Электрические станции и подстанции

Электрические станции и подстанции

Учебно-методическое пособие к решению задач

ЧЕБОКСАРЫ 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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.Федорова»

Утверждено Методическим советом университета

Электрические станции и подстанции

Учебно-методическое пособие к решению задач

 

 

ЧЕБОКСАРЫ 2014

УДК 621.311.4(075.8) Составители: И.Г.Злобина

Е.Ю.Казакова

 

Электрические станции и подстанции: Учебно-методическое пособие к решению задач. /Сост. И.Г.Злобина, Е.Ю.Казакова: Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2014. 66с.

 

 

Для студентов III курса факультета энергетики и электротехники дневной и заочной форм обучения по направлению 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника.

 

Ответственный редактор канд. техн. наук, доцент И.Г. Злобина

 

Утверждено Методическим советом университета

В рамках реализации проекта «Кадры для регионов»

 

Электрические станции и подстанции

 

Учебно-методическое пособие к решению задач

 

Ответственный за выпуск

Подписано к печати. Формат 60×84/16. Бумага газетная.

Гарнитура Times. Печать оперативная. Усл. печ. л. Уч.изд.л.

Тираж 500 экз. Заказ №.

Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова,

428015, г. Чебоксары, Московский просп., 15.

Тема 1. Выбор силовых трансформаторов на подстации.

 

При выборе типа трансформаторов рекомендуется приме-нять трехфазные трансформаторы. Трехфазные трансформаторы по сравнению с однофазными экономичней (на 20 - 25% меньше стоимость, на 12 - 15% меньше потери электроэнергии) и проще в эксплуатации. Группы из трех однофазных трансформаторов применяют при больших мощностях (более 150 МВА) по условиям изготовления или по условиям транспортировки.

Двухобмоточные трансформаторы устанавливают на под-станциях при наличии распределительных устройств (РУ) двух номинальных напряжений. При наличии трех номинальных напряжений устанавливают автотрансформаторы (при среднем напряжении 110-220кВ и высшем 220кВ и более) или трехобмоточные трансформаторы (при среднем напряжении 35 кВ).

Классификация по системам охлаждения следующая:

М - естественная циркуляция воздуха и масла (в зарубежных странах (МЭК) - ONAN);

Д - принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла - (ONAF);

Ц - принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла - (OFWF);

ДЦ - принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла - (OFАF);

Система охлаждения зависит от номинальной мощности трансформатора.

На подстанциях рекомендуется использовать трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Трансформаторы мощностью 25 МВА и выше выпускаются промышленностью с делением обмотки низшего напряжения на части (с расщепленной обмоткой) с целью уменьшения токов короткого замыкания (КЗ).

 

Построение графиков нагрузки трансформаторов.

Выбор номинальной мощности трансформаторов начинается с построения графиков нагрузки трансформатора. При построении графиков используются заданные графики нагрузки потребителей.

В общем случае для трансформаторов нагрузка определяется:

; (1.1)

где P _{с,нг, t}, Q _{с,нг, t} – активная и реактивная мощности, потребля-емые нагрузкой на стороне среднего напряжения;

P _{н,нг, t}, Q _{н,нг, t} - активная и реактивная мощности, потре-бляемые нагрузкой на стороне низшего напряжения;

- реактивная мощность, вырабатываемая синхронным компенсатором.

Графики нагрузок трансформаторов должны быть построены для характерных зимних и летних суток. Далее выбор мощности трансформаторов производится по наиболее тяжелому графику (им, как правило, является зимний график) с учетом их допустимых перегрузок.

 

Примеры решения задач.

Рис.1.3 Принципиальная схема подстанции

110кВ

10кВ

Т2

Т1

НГ

С

~

Задача 1. Выбрать трансформаторы на подстанции, от которой питаются потребители 1-й, 2-й и 3-ей категорий на напряжении 10 кВ. Связь с системой осуществляется на U =110кВ. (рис.1.3).

