Проектирование понизительной подстанции 35/10 кВ — это комплексная инженерная задача, лежащая в основе надежного электроснабжения. Эти объекты выполняют ключевую функцию в энергосистеме: они принимают электроэнергию на высоком напряжении, преобразуют ее и распределяют потребителям на более низком напряжении. Курсовая работа по этой теме требует от студента не просто теоретических знаний, а последовательного выполнения расчетов и принятия технически обоснованных решений. В этом руководстве мы пошагово разберем все основные этапы, от выбора принципиальной схемы и расчета нагрузок до подбора конкретного оборудования и оформления финальной документации.
1. Как выбрать главную схему электрических соединений подстанции
Выбор главной схемы электрических соединений — это фундамент всего проекта. От этого решения зависит надежность электроснабжения, удобство эксплуатации и итоговая стоимость подстанции. Схема определяет, как основное оборудование (трансформаторы, выключатели, шины) соединено между собой.
Выбор конкретной схемы напрямую зависит от категории надежности потребителей. Например, для питания особо ответственных потребителей I и II категорий, где перерыв в электроснабжении недопустим или крайне нежелателен, стандартным решением является установка двух силовых трансформаторов. Это обеспечивает резервирование: при выходе из строя или плановом ремонте одного трансформатора нагрузку на себя принимает второй.
Среди типовых схем для подстанций 35/10 кВ часто применяются:
- Мостиковые схемы (например, «мостик с выключателями в цепях линий» или «мостик с ремонтой перемычкой со стороны шин»), которые экономичны, но имеют свои эксплуатационные особенности.
- Схемы с двумя системами сборных шин, которые обеспечивают максимальную гибкость и надежность, позволяя проводить ремонтные работы без отключения потребителей.
Таким образом, на первом этапе необходимо тщательно проанализировать исходные данные по потребителям и выбрать схему, которая обеспечит требуемый уровень надежности и эксплуатационной гибкости.
2. Расчет электрических нагрузок как основа для выбора оборудования
Когда принципиальная схема определена, следующим логическим шагом становится количественная оценка мощности, которую должна будет передавать наша подстанция. Точный расчет электрических нагрузок — критически важный этап, поскольку его результаты напрямую влияют на самое дорогостоящее решение — выбор мощности силовых трансформаторов.
В основе расчета лежат данные о потребителях. На их основе строится сперва суточный, а затем и годовой график электрической нагрузки. Эти графики визуализируют, как меняется потребляемая мощность в течение дня и на протяжении года. Анализ этих графиков позволяет определить ключевые расчетные коэффициенты:
- Коэффициент использования (Ки) — показывает, насколько эффективно используется установленная мощность потребителей.
- Коэффициент спроса (Кс) — отражает долю максимальной нагрузки от всей присоединенной мощности.
- Коэффициент равномерности графика — характеризует неравномерность потребления электроэнергии во времени.
Методика расчета включает суммирование нагрузок всех потребителей с учетом их режимов работы и коэффициентов одновременности. Итогом этого этапа является определение расчетной максимальной мощности, которая и станет отправной точкой для следующего шага. Ошибка на этом этапе может привести либо к необоснованному завышению мощности и стоимости оборудования, либо к его недостаточной мощности и риску постоянных перегрузок.
3. Выбор силовых трансформаторов, ключевое решение в проекте
Сердцем любой подстанции являются силовые трансформаторы. Их выбор — одно из самых ответственных решений в курсовой работе. Как уже упоминалось, для обеспечения надежности электроснабжения потребителей I и II категорий на подстанции устанавливаются два трансформатора. Это позволяет организовать работу так, чтобы даже в режиме послеаварийной перегрузки одного трансформатора все потребители продолжали получать электроэнергию.
Номинальная мощность каждого трансформатора выбирается на основе расчетной мощности нагрузки. При этом учитывается нормальный коэффициент загрузки (обычно не более 70-80% в нормальном режиме) и возможность допустимых систематических и аварийных перегрузок. Для подстанций 35/10 кВ часто выбирают трансформаторы стандартной мощностью 25 МВА или 40 МВА.
Важным аспектом является выбор системы регулирования напряжения. Существует два основных типа трансформаторов:
- Трансформаторы с РПН (регулирование под нагрузкой): Позволяют изменять коэффициент трансформации без отключения нагрузки, что необходимо для поддержания стабильного уровня напряжения у потребителей при изменении нагрузки в сети. Это более дорогое и сложное, но и более эффективное решение.
- Трансформаторы с ПБВ (переключение без возбуждения): Для изменения коэффициента трансформации требуют полного отключения трансформатора. Их используют в сетях со стабильными, предсказуемыми нагрузками, где не требуется оперативное регулирование напряжения.
Выбор конкретного типа и мощности трансформатора должен быть четко обоснован в пояснительной записке на основе рассчитанных нагрузок и требований к качеству электроэнергии.
4. Расчет токов короткого замыкания для обеспечения безопасности
После выбора трансформаторов мы определили основные параметры нашей сети. Теперь необходимо просчитать самые опасные режимы ее работы — короткие замыкания (КЗ) — чтобы правильно подобрать защитное и коммутационное оборудование. Расчет токов КЗ — это, пожалуй, самый сложный, но и самый важный раздел проекта с точки зрения обеспечения безопасности.
Цель расчета — определить максимальные токи, которые могут возникнуть в различных точках схемы при аварии. Для этого составляется схема замещения, в которой все элементы реальной энергосистемы (генераторы, линии, трансформаторы) представляются в виде сопротивлений. Расчеты проводятся в соответствии с ГОСТ и специальными методиками.
В ходе расчетов определяются несколько ключевых значений тока КЗ:
- Ударный ток КЗ: Максимальное мгновенное значение тока в начальный момент КЗ. По этому току проверяется электродинамическая стойкость оборудования, то есть его способность выдерживать огромные механические усилия, возникающие при КЗ.
- Сверхпереходный и установившийся токи КЗ: Эти значения используются для выбора отключающей способности выключателей и проверки оборудования на термическую стойкость — способность выдерживать нагрев током КЗ в течение времени его отключения.
Расчет токов короткого замыкания является основой не только для выбора выключателей, но и для последующей настройки всех устройств релейной защиты и автоматики на подстанции.
Правильно выполненный расчет гарантирует, что в случае аварии оборудование выдержит нагрузки, а защитные аппараты сработают корректно, отключив поврежденный участок и предотвратив развитие аварии.
5. Подбор и проверка высоковольтных выключателей
Имея на руках значения расчетных токов короткого замыкания, мы можем приступить к выбору высоковольтных выключателей — аппаратов, предназначенных для отключения этих аварийных токов. Выбор производится отдельно для стороны высокого напряжения (35 кВ) и низкого (10 кВ).
Основные критерии выбора выключателя:
- Номинальное напряжение: Должно соответствовать напряжению сети (Uном.выкл ≥ Uном.сети).
- Номинальный ток: Должен быть больше максимального рабочего тока в данной цепи (Iном.выкл ≥ Iраб.макс).
- Отключающая способность: Номинальный ток отключения КЗ выключателя должен быть больше расчетного значения тока КЗ в точке его установки. Это ключевое условие безопасности.
После предварительного выбора выключателя по каталогу производителя, его в обязательном порядке проверяют на стойкость к токам КЗ. Проводится проверка на электродинамическую стойкость (амплитуда номинального тока стойкости должна быть больше расчетного ударного тока) и термическую стойкость (ток термической стойкости должен быть больше расчетного тока КЗ за время его протекания).
6. Как правильно выбрать разъединители и отделители
В паре с каждым выключателем в схеме, как правило, устанавливаются разъединители. Важно четко понимать их функциональное различие: если выключатель предназначен для разрыва цепи под током (как рабочим, так и током КЗ), то разъединитель используется для создания видимого, безопасного разрыва в цепи, которая уже обесточена выключателем. Это необходимо для обеспечения безопасности ремонтного персонала.
Поскольку разъединитель не отключает ток, его основной параметр — это не отключающая способность, а стойкость к токам КЗ. Выбор разъединителя производится по следующим условиям:
- Номинальное напряжение и номинальный ток (аналогично выключателю).
- Электродинамическая и термическая стойкость к расчетным токам короткого замыкания в точке установки.
Кратко стоит упомянуть и отделители — это аппараты, которые в паре с короткозамыкателем могут выполнять упрощенную функцию отключения, создавая разрыв в бестоковую паузу.
7. Выбор измерительных трансформаторов тока и напряжения
Мы выбрали силовое и коммутационное оборудование. Теперь нужно выбрать аппаратуру, которая будет «глазами и ушами» подстанции — измерительные трансформаторы. Они понижают высокие значения тока и напряжения до безопасных величин, пригодных для подключения приборов учета (счетчиков) и устройств релейной защиты.
Трансформаторы тока (ТТ) выбираются по нескольким параметрам:
- По номинальному напряжению и току первичной обмотки. Ток выбирается исходя из максимального рабочего тока линии, при этом рекомендуется проверка на 10% перегрузку.
- По классу точности. Для коммерческого учета электроэнергии требуются высокие классы точности (например, 0.2S или 0.5S), а для цепей релейной защиты достаточно классов 5P или 10P.
- По нагрузке вторичной обмотки и стойкости к токам КЗ.
Трансформаторы напряжения (ТН) выбрать проще. Их выбор осуществляется по номинальному напряжению сети и требуемому классу точности, который также зависит от назначения (учет или защита). Корректный выбор измерительных трансформаторов — залог точного финансового учета электроэнергии и правильной работы автоматики в аварийных режимах.
8. Проектирование защиты от грозовых перенапряжений
После выбора всего основного оборудования в распределительных устройствах необходимо защитить саму подстанцию от внешних угроз, главной из которых являются грозовые перенапряжения. Особенно это актуально для открытых распределительных устройств (ОРУ), где все оборудование находится под открытым небом.
Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Они бывают двух основных типов:
- Стержневые молниеотводы: Представляют собой высокие металлические мачты, устанавливаемые на территории ОРУ.
- Тросовые молниеотводы: Натянутые над оборудованием заземленные тросы.
Суть расчета заключается в том, чтобы построить зоны защиты этих молниеотводов и убедиться, что всё защищаемое оборудование (трансформаторы, выключатели, шины) полностью находится внутри этих зон. Это гарантирует, что удар молнии придется на молниеотвод, а не на дорогостоящее высоковольтное оборудование.
9. Компоновка оборудования и финальное оформление проекта
Все основные расчеты и выборы сделаны. Осталось собрать результаты воедино и оформить их в виде готового курсового проекта. Этот этап включает две главные составляющие: графическую часть и пояснительную записку.
В графической части должны быть представлены как минимум два чертежа:
- Схема главных электрических соединений: На ней в однолинейном исполнении показывается все основное оборудование и связи между ним.
- План размещения аппаратов: Это вид сверху на территорию подстанции (чаще всего ОРУ 35 кВ и ЗРУ 10 кВ), где показано физическое расположение трансформаторов, выключателей, порталов и других элементов.
Пояснительная записка — это текстовый документ, который должен иметь четкую структуру и последовательно излагать все этапы проектирования: от введения и анализа исходных данных до подробных расчетов, выбора оборудования и финальных выводов.
Заключение и выводы
Проектирование понизительной подстанции 35/10 кВ — это многогранный процесс, который позволяет студенту применить на практике весь комплекс полученных знаний. В ходе выполнения данной курсовой работы были успешно решены все поставленные задачи.
Ключевые результаты проекта можно свести к следующему:
- Выбрана главная схема электрических соединений, отвечающая требованиям надежности.
- На основе анализа нагрузок определена мощность силовых трансформаторов, например, установлено два трансформатора по 25 МВА.
- Выполнен расчет токов короткого замыкания, определены их ударные и установившиеся значения для всех точек схемы.
- На основе расчетов подобрано и проверено все основное высоковольтное оборудование: выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы.
- Разработана система молниезащиты, обеспечивающая безопасность оборудования.
В результате спроектированная подстанция полностью соответствует действующим нормам и требованиям, обеспечивая надежное и безопасное электроснабжение подключенных потребителей.