Расчет и выбор высоковольтных аппаратов

Расчет и выбор высоковольтных аппаратов

7. Выбор электрооборудования низкого напряжения распределительного устройства:

7.1. Выключателей вводного, секционного и линейного наиболее загруженной линии…………………………………………………………………16

7.2. Выбор кабеля для наиболее загруженной линии…………………….22

7.3. Выбор трансформатора напряжения…………………………………..23

7.4. Выбор трансформатора тока в цепи силового трансформатора с низкой стороны……………………………………………………………………..24

7.5. Выбор трансформатора тока для наиболее загруженной линии……25

8. Спецификация выбранного оборудования для распределительного устройства высокого и низкого напряжения…………………………………….27

Список использованной литературы……………………………………………..29

Курсовая работа по предмету «Высоковольтные аппараты» является завершающей работой по курсу, основная её задача обобщить все полученные знания.

Цель курсовой работы — научиться рассчитывать и выбирать электрооборудование распределительных устройств выше 1000 В, составлять техническую документацию, закрепить навыки чтения и разработки электрических схем в РУ, подготовиться к выполнению квалификационной работы.

При выполнении курсовой работы необходимо: выполнять чертежи, условные обозначения элементов схем согласно стандартам ЕСКД и ЕСТД.

Вариант задания к курсовой работе

Исходные данные для выбора оборудования

ГПП-35/6 2х4 т.кВА

Напряжение КЗ тр-ров U кз %

Длина питающей ЛЭП РПС-ГПП (км)

Сопротивление системы приведённое к высокому

Допустимый перегруз тр-ра в %

Максимальная нагрузка кабельной линии 6 кВ (мВА)

Длина КЛ 6 кВ с Al жилами

Время использования макс нагрузки для всех вариантов Тmax=4500 ч в год

Мощность ТСН Т3 (Т4) (кВА)

Количество ЛЭП подключенных к 1 секции

Принципиальная схема распределительного устройства.

Рис.1 Однолинейная схема ГПП-35/6 кВ

2. Назначение и характеристика электрооборудования распределительного устройства.

На рис.1 изображены следующие виды электрооборудования:

Q 1- Q 8 , QB 1 – выключатели;

QS 1- QS 6 – разъединители;

FU 1- FU 4 – предохранители;

TA 1 – TA 8 – трансформаторы тока;

TV 1 – TV 4 – трансформаторы напряжения;

FV 1 – FV 6 – разрядники (ограничители напряжения);

T 1 – T 3 – силовые трансформаторы;

Опишем каждый электрический аппарат отдельно.

Выключатель нагрузки — выключатель, имеющий дугогасительное устройство небольшой мощности. Предназначен для отключения номинальных токов нагрузки.

Разрядники служат для защиты установки (КТП) от перенапряжений, возникающих в процессе коммутаций и воздействий атмосферных явлений. При повышении напряжения сверхноминального значения разрядник срабатывает и ограничивает напряжение на фазе установки.

Предохранители — электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки.

Автоматические выключатели предназначены для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов, а также для оперативной коммутации отдельных цепей в энергосистемах.

Переключатель предназначен для ручного выключения и отключения тока в цепях с напряжением до 220 В постоянного напряжения и 380 В переменного. При больших значениях напряжения этот аппарат коммутирует цепь при отсутствии тока. Рубильники выпускаются в одно-, двух- и трехполюсных исполнениях.

Силовой трансформатор — стационарный прибор, который посредством электромагнитной индукции преобразует систему переменного напряжения и тока в другую систему напряжения и тока, как правило, различных значений при той же частоте в целях передачи электроэнергии.

Трансформа́торы то́ка служат для измерения, преобразования и передачи информации о режиме работы сильноточной цепи высокого напряжения в цепь низкого напряжения, с целью её последующей обработки, при этом ТА служат для изоляции первичной цепи высокого напряжения от вторичной цепи низкого напряжения, имеющей потенциал земли.

Трансформаторы напряжения предназначены, как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты ЛЭП от замыканий на землю.

Разъединители служат для коммутации обесточенных цепей в целях проведения ремонта или ревизии в высоковольтных аппаратах, а также для выполнения переключений распределительного устройства на резервное питание

Схема замещения для расчёта токов короткого замыкания.