Задан зимний график нагрузки (рис 1.4)

S_нг, 0-6час.:90МВА

6-8час.:160МВА

8-10 час.:140МВА

10-13 час:180 МВА

13-15 час:220МВА

15-18 час:140 МВА

18-22 час.:90МВА

22-24 час.:80МВА

Выбор номинальной мощности трансформаторов начинается с построения графиков нагрузки трансформатора.

По нагрузке намечают установку на подстанции двух (т.к. есть потребители 1 категории) трансформаторов с S_ном=125МВА типа ТРДЦН U _Вном=115кВ, U _Нном=10,5кВ.

В нормальном режиме, когда работают оба трансформатора, систематической перегрузки нет. При отключении одного трансформатора оставшийся в работе с учетом аварийной перегрузки должен обеспечить этот график нагрузки.

 

t, час

S ном

Рис.1.4. График зимней нагрузки подстанции

h

 

Рассчитывается допустимая аварийная перегрузка при условии, что подстанция проектируется в районе города Чебоксары с эквивалентной зимней температурой

J₀= - 9,1°С ≈ - 10°С (табл. 1.37 [3]).

Расчет ведется в последовательности, изложенной выше.

Аварийные перегрузки.

1. Откладывается номинальная мощность одного, оставшегося в работе трансформатора S _ном=125МВА, на графике нагрузки (рис.1.4.).

2. Преобразовывается многоступенчатый график в эквивалентный двухступенчатый:

3. Рассчитываются коэффициенты:

; ;

4. Определяется К _2расч

т.к. 0,9× K _мах=1,58> =1,35, то K _2расч=0,9× K _мах=1,58, а

5. По таблице аварийных перегрузок (табл. 1.36 [3]) для эквивалентной температуры окружающей среды °С, для системы охлаждения ДЦ, для K ₁=0,7 и h =8,7часов определяется k _2доп=1,6 – допустимый коэффициент аварийной перегрузки.

6. Сравнение допустимого и расчетного коэффициентов перегрузки:

k _2доп=1,6 < k _2,расч=1,58

приводит к выводу, что трансформатор мощностью 125 МВА, с учетом аварийной перегрузки, сможет обеспечить передачу мощности по заданному графику.

Задача 2. Трансформатор типа ТД работает по двухступенчатому графику нагрузки (рис. 1.5) при эквивалентной температуре охлаждающей среды (воздуха) +20ºС. Постоянная времени равна τ =3ч, отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода равно b =5.

Рассчитать тепловой режим трансформатора.

Решение. Рассчитать тепловой режим трансформатора означает определить изменение температуры масла в верхних слоях и температуры обмотки в наиболее нагретой точке на заданном отрезке времени.

Определяется сначала превышение температуры масла над температурой охлаждающей среды в течение времени от 18 до 24 час. (2-ая ступень процесса), полагая, что до вечернего подъема нагрузки тепловой режим успел стабилизироваться.

k 1=0,7

k=S/S ном

t

ч

k 2=1,15

Рис.1.5 Двухступенчатый график нагрузки трансформатора

Начальное превышение температуры масла , соответствующее нагрузке , согласно формуле (1.6)

ºС.

Превышение температуры масла, соответствующее нагрузке :

ºС.

Превышение температуры масла (в верхних слоях) над температурой охлаждающей среды в течение времени с 18 до 24 часов (II ступень процесса):

Расчет начинается со второй ступени, т.к. до вечернего подъема нагрузки тепловой режим успел стабилизироваться (устанавливается через время t =4 τ) и, зная начальную для второй ступени температуру масла θ_нач=θ₁=33,4ºС, θ_уст=θ₂=68,3ºС, рассчитывается для нескольких значений времени t

Аналогично для первой ступени – с 0(24) до 18 часов, θ_уст = θ ₂= 33,4ºС, но начальная температура рассчитывается , т.е. за 6 часов температура не успевает достигнуть установившегося значения 68,3ºС.

Превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды для первой ступени:

ºС,

ºС.

Абсолютную температуру масла и обмоток определяют добавлением температуры охлаждающей среды υ ₀:

; .

Результаты расчета сведены в таблицу 1.2:

Таблица 1.2

Часы суток	0(24)
Часы 1 ступени, ч						-	-
Часы 2 ступени, ч	-	-	-	-
Θм, ºС	48,88	37,48	34,47	33,68	33,47	50,38	59,1	63,57
υ м, ºС	68,88	57,48	54,47	53,68	53,47	70,38	79,1	83,57
Θобм, ºС	61,88	50,48	47,47	46,68	46,47/ 62,27	79,18	87,9	92,37/ 76,57
υ об, ºС	81,88	70,48	67,47	66,68	66,47/ 82,27	99,18	107,9	112,37/96,57

Сравнение наибольшей температуры масла ºС с допустимой ºС (табл.1.1) и максимальной температуры наиболее нагретой точки обмотки ºС с допустимой ºС (табл.1.1) показывает, что трансформатор работает с допустимой перегрузкой.

1.5. Задачи для самостоятельного решения.

1. Для трансформатора с системой охлаждения Ц рассмотреть возможность длительной работы по следующим вариантам суточных двухступенчатых графиков:

а) , , ;

б) , , .

Эквивалентная температура охлаждающей среды составляет +20ºС.Какой из двух заданных графиков тяжелее для трансформатора и почему?

2. Выбрать номинальную мощность трансформаторов двухтрансформаторной подстанции по заданному графику (рис1.6).

S

MBA

110/6кВ

υ0=-10°С

t

ч

Рис.1.6.

 

 

3. Выбрать номинальную мощность трансформаторов двухтрансформаторной подстанции по заданному графику (рис.1.7).

S

MBA

110/6кВ

υ0=10°С

t

ч

Рис.1.7.

 

4. Выбрать мощность одного трансформатора с учетом систематической перегрузки. Рассчитать температуры масла и обмотки трансформатора, работающего по графику (рис.1.8).

S

MBA

220/10кВ

υ0=9°С

t

ч

Рис.1.8.

 

5. Выбрать номинальную мощность трансформаторов двухтрансформаторной подстанции, имеющей заданный график нагрузки (рис.1.9).

S

MBA

16

110/10кВ

υ0=0°С

t

ч

 

 

 

Рис.1.9.

6. На подстанции с заданным графиком нагрузки (рис.1.10) установлено два трансформатора. Выбрать их номинальную мощность с учетом возможной перегрузки. Рассчитать температуру обмотки и масла трансформаторов.

 

S

MBА

110/10кВ

υ0=0°С

t

ч

Рис.1.10.

 

Примеры решения задач.

Задача 1. Выбрать сечение алюминиевых шин, соединяющих трансформатор типа ТДЦ – 80000/220 со сборными шинами 10кВ подстанции (см. рис 2.1). В нормальном режиме нагрузка каждого трансформатора составляет 63% его номинальной мощности, а при отключении одного из них нагрузка оставшегося в работе трансформатора превышает его номинальную мощность на 26%. Продолжительность использования максимальной нагрузки трансформатора T _max=6300ч. Температуру воздуха принять равной 25°С.

Решение. Расчетный ток трансформатора в нормальном режиме

Для алюминиевых шин при

[3, табл.10.1], поэтому

Возможно использование следующих составных шин коробчатого сечения [3, табл.7.6];

РП2

РП1

10 кВ

~

С

Т1

Рис.2.1. Схема электрических соединений подстанции

Т2

 

 

1) 2)

3)

Ближайшим к экономическому оказывается сечение первой шины.

Расчетный ток наибольшего режима трансформатора

Условию (2.3) выбранная по экономической плотности тока шина не соответствует. Этому условию отвечает третья шина сечением 4880 мм².

4 8 12 16 20 t, ч

% Р max

Зима (200 дней)

Лето (165 дней)

Задача 2. Выбрать и проверить по условиям нагрева в рабочем режиме кабели с алюминиевыми жилами, связывающие распределительные пункты РП 1 и РП 2 (рис.2.1) с шинами 10 кВ подстанции. Максимальная нагрузка пункта РП1 составляет Р _max=8МВт, пункта РП2 - Р _max=3МВт; коэффициент мощности нагрузки Кабели проложены в земле, температура почвы 15°С. Суточные графики нагрузки распределительных пунктов представлены на рис.2.2.

 

Рис. 2.2.

Пример решения задач.

Проверить по электротермической стойкости сечение кабеля (3×120)мм², выбранного в п.2.3, если ток КЗ на шинах низшего напряжения время действия релейной защиты линии составляет 1с, линия коммутируется выключателем ВВ/TEL с полным временем отключения Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ , температура окружающей среды

1. Рассчитывается интеграл Джоуля для расчетной схемы типа «система»

2. Рассчитывается температура нагрева проводника током рабочего утяжеленного режима:

3. По кривой рис.1.1 [3] определяем

4. Рассчитывается

5. По кривой рис. 1.1 [3] определяется =250ºС > =200ºС, т.е. кабель сечением (3×120)мм^2, не удовлетворяет условию термической стойкости.

6. Рассчитывается минимальное значение сечения, соответствующего этому току КЗ при расчетном времени его протекания

Округлив рассчитанное сечение до ближайшего большего стандартного, получается термически стойкое сечение кабеля АСБ-10-(3×150)мм².

 

 

3.3.Задачи для самостоятельного решения.

1. Определить конечную температуру нагрева медной шины прямоугольного сечения с размерами (40×4)мм². Периодическая составляющая тока КЗ не затухает и равна 25кА. Время отключения КЗ - 2,0с. Постоянная времени затухания апериодического тока Т _а=0,08 с. До КЗ токовая нагрузка шины составляла . Температура воздуха равна +25° С.

2. Проверить трехжильный кабель с бумажной изоляцией, с алюминиевыми жилами сечением (3×70) мм² на термическую стойкость в режиме КЗ. Периодическая составляющая тока КЗ равна 7кА (незатухающая), время отключения КЗ 1,5с. Температура жилы до КЗ равна 50°С. Тепловыделением от апериодического тока пренебречь.

3. Определить минимальное стандартное сечение кабеля с алюминиевыми жилами термически стойкого при КЗ в цепи, где периодическая составляющая тока КЗ не затухает и равна 7,5 кА. Время действия релейной защиты в цепи составляет 1,8с, а полное время отключения выключателя 0,15 с. Напряжение сети 10 кВ.

 

Примеры решения задач.

Задача 1. Для условий задачи 2.3. выбрать линейные реакторы для обеспечения термической стойкости кабелей 2(3×120)мм², питающих распределительный пункт (РП). К шинам РП присоединяются кабели с минимальным сечением (3×70)мм² для питания местной нагрузки. на этих линиях также установлены выключатели BB/TEL, время действия релейной защиты - 1с, для кабеля кб1 и 0,5 с для кб2. Полное время отключения выключателя BB/TEL - 0,055c, постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ .

Решение. 1. Рассчитывается ток термической стойкости кабеля: каждый кабель в пучке из 2 кабелей питающей сети должен быть термически стоек

Этот ток меньше тока КЗ (см. задачу 2.3.2)

2. Рассчитывается сопротивление , обеспечивающее ток не больше 11,36 кА на шинах подстанции

3. Рассчитывается сопротивление реактора, исходя из термической стойкости кабеля питающей сети 2(3×120)мм²

4. Рассчитывается ток короткого замыкания на шинах РП, учитывая, что длина питающего кабеля 2(3×120)мм² составляет 2 км. Из таблицы 7.28 [3] определяются удельные сопротивления и для алюминиевого кабеля сечением 120мм². Сопротивление относительно точки КЗ на шинах РП составит:

где

5. Рассчитывается ток термической стойкости кабеля, отходящего от РП, сечением (3×70)мм²

,

что меньше тока короткого замыкания на шинах РП. Необходима установка реактора для снижения тока КЗ на шинах РП до величины 9,33кА.

6. Определяется расчетное сопротивление реактора, исходя из термической стойкости кабеля питаемого кабеля 70мм²

Из двух рассчитанных сопротивлений реактора (0,13 и 0,11Ом) следует взять большее и округлить до ближайшего большего стандартного.

С учетом рабочего утяжеленного тока (см.задачу 2.3.2), равного 514А, могут быть выбраны два типа реакторов:

РТСТ-10-630-0,4У3 и РТСТ-10-1000-0,14У3 (реактор токоограничивающий, сухой, трехфазный ([5] табл.П1.17).

Далее сравниваются эти два варианта по потерям напряжения:

1.

2.

По величине потерь напряжения более предпочтительным является вариант с меньшими потерями, т.е. РТСТ-10-1000-0,14У3.

Проверяется способность этого реактора ограничить ток КЗ до нужной величины

,

что меньше термической стойкости кабеля сечением 120мм².

что меньше тока термической стойкости кабеля сечением 70 мм².

Далее необходимо проверить выбранный реактор РТСТ-10-1000-0,14 по термической и динамической стойкости к току КЗ за реактором.

1. По термической стойкости:

2. По электродинамической стойкости:

Реактор РТСТ-10-1000-0,14 удовлетворяет всем условиям выбора и проверки.

Задача 2. Выбрать, при необходимости, линейный реактор, исходя из отключающей способности выключателя типа ВВТЭ-10-/630 У3 в схеме типа «система» с сопротивлением системы

1. Рассчитывается действующее значение периодической составляющей тока КЗ на шинах 10,5 кВ:

где - действующее значение периодической составляющей тока КЗ в начальный момент времени, кА;

-действующее значение периодического тока КЗ к моменту размыкания контактов выключателя, кА.

2. По [3] табл.5.1. находится номинальный ток отключения названного выключателя Этот ток меньше тока , т.е.

Возникает необходимость в установке линейного реактора, снижающего ток до 10 кА.

3. Рассчитывается сопротивление, обеспечивающее ток КЗ на шинах, равный

4. Рассчитывается сопротивление реактора

5. По табл. П1.17 [5] выбирается реактор с ближайшим большим сопротивлением и номинальным током, соответствующим номинальному току выключателя, т.е.

РТСТ-10-630-0,4УЗ (реактор токоограничивающий, сухой, трехфазный)

что меньше тока отключения заданного выключателя, т.е.

Далее выбранный реактор проверяется:

а) по электротермической стойкости

б) по электродинамической стойкости

в) по потере напряжения

Потери напряжения в реакторе для номинального режима работы, при коэффициенте мощности нагрузки меньше допустимой величины. Предлагаемый реактор отвечает всем условиям выбора и проверки.

 

4.3.Задачи для самостоятельного решения.

1. Проверить необходимость установки токоограничивающего реактора, исходя из термической стойкости заданного кабеля, и, при необходимости, выбрать его сопротивление (4.1).

Рис.4.1

 

Рис.4.2	2. Проверить, нужна ли установка токоограничивающего реактора, исходя из отключающей способности выключателя, и, при необходимости, выбрать его сопротивление (рис.4.2).
Рис.4.3	3. От шин 10кВ подстанции по кабелю типа АСБ (3´120) питается нагрузка с рабочим током 160А. Проверить заданное сечение по термической стойкости, если I n,0=19кА, Т а,с=0,1с, t р.з.=1.5с. Кабель присоединен выключателем ВМП-10.При необходимости, выбрать токоограничивающий реактор. Кабель положен в земле, в траншее (рис.4.3).

 

Выбор выключателей.

Методика выбора выключателей по напряжению, длительному току и термической стойкости рассмотрена в 5.1. Рассмотрим выбор выключателей по коммутационной способности и электродинамической стойкости в соответствии с ГОСТом 687-78.

