Как сделать курсовую по проектированию трансформаторной подстанции – пошаговое руководство с примером

Написание курсовой работы по проектированию подстанции часто вызывает у студентов тревогу. Кажется, что это огромная и сложная задача. Но на самом деле, это не абстрактная теория, а решение конкретной практической задачи, с которой инженеры сталкиваются в реальной жизни. Эта статья — ваша пошаговая дорожная карта, которая проведет от анализа задания до готового проекта и поможет во всем разобраться.

По своей сути, подстанция 35/10 кВ — это ключевой узел в энергосистеме. Она получает электроэнергию на высоком напряжении (35 киловольт) и понижает его до среднего (10 киловольт) для распределения городским и промышленным потребителям. Это распространенный тип понижающих подстанций, поэтому навыки ее проектирования очень востребованы.

Ваша курсовая работа будет состоять из двух главных частей:

1. Пояснительная записка — документ со всеми расчетами и обоснованиями принятых решений.
2. Графическая часть — чертежи, в первую очередь главная схема электрических соединений.

Теперь, когда мы понимаем общую цель, давайте разберем первый и самый важный шаг – анализ исходных данных и определение ключевых параметров будущей подстанции.

Раздел 1. Анализ задания и расчет нагрузок как фундамент всего проекта

Любой проект начинается с технического задания. В курсовой работе это ваши «Исходные данные». В них зашифрована вся ключевая информация, необходимая для старта. Давайте посмотрим на типовой пример:

Необходимо спроектировать две двухтрансформаторные подстанции (ПС) общей мощностью 300 МВА. Напряжение 35/10 кВ. Тип ПС – узловые. Потребители I, II и III категорий надежности.

Здесь важен каждый параметр: напряжение, тип ПС и, особенно, категории потребителей. Наличие потребителей I и II категорий почти всегда означает, что для обеспечения надежности питания потребуется установка двух трансформаторов.

Первый практический шаг — это расчет суммарной мощности нагрузки на шинах 10 кВ. Это фундамент, на котором строятся все дальнейшие вычисления. Алгоритм прост: вам нужно просуммировать мощности всех потребителей, учитывая их одновременность работы и планы по развитию сети. Результат этого расчета (например, 240 МВА, как в одном из примеров) напрямую определит, какой мощности трансформаторы нам понадобятся.

Зная требуемую мощность, мы можем выбрать сердце нашей подстанции — силовые трансформаторы.

Раздел 2. Выбор силовых трансформаторов и разработка структурной схемы

Выбор силовых трансформаторов — одно из ключевых решений в проекте. Он базируется на нескольких критериях:

• Мощность: Она должна быть достаточной для покрытия расчетной нагрузки из предыдущего шага. Важно учитывать, что при установке двух трансформаторов каждый из них в аварийном режиме (когда один отключен) должен выдерживать определенную перегрузку.
• Напряжение: Соответствует заданию — 35 кВ на стороне высокого напряжения (ВН) и 10 кВ на стороне среднего (СН).
• Количество: Как мы уже выяснили, для питания потребителей I и II категорий надежности всегда выбирают двухтрансформаторную схему. Это гарантирует бесперебойное электроснабжение даже при ремонте или аварии на одном из трансформаторов.

На основе этих данных мы выбираем конкретную модель. Например, для решения задачи из примера могут подойти два трансформатора марки ТДЦ-80000/35/10. Это мощные агрегаты, способные обеспечить надежное питание крупного узла.

Когда трансформаторы выбраны, можно составить структурную схему. Это самый верхнеуровневый чертеж, который показывает основные функциональные блоки подстанции: входящие линии 35 кВ, силовые трансформаторы, распределительные устройства (РУ) на 35 кВ и 10 кВ, а также отходящие линии к потребителям. Она дает общее представление о компоновке и потоках мощности.

У нас есть общая структура. Теперь пора детализировать ее, выбрав конкретные схемы для распределительных устройств.

Раздел 3. Проектируем главную схему электрических соединений

Если структурная схема — это набросок, то главная (или принципиальная) схема электрических соединений — это уже детальный рабочий чертеж. На ней отображается все основное оборудование (выключатели, разъединители, трансформаторы тока и напряжения) с указанием их связей.

Проектирование главной схемы удобно разделить на две части: для стороны высокого и среднего напряжения.

Схема РУ-35 кВ

Для распределительных устройств на 35 кВ часто применяют типовые, проверенные временем решения. Одной из самых популярных является схема «одна рабочая, секционированная выключателем и обходная система шин». Ее преимущества — высокая надежность и гибкость. Она позволяет выводить в ремонт любой выключатель присоединения без отключения самой линии, переключая ее на обходную систему шин.

