Проектирование подстанции 110/35/10кВ как дипломная работа – пошаговый пример со схемами и расчетами

Проектирование районных понизительных подстанций (ПС) — одна из фундаментальных задач в современной энергетике. Именно эти узлы энергосистемы обеспечивают надежное электроснабжение городов, промышленных предприятий и аграрных комплексов. Особую актуальность этой задаче придает тот факт, что значительная часть существующей инфраструктуры была построена еще в 1960-х годах и сегодня требует глубокой модернизации или полной замены. Таким образом, дипломная работа по проектированию новой подстанции 110/35/10 кВ — это не просто учебное упражнение, а решение реальной и востребованной инженерной проблемы.

В этой статье мы представим пошаговую дорожную карту, которая проведет вас через все ключевые этапы дипломного проектирования. Мы рассмотрим процесс от сбора исходных данных и принятия стратегических решений до выполнения сложнейших расчетов и оформления финальной документации. Наша цель — дать вам структурированную основу, которая поможет уверенно справиться с проектом, например, по замене устаревшей ПС и обеспечению питания потребителей различных категорий надежности, включая промышленные и сельскохозяйственные предприятия.

Шаг 1. Как выбрать главную схему электрических соединений

Выбор главной схемы электрических соединений — это первое и, возможно, самое важное решение в проекте подстанции. Эта схема представляет собой «скелет» всей системы, определяя ее надежность, гибкость и итоговую стоимость. Это всегда поиск компромисса между несколькими ключевыми факторами: максимальной надежностью электроснабжения, экономической целесообразностью, безопасностью обслуживания и простотой эксплуатации.

Для стороны высокого напряжения 110 кВ часто применяются типовые схемы, например, схема «мостик» или более надежная и гибкая схема с двумя блоками «линия-трансформатор» с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линий. Выбор конкретного варианта зависит от требований к надежности питания потребителей. Поскольку в нашем проекте присутствуют потребители первой категории надежности (машиностроительное предприятие), система должна гарантировать их бесперебойное питание даже в ремонтных и аварийных режимах.

Алгоритм выбора главной схемы можно представить в виде следующих шагов:

1. Анализ требований к надежности. Определяем, какие категории потребителей (I, II, III) будут подключены к подстанции. Для потребителей I категории необходимо обеспечить питание от двух независимых источников, что напрямую влияет на структуру схемы.
2. Оценка стоимости и сложности. Более сложные схемы с большим количеством выключателей (например, четырехугольник или схема с двумя рабочими и обходной системами шин) обеспечивают большую гибкость, но и значительно дороже. Схема «мостик», в свою очередь, экономичнее, но имеет эксплуатационные ограничения.
3. Анализ режимов работы. Необходимо проанализировать, как схема будет функционировать в нормальном режиме, при плановом ремонте одного из элементов (например, трансформатора или выключателя) и в случае аварийного отключения.

Правильно выбранная главная схема закладывает фундамент для всех последующих этапов проектирования, обеспечивая баланс между надежностью и затратами.

Шаг 2. Расчет и подбор силовых трансформаторов, которые станут сердцем подстанции

Силовые трансформаторы — это сердце любой подстанции, и их правильный выбор определяет ее пропускную способность и эффективность. Этот процесс состоит не просто в выборе модели из каталога, а в строгом расчетном обосновании, которое гарантирует надежную работу объекта на десятилетия вперед. Весь процесс можно разбить на несколько логических этапов.

Во-первых, определяется требуемая мощность. Для этого суммируются заявленные нагрузки всех потребителей (промышленных, сельскохозяйственных, бытовых) с учетом коэффициентов спроса и одновременности их работы. Это позволяет получить расчетную пиковую нагрузку, на которую и будет ориентироваться подстанция.

Во-вторых, выбирается число трансформаторов. Для районной подстанции, питающей потребителей I категории, установка одного трансформатора недопустима. Стандартом является установка как минимум двух трансформаторов. Это обеспечивает резервирование: в случае аварии или планового вывода в ремонт одного из них, второй должен принять на себя всю нагрузку, обеспечив бесперебойное питание ответственных потребителей.

Наконец, на основе рассчитанной мощности и выбранного количества производится выбор конкретной модели. Для районных подстанций 110/35/10 кВ часто используются трехобмоточные трансформаторы типа ТДТН (трехфазный, с дутьем и естественной циркуляцией масла, с регулированием напряжения под нагрузкой). Например, могут быть выбраны трансформаторы мощностью 63 МВА. Ключевым моментом на этом этапе является проверка выбранного трансформатора по допустимой систематической перегрузке в послеаварийном режиме. Согласно нормативным документам, трансформатор должен быть способен нести нагрузку выше номинальной в течение определенного времени, что гарантирует стабильность энергосистемы в самой критической ситуации.

Шаг 3. Подбор высоковольтного оборудования, которое обеспечит управление и защиту

После выбора силовых трансформаторов необходимо подобрать коммутационное и измерительное оборудование, которое будет управлять потоками мощности и защищать дорогостоящие элементы подстанции. Этот подбор выполняется для всех классов напряжения: 110, 35 и 10 кВ, причем все оборудование должно соответствовать требованиям ПУЭ и ГОСТов.

1. Высоковольтные выключатели. Это ключевые аппараты, предназначенные для включения и, что важнее, отключения номинальных токов и токов короткого замыкания. Сегодня в проектах используются современные типы выключателей:
   • Элегазовые (SF6) — отличаются высокой надежностью и отключающей способностью, часто применяются на напряжении 110 кВ и выше.
   • Вакуумные — получили широкое распространение в сетях 10-35 кВ благодаря своей долговечности и минимальным требованиям к обслуживанию.
   • Масляные — устаревший тип, который в новых проектах практически не используется.

   Выбор осуществляется по номинальному напряжению, номинальному току и, главное, по отключающей способности, которая должна быть выше расчетного тока короткого замыкания в точке установки.

2. Разъединители. Эти аппараты не предназначены для отключения токов нагрузки. Их задача — создать видимый разрыв электрической цепи после отключения выключателя, что необходимо для безопасного проведения ремонтных работ. Разъединители всегда выбираются в паре с выключателями.
3. Измерительные трансформаторы. Они выполняют две важнейшие функции: питают цепи коммерческого учета электроэнергии и подают сигналы на устройства релейной защиты и автоматики.
   • Трансформаторы тока (ТТ) (например, серии ТВТ-110, ТОЛ-35) понижают ток в силовой цепи до безопасных значений для измерительных приборов и реле. Их выбирают по номинальному току и классу точности.
   • Трансформаторы напряжения (ТН) (например, серии НАМИ-10/35) понижают напряжение до стандартных 100 В для тех же целей.

Важнейшим условием является то, что все выбранное оборудование — от выключателей до шинных конструкций — в обязательном порядке проверяется на соответствие параметрам короткого замыкания.

Шаг 4. Расчет токов короткого замыкания для проверки системы на прочность

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) — это кульминационный и один из самых сложных разделов дипломного проекта. Его цель — проверить, выдержит ли выбранное оборудование самые жесткие аварийные режимы. Этот процесс можно сравнить с детективным расследованием, где шаг за шагом определяются параметры будущей аварии, чтобы предотвратить ее катастрофические последствия.

Процедура расчета выглядит следующим образом:

1. Составление схемы замещения. Реальная и сложная главная электрическая схема преобразуется в упрощенную расчетную модель. В ней все элементы энергосистемы (генераторы, линии электропередачи, трансформаторы) представляются в виде эквивалентных сопротивлений.
2. Расчет параметров схемы замещения. На этом этапе определяются индуктивные и активные сопротивления для каждого элемента схемы. Мощность энергосистемы в точке подключения, паспортные данные трансформаторов и длина линий — все это переводится на язык цифр, которые лягут в основу расчетов.
3. Расчет токов КЗ в ключевых точках. Рассчитываются несколько критических параметров тока для разных точек подстанции (как правило, на шинах 110, 35 и 10 кВ). Главными из них являются:
   • Ударный ток КЗ — максимальное мгновенное значение тока в начальный момент аварии. По нему проверяется электродинамическая стойкость оборудования, то есть его способность выдержать огромные механические усилия.
   • Периодическая составляющая тока КЗ — установившееся значение тока, по которому проверяется термическая стойкость оборудования (способность выдерживать нагрев) и выбираются уставки релейной защиты.
4. Проверка оборудования. Полученные в ходе расчетов значения токов сравниваются с паспортными данными ранее выбранных выключателей, разъединителей и трансформаторов тока. Также на основании этих расчетов определяется сечение ошиновки (проводов и шин), которое должно выдерживать токи КЗ без разрушения и недопустимого перегрева.

Только после того, как расчеты докажут, что все оборудование выбрано с необходимым запасом прочности, можно считать этот этап успешно завершенным.

Шаг 5. Проектирование вспомогательных систем: от релейной защиты до заземления

Современная подстанция — это не просто набор трансформаторов и выключателей, а сложный комплекс взаимосвязанных систем, обеспечивающих ее надежность, безопасность и автоматическую работу. После выбора основного силового оборудования наступает черед проектирования этих жизненно важных вспомогательных систем.

Продуманность вспомогательных систем определяет реальную надежность и безопасность подстанции в повседневной эксплуатации.

• Релейная защита и автоматика (РЗА). Это «мозг» подстанции. Комплекс устройств РЗА непрерывно контролирует режим работы оборудования и в случае возникновения ненормальных режимов или коротких замыканий автоматически отключает поврежденный участок. Для силового трансформатора предусматривается несколько видов защит, включая дифференциальную (реагирующую на КЗ внутри бака трансформатора) и газовую (срабатывающую при внутреннем повреждении, сопровождающемся выделением газа). Для отходящих линий также проектируются свои комплекты защит.
• Заземляющее устройство (ЗУ). Его главная задача — обеспечить электробезопасность персонала и правильную работу электроустановок. Проект ЗУ включает в себя расчет сложного контура заземления, состоящего из горизонтальных и вертикальных заземлителей, которые закапываются в землю по периметру подстанции.
• Молниезащита. Для защиты подстанции от прямых ударов молнии, которые могут вызвать серьезные повреждения, проектируется система молниезащиты. Как правило, она состоит из высоких стержневых молниеотводов или тросовой защиты, натянутой над открытым распределительным устройством.
• Электроснабжение собственных нужд (СН). Все системы подстанции — приводы выключателей, цепи РЗА, освещение, отопление — требуют электроэнергии для своей работы. Для этого на подстанции устанавливаются один или два трансформатора собственных нужд (ТСН) меньшей мощности, которые питаются от шин 10 кВ и обеспечивают работу всей внутренней инфраструктуры.

Каждая из этих систем требует отдельного расчета и обоснования в дипломной работе, демонстрируя комплексный подход к проектированию.

Шаг 6. Финальные штрихи: как выполнить экономическое обоснование и оформить пояснительную записку

Инженерная часть проекта завершена, оборудование выбрано и проверено. Теперь осталось два важных шага: доказать экономическую целесообразность принятых решений и грамотно оформить все результаты в главный документ — пояснительную записку (ПЗ).

Экономическое обоснование — это раздел, который переводит технические решения на язык денег. Его структура обычно включает:

• Расчет капитальных вложений: суммирование стоимости всего основного и вспомогательного оборудования, а также затрат на строительно-монтажные работы.
• Расчет годовых издержек: сюда входят амортизационные отчисления, затраты на плановые ремонты и обслуживание персонала.
• Расчет потерь электроэнергии в силовых трансформаторах, что является важной частью эксплуатационных расходов.

Этот раздел доказывает, что выбранный вариант проекта является не только технически грамотным, но и финансово оправданным.

Охрана труда и экология — обязательные разделы, где описываются меры по обеспечению безопасности персонала при эксплуатации подстанции и анализируется воздействие объекта на окружающую среду (например, уровень шума от трансформаторов и электромагнитные поля).

Наконец, все расчеты, чертежи и обоснования собираются в пояснительную записку. Ее структура логично повторяет этапы проектирования, которые мы рассмотрели в этой статье:

1. Введение (исходные данные, актуальность).
2. Выбор главной схемы электрических соединений.
3. Расчет электрических нагрузок и выбор силовых трансформаторов.
4. Выбор и проверка высоковольтного оборудования.
5. Расчет токов короткого замыкания.
6. Проектирование релейной защиты, автоматики и вспомогательных систем.
7. Раздел по охране труда.
8. Экономическое обоснование проекта.
9. Список использованной литературы.

Неотъемлемой частью дипломной работы является и графическая часть: чертежи главной схемы, планов расположения оборудования и схем РЗА. Грамотное оформление всех этих материалов — залог успешной защиты.