Отключающая способность выключателя задается номи-нальным током отключения , номинальным относи-тельным содержанием апериодической составляющей тока и нормированными параметрами восстанавливающегося напряжения.

Номинальный ток отключения и отнесены к моменту расхождения дугогасительных контактов выключателя (момент ). Номинальный ток отключения задан в каталоге на выключатели. Номинальное относительное содержание апериодической составляющей задано ГОСТом в виде кривой ([2], рисунок 12.36).

При выборе выключателя по отключающей способности необходимо рассчитать время , действующее значение периодической и апериодической составляющих тока КЗ в цепи, где будут установлены выключатели, по приведенным ранее выражениям.

По отключающей способности должны быть выполнены следующие условия: действующее значение периодической составляющей тока КЗ должно быть меньше или равно номинальному току отключения выключателя ; полный ток КЗ к моменту , равный должен быть меньше или равен номинальному асимметричному току отключения .

Включающая способность выключателя характеризуется номинальным током включения , который при выборе должен быть больше или равен току .

Проверку по восстанавливающемуся напряжению масляных, вакуумных и элегазовых выключателей допускается не производить.

Электродинамическая стойкость выключателей задается номинальным током электродинамической стойкости:

а) действующим значением периодической составляющей тока ;

б) мгновенным амплитудным значением полного тока .

Эти токи связаны между собой соотношением

,

где 1,8 - ударный коэффициент, нормированный для выключателей.

Проверка электродинамической стойкости заключается в сопоставлении тока с расчетным значением периодической составляющей начального тока КЗ в цепи выключателя, а тока с ударным током в той же цепи. Необходимость проверки по двум условиям объясняется тем, что для конкретной системы расчетное значение ударного коэффициента может быть более 1,8. Условия выбора выключателей приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Параметры выключателей	Условия выбора
Номинальное напряжение
Номинальный ток
Номинальный ток отключения: симметричный (действующее значение), ассиметричный (амплитудное значение)
Номинальный ток включения
Номинальный ток электродинамической стойкости: симметричный (действующее значение), ассиметричный (амплитудное значение)
Номинальный интеграл Джоуля (термическая стойкость)	I т.ст^2× t т.ст≥ B

К

Рис.5.1

Q

6кВ

T

Примеры решения задач.

Задача 1.Выбрать выключатель Q на низшем напряжении трансформатора двухтрансформаторной подстанции 110/6кВ с трансформаторами типа ТРДН - 40000/110. Коэффициент аварийной перегрузки трансформатора равен 1,5; ток короткого замыкания в точке К , . Основная релейная защита трансформатора - продольная дифференциальная с временем срабатывания 0,2с.

Решение.

Предварительно выключатель выбирается по условиям длительного режима, т.е. роду установки, напряжению и номинальному току.

Рассчитывается ток утяжеленного рабочего режима, соответствующий заданной допустимой перегрузке трансформатора:

По условиям длительного режима могут быть предложены два типа вакуумных выключателей с номинальными параметрами (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Условия выбора	Sion - 7,2 - 3150 - 16 (Siemens)	ВВУ - СЭЩ - Э(П) - 10 - 31,5 - 3150
, кВ	7,2
, А
, кА		31,5
, кА		31,5
, кА
, кА/с	16/4	31,5/3
, с	0,065	0,05
, с	0,05	0,03

Оба выключателя для внутренней установки (в ЗРУ).

Для расчета токов КЗ определяют расчетные условия. В понятие расчетных условий входит:

- расчетная схема - Система,

- расчетный вид - трехфазное КЗ,

- расчетная точка - точка К на рис. 5.1,

- расчетное время:

время протекания тока КЗ (для первого выключателя Sion)

,

время к моменту размыкания контактов выключателя

Определяются расчетные величины.

Ударный ток КЗ

кА

Апериодическая составляющая тока КЗ к моменту размыкания контактов выключателя:

кА