В отношении обеспечения надёжности электроснабжения потребители разделяются на следующие три категории:

Потребители I категории - электроприёмники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб хозяйственной деятельности, повреждение дорогостоящего основного оборудования, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава потребителей I категории выделяется особая группа электроприёмников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

Потребители I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы потребителей I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы потребителей и в качестве второго независимого источника питания для остальных потребителей I категории могут быть использованы местные станции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), специальные агрегаты бесперебойного питания.

Потребители II категории - электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Потребителей II категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для потребителей II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной бригады.

Допускается питание потребителей II категории по одной ВЛ, в том числе с кабельной вставкой, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более одних суток. Кабельные вставки этой линии должны выполняться двумя кабелями, каждый из которых выбирается по наибольшему длительному току ВЛ. Допускается питание потребителей II категории по одной кабельной линии, состоящей не менее, чем из двух кабелей, присоединённых к одному общему аппарату.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены повредившегося трансформатора за время не более одних суток, допускается питание потребителей II от одного трансформатора.

Потребители III категории - все остальные потребители, не подходящие под определения I и II категории.

Для потребителей III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены повреждённого элемента системы электроснабжения, не превышает одних суток.

1.3 Техническое обоснование выбора варианта схемы электроснабжения

Структурная схема является первым этапом в разработке полной принципиальной электрической схемы подстанции. Она составляется на основании исходных данных и дополняется результатами расчётов, выполненных выше.

На схеме указываются тип и мощность трансформаторов, схема подключения к питающей энергосистеме, величины нагрузок на шинах среднего и низшего напряжений.

Рисунок 3 - Структурная схема подстанции Холмск-Южная.

2.2 Разработка упрощённой принципиальной электрической схемы подстанции

Мощность потребителей с. н. невелика, поэтому они присоединяются к сети 380/220В, которая получает питание от понижающих трансформаторов.

Мощность трансформаторов с. н. выбирается по нагрузкам с. н. с учетом коэффициента загрузки и одновременности. Так как на проектируемой подстанции установлено два силовых трансформатора, то принимаем к установке два трансформатора собственных нужд.

Таблица 2 - Нагрузка, потребляемая собственными нуждами подстанции.

Полная нагрузка трансформатора собственных нужд:

, (7/12/)

где УS_УСТ - суммарная полная нагрузка потребителей с. н.;

Расчетная мощность трансформаторов собственных нужд на подстанции с постоянным дежурством выбрана из условия:

, (8/12/)

где К_П - коэффициент перегрузки.

На всех двухтрансформаторных подстанциях 35-750 кВ устанавливаются 2 трансформатора собственных нужд.

К установке приняты 2 трансформатора типа ТМ - 63/10, подключаемые к шинам 10 кВ. Каталожные данные в соответствии с таблицей 2/6 /: S_{н, т} = 63 кВА; U_вн = 10 кВ; U_нн = 0,4 кВ; U_к = 4,5 %; ДP_х = 0,26 кВт; ДP_к = 1,28 кВт.

2.4 Расчет токов короткого замыкания

I_доп - длительно допустимый ток по условиям нагрева, зависящий от сечения и типа токопровода, [А];

Сторона ВН.

(18/1/)

Для районов Сибири и Дальнего Востока, при Т_max > 5000 Ч, экономическая плотность тока равна j_эк =1,0 [А/мм²], так как у нас

Определяем расчетное сечение

F_расч = 53/1.0 = 53 [мм²] (19/1/)

Предварительно выбираем ближайший стандартный провод марки АС 70/11 с I_доп = 265 [А], с диаметром провода 11,0 мм, так как провод меньшего сечения не рекомендуется брать для открытых распредустройств исходя из соображений механической прочности.

Определяем ток ремонтного и послеаварийного режимов

I_{р. форс} = 1,3 * 53 = 68,9 [А] - отсюда мы видим, что ток ремонтного и послеаварийного режимов, значительно меньше допустимого тока для выбранного нами провода.

