Расчет и проектирование тяговой подстанции переменного тока

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Тяговые и трансформаторные подстанции»

на тему: «Расчет и проектирование тяговой подстанции переменного тока»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Обоснование схемы главных электрических соединений тяговой подстанции. Выбор числа, типа и мощности тяговых агрегатов

. Расчёт рабочих и аварийных токов

.1 Составление однолинейной расчётной схемы

.2. Определение относительного сопротивления до точки К1

.3 Проверка на электрическую удалённость

.4 Определение токов короткого замыкания на шинах ОРУ-110 кВ

.5 Расчёт токов короткого замыкания на шинах РУ - 27,5 кВ

.6 Расчёт точки короткого замыкания на шинах РУ - 10,5 кВ

.7 Расчёт короткого замыкания на шинах собственных нужд

. выбор, расчет и проверка шин, основных коммутационных аппаратов и измерительных трансформаторов

.1 Выбор шин РУ

.2 Высоковольтные выключатели переменного тока

.3 Разъединители

.4 Выбор измерительных трансформаторов

. Подбор аппаратуры и схем питания собственных нужд подстанции

.1. Выбор аккумуляторной батареи

.2. Выбор зарядно-подзарядного устройства (ЗПУ)

. Расчёт контура заземления

спецификация

заключение

библиографический список

 

ВВЕДЕНИЕ

Энергию на тягу поездов получают от энергосистем через их высоковольтные линии и районные подстанции и, непременно, через специальные тяговые подстанции, являющиеся элементами системы электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Насыщенность тяговых подстанций разнообразной по назначению аппаратурой существенно выше, чем равных по мощности и классу первичного питающего напряжения подстанций энергосистем. Это объясняется многофункциональностью тяговых подстанций - от них получают питание не только электрические поезда, но также районные и нетяговые потребители железных дорог.

К схемам и конструкциям тяговых подстанций предъявляют определенные технические требования. Так, установленная мощность их трансформаторов и преобразователей должна соответствовать спросу потребителей электроэнергии, коммутационная и вспомогательная аппаратура обеспечивать бесперебойное питание потребителей электроэнергии на требуемом уровне надежности. Очень важно также, чтобы качество электрической энергии соответствовало установленным нормам.

Тяговая подстанция - электрическая подстанция, предназначенная для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную сеть. От тяговой подстанции получают питание и другие потребители. Тяговые подстанции различают по следующим признакам:

обслуживаемой системе электрической тяги: переменного тока 27,5 кВ или 2´ 25 кВ, постоянного тока 3,3 кВ и стыковые;

значению питающего напряжения - 6, 10, 35, 110, 220 кВ;

схеме присоединения к сети внешнего электроснабжения - опорные, промежуточные и концевые;

системе управления: телеуправляемые и не телеуправляемые;

способу обслуживания: без дежурного персонала, с дежурством на дому и постоянным дежурным персоналом;

типу: стационарные и передвижные.

Иногда тяговые подстанции совмещают с другими устройствами электроснабжения: с районными подстанциями, дистанциями контактной сети или их дежурными пунктами. Такие подстанции называют совмещенными.

Опорная тяговая подстанция - ТП, получающая питание от сети внешнего электроснабжения по трем или более линиям электропередач 110 или 220 кВ.

Промежуточная тяговая подстанция - ТП, получающая питание от сети внешнего электроснабжения и осуществляющая питание тяговой сети электрифицированной железной дороги между опорными ТП. Существуют два типа промежуточных ТП - на ответвлениях и транзитные. Тяговая подстанция на ответвлениях получает питание по двум линиям электропередач 110 или 220 кВ глухими ответвлениями, транзитная - по одной линии электропередач 110 или 220 кВ. Концевая тяговая подстанция получает питание по двум радиальным линиям электропередачи 110 или 220 кВ от другой подстанции.

В данном курсовом проекте необходимо рассчитать транзитную тяговую подстанцию переменного тока, т.е. произвести выбор числа, типа и мощности тяговых аппаратов, расчет токов короткого замыкания в характерных точках однолинейной схемы, выбор и проверку шин, коммутационных аппаратов и измерительных трансформаторов, выбор схем и аппаратуры питания собственных нужд и расчет контура заземления.

1. выбор числа, типа и мощности трансформаторов

Электрическая энергия, которая необходима для работы подвижного состава, вырабатывается на различных электростанциях. От электростанций по трёхфазным ЛЭП высокого напряжения электрическая энергия передаётся к тяговым подстанциям. На тяговой подстанции переменного тока устанавливаются трехобмоточные трансформаторы, а также трансформатор собственных нужд.

Расчётная мощность трехобмоточного трансформатора определяется по формуле:

 (1.1)

где SТ -мощность тяговой нагрузки, кВА;

Sсн -мощность собственных нужд, кВА;

Sдпр -мощность потребителей продольного электроснабжения, принимается в данном курсовом проекте равным 0 кВА;

Sр -мощность районной нагрузки, кВА;

kР -коэффициент разновременности наступления максимумов тяговой и нетяговой нагрузки; далее принято 0,98.

Мощность тяговой нагрузки, мощность собственных нужд и мощность районной нагрузки берутся из задания.

Sрасч max = (15000 + 250 + 0 + 4000) ∙ 0.98 =18865 ( кВА).

По справочным данным производен выбор главного понижающего трансформатора на основании условия выбора, которое приведено ниже.

 (1.2)

Исходя из этого условия, выбран трансформатор типа ТДТНЭ-20000/110-Б.

Электрические характеристики этого трансформатора приведены в табл.1.

Таблица 1 - Электрические характеристики главного понижающего трансформатора

ТИП	SПТном, МВА	Номинальное напряжение обмоток, кВ			Потери, кВт		uк,%			Iхх, %
ТДТНЭ - 20000/110-Б	20,0	ВН	СН	НН	∆Pxx	∆Pкз	ВН-СН	ВН-НН	СН-НН	0,8
		115	27,5	11	45	127	10,5	17	6

Выбирая трансформатор собственных нужд, руководствуемся заданием, согласно которому Sсн = 250 кВА. Наиболее оптимальным вариантом является установка трансформатора типа ТС-250/10. Его электрические характеристики указаны в таблице 2.

Таблица 2 - Электрические характеристики трансформатора собственных нужд

Тип трансформатора	Sном, кВА	Потери, кВт		uкз, %	Iхх, %
		∆Pxx	∆Pкз
ТС-250/10	250	0.95	3.7	6.5	2.3

2. Расчёт токов короткого замыкания на шинах ру

.1 СОСТАВЛЕНИЕ ОДНОЛИНЕЙНОЙ РАСЧЁТНОЙ СХЕМЫ

Для выбора электрооборудования тяговой подстанции необходимо определить максимальные токи трехфазного, двухфазного и однофазного к.з., а для выбора релейных защит - минимальное значение тока к.з.

Для заданной схемы внешнего электроснабжения составляется однолинейная расчётная схема (рис. 1), включая упрощённую схему заданной тяговой подстанции с указанием всех точек короткого замыкания и номинальных параметров.

Рис. 1 Однолинейная расчётная схема.

.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Расчёт токов к.з. произведен методом относительных единиц, основой которого является приведение всех сопротивлений схемы к базисным условиям. Для определения сопротивлений составляется эквивалентная схема замещения.

Согласно заданию, , а поэтому при расчете не учитываем активные составляющие сопротивлений проводов ВЛ-110кВ. Эквивалентная схема замещения схемы внешнего электроснабжения для индуктивных составляющих сопротивлений до точки К1 представлена на рис. 2.

Схема замещения

Выбраны базисные условия , при к.з. в точке K1

 .

 (2.1)

Относительные индуктивные сопротивления определены следующим образом:

относительное базисное сопротивление в автотрансформаторе

относительное базисное сопротивление в генераторе

относительное базисное сопротивление в двухобмоточном трансформаторе

относительные базисные сопротивления проводов

Далее необходимо произвести последовательные преобразования к упрощённой схеме.

Преобразование №1 схемы замещения

Преобразование №2 схемы замещения

Преобразование №3 схемы замещения

Преобразование №4 схемы замещения

Преобразование №5 схемы замещения

 

2.3 Проверка на электрическую удалённость

Проверка на электрическую удаленность необходима для определения токов переходного процесса при к.з. Если короткое замыкание происходит в электрически удаленной точке, то электромагнитное состояние источника не меняется, поэтому действующее значение начального тока к.з. равно установившемуся значению этого тока, т. е. апериодическая составляющая тока короткого замыкания исключается из расчетов.

Электрическую удалённость к.з. принято определять, исходя из следующего соотношения:

 (2.2)

где номинальный ток источника, А;

начальное значение периодической составляющей тока к.з.

Для первого источника:

(кА).

(кА).

Следовательно, что точка К1 не удалена от второго источника.

Для второго источника:

(кА).

I ПОГ2 = (кА) .

 

2.4 Определение токов короткого замыкания на шинах ОРУ-110 кВ

 

.4.1 Определение токов трёхфазного короткого замыкания

Т.к. второй источник не удален от точки короткого замыкания К1, при расчетах учитываются периодическая и апериодическая составляющие тока к.з.

(кА);

(кА).

По графику 3-27 определили относительное значение периодической составляющей тока к.з. для моментов времени t=0 и t=0.1 (с):

I*ПОГ = 0.96

I*ПtГ = 0.91

Далее вычислили абсолютное значение периодической составляющей для тех же моментов времени t=0 и t=0.1 (с):

ПОГ = I*ПОГ ∙ IПОГ2 = 0.96 ∙ 0.77 = 0.75 (кА);

IПtГ = I*ПtГ ∙ IПОГ2 = 0.91 ∙ 0.77 = 0.7 (кА).

После этого для второй системы вычислили апериодическую составляющую тока к.з., используя формулу:

Принимаем, что Ta = 0.05 (c), τ = 0.1 (с), поэтому по графику 3-26 находим:

-τ /Ta= 0.15.

= 0.16 (кА).

Тогда действующее значение полного тока к.з. второй системы определяют как среднеквадратичный ток:

 = √I2п,t + I2a,t =√ I2п,t,г + i2a,t ,

где Ia,t - действующее значение апериодической составляющей тока к.з. для момента времени t , которое принимают равным мгновенному значению в середине периода, т.е. Ia,t = ia,t:

(кА).

