Курсовая работа по электроснабжению на тему Проектирование районной трансформаторной подстанции 110/10 кВ

Установка на подстанции двух силовых трансформаторов единичной мощностью по 10000 киловольт-ампер каждый непосредственно указывает на наличие потребителей первой и второй категории, для которых перерыв в электроснабжении недопустим или допустим на минимальное время. Выполним проверочный расчет правильности выбора мощности трансформаторов, исходя из заданной расчетной мощности подстанции Sрасч = 10500 киловольт-ампер. В нормальном режиме оба трансформатора находятся в работе, и коэффициент загрузки каждого из них определим по формуле:
Кз = Sрасч/((n × Sном.тр) )= 10500/((2 × 10000) )= 0,525
Полученное значение 0,525 или 52,5 процента является оптимальным с точки зрения минимальных потерь мощности в трансформаторах и обеспечения их длительного срока службы. Согласно типовым кривым нагрузки трансформаторов, такой коэффициент загрузки соответствует режиму минимальных удельных потерь[7].
В послеаварийном режиме, при выходе из строя одного из трансформаторов, оставшийся в работе трансформатор должен принять на себя всю нагрузку подстанции. Коэффициент загрузки в этом режиме составит:
Кз.ав = Sрасч/(Sном.тр) = 10500/10000 = 1,05
Полученное значение 1,05 означает пятипроцентную перегрузку трансформатора. Согласно ГОСТ 14209-85 и правилам технической эксплуатации, такая перегрузка допустима в течение времени, определяемого характером графика нагрузки и температурой окружающей среды. Для трансформаторов мощностью 10000 кВА систематические перегрузки до 5 процентов разрешаются без ограничения времени при условии, что среднесуточная температура охлаждающего воздуха не превышает нормированных значений. Таким образом, выбор двух трансформаторов по 10 мегавольт-ампер является не только качественно верным, но и количественно обоснованным.
Номинальное напряжение подстанции задано как 110 на 10 киловольт. Эта комбинация является классической для систем районного электроснабжения. Напряжение 110 киловольт служит для приема электроэнергии от питающих центров энергосистемы, а напряжение 10 киловольт предназначено для распределения электроэнергии непосредственно между потребителями.
Наличие семи отходящих линий напряжением 10 киловольт свидетельствует о разветвленной распределительной сети. Такое количество фидеров неизбежно требует секционирования распределительного устройства для повышения надежности и локализации повреждений. Тип подстанции обозначен как «Тупик 1», что в терминологии проектирования подразумевает наличие двух питающих линий или двух цепей одной двухцепной линии на стороне высшего напряжения для обеспечения резервирования[9].
Для тупиковой подстанции с двумя трансформаторами и двумя питающими линиями круг возможных схем сужается до нескольких характерных конфигураций. Рассмотрим наиболее вероятный вариант повреждения — короткое замыкание на одной из линий 110 киловольт — и оценим последствия для различных схем в численном выражении.
В блочной схеме с ремонтной перемычкой со стороны линии при повреждении линии W1 отключается выключатель Q1 в начале линии на питающей подстанции. Время отключения повреждения составляет величину порядка tоткл = 0,1 секунды, определяемую быстродействием релейной защиты и выключателя. На время tп = 0,5 часа (время прибытия оперативной бригады для производства ручных переключений на ремонтной перемычке) трансформатор Т1 и все потребители первой секции мощностью:
Р1 = (Sрасч/2)× cosφ=(10500/2)× 0,85 = 5250 × 0,85 = 4462,5 кВт
Таким образом, 4462,5 киловатт нагрузки будут отключены на 30 минут, что для потребителей второй категории является недопустимым, а для потребителей первой категории — абсолютно неприемлемо.
В схеме мостика с выключателями в цепях трансформаторов при аналогичном повреждении линии W1 также требуется ручное переключение для подключения трансформатора Т1 к линии W2, что приводит к тем же потерям.
Принципиально иная картина наблюдается в схеме мостика с выключателями в цепях линий. В этой схеме каждая линия оборудована собственным линейным выключателем. При коротком замыкании на линии W1 релейная защита отключает линейный выключатель этой линии за время tоткл = 0,1 секунды. Устройство автоматического ввода резерва, контролирующее наличие напряжения на шинах, с выдержкой времени tАВР = 0,5 секунды, необходимой для отстройки от кратковременных провалов напряжения, подает команду на включение мостикового выключателя Q. Полное время перерыва питания потребителей первой секции составит:
tп = tоткл + tАВР = 0,1 + 0,5 = 0,6 секунды
За это время недоотпуск электроэнергии потребителям первой секции мощностью 4462,5 киловатт составит величину:
ΔW = Р1 × tп/3600 = 4462,5 × 0,6/3600 = 0,744 киловатт-часа
Эта величина является пренебрежимо малой и не оказывает никакого влияния на технологические процессы потребителей. Таким образом, схема мостика с выключателями в цепях линий обеспечивает автоматическое восстановление питания за время менее одной секунды, что полностью соответствует требованиям к надежности электроснабжения потребителей первой и второй категории[2].
Ремонтная перемычка со стороны трансформаторов в этой схеме позволяет вывести в ремонт мостиковый выключатель без отключения потребителей. Примем, что для ремонта выключателя требуется время tрем = 8 часов. За это время при отключенном мостиковом выключателе подстанция работает по раздельной схеме. Потери электроэнергии в линиях при этом несколько выше, чем при замкнутой схеме, но эти потери являются плановыми и допустимыми.
