Расчет электрофизических воздействий на электрические аппараты высокого напряжения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОЛЬСКИЙ ФИЛИАЛ ПЕТРАЗАВОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчет электрофизических воздействий

на электрические аппараты высокого напряжения»

Дисциплина: Электроэнергетика

(Вариант 17)

Факультет: Информатика прикладная математика

Кафедра энергетики и электротехники

Специальность: Электропривод

Выполнил студент 3 курса, 5 группы:

Волков Дмитрий Васильевич

Преподаватель: Веселов Анатолий Евгеньевич.

АПАТИТЫ

2008

Оглавление

1. Задание

1.1 Описание схемы

1.2 Справочные данные по линиям электропередачи

1.3 Справочные данные по трансформаторам выбранных типов

2. Составление схемы замещения и расчет параметров элементов схемы

2.1 Описание схемы замещения

2.2 Расчет параметров схемы замещения линий электропередачи

2.3 Расчет параметров схемы замещения трансформаторов

2.4 Расчет параметров нагрузки

3. Расчет рабочего тока для заданного режима потребления.

4. Расчет тока короткого замыкания и ударного тока для заданной точки замыкания

5. Определение импульса квадратичного тока

6. Выбор электрических аппаратов

6.1 Технические требования к электрическим аппаратам, устанавливаемым

в конце линии Л3

1. Задание

Ес ном = 10.5 кВ, Zc = 0+j0.49 Ом
Линия электропередачи		Трансформатор
№	Число, тип	Конструкция, сечение фазы, мм	Длина км	Напряжение кВ		№	Мощность МВА	Напряжение КВ
Л1	ВЛ	АС-185	47	110		Т1	3x25	10.5/115
Л2	3xКЛ	(3x120)	2	35		Т2	40	115/38.5/10.5
Л3	ВЛ	АС-70	4	6		T3	5x1.6

1.1 Описание схемы

Схема на рис.1 включает источник тока Ес (генераторы), повышающий трансформатор Т1, включенных на ЛЭП Л1 110 кВ, понижающий трансформатор Т2, к которому на стороне 10.5 кВ последовательно включены линии Л2(35 кВ) и Л3(6 кВ), и группу из пяти трансформаторов нагрузки Т3(по 1.6 МВА).

Так как параметры реактора не заданы, в дальнейших расчетах его не учитываем.

Трансформаторы по схеме заданы следующих типов:

Т1 - повышающий двухобмоточный 3x25 МВА /10.5/115 кВ, ^*)

Т2 - трехобмоточный понижающий трансформатор 40 МВА /115/38.5/10.5 кВ,

Т3 - группа из пяти трансформаторов нагрузки мощностью по 1.6 МВА каждый.

Линии электропередачи заданы воздушные Л1 и Л3 в одноцепном исполнении. Линия Л2 состоит из трёх параллельно включенных кабелей сечением по 120 мм².

^*) Примечание. Если заданы напряжения повышающего трансформатора так же как для понижающего (например, 330 кВ), то необходимо брать коэффициент трансформации с увеличением на 5%, а ЭДС системы с увеличением на 10%, что соответствует средней величине сверхпереходной ЭДС генераторов.

1.2 Справочные данные [1] для выбранных проводов линий электропередачи

№ п/п	ЛЭП	Конструк-ция фазы	Тип Провода	Сопротив-ление постоянному току, rпр* Ом/км	Расчет-ный диаметр, dпр , мм	Индуктивное сопротивление трехжильных кабелей, хл* Ом/км
1	Л1	АС-185	АС-185/29	0.162	18.8
2	Л2	3x120	120 (35кВ)	0.258		0.12
3	Л3	АС-70	АС-70/11	0.42	11.4

(Пояснение. В типе провода под дробью указано сечение стальных жил.)

1.3 Справочные данные по трансформаторам выбранных типов

№ п/п	Тип трансфор-матора	Uном, кВ	Потери, кВт
		ВН	СН	НН	Рх.х	Рк.з.
						В-С	В-Н	С-Н
1	ТРДН-25000/110	115	-	10.5	29	120
2	ТДТН-40000/110	115	38.5	11	50	230

№ п/п	Тип трансфор-матора	Uном, кВ	Iх.х.,%	Uк.з., %
		ВН	СН	НН		В-С	В-Н	С-Н
1	ТРДН-25000/110	115	-	10.5	0.8	10.5
2	ТДТН-40000/110	115	38.5	11	0.9	10.5	17	6

2. Составление схемы замещения и расчет параметров элементов схемы

2.1 Описание схемы замещения

По заданию необходимы расчеты рабочего режима и аварийного режима при возникновении короткого замыкания. Так как ток короткого замыкания и ударный ток ограничиваются только продольными сопротивлениями линий и трансформаторов схему замещения можно упростить, исключив индуктивности намагничивания трансформаторов и емкости линий. Кроме того, исключаем ветви схемы замещения трехобмоточных трансформаторов, через которые не протекает ток замыкания. Тогда схема замещения упрощается и принимает вид, приведенный на рис.2.

Рис. 2

Упрощенная схема замещения

На схеме указаны сопротивления и индуктивности соответствующих элементов: источника тока Rc и Xc, повышающего и понижающих трансформаторов Rт и Xт, нагрузки Rн и Xн. В упрощенном варианте схемы замещения Rт и Xт учитывают параметры двух обмоток трансформатора, через которые протекает ток короткого замыкания. Штрих в обозначении элементов указывает на необходимость приведения реальных значений параметров элементов сети к напряжению участка, для которого выполняется расчет (по заданию 6 кВ).

2.2 Расчет параметров схемы замещения линий электропередачи

1. Для воздушных ЛЭП по [1] выбираем типы опор:

- Л1 одноцепную железобетонную промежуточную свободностоящую типа ПБ110-1,

- Л3 промежуточную для населенной местности П10-1 (П20-1),

Геометрия расположения проводов на опоре и расстояния даны в табл.1.

Таблица 1

Геометрия расположения фаз на опорах воздушных ЛЭП	ЛЭП	Напряжение, кВ	Тип опоры	Расстояния по рис.
				o-a	o-b	o-c	c-b
	Л1	110	ПБ110-1	2,0	2,0	3,5	3,0
	Л3	6	П10-1	0,655	0	0,655	1,13

Определяем расстояния между фазными проводами D_AB, D_BC, D_AC и средне - геометрические расстояния между фазными проводами D_ф для каждой воздушной линии.

Для Л1 м, м,

D_AC=2,0+3,5=5,5 м,

м

Для Л3 м, м, D_AC=0,655+0,655=1,31 м.

м

2. Расчет погонных параметров линий и параметров схемы замещения линий.

а) Находим эквивалентные радиусы фаз ЛЭП.

Для Л1 и Л3 фазные провода не имеют расщепления поэтому эквивалентный радиус фазы равен расчетному радиусу провода: для Л1 r_э=0,5d_пр = 0,50,0188 = 0,0094 м, для Л3 r_э=0,5d_пр = 0,50,0114= 0,0057 м

б) Определим погонное активное r_л^* и индуктивное x_л^* сопротивления линий, а так же сопротивление R_л и индуктивность X_л модели линий:

- для Л1, в которой фаза состоит из одного провода,

r_л^* = r_пр^* = 0,162 Ом/км,

Ом/км,

R_л = r_л^*l_л = 0,162 Ом/км 47 км = 7,62 Ом,

Ом;

- для Л2, состоящей из трёх параллельно включенных кабелей 3х120 мм² с жилами из алюминия (по данным Справочника),

R_л = r_л^*l_л(1/3) = 0.258 Ом/км 2 км (1/3) = 0,172 Ом,

Ом;

- для Л3, в которой фаза состоит из одного провода,

r_л^* = r_пр^* = 0.42 Ом/км,

Ом/км,

R_л = r_л^*l_л = 0.42 Ом/км 4 км = 1.68 Ом,

Ом;

2.3 Расчеты параметров схемы замещения трансформаторов

ТРДН-25000/110 расчет выполнен для стороны 110 кВ

, Ом,

, Ом.

ТДТН-40000/110 расчет выполнен для стороны 110 кВ

, Ом,

, Ом.

2.4 Расчет параметров нагрузки

Расчет параметров нагрузки выполняем по значению номинальной мощности установленных трансформаторов нагрузки.

Полная мощность нагрузки по номинальной мощности трансформаторов нагрузки

Sнн = nтSт = 51,6 = 8 МВА.

Находим активную и реактивную составляющие мощности нагрузки и соответствующие активное и индуктивное сопротивление нагрузки для последовательной схемы ее замещения, принимая значение cos() = 0,85

Ом,

Ом.

Далее параметры элементов модели приводим по напряжению к тому участку цепи, для элементов которого определяются динамические и термические воздействия, т.е. к сети 6 кВ. Для этого используем коэффициенты приведения. Эти коэффициенты можно рассчитать исходя из номинальных напряжений сети, кроме первого участка с повышающим трансформатором. Таким образом, коэффициент приведения источника к стороне 110 кВ равен k_и = 115/10,5 =11. Коэффициент приведения со стороны 110 кВ к 6 кВ k₁₁₀ 110 = 110/6 =18,33. Коэффициент приведения со стороны 110 кВ к 6 кВ k₁₁₀ = 110/6 = 18,33.

С учетом коэффициентов приведения рассчитываем параметры элементов схемы замещения.

Параметры модели источника (системы)

кВ, Ом

Параметры Т1 и Л1(коэффициент 1/3 учитывает включение трёх трансформаторов параллельно)

Ом, Ом.

Ом, Ом.

Параметры Т2

Ом,

Ом,

3. Расчет номинального тока для заданной нагрузки

Ток рабочего режима i₁(t) определяется в виде i₁(t)=I_a1cos(t-₁),

где индекс 1 соответствует рабочему (предаварийному) режиму.

где Z₁, R₁, X₁ - полное, активное и индуктивное сопротивления участка в рабочем (номинальном) режиме

R₁ = R_c' + R_т' + R_л1'+ R_твн'+R_л2+R_л3+R_н =

= 0 + 0,0025 + 0,023 + 0,0056 + 0,172 + 1,68 + 3,8 = 5,7 Ом,

X₁ = X_c' + X_т' + X_л1' + X_твн' + X_л2 + X_л3 + X_н =

= 0,49 + 0,055 + 0,056 + 0,167 + 0,08 + 1,42 + 2,3 = 4,56 Ом

Z_1Н = R₁ + jX₁ = 5,7 + j 4,5 Ом, Ом,

.

Действующее значение номинального тока нагрузки в сети 6 кВ

А.

Здесь Z₁н - сопротивление контура с сопротивлением номинальной нагрузки на трансформаторы Т3 (без учета коэффициента загрузки).

4. Расчет тока короткого замыкания и ударного тока для заданной точки замыкания

Установившийся ток короткого замыкания i_к(t) определяем в виде

I₂(t)=I_2аcos(t-₂).

Сопротивление участка сети от ЭДС до точки короткого замыкания

R₂=R_c'+R_т'+R_л1'+R_твн'+R_л2+R_л3=0+0,0025+0,023+0,0056+0,172+1,68 =1,88Ом,

X₂=X_c'+X_т'+X_л1'+X_твн'+X_л2+X_л3=0,49+0,055+0,056+0,167+0,08+1,42=2,27Ом

Действующее значение тока короткого замыкания

А = 1,4 кА.

Расчет ударного тока для заданной точки замыкания

Находим постоянную затухания переходной составляющей тока к.з.

с.

Определяем наибольшее значение ударного тока в момент времени, когда переменная составляющая достигает максимума, т.е. через полпериода - 10 мс после момента возникновения замыкания.

кА.

Определим величину отключаемого тока при срабатывании релейной защиты за время tз = 0,01 с при собственном времени отключения выключателя tо = 0,1 с для масляного выключателя и при t0 = 0,05 с для вакуумного выключателя. Полное время отключения составит tм = 0,01 + 0,1 = 0,11 с для маслянного выключателя и tм = 0,01 = 0,05 = 0,06 с для вакуумного выключателя. Соответствующие токи отключения равны

Для масляного выключателя

кА.

Для вакуумного выключателя

кА.

Токи отключения одинаковые, так как в данной точке сети переходная составляющая быстро затухает. Действующее значение тока отключения составляет 1,97 / 1,414 = 1,4 кА.

5. Определение импульса квадратичного тока

Так как в заданной схеме не предполагается подпитка тока к.з. от двигателей импульс квадратичного тока можно рассчитать по следующему выражению с учетом зависимости от времени отключения:

, кА²с,

где - действующее значение переменной составляющей тока короткого замыкания,

Дt = tз + tо - время отключения замыкания, включающее время действия защиты (tз) и собственное время отключения выключателя (tо). Для масляных выключателей to = 0,08…0,2 с. Для вакуумных выключателей о = 0,05…0,07 с. Для уставки релейной защиты t = 0,5…1,1 c при использовании масляного выключателя с tо = 0,1 с максимальное время отключения Дt = 1,1 + 0,1 = 1,2 с.

кА²с.

Границы тока термической стойкости Iт определяем из импульса квадратичного тока.

Для выключателей, разъединителей и трансформаторов тока 6 кВ при длительности протекания тока t = 4 с

кА.

6. Выбор электрических аппаратов

6.1 Технические требования к электрическим аппаратам, устанавливаемым в конце Л3

По результатам расчетов определяем с небольшим запасом следующие требования.

Номинальное напряжение - 6 кВ.

Номинальный ток - не менее 600 А.

Амплитуда сквозного тока - предельный ток электродинамической стойкости - не менее 2,2 кА.

Номинальный ток отключения - не менее 2 кА (действующее значение).

Ток термической стойкости - не менее 1 кА.

Допустимый импульс квадратичного тока - не менее 2,35 кА²с.