Методическое руководство по выполнению дипломной работы на тему «Проектирование трансформаторной подстанции»

Введение, где мы определяем цели и доказываем актуальность работы

Проектирование трансформаторной подстанции (ТП) — это комплексная инженерная задача, лежащая в основе надежности любой современной энергосистемы. Актуальность такой дипломной работы обусловлена постоянным ростом энергопотребления, модернизацией существующих сетей и необходимостью интеграции новых мощностей. Сложность проектирования заключается в необходимости учета множества технических, экономических и нормативных факторов для создания объекта, который будет не только функциональным, но и безопасным, экономичным и надежным в эксплуатации.

Данная работа представляет собой методическое руководство, цель которого — провести студента через все ключевые этапы этого сложного процесса.

Цель работы: Разработка проекта трансформаторной подстанции (ТП) напряжением 110/35/10 кВ для электроснабжения потребителей N-ского района.

Для достижения этой глобальной цели необходимо решить ряд последовательных задач, которые и сформируют структуру дипломного проекта:

• Проанализировать исходные данные и дать характеристику объекту проектирования.
• Выполнить расчет электрических нагрузок потребителей.
• Провести технико-экономическое сравнение и выбрать главную схему электрических соединений.
• Выбрать и проверить основное силовое оборудование, в частности, силовые трансформаторы.
• Рассчитать токи короткого замыкания (КЗ) для проверки оборудования и настройки защит.
• Подобрать и проверить все высоковольтное оборудование (выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы).
• Разработать и рассчитать уставки для систем релейной защиты и автоматики (РЗА).
• Спроектировать систему электроснабжения собственных нужд.
• Рассчитать заземляющее устройство и систему молниезащиты.
• Подготовить технико-экономическое обоснование проекта и проработать вопросы безопасности.

Таким образом, объектом исследования выступает проектируемая трансформаторная подстанция, а предметом исследования — процесс расчета, выбора и проверки ее ключевых элементов и систем. Далее мы последовательно рассмотрим каждый из этих этапов.

Раздел 1. Анализ исходных данных и характеристика объекта проектирования

Любой расчет начинается с тщательной систематизации «Дано». Этот раздел — фундамент всего проекта, где мы собираем и анализируем всю информацию, необходимую для принятия дальнейших проектных решений. Ошибки на этом этапе неизбежно приведут к неверным результатам в последующих расчетах.

В первую очередь, дается характеристика места строительства. Например, город Омск, с его резко континентальным климатом, требует особого подхода к выбору оборудования, которое должно выдерживать как низкие зимние, так и высокие летние температуры. Эти данные влияют на выбор исполнения аппаратов (например, УХЛ1).

Ключевым элементом являются характеристики потребителей. Их необходимо сгруппировать по категориям надежности и свести в таблицу для наглядности.

Таблица 1.1 — Сводные данные по нагрузкам потребителей

Наименование потребителя	Категория надежности	Мощность, кВт	cos(φ)	Коэф. одновременности
Промышленное предприятие №1	I	5000	0.92	0.8
Жилой комплекс «Центральный»	II	3500	0.95	0.6
Сельскохозяйственные объекты	III	1200	0.88	0.7

Наконец, необходимо описать существующую электрическую сеть, к которой планируется подключение. Важнейший параметр здесь — мощность системы в точке подключения, которая определяет ожидаемые уровни токов короткого замыкания и влияет на выбор коммутационной аппаратуры. Собрав все эти данные, можно приступать к расчетной части.

Раздел 2. Как выполнить расчет электрических нагрузок подстанции

От точности этого расчета зависит правильность выбора мощности силовых трансформаторов — самого дорогостоящего элемента подстанции. Задача — определить расчетные (максимальные) нагрузки, которые должна будет выдерживать подстанция в пиковые моменты. Для этого используется одна из стандартных методик, например, расчет по коэффициенту спроса или по удельным нормам потребления. Выбор методики необходимо обосновать исходя из имеющихся исходных данных.

