Расчет понизительной подстанции для питания населенных пунктов

Развитые ОРУ 6-10 кВ промышленных установок с маслонаполненными аппаратами также подлежат защите от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами. При напряжении 35 кВ установка молниеотводов на конструкциях ОРУ, в том числе и на трансформаторных порталах, допускается, если сопротивление заземляющего устройства в месте присоединения к нему молниеотвода составляет не более 4 Ом в зоне радиусом 20 м при сопротивлении грунта менее 500 Ом-м и 30 м - более 500 Ом-м.

При установке молниеотводов на трансформаторном портале необходимо устанавливать вентильные разрядники непосредственно на выводах обмоток 6-35 кВ трансформаторов или на расстоянии от них не более 5 м по длине шин (включая ответвление к разрядникам).

6.2 Защита РУ подстанций от набегающих волн

Распределительные устройства подстанций напряжением 110 кВ должны иметь защиту от перенапряжений при помощи вентильных разрядников. Следует стремиться к возможно меньшим расстояниям от вентильных разрядников до защищаемой изоляции оборудования.

Для защиты РУ 6-10 кВ от волн атмосферных перенапряжений, набегающих с воздушных линий, установка вентильных разрядников производится в соответствии со следующими рекомендациями:

а) установка одного комплекта вентильных разрядников на шинах РУ или у трансформатора достаточна для защиты, как трансформатора, так и изоляции РУ, если связь трансформатора с РУ выполнена кабелями длиной не более 90 м.

При выполнении связи трансформатора с РУ открытым токопроводом вентильный зазрядник, установленный на сборных шинах РУ 6-10 кВ, обеспечивает защиту изоляции, как распределительного устройства, так и трансформатора, если длина открытого токопровода не превышает 60 м, а подход линии 6-10 кВ к распределительному устройству имеет кабельную вставку;

б) при установке молниеотводов на трансформаторных порталах вентильный разрядник 6-10 кВ у ввода трансформатора обеспечивает защиту оборудования РУ при расстояниях между трансформатором и распределительным устройством не более 5м.

6.3 Защита от внутренних перенапряжений

В промышленных электроустановках защита от внутренних перенапряжений осуществляется в тех случаях, когда перенапряжения являются следствием повторяющихся в процессе эксплуатации процессов. В сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, возможны перенапряжения вследствие повторных зажиганий и погасаний электрических дуг емкостного тока при замыкании на землю.

Для защиты от внутренних перенапряжений, связанных с отключением трансформаторов, линий в промышленных электроустановках обычно применяются вентильные разрядники, устанавливаемые в непосредственной близости к защищаемому оборудованию. В отдельных случаях применяются специальные выключатели, обеспечивающие введение в цепь активного сопротивления непосредственно перед моментом отключения, что позволяет снизить величину перенапряжения.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю при помощи дугогасящих аппаратов должна применяться при токе замыкания на землю более 30 А - в сетях 10 кВ.

Защита от грозовых и кратковременных внутренних перенапряжений трансформаторов 110-220 кВ с уровнем изоляции нейтралей I и II выполняется вентильными разрядниками серии РВС. Магнитно-вентильные разрядники рекомендуется применять только для защиты трансформаторов, имеющих неотключаемые кабельные линии длиной более 110 м.

Как было сказано ранее, разрядники являются основным средством ограничения атмосферных перенапряжений. В функцию разрядника входит также гашение дуги сопровождающего тока промышленной частоты, протекающего через искровой промежуток вслед за импульсным пробоем.

Разрядники с гашением сопровождающего тока подразделяются на вентильные и трубчатые. Основным элементом разрядника является искровой промежуток, отделяющий рабочий проводник цепи от заземления.

Защитное действие разрядника состоит в том, что он снижает амплитуду волны перенапряжения до значения, безопасного для целостности изоляции электроустановки.

Велитовый разрядник РВП состоит из колонки велитовых дисков, помещенных в фарфоровый корпус, а также блока искровых промежутков, представляющего собой несколько последовательно соединенных искровых промежутков, каждый из которых состоит из двух фигурных шайб с зажатыми между ними кольцом из миканита.