Полный ток трехфазного к.з.

(кА).

Ударный ток к.з. определяется следующим выражением:

 (2.3)

где ку - ударный коэффициент. Для электрически удаленной точки принят равным 1,8.

(кА).

Действующее значение ударного тока:

(кА).

Мощность трехфазного к.з.:

(МВА).

 

2.4.2 Определение токов двухфазного короткого замыкания

Режим двухфазного короткого замыкания относится к несимметричным режимам к.з. В данной работе используется упрощенная методика расчета токов двухфазного к.з., основанная на использовании приближенного соотношения между начальными токами трехфазного и двухфазного короткого замыкания:

 (2.4)

(кА).

(кА).

(кА).

(МВА).

 

2.4.3 Определение токов однофазного короткого замыкания

Однофазный ток короткого замыкания определен по формуле:

           (2.5)

где х*1 -сопротивление токам прямой последовательности;

х*2 -сопротивление токам обратной последовательности;

х*0 -сопротивление токам нулевой последовательности.

Принято равенство х*1= х*2= хрез.=0.24

Для определения сопротивления нулевой последовательности используется схема замещения, изображенная на рис. 8.

Рис. 8

 (2.6)

где x*бТр - сопротивление трансформаторов. Оно определяется сопротивлением обмоток высокого напряжения, т. к. только они заземлены:

 (2.7)

 (2.8)

где uкВН - напряжение к.з. обмотки высокого напряжения, %;

SГПТном - номинальная мощность трансформатора, МВА; SГПТном = 20 МВА;

Sб - базисная мощность.

uк для каждой обмотки находится из следующих выражений:

;

;

Сопротивление обмотки высокого напряжения:

Потом были найдены сопротивление трансформатора и сопротивление нулевой последовательности, а также токи и мощность однофазного к.з.:

.

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

 

2.5 Расчёт токов короткого замыкания на шинах РУ - 27,5 кВ

Расчет токов к.з. на шинах 27,5 и 10,5 кВ производится для двух режимов - максимального, когда в схему включены оба трансформатора, и минимального, когда рассматривается лишь один трансформатор. Схемы замещения для максимального и минимального режимов для к.з. на шинах 27,5 кВ представлены на рис. 9,а и рис.9,б соответственно.

Рис. 9

 

2.5.1 Определение токов трёхфазного короткого замыкания

Базисный ток определен по формуле (2.1). Значение  принято равным (кВ).

(кА).

Максимальный режим (рис. 9,а).

Реактивное относительное сопротивление цепи к.з.

Токи и мощность к.з.:

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Минимальный режим (рис. 9,б).

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

 

2.5.2 Определение токов двухфазного короткого замыкания

Максимальный режим.

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Минимальный режим.

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

 

2.6 Расчёт точки короткого замыкания на шинах РУ - 10,5 кВ

Определение токов к.з. на шинах 10,5 кВ (точка К3) произведено согласно схемам замещения для максимального и минимального режимов, изображенных на рис. 10,а и рис.10,б соответственно.

Рис. 10

Базисный ток:

Значение  в данном случае принято равным 10,5 кВ.

(кА).

 

2.6.1 Определение токов трёхфазного короткого замыкания

Относительное сопротивление цепи, токи и мощность для максимального режима определены следующим образом:

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Относительное сопротивление цепи, токи и мощности для минимального режима определены следующим образом:

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

 

2.6.2 Определение токов двухфазного короткого замыкания

Максимальный режим.

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Минимальный режим.

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

 

2.7 Расчёт короткого замыкания на шинах собственных нужд

Расчёт токов короткого замыкания на шинах собственных нужд (точка К4) тяговой подстанции производится в именованных единицах, с учётом активных и индуктивных сопротивлений.

Расчётная схема и схема замещения представлены на рис. 11.

Рис. 11

Элементы со стороны первичной обмотки трансформатора СН можно отнести к системе неограниченной мощности по отношению к низковольтной части схемы. Поэтому сопротивления разъединителя QS и выключателя Q не учитываются.

Активное сопротивление ТСН в мОм определяется по формуле:

, (2.9)

где  - потери короткого замыкания ТСН, кВт;

Uосн -напряжение основной ступени, В;

SТСН ном - номинальная мощность ТСН, кВА.

А затем находится индуктивное сопротивление в мОм по формуле:

. (2.10)

(мОм);

(мОм).

Активное и реактивное сопротивления кабеля, мОм, определяются по формулам:

 (2.11)

 (2.12)

где - длина кабеля, м; принята равной 30 м;

r0 и x0 - соответственно активное и реактивное удельные сопротивления кабеля,Ом/км.

Значения r0 и x0 найдены по справочнику согласно принятому типу кабеля и приложенному напряжению. Для него r0 = 0.167 Ом/км, x0 = 0.0596 Ом/км.

(мОм)

(мОм).

Сопротивления остальных элементов определены по каталогу.

Сопротивления катушек автоматического выключателя:

(мОм);

(мОм).

Сопротивления трансформаторов тока:

(мОм);

(мОм).

Переходное сопротивление рубильника:

(мОм).

Результирующее активное сопротивление цепи к.з.:

 (2.13)

(мОм).

Результирующее реактивное сопротивление цепи к.з.

