Расчет трансформаторной подстанции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

ФИЛИАЛ “ТОБОЛЬСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ”

Кафедра “Электроэнергетики”

Специальность: “Электроснабжение”

Пояснительная записка

к курсовой работе

по предмету: ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

на тему: РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ

Тобольск, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Расчет нагрузки

2. Выбор схемы соединения подстанции

2.1 Выбор рационального напряжения для питания предприятия

3. Выбор силовых трансформаторов

4. Выбор конструкции ЛЭП

4.1 Выбор подходящей ЛЭП

4.2 Выбор отходящей ЛЭП

5. Расчет токов короткого замыкания

5.1 Расчет токов короткого замыкания в точке КЗ 1

5.2 Расчет токов короткого замыкания в точке КЗ 2

6. Выбор оборудования

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе рассматривается расчёт трансформаторной подстанции.

Системы электроснабжения промышленных предприятий создаются для обеспечения питания электроэнергией промышленных приемников электрической энергии. Задача электроснабжения промышленных предприятий возникла одновременно с широким внедрением электропривода в качестве движущей силы различных машин и механизмов и строительством электрических станций.

Силовые трансформаторы являются важнейшими элементами электрической сети, где производятся многократные преобразования параметров электрической энергии, и в стоимости электрических сетей большую долю составляют стоимости трансформаторов. Примерно 40% от суммарных потерь электроэнергии в электрической сети составляют потери в трансформаторах. Поэтому при проектировании большое внимание следует уделять вопросам снижения потерь в трансформаторах и стоимости трансформаторов.

Задача построения трансформатора, отвечающего современным требованиям в эксплуатации, а также наиболее простого и дешевого в производстве, решается определением тех воздействий, которым он подвергается в эксплуатации, рациональным выбором его конструкции, правильным выбором размеров и материала отдельных его частей и конструктивных деталей и правильно организованным технологическим процессом его изготовления, учитывающим свойства применяемых материалов и назначение трансформаторов.

Расчет трансформатора тесно связан с конструированием. На самых первых стадиях расчета необходимо произвести выбор основной конструктивной схемы трансформатора, а также в ходе расчета выбирать конструкции его отдельных частей – магнитной системы, обмоток, изоляционных деталей, отводов и т.д.

Рассчитываемая подстанция питается от двух независимых энергосистем. К данной подстанции подключен два потребителя химическое по первой категории и деревообрабатывающие по второй категории предприятия.

Расчёт трансформаторной подстанции включает в себя такие вопросы как расчёт графика нагрузки, выбор схемы подстанции, выбор числа и мощности трансформаторов, выбор проводов ЛЭП, расчёт токов короткого замыкания, выбор оборудования.

1. РАСЧЕТ НАГРУЗКИ ПОДСТАНЦИИ

Рисунок 1.1. График нагрузки химического предприятия.

Р – активная мощность предприятия, %.

Q – реактивная мощность предприятия, %.

Максимальная суммарная мощность предприятия

S_мах.д = 25МВ•А.

У предприятия _д = 0,9.

Рассчитаем максимальную активную и реактивную мощность:

, (1.1)

, (1.2)

Подставив табличные данные получим:

МВт,

МВ•Ар.

Построим график нагрузок в табличной форме.

Таблица 1.1

Нагрузки химического предприятия

Рассчитаем полную среднюю мощность предприятия:

, (1.3)

MB•A

Коэффициент использования максимума:

(1.5)

Среднеквадратичное значение потребляемой полной мощности определяется по формуле:

, (1.6)

где t_i – величина i-го промежутка времени;

S_i – значение полной мощности в i-ом промежутке времени.

Среднеквадратичное значение потребляемой активной мощности определяется по формуле:

. (1.7)

Значение среднеквадратичной реактивной мощности:

, (1.8)

где Q_i – значение реактивной мощности в i-ый промежуток времени.

Среднеквадратичная полная мощность (1.6):

МВА.

