Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Подстанция «Северная» является одним из энергоузлов, входящих в системообразующую сеть Камчатской энергосистемы.

Реконструкция ПС «Северная» вызвано необходимостью модернизации и замены устаревшего электрооборудования и автоматики.

В настоящей работе рассматриваются следующие возможности усиления надёжности схемы электроснабжения:

1) Установка вакуумных выключателей на стороне 10 кВ;

2) Установка газовых выключателей на стороне 110 кВ;

3) Замена разрядников, на более современные, ограничители перенапряжения нелинейные;

4) Установка более мощных устройств компенсации емкостного тока.

В настоящее время к качеству электроэнергии предъявляются высокие требования. Качество электроэнергии должно соответствовать ГОСТ 13109-99.

Кроме того, появились новые материалы и современное энергетическое оборудование с большим ресурсом работы и более надежное.

При проектировании электроснабжения необходимо правильно принимать технические решения по электрическим схемам электрических соединений подстанций всех категорий.

В настоящее время энергетическая система Камчатки не входит в единый энергетический комплекс России, основными генерирующими мощностями на полуострове являются ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 общей мощностью 395 МВт, а так же Мутновская ГеоТЭС мощностью 62 МВт. Ведется строительство Толмачевской ГЭС мощностью 20,4 МВт.

В последнее время одной из важных проблем в отечественной энергетике является замена устаревшего парка оборудования на электростанциях и подстанциях электроэнергетических систем (ЭЭС), в особенности ЭЭС районов Крайнего Севера. Так, эксплуатация морально устаревших комплексов релейной защиты может привести к ложным срабатываниям защит или даже их отказу, что в свою очередь приведёт к развитию опасных аварийных ситуаций и снижению надёжности функционирования ЭЭС в целом. Истинная надежность электроснабжения достигается благодаря бесперебойной работе всех элементов энергосистемы и использованию у потребителей устройств релейной защиты, контроля и сигнализации. Всё это предопределяет актуальность темы на сегодняшний день по замене, реконструкции и модернизации комплексов релейной защиты с целью повышения надёжности функционирования.

Качество обеспечивается поддержанием на установленном уровне значений напряжения и частоты, ограничением высших гармоник.

Путем разработки совершенных систем распределения электроэнергии, использования рациональных конструкций комплектных распределительных устройств и трансформаторных подстанций, введения рациональной системы учета энергопотребителя достигается экономичность электроснабжения.

В данном дипломном проекте предполагается исследовать схему электрической сети трансформаторной подстанции «Северная», работающей в автоматическом режиме, и проработать основные вопросы модернизации комплексов релейной защиты силовых трансформаторов и отходящих линий.

На первом этапе проекта необходимо привести общие сведения об объекте проектирования, которые включают в себя описание главной схемы электрических силовых цепей, а также назначение подстанции в районной энергосистеме.

Далее, по данным нагрузок, присоединений подстанции следует произвести выбор силовых трансформаторов и трансформаторов собственных нужд. Кроме этого, необходимо рассчитать все виды токов короткого замыкания (КЗ) и на основании результатов расчёта, произвести проверку выбранного оборудования, настройку релейной защиты подстанции.

Основным вопросом дипломного проекта является модернизация комплекса релейной защиты подстанции, для чего необходимо произвести подробные расчёты параметров срабатывания выбранных более современных защит трансформаторов и отходящих линий электропередачи на полупроводниковой и микропроцессорной элементной базе.

1. Исходные данные для проектирования

1.1 Данные питающей системы

Напряжение системы 110 кВ. Через подстанцию проходит транзит мощности. Мощность короткого замыкания составляет S_кз= 4615 кВ·А.

1.2 Параметры потребителей на стороне низкого напряжения

Напряжение на стороне потребителей 10 кВ. Количество потребителей 16. В режиме максимума, активной нагрузки tgц= 0,73 (cosц= 0,8). Линии, идущие к потребителям кабельные.

2. Расчет и построение графиков электрических нагрузок подстанции

Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а, следовательно, и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электрических станций в энергосистеме непрерывно меняется этот факт отражается графиком нагрузки, т.е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени.

Графики отражают изменение нагрузки за отдельный период времени. По этому признаку их разделяют на суточные, сезонные, годовые и т.д.

График нагрузки необходим для того, что бы определить максимальную мощность или ток, для выбора электрического оборудования и расчета потерь напряжения в электрической сети, для определения суточного и годового энергопотребления, что необходимо для расчета технико-экономических показателей электроустановки или системы электроснабжения.

Таблица 2.1. Распределение нагрузок по часам суток модернизируемой подстанции

Часы	Зима, А	Лето, А
4-00	100	180	150	100	90	110
10-00	190	230	240	70	60	75
22-00	270	335	320	80	75	80

2.1 Построение годовых графиков нагрузки подстанции

Годовой график показывает длительность работы установки в течение года с различными нагрузками. Построение годового графика нагрузки по продолжительности производится на основании уже известных суточных графиков за летние и зимние сутки. При построении годового графика по оси ординат откладываются нагрузки, МВт, по оси абсцисс - часы года от 0 до 8760.

Продолжительность потребления нагрузки (ступени) определяется по длительностям ступеней суточных графиков и количеству календарных дней зимы и лета , причем .

2.2 Годовой график нагрузки

По построенному графику определяем следующие показатели и коэффициенты:

- годовое потребление активной энергии ;

- годовое число часов использования максимума активной мощности ;

- время максимальных потерь .

Годовое потребление активной энергии, определяется по формуле:

(2.1)

где - мощность i-й ступени графика таблицы 2.2, МВт;

- продолжительность i-й ступени графика таблицы 2.2, ч;

n - число ступеней годового графика.

Таблица 2.2. Распределение нагрузок подстанции по часам суток за год

Нагрузки, МВт	Часы в год
14,33	744
13	696
8,3	744
7,5	720
10,6	744
4,8	720
4,3	744
5	720
8,5	744
10	744
13,6	720
10,7	744

Годовое число часов использования максимума активной мощности Р_тах нагрузки, определяется по формуле:

(2.2)

Годовое число часов использования максимума активной мощности:

Время максимальных потерь, определяется по выражению:

(2.3)

Время максимальных потерь:

3. Выбор силовых трансформаторов

При выборе числа трансформаторов (автотрансформаторов) на подстанции следует руководствоваться требованиями к надежности электроснабжения, определяемыми категориями потребителей.

На подстанциях с высшим напряжением 35-750 кВ рекомендуется устанавливать два трансформатора.

На подстанциях устанавливаются, как правило, трехфазные трансформаторы или автотрансформаторы. При выборе типа трансформаторов или автотрансформаторов необходимо учитывать, что они обязательно должны иметь встроенные устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

Мощность трансформаторов выбирается так, чтобы при отключении наиболее мощного из них на время ремонта или замены, оставшиеся в работе, с учетом их допустимой перегрузки и резерва по сетям среднего и низшего напряжений, обеспечивали питание нагрузки. [2]

Расчетная мощность трансформатора (автотрансформатора) определяется на основании построенных суточных графиков нагрузок, по которым находят максимальную нагрузку подстанции. Обычно мощность каждого трансформатора двухтрансформаторной подстанции выбирают равной (0,7 - 0,8) суммарной максимальной нагрузки подстанции.

3.1 Выбор трансформатора на напряжение 110/10 кВ

Расчетная мощность трансформатора определяется согласно выражению:

(3.1)

По справочной литературе [3] выбирается трехобмоточный трансформатор типа ТДТН -16000/110

Условные обозначения выбранного трансформатора:

Т - трехфазный; Д - охлаждение масленое с дутьём и естественной циркуляцией масла; Т - трёх обмоточный; Н - наличие РПН; 16000 - номинальная мощность, кВ·А; 110 - класс напряжения обмотки ВН, кВ.

Паспортные данные трансформаторов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Паспортные данные трансформатора ТДТН-16000/110

Условные обозначения	Значения
, МВ·А	16
, кВ	115
, кВ	11
	19,75
	105
	10,5
	6,5
	18,44
	±9Ч1,78
	1,38

4. Расчет токов короткого замыкания

Согласно проверки, правильности выбора аппаратов и проводников напряжением 6-35 кВ производится по току трехфазного КЗ, а напряжением 110 кВ и выше по току трехфазного или однофазного КЗ Расчет токов КЗ производят в основных коммутационных узлах подстанции. Для определения возможного наибольшего тока КЗ в каждом узле следует считать включенными все генераторы в системе, все трансформаторы и линии электропередачи (ЛЭП) подстанции.

Расчет токов короткого замыкания производится для двух точек, на шинах ВН, НН трансформатора ТДТН (рисунок 4.1).

4.1 Расчёт параметров схемы замещения системы электроснабжения

Рисунок 4.1. Схема замещения для расчёта токов КЗ

Расчёт ведём в именованных единицах точечным методом.

Расчёт эквивалентных сопротивлений.

Сопротивление системы:

трансформаторный подстанция защита микропроцессорный

(4.1)

где напряжение на шинах систем;

мощность короткого замыкания.

Сопротивление трансформатора с РПН, отнесённое к регулируемой стороне высокого напряжения:

(4.2)

где среднее напряжение, приведённое к стороне высокого напряжения согласно

(4.3)

(4.4)

Согласно методического указания принимаем равным 115 кВ.

(4.5)

(4.6)

(4.7)

4.2 Расчёт токов короткого замыкания в точке К1

К1 - точка короткого замыкания на линии перед трансформатором (рисунок 4.1.)

(4.8)

где междуфазное напряжение на шинах системы;

4.3 Расчёт токов короткого замыкания в точке К2

К1 - точка короткого замыкания на линии после трансформатора (рисунок 4.1.)

Максимально возможный ток короткого замыкания:

(4.9)

Приведение к нерегулируемой стороне низкого напряжения осуществляется по минимальному напряжению:

(4.10)

Минимально возможный ток короткого замыкания:

Результаты расчетов токов коротких замыканий сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1. Токи трехфазного короткого замыкания

Точка КЗ.	К1	К2
Значение тока	Iвн	Iнн	Iвн	Iнн
Max	23,13	-	1,63	14,13
Min	23,13	-	0,36	4,09

4.4 Расчёт токов двухфазного короткого замыкания в точке К1

Ток двухфазного короткого замыкания, упрощённо вычисляется по формуле:

(4.11)

4.5 Расчёт токов двухфазного короткого замыкания в точке К2

Максимально возможный ток короткого замыкания:

(4.12)

(4.13)

Минимально возможный ток короткого замыкания:

Результаты расчётов для двухфазных коротких замыканий занесены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2. Токи двухфазного короткого замыкания

Точка КЗ	К1	К2
Значение тока	IВН	IНН	IВН	IНН
Max	20,03	-	1,41	12,2
Min	20,03	-	0,31	3,5

5. Выбор электрических аппаратов

5.1 Выбор коммутационной аппаратуры

Выключатели являются основным коммутационным аппаратом и служат для отключения и включения цепей в различных режимах работы. Наиболее ответственной операцией является отключения токов КЗ и включение на существующее КЗ. При выборе выключателей необходимо учитывать основные требования, предъявляемые к ним:

- выключатели должны надежно отключать любые токи: нормального режима и КЗ, а также малые индуктивные и емкостные токи без появления при этом опасных коммутационных перенапряжений;

- для сохранения устойчивой работы системы, отключения КЗ должно производится как можно быстрее, выключатель должен быть приспособлен для быстродействующего АПВ;

- конструкция выключателя должна быть простой, удобной для эксплуатации и транспортировки, выключатель должен обладать высокой ремонтопригодностью, взрыво - и пожаробезопасностью.

Выбор выключателей производится по следующим параметрам:

по напряжению установки

(5.1)

где - напряжение установки;

- номинальное напряжение выключателя.

по номинальному току

(5.2)

где - номинальный ток выключателя;

- форсированный ток в режиме наибольших нагрузок.

по электродинамической стойкости

(5.3)

где - наибольший пик сквозного тока короткого замыкания;

- ударный ток трехфазного КЗ в точке К1.

Проверка на отключающую способность производится по условию:

(5.4)

где - номинальный ток отключения выключателя;

- действительное значение периодической составляющей тока КЗ в точке К1.

Проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока короткого замыкания:

(5.5)

где - номинальное значения апериодической составляющей в отключаемом токе;

- апериодическая составляющая тока КЗ в точке К1.

На термическую стойкость выключатель проверяется по расчетному импульсу квадратичного тока КЗ по условию:

(5.6)

где - ток и время термической стойкости аппарата к токам КЗ;

- тепловой импульс.

Тепловой импульс вычисляется по формуле:

(5.7)

где - время отключения КЗ определяется:

(5.8)

5.2 Выбор коммутационных аппаратов для РУ 110 кВ

Максимально возможный ток выключателей и разъединителей:

(5.9)

Выбираем выключатель ВГТ-110II-40/2500 У1 с паспортными данными собственное время отключения выключателя:

;

полное время отключения: ;

номинальное напряжение: ;

номинальный отключающий ток: I_{ном откл}=40 кА;

ток динамической стойкости: ;

номинальный ток: ;

номинальное значение апериодической составляющей в отключаемом токе:;

ток термической стойкости, время его действия 40/3 кА/с;

собственное время включения 0,1 с.

Апериодическая составляющая:

ОРУ 110 кВ Т_а принимается равным 0,02 сек.

Ударный коэффициент тока КЗ:

(5.10)

Ударный ток КЗ:

(5.11)

Тепловой импульс тока КЗ:

Условия выбора и проверки выключателей приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Условия выбора и проверки выключателей

Паспортные данные	Условие выбора	Расчетные параметры	Размерность
110		110	кВ
40		20,03	кА
2500		75,21	А
40		3,8	кА
102		45,5	кА
4800		70,2	к А2 ·сек

5.3 Выбор разъединителей РУ 110 кВ

Выбирается разъединитель РДЗ-110/1000-УХЛ1 с паспортными данными:

;

;

;

I_тер=31,5 кА;

t_вкл=3 с;

.

Условия выбора и проверки разъединителей приведены в таблице 5.2.

Таблица. 5.2. Условия выбора и проверки разъединителей

Паспортные данные	Условие выбора	Расчетные параметры	Размерность
110		110	кВ
1000		75,21	А
80		45,5	кА
2977		70,2	к А2 ·сек

5.4 Выбор коммутационных аппаратов для РУ 10 кВ

Выбор выключателей и разъединителей на стороне 10 кВ происходит аналогично выбору аппаратов на стороне 110 кВ.

Максимально возможный ток выключателей и разъединителей:

Максимальный рабочим ток секционного выключателя:

Максимальный рабочий ток на отходящих кабельных линиях:

Выбираем выключатель ВВ/TEL -10 с паспортными данными:

;

;

;

;

;

;

;

;

для системы связанной со сборными шинами 10 кВ применяется равным 0,01 сек.

Ударный коэффициент тока КЗ:

Ударный ток КЗ:

Тепловой импульс тока КЗ:

Условия выбора и проверка выключателей приведены в таблице 5.3

Таблица 5.3. Условия выбора и проверка выключателей

Паспортные данные	Условие выбора	Расчётные данные	Размерность
10		10	кВ
20		12,2	кА
1000		827,4	А
52		23,6	кА
1200		37,95	кА2•сек

5.5 Выбор серии шкафов КРУ для РУ 10 кВ

Выбираются шкафы серии К-63 с выключателями типа BB/TEL-10.

5.6 Выбор ОПН на подстанции

Защитное действие ограничителей обусловлено тем, что при возникновении перенапряжения в сети, вследствие высокой нелинейности резисторов, через ограничители протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого электрооборудования.

На стороне 110 кВ устанавливаются ОПН типа ОПН-110 У1.

Для защиты нейтралей трансформаторов от напряжений, устанавливаем вентильные ОПН.

6. Выбор токоведущих частей на подстанции

6.1 Выбор проводников ошиновки РУ 110 кВ

Для выбора проводников реконструируемой подстанции необходимо знать значение тока в форсированном режиме .

Форсированный ток в проводах можно рассчитать по формуле:

(6.1)

(6.2)

где максимальная нагрузка на высшем напряжении;

номинальное напряжение на высшей стороне 110 кВ.

По таблице 2.5.6 [2] «Минимальный диаметр проводов ВЛ по условиям короны» принимается провод АС-70/11,. Расстояние между фазами В = 300 см, фазы расположены горизонтально.

(6.3)

6.2 Выбор токоведущих частей на напряжение 10 кВ

Выбор кабелей отходящих от шин РУ 10 кВ к потребителям подстанции. Потребители 6-10 кВ получают питание по кабельным линия. В зависимости от места прокладки, свойств среды, механических усилий, воздействующих на кабель, рекомендуются различные марки кабелей. Для модернизируемой подстанции по справочнику выбираем кабели с алюминиевыми жилами, прокладываемые в земле.

Для выбора проводников реконструируемой подстанции необходимо знать значение рабочего тока в форсированном режиме .

Для линий отходящих от трансформатора ТДТН:

Применяется провод АС-150/19 с допустимым током

Расчётные рабочие токи:

Принимаем кабель марки ААШВ - кабель с бумажной пропитанной изоляцией, сечением 3 x 50 с допустимым длительным током

Минимальное сечение по термической стойкости:

(6.4)

где - для кабеля марки ААШВ.

Принятое сечение проходит по условию проверки по термической стойкости.

6.3 Выбор ошиновки на стороне 10 кВ

Максимальный ток (см. п. 5.4)

Выбираются алюминиевые жёсткие шины прямоугольного сечения 100х8 с допустимым током .

Проверка шин на электродинамическую стойкость.

Так как наибольшие электродинамические усилия возникают при трёхфазном повреждении, поэтому проверка шин на электродинамическую стойкость производится по значению ударного тока трёхфазного КЗ, который согласно пункту 5.4.

Усилия между фазами при протекании тока трёхфазного К.З.,

(6.5)

где - расстояние между осями соседних фаз,

Напряжение в материале шин при взаимодействии фаз:

(6.6)

где - расстояние между опорными изоляторами шинной конструкции,

;

- момент сопротивления шин, относительно оси, перпендикулярной

действию усилия, для трёхполосных шин:

(6.7)

где - размеры сечения прямоугольных шин.

Выбранные шины удовлетворяют электродинамической стойкости, т. к.

7. Проектирование системы измерений подстанции

7.1 Выбор трансформаторов тока

Выбор трансформаторов тока производится по напряжению установки, рабочему току первичной цепи, нагрузке вторичной цепи при выбранном классе точности.

Выбор ТА по вторичной нагрузке выполняется по условию:

(7.1)

где - расчётная нагрузка вторичной цепи, Ом;

- номинальная допустимая нагрузка ТА в выбранном классе точности,

Ом.

Так как индуктивное сопротивление вторичной цепи невелико, можно принять, . Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов, соединительных проводов и переходного сопротивления контактов:

(7.2)

Сопротивление приборов:

(7.3)

где - мощность, потребляемая приборами, В•А;

- вторичный номинальный ток приборов трансформатора тока, А.

Переходное сопротивление контактов принимается:

- при количестве подключаемых приборов не более трёх;

- при количестве подключаемых приборов более трёх.

Сопротивление соединительных проводов:

(7.4)

По рассчитанному сопротивлению определяется сечение соединительных проводов:

(7.5)

где - удельное сопротивление материалов провода:

для алюминиевых проводов;

для медных проводов;

- расчётная длина провода от ТА до приборов, м.

По условиям механической прочности сечение соединительных алюминиевых проводов должно быть не менее 4мм², медных проводов - не менее 2,5мм².

7.2 Выбор трансформатора тока в цепи РУ 110 кВ

, :

амперметр ЭА-0702

Выбирается трансформатор ТГФ-110 У1, используется вторая вторичная обмотка в классе точности 0,2:

где ;

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

,

,

По формуле (7.2) определим:

Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=, (7.6)

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 100 кВ l = 50 м, поэтому l_расч= 86,6 м.

7.2.1 Выбор трансформаторов тока встроенных в силовые трансформаторы на стороне 110 кВ

, :

амперметр ЭА-0702

Выбирается трансформатор тока ТВТ-110 I-600/5 в классе точности 3:

;

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

,

,

По формуле (7.2) определим:

Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=,

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 100 кВ l = 50 м, поэтому l_расч= 86,6 м.

,

7.2.2 Выбор трансформаторов тока в цепи секционного выключателя 110 кВ

, :

амперметр ЭА-0702, ,

Выбирается трансформатор ТГФ-110 УХЛ1, в классе точности 0,5:

;

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

По формуле (7.2) определим:

Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=,

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 100 кВ l = 50 м, поэтому l_расч= 86,6 м.

7.2.3 Выбор трансформаторов тока на ввод 10 кВ силового трансформатора

, :

Амперметр ЭА-0702, ;

Ваттметр Ц-301/1, ;

Варметр Ц-301/1, ;

Счётчик активной энергии ЦЭ 6805В, ;

Счётчик реактивной энергии ЦЭ 6811В, ;

Выбирается трансформатор ТПОЛ-10-1000/5 УЗ в классе точности 0,5:

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

По формуле (7.2) определим:

Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=,

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 10 кВ l = 30 м, поэтому l_расч= 52 м.

7.2.4 Выбор трансформаторов тока на отходящие кабельные линии

, :

Амперметр ЭА-0702, ,

Выбирается трансформатор ТПОЛ-10-200/5 УЗ в классе точности 0,5:

;

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

По формуле (7.2) определим:

Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=,

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 10 кВ l = 20 м, поэтому l_расч= 35 м.

,

7.2.5 Выбор трансформатора тока в цепи секционного выключателя 10 кВ

, :

Амперметр ЭА-0702, ,

Выбирается трансформатор ТПОЛ-10-1000/5 УЗ в классе точности 0,5:

;

;

;

;

.

По формуле (7.1) определим:

,

По формуле (7.2) определим:



Сопротивление соединительных алюминиевых проводов

l_расч=,

где l - длина соединительных проводов от трансформатора тока до приборов, принимаем для 10 кВ l = 30 м, поэтому l_расч= 35 м.

,

7.2.6 Выбор трансформаторов тока для подключения измерительных приборов к ТСН

Амперметр ЭА -0702,

Счётчик активной энергии ЦЭ-6805В,

Выбирается трансформатор тока ТК-20.

7.3 Выбор измерительных трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения выбираются по напряжению установки, конструкции и классу точности. Они устанавливаются на каждой секции сборных шин. В РУ 110/10 кВ устанавливаем трёхфазные трансформаторы типа НАМИ с двумя вторичными обмотками, одна из которых служит для присоединения измерительных приборов, другая для контроля изоляции.

Для того, чтобы трансформатор не вышел из заданного класса точности, необходимо соблюдения условия:

(7.7)

где нагрузка измерительных приборов трёх фаз, В·А;

номинальная мощность трансформаторов напряжения, В·А.

В качестве соединительных проводов принимаем по условиям механической прочности принимаем алюминиевые провода сечением 4 мм².

7.3.1 Выбор трансформатора напряжения на стороне 110 кВ

Нагрузкой трансформатора на одну секцию является:

Вольтметр показателей Э-335, ;

Вольтметр регистрирующий Н-344, ;

Частотомер Э-372, ;

Ваттметр Ц-301/1, ;

Варметр Ц-301/1, ;

Счётчик активной энергии ЦЭ-6805В, ;

Счётчик реактивной энергии ЦЭ-6811, .

Выбирается трансформатор напряжения НКФ-110-83У1 в классе точности 0,5

т.е. условие (7.7) выполняется.

7.3.2 Выбор трансформатора напряжения на стороне 10 кВ

Нагрузкой трансформатора на одну секцию является:

Вольтметр показателей Э-335, ;

Вольтметр регистрирующий Н-344, ;

Частотомер Э-372, ;

Ваттметр Ц-301/1, ;

Варметр Ц-301/1, ;

Счётчик активной энергии ЦЭ-6805В, ;

Счётчик реактивной энергии ЦЭ-6811, .

Выбирается трансформатор напряжения НОМ-10-63 У2 в классе точности 1 т.е. условие (7.7) выполняется.

8. Проектирование системы собственных нужд подстанции

Мощность трансформаторов с.н. выбирается по нагрузке с.н. с учетом коэффициентов загрузки и одновременности.

Состав потребителей (нагрузки) с.н. зависит от типа подстанции, мощности силовых трансформаторов, наличия синхронных компенсаторов и типа, электрооборудования.

Таблица 8.1. Потребители собственных нужд подстанции

Вид потребителя	кВт	Кол-во	cosц		, квар
Система охлаждения трансформатора ТДТН-16000/110	1,5	2	0,85	3	1,8592
Подогрев выключателей 110, кВ	1,8	2	1	3,6	0
Подогрев приводов разъединителей, отделителей, шкафа зажимов	0,6	16	1	9,6	0
Отопление, освещение, вентиляция	70	1	1	70	0
Освещение ОРУ 110кВ, наружное освещение	20	1	1	20	0
Маслохозяйство	100	1	1	100	0
Нагрузка оперативных цепей	2,2	1	1	2,2	0

По данным таблицы определяем расчетную мощность:

;

;

где коэффициент спроса, учитывающий коэффициенты загрузки и одновременности ().

Мощность трансформаторов с.н. выбирается: при двух трансформаторах с.н. с постоянным дежурным персоналом

 (8.1)

Для питания сети собственных нужд подстанции используются сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением при защищенном исполнении серии ТМ.

Принимаются к установке два трансформатора ТМ-160/10 со следующими паспортными данными: ; ;

Коэффициент загрузки трансформатора в аварийном режиме определяется выражением:

(8.2)

Коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме определяется выражением:

(8.3)

Коэффициент загрузки трансформатора в аварийном режиме:

Коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме:



Коэффициенты загрузки трансформаторов собственных нужд лежат в допустимых пределах.

Для защиты ТСН выбираются предохранители.

Предохранитель - аппарат, для автоматического однократного отключения электрической цепи при КЗ или перегрузке. Для подстанции на постоянном оперативном токе ТСН присоединяется через предохранители к шинам РУ НН.

Выбор предохранителя производится:

- по конструкции и роду установки;

- по напряжению установки, согласно выражению:

(8.4)

- по номинальному току, согласно выражению:

(8.5)

где расчетный ток цепи собственных нужд на стороне 10 кВ, определяется как:

- по току отключения, согласно выражению:

(8.6)

где периодическая составляющая тока КЗ,

По справочной литературе [3] выбирается предохранители типа ПН2-350 с параметрами:

;

;

.

8.1 Предлагаемое к реконструкции оборудование подстанции

Реконструкция электрической части подстанции предусматривает замену: разъединителей; выключателей 110 кВ, 10 кВ; разрядников; трансформаторов тока; шкафов первой и второй секций ЗРУ 10 кВ; электрических счетчиков; дугогасящих катушек, а так же изменение основной схемы РУ 10 кВ и установку дополнительного выключателя 110 кВ для повышения надежности питания потребителей.

Список предлагаемого к реконструкции и нового оборудования приведен в таблице 8.2.

Таблица 8.2. Предлагаемое к реконструкции и новое оборудование ПС

Наименование оборудования	Тип оборудования, предлагаемого к реконструкции	Тип вновь устанавливаемого оборудования
Разъединитель	РНДЗ-110/1000	РДЗ-110/1000-УХЛ1
Выключатель 110 кВ	ВМТ-110Б-25/1250	ВГТ-110II-40/2500 У1
Выключатель 10 кВ	ВМП-10К	ВВ/TEL-10
Трансформатор тока	ТФНД-110	ТГФ-110 У1
Шкаф секций ЗРУ	К-XII; КР-10-У4	К-63

9. Автоматическая частотная разгрузка, выполненная на микропроцессорной элементной базе (спецвопрос)

9.1 Понятие автоматической частотной разгрузки и ее назначение

Частота переменного тока определяется угловой частотой вращения синхронных генераторов и является одним из основных показателей качества электроэнергии. Отклонение частоты в нормальных режимах от номинального значения f_ном=50 Гц не должно превышать f=0,1 Гц. Допускается кратковременное отклонение частоты не более чем на f=0,2 Гц. Частота в энергосистеме поддерживается персоналом или автоматическим путём изменения впуска пара в турбины турбогенераторов и воды в турбины гидрогенераторов.

При установившейся частоте активная мощность Р_Г, вырабатываемая генераторами, равна активной мощности Р_Н, потребляемой нагрузкой. Успешное регулирование частоты тока возможно при наличии в энергосистеме резерва активной мощности, то есть до тех пор, пока генераторы будут загружены не полностью. При отсутствии в системе резерва активной мощности отключение части генераторов или включение новых потребителей сопровождается снижением частоты. Длительная работа с пониженной частотой (f<48 Гц) недопустима, так как при этом снижается скорость вращения электродвигателей, вследствие чего падает их производительность. На промышленных предприятиях это приводит к нарушению технологии производства и браку, а на электрических станциях - к снижению вырабатываемой генераторами мощности и их ЭДС. Дефицит активной мощности увеличивается и возникает дефицит реактивной мощности, что может привести не только к аварийному снижению частоты (лавина частоты), но и к лавинообразному снижению напряжения (лавина напряжения) и нарушению всей системы электроснабжения.

В таких случаях для восстановления заданного режима работы автоматически отключают часть наименее ответственных потребителей с помощью устройств автоматической частотной разгрузки (УАЧР). Принципиально УАЧР может выполняться реагирующим не только на изменение абсолютного значения частоты, но и на скорость её изменения. Устройство, реагирующее на скорость изменения частоты, обладает некоторыми преимуществами, однако из - за сложности широкого применения не находит.

Устройства АЧР должны удовлетворять ряду требований. Основные из них следующие:

а) обеспечить нормальную работу энергосистемы независимо от дефицита активной мощности, характера причин, вызывающих снижение частоты; не допускать даже кратковременного снижения частоты ниже f=45 Гц; продолжительность работы с частотой f<47 Гц не должна превышать 20 с, а с частотой f<48,5 Гц - 60 с;

б) обеспечить отключение потребителей в соответствии с возникшим дефицитом мощности и не допускать возникновения лавины частоты и напряжения; при этом последовательность отключений должна быть такая, чтобы в первую очередь отключались менее ответственные потребители; восстанавливать частоту до уровня, при котором энергосистема может длительно работать; дальнейший подъём частоты до номинальной возлагается на дежурный персонал энергосистемы;

в) если восстановление нормального режима после действия УАЧР возлагается на устройства автоматики, то УАЧР должно обеспечить подъём частоты до уровня, необходимого для их срабатывания;

г) действовать согласованно с устройствами АПВ и АВР;

д) не действовать при кратковременных снижениях частоты.

Устройства АЧР, как правило, должны находиться на объектах энергосистемы. Если по необходимости часть устройств АЧР находится на объектах потребителей, в том числе на тяговых подстанциях, то их состояние персонал энергосистемы должен систематически контролировать. Эту часть устройств АЧР по возможности следует резервировать на подстанциях энергосистемы устройствами с меньшей частотой и большим временем срабатывания.

Устанавливаются следующие три основные категории АЧР:

а) АЧР I - быстродействующая (с выдержкой времени, не превышающей 0,5 с), имеющая различные установки по частоте, предназначенная для прекращения снижения частоты;

б) АЧР II - с общей установкой по частоте и различными установками по времени, предназначенная для повышения частоты после действия АЧР I, а также для предотвращения зависания частоты на недопустимо низком уровне и ее снижения при сравнительно медленном аварийном увеличении дефицита мощности;

в) дополнительная - действующая по возможности селективно только при местных дефицитах мощности, предназначенная для ускорения разгрузки и увеличении ее объема при особо больших местных дефицитах мощности.

С целью дальнейшего совершенствования разгрузки целесообразно по мере поступления дополнительной аппаратуры переходить от раздельного выполнения разгрузки (когда устройства АЧР I и АЧР II действуют на отключение разных потребителей) к совмещенному, при которых разгрузка, осуществляемая только АЧР I, дополняется вторым пуском от АЧР II. Совмещенное действие обоих категорий АЧР дает возможность лучше использовать объемы разгрузки и соответственно уменьшить принимаемые запасы, обеспечить заданную последовательность действия очередей при мгновенном возникновении дефицита мощности и при нарастании его в процессе аварии (каскадное развитие аварии, снижение мощности электростанций, принявших в начальный период дополнительную нагрузку, и т.д.).

При совмещении действия двух категорий разгрузки на отключение одних и тех же потребителей очереди АЧР I с более низкими уставками по частоте совмещаются с очередями АЧР II, имеющие большие уставки по времени. Кроме совмещенной разгрузки, следует выполнять несколько очередей с пуском только от АЧР II. Для них отводятся начальные установки по времени АЧР II (устройства АЧР II, являющиеся вторыми пусками к устройствам АЧР I, должны иметь большие установки по времени). Назначение не совмещенных очередей АЧР II с начальными установками по времени - сокращение длительности повышения частоты после действия АЧР I при наиболее частых не максимальных дефицитах мощности. Переход на совмещенную разгрузку особенно важен там, где трудно обеспечить необходимые запасы в объеме подключаемых потребителей при раздельном выполнении разгрузки. Появляется возможность обеспечить строгую последовательность отключения потребителей при различном характере аварий.

Мощность потребителей, подключаемых к АЧР, должна выбираться из условия ликвидации любых реально возможных дефицитах мощности и приниматься с некоторым запасом.

Действием АЧР не должны отключаться линии, питающие устройства сигнализации, централизации, блокировки и связи, а также трансформаторы собственных нужд подстанций.

Подсоединять потребителей к устройствам АЧР следует с учетом их ответственности. По мере возрастания ответственности потребителей их следует присоединять к более далеким по вероятности срабатывания очередям (имеющие более низкие по частоте очередям АЧР I и большие выдержки времени очередям АЧР II). Это относится к раздельному и совмещенному выполнению разгрузки.

Следует стремиться полностью использовать все имеющиеся и вновь устанавливаемые устройства АЧР для осуществления наиболее гибкой разгрузки, исходя из возможно большего приближения фактически отключаемой в каждом случае мощности потребителей к реально могущим возникать различным значениям дефицита мощности.

Для этого нужно по возможности равномерно распределять по очередям мощность нагрузки, присоединяемой к АЧР I и АЧР II, а также к ЧАПВ, и иметь возможно большее число равномерно распределенных соответственно по частоте и времени очередей с минимальными интервалами между ними. Минимальные интервалы для АЧР I по возможности следует принимать равными 0,1 Гц, для АЧР II - 3,0 сек, для ЧАПВ (частотное автоматическое повторное включение) - 5 сек.

В первую очередь ЧАПВ следует выполнять при следующих условиях: большой ответственности части потребителей, значительном времени, требующемся для восстановления питания некоторых потребителей после действия АЧР и ликвидации дефицита мощности (подстанции, не имеющие постоянного дежурства персонала, телеуправления, дежурств на дому, расположенные далеко от пункта размещения оперативно-выездных бригад и т.п.

Очередность подключения потребителей к ЧАПВ обратная очередности подключения к АЧР, т.е. потребители, подключенные к последним очередям АЧР, присоединяются к первым очередям ЧАПВ.

Оснащение энергосистем устройствами АЧР и ЧАПВ не снимает с оперативного персонала ответственности за правильное ведение режима энергосистемы. При возникновении в энергосистеме аварийной ситуации, приводящей к возможности опасного снижения частоты (например, в дальнейшем при росте нагрузки в часы максимума), заранее должны быть приняты меры по ограничению потребления. Если работа устройств АЧР оказалась неэффективной, оперативный персонал должен предпринимать решительные действия для предотвращения снижения и зависания частоты на низком уровне.

Должна быть исключена возможность переключения потребителей, отключенных устройствами АЧР, на другой питающий источник энергосистемы при помощи устройства АВР. Вместе с тем при восстановлении частоты и ликвидации аварийного положения, приведшего к снижению частоты в данном районе (например, после включения линий электропередачи), обратное включение потребителей должно быть произведено по возможности быстро.

На электростанциях при снижении частоты в энергосистеме внимание персонала должно быть обращено на работу устройств, позволяющих увеличить выработку активной мощности для ее выпуска в систему. Это прежде всего сохранение нормальной работы механизмов собственных нужд.

В необходимых случаях предусматривается автоматическое отделение питания шин собственного расхода от остальной энергосистемы при снижении в ней частоты или напряжения на время 5с и более. Действие этой делительной автоматики имеет место при затяжной аварии в энергосистеме, вызывающей длительное снижение частоты или напряжения (например, зависание К3 из-за отказа в отключении выключателя). Дежурный персонал в соответствующих случаях резервирует или дублирует работу этой автоматики. На многих электростанциях к шинам собственных нужд подключены линии 6-10 кВ, питающие особо ответственные установки ограниченной мощности, обеспечивающие «живучесть» потребителя и возможность восстановления его нормального функционирования после ликвидации аварийной ситуации в энергосистеме; поэтому правильное действие автоматики, выделяющей на раздельное питание собственные нужды станций при затяжной аварии в энергосистеме, является важным мероприятием, как для электростанции, так и для близко расположенного ответственного потребителя.

Обычно обратное включение выключателя, отключенного действием рассмотренной автоматики, персонал производит вручную и установка ЧАПВ не предусматривается.

9.2 Кратковременное понижение частоты

Кратковременное снижение частоты на зажимах измерительного органа устройств АЧР может возникнуть в следующих случаях:

а) при понижении частоты на шинах приемных подстанций при их обесточении (например, в цикле работы устройств АПВ и АВР) вследствие того, что вращающиеся по инерции синхронные и асинхронные двигатели поддерживают некоторое время напряжение, частота которого постепенно снижается;

б) при понижении частоты во время асинхронного режима и синхронных качаний вследствие возникновения биений напряжения с частотой, отличной от нормальной;

в) при понижении частоты в энергосистеме небольшой мощности во время КЗ вследствие увеличения активных потерь в элементах системы;

г) при кратковременном понижении частоты из-за медленной работы регуляторов частоты вращения гидротурбин при наличии вращающегося резерва мощности.

Работа устройств АЧР при кратковременных понижениях частоты, обусловленных указанными причинами, неоправданная, даже если последующим действием устройств ЧАПВ будет восстановлено электропитание потребителя (перерыв электроснабжения может привести к нарушению производственного процесса). По этой причине целесообразно использовать возможности, позволяющие исключить неоправданную работу устройств АЧР.

9.2.1 Изменение частоты при набросе мощности во время короткого замыкания

Наброс активной мощности при КЗ происходит за счет увеличения активных потерь при прохождении тока КЗ, ощутимого в сетях 35 кВ и ниже.

При КЗ, связанных с отключением потребителей или сопровождающихся большим понижением напряжения в неповрежденных частях энергетической системы, результирующий наброс мощности в системе, очевидно, будет меньшим и будет зависеть от сброса мощности; более того, в ряде случаев сброс мощности может превышать наброс. Учитывать набросы мощности при КЗ следует в изолированно работающих энергосистемах небольшой мощности (до 500 МВт) при отсутствии быстрого отключения поврежденных присоединений и наличии линий с большим активным сопротивлением. В энергосистемах при КЗ наблюдались набросы активной мощности до 50-70 МВт. Если КЗ отключается быстро, то частота не успевает снизиться до значения _срабатывания первой очереди автоматической частотной разгрузки. Поэтому быстрое отключение повреждений рассматривается как основная мера для предотвращения работы устройств АЧР из-за увеличения активных потерь при КЗ в энергосистемах небольшой мощности.

В кабельных реактированных сетях время отключения КЗ составляет 2-3 с. При таких временах наблюдалось снижение частоты до 47,5-48 Гц в энергосистеме мощностью 400 МВт и менее.

Восстановление питания потребителей после отключения КЗ и подъема частоты в энергосистеме осуществляется, как указывалось ранее, ЧАПВ.

9.3 Микропроцессорное устройство автоматической частотной разгрузки «Сириус-АЧР»

Устройство «Сириус-АЧР» предназначено для формирования сигналов отключения фидеров при падении частоты в системе ниже предельно допустимой, а также последующего включения отключившихся фидеров после ликвидации аварии и повышения частоты.

Устройство имеет три очереди АЧР, в каждой из которых предусмотрены две категории - АЧР-I и АЧР-II, работающие на одно общее выходное реле (совмещенная АЧР-II). Для обратного включения отключенной нагрузки после восстановления частоты в каждой очереди предусмотрено своё ЧАПВ. Частота возврата ступени АЧР-II задается отдельной уставкой.

9.3.1 Основные технические данные

Количество групп каналов (очередей) АЧР-I - АЧР-II - ЧАПВ 3;

Диапазон частот уставок по частоте 5-51 Гц;

Диапазон уставок по времени АЧР (категория АЧР-I) 0,1-99,9 с;

(категория АЧР-II) 0,1-99,9 с;

Диапазон уставок по входному линейному напряжению 20-100 В;

Диапазон уставок по времени ЧАПВ 0,2-99,9 с.

9.3.2 Работа и устройство изделия

Устройство имеет два режима работы - импульсный и непрерывный. При импульсном режиме выходные сигналы формируются отдельными выходными реле для АЧР и ЧАПВ каждой очереди, а при непрерывном - сигнал АЧР удерживается до срабатывания ЧАПВ, то есть снятие сигнала АЧР и есть наличие команды на ЧАПВ выключателей (выходные реле ЧАПВ при этом совсем не используется).

Устройство имеет два входных канала измерения частоты - основной и контрольный, предназначенный для предотвращения ложных срабатываний. Уставка контрольного канала по частоте обычно задается выше основного, и без получения от нее разрешающего сигнала каналы АЧР не срабатывают. Контрольный канал имеет свои независимые органы измерения напряжения и частоты, аналогичные основному каналу. Особенностью устройства является функция автоматического переключения вышедшего из строя канала измерения напряжения и частоты с поврежденного на работающий с выдачей сигнала неисправности. Время выявления такой ситуации и переключения составляет 10 с, в течение этого времени функции АЧР и ЧАПВ в устройстве блокируются.

Устройство имеет на передней панели переключатель выбора основной секции, по которой осуществляется измерение частоты (с контролем напряжения). При этом функцию контрольной секции выполняет второй вход устройства. При переключении переключателя секции меняются местами.

В обычном режиме работы на подсвеченном дисплее высвечивается измеренное значение частоты в сети, а также текущие время и дата. Вся информация о текущем состоянии очередей и их срабатывании отображается на светодиодах. В случае появления неисправностей, кроме общего светодиода «Неисправность», на экране выводится подробная расшифровка причины.

Устройство имеет режим «Уставки», в котором можно просмотреть ранее введенные уставки и, при необходимости, их изменить. Корректировка уставок разрешена только при вводе пароля. Предусмотрено две группы уставок, переключающиеся по внешнему сигналу. Ввод уставок в работу происходит только всей группой одновременно, что позволяет изменять уставки на работающем и следящем устройстве.

Устройство имеет режим «Контроль», в котором можно посмотреть все измеряемые величины: входные частоты по обоим входам, входные напряжения по обоим входам, текущие время и дату, положение тумблеров управления и состояние дискретных входов.

В устройстве имеется возможность задать блокировку работы ступеней АЧР-I при превышении скорости изменения частоты выше значения уставки (защита от срабатывания АЧР при отключении ввода и подпитки секции от останавливающихся двигателей).

По линии связи можно в любой момент запросить текущее состояние устройства - что в данный момент сработало, считать и изменить уставки устройства, запросить текущие входные параметры - частоту и напряжения обоих входных каналов. Линия связи имеет два интерфейса - RS232C на передней панели устройства для непосредственного подключения к компьютеру и RS485 или токовая петля - для работы в составе локальной многоточечной сети связи на подстанции. Скорость передачи по линии связи задается уставкой.

Для оперативной проверки непосредственно на объекте в устройстве предусмотрен встроенный цифровой генератор частоты с выходом на внешний эталонный частотомер. Генератор подключается к частотным входам устройства внутри схемы устройства в специальном тестовом режиме. С помощью тестового режима можно проверить все уставки по частоте устройства, время срабатывания ступеней, а также убедиться в правильности измерения частоты с помощью внешнего частотомера.

Устройство питается от сети постоянного или переменного оперативного тока напряжением 220 В. Предусмотрена возможность работы устройства с сигналами как постоянного, так и переменного тока. Устройство выполнено в стальном корпусе и имеет заднее присоединение. Рабочий температурный диапазон - от -20 до +55С.

Подключение устройства осуществляется с помощью клеммных соединителей, установленных на задней панели устройства. В качестве соединителей выходных реле и входных оптронов блока применены разъемные клеммные блоки, позволяющие сохранять проводной монтаж при замене устройства, а также выполнять его еще до установки устройства на панель.

10. Релейная защита понижающих трансформаторов

Согласно ПУЭ на трансформаторах должны быть предусмотрены следующие защиты:

1. Газовая;

2. Дифференциальная;

3. Максимальная токовая защита;

4. Защита от перегрузки;

5. Защита от понижения уровня масла.

10.1 Защита трансформаторов от многофазных коротких замыканий в обмотках и на выводах

Для защиты от повреждений в обмотках и на выводах должны быть предусмотрены следующие виды защит.

Продольная дифференциальная защита на трансформаторах, или токовая отсечка без выдержки времени, устанавливаемая со стороны питания и охватывающая часть обмотки трансформатора, если не предусматривается дифференциальная защита. В данном случае предусмотрена продольная дифференциальная защита.

10.2 Продольная дифференциальная защита с реле типа ДЗТ-11

Первичные токи для всех обмоток защищаемого трансформатора, соответствующие его номинальной мощности:

Первичный номинальный ток со стороны ВН трансформатора,

(10.1)

 (10.2)

Первичный номинальный ток со стороны НН трансформатора,

Выбор типа трансформатора тока, их коэффициенты трансформации и схемы соединений для всех сторон защищаемого трансформатора. Коэффициенты трансформации целесообразно выбирать такими, чтобы вторичные токи в плечах не превышали 5А.

Выбираем трансформатор тока с коэффициентом трансформации:

(10.3)

где - вторичный ток трансформатора тока.

для трансформатора тока, соединенных в треугольник.

принимаем

где для трансформаторов тока, соединенных в неполную звезду.

принимаем

Трансформаторы выбираем типа ТГФ-110-200/5 на высокой стороне, и на низкой стороне ТЛМ-10-1-1500/5.

Определение вторичных токов в плечах защиты:

(10.4)

Выбор основной стороны защищаемого трансформатора. За основную принимают сторону, которая соответствует наибольший из вторичных токов в плечах защиты.

Выбираем низкую сторону.

Ток срабатывания защиты:

(10.5)

где коэффициент отстройки от броска намагничивающего тока.

Ток срабатывания реле:

(10.6)

Число витков обмоток защищаемого трансформатора.

(10.6)

где А.витков - магнитодвижущая сила для срабатывания реле принимаем витков.

Число витков обмоток не основной стороны трансформатора

(10.7)

Принимаем витков.

Ток небаланса максимальный

(10.8)

где составляющая тока небаланса, обусловленная погрешностью

трансформатора тока;

составляющая тока небаланса, обусловленная регулированием

напряжения защищаемого трансформатора;