Расчет тяговой подстанции

Одним из звеньев в системе электроснабжения электрифицированных железных дорог являются тяговые подстанции, которые преобразуют электроэнергию поступающую от электрических станций. В зависимости от системы, от которой электрифицированы железные дороги, тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока. Кроме питания электроподвижного состава тяговые подстанции снабжают электроэнергией железнодорожные, промышленные и сельскохозяйственные потребители в районе места их нахождения.

Тяговые подстанции это сложные и мощные электроустановки, требующие от персонала глубоких знаний устройства электроустановок, электрооборудования, схем и аппаратуры управления, а также знаний по технике безопасности при проведении всех работ на тяговых подстанциях.

Проектирование тяговой подстанции выполняется с учетом действующих правил и норм на основании имеющегося опыта эксплуатации и имеющихся достижений науки и технике в области электрифицированного железнодорожного транспорта.

Целью курсового проекта являются обобщения и углубления студентами знаний по дисциплине, изучение современных проблем проектирования.

Грамотно эксплуатировать оборудование тяговой подстанции, уметь наблюдать и анализировать происходящие в нем процессы, при необходимости наметить пути усовершенствования отдельных узлов и иметь уверенность в том, что их осуществление возможно только после тщательного целенаправленного изучения принципа действия и устройства всего того единого целого, что объясняется названием тяговая подстанция.

Тяговые подстанции классифицируют по:

1. Способу подключения к ЛЭП (опорные, транзитные, отпаечные, тупиковые)

2. Роду тока (постоянные, переменные, 1´27,5 кВ, 2´27,5 кВ, смешанные)

3. По способу управления

4. По способу обслуживания (с постоянным дежурным персоналом, с дежурным персоналом на дому, без дежурного персонала)

5. По уровню входного напряжения (220, 110, 35, 10(6) кВ)

6. По виду оборудования (с выпрямительными и с выпрямительно-инверторными агрегатами)

7. По виду аппаратуры на вводе высокого напряжения силового трансформатора (на выключателях, на отделителях и короткозамыкателях)

8. По типу тяговой подстанции (передвижные, стационарные)

9. По конструкции РУ (ОРУ, ОРУ+ЗРУ, ОРУ+ЗРУ+КРУН)

10. По типу здания (панельные, кирпичные)

РЕФЕРАТ

В данном курсовом проекте разработана схема главных электрических соединений тяговой подстанции системы тяги соответствующей варианту задания. Рассчитываются токи коротких замыканий на шинах тяговой подстанции. С учётом рассчитанных токов коротких замыканий производится выбор и проверка аппаратуры, токоведущих частей и изоляторов, применяемых на данной тяговой подстанции. Производится выбор ТСН и аккумуляторной батареи. Рассчитываются заземляющие устройства. Производится расчёт технико-экономических показателей тяговой подстанции.

Курсовой проект содержит.

Рисунков – 11

Таблиц - 9

Чертежей - 1

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Схема внешнего электроснабжения

Рис.1. Схема присоединения к системе внешнего электроснабжения

Тяговая подстанция №5.

Род тока – переменный.

Характеристика источника питания.

МВ×А;

МВ×А; МВ×А;

5. Данные по подстанции. Проверить РУ НН

Понизительный тяговый трансформатор ТДТНЭ-40000/110/35/27,5:

МВ×А;

 кВ;

 кВ;

 кВ;

 кВ×А;

Количество фидеров – 6;

Количество фидеров кс – 5;

Количество трансформаторов – 2;

;

6. Длины участков ЛЭП.

l₁ =55 км; l₂ =40 км; l₃ =45 км; l₄ =50 км; l₅ =50 км;

8. Данные для расчёта заземляющих устройств.

Сопротивление земли: Ом×м; Площадь подстанции: S=8500м²

9. Выдержка времени релейной защиты.

Вводы 110 кВ – 2 с;

Вводы 35 кВ – 1,4 с;

Вводы 27.5 кВ – 1,1с;

Фидер 27.5 кВ – 0.4 с;

Фидер 35 кВ – 0.4 с;

10. Ток длительной нагрузки  Ток аварийной нагрузки

Рис.2 Однолинейная схема главных электрических соединений

Технические характеристики силового трансформатора

Таблица 1

Выбор трансформатора собственных нужд

На тяговой подстанции устанавливают два ТСН с вторичным напряжением 380/220 В, каждый из которых рассчитан на полную мощность собственных нужд.

Питание ТСН на тяговых подстанциях переменного тока осуществляем от шин 27,5 кВ.

Необходимая мощность для питания собственных нужд переменного тока может быть определена суммированием всех мощностей потребителей подстанции.

Расчётная мощность для питания собственных нужд (мощность ТСН) определяется:

Расчётную мощность ТСН определим по формуле:

где: - коэффициент собственных нужд равный 0,006

- число понижающих трансформаторов равно 2

-Номинальная мощность трансформатора равная 40000 кВА

-Мощность устройств автоблокировки равная 40 кВА

-Мощность передвижной базы масляного хозяйства равная 20 кВА

 кВА

По рассчитанной мощности выбираем ТСН типа: ТМЖ –400/27,5/0,4

Расчет токов короткого замыкания

Рис.3. Расчетная схема тяговой подстанции

Рис.4. Электрическая схема замещения до точки к1

Расчёт сопротивлений элементов схемы замещения

Расчет сопротивлений системы найдём относительные сопротивления энергосистемы:

где: - базисная мощность, принимаем 100 МВА;

- мощность короткого замыкания, МВА.

Относительные сопротивления ЛЭП:

где: - удельное сопротивление проводов 1 км линии, =0,4 Ом/км;

l – длина линии, км.

Расчётные значения напряжения К.З. обмоток тяговых трансформаторов определим, используя выражения:

Относительные сопротивления обмоток тягового трансформатора:

где: - номинальная мощность трансформатора, МВА.

Рис.5.замещение 2 линий Хл1 на эквивалентную Хл11

Рис.6. замещение сопротивлений линий Хл11и Хс1 на эквивалентное сопротивление Хс1л11

Рис.7.Схема замещения сопротивления обмоток тр-ра на эквивалентное сопротивление.

Рис.8. Схема замещения до точки К2

Преобразуем схему замещения до точки К2:

Приведём сопротивление на К1 к напряжению 27.5 кВ

Рис.9.

Рис.10.

Расчёт токов короткого замыкания на шинах РУ 27.5 кв.

При расчёте периодической составляющей тока короткого замыкания от источника используем приближенный метод, так как короткое замыкание удалённое.

кА;

Расчёт апериодической составляющей

Апериодическую составляющую определим по формуле:

,

где: - время отключения тока короткого замыкания;

- собственное время отключения выключателя; для выключателя ВВС-35-20/1600 =0.06 с;

- постоянная времени затухания, равная 0,02 сек (1);

- минимальное время срабатывания релейной защиты =0.01 с;

= 0.06+0.01=0.07 с.

кА.

Определение ударного тока.

=27,2 кА;

где: - ударный коэффициент, равный 1,8.

Определение полного тока короткого замыкания.

кА.

Для проверки аппаратуры, токоведущих частей и изоляторов рассчитаем токи двухфазного короткого замыкания, используя выражение:

I⁽²⁾ = ;

где I⁽³⁾ – ток трёхфазного короткого замыкания.

кА; кА;

 кА;  кА;

Выбор аппаратуры и токоведущих частей подстанции

Для обеспечения надёжной работы аппаратуры и токоведущих частей электроустановки необходимо правильно выбрать их по условиям длительной работы в нормальном режиме и кратковременной работы в режиме короткого замыкания.

Выбор аппаратуры и токоведущих частей выполняется по номинальному току и напряжению:

U_уст £ U_н; I_раб.max £ I_н,

где U_уст – номинальное напряжение установки;

U_н – номинальное напряжение аппарата;

I_раб.max – максимальный рабочий ток присоединения, где установлен аппарат;

I_н – номинальный ток аппарата.

Расчёт максимальных рабочих токов основных присоединений подстанции

Максимальный рабочий ток вводов опорной тяговой подстанции определим, используя выражение:

где  коэффициент перспективы, равный 1.3;

- коэффициент транзита, равный 2

n_т – число понижающих трансформаторов

- номинальная мощность трансформатора, В×А;

- номинальное входное напряжение тяговой подстанции, В;

Максимальный рабочий ток сборных шин опорной тяговой подстанции определим, используя выражение:

Максимальный рабочий ток обмотки высокого напряжения тягового трансформатора определим по формуле:

где: - коэффициент перегрузки трансформатора, равный 1.5;

- номинальное напряжение стороны высокого напряжения.

Максимальный рабочий ток обмотки среднего напряжения тягового трансформатора определим, используя выражение:

где:  - номинальное напряжение стороны среднего напряжения, В;

Максимальный рабочий ток обмотки низкого напряжения тягового трансформатора определим, используя выражение:

где:  - номинальное напряжение стороны среднего напряжения, В;

Сборные шины низкого напряжения (27,5 кВ):

где: - коэффициент распределения нагрузки на шинах вторичного напряжения, равный 0,6.

Сборные шины среднего напряжения (35 кВ):

Максимальные рабочие токи фидеров районных потребителей определим по формуле:

где - коэффициент перспективы, равный 1.3;

- полная мощность районного потребителя, В×А;

- номинальное напряжение районного потребителя, В;

Ток фидера районного потребителя

Ток фидера контактной сети (27,5 кВ) принимаем: А.

Расчёт величины теплового импульса для ОРУ 27.5 кВ

Для проверки аппаратуры и токоведущих частей выполняется расчёт величины теплового импульса для всех РУ по выражению:

 кА²×с

где  - начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания;

- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания,

.

где  - время срабатывания релейной защиты рассматриваемой цепи;

 - полное время отключения выключателя.

Результаты расчета оформим в виде таблицы:

Таблица 2

Выбор сборных шин и токоведущих элементов. Выбор изоляторов

Шины открытых РУ 110 кВ и 27,5 выполняют сталеалюминевыми гибкими проводами марки АС.

Выбор гибких шин РУ –27,5 кВ

1) Сечение проводов выбирается по допустимому току:

2)Проверка на термическую стойкость выполняется по формуле:

где: - минимальное сечение, термическое устойчивое при КЗ, мм²

Минимальное сечение, при котором протекание тока КЗ не вызывает нагрев проводника выше допустимой температуры:

где:  - величина теплового импульса;

С – константа, значение которой для алюминиевых шин равно 90, .

3) Проверка по условию отсутствия коронирования.  где: E₀ – максимальное значение начальной критической напряженности электрического поля, при котором возникает разряд в виде короны, кВ/см,

где: m – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода (для многопроволочных проводов m = 0.82);

r_пр – радиус провода, см.

E – напряжённость электрического поля около поверхности провода, кВ/см,

где U – линейное напряжение, кВ;

D_ср – среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см.

При горизонтальном расположении фаз .

Здесь D – расстояние между соседними фазами, см. Для сборных шин приняты расстояния между проводами разных фаз –1.5 и 3.0 м для напряжений 35 и 110 кВ соответственно.

Ввод РУ – 110 кВ, тип шин АС – 700 (4)

1. по допустимому току:

=

по условию отсутствия коронирования

кВ/см;

 кВ/см;

Сборные шины РУ – 110 кВ, тип шин АС – 600 (4)

по допустимому току:

=

по условию отсутствия коронирования

кВ/см;

 кВ/см;

Ввод СН тягового понижающего трансформатора, тип шин АС – 600 (4)

по допустимому току:

=

по условию отсутствия коронирования

кВ/см;

 кВ/см;

Ввод НН тягового понижающего трансформатора, тип шин АС – 800 (4)

1.по допустимому току:

=

2. по условию отсутствия коронирования

кВ/см;

 кВ/см;

3. по термической стойкости:

800мм² > 113мм²

Фидеры контактной сети 27,5, тип шин АС – 150 (4)

по допустимому току:

=

по условию отсутствия коронирования

кВ/см;

 кВ/см;

3. по термической стойкости:

150мм² > 73мм²

Выбор изоляторов

Шины подвешиваются с помощью полимерных подвесных изоляторов. Марки изоляторов и их технические данные представлены в таблице №3 для РУ 110 кВ, РУ 35 кВ и РУ 27,5кВ.

Таблица 3.

Выбор коммутационной аппаратуры. Выключатели

Высоковольтные выключатели выбираются по условиям:

по номинальному напряжению установки:

по номинальному току:

по конструктивному исполнению

Выбранные выключатели проверяются:

на электродинамическую стойкость:

где - ударный ток короткого замыкания, кА.

- предельный сквозной ток, кА

на термическую стойкость:

где:- величина теплового импульса в цепи выключателя, кА²×с;

- ток термической стойкости, кА;

 - время протекания тока термической стойкости, с.

3. по номинальному току отключения:

где: - периодическая составляющая тока короткого замыкания, кА;

 - номинальный ток отключения выключателя, кА;

4. по полному току отключения:

где: - номинальное значение относительного содержания апериодической составляющей в отключаемом токе;

i_к – полный ток КЗ;

5. по номинальному току отключения апериодической составляющей тока КЗ:

где: - номинальное нормируемое значение апериодическая составляющая тока короткого замыкания, кА;

где: - время от начала короткого замыкания до расхождения контактов выключателя.

– минимальное время действия релейной защиты, с;

- собственное время отключения выключателя, с.

6. по включающей способности:

где: - номинальный ток включения выключателя.

РУ 110 кВ

Выключатель: ВЭБ – 110 – 40/2000

по номинальному напряжению установки:

=110кВ = =110, кВ

по номинальному току:

=2000А > =1091 А

РУ-27,5 кВ

Ввода

Выключатель: ВВС-35-20/1600

1 по номинальному напряжению установки:

=35кВ > =27,5, кВ

2 по номинальному току:

=1600А >= 1259,6 А

на электродинамическую стойкость:

=23.5кА < =52, кА

на термическую стойкость:

103.8 < 20²*3

=103.8 < =1200 кА²*с

5. по номинальному току отключения:

=9.3кА <= 20 кА

6. по номинальному току отключения апериодической составляющей тока КЗ:

0,4< 6 кА

7. по полному току отключения:

34,2 > 13.5 кА

8. по включающей способности:

=9.3кА <= 20 кА

=23.5кА < =52 кА

Фидера КС

Выключатель: ВВС-27.5-20/630

1 по номинальному напряжению установки:

=27.5кВ ==27,5, кВ

2 по номинальному току:

=630А >= 450 А

на электродинамическую стойкость:

=23.5кА < =52, кА

на термическую стойкость:

43.2 < 20²*3

43.2 < 1200 кА²*с

5. по номинальному току отключения:

=9.3кА <= 20 кА

6. по номинальному току отключения апериодической составляющей тока КЗ:

=0,4кА< =6 кА

7. по полному току отключения:

34,2 > 13.5 кА

8. по включающей способности:

=9.3кА < =20 кА

= 23.5кА < =52 кА

РУ 35 кВ

Выключатель: ВВС-35-20/1600

1 по номинальному напряжению установки:

=35кВ = =35 кВ

2 по номинальному току:

=1600А > =990 А

Разъединители

Разъединители выбирают по:

по номинальному напряжению установки:

по номинальному току:

Выбранные разъединители проверяются:

на электродинамическую стойкость:

где - ударный ток короткого замыкания, кА.

- предельный сквозной ток, кА

на термическую стойкость:

где:- величина теплового импульса в цепи выключателя, кА²×с;

- ток термической стойкости, кА;

 - время протекания тока термической стойкости, с.

РУ-110 кВ:

Разъединитель РГП-2-110/2000

по номинальному напряжению установки:

=110кВ == 110 кВ

по номинальному току:

=2000А >=1091 А

РУ-27,5 кВ:

Разъединитель РГП-2-35/2000

1 по номинальному напряжению установки:

=35кВ >=27,5 кВ

2 по номинальному току:

=2000А > =1259.6 А

на электродинамическую стойкость:

=23.5кА < =80 кА

на термическую стойкость:

103.8 < 2976.5 кА²с

РУ-35 кВ:

Разъединитель РГП-2-35/1000

1 по номинальному напряжению установки:

=35кВ ==35 кВ

2 по номинальному току:

=1000А >= 990 А

Выбор измерительных трансформаторов. Выбор объёма измерений

Контрольно-измерительные приборы устанавливаются для контроля за электрическими параметрами в схеме подстанции и расчётов за электроэнергию, потребляемую и отпускаемую тяговой подстанцией.

Измерение тока выполняется на вводах силовых трансформаторов со стороны всех ступеней напряжения: на всех питающих и отходящих линиях, фидерах контактной сети, ТСН (с низкой стороны).

Измерение напряжения осуществляется на шинах всех РУ.

Учет активной и реактивной энергии с помощью счётчиков выполняется на вводах низшего напряжения понизительных, тяговых трансформаторов; фидерах потребителей, ТСН (счётчик активной энергии – устанавливается с низкой стороны).

Разработка схем измерений

Схемы измерений необходимы для определения расчетных длин проводов, зависящих от схемы подключения.

Рис 11 Схемы подключения трансформаторов тока

а)

б)

с)

Выбор трансформаторов тока

Трансформаторы тока выбирают:

по номинальному напряжению установки: