Как написать курсовую по электрической части подстанций — пошаговое руководство и образец

Курсовой проект по электрической части подстанций — это не просто академическое упражнение, а полноценная симуляция инженерной работы, в ходе которой закладываются основы профессионального мышления. Это комплексная задача, где точные расчеты неотделимы от обоснованных проектных решений. Ваша работа будет состоять из двух ключевых частей: детальной расчетно-пояснительной записки, объемом от 25 до 45 страниц, и графической части, как правило, выполняемой на листах формата А1. В заданиях часто фигурируют подстанции с классами напряжения 110/35/10 кВ или даже 500/220/10 кВ. Успех всего предприятия зависит от строгого следования логике проектирования и ясного понимания, как каждый этап влияет на все последующие. Теперь, когда мы понимаем общую структуру и цель работы, необходимо сделать первый и самый важный шаг — тщательно проанализировать задание, полученное от преподавателя.

Как правильно проанализировать исходные данные для курсовой работы

Исходные данные — это фундамент, на котором будет стоять весь ваш проект. Ошибка или неверная трактовка на этом этапе гарантированно приведет к необходимости переделывать значительную часть работы. Поэтому к анализу задания нужно подойти с максимальной ответственностью. Обычно задание включает следующие ключевые параметры:

• Требуемые уровни напряжения: Это базовые характеристики подстанции. Например, Vc — напряжение со стороны питающей системы, Vcн — среднее напряжение и Vнн — низшее напряжение.
• Мощности нагрузок: Указываются для каждой ступени напряжения. Например, могут быть заданы потребители, подключенные к шинам 220 кВ (две воздушные линии по 80/41 МВт), 110 кВ (две линии по 40/32 МВт) и 10 кВ (пять кабельных линий по 2,1/1,8 МВт).
• Характеристики питающих линий и системы: Указывается, как подстанция получает энергию. Это может быть питание от энергосистемы, например, по двухцепной линии, или же подстанция может быть узловой распределительной (УРП).
• Требования к надежности: Категория потребителей определяет, сколько трансформаторов нужно установить и какие схемы распределительных устройств использовать.

Настоятельно рекомендуется систематизировать все эти данные в единую таблицу в самом начале пояснительной записки. Это не только упорядочит информацию для вас, но и продемонстрирует руководителю ваш системный подход. Если какие-либо параметры в задании отсутствуют или кажутся вам неполными, крайне важно уточнить их у преподавателя на самом раннем этапе. Неясность в исходных данных — это не повод для догадок, а сигнал к немедленной коммуникации.

Расчет электрических нагрузок и построение графиков, которые станут основой проекта

После систематизации исходных данных начинается первый крупный расчетный раздел — определение суммарных нагрузок подстанции. Этот этап является одним из самых важных, поскольку его результаты напрямую влияют на выбор основного и самого дорогого оборудования — силовых трансформаторов. Процесс можно разбить на несколько шагов.

Шаг 1: Расчет нагрузок по группам потребителей. Сначала для каждой группы потребителей (например, для пяти отходящих кабельных линий 10 кВ) рассчитывается суммарная активная (P) и реактивная (Q) мощность. Эти расчеты производятся для характерных режимов — максимальной и минимальной нагрузки.

Шаг 2: Сведение нагрузок к шинам подстанции. Далее, с учетом потерь, все нагрузки «поднимаются» к шинам соответствующего напряжения (10 кВ, 35 кВ и т.д.), а затем и к выводам высшего напряжения (ВН) подстанции.

Шаг 3: Построение суточных графиков. На основе расчетных данных строятся суточные графики активной и реактивной нагрузки. Обязательно строятся два графика: для самого загруженного зимнего дня и для характерного летнего дня. Эти графики наглядно показывают, как меняется потребление энергии в течение суток.

Шаг 4: Построение годового графика по продолжительности. Финальным этапом является построение годового графика нагрузок по продолжительности. Он показывает, сколько часов в году подстанция работает с той или иной нагрузкой. Этот график — ключевой инструмент для проверки выбранных трансформаторов на перегрузочную способность. Важно понимать, что все эти расчеты и графики — не формальность, а основа для принятия последующих инженерных решений.

Выбор силовых трансформаторов, ключевого элемента подстанции

Выбор «сердца» подстанции — силовых трансформаторов или автотрансформаторов — это ответственный процесс, который базируется непосредственно на результатах расчета нагрузок и требованиях к надежности. Это всегда поиск оптимального баланса между достаточной мощностью, экономической целесообразностью и обеспечением бесперебойного питания потребителей.

Алгоритм выбора выглядит следующим образом:

1. Определение необходимого количества трансформаторов. Этот параметр напрямую зависит от категории надежности потребителей, указанной в задании. Для потребителей I и II категории необходимо устанавливать не менее двух трансформаторов, чтобы обеспечить резервирование на случай аварии или ремонта одного из них.
2. Определение номинальной мощности трансформатора. Используя ранее рассчитанные графики нагрузок, определяется требуемая номинальная мощность (Sном) каждого трансформатора. Она должна быть достаточной для питания всей нагрузки в нормальном режиме и при этом не быть избыточной, чтобы избежать лишних капитальных затрат.
3. Выбор конкретной марки оборудования. На основе требуемой мощности и классов напряжения из справочников или каталогов заводов-изготовителей выбирается конкретная марка. Например, для мощной узловой подстанции это может быть автотрансформатор АТДЦТН-500000/500/220-У1, а для районной понижающей подстанции — трансформатор ТМН-10000/35/10.
4. Проверка по допустимой перегрузке. Это предварительная проверка, которая более детально будет рассмотрена в следующем разделе. На этом этапе нужно убедиться, что выбранный трансформатор в принципе способен выдерживать пиковые нагрузки.

Таким образом, выбор трансформатора — это не просто поиск подходящей цифры в каталоге, а многофакторный анализ, который закладывает основу надежности всей подстанции.

Проверка перегрузочной способности трансформаторов как гарантия надежности

Выбрать трансформатор по номинальной мощности недостаточно. Необходимо доказать, что он сможет надежно работать в самых тяжелых условиях, а именно — в режимах систематических и аварийных перегрузок. Эта проверка является обязательной частью курсового проекта и демонстрирует глубину вашего понимания режимов работы оборудования.

В первую очередь, следует различать два ключевых режима:

• Нормальный режим: Работают все установленные трансформаторы, и нагрузка распределяется между ними.
• Послеаварийный режим (ПАР): Один из трансформаторов отключен (из-за неисправности или для ремонта), и вся нагрузка ложится на оставшиеся в работе. Это самый тяжелый режим.

Методика проверки заключается в расчете коэффициентов загрузки (Кз) для обоих режимов на основе суточных графиков нагрузки. Особое внимание уделяется послеаварийному режиму. Вы должны рассчитать, какую максимальную перегрузку будет испытывать трансформатор и как долго она будет длиться. Затем эти расчетные значения сравниваются с допустимыми перегрузками, которые регламентируются ГОСТами и указываются в каталогах для конкретного типа трансформатора. Только если расчетная перегрузка не превышает допустимую, можно сделать вывод о том, что выбор трансформатора был сделан корректно и надежность электроснабжения обеспечена.

Выбор принципиальных схем распределительных устройств всех уровней напряжения

Когда трансформаторы выбраны, необходимо спроектировать «дорожную сеть» подстанции — принципиальные схемы распределительных устройств (РУ) для каждого класса напряжения (например, ОРУ-35кВ, ЗРУ-10кВ). Выбор схемы — это компромиссное решение, которое определяет три ключевых параметра будущей подстанции: надежность, гибкость в эксплуатации и капитальные затраты.

Существует множество типовых схем, и для курсового проекта обычно рассматривают наиболее распространенные:

• Одиночная секционированная система шин: Относительно простая и дешевая схема, надежность которой повышается за счет секционного выключателя. Часто применяется на напряжениях 6-35 кВ.
• Две рабочие системы шин: Более сложная и дорогая схема, но обладающая высокой надежностью и гибкостью. Она позволяет без перерыва в питании потребителей проводить ремонт любого элемента РУ. Часто используется для РУ 110 кВ и выше.
• Схемы мостиков или многоугольников: Специализированные схемы, применяемые при небольшом количестве присоединений для экономии выключателей.

Процесс выбора должен быть аргументированным. Для каждого уровня напряжения (например, 35 кВ и 10 кВ) необходимо проанализировать и сравнить 2-3 подходящих варианта. Выбор итоговой схемы для каждого РУ должен быть четко обоснован с опорой на требования к надежности, количество отходящих линий и соображения экономической целесообразности, используя нормативные указания и учебную литературу.

Расчет токов короткого замыкания для проверки оборудования

Один из самых ответственных и трудоемких разделов курсового проекта — расчет токов короткого замыкания (КЗ). Короткое замыкание — это крайне опасный аварийный режим, при котором токи в сети могут превышать номинальные значения в десятки раз. Весь смысл этого расчета — определить максимальные значения этих токов, чтобы в дальнейшем выбрать оборудование, способное их выдержать без разрушения.

Расчет является обязательным и выполняется по следующей методике:

1. Составление схемы замещения. Вся сложная электрическая схема подстанции и прилегающей сети представляется в упрощенном виде — в виде схемы замещения, состоящей из сопротивлений и ЭДС. Рассчитываются индуктивные сопротивления всех элементов: энергосистемы, трансформаторов, воздушных и кабельных линий.
2. Определение расчетных точек. На схеме выбираются несколько ключевых точек, в которых возникновение КЗ наиболее вероятно и опасно. Как правило, это шины распределительных устройств каждого класса напряжения.
3. Расчет параметров трехфазного КЗ. Для каждой расчетной точки вычисляются ключевые параметры тока КЗ:
   • Ударный ток (i_у): Максимальное мгновенное значение тока, определяющее требования к электродинамической стойкости аппаратов.
   • Периодическая составляющая тока КЗ: Действующее значение тока, по которому проверяется отключающая способность выключателей.
   • Тепловой импульс КЗ: Величина, определяющая требования к термической стойкости оборудования.

Результаты этих расчетов являются фундаментальными, так как на их основе будет производиться выбор и проверка практически всей высоковольтной аппаратуры в следующем разделе.

Как грамотно выбрать и проверить высоковольтную аппаратуру

Имея на руках расчеты номинальных рабочих токов и максимальных токов короткого замыкания, мы можем приступить к «наполнению» наших принципиальных схем конкретными аппаратами. Для каждого элемента — будь то выключатель, разъединитель или измерительный трансформатор — существует четкий алгоритм выбора и проверки.

Выбор оборудования — это процесс, где каждый аппарат проверяется на способность работать как в нормальном, так и в самом тяжелом аварийном режиме.

Рассмотрим на примере основных типов аппаратуры:

• Выключатели (например, элегазовый ВГУ-500): Сначала выбираются по номинальному напряжению и току. Затем следует самая важная проверка — по отключающей способности (она должна быть больше расчетного периодического тока КЗ) и по электродинамической и термической стойкости к токам КЗ.
• Разъединители: Также выбираются по номинальным параметрам, а затем проверяются на электродинамическую и термическую стойкость. В отличие от выключателей, они не предназначены для отключения токов КЗ.
• Трансформаторы тока (например, ТФЗМ-500Б): Выбираются по номинальному напряжению и первичному току. Ключевая проверка — на термическую стойкость и вторичную нагрузку, чтобы обеспечить правильную работу устройств релейной защиты.
• Трансформаторы напряжения (например, ЗНОГ-500): Выбираются по номинальному напряжению, классу точности и схеме включения обмоток.

Для каждого выбранного аппарата в пояснительной записке необходимо привести краткое обоснование выбора и все проверочные расчеты, подтверждающие его пригодность для установки на проектируемой подстанции.

Проектирование систем молниезащиты и заземления для безопасности подстанции

Проект не будет полным без разработки двух важнейших систем, обеспечивающих безопасность персонала и оборудования — молниезащиты и заземления. Эти разделы также являются обязательными.

Молниезащита. Ее главная цель — защитить оборудование открытых распределительных устройств (ОРУ) от прямых ударов молнии, которые могут привести к тяжелым повреждениям. В курсовых проектах, как правило, рассчитывается система молниезащиты при помощи отдельно стоящих стержневых молниеотводов. Алгоритм включает:

1. Определение высоты и расположения молниеотводов на плане ОРУ.
2. Расчет зон защиты для одиночных и двойных молниеотводов.
3. Проверка, что все защищаемое оборудование попадает внутрь этих зон.

Заземляющее устройство (ЗУ). Его цель — обеспечить безопасность людей при прикосновении к корпусам оборудования, на которых может появиться напряжение при повреждении изоляции, а также обеспечить правильную работу релейной защиты. Расчет включает:

• Описание конструкции ЗУ (обычно это сложный контур из горизонтальных и вертикальных заземлителей).
• Расчет сопротивления растеканию тока заземляющего устройства.
• Проверку напряжения прикосновения и шагового напряжения, которые не должны превышать допустимых значений.

Разработка технико-экономического обоснования вашего проекта

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) — это раздел, который доказывает, что ваш проект не только технически состоятелен, но и экономически целесообразен. Часто в рамках курсовой работы ТЭО сводится к сравнению двух конкурентоспособных вариантов для принятия ключевого проектного решения.

Например, можно сравнивать:

• Две разные принципиальные схемы для РУ 110 кВ (например, «одна рабочая, секционированная система шин» против «двух рабочих систем шин»).
• Два варианта трансформаторов разной мощности или с разными потерями.

Методика сравнения обычно основана на расчете приведенных затрат. Для каждого из вариантов рассчитываются:

1. Капитальные вложения (К): Стоимость основного оборудования и строительно-монтажных работ.
2. Ежегодные издержки (И): Включают амортизацию, расходы на обслуживание и, что важно, стоимость потерь электроэнергии.

Затем по специальной формуле рассчитываются приведенные затраты, и вариант с наименьшими приведенными затратами признается экономически более эффективным. Этот вывод и является итогом данного раздела.

Как правильно оформить графическую часть проекта

Графическая часть — это «лицо» вашего проекта, документ, который наглядно демонстрирует все принятые вами решения. Обычно она состоит из одного или двух листов формата А1 и включает в себя главный чертеж — принципиальную электрическую схему подстанции.

При ее оформлении важно уделить внимание следующим моментам:

• Компоновка: Все элементы (трансформаторы, выключатели, разъединители, сборные шины) должны быть расположены логично и не перегружать чертеж. Изображение должно быть ясным и легко читаемым.
• Условные обозначения: Все аппараты должны быть изображены с использованием стандартных условных графических обозначений (УГО) в соответствии с ГОСТ.
• Спецификация: На чертеже обязательно должна присутствовать спецификация (перечень элементов), в которой указываются позиционные обозначения, наименования и технические характеристики всего выбранного оборудования.
• Штамп: Основная надпись (штамп) в правом нижнем углу чертежа должна быть заполнена аккуратно и в строгом соответствии со стандартами вашего учебного заведения.

На некоторых проектах также требуется вычерчивать план расположения оборудования на территории ОРУ или компоновку РУ. Главный принцип здесь — ясность и соответствие стандартам.

Заключение и оформление пояснительной записки

Финальный рывок — это сборка всех выполненных расчетов и пояснений в единый, логично выстроенный документ. Структура расчетно-пояснительной записки (РПЗ) обычно стандартна:

1. Титульный лист
2. Задание на проектирование
3. Содержание
4. Введение (где описывается цель и задачи проекта)
5. Основные расчетные разделы (в той последовательности, в которой мы их рассмотрели)
6. Заключение (где кратко суммируются основные результаты: выбраны такие-то трансформаторы, приняты такие-то схемы, подтверждена их надежность и т.д.)
7. Список использованной литературы
8. Приложения (сюда можно вынести таблицы большого формата или вспомогательные расчеты)

При форматировании текста придерживайтесь простых правил: каждый новый раздел начинайте с новой страницы, используйте сквозную нумерацию разделов, подразделов, формул и таблиц. Все расчеты должны сопровождаться краткими пояснениями и ссылками на пункты или формулы из нормативной документации и учебников. Перед сдачей обязательно пройдитесь по финальному чек-листу: все ли разделы на месте, правильно ли оформлены ссылки, нет ли опечаток, соответствует ли оформление требованиям кафедры. Аккуратно оформленная и логично структурированная работа всегда производит лучшее впечатление.

Список использованных источников

1. Рожкова Л.Д., Карнеева Л.К., Чиркова Т.В. Электрооборудование электрических станций и подстанций. – М.: Академия, 2009. – 448 с.
2. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. – М.: ЭНАС, 2009. – 456 с.
3. СТО 56947007–29.240.30.047–2010 Рекомендации по применению типовых принципиальных электрических схем распределительных устройств подстанций 35 – 750 кВ. – М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2010. – 128 с.
4. СТО 56947007–29.240.30.010–2008 Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35–750 кВ. Типовые решения. – М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2010. – 132 с.
5. Быстрицкий Г.Ф., Кудрин Б.И. Выбор и эксплуатация силовых трансформаторов. – М.:Академия, 200. – 176 с.
6. СТО 56947007–29.180.01.116–2012 Инструкция по эксплуатации трансформаторов. – М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. – 52 с.
7. Карнеева Л.К., Рожкова Л.Д. Электрооборудование электростанций и подстанций (примеры расчетов, задачи, справочные данные). Практикум. – Иваново: МЗЭТ ГОУ СПО ИЭК, 2006. – 226 с.
8. Балаков Ю.Н., Мисриханов М.Ш., Шунтов А.В. Проектирование схем электроустановок. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 288 с.
9. Карапетян И.Г., ФайбисовичД.Л., Шапиро И.М.Справочник по проектированию электрических сетей. – М.: Изд–во НЦ ЭНАС, 2012. – 376 с.
10. Степанов В.С. Учебное пособие для выполнения экономической части дипломного проекта по специальности 140211 «Электроснабжение». – Иркутск: ИрГТУ, 2008. – 46 с.
11. Фомина В.Н. Экономика электроэнергетики. – М.: Изд-во ИПКгосслужбы, 2005. – 384 с.
12. Экономика энергетики / Н.Д. Рогалев, А.Г. Зубкова, И.В. Мастерова и др.; под ред. Н.Д. Рогалева. – М.: Изд-во МЭИ, 2005. – 288 с.
13. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Электроэнергетика, ч.1» / А.С. Жданов, А.Г. Акишина, Н.Ю. Снопкова. – Иркутск: Изд–во ИрГТУ, 2005. – 26 с.
14. СТО ИрГТУ.005–2007 Система менеджмента качества. Учебно–методическая деятельность. Оформление курсовых и дипломных проектов (работ) технических специальностей. – Иркутск: Изд–во ИрГТУ, 2009. – 36 с.
15. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы шестого и седьмого издания. – М.: Изд–во «КноРус», 2014. – 488 с.
16. РД 153–34.0–20.527–98 Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков, В.В. Жуков [и др.]. – М.: Изд–во НЦ ЭНАС, 2006. – 144с.
17. Двоскин Л.И. Схемы и конструкции распределительных устройств. – М.: Энергия, 1974. – 221 с.
18. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.
19. Номенклатурный каталог. – Тольятти: Тольяттинский трансформатор, 2013. – 54 с.