Проектирование электрической части подстанции — это комплексная задача, требующая глубокого понимания принципов работы энергосистемы и нормативной базы. Подстанции являются ключевыми узлами, обеспечивающими надежное электроснабжение потребителей, поэтому их проектирование имеет первостепенное значение. В рамках данной работы ставится задача разработать электрическую часть подстанции с классами напряжения 220/110/10 кВ. Исходными данными служат мощности отходящих линий: две линии 220 кВ (80/41 МВт), две линии 110 кВ (40/32 МВт) и пять линий 10 кВ (2,1/1,8 МВт). Весь процесс проектирования будет опираться на действующие Правила устройства электроустановок (ПУЭ) и государственные стандарты (ГОСТ). Мы последовательно рассмотрим все ключевые этапы: от выбора принципиальной схемы до расчета экономической эффективности.
С чего начинается проект, или Как выбрать главную схему электрических соединений
Выбор главной схемы электрических соединений — это фундаментальный этап, определяющий всю дальнейшую архитектуру, надежность и стоимость подстанции. Эта схема графически отображает все основные элементы (трансформаторы, выключатели, шины) и связи между ними. Выбор зависит от класса напряжения, количества присоединений и требований к надежности.
Для высоких классов напряжения, таких как 220 и 110 кВ, применяются типовые схемы с высоким уровнем надежности. Наиболее распространенными являются:
- Схемы с несколькими системами шин: например, две рабочие системы шин или одна рабочая и одна обходная. Они позволяют проводить ремонт и обслуживание оборудования без отключения потребителей.
- Мостовые схемы: обладают меньшим количеством выключателей, что снижает стоимость, но усложняет эксплуатацию.
Учитывая значительное количество присоединений на сторонах 220 и 110 кВ, наиболее оправданным решением является применение схемы с двумя рабочими, секционированными системами шин. Такое секционирование позволяет локализовать повреждения и сохранить в работе часть подстанции, что кардинально повышает надежность электроснабжения. Для распределительного устройства (РУ) 10 кВ, питающего местных потребителей, обычно выбирают более простые и экономичные радиальные или кольцевые схемы, обеспечивающие необходимый уровень надежности для сетей среднего напряжения.
Выбираем силовые трансформаторы и оборудование собственных нужд
Силовые трансформаторы — это «сердце» подстанции, отвечающее за преобразование напряжения. Их выбор начинается с расчета требуемой мощности. Суммарная мощность потребителей определяет необходимую мощность трансформаторов с учетом коэффициентов загрузки и возможности будущего роста нагрузок. Для обеспечения надежности электроснабжения, особенно на объектах I и II категории, устанавливают как минимум два трансформатора. Это позволяет при выходе из строя одного из них обеспечить питание всех потребителей за счет оставшегося в работе (принцип резервирования N-1).
На основе предварительных расчетов и типовых мощностей для подстанций такого класса, выбор останавливается на двух трехобмоточных автотрансформаторах. В зависимости от детального расчета нагрузок это могут быть агрегаты мощностью 2х63 МВА или 2х100 МВА. Помимо мощности, ключевыми параметрами при выборе являются класс напряжения, схема и группа соединения обмоток, а также показатели потерь.
Не менее важным является выбор трансформаторов собственных нужд (ТСН). Эти маломощные трансформаторы питают критически важные системы самой подстанции: оперативную цепь, релейную защиту, автоматику, освещение, отопление и вентиляцию. Их мощность выбирается на основе суммарной нагрузки всех этих систем, и, как правило, их также устанавливают в количестве двух штук для взаимного резервирования.
Расчет токов короткого замыкания как основа для выбора оборудования
Короткое замыкание (КЗ) — это аварийный режим, при котором ток в сети резко возрастает в десятки раз, создавая огромные электродинамические и термические нагрузки на оборудование. Расчет токов КЗ является критически важным этапом, так как именно его результаты служат основой для выбора практически всего высоковольтного оборудования.
Процесс расчета включает несколько шагов:
- Составление схемы замещения: Все элементы энергосистемы (генераторы, линии, трансформаторы) представляются в виде их эквивалентных сопротивлений.
- Расчет сопротивлений: Производится приведение всех сопротивлений к одной базисной ступени напряжения для корректного суммирования.