Среднеквадратичная активная мощность (1.7):

=0,9

МВт.

Среднеквадратичная реактивная мощность (1.8):

МВар.

Количество часов использования максимума:

, (1.9)

где S_max – максимальное значение полной мощности.

Для предприятия:

ч.

2. ВЫБОР СХЕМЫ ПОДСТАНЦИИ

Подстанция питается от двух независимых энергосистем. Для обеспечения необходимой надежности электроснабжения потребителя первой категории на стороне высшего напряжения применим мостиковую схему. Такая схема применяется достаточно широко, особенно при использовании потребителей первой категории электроснабжения не допускающих перерыва в электроснабжении.

В случае выхода из строя какой-либо ЛЭП, необходимо всю нагрузку ПС перевести на оставшуюся рабочую линию. Для этого между линиями устанавливается секционный выключатель (Q).

Со стороны ВН обоих трансформаторов также устанавливаются выключатели. Это необходимо для случая возможной аварии или ремонта, когда нужно отключить ту или иную линию электропередач.

Рис. 2.1. Схема распределительного устройства ВН

Эта схема позволяет подключить трансформатор потерявший питание к неповреждённой линии. Обеспечивает параллельную работу питающих линий.

На стороне низкого напряжения поставим одну рабочую, секционированную выключателем, систему шин. Она является наиболее простой и дешевой схемой, между тем ее надежность достаточна для питания потребителя первой категории.

Как правило, РУ напряжением 110 кВ исполняют закрытого типа. В ЗРУ целесообразно устанавливать выключатели на выкатных тележках. Число отходящих линий для химического предприятия равно 6.

Рис. 2.2. Схема распределительного устройства НН

2.1 Выбор рационального напряжения для питания предприятий

Для химического предприятия:

Номинальный рабочий ток:

, (2.1)

где U_ном – номинальное напряжение (кВ);

А.

Утяжеленный ток:

; (2.2)

А.

U_рац=4,34; (2.3)

U_2рац=4,3428.12кВ

Выберем напряжение 35кВ, с учетом того, что, экономические затраты на установку линий 110 кВ в разы превосходят затраты на установку линии 35 кВ. А так же берем в рассмотрение то, что на химическое предприятие отходит 6 линий – это позволяет передать необходимую мощность на более низком напряжении без существенных потерь.

3. ВЫБОР СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Определение типа и мощности трансформаторов необходимо провести на основе технико-экономических расчетов.

Правильный технически и экономически обоснованный выбор числа трансформаторов ПС имеет существенное значение для рационального построения схемы электроснабжения. Число трансформаторов требованиями надежности электроснабжения. С этих позиций наилучшим является вариант с установкой двух трансформаторов, обеспечивающих практически бесперебойное электроснабжение.

При выборе мощности трансформаторов следует добиваться экономически целесообразного режима работы и соответствующего обеспечения резервированного питания приемников при отключении одного из трансформаторов в нормальных условиях не должна (по нагреву) вызывать

Надежность электроснабжения предприятия достигается за счет установки на подстанции двух трансформаторов, которые, как правило, работают раздельно. При этом соблюдается условие, что любой из оставшихся в работе трансформаторов обеспечивает полностью или с некоторым ограничением потребную мощность. Обеспечение потребной мощности может осуществляться не только за счет использования номинальной мощности трансформаторов, но и за счет их перегрузочной способности (в целях уменьшения их установленной мощности).

Рассчитаем номинальную мощность трансформатора:

; (3.1)

МВА;

МВА.

Выберем трансформатор марки ТРДН-80000/110.

Краткая характеристика трансформатора ТРДН-80000/110: трехфазный, двухобмоточный, мощность – 80 МВА, обмотка ВН рассчитана на 115 кВ.

Данные по выбранным трансформаторам приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Данные выбранных трансформаторов

По сравнению с силовыми трансформаторами той же мощности автотрансформаторы обладают рядом преимуществ:

– меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;

– меньшая масса, а, следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;

– меньшие потери и больший коэффициент полезного действия;

– более легкие условия охлаждения.

Рассчитаем коэффициент загрузки трансформатора в нормальном режиме:

, (3.2)

где – количество трансформаторов;

Трансформаторы в нормальном режиме работы загружены на 74 %.

Рассчитаем коэффициент загрузки трансформатора в аварийном режиме:

; (3.3)

.

Следовательно, трансформатор будет загружен на 149%.

Таким образом, все дальнейшие расчеты, выбор схемы соединения ПС и оборудования будут производиться согласно выбранных варианта и характеристик трансформаторов.

4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЛЭП

напряжение трансформатор короткий замыкание

4.1 Выбор подходящих к подстанции ЛЭП

1. Выбор опор.

Для проектирования линии при напряжении 110 кВ применяются следующие металлические опоры:

– анкерно-угловые опоры напряжением 110 кВ типа У110;

– промежуточные опоры напряжением 110 кВ типа П110.

2. Выбор изоляторов.

Выбраны следующие изоляторы:

На ВЛ 110 кВ приняты подвесные стеклянные изоляторы типа ПС 70-Е по ТУ 34-27-91-93

3. Выбор проводов.

Выберем провода марки АС (алюминиевые со стальным сердечником).

В случае выхода из строя одной из ЛЭП, вся ПС будет потреблять мощность с оставшейся рабочей линии. Ток в линии увеличится в два раза. Поэтому рассчитаем максимальный ток и выберем сечение провода для максимально допустимой нагрузки. Для максимального тока должно соблюдаться условие термической стойкости:

, (4.1)

где – максимальный расчетный ток, А;

– допустимый ток для выбранного сечения провода, А.

; (4.2)

А.

ДляА из табл.1.3.29 ПУЭ выберем провод сечением 95 мм², которому соответствует А.

Выбор сечения производится для линии, работающей вне помещения, т.е. не защищенной от внешних природных воздействий. Это делается в целях экономии цветного металла и в целях снижения потерь, вследствие нагрева проводов, т.к. вне помещения провод одного сечения способен пропускать большие токи, нежели провод того же сечения, работающий в условиях помещения.

Рассчитаем ток для нормального режима работы:

; (4.3)

А.

Сечение провода должно быть проверено по экономической плотности тока. Экономически целесообразное сечение определяется из соотношения:

, (4.4)

где – нормированное значение экономической плотности тока, А/мм², выбираемое из табл. 1.3.36 ПУЭ.

принимаем равной 1,3:

мм².

Сечение, полученное в результате расчета, округляется до ближайшего стандартного сечения (ПУЭ, табл. 1.3.29).

Выбираем провод с сечением 95 мм².

Чтобы не учитывать потери на корону для ЛЭП 110 кВ существуют минимальные рекомендованные сечения проводов. Для ЛЭП 110 кВ это сечение составляет 95 мм². Проверим выбранные провода по падению напряжения для первой и второй линий.

Падение напряжения в проводах не должно превышать 5% и рассчитывается по формуле:

, (4.5)

где и – активное и индуктивное сопротивления линий;

– длина линии, км;

и – удельное активное и индуктивное сопротивления линий, Ом/км;

– коэффициент мощности подстанции.

,(4.6)

где – средняя активная мощность ПС.

МВт;

;

.

Найдем реактивное сопротивление одного километра линии:

Ом,

где D_ср – среднегеометрическое расстояние м/у проводами; R_пр – радиус провода.

Ом/км, Ом/км.

км, км.

, ;

Ом, Ом.

Аналогично:

Ом, Ом.

Согласно формуле 4.5, определим падение напряжения в первой линии:

;

.

Аналогично определим падение напряжения во второй линии:

;

.

Таким образом, падение напряжения в той и другой линиях не превышает 5%, следовательно, провод АС-95/16 будет удовлетворять всем требованиям.