Рис. 2. Схема замещения

Расчёт токов короткого замыкания в точках К-1 и К-2 .

Секционный выключатель QB 1 на шинах 6 кВ ГПП принят нормально отключенным для ограничения токов короткого замыкания и включается автоматически при отключении одного из трансформаторов Т1 , Т2 . Трансформаторы Т1 и Т2 работают раздельно. Составляется схема замещения исходной схеме. Расчёт токов КЗ ведётся в именованных единицах и принимаются индуктивные сопротивления приведённые к ступени напряжения 37,5 кВ. Активными сопротивлениями пренебрегаем.

Определяем сопротивления элементов схемы замещения:

х с = 25 Ом (исходные данные);

где х 0 = 0,4 Ом/км, удельное сопротивление ЛЭП;

Где U н – номинальное линейное сопротивление трансформатора с высшей стороны (35 кВ);

– номинальная мощность трансформатора в мВА, = 4 мВА;

где х 0 = 0,08 Ом/км, удельное сопротивление кабельной линии.

Сопротивление кабельной линии находится на ступени напряжения 6 кВ, это сопротивление необходимо привести к ступени напряжения 37,5 кВ, поэтому приведённое сопротивление кабельной линии будет определено по формуле:

Определяем трёхфазные токи короткого замыкания в точках ( К-1 , К-2 и К-3 ) по формуле:

Где – среднее напряжение ступени равное 37,5 кВ;

— суммарное сопротивление до точки КЗ.

Определяем трёхфазный ток КЗ в точке К-1 :

Определяем ток трёхфазного КЗ в точке К-2 :

Приводим этот ток КЗ к напряжению 6,3 кВ:

Определяем ток трёхфазного КЗ в точке К-3 :

Приводим этот ток КЗ к напряжению 6,3 кВ:

Определяем ударные токи КЗ (амплитудное значение с учётом апериодической составляющей) в точках К-1 , К-2 и К-3 :

Где- ударный коэффициент, зависящий от схемы сети, мощность системы и места КЗ, = 1,8.

Электрооборудование подстанций промышленных предприятий — Выбор оборудования

Технические праметры, характеризующие высоковольтный выключатель
1) номинальное напряжение;
2) номинальный ток;
3) номинальный ток отключения;
4) допустимое (нормированное) относительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения для момента расхождения контактов;
5) номинальный ток включения — это ток который выключатель способен включить без приваривания контактов;
6) ток термической стойкости при заданной длительности протекания этого тока (3-4 с);
7) токи электродинамической стойкости, которые могут быть действующем значением или наибольшим (пиковым) значением;
8) собственное время отключения выключателя — это интервал времени от момента подачи команды на отключение до момента начала расхождения контактов;
9) полное время отключения tоткл — это интервал времени от подачи команды до момента погасания дуги.
Выбор выключателя заключается в обосновании типа выключателя и подборе выключателя с заданными техническими параметрами

Порядок выбора высоковольтного выключателя:
1) выбор начинается с номинального напряжения сети:

2) выбор по длительному току по условию

— максимальный ток нормального режима;
— максимальный ток длительного режима.
Перечисленные 2 тока учитывают аварийные и послеаварийные режимы работы сети. Например, если сеть имеет две параллельные взаиморезервирующие друг друга линии, то максимальный длительный ток в послеаварийном режиме при отключении одной из линий будет равняться двойному расчетному току

3) выбор по симметричному току отключения по условию
,
где -действующее значение периодической составляющей тока КЗ к моменту расхождения контактов;
-действующее значение периодической составляющей тока КЗ от системы;
-действующее значение периодической составляющей тока КЗ от двигателей;
4) определяется нормированное (номинальное) значение апериодической составляющей в токе отключения. Для успешного отключения асимметричного тока КЗ (апериодической составляющей) должно выполняться следующее условие:
,
где — апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов;
5) проверка по включающей способности производится по условиям
,
где — ударный ток КЗ;
— начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя;
— номинальный ток включения.
6) проверка на электродинамическую стойкость по сквозным токам КЗ

7) проверка на термическую стойкость производится по тепловому импульсу тока КЗ:

Вк — расчетный тепловой импульс
Расчеты выбора выключателя должны быть занесены в сравнительную таблицу.

Выбор разъединителей

Учитывают место его установки (ЗРУ или ОРУ), предусматривают заземляющие ножи. Выбор производится по напряжению сети, длительному току, электродинамической и термической стойкости. Выбор по отключающей способности не производится, так как разъединители не предусмотрены для отключения токов КЗ.

Методика выбора нелинейных ограничителей перенапряжений

В ОПН используются варисторы на основе оксидно-цинковых материалов. В отличие от вентильных разрядников, имеющих набор последовательно соединенных искровых промежутков и полупроводникового резистора, выполняющего функцию варистора. ОПН не содержит искровых промежутков, а содержит только варистор, представляющий собой поликристаллическую комбинацию оксида цинка с небольшим добавлением оксидов других металлов. Под воздействием импульсных перенапряжений кристаллы ZnO выстраиваются в цепочки, и сопротивление ОПН резко снижается, и он пропускает номинальный разрядный ток, ограничивая перенапряжение на защищаемом оборудовании (ОПН включается параллельно защищаемому оборудованию). Сочетание хорошей проводимости кристаллов ZnO с большим сопротивлением межкристаллических участков определяет высокую нелинейность ВАХ варистора, что обеспечивает практически мгновенный переход ОПН в проводящее состояние и позволяет исключить искровые промежутки.
Для выбора типа ОПН необходимо знать амплитуду ожидаемых импульсов разрядного тока, допустимое внутреннее перенапряжение изоляции электрооборудования и сопротивление заземляющего устройства. ОПН целесообразно подключать на вводах сборных шин, отходящих присоединений и непосредственно у электроприёмника. Схема соединения — с выведенным на землю нулем. ОПН является основным средством защиты электрооборудования станции и сетей от коммутационных и грозовых перенапряжений. Колонка резисторов ОПН опрессовывается в оболочку из атмосферостойкого полимера, который обеспечивает требуемые механические и изоляционные свойства ограничителя. Некоторые ОПН дополнительно покрываются оболочкой из силиконовой резины, что благоприятно сказывается при высоком уровне атмосферных загрязнений.
При выборе ОПН решают следующие задачи:
1) необходимо ограничить коммутационные и грозовые перенапряжения до значений, при которых обеспечивается надежная работа изоляции электроустановки;
2) кратность ограничения перенапряжения имеет значение 1,75 для коммутационных перенапряжений и 2-2,5 для атмосферных перенапряжений.
3) ОПН должен быть взрывобезопасен при протекании токов КЗ в результате внутренних перенапряжений;
4) ОПН должен соответствовать механическим и климатическим условиям эксплуатации.
В сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией ёмкостного тока замыкания на землю и допускающих неограниченно длительного протекания однофазного тока КЗ на землю должно выполняться следующее условие выбора ОПН по напряжению:
,
где — наибольшее допустимое рабочее напряжение ОПН;
— наибольшее рабочее напряжение защищаемого оборудования.
Выбор ОПН по номинальному разрядному току производится в случае установки его для защиты от грозовых перенапряжений.
В большинстве случаев номинальный разрядный ток принимают равным 5 кА. Разрядный ток — 10 кА принимают в следующих случаях:
1) в районах с интенсивной грозовой активностью (более 50 грозовых часов в год);
2) схема громозащиты двигателя и генератора, присоединенных к воздушной линии;
3) в районах с высокой степенью промышленных загрязнений;
4) схемы грозозащиты, к которой предъявляются повышенные требования надежности.
Ток срабатывания взрывопредохранительного устройства для сброса давления должен быть не менее чем на 10% больше значения двухфазного или трехфазного наибольшего из них тока КЗ в месте сутановки ограничителя

Выбор защитно-коммутационного аппарата

Выключатели высоковольтные включают и выключают электрические цепи высокого напряжения под нагрузкой при коротком замыкании.

Выбираемый выключатель должен, прежде всего, безотказно работать в наиболее тяжелом по условиям эксплуатации режиме работы сети в течение всего срока службы, на который он рассчитан. Поэтому выбор высоковольтного выключателя рекомендуется проводить в два этапа.

На первом этапе следует выбрать конкретный тип выключателя исходя из условий наиболее тяжелого режима работы сети и эксплуатации выключателя (его отключающей способности, требуемой частоты включений и отключений, коммутационных перенапряжений, необходимости иметь (или не иметь) его полную взрыво- и пожаробезопасность и т.п.). На этом этапе при выборе типа выключателя в первую очередь учитывается следующее:

— при напряжении 6-10 кВ и сравнительно редких коммутациях для малоответственных потребителей целесообразно применять масляные выключатели, а при частых коммутациях — более надежные вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы;

— при больших номинальных токах отключения (так же, как и при больших номинальных напряжениях) рекомендуется применять воздушные и элегазовые выключатели, которые хотя и стоят дороже, но ввиду малых расходов на их техническое обслуживание и намного большего срока службы дугогасящих устройств по сравнению с масляными выключателями их применение более оправдано.

На втором этапе следует провести детальное сравнение номинальных параметров выбранного на первом этапе типа выключателя с параметрами электрической сети в месте его установки. При этом обязательно должны выполняться следующие требования: номинальное напряжение выключателя должно быть равно или больше номинального напряжения защищаемой сети; его номинальный длительный ток должен превышать номинальный ток электроустановки; номинальный ток отключения выключателя должен быть больше максимального расчетного тока короткого замыкания к моменту расхождения контактов.

Задание

Выбрать выключатель высокого напряжения.

Проанализировать проделанную работу.

Необходимые данные для расчёта берутся из предыдущих практических работ №1, №2 и №3. Выбор высоковольтного выключателя осуществлять для воздушной линии при коротком замыкании на шинах тяговой подстанции ТП2 в точке К2.

Порядок выполнения расчёта

Высоковольтные аппараты выбирают из условия длительного режима работы и проверяют по условиям коротких замыканий.

Высоковольтный выключатель выбирают из условий

где U_нв, U_н — номинальные значения напряжения выключателя и сети, кВ;

I_нв, I_н — номинальные значения токов выключатели и сети, А;

S_отк.в, S_кз — мощности отключения выключателя и короткого замыкания, МВА.

Мощность отключения выключателя S_отк.в, МВА, определяется по формуле

где I_н.отк.в — номинальный ток отключения выключателя, кА.

Мощность короткого замыкания S_кз, МВА, определяется по формуле

где I_кз (3) — ток трёхфазного короткого замыкания, кА, по формуле (11).

Технические характеристики высоковольтных выключателей представлены в таблице 11.

Таблица 11 – Технические характеристики высоковольтных выключателей

Пример выполнения расчёта

Необходимые данные для расчёта берутся из предыдущих практических работ №1, №2 и №3.

Выбор высоковольтного выключателя осуществлять для воздушной линии при коротком замыкании на шинах тяговой подстанции ТП2 в точке К2.

Технические характеристики высоковольтных выключателей представлены в таблице 11.

Предварительно согласно первым двум условиям (13) и (14) выбираем масляный высоковольтный выключатель ВМП-10-630-20 с электромагнитным приводом ПЭ-11, со следующими техническими характеристиками:

— номинальное напряжение выключателя

— номинальный ток выключателя

— номинальный ток отключения выключателя

— номинальное амплитудное значение тока выключателя

— номинальный ток термической стойкости выключателя

— время действия номинального тока термической стойкости выключателя

— время отключения выключателя

Мощность отключения выключателя

Для воздушной линии выбран провод АС-35, I_доп = 175 А, R = 0,85 Ом/км, Х = 0,403 Ом/км.

Полное сопротивление линии

Трёхфазный ток короткого замыкания

Мощность короткого замыкания

Выключатель выполняет требования по отключающей способности.

По результатам расчёта практической работы выбираем для воздушной кабельной линии выключатель высокого напряжения ВМП-10-630-20 с электромагнитным приводом ПЭ-11.

Контрольные вопросы

1.Какое назначение высоковольтного выключателя в электрических сетях?

2.Каким требованиям должен удовлетворять высоковольтный выключатель?

Выбор силового выключателя 6 кВ

Рассмотрим пример выбора выключателя в сети 6(10) кВ. В нашем случае, нужно выбрать элегазовый выключатель 6 кВ, типа LF (фирмы Schneider Electric), который будет установлен в ячейку КРУ-6 кВ типа Mcset (фирмы Schneider Electric) для питания силового трансформатора типа Minera (фирмы Schneider Electric) мощностью 2500 кВА.

Выбирать выключатель, мы должны из условий: — номинальное напряжение Uуст ≤ Uном;

1. Рассматривая каталожные данные на элегазовые выключатели серии LF и предварительно выбираем выключатель типа LF1 на напряжение 6 кВ, Uуст=6 кВ ≤ Uном=6кВ (условие выполняется);

• номинальный ток Iрасч < Iном;

2. Рассчитываем расчетный ток:

Выбранный выключатель соответсвуют: Iном.=630 А > Iрасч =240,8 А;

3. Проверяем выключатель по отключающей способности.

Согласно ГОСТа 687-78E отключающая способность выключателя представлена тремя показателями:

• номинальным током отключения Iоткл.;
• допустимым относительным содержанием апериодической составляющей тока βном;
• нормированные параметры восстанавливающего напряжения.

3.1 Определяем номинальный ток отключения Iоткл. и βном отнесенные к времени τ — времени отключения выключателя, равно:

τ = tзmin + tc.в = 0,01 + 0,048 = 0,058 (сек)

• tзmin=0,01 сек. – минимальное время действия релейной защиты (в данном случае, быстродействующей защитой является токовая отсечка (ТО));
• tc.в – собственное время отключения выключателя (согласно каталожных данных на выключатель LF1 равно 48 мс или 0,048 сек)

3.2 Номинальный ток отключения Iоткл., находим по каталогу: Iоткл.=25 кА.

3.3 Рассчитываем апериодическую состовляющую тока короткого замыкания:

где: Iп.о=7,625 кА – расчетный ток короткого замыкания на шинах 6 кВ.
Постоянную времени Та выбираем из таблицы 1, согласно таблицы для распределительных сетей напряжением 6-10 кВ Та=0,01.

Таблица 1 — Значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания и ударного коэффициента

3.4 Определяем апериодическую составляющую в отключении тока при времени τ=0,058 сек.

где: βном- допустимое относительное содержание апериодической состовляющей, опеределяем по кривой βном=f(τ) приведенном в ГОСТе 687-78E либо можно найти по каталогам.

Рис.1 — Допустимое относительное содержание апериодической составляющей

Если βном ≤ 0,2, то следует принимать равный нулю.

3.5 Определяем тепловой импульс, который выделяется при токе короткого замыкания:

• tоткл.= tр.з.+ tо.в=0,01+0,07=0,08 сек.
• tр.з. – время действия основной защиты (токовая отсечка) трансформатора, равное 0,01 сек.
• tо.в – полное время отключения выключателя LF1 выбирается из каталога, равное 0,07 сек.

3.6 Проверяем на электродинамическую стойкость по условию:

iу=20,553 кА ≤ iпр.с=64 кА (условие выполняется) где:
iу=20,553 кА – расчетный ударный ток КЗ;
iпр.с= 64 кА – ток динамической стойкости, выбирается из каталога.

3.7 Определим предельный термический ток термической стойкости, исходя из каталога: При этом должно выполнятся условие:

• Iтер. = 25 кА — предельный ток термической стойкости, выбранный по каталогу;
• tтер= 3 сек. — длительность протекания тока термической стойкости, согласно каталога.

Все расчетные и каталожные данные, сводим в таблицу 2

№ п/п	Расчетные данные	Каталожные данные	Условие выбора	Примечание
		Выключатель LF1
1	Uуст=6 кВ	Uном=6 кВ	Uуст ≤ Uном	условие выполняется
2	Iрасч=240,8 А	Iном=630 А	Iрасч< Iном	условие выполняется
3	Iп.о=7,625 кА	Iоткл=25 кА	Iп.о ≤ Iоткл	условие выполняется
4				условие выполняется
5	iу=20,553 кА	iпр.с= 64 кА	iу ≤ iпр.с	условие выполняется
6				условие выполняется

1. ГОСТ 687-78E — Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 кВ
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.
3. Рожкова Л.Д. и Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. − 3-е изд., перераб. и доп. − М., Энергоатомиздат, 1987.