 (2.14)

(мОм).

Полное сопротивление до точки к.з. равно:

 (2.15)

(мОм).

Токи трехфазного короткого замыкания:

 (2.16)

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Токи двухфазного короткого замыкания:

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Токи однофазного короткого замыкания:

однолинейный замыкание шина трансформатор

 (2.17)

где U2ф -фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В;

zТсн -полное сопротивление трансформатора при однофазном коротком замыкании.

Согласно справочным данным для принятого в работе трансформатора собственных нужд (мОм).

(кА);

(кА);

(кА);

(МВА).

Результаты расчета токов короткого замыкания приведен в табл.3:

Таблица 3 - Результаты расчета токов короткого замыкания

Точка К.З.		Рассчитываемый показатель.	РУ - 110 кВ (К1)	РУ - 27,5 кВ (К2)	ТСН (К4)
Трёхфазное К.З.	max	Iк, кА	2.03	4.15	8.73	5.55
		iy, кА	5.18	10.58	22.26	14.17
		Iy, кА	3.04	6.31	13.26	8.44
		Sк, МВА	404	188	158	3.84
	min	Iк, кА	-	2.69	5.42	-
		iy, кА	-	6.85	13.82	-
		Iy, кА	-	4.09	8.24	-
		Sк, МВА	-	123	98.5	-
Двухфазное К.З.	max	Iк, кА	1.76	3.61	7.59	4.99
		iy, кА	4.48	9.2	19.35	12.73
		Iy, кА	2.67	5.49	11.48	7.58
		Sк, МВА	358	164	136	3.34
	min	Iк, кА	-	2.34	4.72	-
		iy, кА	-	5.97	12.04	-
		Iy, кА	-	3.56	7.17	-
		Sк, МВА	-	107	86	-
Однофазное К.З.	max	Iк, кА	2.4	-	-	2.3
		iy, кА	6.12	-	-	5.87
		Iy, кА	3.65	-	-	3.49
		Sк, МВА	491	-	-	0.91
	min	Iк, кА	-	-	-	-
		iy, кА	-	-	-	-
		Iy, кА	-	-	-	-
		Sк, МВА	-	-	-	-

3. выбор, расчет и проверка шин, основных коммутационных аппаратов и измерительных трансформаторов

 

.1 Выбор шин РУ

 

.1.1 Выбор шин ОРУ-110 кВ

Шины ОРУ-110 кВ выполняются гибкими проводами АС, АСУ, АСО сечением не менее 70 мм2. Сечение сборных шин q выбрано по условию:

, (3.1)

где - дополнительно допускаемый ток для шины данного сечения и материала, А;

- максимальный длительный ток нагрузки, А.

Максимальный длительный ток нагрузки найден по формуле:

,  (3.2)

где - номинальная мощность понизительного трансформатора;

- коэффициент допустимой перегрузки трансформатора, =1.3;

- номинальное напряжение на вводе подстанции.

.

Выбраны шины марки АС-70/11 на допускаемый ток 265 А.

, т. е. .

Выбранные шины проверены на термическую устойчивость воздействию тока к.з. Для этого вычислено минимальное термически стойкое сечение:

,         (3.3)

где  - тепловой импульс к.з., кА2×с;

C - функция, зависящая от перегрева. В данном случае принято C = 60.

Тепловой импульс к.з. определен по формуле:

,    (3.4)

где    - постоянная времени отключения цепи; принято =0,05 с.

,  (3.5)

где    - собственное время отключения выключателя; =0.05 с;

- время действия релейной защиты; =0.05 с.

(кА2∙с);

.

Условие термической стойкости:

      (3.6)

где    - выбранное сечение, мм2.

Условие термической стойкости в данном случае удовлетворено:

.

 

3.1.2 Выбор шин ОРУ-27,5 кВ

Шины ОРУ-27,5 кВ выполняются такими же проводами, что и шины ОРУ-110 кВ. Их выбор и проверка также осуществляются аналогично. Сечение сборных шин q выбрано по условию (3.1). Максимальный длительный ток нагрузки в данном случае вычислен по формуле:

,   (3.7)

где - коэффициент распределения нагрузки, =0.7;

(А).

Выбраны шины марки АС-120/27 на допускаемый ток 380 А.

Тепловой импульс к.з. определен по формуле (3.4).

Откуда, согласно выражению (3.3)

Т. о., для выбранных шин все необходимые условия выполняются:

, т. е.

, т. е

 

3.1.3 Выбор шин ЗРУ-10,5 кВ

Шины ЗРУ-10,5 кВ выполняются жесткими, из алюминия прямоугольного сечения. Сечение указанных шин выбирается аналогично шинам ОРУ, но проверка производится не только на термическую, но и на электродинамическую стойкость. Максимальный длительный ток нагрузки для этих шин найден по формуле:

        (3.8)

где    - коэффициент перспективы развития потребителей, =1.4;

 - мощность районной нагрузки.

Согласно условию (3.1) выбраны шины марки А размера 40х4 мм, прямоугольного сечения с сечением полосы 160 мм2 с установкой плашмя на ток .

.

Проверка термической стойкости произведена по условию (3.6). Тепловой импульс к.з. определен по формуле (3.4):

Минимальное термически стойкое сечение вычислено по формуле (3.3):

Т. о., условие термической стойкости выполняется:

.