Схема РУ-10 кВ

На стороне среднего напряжения (10 кВ), где количество отходящих линий к потребителям обычно велико, часто используется более простая, но эффективная схема — «одна одиночная, секционированная выключателем система шин». Трансформаторы работают на свои, раздельные секции шин. Это не только обеспечивает надежность (при аварии на одной секции вторая продолжает работать), но и позволяет ограничить токи короткого замыкания, что упрощает выбор оборудования.

Основная схема готова. Но подстанция должна питать и саму себя. Следующий шаг — спроектировать систему собственных нужд.

Раздел 4. Как обеспечить питание собственных нужд подстанции

Понятие «собственные нужды» (СН) включает все системы, которые обеспечивают работоспособность самой подстанции. Это критически важный элемент, без которого ПС — просто набор железа. К нуждам СН относятся:

• Оперативное питание приводов выключателей;
• Системы релейной защиты и автоматики;
• Освещение, отопление и вентиляция помещений;
• Системы охлаждения трансформаторов.

Для питания СН устанавливают отдельные, маломощные трансформаторы собственных нужд (ТСН). Для повышения надежности их всегда ставят два (например, модели ТМ-250), запитывая их от разных секций шин 10 кВ. Так, выход из строя одного ТСН или одной секции не приведет к полной потере управления подстанцией.

Ключевой вопрос — выбор оперативного тока для цепей управления и защиты. На современных подстанциях предпочтение отдается постоянному току напряжением 220 В. Его главное преимущество — возможность работы от аккумуляторных батарей. В случае полного погашения подстанции именно батареи обеспечат питание защит и позволят дистанционно включить выключатели для восстановления электроснабжения.

Мы спроектировали подстанцию для нормального режима работы. Теперь нужно подготовить ее к самому опасному сценарию — короткому замыканию.

Раздел 5. Расчет токов короткого замыкания. Самый сложный этап, который мы разложим по шагам

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) — пожалуй, самый трудоемкий и пугающий раздел курсовой. Но его цель очень прагматична: мы должны знать максимальные токи, которые могут возникнуть в сети при аварии, чтобы выбрать оборудование, способное их выдержать. Если выключатель не рассчитан на ток КЗ, он просто взорвется при попытке отключить аварию.

Чтобы демистифицировать этот процесс, разобьем его на четкие шаги:

1. Составление расчетной схемы. На этом этапе мы упрощаем нашу главную схему, оставляя только элементы, влияющие на ток КЗ: энергосистему, трансформаторы, линии и реакторы.
2. Составление схемы замещения. Превращаем электрические элементы (генераторы, трансформаторы) в их эквиваленты — сопротивления.
3. Определение параметров элементов схемы. Для каждого элемента схемы замещения (системы, трансформатора, реактора) рассчитываем или берем из справочников его сопротивление.
4. Преобразование схемы. Упрощаем полученную схему замещения, сводя все сопротивления к одной точке, где мы ищем ток КЗ.
5. Расчет токов КЗ. По закону Ома для цепи переменного тока определяем значения токов в нескольких ключевых точках схемы (например, на шинах 35 и 10 кВ).

Иногда расчетные токи КЗ получаются слишком большими. В таких случаях для их снижения на стороне 10 кВ устанавливают токоограничивающие реакторы — по сути, большие катушки индуктивности, которые «гасят» сверхток при аварии.

Получив расчетные значения токов КЗ, мы вооружены данными для самого ответственного этапа — выбора и проверки коммутационных аппаратов и другого оборудования.

Раздел 6. Выбор и проверка высоковольтного оборудования

Этот раздел — прямое следствие предыдущего. Общий принцип здесь такой: сначала мы подбираем аппарат по его номинальным параметрам (рабочее напряжение и ток), а затем проверяем его способность работать в аварийных режимах по расчетным токам КЗ.

1. Высоковольтные выключатели

Это главные коммутационные аппараты, предназначенные для отключения и включения токов, в том числе аварийных. Выбор делается по номинальному напряжению (например, 35 кВ) и току. На современных ПС часто применяют надежные и не требующие сложного обслуживания элегазовые выключатели. После выбора модели обязательно проводится проверка: сможет ли выключатель отключить расчетный ток КЗ в данной точке установки.

2. Разъединители и отделители

Эти аппараты создают видимый разрыв цепи и используются для безопасного проведения ремонтных работ. В отличие от выключателей, они не могут отключать токи нагрузки и КЗ. Их выбирают по номинальному току и напряжению, а проверяют на электродинамическую и термическую стойкость к расчетным токам короткого замыкания.

Все расчеты и проверки должны строго соответствовать требованиям ПУЭ (Правил устройства электроустановок) и национальных стандартов (ГОСТ). Ссылки на эти документы в пояснительной записке — признак качественной работы.

Главные коммутационные аппараты выбраны. Теперь нужно подобрать вспомогательное, но не менее важное оборудование — измерительные трансформаторы.

Раздел 7. Как выбрать измерительные трансформаторы, кабели и изоляторы

Чтобы подстанция работала правильно, ей нужны «органы чувств» и «кровеносная система». Эту роль выполняют измерительные трансформаторы, шины и кабели.

• Трансформаторы тока (ТТ): Они понижают ток в силовой цепи до безопасных значений (обычно 1А или 5А) для подключения измерительных приборов (амперметров) и устройств релейной защиты. ТТ выбирают по номинальному напряжению и току, а также по классу точности.
• Трансформаторы напряжения (ТН): Аналогично понижают высокое напряжение до стандартных 100 В для питания вольтметров и цепей напряжения релейной защиты.
• Силовые кабели и токоведущие шины: Это «артерии» подстанции. Их сечение выбирается исходя из длительно протекающего рабочего тока. Затем обязательно проводится проверка на нагрев при протекании токов КЗ.
• Изоляторы: Обеспечивают изоляцию токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций. Их выбирают по номинальному напряжению и проверяют по механической прочности.

Выбор этих элементов — методичная работа, где каждое решение должно быть обосновано расчетом.

Все расчеты выполнены, все оборудование подобрано. Финальный рывок — правильно оформить всю нашу работу.

Раздел 8. Оформление пояснительной записки и графической части

Качественно выполненный проект требует грамотного оформления. Ваша работа, как мы помним, состоит из двух частей.

Пояснительная записка (ПЗ)

Это главный документ, который должен иметь четкую структуру. Обычно она повторяет логику самого проектирования:

1. Введение (цели и задачи)
2. Расчет электрических нагрузок
3. Выбор силовых трансформаторов
4. Разработка главной схемы электрических соединений
5. Расчет и проектирование системы собственных нужд
6. Расчет токов короткого замыкания
7. Выбор и проверка высоковольтного оборудования
8. Заключение
9. Список использованной литературы

Не забудьте про стандартное оформление: титульный лист, содержание, нумерация страниц.

Графическая часть

Основным чертежом является главная схема электрических соединений. На ней должны быть показаны все выбранные вами аппараты, их маркировка, номинальные данные и связи между ними. Для выполнения чертежей сегодня принято использовать специализированное ПО, например, AutoCAD, что позволяет сделать работу аккуратной и профессиональной.

Ваша работа готова. Давайте проведем финальную проверку перед тем, как нести ее на защиту.

Заключение. Финальный чек-лист и подготовка к защите

Поздравляем! Вы прошли большой путь: от анализа нагрузки до финального чертежа. Вы спроектировали сложный инженерный объект, и теперь важно уверенно представить результат.

Перед сдачей работы пробегитесь по короткому чек-листу:

• Все ли разделы пояснительной записки на месте и соответствуют заданию?
• Все ли выбранное оборудование проверено по условиям короткого замыкания?
• Соответствует ли главная схема на чертеже описанию и расчетам в ПЗ?
• Правильно ли оформлены титульный лист и список литературы?

Главный совет для защиты: досконально ориентируйтесь в своей работе. Вы должны быть готовы объяснить, почему выбрали именно этот трансформатор, именно эту схему и именно этот выключатель. Уверенность в своих решениях и четкие ответы на вопросы — залог успешной защиты.

Удачи!

Список использованной литературы

1. Рожкова Л. Д., Козулни В, С. Электрооборудование станций и подстанций. -М.: Эннргоатомиздат, 1987.
2. Рожкова Л. Д.. Карнеева Л. К.. Чиркова Т. В. Электрооборудование электрических станций и подстанций. — М.: Издательский центр «Академия». 2004.
3. Нормы технологического проектирования подстанций с высшим напряжением 35-750 кВ. Минэнерго СССР. 1981.
4. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. — М.: Э1Кргоатомиздат. 1986.2001.
5. Типовые материалы для проектирования .№407-03-456.87. Схемы принципиальные электрические распределительных устройств напряжением 6-750 кВ подстанций- — ВП1И и НИИ «Энергосетьпроект». 1987.
6. Меклепаев Б. П . Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. — М: Энергоатомиздат. 1989.
7. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под ред. И. А. Баумштейна, С. А- Бажанова. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
8. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 3. кн. I. Производство и распределение электрической энергии / Под обш. ред. профессоров МЭИ В. Г, Герасимова и др.: — М.: Энергоатомиздат. 1988.
9. Гук Ю. В.. Кантан В. В.. Петрова С. С. Проектирование электрической части станций и подстанций. -Л.: Энергоатомиздат. 1985
10. Смирнов А. Д.. Аитнпов К. М. Справочная книжка энергетика. — М Энергоатомиздат. 1987.