Для распределительного устройства низшего напряжения, учитывая наличие семи отходящих линий, принимаем одну секционированную систему сборных шин. Выполним распределение отходящих линий между секциями. Примем, что к первой секции подключаются четыре линии, ко второй секции — три линии. Такое распределение обеспечит примерно равномерную загрузку трансформаторов в нормальном режиме. Мощность, приходящаяся на одну линию, в среднем составит:
Sср.л = Sрасч/7= 10500/7 = 1500 кВА
Тогда нагрузка первой секции:
S1 = 4 × 1500 = 6000 кВА
Нагрузка второй секции:
S2 = 3 × 1500 = 4500 кВА
Коэффициенты загрузки трансформаторов в нормальном режиме с учетом такого распределения составят:
Кз1 = S1/(Sном.тр) = 6000/10000 = 0,6
Кз2 = S2/(Sном.тр) = 4500/(10000 )= 0,45
Средний коэффициент загрузки остается равным 0,525, как было вычислено ранее. Неравномерность загрузки в пределах 15 процентов является допустимой и может быть скорректирована при более точном знании мощностей конкретных потребителей.
В нормальном режиме секционный выключатель отключен. Ток, протекающий через вводной выключатель первого трансформатора ВВ-1, определим по формуле:
Iвв1 = S1/((√3× Uн) )= 6000/((1,73 × 10) )= 346,8 А
Для второго вводного выключателя ВВ-2:
Iвв2 = S2/((√3× Uн) )= 4500/((1,73 × 10) )= 260,1 А
Токи отходящих линий в среднем составят:
Iл.ср = (Sср.л)/((√3× Uн) )= 1500/((1,73 × 10) )= 86,7 А
В послеаварийном режиме, при отключении, например, трансформатора Т1, секционный выключатель включается устройством АВР. Время срабатывания АВР на стороне 10 киловольт принимаем tАВР10 = 1 секунда, что несколько больше, чем на стороне 110 киловольт, для обеспечения селективности. При включении секционного выключателя через него начинает протекать ток, равный току нагрузки первой секции, который мы уже вычислили как Iвв1 = 346,8 А. Этот ток должен быть меньше номинального тока секционного выключателя[1].
После включения секционного выключателя весь ток нагрузки подстанции будет протекать через вводной выключатель второго трансформатора ВВ-2. Его значение составит:
Iвв2.ав = Sрасч/((√3× Uн) )= 10500/((1,73 × 10) )= 606,9 А
Это значение превышает номинальный ток выключателя ВВ-2 в нормальном режиме (260,1 А), но именно этот режим является аварийным и кратковременным. Выключатель должен быть выбран с учетом возможности пропускания этого тока.
Выполним проверку допустимости работы трансформатора Т2 с нагрузкой 10500 кВА. Полная мощность трансформатора составляет 10000 кВА, следовательно, перегрузка составляет 500 кВА или 5 процентов, что мы уже установили ранее. Проверим выполнение условия по нагреву. Постоянная времени нагрева трансформатора мощностью 10000 кВА составляет величину порядка τ = 3 часа. За время аварийного режима, которое не должно превышать времени ликвидации повреждения на трансформаторе Т1 или линии W1, составляющего tав = 2 часа, превышение температуры масла над номинальным значением можно оценить по формуле экспоненциального нагрева. Однако для упрощения можно воспользоваться правилом: для трансформаторов с системой охлаждения Д (дутье) допустимая перегрузка 5 процентов разрешается на неограниченное время при условии, что нагрузка предшествующего режима не превышала номинальной. В нашем случае предшествующая нагрузка составляла 52,5 процента, что значительно ниже номинала, поэтому такой режим абсолютно безопасен.
Проверим также допустимость нагрузки на линию W2 в послеаварийном режиме схемы 110 киловольт. Если питание обоих трансформаторов осуществляется по одной линии, мощность, передаваемая по этой линии, составит Sрасч = 10500 кВА. Ток в линии 110 киловольт при этом будет:
Iл110.ав = Sрасч/((√3× Uн110) )= 10500/((1,73 × 110) )= 55,2 А
Для воздушных линий 110 киловольт, выполняемых, как правило, проводом марки АС сечением не менее 70 квадратных миллиметров, длительно допустимый ток составляет величину порядка 265 ампер. Полученное значение 55,2 ампера значительно ниже допустимого, поэтому никаких ограничений по нагреву проводов не возникает[5].
Для стороны высшего напряжения 110 киловольт нами принимается и обосновывается типовая схема мостика с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов. Эта схема в наибольшей степени соответствует заданному типу подстанции «Тупик 1», обеспечивая автоматическое восстановление питания за время не более 0,6 секунды при повреждении питающих линий, что подтверждено расчетом времени перерыва питания и недоотпуска электроэнергии. Для стороны низшего напряжения 10 киловольт принимается классическая схема с одной секционированной системой сборных шин и секционным выключателем. Распределение семи отходящих линий выполнено с примерным выравниванием нагрузок секций: четыре линии на первой секции суммарной мощностью 6000 кВА и три линии на второй секции мощностью 4500 кВА, что обеспечивает коэффициенты загрузки трансформаторов 0,6 и 0,45 соответственно. Расчет токов нормального и послеаварийного режимов для вводных выключателей (346,8 А, 260,1 А и 606,9 А) и отходящих линий (86,7 А) создает основу для последующего выбора оборудования.