Проверка на электродинамическую стойкость выполнена по условию:

,        (3.9)

где    - допускаемое напряжение для материала шин; принято для алюминиевых проводов =60 МПа;

 - расчетное механическое напряжение в материале шины.

Расчетное механическое напряжение в материале шины определено по формуле:

   (3.10)

где M - изгибающий момент, ;

W - момент сопротивления, м3.

Изгибающий момент найден по формуле:

, (3.11)

где F - сила, действующая на шину при к. з., Н;

 - длина пролета, т. е. расстояние между соседними опорными изоляторами; принята =1 м.

Сила, действующая на шину при к.з., вычислена по формуле:

    (3.12)

где    - длина пролета;

- расстояние между осями шин соседних фаз; принято =0.25 м;

Момент сопротивления определен по формуле:

, (3.13)

где    - толщина сечения, ;

 - высота сечения, .

 (кН).

Т. о., условие электродинамической также стойкости выполняется:

.

 

3.2 Высоковольтные выключатели переменного тока

Выключатели высокого напряжения предназначены для переключения электрических цепей переменного тока под нагрузкой в нормальных и аварийных режимах.

Выключатели выбираются по роду установки, номинальным напряжению и току:

,      (3.14)

где    Uном и Iном - соответственно номинальные напряжения и ток выключателя, кВ и А;

Uраб и Iрабmax - напряжение, кВ и максимальный ток, А цепи, где устанавливается выключатель.

Выполнение этих условий гарантирует работу выключателя в нормальном режиме. Надежная работа выключателя при к.з. обеспечивается проверкой:

·   на электродинамическую устойчивость

,     (3.15)

где  - амплитудное значение предельного сквозного тока выключателя, кА;

 - ударный ток к.з., кА.

·   на термическую устойчивость

,         (3.16)

где  и  - ток и время термической стойкости, соответственно в кА и с;

 - тепловой импульс тока к.з., проходящего через выключатель, .

·   на отключающую способность, для случая электрически удаленной точки:

,        (3.17)

где     - номинальный ток отключения выключателя (действующее значение), кА;

 - ток к.з., кА.

Значения параметров, по которым произведен выбор выключателей, их перечень и соответствующие характеристики, определенные по справочной литературе, приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Выбор выключателей

РУ	Тип выключателя
110	ВНЭ-110м/630
27.5	ВБС-27,5 УЗ.1
10.5	ВВЭ-М-10-20/У3

 

3.3 Разъединители

Указанные аппараты выбираются и проверяются так же, как и высоковольтные выключатели переменного тока с той разницей, что разъединители не проверяются на отключающую способность. Параметры выбора, перечень и характеристики выбранных коммутационных аппаратов приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Выбор разъединителей, отделителей и короткозамыкателей

РУ	Тип аппарата
110	Разъединитель  РНД(З)-110/630
27,5	Разъединитель РНД(З)-35/630
10,5	Разъединитель РВЗ-10-20/У3

 

3.4 Выбор измерительных трансформаторов

 

.4.1 Трансформаторы тока

Трансформаторы тока выбраны по следующим параметрам:

·   по номинальному напряжению и номинальному току:

,   (3.18)

где U1ном и I1ном - номинальные напряжение и ток первичной обмотки трансформатора тока, кВ и А;

Uраб и Iрабmax - напряжение и рабочий ток, в цепи, где установлен трансформатор тока, кВ и А.

·   по классу точности (в настоящей работе - только для ТТ фидеров районной нагрузки):

,        (3.19)

где S2ном - номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора, ВА;

S2 - мощность, потребляемая приборами измерения и защиты, ВА.

Для определения S2 составлена трехлинейная схема подключения всех приборов к трансформаторам тока фидера районной нагрузки (рис. 15). S2 должна быть найдена для трансформатора тока наиболее загруженной фазы:

   (3.20)

где Sприб - потребляемая приборами мощность, ВА; определяется по схеме (рис. 15);

I2 - ток вторичной цепи, А. Принято  А;

 - переходное сопротивление контактов, Ом. Принято Ом;

 - сопротивление соединительных проводов.

Сопротивление соединительных проводов вычислено по формуле:

       (3.21)

где  - удельное сопротивление материала провода,; выбраны алюминиевые соединительные провода, для которых ;

 - приведенное сечение проводов,

- расчетная длина соединительных проводов, м; при включении ТТ в схему «неполной» звезды:

 (3.22)

где - длина соединительных проводов. Для КРУН-10,5 кВ принято

Класс точности должен соответствовать назначению трансформатора тока. Класс точности выбранных ТТ - 0,5 применяются для присоединения расчетных счетчиков. Класс точности выбранных ТТ - 0,5.

По электродинамической устойчивости:

 (3.23)

где kд - коэффициент динамической устойчивости трансформатора тока;

 - ударный ток к.з., кА.

По термической устойчивости:

   (3.24)

где    kТ - коэффициент термической устойчивости трансформатора тока;

tТ - время термической стойкости, с;

 - тепловой импульс тока к.з., проходящего через выключатель, .

Трехлинейная схема подключения приборов к ТТ фидера районной нагрузки имеет следующий вид:

Схема подключения приборов к ТТ

Wh - счетчик активной энергии типа САЗУ-И670;

Warh - счетчик реактивной энергии СР4-И673;

PA - амперметр типа Э377.

Рис. 12

Согласно схеме (рис. 12) суммарную потребляемую приборами мощность можно определить по формуле:

          (3.25)

где Sа - мощность потребляемая амперметром, ВА. Принята Sа = 0,5 ВА;

Swh - потребляемая активная мощность, ВА. Принята Swh = 2,5 ВА;

Svar - потребляемая реактивная мощность, ВА. Принята Svar = 2,5 ВА.

Сопротивление соединительных проводов согласно выражению (3.21) с учетом (3.22) равно:

Мощность, потребляемая приборами согласно (3.20):

(ВА).

Перечень выбранных в соответствии с выше указанными условиями трансформаторов тока с указанием их характеристик и параметров выбора приведен в таблице 6.

Таблица 6 - Выбор трансформаторов тока

РУ	Тип ТТ
110	ТОЛ-110Б-У1	-
27,5	ТЛК	-
10,5	ТОЛ-10

3.4.2 Трансформатор напряжения

Выбор трансформаторов напряжения произведен по следующим условиям:

·   по номинальному напряжению:

          (3.26)

·   по конструкции и схеме соединения обмоток; определяются в основном в зависимости от номинального напряжения.

·   по классу точности :

 (3.27)

Для определения S2 составлена трехлинейная схема подключения к трансформатору напряжения всех приборов (рис. 13).

Схема подключения приборов к ТН

Wh - счетчик активной энергии типа САЗУ-И670;

Warh - счетчик реактивной энергии типа СР4-И673;

PV - вольтметр типа Э378;

РН1, РН2, РН3 - реле напряжения типа РН-54.

Рис. 13

В таблице 7 приведен список приборов, подключенных к трансформатору напряжения:

Таблица 7 - Приборы, подключенные к трансформатору напряжения

Наименование прибора	Тип	Число приборов	Cos φSin φ
Счетчик активной энергии	САЗУ-И670	4	4	0,38	0,93	6,1	14,9
Счетчик реактивной энергии	СР4-И673	4	0,38	0,93	11,4	27,9
Вольтметр	Э378	1	2	1	0	2	-
Реле напряжения	РН-54	3	1	1	0	3	-

По схеме рис.13 для трансформатора напряжения наиболее загруженной фазы найдена S2:

   (3.28)

где и  - соответственно, активные, Вт и реактивные, вар мощности всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения.

Сумма активных мощностей всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, определена по формуле:

           (3.29)

где  - полная мощность всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, ВА.

Сумма реактивных мощностей всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, равна:

           (3.30)

(Вт).

(Вар).

(ВА).

Перечень выбранных трансформаторов напряжения с указанием их характеристик приведен в таблице 8.

Таблица 8 - Выбор трансформаторов напряжения

РУ		Тип ТН	Номинальные мощности в классах точности,В∙А
				0.5	1	3
	110	ЗНОЛ-110-У1	110	400	600	1200
	27,5	ЗНОЛЭ-35	35	0.5	300	600
	10,5	НОЛ.08	10	75	150	300

4. Подбор аппаратуры и схем питания собственных нужд подстанции

Электроэнергия переменного тока для питания потребителей собственных нужд поступает от трансформаторов собственных нужд (ТСН). На проектируемой тяговой подстанции установлено два ТСН, питаемых от шин РУ-27,5 кВ, со вторичным напряжением 380/220 В и мощностью 250 кВА каждый. Структурная схема распределения электроэнергии собственных нужд приводится на рис. 14.

Структурная схема СН

- шкаф автоматики подогрева приводов выключателей;

- шкаф собственных нужд переменного тока в здании подстанции;

- шкаф отопления и вентиляции аккумуляторной;

- дизель генератор (резервное питание);

- зарядно-подзарядный агрегат;

- шкаф собственных нужд постоянного тока;

- аккумуляторная батарея;

- шкаф рабочего освещения подстанции;

- шкаф аварийного освещения подстанции.

Рис. 14.

 

4.1 Выбор аккумуляторной батареи

Для питания приводов выключателей, устройств защиты, сигнализации и телемеханики на подстанциях часто применяют постоянный оперативный ток. Его источником является аккумуляторная батарея типа «СК», работающая в режиме постоянного разряда. Основные нагрузки батареи приведены в табл. 9.

Таблица 9 - Потребители, питающиеся от аккумуляторной батареи

Потребители		Число одновременно работающих потребителей	Ток одного потребителя, А	Нагрузка батареи, А
				Длительная	Кратковременная
Постоянно присоединенные приёмники	Лампы положения коммутационных аппаратов	69	0.065	4.485	-
	Устройства управления защиты	-	-	15	-
Приемники присоединённые при аварийном режиме	Устройства телеуправления и связи	-	-	1,4	-
	Аварийное освещение	-	-	10	-
	Привод  МКП-110м	-	-	-	244

Ток длительного разряда в аварийном режиме определен как:

дл.разр = Iпост + Iав, (4.1)

где Iпост - ток постоянной нагрузки рабочего режима, А;

Iав - ток временной аварийной нагрузки, А.