Расчет выполняется в несколько этапов:

1. Построение графиков отдельных потребителей. Для каждой группы потребителей (промышленность, жилой сектор и т.д.) строятся характерные суточные графики активной (P, кВт) и реактивной (Q, квар) нагрузки. Они отражают неравномерность потребления в течение дня.
2. Построение суммарных графиков. Путем суммирования одноименных ординат графиков отдельных потребителей строятся итоговые суточные графики P(t) и Q(t) для всей подстанции.
3. Определение расчетной мощности. Максимальные значения на суммарных графиках (P_max и Q_max) и являются искомыми расчетными нагрузками. На их основе определяется полная расчетная мощность S_max.

S_расч = √(P²_max + Q²_max)

Все шаги расчета необходимо сопровождать формулами, промежуточными результатами в таблицах и итоговыми графиками. Именно эти вычисленные значения P_max, Q_max и S_расч станут основой для выбора числа и мощности силовых трансформаторов в Разделе 4.

Раздел 3. Обоснование и выбор главной схемы электрических соединений

Главная схема соединений — это «скелет» подстанции, определяющий ее надежность, гибкость и экономичность. Выбор схемы является нетривиальной задачей и требует проведения технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Нельзя просто взять первую попавшуюся схему — нужно доказать, что выбранное решение является оптимальным для заданных условий.

Сначала проводится краткий обзор типовых схем, применимых для данного класса напряжений (например, для 110 кВ). В качестве кандидатов могут рассматриваться:

• Схема с одной секционированной системой шин.
• Схема «мостик» (с выключателями в перемычке или с ремонтной перемычкой).
• Схема «четырехугольник».

Затем эти варианты сравниваются по ключевым критериям: надежность (сохранение питания потребителей при отказах), стоимость (зависит от количества выключателей), гибкость эксплуатации и ремонтопригодность. Результаты сравнения удобно свести в таблицу, выставив балльные оценки или приведя качественные аргументы.

На основе этого анализа делается аргументированный выбор в пользу одной схемы. Например: «На основании проведенного сравнения, для РУ 110 кВ принимается схема «мостик с выключателями в перемычке», так как она обеспечивает достаточную надежность для питания потребителей I и II категории при умеренных капитальных затратах».

В завершение раздела приводится графическое изображение выбранной схемы и дается подробное описание ее работы в различных режимах: нормальном, ремонтном (например, при выводе в ремонт одного из выключателей) и аварийном.

Раздел 4. Методика выбора и проверки силовых трансформаторов

Силовой трансформатор — сердце любой подстанции. Его выбор — один из самых ответственных этапов проектирования. Процесс выбора и проверки выполняется в строгой последовательности.

1. Определение количества трансформаторов. Этот параметр напрямую зависит от категории надежности потребителей. Для питания потребителей I и II категории необходимо устанавливать не менее двух трансформаторов, чтобы обеспечить резервирование на случай отказа или ремонта одного из них.

2. Выбор номинальной мощности. Мощность трансформатора (S_ном.тр) выбирается на основе расчетных нагрузок (S_расч), определенных в Разделе 2. При установке двух трансформаторов их мощность выбирается с учетом допустимой аварийной перегрузки. В нормальном режиме каждый из двух трансформаторов загружен примерно на 50%, а в послеаварийном (когда один отключен) второй берет на себя всю нагрузку и работает с перегрузкой, допустимой по ГОСТ.

S_ном.тр ≥ S_расч / (2 * k_перегр)

где k_перегр — коэффициент допустимой аварийной перегрузки (обычно 1.4).

3. Выбор типа и параметров трансформатора. На основе требуемой мощности и классов напряжения (110/35/10 кВ) по каталогам выбирается конкретный тип трансформатора, например, ТДТН-40000/110. Обосновывается выбор группы соединения обмоток и способа регулирования напряжения (РПН).

4. Проверка трансформатора. Выбранный трансформатор обязательно проверяется на допустимость систематических (в нормальном режиме) и аварийных (в послеаварийном режиме) перегрузок по построенным суточным графикам нагрузок. Цель проверки — доказать, что трансформатор не будет перегреваться сверх допустимых норм и его срок службы не сократится.

Полные паспортные данные выбранных трансформаторов сводятся в итоговую таблицу.