4. Выбор грозозащитных тросов.

Выбран грозозащитный трос марки ТК-70.

4.2 Выбор отходящих ЛЭП на химическое предприятие

1. Выбор опор.

Для проектирования линии при напряжении 35 кВ применим металлические опоры:

Анкерно-угловые опоры для ВЛ 35кВ типа У2;

Промежуточные опоры для ВЛ 35 кВ типа П35-2В.

2. Выбор изоляторов.

Выбраны следующие изоляторы:

На ВЛ 35 кВ приняты подвесные стеклянные изоляторы типа ПС 70-Е по ТУ 34-27-91-93

3. Выбор проводов.

Выберем провода отходящей линии для потребителя первой категории – химическое предприятие. Также необходимо учитывать число отходящих линий (N), данное в задании.

А

ДляА из табл.1.3.29 ПУЭ выберем провод сечением 35 мм², которому соответствует А ПУЭ.

Рассчитаем ток для нормального режима работы:

;

А

Экономически целесообразное сечение определяется из соотношения:

,

мм².

Сечение, полученное в результате расчета, округляется до ближайшего стандартного сечения (ПУЭ, табл. 1.3.29).

Выбираем провод с сечением 35 мм².

Чтобы не учитывать потери на корону для ЛЭП 35 кВ существуют минимальные рекомендованные сечения проводов. Для ЛЭП 35 кВ это сечение составляет 70 мм².

Падение напряжения в проводах не должно превышать 5% и рассчитывается по формуле 3.5:

R₀=0,20 Ом/км,

X₀=0,45 Ом/км,

км

, ;

Ом, Ом.

Согласно формуле 4.5, определим падение напряжения в первой линии:

;

.

Для питания химического предприятия выбираем провод АС-70, который будет удовлетворять всем необходимым требованиям.

4. Выбор грозозащитных тросов.

Выбран грозозащитный трос марки ТК-70.

5. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Коротким замыканием (КЗ) называется нарушение нормальной работы электрической установки, вызванное замыканием фаз между собой, а также замыканием фаз на землю в сетях с глухозаземленными нейтралями.

Выберем в качестве расчетных точки при включенном положении секционных выключателей на высоком напряжении (ВН) и низком напряжении (НН).

Рис. 5.1. Расчетная схема КЗ

Трансформатор: ТДТН-40000/110-У1, УХЛ1

Тип

Sном, МВА

Ном. напряжение обмоток, кВ

Схема и группа соедине-ния обмо-ток

Потери, кВт

Uк, %

Iх, %

Габа-ритные размеры, мм длина х ширина х высота

ВН

СН

НН

хх

кз

ВН- СН

ВН- НН

СН- НН

ТДТН-40000/110-У1, УХЛ1

40000

115

11,0

6,6; 11,0

YH/ D/D-11- 11

30,0

200

10,5

17,5

6,5

0,23

7300 x 3980 x 6200

Рис. 5.2. Схема замещения подстанции

Расчёт сопротивлений всех элементов схемы:

X_c1=2 Ом

X_c2=3 Ом

Активное сопротивление линий:

; (5.1)

Ом;

Ом.

Реактивное сопротивление линий:

; (5.2)

Ом;

Ом.

Активные сопротивления обмоток трансформаторов:

(5.3)

Ом;

Реактивные сопротивления обмоток трансформаторов:

(5.4)

Ом.

5.1 Расчёт токов КЗ для точки КЗ 1

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Действующее значение периодической составляющей тока КЗ:

; (5.6)

кА.

кА.

кА.

Постоянная времени:

; (5.7)

;

.

Ударный коэффициент:

; (5.8)

.

Ударный ток КЗ:

; (5.9)

А.

5.2 Расчёт токов КЗ для точки КЗ 2

Ом;

Учитывая коэффициент трансформацииполучаем:

Ом

Ом;

Ом;

Ом;

Действующее значение периодической составляющей тока КЗ (5.6):

кА.

Постоянная времени (5.7):

;

Ударный коэффициент (5.8):

;

Ударный ток КЗ (5.9):

кА.

Результаты расчёта сведены в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Точка КЗ	Uном, кВ	Ik, кА	iy, кА
КЗ 1	110	3,46	6,26
КЗ 2	35	7,98	18

6. ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Условия выбора:

– по конструктивному исполнению, роду установки и условиям работы;

– по номинальному напряжению:

; (6.1)

– по номинальному току:

, (6.2)

(6.3)

А,

А,

А,

– по отключающей способности на отключение периодической составляющей тока КЗ:

; (6.4)

– по термической стойкости:

, (6.5)

где I_тер – ток термической стойкости аппарата,

t_тер – время протекания тока термической стойкости,

t_св – собственное время отключения выключателя,

t_рз – минимальное время действия защиты (t_рз = 0,01 с);

– по динамической стойкости:

. (6.6)

Таблица 6.1

Выбор силовых выключателей

Место установки	Тип выключателя	Условие выбора	Параметры выключателя	Параметры сети
РУ ВН	ВМТ-110Б-20/1000	, кВ	110	110
		, А	1000	157
		, кА	20	3,46
		, кА	52	6,26
РУ СН	ВМУЭ-35А-25/1000	, кВ	35	35
		, А	1000	378
		, кА	25	7,98
		, кА	64	18
РУ НН	ВРС-10	, кВ	10	10
		, А	630-4000	402

Проверка выключателей на термическую стойкость:

ВН: ВМТ -110Б-20/1000

кА, t_св =0,05 с, Т_А=0,008 с, t_тер=3 с

СН: ВМУЭ -35А-25/1000

кА, t_св =0,05 с, Т_А=0,02 с, t_тер=4 с

Таблица 6.2

Выбор разъединителей

Место установки	Тип разъединителя	Условия выбора	Данные разъединителя	Данные сети
РУ ВН	РНДЗ-110/1000 КЛ1	, кВ	110	110
		, А	1000	157
			3969	0,9
		, кА	80	6,26
РУ СН	РНДЗ.1-35/2000	, кВ	35	35
		, А	2000	378
			3969	5,12
		, кА	80	18

Проверка разъединителей на термическую стойкость:

ВН: РНДЗ-110/1000 КЛ1

кА, t_тер=4 с

кА²·с,

СН: РНДЗ.1-35/1000

кА, t_тер=4 с

кА²·с,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Был произведен расчет трансформаторной подстанции 110/35/10 кВ. Подстанция снабжает электроэнергией потребителя первой и второй категории, обеспечивая надежное снабжение электроэнергией. Данная подстанция является экономически выгодной, удобной в эксплуатации, потери электроэнергии и мощности в линиях и трансформаторах находятся в допустимых пределах. Для подстанции был произведен расчет и выбор оптимальной аппаратуры, которая удовлетворяет необходимым параметрам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анастасиев П.И., Фролов Ю.А. Линии электропередачи до 10кВ промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1980. – 104 с.

2. Герасименко А.А.,Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии – Ростов н/Д: Феникс, 2008. – 715 с.

3. Крючков И.П. , Кувшинский Н.Н., Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Учеб.пособие для электроэнергетических специальностей вызов. – М.: Энергия, 1978. – 456 с.

4. Методические указания по выполнению электрических схем: В 2 ч. Ч. 1. Общие правила / О.А. Бузинов, Д.М. Червяков – Тюмень: Нефтегазовый университет, 2002. – 22с.

5. Методические указания по выполнению электрических схем: В 2 ч. Ч. 2. Электроснабжение / О.А. Бузинов, Д.М. Червяков – Тюмень: Нефтегазовый университет, 2002. – 27с.

6. Правила устройств электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2009. – 853 с.

7. СюсюскинА.И.Основы электроснабжения предприятия в двух частях. Ч.1. – Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. – 204 с.

8. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1979. – 408 с.