Велитовые диски изготовляют из зерен карборунда и покрывают очень тонкой пленкой оксида кремния. Их удельное электрическое соединение невелико. Колонка велитовых дисков используется в качестве рабочего сопротивления разрядника. При увеличении приложенного напряжения сопротивление дисков уменьшается. Количество дисков в колонке зависит от номинального напряжения разрядника.

Блок искровых промежутков прижат пружиной к верхней части корпуса разрядника, а количество искровых промежутков в блоке зависит от величины его номинального напряжения.

Защитные свойства вентильных разрядников определяются их вольт-амперной и вольт-секундной характеристиками. Пробивное напряжение разрядника при импульсных напряжениях зависит от вольт-секундной характеристики. Вольт-амперной характеристикой выражается взаимосвязь между импульсным током, проходящим через вентильный разрядник, и остающимся напряжением на разряднике. Обе эти характеристики должны быть ниже испытательных напряжений защищаемой изоляции оборудования. Вид вольт-секундной характеристики определяется конструктивными особенностями электродов и расстоянием между ними. Одна из характеристик представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Вольт-секундная характеристика разрядника и защищаемой изоляции

Если искровой промежуток (на рис. 6.1) S1 имеет вольт-секундную характеристику 1, а промежуток S2 (изоляция) имеет характеристику 2, то волна перенапряжения срезается промежутком S1 еще до того, как произойдет пробой изоляции. Пересечение вольт-секундных характеристик (пунктирная кривая на рис.6.1) означает, что разрядник S1 защищает изоляцию S2 в области больших времен разряда и не защищает в области малых времен.

При перенапряжении в сети происходит пробой искрового промежутка. В этом случае все напряжение будет приложено к колонке велитовых дисков, сопротивление которых резко уменьшится, и через разрядник пойдет электрический ток. В результате линия оказывается заземленной, напряжение снижается до рабочего. В этот момент сопротивление возрастает, и цепь тока перерывается, а возникшая при этом электрическая дуга гасится в искровом промежутке.

При пробое искрового промежутка за импульсным током волны через него под действием рабочего напряжения проходит так называемый «сопровождающий» ток нормальной частоты, который не только поддерживает горение дуги в разряднике, но и нагревает велитовые диски до опасных температур, а также может привести к разрушению искровых промежутков и выходу из строя разрядника. Наличие же искрового промежутка прерывает этот ток за один полупериод.

Разрядники РВП не имеют шунтирующих сопротивлений, поэтому токи утечки у них очень незначительны, а напряжения между искровыми промежутками распределяются неравномерно из-за разности их емкостей. Неравномерность напряжений между искровыми промежутками облегчает пробой разрядника, но отрицательно влияет на работу разрядника при напряжении нормальной (промышленной частоты) частоты, коммутационных перенапряжений и в процессе восстановления напряжения при разрыве дуги.

Более равномерное распределение напряжения между отдельными искровыми промежутками достигается шунтированием промежутков нелинейными омическими сопротивлениями, хотя в этом случае неравномерным остается распределение импульсных напряжений.

Разрядники РВС отличаются от РВП улучшенной характеристикой за счет омических шунтирующих сопротивлений, которые выравнивают распределение напряжения вдоль искровых промежутков. Омические сопротивления изготовляются из керамики и имеют форму подковы. Ими снаружи охватывают небольшие группы искровых промежутков.

Разрядник РВС также является вентильным, поэтому при импульсных токах его сопротивление резко снижается, в результате чего при относительно небольшом падении напряжения на сопротивлении через него протекает большой ток.

Наружные фарфоровые кожухи герметически защищают разрядник РВП и РВС с помощью прокладок из озоностойкой резины диафграмы и армированных фланцев от проникновения в них атмосферной влаги и пыли, которые значительно ухудшают рабочие характеристики разрядников.

Выбор вентильных разрядников производится в соответствии с номинальным напряжением защищаемого оборудования и уровнем электрической прочности его изоляции. На реконструированном объекте сторона 10 кВ защищается от перенапряжений с помощью вентильного разрядника РВП-10, которые установлены в ячейках КРУН.

Номинальное напряжение вентильного разрядника должно соответствовать номинальному напряжению сети, в которой он устанавливается. В РУ, временно эксплуатируемых на пониженном относительно класса опорной и подвесной изоляции напряжении, номинальное напряжение вентильных разрядников должно соответствовать номинальному напряжению силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения. Для защиты изоляции нейтралей обмоток трансформаторов вентильные разрядники выбираются в соответствии с классом изоляции нейтрали обмотки и наибольшей возможной величиной напряжения 50 Гц между нейтралью и землей.

Выбор серии и типа вентильных разрядников следует производить в соответствии с назначением разрядников по виду, защищаемого оборудования

При выборе места установки должно также учитываться следующее. Вентильные разрядники должны устанавливаться, возможно, ближе к защищаемому оборудованию, особенно к оборудованию с более низким уровнем изоляции (вращающиеся машины, силовые трансформаторы). При всех возможных схемах коммутации вся изоляция распредустройства с учетом расширения его должна входить в зону защиты вентильных разрядников.

Присоединение вентильных разрядников к ошиновке подстанций в зависимости от места их установки выполняется: к сборным шинам РУ - через разъединители, общие с трансформаторами напряжения или специально устанавливаемые.

В ОРУ вентильные разрядники устанавливаются на основаниях-фундаментах или на металлических конструкциях высотой не менее 300 мм от уровня планировки подстанции с учетом требований защиты разрядников от ливневых вод.

Минимальная высота основания вентильных разрядников, присоединяемых к ошиновке без разъединителей, не должна быть меньше толщины снежного покрова.

Разрядники, у которых нижняя кромка фарфорового кожуха расположена над уровнем планировки подстанции на высоте не менее 2,5 м, разрешается не ограждать. При меньшей высоте кромки кожуха разрядники должны иметь постоянные ограждения.

6.4 Целесообразность замены разрядников на нелинейные ОПН

Находящиеся в эксплуатации вентильные разрядники вследствие низкой нелинейности вольт-амперной характеристики материала не позволяют обеспечить должный уровень перенапряжений, так как имеют высокое импульсное пробивное напряжение искровых промежутков. Кроме того, у разрядников существует ряд недостатков:

- ограниченная пропускная способность, что заставляет отстроить эти защитные аппараты от большинства внутренних перенапряжений, обладающих большой запасенной энергией;

- после 20-25 лет эксплуатации разрядники повышают свои вольт-амперные и вольт-секундные характеристики, что в итоге ухудшает защиту, электрооборудования от перенапряжений;

- из-за наличия искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений они обладают большими массогабаритными характеристиками;

- промышленностью страны практически приостановлен выпуск вентильных разрядников;

- большинство вентильных разрядников эксплуатируются более 25 лет. По различным причинам эти аппараты исчерпали свой ресурс по пропускной способности и по защитным характеристикам;

- вентильных разрядники в ряде случаев не обеспечивают технико-экономических обоснованных показателей защиты от грозовых, а в ряде случаев и внутренних перенапряжений;

- при коммутации ненагруженных участков сборных шин подстанции 110 кВ и выше разъединителями наблюдаются случаи разрушения вентильных разрядников. Это приводит к серьезным авариям, простою оборудования на длительное время.

Устранить перечисленные недостатки в рамках совершенствования вентильных разрядников, основу конструкции которых составляют последовательно соединенные искровые промежутки и нелинейные резисторы, не представляется возможным. Значительное улучшение защитных характеристик может быть достигнуто при отказе от использования искровых промежутков и использовании резисторов на основе материалов с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и высокой пропускной способностью. Таким материалом, на основе которого можно изготовить высоконелинейные резисторы (варисторы), является оксид цинка, а коэффициент нелинейности для них на порядок меньше по сравнению с коэффициентом нелинейности карборундовых разрядников. На основе этих варисторов изготавливаются новые защитные аппараты, называемые нелинейными ограничителями перенапряжений. Они не содержат искровых промежутков, а их рабочие сопротивления - высоконелинейные варисторы - непосредственно подключаются к проводам защищаемого объекта.

Таким образом, ограничителями перенапряжений (ОПН)- это защитный аппарат, состоящий из нелинейного металлооксидного сопротивления, заключенную в изоляционную покрышку. Сопротивление ОПН состоит из последовательно соединенных высоконелинейных варисторов. Основным отличием ОПН от разрядника, определяющим особенности его выбора и эксплуатации, является его подключение к сети, а не через искровой промежуток. По сравнению с разрядниками ОПН имеют основные преимущества:

- низкий защитный уровень для всех видов импульсных перенапряжений;

- эффективное ограничение коммутационных перенапряжений;

- эффективное ограничение дуговых перенапряжений в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью;

- отсутствие сопровождающего тока после пропускания импульса тока перенапряжения;

- малые габариты и масса.

Конструктивно ОПН различаются по материалу покрышек (фарфоровая или полимерная изоляция), по уровню длительно допустимого рабочего напряжения, по уровню ограничения перенапряжений, по уровню пропускной способности ОПН, по уровню взрывобезопасности.

Под рабочим напряжением через ОПН протекает ток сложной формы миллиамперного диапазона, при этом сопротивление ОПН составляет десятки МОм. С увеличением амплитуды перенапряжений в течение 1 наносекунды сопротивление ОПН падает на несколько порядков, что соответственно увеличивает ток через ограничители. В итоге избыточный ток в защищаемой цепи с помощью ОПН отводится в землю, что резко и глубоко ограничивает амплитуду переходных процессов и тем самым обеспечивает защиту изоляции и изоляционной конструкции. Преобладающее количество преимуществ ОПН над разрядниками позволило заменить последние на ограничители перенапряжения на стороне 35 кВ - ОПН-ПI-35/40,5/10/2ХЛ1.

Создание ОПН позволило отказаться от дорогостоящих и ненадежных искровых промежутков, значительно (на 30-50%) снизить уровень ограничения коммутационных перенапряжений, в 2-3 раза улучшить массово-габаритные показатели защитных аппаратов. Также в «Рекомендациях по технологическому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ» [10] сказано, что на вновь строящихся подстанциях нужно ставить только ОПН.

Заключение

В данной выпускной квалификационной работе предлагался расчет понизительной подстанции 35/10 кВ для питания сел Никольское, Цюрупы, Средний Икорец. Произведена проверка силового трансформатора на подстанции. Так же выполнен расчет токов короткого замыкания для наиболее тяжелого режима на шинах высокого и низкого напряжения. Были выбраны и проверены электроаппараты, токопроводы. Произведена проверка трансформатора собственных нужд подстанции.

В результате проведения технического перевооружения подстанции поменялось оборудование на высокой и низкой сторонах: уменьшилось время отключения и включения аппаратов и, следовательно, время срабатывания релейной защиты. В итоге проведенной работы повысилась надежность питания потребителей.

Список использованной литературы

1. Правила устройства электроустановок. Издание 6-е, переработанное и дополненное с изменениями, Москва: Госэнергонадзор России, 1998.

2. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Издание 4-е, переработанное и дополненное. Москва: Энергоатомиздат, 1989.

3. Боровиков В.А., Косарев В.К., Ходот Г.А. Электрические сети и системы. Издание 2-е, исправленное и дополненное. Ленинград: Энергия, 1968.

4. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. Издание 3-е, переработанное и дополненное, Москва: Энергоатомиздат, 1987.

5. Справочник по проектированию энергетических систем /под редакцией Рокотяна С.С., Шапиро И.М./ Издание 3-е, переработанное и дополненное, Москва: Энергоатомиздат, 1985.

6. Прохорский А.А. Тяговые и трансформаторные подстанции. Издание 4-е, переработанное и дополненное, Москва: Транспорт, 1983.

7. Справочник по энергоснабжению промышленных предприятий, /под общей редакцией Федорова А.А., Сербиновского Г.В./ том 1, Проектно-расчетные сведения, Москва: Энергия, 1973.

8. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения /под редакцией В.В. Афанасьева. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр отд-ние, 1987

9. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения, /под редакцией Баумштейна И.А., Бажанова С.А./ Издание 3-е, переработанное и дополненное, Москва: Энергоатомиздат, 1989.

10. «Рекомендации по технологическому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ»

Размещено на Allbest.ru