Раздел 5. Расчет токов короткого замыкания для проверки оборудования

Короткое замыкание (КЗ) — самый опасный аварийный режим в электроустановке. Расчет токов КЗ необходим для двух ключевых целей: проверки оборудования на термическую и электродинамическую стойкость и для последующего выбора и настройки релейной защиты. Расчет выполняется в соответствии с ГОСТ 28249-93.

Процедура расчета включает следующие шаги:

1. Составление схемы замещения. Вся энергосистема (источник питания, линии, трансформаторы) представляется в виде однолинейной схемы замещения, где каждый элемент заменен его индуктивным сопротивлением. Составляются схемы для прямой, обратной и нулевой последовательностей.
2. Расчет сопротивлений. Вычисляются сопротивления всех элементов схемы, приведенные к одной базисной ступени напряжения.
3. Расчет токов КЗ. Расчет выполняется для нескольких характерных точек подстанции (например, на шинах 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ) и для разных видов КЗ (трехфазное, двухфазное и т.д.). Наибольший интерес представляет максимальный ток при трехфазном КЗ, так как он является расчетным для проверки оборудования.
4. Определение ударного тока и теплового импульса. На основе периодической составляющей тока КЗ определяются два важнейших параметра:
   • Ударный ток (i_уд) — максимальное мгновенное значение тока КЗ, которое определяет электродинамические усилия, воздействующие на оборудование.
   • Тепловой импульс (B_к) — интегральная характеристика, определяющая количество теплоты, выделяющейся в оборудовании за время КЗ, и используемая для проверки на термическую стойкость.

Все результаты расчетов необходимо свести в итоговую таблицу, которая будет использоваться как справочный материал в следующих разделах.

Раздел 6. Выбор и проверка высоковольтного оборудования

Имея на руках данные по номинальным режимам (Раздел 2) и аварийным токам (Раздел 5), можно приступать к подбору и проверке всей высоковольтной аппаратуры. Выбор производится последовательно для каждого класса напряжения (110 кВ, 35 кВ, 10 кВ).

Для каждой ячейки главной схемы выбирается полный набор оборудования:

• Выключатели. Это ключевые коммутационные аппараты. Их выбор — самый ответственный. Современные проекты, как правило, предполагают использование элегазовых или вакуумных выключателей вместо устаревших масляных.
• Разъединители. Используются для создания видимого разрыва цепи.
• Трансформаторы тока (ТТ). Необходимы для питания цепей измерения и релейной защиты.
• Трансформаторы напряжения (ТН). Питают цепи измерения напряжения, защиты и автоматики.
• Ограничители перенапряжения (ОПН). Защищают изоляцию оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Для каждого аппарата сначала выполняется выбор по номинальным параметрам (номинальное напряжение, номинальный ток). Затем следует обязательная проверка по условиям короткого замыкания:

1. Проверка выключателя по отключающей способности. Номинальный ток отключения КЗ выключателя должен быть больше расчетного тока КЗ в точке его установки.
2. Проверка на электродинамическую стойкость. Все аппараты (выключатели, разъединители, ТТ) проверяются на способность выдерживать ударный ток КЗ (i_дин ≥ i_уд).
3. Проверка на термическую стойкость. Оборудование проверяется на способность выдерживать тепловой импульс тока КЗ (B_терм ≥ B_к).
4. Проверка трансформаторов тока на точность. Проверяется, что погрешность ТТ в аварийном режиме не превысит допустимого значения (обычно 10%), чтобы обеспечить правильную работу релейной защиты.

Технические характеристики каждого выбранного аппарата представляются в проекте.

Раздел 7. Проектирование систем релейной защиты и автоматики

Если высоковольтное оборудование — это «мышцы» подстанции, то релейная защита и автоматика (РЗА) — ее «нервная система и мозг». Задача РЗА — автоматически выявлять и отключать поврежденные элементы энергосистемы, минимизируя последствия аварий.

Проектирование РЗА для силового трансформатора включает выбор комплекса защит. Как правило, он состоит из:

• Основных защит, действующих без выдержки времени и только при повреждениях в самом трансформаторе. К ним относятся дифференциальная защита (реагирует на разность токов на выводах) и газовая защита (реагирует на выделение газа при внутренних повреждениях).
• Резервных защит, предназначенных для дальнего резервирования и действия при отказах основных защит. Это, например, максимальная токовая защита (МТЗ) с выдержкой времени.

После выбора принципиального состава защит выполняется расчет уставок — ключевых параметров срабатывания (ток, напряжение, время). Расчет должен обеспечить выполнение четырех основных требований к РЗА: селективности, быстродействия, чувствительности и надежности. Например, уставки МТЗ должны быть согласованы с защитами отходящих линий, чтобы при КЗ на линии сначала сработала ее защита, а не защита трансформатора.

В современных проектах РЗА реализуется на базе микропроцессорных терминалов, которые заменяют собой десятки старых электромеханических реле. В работе необходимо обосновать выбор конкретных типов терминалов.

Также описывается состав и принцип действия противоаварийной автоматики, такой как АПВ (автоматическое повторное включение) для линий и АВР (автоматическое включение резерва) для шин.

Раздел 8. Расчет и организация собственных нужд подстанции

Для работы основного оборудования, систем управления, защиты, освещения и отопления самой подстанции требуется электроэнергия. Система, обеспечивающая это питание, называется системой собственных нужд (СН). Ее надежность критически важна, так как отказ СН может привести к полной потере контроля над подстанцией.

Проектирование начинается с составления перечня всех потребителей СН, который включает:

• Оперативные цепи РЗА и автоматики.
• Электродвигатели приводов выключателей и разъединителей.
• Системы охлаждения трансформаторов.
• Освещение (рабочее, аварийное, ремонтное).
• Отопление и вентиляция помещений ОПУ, ЗРУ.

Далее рассчитывается их суммарная мощность для нормального и послеаварийного режимов. На основе этих расчетов выбираются трансформаторы собственных нужд (ТСН), обычно два, и проверяются по мощности.

Ключевой шаг — обоснование выбора рода оперативного тока. Это ток, питающий самые ответственные цепи: защиты, управления, аварийной сигнализации. На подстанциях такого класса напряжения, как правило, используется постоянный оперативный ток, так как он не зависит от состояния основной сети (например, при близком КЗ напряжение переменного тока может «просесть» до нуля). При выборе постоянного тока выполняется расчет и выбор аккумуляторной батареи (АБ), которая должна обеспечивать питание потребителей в течение заданного времени при полном погашении подстанции.

В конце раздела приводится и описывается принципиальная схема питания собственных нужд, включая щиты переменного и постоянного тока.

Раздел 9. Расчет заземляющего устройства и молниезащиты

Этот раздел посвящен обеспечению двух фундаментальных аспектов безопасности: защиты персонала от поражения электрическим током и защиты оборудования от прямых ударов молнии.

Расчет заземляющего устройства (ЗУ)

Задача ЗУ — обеспечить безопасные значения напряжений прикосновения и шага при замыканиях на землю. Расчет выполняется согласно требованиям ПУЭ (Правила устройства электроустановок).

1. Определяется требуемое сопротивление ЗУ, которое зависит от напряжения сети и токов замыкания на землю.
2. На основе данных о геологии площадки определяетс�� расчетное удельное сопротивление грунта.
3. Разрабатывается конструкция заземлителя. Обычно это сложный контур из горизонтальных полос по периметру подстанции, соединенный с вертикальными стержневыми электродами, забитыми в грунт.
4. Выполняется проверочный расчет, который должен доказать, что спроектированное ЗУ обеспечивает сопротивление не выше требуемого, а напряжение прикосновения и шаговое напряжение не превышают допустимых значений.

Расчет молниезащиты

Все оборудование на открытой части подстанции (ОРУ) должно быть защищено от прямых ударов молнии. Для этого используются стержневые и/или тросовые молниеотводы.

Задача расчета — определить высоту и расположение молниеотводов таким образом, чтобы вся защищаемая территория и оборудование находились внутри их зоны защиты. Выполняются графические построения этих зон, чтобы наглядно продемонстрировать, что ни один элемент оборудования не остается незащищенным. Проверяется надежность защиты (обычно не ниже 0.99).

Раздел 10. Технико-экономическое обоснование и вопросы безопасности

Техническая часть проекта завершена, но для полноценной дипломной работы необходимо доказать, что предложенное решение является не только работоспособным, но и экономически целесообразным и безопасным.

Экономическая часть

Этот подраздел отвечает на вопрос «Сколько это стоит?». Здесь составляется укрупненная смета капитальных затрат. В нее входят:

• Стоимость всего основного оборудования (трансформаторы, выключатели и т.д.).
• Затраты на строительно-монтажные и пусконаладочные работы.
• Прочие расходы (проектирование, логистика).

Также рассчитываются годовые эксплуатационные издержки, включающие амортизацию, расходы на ремонт и обслуживание, зарплату персонала. Если требуется заданием, могут быть рассчитаны и показатели экономической эффективности проекта, такие как срок окупаемости.

Охрана труда и экологическая безопасность

Здесь прорабатываются мероприятия по обеспечению безопасности персонала при дальнейшей эксплуатации подстанции. Это включает описание защитных средств, инструкций по технике безопасности, организации ремонтных работ.

В части экологии оценивается воздействие объекта на окружающую среду. Для трансформаторной подстанции основными факторами являются: возможное загрязнение почвы маслом (в случае его утечки), электромагнитное поле и шумовое воздействие от трансформаторов. Разрабатываются меры по минимизации этих воздействий (например, использование маслосборников, установка шумозащитных экранов).

Заключение, где мы подводим итоги и формулируем выводы

Заключение — это краткое резюме всей проделанной работы, где без лишних деталей формулируются главные результаты и выводы. Структура заключения должна логически завершать проект.

Прежде всего, констатируется, что цель дипломной работы — разработка проекта ТП 110/35/10 кВ — полностью достигнута. Далее тезисно перечисляются основные результаты, полученные в ходе проектирования:

В результате проделанной работы были решены следующие задачи: проанализированы исходные данные, выполнен расчет электрических нагрузок, на основе технико-экономического сравнения выбрана главная схема электрических соединений, подобрано и проверено основное силовое и высоковольтное оборудование, рассчитаны токи короткого замыкания, разработаны и рассчитаны системы релейной защиты и автоматики, а также спроектированы вспомогательные системы собственных нужд, заземления и молниезащиты.

Подчеркиваются ключевые технические решения, принятые в проекте (например, применение элегазовых выключателей и микропроцессорных защит). В финале делается общий вывод о том, что спроектированная трансформаторная подстанция полностью соответствует действующим нормативным документам и удовлетворяет требованиям надежности, безопасности и экономичности.

На этом пояснительная записка, как основная часть работы, считается завершенной. К ней прилагаются библиографический список, приложения с расчетами и графическая часть с чертежами.

Список использованной литературы

1. Производство электроэнергии, методические указания по курсовому проектированию. Сарапулов Г.А. НГТУ. — 2005
2. Пособие к курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей вузов/ Под ред. В.М. Блок. М.: Высшая школа, 1990. 388 с.
3. Куликов В.Д..Электрические станции и подстанции систем электроснабжения. Методические указания по курсовому проектированию.-Саратов:СГТУ,2004.-35с.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) -Спб.: Изд-во ДЕАН, 2002, -928 с.
5. Оценка эффективности инвестиций в энергетике// Методические указания по курсовому и дипломному проектирования для студентов специальности 100400/ Н.В. Гусева, В.Д. Куликов – Саратов, изд-во СГТУ, 2003.
6. Расчёт токов симметричных и несимметричных коротких замыканий.Методические указания к курсовой работе/Сост.Серебряков В.Н., Жучков Г.П.Саратов:СГТУ,1998.-27с.
7. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П.. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб.пособие для вузов. -М.:Энергоатомиздат,1989. — 608 с.
8. Рожкова Л.Д., Козулин В.С.. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. -М.:Энергоатомиздат,1987. -648 с.
9. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения.- М.: Высшая школа, 1991. — 495 с.