где – сопротивление контактов (принимается равным для всей цепи 0,1 Ом).

Рисунок 5.7. Схема присоединения приборов к трансформаторам тока

Таблица 5.13 – Данные приборов присоединенных к трансформаторам тока

Приборы	Тип	Нагрузка ТТ от приборов, ВА
Фаза А	Фаза С
Амперметр	ЩК 96	0,5	-
Счетчик активной энергии	Меркурий 234 ARTM	2,5	2,5
Итого			2,5

Из таблицы видно, что наиболее загружен трансформатор тока фазы С, тогда сопротивление приборов определяется:

Приняв длину алюминиевых соединительных проводников , сечение 4 и удельное сопротивление электрическому току ρ=0,028 Ом∙м, находим:

Расчетная вторичная нагрузка трансформаторов тока составляет:

Выбираем трансформатор тока типа ТОЛ – 10. Расчетные и номинальные данные по выбору трансформаторов тока сведены в таблицу 5.12.

Таблица 5.14 - Расчетные и номинальные данные по выбору трансформаторов тока

ТОЛ – 10	Расчетные величины
100 кА

Выбор шинных конструкций

Выбираются соединительные шины для подключения сдвоенного реактора к сборным шинам 6 кВ.

1. Выбирается сечение по экономической плотности тока.

Тогда экономически целесообразное сечение составит:

По табл. 7.3 [1] выбираем однополосную алюминиевые шинную конструкцию 2 с

2. Выбранное сечение проверяют на нагрев в рабочем утяжеленном режиме:

(5.3)

Считая температуру окружающей среды (воздуха) в ЗРУ равной +7,5 °С, проверяется выполнение условия нагрева в длительном режиме:

3. Проверка выбранного сечения шин по электротермической стойкости:

(5.4)

3.1. Рассчитывается температура нагрева проводника током утяжеленного режима:

3.2. По кривой на рис. 1.1. [1] определяется термический коэффициент

3.3. Рассчитываем :

3.4. По кривой на рис.1.1. [1] определяется конечная температура нагрева шин, равная ≈ 60 °С, что значительно меньше кратковременно допустимой температуры равной 200 °С для алюминиевых шин (табл.1.14 [1]), т.е. выбранные шины термически стойки к расчетному току короткого замыкания.

4. Проверка выбранного сечения по электродинамической стойкости.

(5.5)

Предположим, что шины расположены в горизонтальной плоскости плашмя на изоляторе (рис. 5.9.), расстояние между фазами а=30 см, расстояние между изоляторами одной фазы (длина пролета) расстояние между двумя соседними дистанционными прокладками

Рисунок 5.9 - Простая шинная конструкция

4.1.Определяется сила, действующая на среднюю фазу шинной конструкции при трехфазном КЗ:

4.2. Определяется расчетная сила, действующая на головку изолятора ИО – 6 – 3,75 У3 (табл. 5.7. [1]):

где - минимальная разрушающая нагрузка изолятора на изгиб (таблица 5.7 [1]).

4.3. Изгибающий момент:

4.4. Рассчитывается момент сопротивления поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной к направлению силы:

4.5. Расчетное напряжение материала:

Проверяется выполнение условия:

Условие электродинамической стойкости выполняется.

Заключение

В данной выпускной квалификационной работе бакалавра, спроектирована подстанция, которая предназначена для электроснабжения химического завода и поселка с установкой двух автотрансформаторов типа АТДЦТН-63000/220/110.

По условиям длительного режима выбраны кабели для распределительных