- Определение токов КЗ: Используя рассчитанные суммарные сопротивления, по закону Ома вычисляются токи в нескольких характерных точках схемы — как правило, на шинах каждого класса напряжения (220, 110 и 10 кВ).
Расчет токов короткого замыкания — это не просто математическое упражнение. Ошибка на этом этапе может привести к разрушению дорогостоящего оборудования и масштабным отключениям потребителей при первом же серьезном повреждении в сети.
Полученные значения ударного тока КЗ и термически эквивалентного тока используются для выбора выключателей по отключающей способности, разъединителей и проводников по электродинамической и термической стойкости, а также для последующего расчета уставок релейной защиты.
Как грамотно подобрать коммутационные аппараты и измерительные трансформаторы
Вооружившись данными о номинальных режимах и расчетных токах короткого замыкания, можно приступать к подбору конкретного оборудования. Для каждого элемента цепи выбор производится по ряду ключевых параметров.
- Высоковольтные выключатели: Основные параметры — номинальное напряжение, номинальный ток и, самое главное, номинальный ток отключения, который должен быть больше максимального расчетного тока КЗ в точке его установки. Для РУ 110 кВ и выше это могут быть современные комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ), а для 10 кВ — стандартные комплектные распределительные устройства (КРУ).
- Разъединители: Выбираются по номинальному напряжению и току, а также проверяются на электродинамическую и термическую стойкость к токам КЗ.
- Ограничители перенапряжений (ОПН): Устанавливаются для защиты изоляции оборудования от атмосферных и коммутационных перенапряжений.
- Измерительные трансформаторы: Трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) являются «органами чувств» системы защиты. Они выбираются по номинальному напряжению, коэффициентам трансформации и классу точности, который определяет погрешность измерений.
Например, для ввода линии 110 кВ, зная ее номинальный ток и ток КЗ на шинах 110 кВ, по каталогам производителей подбирается выключатель, который удовлетворяет этим условиям с необходимым запасом.
Проектируем «мозг» подстанции, или Принципы построения релейной защиты
Если силовое оборудование — это «мышцы» подстанции, то релейная защита и автоматика (РЗА) — это ее «мозг» и «нервная система». Основная задача РЗА — мгновенно распознать и отключить поврежденный элемент, не допуская развития аварии и минимизируя ущерб. Система РЗА строится по принципам селективности, быстродействия, чувствительности и надежности.
Защиты классифицируются по видам повреждений, на которые они реагируют:
- Защита от междуфазных коротких замыканий;
- Защита от замыканий на землю;
- Защита от перегрузки.
Для каждого элемента подстанции предусматривается свой комплекс защит. Например, для силового трансформатора основной защитой от внутренних повреждений является дифференциальная защита, а резервными — максимальная токовая защита (МТЗ) и газовая защита. Для воздушной линии 110 кВ основной будет дистанционная защита, а резервной — токовые защиты. Сегодня проектирование ведется с использованием современных микропроцессорных терминалов РЗА, которые объединяют в себе функции нескольких защит и интегрируются в системы удаленного мониторинга и управления (SCADA).
От теории к практике: расчет уставок релейной защиты и проверка трансформаторов тока
Проектирование РЗА не заканчивается выбором типов защит. Самый сложный этап — это расчет уставок, то есть конкретных параметров срабатывания (например, тока и времени), которые заносятся в терминал защиты. Расчет должен обеспечить селективность — срабатывание защиты ближайшей к месту повреждения.
Рассмотрим на примере максимальной токовой защиты (МТЗ) силового трансформатора. Ее ток срабатывания должен быть отстроен от номинального тока нагрузки трансформатора (с коэффициентом запаса), но при этом должен быть чувствителен к токам КЗ в конце защищаемой зоны. Выдержка времени выбирается ступенчато, чтобы быть больше, чем у защит отходящих линий, но меньше, чем у защит питающей сети.
Ключевым моментом в расчетах является правильный выбор коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока (ТТ). Но еще важнее — их проверка на работоспособность в аварийных режимах.
Критически важно выполнить проверку трансформаторов тока на 10% погрешность. Эта проверка гарантирует, что при максимальных токах КЗ сердечник ТТ не войдет в насыщение, и он передаст на реле достоверный сигнал. В противном случае защита может «ослепнуть» в самый ответственный момент и не сработать.