Для гибких проводников при напряжении 35 кВ. и выше необходима проверка по условиям коронирования. Разряд в виде "короны" возникает около провода при высоких напряженностях электрического поля и сопровождается потрескиванием и свечением. Процессы ионизации воздуха вокруг провода приводят к дополнительным потерям энергии, к возникновению электромагнитных колебаний, создающих радиопомехи и к образованию озона, вредно влияющего на поверхности контактных соединений.

Правильный выбор проводника должен обеспечить уменьшение действие короны до допустимых значений.

Разряд в виде короны возникает при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля, кВ/см:

(20/1/)

где m - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0,82), r_o = 0,55 - радиус провода, см.

Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению, кВ/см:

(21/1/)

где U - линейное напряжение, кВ; D_cр - среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см. D_ср = 1,26D, где D - расстояние между соседними фазами, см.

Для нашего расчета принимаем D = 300 см, тогда D_cр = 1,26*300 = 378 см,

Провода не будут коронировать, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9E_o. Таким образом, условие проверки на корону можно записать в виде:

1,07Е < 0,9Е_о (22/1/)

1,07* 24,96 > 0,9 * 34,89 = 26,71 < 31,4 (кВ/см) - т.е. условие соблюдается и провод не будет коронировать.

Сторона СН.

Экономическая плотность тока для нашего расчета равна - j_эк =1,0 [А/мм²]

Определяем расчетное сечение

F_расч = 165/1.0 = 165 (мм²)

Предварительно выбираем ближайший стандартный провод марки АС-185/43 с I_доп = 515 [А], с диаметром провода 19,6 мм.

Определяем ток ремонтного и послеаварийного режимов I_{р. форс} = 1,3 * 165 = 215 [А] - отсюда мы видим, что ток ремонтного и послеаварийного режимов, меньше допустимого тока для выбранного нами провода.

Для гибких проводников при напряжении 35 кВ. и выше необходима проверка по условиям коронирования. Разряд в виде "короны" возникает около провода при высоких напряженностях электрического поля и сопровождается потрескиванием и свечением. Процессы ионизации воздуха вокруг провода приводят к дополнительным потерям энергии, к возникновению электромагнитных колебаний, создающих радиопомехи и к образованию озона, вредно влияющего на поверхности контактных соединений.

Правильный выбор проводника должен обеспечить уменьшение действие короны до допустимых значений.

Разряд в виде короны возникает при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля, кВ/см:

где m - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0,82), r_o = 0,99 - радиус провода, см.

Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению, кВ/см:

где U - линейное напряжение, кВ; D_cр - среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см. D_ср = 1,26D, где D - расстояние между соседними фазами, см.

Для нашего расчета принимаем D = 80 см, тогда D_cр = 1,26*80 = 101 см, Провода не будут коронировать, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9E_o. Таким образом, условие проверки на корону можно записать в виде:

1,07Е < 0,9Е_о 1,07* 5,29 < 0,9 * 32,27 = 5,66 < 26,14 (кВ/cм) - т.е. условие соблюдается и коронирование будет отсутствовать.

Сторона НН.

Экономическая плотность тока для нашего расчета равна - j_эк =1,0 [А/мм²]

Определяем расчетное сечение

F_расч = 550/1.0 = 550 мм²

Предварительно выбираем токопровод, состоящий из одного провода АС-600/72, I_доп=1050 А одного провода, т.е., что выше расчетного тока.

Определяем ток ремонтного и послеаварийного режимов I_{р. форс} = 1,3 * 550 = 715 [А] - отсюда мы видим, что ток ремонтного и послеаварийного режимов, меньше допустимого тока для выбранного нами провода.

Выбор шин ЗРУ НН.

В закрытых распредустройств 6-10 кВ. ошиновка и сборные шины выполняются жесткими алюминиевыми шинами. Медные шины из-за высокой их стоимости не применяются даже при больших токовых нагрузках. При токах до 3000 А применяются одно - и двухполосные шины. При больших токах рекомендуются шины коробчатого сечения, т.к. они обеспечивают меньшие потери от эффекта близости и поверхностного эффекта, а также обеспечивают лучшие условия охлаждения (допустимая плотность тока в шинах коробчатого сечения значительно больше, 1,92 а/мм² вместо 1,47 а/мм²).