Iдл.разр = 19.485+ 11.4 =30.885 (А).

Ток кратковременного разряда в аварийном режиме рассчитан по формуле:

кр.разр = Iдл.разр + Iвкл, (4.2)

где Iвкл - ток, потребляемый наиболее мощным приводом выключателя;

в данном случае ШПЭ-33 выключателя МКП-110м.

Iкр.разр = 30.885 + 244 = 274.885 (А).

Расчётная ёмкость батареи:

 (4.3)

где tав - длительность разряда при аварии; для тяговых подстанций tав=2ч.

(А∙ч).

Номер батареи по требуемой емкости:

 (4.4)

где 1,1 - коэффициент, учитывающий емкость батареи после нескольких лет эксплуатации;

QN=1 -емкость аккумулятора СК-1; при tав =2ч QN=1 = 22 А∙ч.

Предварительно принято N = 4.

Номер батареи по току кратковременного разряда:

 (4.5)

где 46 -кратковременный допустимый ток разряда аккумулятора СК-1, А.

Окончательно принято N = 6, т. е. выбрана аккумуляторная батарея СК-6.

Полное число последовательно включённых элементов батареи:

 (4.6)

где Uшв - напряжение на шинах включения; принято равным 258 В;

Uпз - напряжение элемента в режиме подзарядки.

Число элементов, нормально питающих шины управления и защиты:

 (4.7)

где Uш - напряжение на шинах управления и защиты, равное 232 В.

 

4.2 Выбор зарядно-подзарядного устройства (ЗПУ)

Мощность полупроводникового выпрямителя ЗПУ выбирается по необходимым значениям напряжения, тока и мощности, которые определяют, исходя из первого формовочного заряда батареи. Напряжение заряда ЗПУ:

зар = nшв·2.15 + (2÷3), (4.8)

зар =120 · 2.15 + 2 = 260 В.

Зарядный ток батареи для СК-6 определяется формулой:

зар = 3.75·N; (4.9)

зар = 3.75 · 6 = 22.5 (А).

Расчётная мощность ЗПУ:

 (4.10)

(кВт).

Принят зарядно-подзарядный агрегат типа ВАЗП -380/260 -40/80, полностью удовлетворяющий указанным условиям:

(А) >22.5 + 21.045 = 43.545 (А), т. е. Iн.ЗПУ > Iзар+Iпост.

Uн.ЗПУ = Uзар = 260 В.

.8 (кВт) > 10.9 (кВт), т. е. Рн.ЗПУ > Ррасч.ЗПУ.

 

5. Расчёт контура заземления

Выбор и расчёт системы заземления тяговой подстанции производят, исходя из условий безопасности напряжения прикосновения. В момент прикосновения человека к заземлённому оборудованию, находящемуся под потенциалом, часть заземлителя шунтируется телом человека Rч и сопротивлением растекания тока от ступней на землю Rс. На тело человека будет действовать напряжение:

ч = Uпр - Uс, (5.1)

где Uc = Iч·Rc = 0.1 ∙ 225 = 22.5 (В) -падение напряжение в сопротивлении растеканию с двух ступней человека на землю.

Если принять ступню за диск радиусом 8 см, то:

 (5.2)

где удельное сопротивление верхнего слоя земли, Ом м;

r -радиус ступни, м.

(Ом).

Опасность поражения зависит от тока Iч и длительности его протекания через тело человека. По известному допустимому току Iчдоп, (принято Iчдоп = 0.1 А), найдено допустимое напряжение прикосновения:

 (5.3)

где Rч - сопротивление тела человека; принято Rч =1000 Ом;

(В).

Заземляющее устройство, выполненное по нормам напряжения прикосновения должно обеспечить в любое время года ограничение Uпр.доп до нормированного значения в пределах всей территории подстанции, а напряжение на заземляющем устройстве Uз должно быть не выше 10 кВ.

Напряжение на заземлителе получено следующим образом:

 (5.4)

где - коэффициент напряжения прикосновения, который равен:

 (5.5)

где lв - длина вертикального заземлителя; принята lв =5 м;

LГ - общая длина горизонтальных заземлителей, м; зависит от площади подстанции;

а - расстояние между вертикальными заземлителями; принято а = 5 м;

S - площадь заземляющего устройства; принимается равной площади тяговой
 подстанции;

М - параметр, зависящий от соотношения сопротивлений верхнего и нижнего слоев грунта; принято М = 0,75;

- коэффициент, определяемый по сопротивлению человека Rч и сопротивления растекания тока от ступеней Rс:

 (5.6)

Площадь проектируемой подстанции принята равной 30×75 м, т. е. 2250 м2. Так как площадь больше 1000 м2, под землей на глубине 0.5 м прокладывается система заземлителей, образуя сетку с размерами ячеек 5×5 м по всей территории подстанции. План заземляющего устройства приведен на рис.15.

План заземляющего устройства

Рис. 15

LГ =(м).

Тогда по формуле (5.5):

(В).

Сопротивление заземляющего устройства определено через ток однофазного к.з. в РУ-110 кВ:

 (5.7)

(Ом).

Число вертикальных заземлителей по периметру контура при условии a/lв=1

 (5.8)

.

Общая длина вертикальных заземлителей

 (5.9)

(м).

Относительная глубина

тогда

.

Используя табл. 7-7 из распечатки находим, что:

(Ом∙м).

(Ом).

Найдем напряжение прикосновения по формуле:

 (5.10)

(В).

На тело человека будет действовать напряжение:

ч = Uпр - Uс = 109.2 - 22.5 = 86.7 (В).

Примем меры для снижения  путем подсыпки слоя гравия толщиной 0.2 м по всей территории подстанции. Удельное сопротивление верхнего слоя почвы в этом случае будет Ом∙м, тогда :

Подсыпка гравием не влияет на растекание тока с заземляющего устройства, так как глубина заложения заземлителей 0.5 м больше толщины слоя гравия.

(В) (кВ), т.е. находится в пределах допустимого.

(Ом) > .

(В) < =122.5 (В).

На тело человека будет действовать напряжение:

ч = Uпр - Uс = 28.08 - 22.5 = 5.58 (В).

спецификация

Даная спецификация прилагается к однолинейной схеме проектированной тяговой подстанции переменного тока.

№ п/п		Обозначение	Тип аппарата	Наименование	Количество
РУ -110 кВ
		Т1-Т2	ТДТНЭ-20000/110-Б	Главный понижающий трансформатор	2
		Q1-Q3	ВНЭ-110м/630	Высоковольтные выключатели переменного тока	3
		QS1-QS6 QSG1-QSG14	РНДЗ-II-110/630	Разъединитель	16
		ТА1-ТА19	ТОЛ-110Б-У1	Измерительный трансформатор тока	19
		C1-C2	-	Конденсатор	2
		LR1-LR2	-	Заградительный реактор	2
		FV1-FV6	ОПН-110	Ограничитель перенапряжения	6
		TV1,TV2	ЗНОЛ-110-У1	Измерительный трансформатор напряжения	2
РУ-27.5 кВ
		Q4-Q18	ВБС-27.5/У3.1	Высоковольтный выключатель	15
		QS7-QS38 QSG15-QSG39	РНД(3)-35/630	Разъединитель	55
		TV3-TV6	ЗНОЛЭ-35	Измерительный трансформатор напряжения	4
		C3-C4	-	Конденсатор	2
		LR	-	Реактор	1
		FV7-FV16	ОПНп-10/29	Ограничитель перенапряжения	10
		ТА20-ТА44	ТЛК	Измерительный трансформатор тока	24
РУ-10 кВ
	QSG40- QSG48		ВВЭ-м-10-20/У3	Разъединитель	8
	FV17-FV25		ОПН-3,3-ЧФХ1	Ограничитель перенапряжения	9
	Q19-Q28		ВНЭ-м-10-20/У3	Высоковольтные выключатели переменного тока	9
	ТА45- ТА64		ТОЛ10	Трансформатор тока	19
	TV7-TV8		НОЛ.08	Измерительный трансформатор напряжения	2

заключение

В данном курсовом проекте вначале было определено число, типы и мощности трансформаторов. По этим данным выбраны: преобразовательные трансформаторы типа ТДТНЭ - 20000/110-67 и трансформаторы собственных нужд типа ТС -250/10.

Произведен расчет токов короткого замыкания на шинах ОРУ- 110 кВ, 27.5 кВ, ЗРУ - 10, на шинах 0,4/0,23 кВ. Рассчитаны максимальные рабочие токи основных присоединений транзитной тяговой подстанции переменного тока.

Произведены выбор, расчет и проверка шин, основных коммутационных аппаратов и измерительных трансформаторов тока и напряжения во всех РУ тяговой подстанции. В ОРУ -110 кВ применены элегазовые высоковольтные выключатели типа ВНЭ - 110м/630, в ОРУ - 27.5 кВ - вакуумные высоковольтные выключатели типа ВБС-27.5-УЗ.1, в ЗРУ - 10.5 кВ вакуумные высоковольтные выключатели типа ВВЭ - м - 10-20/У3.

Для питания приводов высоковольтных выключателей, аварийного освещения и других потребителей переключаемых на питание от постоянного тока при исчезновении переменного напряжения выбрана аккумуляторная батарея типа СК-6 и зарядно-подзарядное устройство типа ВАЗП - 380/260 - 40/80.

Произведен расчет контура заземления подстанции с разработкой схемы конфигурации заземлителя и определением безопасного напряжения прикосновения.

Приведено краткое обоснование главной схемы коммутации и разработана однолинейная схема транзитной тяговой подстанции переменного тока.

библиографический список

1.       М.М. Гринберг - Басин. Тяговые подстанции. - М.: Транспорт, 1986. -167 с.

2.      А.А. Прохорский. Тяговые и трансформаторные подстанции. - М.: Транспорт, 2009.- 496 с.

3.      Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. - М.: Энергоатомиздат,1987, -648 с.

.        Тяговые подстанции: Учебник для ВУЗов ж.д. транспорта/ Ю.М. Бей, Р.Р. Мамошин, В.Н. Пупынин, М.Г. Шалимов; Под ред. Ю.М. Бея. - М.: Транспорт, 2006. - 319 с.

5.      Давыдова И.К. и др. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования / И.К. Давыдова, Б.И. Попов, В.М. Эрлих - 2 -е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2008.- 416 с.

6.      Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ.