Электрический расчет распределительной сети 10 кВ железнодорожного узла

Размещено на http://allbest.ru

30

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I» (ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет: «Автоматизация и интеллектуальные технологии»

Кафедра: «Электроснабжение железных дорог»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

тему: «Электрический расчет распределительной сети 10 кВ железнодорожного узла»

по дисциплине: «Электроснабжение и электропитание нетяговых потребителей»

Санкт-Петербург

2019



Введение

Цель курсовой работы - приобретение практических навыков проектирования устройств электрических сетей; изучение методов расчета электрических сетей для нормальных и послеаварийных режимов; изучение вопросов оценки технико-экономической эффективности капиталовложений в электрические сети.

В курсовой работе предусмотрен выбор конфигурации и расчет распределительной сети 10 кВ железнодорожного узла. В работе выполнены следующие разделы:

- определение мощности трансформаторных подстанций и выбор трансформаторов;

- составление и выбор вариантов схем соединений сети;

- электрический расчет сети;

- определение потерь энергии в сети;

- технико-экономическое сопоставление вариантов;

- составление схемы сети.

Исходные данные для выполнения электрического расчета распределительной сети 10кВ железнодорожного узла приведены в таблице 1

Таблица 1

Расстояния между ТП, км	А-ГПП	(к)	1,0
	ГПП-Б	(л)	1,1
	А-В	(м)	0,5
	В-Г	(н)	0,8
Мощность нагрузки, кВт	А		250
	Б		650
	В		600
	Г		350
Коэффициент мощности	А		0,8
	Б		0,87
	В		0,88
	Г		0,8
Годовое число часов использования наибольшей нагрузки, ч	А		4500
	Б		5400
	В		5100
	Г		3700
Основная плата в месяц, руб/кВт
Дополнительная плата, руб/кВтч
Провода ВЛ марки	АС
Тип опоры ВЛ	железобетонные
Район по интенсивности гололедных образований	2



1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ И ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ

Выбор количества трансформаторов зависит от требований к надежности электроснабжения потребителей, питающихся от подстанций, и является технико-экономической задачей.

Применение однотрансформаторных подстанций допускается для питания потребителей 3-й категории во всех случаях и для потребителей 2-й категории мощностью до 10 МВт при наличии централизованного резерва. В курсовом проекте предполагается наличие такого резерва.

В работе принято, что от ГПП и подстанций Б и В питаются электроприемники 1-й, 2-й и 3-й категорий, а от подстанций А и Г - электроприемники 2-й и 3-й категорий.

Поэтому на подстанциях Б и В установлено по два трансформатора, а на А и Г по одному. электрический железнодорожный трансформаторный

Мощность однотрансформаторной подстанции определяется максимальной нагрузкой трансформатора:

Мощность двухтрансформаторной подстанции определяется максимальной нагрузкой трансформатора:

Где: P_max - максимальная активная нагрузка подстанции, кВт ;

cosц - коэффициент мощности нагрузки.

Мощность трансформаторов двухтрансформаторной подстанции выбирается так, чтобы при аварийном выходе одного трансформатора, оставшийся воспринял бы на себя нагрузку потребителей 1-й и 2-й категории с учетом допустимой перегрузки в аварийном режиме.

В этом случае мощность одного трансформатора такой подстанции можно определить по формуле:

где k - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки и аварийные перегрузки, k = 0,7.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) допускают при аварийных режимах перегрузку трансформаторов на 40% на время максимума общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 суток.

Для однотрансформаторных подстанций А и Г максимальная мощность S_max, кВА, рассчитывается по формуле (1.1)

Для двухтрансформаторных подстанций Б и В максимальная мощность S_max, кВА, рассчитывается по формуле (1.2)

Значение, полученное по указанным условиям принимается в качестве расчетного.

По расчетным значениям мощностей нагрузок трансформаторов выбирают в каталоге ближайшее к нему стандартное значение номинальной мощности трансформатора S_Т, так, чтобы выполнялось условие (1.1).



В таблице 2 представлены выбранные трансформаторы и их паспортные данные.

Таблица 2

Подстанция	Количество трансформаторов	Smax, кВА	ST, кВА	Марка трансформатора			uкз, %	iхх, %
					?Pхх, кВт	?Pкз, кВт
А	1		400	ТМ-400/10	1,05	5,5	4,5	2,1
Б	2		630	ТМ-630/10	1,56	7,6	5,5	2,0
В	2		630	ТМ-630/10	1,56	7,6	5,5	2,0
Г	1		630	ТМ-630/10	1,56	7,6	5,5	2,0



2. СОСТАВЛЕНИЕ И ВЫБОР ВАРИАНТОВ СХЕМ СОЕДИНЕНИЯ СЕТИ

На основе технико-экономических расчетов необходимо выбрать вариант с оптимальной конфигурацией электрической сети.

На рис. 1 показано, какие варианты можно предложить для схемы соединения четырех подстанций, питаемых от одного источника. Необходимо отобрать три лучших и сделать по ним технико-экономическое сравнение.

Рис. 1. Возможные варианты схем соединения подстанций



На рисунке 2 показана схема расположения подстанций

Рис.2 Схема расположения подстанций

Выполняется расчет дополнительных параметров сети электроснабжения:

Рассчитывается суммарная длина воздушных линий для каждой схемы.

? Рисунок 1, Схема №1

? Рисунок 1, Схема № 2

? Рисунок 1, Схема № 3

? Рисунок 1, Схема № 4

? Рисунок 1, Схема №5

? Рисунок 1, Схема № 6

? Рисунок 1, Схема № 7

По результатам расчетов производится выбор трех оптимальных вариантов конфигурации электрической сети наименьшей длины.

В данном случае это схемы соединений подстанций под номерами 1, 5 и 6 (рис. 1).



3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СЕТИ

По каждому из трех выбранных вариантов выполняется электрический расчет, целью которого является определение сечений проводов на отдельных участках сети с последующей проверкой сечений по условиям послеаварийного режима.

По заданной схеме расположения и значения нагрузок, полагая сечение одинаковым во всей линии, находят распределение активных и реактивных мощностей по упрощенным формулам и наносят их на расчетную схему.

Реактивная мощность каждой подстанции определяется по формуле:

Q_i = P_i?tg ц_i , (3.1)

где: P_i - активная мощность i-ой подстанции, кВт.

Полная мощность каждой подстанции определяется по формуле:

S_i = P_i +jQ_i , (3.2)

где: P_i - активная мощность i-ой подстанции, кВт;

Q_i -реактивная мощность i-ой подстанции, Вар.

Формула (3.2) - алгебраическая форма комплекса полной мощности.

Активная мощность ГПП определяется по формуле:

Р_ГПП1 = ; (3.3)

Р_ГПП2 = , (3.4)

где: P_i - активная мощность i-ой подстанции, кВт;

L? длина всей линии, км;

- расстояние от ГПП до i-ой подстанции, км.

Проверка выполняется по формуле:

, (3.5)

где: - сумма активных мощностей ГПП, кВт;

? сумма активных мощностей подстанций, кВт.

Реактивная мощность ГПП определяется по формуле:

Q_ГПП1 = ; (3.6)

Q_ГПП2 = , (3.7)

где: -реактивная мощность i-ой подстанции, Вар;

L? длина всей линии, км;

- расстояние от ГПП до i-ой подстанции, км.

Проверка выполняется по формуле:

, (3.8)

где: - сумма реактивных мощностей ГПП, вар;

? сумма реактивных мощностей подстанций, вар.

Определяются значения полной мощности и тока на каждом участке:

, (3.9)

где: - активная мощность i-ой подстанции, кВт;

? реактивная мощность i-ой подстанции, вар.



(3.10)

(3.11)

где: -активная мощность i-ой подстанции, кВт;

-реактивная мощность i-ой подстанции, вар;

- ток i-ой подстанции, А;

? напряжение линии, В.

Определяют эквивалентный ток по формуле:

(3.12)

где: - ток i-го участка, А;

? длина i-ой участка, км;

L? длина линии, км.

Вычисляют экономическое сечение проводов.

Поскольку значение экономической плотности тока зависит от годового числа использования наибольшей нагрузки, так как от распределительной сети питается четыре подстанции, каждая со своим временем максимальной нагрузки, то экономическая плотность тока определена по средневзвешенному времени использования наибольшей нагрузки.

= (3.13)

где: - средневзвешенное время наибольшей нагрузки, ч;

- годовое число часов использования максимальной нагрузки, ч;

? активная мощность i-го участка , кВт.

Определяют экономическое сечение проводов по формуле:

(3.14)

где: - экономическое сечение провода, мм²;

- расчетный ток линии, А;

? экономическая плотность тока, А/мм².

Потерю напряжения до точки раздела мощностей определяют по формуле:

ДU = , (3.15)

где: -активная мощность i-ой подстанции, кВт;

-реактивная мощность i-ой подстанции, вар;

? активное сопротивление линии, Ом/км;

? реактивное сопротивление линии, Ом/км;

? напряжение линии, В.

Выбранное сечение провода проверяют по допускаемой потере напряжения. Потеря напряжения в процентах определяется по формуле:

ДU%= ?100% (3.16)

Расчет радиальных и магистральных участков сети выполняется в такой же последовательности (за исключением пунктов, относящихся к определению точки раздела мощностей).



3.1 Электрический расчёт кольцевой сети (Рисунок 1/схема №1)

Кольцевую схему (рис.1 схема №1) разрезают по источнику питания и представляют ее в виде линии с двухсторонним питанием рис.3. По заданной схеме расположения и значения нагрузок, полагая сечение одинаковым во всей линии, находят распределение активных и реактивных мощностей по упрощенным формулам и наносят их на расчетную схему.

Реактивная составляющая рассчитывается по формуле (3.1):

tgц_А = 0,75; = ?tgц_А=250?0,75 = 188 (квар);

tgц_Б = 0,57; = ?tgц_Б=650?0,57 = 371 (квар);

tgц_В = 0,54; = ?tgц_В=600?0,54 = 324 (квар);

tgц_Г = 0,75; = ?tgц_Г=350?0,75 = 263 (квар).

Полная мощность каждой подстанции рассчитывается по формуле (3.2):

S_А = 250 +j188;

S_Б = 650 +j371;

S_В = 600 +j324;

S_Г = 350 +j263.

Расчетные данные по мощностям подстанций сведены в табл. 2.

Таблица 2

п/п	Подстанции
	А	Б	В	Г
cosц	0,8	0,87	0,88	0,8
tgц	0,75	0,57	0,54	0,75
Р, кВт	250	650	600	350
Q, квар	188	371	324	263
S	250 +j188	650 +j371	600 +j324	350 +j263



Активная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.3):

Активная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.4):

Проверка выполняется по формуле (3.5):

+

941+909=250+600+350+650;

1850(кВт)=1850(кВт).

Реактивная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.6):

Реактивная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.7):

Проверка выполняется по формуле (3.8):

+

593+553=371+263+324+188;

1146 (кВАр)=1146 (кВАр).



Рис.3. Расчетная схема кольцевого участка сети в нормальном режиме.

Рассчитывают значение полной мощности на каждом участке по формуле (3.9):

Рассчитывают значения тока на каждом участке по формуле (3.10):

Рассчитывают значение эквивалентного тока по формуле (3.12):



Рассчитывают средневзвешенное время использования наибольшей нагрузки по формуле (3.13):

= 4859 (ч).

При =4859 ч экономическая плотность тока для алюминиевых проводов согласно табл.5.1 равна 1,1 А/мм².

Экономическое сечение провода определяют по формуле:

== 41,2 (мм²).

Предварительно принимаем сталеалюминевый провод марки АС-50 со следующими параметрами из приложения 1, табл.1, :

активное сопротивление = 0,65 Ом/км;

реактивное сопротивление = 0,392 Ом/км;

Выбираем допустимый длительный ток из табл.6 215А.

По допустимому току провод удовлетворяет условию ? для всех участков сети, так как ток на этих участках меньше 215А.

Потеря напряжения до точки раздела мощностей рассчитывается по формуле (3.14):

ДU = 122,1(В).

Потеря напряжения в процентах определяется по формуле (3.15):

ДU%= ?100% = 1,2%

В курсовой работе допускаемая потеря напряжения в нормальном режиме принята 7% . Вычисленные значения потери напряжения не превышают допускаемые выбранного сечения.

Таким образом, данное сечение удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме.

Наиболее тяжелый послеаварийный режим, выпадение из работы того головного участка по которому в нормальном режиме передается большая полная мощность. В нормальном режиме большая мощность передается по головному участку ГПП1, поэтому этот участок выпадает в послеаварийный режим. Схема кольцевого участка сети в послеаварийного режиме изображена на рисунке 4.

Рис.4. Схема кольцевого участка сети в послеаварийном режиме.

Выбранное сечение по нагреву провода головного участка в послеаврийном режиме проверяется по формуле (3.11):

Полученный ток меньше допустимого тока по нагреву 126215А.

Выбранное сечение по допускаемой потере напряжения в послеаварийном режиме проверяется по формуле (3.14):

Д=404,3(В).

Потеря напряжения в процентах рассчитывается по формуле (3.16):

ДU%= ?100% 4,04 %

В курсовой работе допускаемая потеря напряжения в послеаварийном режиме принята 12% . Вычисленные значения потери напряжения не превышают допускаемые выбранного сечения.

Таким образом для схемы кольцевого питания по условиям выполненных проверок принимают провод марки АС-50.

3.2 Электрический расчёт комбинированной (Рисунок 1/схема №5)

Схему в расчетном отношении разбивают на кольцевую и магистральную части.

Кольцевой участок сети разрезается по источнику питания и представляется в виде схемы двухстороннего питания.

3.2.1 Кольцевой участок схемы 5

Кольцевой участок схемы 5 представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Кольцевая часть схемы 5.

Полная мощность каждой подстанции рассчитывается по формуле (3.2):

Активная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.3):



Активная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.4):

Проверка выполняется по формуле (3.5):

1200 = 1200.

Реактивная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.6):

Реактивная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.7):

Проверка выполняется по формуле (3.8):

775 = 775.

Значения полной мощности на каждом участке рассчитываются по формуле (3.9):

Значения тока на каждом участке рассчитываются по формуле (3.10):

Средневзвешенное время использования наибольшей нагрузки рассчитывают по формуле (3.12):



Если то

Эквивалентный ток рассчитывают по формуле (3.13):

Сечение проводов рассчитывают по формуле (3.14):

По каталогу выбирается провод АС - 50 со следующими параметрами:

Удельное активное сопротивление линии: R₀ = 0,65 Ом/км;

Удельное реактивное сопротивление линии: X₀ = 0,392 Ом/км;

Предельно допустимый ток: I_доп = 215 А.

Потеря напряжения рассчитывается по формуле (3.15):

Потеря напряжения в процентах рассчитывается по формуле (3.16):

Потеря напряжения не превышает допустимой величины 7%.

Таким образом, данное сечение удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме.

В послеаварийном режиме следует считать вышедшим из строя головной участок ГПП2, так как наибольшая полная мощность передается по нему. Схема кольцевого участка сети в послеаварийном режиме изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема кольцевого участка цепи в послеаварийном режиме.



Выбранное сечение по нагреву провода головного участка в послеаварийном режиме проверяется по формуле (3.11):

Максимальный ток в послеаварийном режиме не превышает допустимого длительного тока для данного сечения (I_доп = 215 А):

Выбранное сечение по допустимой потере напряжения в послеаварийном режиме проверяется по формуле (3.15):

Потеря напряжения в процентах рассчитывается по формуле (3.16):

Значение потери напряжения не превышает 12%.

Таким образом, сечение АС-50 удовлетворяет всем условиям в послеаварийном режиме.

3.2.3 Магистральный участок схемы 5

Магистральный участок схемы 5 представлен на рисунке 7.

Рис. 7. Магистральная часть схемы 5 для нормального режима работы сети.



Полная мощность участка определяется по формуле (3.9):

(кВА).

Ток участка находится по формуле (3.10):

(А) (на 2 провода);

для 1 провода .

Годовое число часов использования наибольшей нагрузки подстанции Б:

Т_{М Б} = 5400 (ч).

При данном Т_М экономическая плотность тока участка составляет:

j_эк = 1 (А/мм²).

Экономическое сечение проводов для участка определяется по формуле (3.14):

Ближайшее стандартное значение для участка S = 25 мм².

По каталогу выбирается провод АС - 25 со следующими параметрами:

Удельное активное сопротивление линии: ;

Удельное реактивное сопротивление линии: ;

Предельно допустимый ток: А.

Потеря напряжения до подстанции Б определяется по формуле (3.15):

Относительная потеря напряжения определяется по формуле (3.16):

Потеря напряжения не превышает допустимой величины 7%.



Таким образом, сечение АС-25 удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме.

Аварийный режим, возможный в данной схеме - это выход из строя одной из цепей двухцепной линии. Поэтому схема послеаварийного режима примет вид, представленный на рисунке 8.

Рис. 8. Схема для послеаварийного режима магистрального участка схемы 5 (подстанция Б).

Ток участка останется прежним и будет равен , что удовлетворяет требованиям по нагреву провода (:

.

Максимальная потеря напряжения определяется по формуле (3.15):

Относительная потеря напряжения определена по формуле (3.16):

Значение потери напряжения не превышает 12%.

Таким образом, сечение АС-25 удовлетворяет всем условиям в послеаварийном режиме.



3.3 Электрический расчёт комбинированной (Рисунок 1/схема №6)

3.3.1 Расчет магистрального участка цепи (ГПП-В-А)

Расчетная схема представлена на рисунок 9.

Рис. 9. Магистральная часть схемы 6 для нормального режима работы сети.

Полная мощность участка определяется по формуле (3.9):

(кВА).

(кВА).

Токи на отдельных участках находятся по формуле (3.10):

(А) (на 2 провода);

для 1 провода .

(А)

Средневзвешенное время использования наибольшей нагрузки для первого участка:

Если то

Экономическое сечение проводов для участка определяется по формуле (3.14):

Ближайшее стандартное значение для участка S = 35 мм².

По каталогу выбирается провод АС - 35 со следующими параметрами:

Удельное активное сопротивление линии: ;

Удельное реактивное сопротивление линии: ;

Предельно допустимый ток: А.

Потеря напряжения до участке ГПП-В определяется по формуле (3.15):

Относительная потеря напряжения определяется по формуле (3.16):

Потеря напряжения не превышает допустимой величины 7%.

Таким образом, сечение АС-35 удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме.

В послеаварийном режиме на участке ГПП -В остается одна цепь, расчетная схема приведена на рисунке 10. В случае обрыва провода на участке В-А подстанция А остается без питания.

Рис. 10. Расчетная схема магистрального участка цепи в послеаварийном режиме

Проверка выбранного сечения по нагреву головного участка в послеаварийном режиме производится по формуле (3.10):

(А)

Полученный ток меньше допустимого тока по нагреву 57,29А < 130А. Проверка выбранного сечения по допускаемой потере напряжения в послеаварийном режиме производится по формуле (3.15):

Относительная потеря напряжения определяется по формуле (3.16):

Провода марки АС-35 удовлетворяют условию потери напряжения в послеаварийном режиме, т.к. допускаемые потери напряжения меньше 12 %

Для участка В-А:

Средневзвешенное время использования наибольшей нагрузки для первого участка: = 4500 ч.

При данном Т_М экономическая плотность тока участка составляет:

j_эк = 1,1 (А/мм²).

Экономическое сечение проводов для участка определяется по формуле (3.14):

Ближайшее стандартное значение для участка S = 25 мм2.

По каталогу выбирается провод АС - 25 со следующими параметрами:

Удельное активное сопротивление линии: ;

Удельное реактивное сопротивление линии: ;

Предельно допустимый ток: А.

Потеря напряжения на участке определяется по формуле (3.15): Относительная потеря напряжения определяется по формуле (3.16):

Потеря напряжения не превышает допустимой величины 7%.

Таким образом, сечение АС - 25 удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме



3.3.2 Расчет кольцевого участка цепи схемы 6.

Кольцевой участок схемы 6 представлен на рисунке 11.

Рис. 11. Кольцевая часть схемы 6.

Полная мощность каждой подстанции рассчитывается по формуле (3.2):

Активная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.3):

Активная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.4):

Проверка выполняется по формуле (3.5):

1000 = 1000.

Реактивная мощность ГПП1 рассчитывается по формуле (3.6):

Реактивная мощность ГПП2 рассчитывается по формуле (3.7):

Проверка выполняется по формуле (3.8):

634 = 634.

Значения полной мощности на каждом участке рассчитываются по формуле (3.9):

Значения тока на каждом участке рассчитываются по формуле (3.10):

Средневзвешенное время использования наибольшей нагрузки рассчитывают по формуле (3.12):

Если то

Эквивалентный ток рассчитывают по формуле (3.13):

Сечение проводов рассчитывают по формуле (3.14):

По каталогу выбирается провод АС - 25 со следующими параметрами:

Удельное активное сопротивление линии: R₀ = 1,15 Ом/км;

Удельное реактивное сопротивление линии: X₀ = 0,402 Ом/км;

Предельно допустимый ток: I_доп = 142 А.

Потеря напряжения до точки токораздела мощности рассчитывается по формуле (3.15):

Потеря напряжения до точки токораздела в процентах рассчитывается по формуле (3.16):

Потеря напряжения не превышает допустимой величины 7%.

Таким образом, данное сечение удовлетворяет всем условиям в нормальном режиме.

В нормальном режиме большая мощность передается по головному участку ГПП2, поэтому этот участок выпадает в послеаварийном режиме. Схема послеаварийного представлена на рисунке 12.

Рис. 12. Расчетная схема кольцевого участка цепи.

Проверка выбранного сечения по нагреву головного участка в послеаварийном режиме производится по формуле (3.10):

(А)

Полученный ток меньше допустимого тока по нагреву 68,4А < 142А. Проверка выбранного сечения по допускаемой потере напряжения в послеаварийном режиме производится по формуле (3.15):

Относительная потеря напряжения определяется по формуле (3.16):

Провода марки АС-25 удовлетворяют условию потери напряжения в послеаварийном режиме, т.к. допускаемые потери напряжения меньше 12 %

Размещено на Allbest.ru