Завершающие штрихи: охрана труда, экология и индивидуальное задание
Любая дипломная работа по проектированию включает обязательные разделы, демонстрирующие комплексный подход инженера.
Охрана труда: В этом разделе основное внимание уделяется обеспечению безопасности персонала при эксплуатации подстанции. Рассматриваются вопросы проектирования эффективного заземляющего устройства, которое снижает шаговые напряжения и напряжения прикосновения до безопасных величин. Также описываются системы оперативных блокировок, предотвращающие ошибочные действия персонала (например, включение заземляющих ножей на линию под напряжением).
Экология: Здесь анализируется воздействие объекта на окружающую среду. Основные аспекты — это влияние электромагнитных полей, вопросы утилизации оборудования (особенно трансформаторного масла) и меры по снижению шума от работающих трансформаторов.
Индивидуальное задание: Этот раздел позволяет студенту глубже проработать одну из узких тем проекта. Это может быть углубленный анализ надежности выбранной схемы, технико-экономическое сравнение нескольких вариантов оборудования или разработка алгоритмов противоаварийной автоматики.
Сколько стоит проект, или Как рассчитать экономическую эффективность
Технически совершенный проект должен быть и экономически целесообразным. Экономическая часть диплома доказывает его состоятельность с финансовой точки зрения. Расчет обычно включает две основные составляющие:
- Капитальные вложения (CAPEX): Это единовременные затраты на реализацию проекта. Сюда входит стоимость всего основного и вспомогательного оборудования, а также затраты на строительно-монтажные и пусконаладочные работы.
- Эксплуатационные издержки (OPEX): Это ежегодные расходы на поддержание подстанции в рабочем состоянии, включающие зарплату персонала, затраты на плановые ремонты, амортизационные отчисления и стоимость потерь электроэнергии.
На основе этих данных рассчитываются ключевые показатели эффективности, такие как чистый дисконтированный доход (NPV), внутренняя норма доходности (IRR) и срок окупаемости проекта. Эти показатели позволяют оценить, насколько выгодны инвестиции в строительство данной подстанции.
Заключение
В ходе выполнения дипломного проекта была проделана комплексная работа по проектированию электрической части подстанции 220/110/10 кВ. На основе исходных данных и требований нормативных документов была выбрана надежная главная схема электрических соединений с секционированием шин на сторонах высокого напряжения. Были подобраны основные силовые трансформаторы, рассчитаны токи короткого замыкания, что позволило обоснованно выбрать коммутационное и измерительное оборудование. Спроектирован комплекс релейной защиты и автоматики на базе современных микропроцессорных устройств и рассчитаны его уставки. В результате спроектированная электрическая часть подстанции полностью соответствует требованиям надежности, безопасности и энергоэффективности, предъявляемым к современным энергетическим объектам.
Список использованной литературы
- Справочник по проектированию подстанций 35 – 500кВ. под ред. С.С. Рокотяна и Я.С.Самойлова.–М.Энергоатомиздат,1982;
- Справочник по проектированию электрических сетей. Под ред. Д.Л. Файбисовича.-М. Издательство НЦ ЭНАС,2005;
- Н.А. Ведешников Электрические аппараты высокого напряжения.Выключтаели.Том1.Справочник.-М.;Информэлектро,2001 ,-120с.
- А.А. Чунихин,Е.Ф. Галтеева Электрические аппараты высокого напряжения.Выключатели.Том2. Справочник.-М.;Информэлектро,2002 ,-196с
- Б.Н. Неклепаев,И.П. Крючков Электрическая часть эл. станций и подстанций. Справочные материалы для КП и ДП –М.Энергоатомиздат, 1989
- Л.Д. Рожкова,В.С. Козулин «Эл. оборудование эл. станций и подстанций»-М.Энергоатомиздат,1987
- Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. — М.:Энергоатомиздат, 1998
- Беркович М.А., Молчанов В.В., Семенов В.А. Основы техники релейной защиты . — М.:Энергоатомиздат, 1984
- Удрис А.П. Релейная защита воздушных линий 110-220 кВ. — М.:Энергоатомиздат, 1987
- Овчинников В.В. Реле РНТ в схемах дифференциальных защит. Изд.2-е,доп. – М.:Энергия, 1973
- Методические рекомендации по расчету экономической части дипломных проектов/Автор — преподаватель Никитина А.А