Сборные шины и ответвления от них к электрическим аппаратам (ошиновка) 6-10 кВ. из проводников прямоугольного и коробчатого профиля крепятся на опорных фарфоровых изоляторах.

Согласно ПУЭ сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых и закрытых распредустройств всех напряжений по экономической плотности тока не проверяются.

Выбор сечения шин производится по нагреву (по допустимому току).

При этом учитываются не только нормальные, но и ремонтные и послеаварийные режимы с учетом поправки при расположении шин плашмя или при температуре воздуха отличной от принятой в справочной литературе (25^оС). Допустимая температура нагрева продолжительного режима, согласно ПУЭ, для алюминиевых шин +70^оС.

Для нашей подстанции со стороны НН I_норм = 550 А, а I_max = 715 А.

Принимаем однополосные прямоугольные алюминиевые шины сечением 50х6 мм²_, площадью сечения 300 мм², с допустимым током 740 А, то есть b = 6 мм = 0,6 см, h = 50 мм = 5,0 см.

Алюминий марки АО, допустимое напряжение в материале шин _доп = 82,3 Мпа, модуль упругости Е = 7 * 10¹⁰ Мпа.

Проверка шин на термическую стойкость:

Для ввода 10 кВ трансформатора:

Для выключателя типа ВЧБЭ - 10 - 20 полное время отключения составляет - t_{откл. в.} = 0, 05 C;

Время выдержки времени релейной защиты примем, согласно карте уставок, t_РЗ= 4,0 С.

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, Т_а=0,15 С. Ток КЗ в точке К3

Время действия тока КЗ определяется по формуле:

(23/12/)

Тепловой импульс будет равен:

(24/12/)

Минимально допустимое сечение для этого импульса равно:

(25/12/)

где - функция для определённого материала шин (для нашего расчёта это алюминий), приведённая в таблице 3.16, стр.141, /л.12. /

q_min = 57,42 мм² < q = 300 мм².

Условие проверки выполнено.

Проверка сборных шин на электродинамическую стойкость:

(26/12)

где l - длина пролета между изоляторами, м;

J - момент инерции поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной направлению изгибающей силы см⁴.

Для шин, расположенных "плашмя" - см⁴ /л.12., табл.,4.1., стр., 179/

Для шин, расположенных на "ребро" - см⁴, /л.12., табл.,4.1., стр., 179/

где h - ширина шины, b - толщина шины. q - поперечное сечение шины, см².

Для нашего расчёта: при расположении шин "плашмя"

см⁴

при расположении шин на "ребро"

см⁴

Расстояние между изоляторами при расположении шин "плашмя":

м²

откуда l = 1,34 м, примем l = 1,3 м. Расстояние между изоляторами при расположении шин на "ребро":

м²

откуда l = 0,39 м. Выбирается расположение шин "плашмя", для экономии изоляторов. Рассчитывается наибольшее усилие при 3-х фазном КЗ:

н/м (27/12)

где: а - расстояние между фазами (а = 0,8 м).

н/м

Рассчитывается изгибающий момент (M_max):

(28/12/)

Рассчитывается напряжение в материале шины, возникающие при воздействии изгибающего момента, МПа:

, МПа (29/12/)

где: W - момент сопротивления шины относительно оси перпен-дикулярной действию усилия, см3

cм³ (30/12/)

см³

отсюда МПа

Шины механически прочны если выполняется условие:

где - допустимое напряжение в материале шин (для алюминиевого сплава АД31Т МПа).

Для нашего расчёта:

- шины прочны.

Выбор изоляторов.

В распределительных устройствах шины крепятся на опорных, проходных и подвесных изоляторах. Жесткие шины крепятся на опорных изоляторах, выбор которых производится по следующим условиям:

по номинальному напряжению U_уст < U_ном;

по допускаемой нагрузке F_расч < F_доп,

где F_расч - сила, действующая на изолятор;

F_доп - допустимая нагрузка на головку изолятора;

F_доп = 0,6 F_разр, (31/12/)

где F_разр - разрушающая нагрузка на изгиб по каталогам.

По каталогам выбираем опорный изолятор типа И8 - 80 III УХЛ2, со следующими параметрами:

Номинальное напряжение U_ном = 10 кВ.;

Испытательное напряжение грозового импульса 80 кВ.;

Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб F_разр= 8 000 Н.

При горизонтальном или вертикальном расположении изоляторов всех фаз и расположении шин "плашмя" расчетная сила в Н, действующая на изгиб равна:

; (32/12/)

где i_у = 6540 А - ударный ток на стороне 10 кВ.;

l = 1,3 м - расстояние между изоляторами;

а= 0,8 м - расстояние между фазами;

F_доп = 0,6 F_разр =0,6 * 8000 = 4800 (Н), отсюда видно, что F_расч значительно меньше F_доп, т. е опорный изолятор выбранного типа подходит нам по всем параметрам.

Проходные изоляторы выбираются:

по напряжению U_уст < U_ном;

по номинальному току I_max < I_ном;

по допустимой нагрузке F_расч < F_доп.

По каталогу выбираем проходной изолятор типа ИПУ 10/3150 - 12,5 УХЛ2, со следующими параметрами:

Номинальное напряжение U_ном = 10 кВ.;

Номинальный ток I_ном = 3150 А;

Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб F_разр= 12 500 Н.

По номинальному току выбранный изолятор проходит, т.к., у нас I_max = 715 А < 3150 А.

Проверяем изолятор ИПУ 10/3150 - 12,5 УХЛ2 на механическую прочность:

F_расч = 0,5 * F_и = 0,5 * 12,02 = 6,01 (Н)

F_доп = 0,6 F_разр = 0,6 * 12 500 = 7 500 (Н),

отсюда видно, что F_расч значительно меньше F_доп, т. е проходной изолятор выбранного типа подходит нам по всем параметрам.

Выбор электрических аппаратов.

Для установки на стороне 110 кВ принимаем выключатель серии ВГТ - 110II - 40/2500 У1 (трехполюсный элегазовый баковый выключатель), предназначеный для выполнения коммутационных операций в нормальных и аварийных в сетях трехфазного тока при нормальной частоте. Основными особенностями выключателя являются:

1. Корпус выключателя выполнен методом голоплодного алюминиевого литья;

2. Лавсаноэпоксидные опорные изоляторы в подвеске дугогасительного устройства;

3. Гидропривод с работой в операции отключения 12 кДж;

4. Система управления и диагностики;

5. Дугогасительное устройство автокомпрессионного типа;

6. Фарфоровые ввода с цилиндрическими покрышками;

7. Содержит баковый выключатель со встроенными трансформаторами тока и гидравлический привод;

Условия выбора и проверки выключателя на стороне ВН приведены в таблице 3

Таблица 3-Выбор выключателей на стороне 110 кВ.

Полное время отключения выключателя составляет 0,055 секунд.

Проверим выключатель:

По номинальному напряжению:

U_уст =110 кВ = U_ном=110кВ

По току максимального режима:

I_{р. форс} = 68 А< I_ном=2000 А

По электродинамической стойкости:

i_у =2,81 кА< i_дин=102 кА

Производим проверку выключателя по тепловому импульсу.

Определяем тепловой импульс от тока к. з.:

₍33/12/)

где: t_откл= t_{рз max}+ t_ов= 0,5 + 0,055=0,555 секунды

где: t_ов = 0,055 - полное время отключения выключателя, С;

t_{рз max} = 0,5 - максимальное время действия релейной защиты, С;

Т_а = 0,03 - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, С;

- периодическая составляющая тока КЗ на шинах 110 кВ, кА.

Условие термической стойкости будет иметь вид: