Введение в проектирование и анализ исходных данных
Курсовое проектирование — это ключевой этап в обучении инженера-энергетика, позволяющий перейти от теоретических знаний к решению реальных практических задач. Целью курсового проектирования является приобретение навыков по использованию методов расчета и выбора высоковольтного электрооборудования. Вы не просто изучаете теорию, а учитесь применять ее для создания работающего и безопасного объекта.
В рамках данной работы ставится конкретная задача: спроектировать тупиковую понизительную подстанцию (ПС) классом напряжения 35/10 кВ. Эта подстанция будет обеспечивать электроэнергией пять крупных потребителей, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики.
Основой для любого расчета служат исходные данные, которые включают:
- Перечень всех потребителей, подключенных к шинам 10 кВ.
- Категорию надежности электроснабжения для каждого потребителя, которая определяет требования к бесперебойности питания.
- Заданные мощности (активную и реактивную) и характер нагрузки (например, промышленное предприятие, жилой комплекс).
Фундаментом всего процесса проектирования является строгое соблюдение нормативных документов. Все расчеты, выбор оборудования и принятые технические решения должны соответствовать актуальным требованиям Правил Устройства Электроустановок (ПУЭ) и государственным стандартам (ГОСТам). Это гарантия безопасности, надежности и законности вашего проекта.
После того как цели определены и исходные данные проанализированы, первым практическим шагом становится определение реальной нагрузки, которую должна будет нести наша будущая подстанция.
Расчет и анализ электрических нагрузок подстанции
Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а следовательно, и суммарная нагрузка на шинах подстанции, никогда не бывает постоянной. Она непрерывно меняется в течение суток, недели и года в зависимости от режима работы предприятий и бытовой активности. Для успешного проектирования недостаточно знать только пиковые значения; необходимо понимать динамику потребления.
Этот факт принято отражать с помощью графика нагрузки — диаграммы, показывающей изменение мощности во времени. Поэтому при разработке проекта необходимо построить суточные графики активной и реактивной нагрузки для наиболее характерных режимов — как правило, для зимнего (период максимального потребления) и летнего дней.
Методика расчета включает несколько шагов:
- Индивидуальный расчет: Определяются расчетные нагрузки для каждого из пяти потребителей с учетом их заявленной мощности и коэффициентов спроса.
- Суммирование: Рассчитываются суммарные активные (P) и реактивные (Q) нагрузки на шинах 10 кВ для каждого часа суток. При этом учитывается несовпадение максимумов нагрузки разных потребителей.
- Построение графиков: На основе полученных данных строятся два графика — для зимнего и для летнего периодов. Эти графики наглядно демонстрируют, как будет «жить» подстанция в течение 24 часов.
Именно из этих графиков определяются расчетные максимумы нагрузок. Эти значения являются критически важными, поскольку они служат основой для следующего ответственного этапа — выбора главных силовых трансформаторов.
Теперь, имея точные цифры расчетных нагрузок, мы можем перейти к сердцу любой подстанции — выбору главных силовых трансформаторов.
Выбор числа и мощности силовых трансформаторов
Силовой трансформатор — самый дорогой и ответственный элемент подстанции. От его правильного выбора зависит надежность электроснабжения всех потребителей. Процесс выбора состоит из двух основных этапов: определение количества трансформаторов и подбор их оптимальной мощности.
Количество трансформаторов напрямую зависит от категорийности потребителей. Если среди них есть потребители I или II категории, требующие повышенной надежности, на подстанции необходимо установить как минимум два трансформатора. Это обеспечит резервирование: в случае выхода из строя одного трансформатора, второй сможет взять на себя основную нагрузку.
После определения числа трансформаторов следует выбор их номинальной мощности. Для подстанции 35/10 кВ типовая трансформаторная мощность может составлять 10 МВА или 16 МВА. Выбор основывается на технико-экономическом сравнении нескольких вариантов. Цель — найти баланс между капитальными затратами и эксплуатационными расходами, обеспечив при этом полную передачу расчетной мощности.
После предварительного выбора конкретной модели (например, ТМГ-16000/35) необходимо выполнить обязательную проверку по условиям допустимой перегрузки. Используя построенные ранее суточные графики нагрузки, мы проверяем, сможет ли трансформатор выдержать как систематические (в нормальном режиме), так и аварийные (при отключении одного из трансформаторов) перегрузки.
Окончательный выбор делается в пользу того трансформатора, который успешно прошел все проверки и является экономически наиболее целесообразным. В проектной документации указываются его полные паспортные данные.
Определив количество и тип трансформаторов, мы должны разработать принципиальную схему, которая покажет, как именно они и другое оборудование будут соединены между собой.
Разработка и обоснование главной электрической схемы
Главная электрическая схема — это «скелет» подстанции, определяющий ее функциональность, надежность и стоимость. Она представляет собой однолинейное изображение всех основных электрических соединений и оборудования. Разработка схемы — один из ключевых этапов проектирования.
Для распределительного устройства (РУ) 35 кВ существует несколько типовых схем, наиболее распространенные из которых:
- Схема «мостик»: Простая и экономичная схема, часто применяемая на тупиковых подстанциях с двумя трансформаторами.
- Одиночная секционированная система шин: Более гибкая и надежная схема, позволяющая проводить ремонтные работы на одной секции шин без полного отключения подстанции.
Выбор конкретной схемы — это всегда компромисс. Проводится сравнительный анализ вариантов по ключевым критериям: надежность (способность сохранять работоспособность при отказах), оперативность переключений (удобство эксплуатации) и экономическая целесообразность (стоимость оборудования и строительства).
Аналогичный процесс выбора схемы проводится и для РУ 10 кВ. По результатам анализа принимается обоснованное решение в пользу оптимального варианта для каждой стороны напряжения. Итогом работы становится детально прорисованная и описанная однолинейная схема всей подстанции, на которой указываются все ключевые элементы: трансформаторы, выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы и отходящие линии.
Утвержденная схема требует расчета самых опасных режимов — коротких замыканий, чтобы правильно выбрать оборудование, способное их выдержать.
Расчет токов короткого замыкания как основа безопасности
Короткое замыкание (КЗ) — это наиболее опасный вид аварийного режима в электроустановке. Токи при КЗ могут в десятки раз превышать номинальные, вызывая серьезные термические и электродинамические воздействия на оборудование. Расчет токов КЗ является обязательным этапом проектирования, так как его результаты лежат в основе выбора и проверки практически всего высоковольтного оборудования.
Процесс расчета выполняется в несколько шагов:
- Составление схемы замещения. Реальная электрическая схема преобразуется в расчетную модель (схему замещения прямой последовательности), где все элементы (энергосистема, трансформаторы, линии электропередачи) представлены в виде сопротивлений.
- Расчет сопротивлений. Вычисляются индуктивные и активные сопротивления для каждого элемента схемы замещения.
- Определение токов КЗ. Расчеты проводятся для нескольких характерных точек схемы (например, на шинах 35 кВ и 10 кВ). Определяются ключевые параметры:
- Ударный ток КЗ: Максимальное мгновенное значение тока, определяющее требования к электродинамической стойкости оборудования.
- Периодическая составляющая тока КЗ: Установившееся значение, по которому проверяется термическая стойкость и отключающая способность выключателей.
Расчеты проводятся для различных видов короткого замыкания, как правило, для наиболее тяжелого — трехфазного, и для двухфазного КЗ. Результаты всех вычислений для удобства сводятся в итоговую таблицу.
Вооружившись значениями токов короткого замыкания, мы можем приступить к подбору конкретных моделей коммутационных аппаратов и проводников для стороны высокого напряжения.
Выбор оборудования и проводников для распределительного устройства 35 кВ
Имея на руках расчетные токи нормального режима и токи короткого замыкания, мы можем приступить к комплектации распределительного устройства (РУ) 35 кВ. Процесс выбора и проверки оборудования гарантирует, что каждый элемент сможет надежно работать как в штатных, так и в аварийных условиях.
Основные элементы РУ 35 кВ:
- Высоковольтные выключатели: Ключевые коммутационные аппараты, предназначенные для отключения токов КЗ. Их выбор осуществляется по номинальному напряжению и току. Затем выполняется обязательная проверка по отключающей способности (должна быть больше расчетного тока КЗ), а также по электродинамической и термической стойкости.
- Разъединители и заземлители: Используются для создания видимого разрыва в цепи и для безопасного заземления участков схемы на время ремонта. Проверяются по номинальному току и стойкости к токам КЗ.
- Измерительные трансформаторы: Трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) необходимы для питания цепей релейной защиты и измерительных приборов. Их проверяют по классу точности и вторичной нагрузке.
- Шины и кабели: Сечение проводников на стороне 35 кВ выбирается по длительно допустимому току в нормальном режиме, а затем обязательно проверяется на термическую стойкость при протекании тока короткого замыкания.
Каждый выбор должен быть обоснован расчетом и ссылкой на каталожные данные производителя, подтверждая полное соответствие оборудования требованиям стандартов и проектным условиям.
Аналогичную процедуру выбора оборудования теперь необходимо провести для распределительного устройства низкого напряжения.
Комплектация распределительного устройства 10 кВ
Для распределительного устройства 10 кВ, от которого отходят линии непосредственно к потребителям, современным и наиболее надежным решением является применение комплектных распределительных устройств (КРУ). КРУ представляют собой готовые заводские шкафы с уже установленным внутри оборудованием (выключателем, разъединителями, измерительными трансформаторами, устройствами защиты), что значительно повышает надежность, безопасность и скорость монтажа.
Процесс комплектации РУ 10 кВ включает:
- Выбор типа ячеек КРУ: В зависимости от назначения подбираются разные типы ячеек: вводные (для подключения силовых трансформаторов), секционные (для соединения секций шин) и ячейки отходящих линий (для подключения фидеров к потребителям).
- Выбор вакуумных выключателей: Для каждой отходящей линии подбирается основной защитный аппарат, как правило, современный вакуумный выключатель. Он выбирается по номинальному току и напряжению, а затем, аналогично оборудованию 35 кВ, проверяется по отключающей способности и стойкости к токам КЗ в точке его установки.
- Подбор измерительных трансформаторов и кабелей: Для каждого присоединения на стороне 10 кВ также выбираются свои трансформаторы тока и силовые кабели, которые проходят все необходимые проверки по токам нормального и аварийного режимов.
Применение КРУ позволяет создать компактное, безопасное и удобное в эксплуатации распределительное устройство, отвечающее всем современным требованиям.
После выбора всего силового оборудования необходимо спроектировать его «мозг» — систему, которая будет защищать его от повреждений.
Проектирование систем релейной защиты и автоматики
Релейная защита и автоматика (РЗиА) — это комплекс устройств, предназначенных для автоматического выявления и отключения поврежденных элементов электроэнергетической системы. Это «нервная система» подстанции, которая должна действовать быстро, точно и надежно, чтобы предотвратить развитие аварии и повреждение дорогостоящего оборудования.
Ключевые принципы работы РЗиА:
- Селективность: Защита должна отключать только поврежденный участок, не нарушая работу остальной части сети.
- Быстродействие: Чем быстрее будет отключено короткое замыкание, тем меньше будут его разрушительные последствия.
- Чувствительность: Защита должна срабатывать даже при самых малых токах КЗ в своей зоне действия.
- Надежность: Гарантированное срабатывание при повреждениях и несрабатывание в нормальных режимах.
В рамках курсовой работы проектируются основные защиты силовых трансформаторов, такие как дифференциальная защита (абсолютно селективная, реагирует на повреждения внутри самого трансформатора), газовая защита (реагирует на внутренние повреждения, связанные с выделением газа в масле) и максимальная токовая защита (МТЗ) с токовой отсечкой (резервная защита от внешних КЗ).
Проектирование включает выбор конкретных типов реле или современных микропроцессорных терминалов и, что самое важное, расчет уставок — токов срабатывания и выдержек времени. Уставки должны быть согласованы между собой, чтобы обеспечить селективность действия. Также описываются принципы работы основных устройств автоматики, таких как АВР (автоматическое включение резерва) и АПВ (автоматическое повторное включение).
Для обеспечения безопасности персонала и корректной работы защит необходимо спроектировать надежную систему заземления.
Расчет заземляющего устройства подстанции
Заземляющее устройство (ЗУ) является важнейшим элементом обеспечения безопасности на подстанции. Его основная задача — защита людей от поражения электрическим током при замыканиях на землю и обеспечение надежной работы устройств релейной защиты.
Проектирование ЗУ преследует две главные цели:
- Обеспечить низкое сопротивление растеканию тока в земле, чтобы при аварии напряжение на корпусах оборудования не достигало опасных для жизни значений (напряжение прикосновения и шаговое напряжение).
- Создать надежный путь для тока замыкания на землю, необходимый для срабатывания релейной защиты.
Расчет заземляющего устройства включает следующие этапы:
- Определение расчетного тока замыкания на землю.
- Измерение или выбор удельного сопротивления грунта, так как от этого параметра напрямую зависит эффективность заземления.
- Выбор конструкции заземлителя. Обычно он состоит из горизонтального контура, проложенного по периметру подстанции, и вертикальных электродов (стальных стержней), забитых в землю для уменьшения общего сопротивления.
- Выполнение электротехнического расчета. Главной целью расчета является доказательство того, что сопротивление растеканию тока спроектированного ЗУ не превышает нормативного значения. Для подстанций такого класса напряжения оно, как правило, не должно быть более 4 Ом.
Правильно спроектированное и смонтированное заземляющее устройство — это залог безопасной эксплуатации подстанции для персонала.
Завершив все основные технические расчеты и выборы, мы подходим к финалу работы, где необходимо подвести итоги и оценить проделанную работу.
Заключение и основные технико-экономические показатели
В ходе выполнения курсовой работы был пройден полный цикл проектирования понизительной подстанции 35/10 кВ. На основе исходных данных и в строгом соответствии с действующими нормативными документами были последовательно выполнены все ключевые этапы:
- Проведен анализ и расчет электрических нагрузок с построением суточных графиков.
- Обоснован выбор числа и мощности силовых трансформаторов.
- Разработана и обоснована главная электрическая схема соединений.
- Выполнен расчет токов короткого замыкания в характерных точках.
- Подобрано и проверено все основное электрооборудование для РУ 35 кВ и РУ 10 кВ.
- Разработаны принципы действия и рассчитаны уставки основных релейных защит.
- Спроектировано заземляющее устройство, обеспечивающее электробезопасность.
Итоговый вывод: разработанный проект полностью соответствует выданному техническому заданию. По проведенным расчетам можно утверждать, что выбранное оборудование и принятая схема электроснабжения обеспечивают требуемую надежность электроснабжения потребителей и способны выдерживать как длительные номинальные, так и кратковременные аварийные режимы.
Все технические решения были приняты и разработаны в полном соответствии с действующими на дату выпуска проекта нормами и правилами, включая правила взрывопожаробезопасности, что гарантирует надежность и безопасность спроектированной подстанции.