Проектирование электрической подстанции - дипломная работа

64

Введение

Электрической подстанцией называются электроустановки, предназначенные для преобразования и распределения электроэнергии.

Главные схемы подстанции выбираются на основании схемы развития энергосистемы или схемы электроснабжения района.

На подстанциях 35 - 750 кВ обычно устанавливают один или два трансформатора (автотрансформатора). Выбор числа и мощности автотрансформатора производится с учетом требований к надежности электроснабжения, характера графиков нагрузки и допустимых систематических и аварийных перегрузок трансформаторов по ГОСТ.

При дипломном проектировании используют нормативные материалы, составленные на базе обобщения опыта проектирования, монтажа и эксплуатации электрических подстанций. Например, правила (ПУЭ), нормы (НТП), руководящие указания (по расчету токов короткого замыкания, выбору и проверки аппаратов и проводников по условию короткого замыкания).

Применяют типовые проектирования подстанций, принцип которого состоит в использовании при проектировании объекта ранее разработанных фрагментов проекта. Каждая проектируемая подстанция индивидуальна, поскольку индивидуальны исходные данные, условия и следовательно техническое задание на ее проектирование.

Данный дипломный проект посвящен расчету электрооборудования подстанции 500/220/10 кВ, ТЭЦ -3*300МВт.

Рост потребностей в электроэнергии в Республики Казахстан обеспечивает хорошие перспективы развития этой отрасли. При этом должна обеспечиваться экономичная эксплуатация энергетических объектов, а также высокое качество проектных и строительных работ. По этому расчет эффективности проектирования и расширения трансформаторной подстанции является весьма актуальным.

Объектом исследования в дипломной работе является подстанция 500/220/10 кВ. Оборудование подстанции предлагаемой заданием на данную дипломную работу включает два трансформатора АОТДЦТН 267000/500/220.

Целью дипломной работы является расчет показателей экономической эффективности проектирования и расширения подстанции.

Для достижения указанной цели необходимо выполнить следующие задачи:

- определение годового отпуска электроэнергии от подстанции;

- расчет капитальных вложений в строительство подстанции;

- расчет себестоимости трансформации электроэнергии;

- расчет окупаемости и рентабельности подстанции.

1 Построение графиков нагрузки для обмоток трансформаторов высокого, среднего, низкого напряжения

Согласно исходных данных максимальная мощность на 220 кВ составляет 400 МВт, и на 500 кВ 800 МВт. По этим значениям определяем процентное соотношение графика нагрузок для среднего и низкого напряжения трансформаторов.

Для данной подстанции 500/220/10 кВ график нагрузки трансформатора приведен для среднего напряжения 220 кВ.

Рассчитываем ступени графика в именованных единицах на низком напряжении по формуле [1, с. 40]

(1.1),

,

Для определения нагрузки высокого напряжения трансформатора, необходимо сложить нагрузки среднего и низкого обмоток напряжения. График нагрузки приведен ниже.

Рассчитываем ступени графика в именованных единицах на высоком напряжении трансформатора подстанции 500 кВ

Для расчета полной мощности, кроме активной составляющей необходимо определить реактивную мощность нагрузки, которую определяем следующим выражением

(1.2),

где - активная мощность нагрузки, МВт;

- реактивная мощность нагрузки, Мвар;

- тангенс угла который определяет по заданному

Определяем для нагрузки напряжением 220 кВ

,

Рассчитываем реактивные нагрузки.

График потребления реактивной мощности нагрузки напряжением 200 кВ

Определим полную мощность обмоток высшего напряжения трансформатора ПС

Составляем график полной мощности обмоток высокого напряжения трансформатора, согласно таблице 1.1

Таблица 1.1 - Результирующая таблица токов через обмотки трансформаторов

2. Выбор трансформаторов на подстанции

На подстанции предполагается установить три трехобмоточных трансформатора. Производим выбор трансформатора с учетом отключения одного трансформатора, чтобы второй пропустил всю мощность. Для этого производим проверку на перегрузку по условиям.

(2.1),

где Smax - максимальная мощность высшей обмотки трансформатора, которая равна 871 МВ·А;

1,4 - коэффициент перегрузки, в послеаварийном режиме.

Подставляя известные данные в (2.1), получаем

Принимаем трансформатор ближайший по мощности к расчетной . Тип трансформатора ТДТН-267000/500/220/10, с номинальной полной мощностью 267 МВА. Произведем проверку этого трансформатора на перегрузку.

По полному графику мощности, рисунок 2.1 определяем

Таблица 2.1 - Трехобмоточные трансформаторы 220 кВ

3. Расчет токов короткого замыкания на проектируемой подстанции

Расчет токов короткого замыкания производится с целью проверки выбранного электрооборудования на термическое и электродинамическое действие.

Активная максимальная мощность, передаваемая в систему по линиям 500 кВ равна 800 МВ·А. Длина линий по заданию составляет 850 км.

Наибольшая передаваемая мощность составляет 800 МВт. Определим количество линий на 500 кВ по выражению

Составляем расчетную схему сети. Предварительно определим количество линий на 500 кВ по пропускной способности линии.

(3.1),

64

Рисунок 3.1 - Расчетная схема подстанции

Составляем схему замещения для расчетов токов короткого замыкания в точках К1, К2.

64

Рисунок 3.2 - Схема замещения подстанции

Расчет производим в относительных базисных единицах. За базисную мощность Sб принимаем 1000 МВ·А.

Сопротивление энергосистемы определяется по формуле при Sк=1000 МВ·А

(3.2),

Сопротивление линии электропередачи определяется по выражению

(3.3),

где Худ - индуктивное сопротивление линий, Ом/км;

Uв - высокое номинальное напряжение, кВ.

Подставляя известные значения в (9), получаем для Л1 и Л2

,

Сопротивления трансформатора определяются по формуле

(3.4),

Исходя из задания турбогенераторы типа ТГВ-300 имеют исходные параметры [1, с 610]

,

где Х"d - сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси генератора, о.н.е;

Sн - номинальная мощность генератора, МВ·А.

Сопротивление генератора определяется по формуле

Для блочного трансформатора по заданию следующего типа ТЦ - 4000000/500, Uк=11,5%.

Сопротивление трансформатора определяется по формуле (10)

.

Определяем базисный ток Iб на всех ступенях

Расчет тока короткого замыкания в точке К1

Сворачиваем схему замещения относительно точки К1

Преобразованная схема замещения относительно точки К1 имеет следующий вид

64

Рисунок 3.3 - Эквивалентная схема замещения относительно точки К1

Находим периодический ток в начальный момент отключения

Расчет тока короткого замыкания в точке К2

Сворачиваем схему замещения относительно точки К2 на стороне 220 кВ.

Так как два трансформатора одинаковой мощности, преобразуем следующим образом

64

Рисунок 3.4 - Эквивалентная схема замещения относительно точки К2

Преобразуем звезду сопротивлений Х1, Х2, Х3 в треугольник Х4, Х5, Х6

64

Рисунок 3.5 - Эквивалентная схема замещения

Рисунок 3.6 - Эквивалентная схема замещения

Определяем ток короткого замыкания от системы

Определяем ток короткого замыкания от генератора

Все рассчитанные величины приводятся на рисунке 3.2.

Определяем токи КЗ для указанных точек и выбираем выключатели

Выбираем выключатель ВГБ-500, установлены со стороны высокого напряжения трансформатора.

Собственное время отключения tc, в=0,035с [1, с 630]

Для точки К1 имеем

Определяем номинальный ток генераторов

Периодический ток для момента ? от источников системы равен начальному значению периодического тока

Определим в точке К1

Рассчитываем апериодические токи для точки К1 для момента времени ?

где - определяем по кривым при известных величинах ? и Та.

Рассчитываем ударные токи для точки К1 при значении ударного коэффициента Куд=1,717

Рассчитываем токи КЗ для точки К2

Выбираем выключатель ВГБ-220, установлены со стороны среднего напряжения трансформатора.

Собственное время отключения tс, в=0,05с [1, с 630]

Для точки К2 имеем

Определяем номинальный ток генераторов

Периодический ток для момента ? от системы равен начальному значению периодического тока

Определим в точке К2

Рассчитываем апериодические токи для точки К2 для момента времени ?

где - определяем по кривым при известных величинах ? и Та

Рассчитываем ударные токи для точки К2 при значении ударного коэффициента Куд=1,608.

Все расчетные токи короткого замыкания сведем в таблицу 3.1

Таблица 3.1 - Результирующая таблица точек К1, К2.

Для точки КЗ приведены данные, соответствующие значениям в точке К3»

4. Выбор электрооборудования выключателей, разъединителей, трансформаторов тока, трансформаторов напряжения, шин

Выбор выключателей и разъединителей на ОРУ 220 кВ

Расчетные параметры, номинальные данные, условия выбора и проверки выключателей и разъединителей

Таблица 4.1 - Выбор и проверка выключателей и разъединителей ВН

Определяем максимальный рабочий ток на 220 кВ

Тепловой импульс тока КЗ определяется по формуле

Время отключения [1. с 211]

Выбор выключателей и разъединителей на ОРУ 220 кВ

Таблица 4.2 - Выбор и проверка выключателей и разъединителей СН

Определяем максимальный рабочий ток на 220 кВ

Тепловой импульс тока КЗ определяется по формуле

Время отключения [1. с 211]

Выбор выключателей на 10 кВ

Так как нагрузки на НН нет принимаем выключателей ВКЭ - 10

Таблица 4.3 - Выбор и проверка выключателей НН

Расчетные параметры, номинальные данные, условия выбора и проверки выключателей и разъединителей аналогичны и для других выключателей и разъединителей.

Выбор трансформаторов тока на 500 кВ

Марка трансформатора тока - ТФЗМ - 500 - У1 кВ для наружной установки

Таблица 4.4 - Расчетные и каталожные данные выбора трансформатора тока

Таблица 4.5 - Подсчет нагрузок вторичной обмотки

Выбор трансформаторов тока на 220 кВ

Марка трансформатора тока ТФЗМ - 220 - У1 кВ для наружной установки

Таблица 4.6 - Расчетные и каталожные данные выбора трансформатора тока

Таблица 4.7 - Подсчет нагрузок вторичной обмотки

Выбор трансформатора напряжения 220 кВ

Имеем две вводных линии напряжением 220 кВ и два трансформатора подстанции.

Таблица 4.10 - Вторичная нагрузка трансформатора напряжения

НДЕ-500

Sн=300 В·А

Выбор трансформатора напряжения 220 кВ

Имеем три вводных линии напряжением 220 кВ и два трансформатора подстанции.

Таблица 4.11 - Вторичная нагрузка трансформатора напряжения

НКФ-220

Sн=400 В·А

Выбор гибких шин 500 кВ

Выбор гибких шин на 500 кВ

В РУ 500 кВ и выше применяются гибкие шины, выполненные проводами АС.

І_{мак=P3*Cos*U} =800000*0,9*500 =1005A,

АС-700/86 - марка провода

d - 36,2 mm - наружный диаметр провода

r₀-18,1,

І_доп= 1180 А

Вк = Іпо? * (tоткл +Та)=1,31?*(0,1+0,35)=0,77 кА?*с,

Q_мин=Вк /С=0,77 *10⁶/90 =85<600 _мм²

І_по<20 кА проверка на схлёстывание не нужна

При проверке на термическую стойкость проводов линий, оборудованных устройствами быстродействующего АПВ, должно учитываться повышение нагрева из-за увеличения продолжительности прохождения токов КЗ.

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);

где r0-радиус провода в сантиметрах

? ₀=30,3* m *(1+0,299/vr₀)=30,3*0,82*(1+0,299/1,81) =30,3,

где U-линейное напряжение (U=1.1*Uном) кВ

U=1,1+500=550,

где Дcp - среднегеометрическое расстояние между проводами фаз (единицы измерения сантиметры)

где Д-расстояние между соседними фазами, см.

Д_ср=1,25*Д,

Д_ср=1,25*600=756,

Делаем расщепление гибких шин

?=k*0,354*Un*r*Logд а = 0,354*5504*1,81*1,57 =1,19*17,5=20,8,

K=1+3*2*r₀/a = 1+3*2*1,81/40=1,19,

R_экв=42 *r*a³ = 42 *1,81*40³ =20,

Провода не будут коронировать, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9E0. Таким образом, условие образования короны можно записать в виде

1,07*? _0? 0,9*?,

1,07*20,8_? 0,9*30,3,

22,5_? 27,2,

Выбор гибких шин на 220 кВ

І_{мак =P3*Cos*U} =400000*0,9*220 =1049 A,

Где - АС-600/72 - марка провода

d - 33,2 mm - наружный диаметр провода

r₀-16,6 - радиус провода в сантиметрах

І_доп - допустимый ток на шины выбранного сечения с учетом поправки при расположении шин плашмя или температуре воздуха

Qмин - минимальное сечение по термической стойкости

І_доп= 1050 А

Вк = Іпо?* (tоткл +Та)=2,2?*(0,1+0,35)=2.17 кА?*с

Q_мин =Вк /С=2,17 *10⁶/90 =16<600 _мм²

І_по<20 кА проверка на схлёстывание не нужна

Проверка на коронирование

? ₀=30,3*м*(1+0,299/vr₀)=30,3*0,82*(1+0,299/1,66) =31

где м - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0.82)

где U-линейное напряжение (U=1.1*Uном) кВ

U=1,1+220=242

где Дcp - среднегеометрическое расстояние между проводами фаз (еденици измерения сантиметры)

Д_ср=1,25*400=504 см

Делаем расщепление гибких шин

?=k*0,354*Un*r*Logд а =1,16* 0,354*2204*1,81*1,9 =15,6

K=1+3*2*r₀/a = 1+3*2*1,81/20=1,16

R_экв=r*a =1,16*20 =5,57

Провода не будут коронировать, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9E0. Таким образом, условие образования короны можно записать в виде

1,07*? _0? 0,9*?

1,07*15,6_? 0,9*31

_16,6?27,9

Выбор трансформаторов собственных нужд подстанции

Мощность потребителей собственных нужд подстанции определяем по [1.с. 639-640] и сводим данные в таблицу 8.1

на 500 кВ,

на 220 кВ,

Для выбора мощности трансформатора собственных нужд составляем таблицу для расчета мощности нагрузки собственных нужд подстанции

Таблица 5.1 - Нагрузка собственных нужд подстанции

Мощность трансформаторов с.н. при двух трансформаторах выбирается по условию

(4.1),

где Sрасч - расчетная нагрузка по таблице (5.1);

Кп - коэффициент допустимой аварийной перегрузки, равный 1,4.

Расчетная нагрузка СН подстанции определяется по формуле

(4.2),

Расчетная нагрузка при Кс=0,8 по формуле (4.2)

По условию (10) имеем

Ближайший к этой мощности принимаем трансформатор ТМ-250/10 с номинальной полной мощностью 250 кВ·А.

5. Разработка схем РУ подстанции

Выбор вариантов схемы ОРУ с учетом надежности

При небольшом количестве присоединений на стороне 35 - 500 кВ применяют упрощенные схемы, в которых обычно отсутствуют сборные шины, число выключателей уменьшенное. Упрощенные схемы позволяют уменьшать расход электрооборудования, строительных материалов, снизить стоимость распределительного устройства, ускорить его монтаж. Такие схемы получили наибольшее распространение на подстанциях.

Рассмотрим две схемы ОРУ 220 кВ, схема квадрат и схему мостика. Определим затраты каждой схемы и наиболее экономичный вариант примем за основную схему при составлении главной электрической схемы.

Таблица 5.1 - Расчетные связи схемы квадрат

Определим вероятность совпадения

Рисунок 5.1 - Схема квадрат

Ущерб рассчитывается как произведение удельного ущерба и суммарного недоотпуска электроэнергии в систему, из-за всех отказов с потерей генерирующей мощности в проектируемой электроустановке.

Резисно техническое

Сельское хозяйство

Определим ущерб

где - номинальная мощность нагрузки, кВт;

- удельный ущерб, тенге/кВт;

- вероятность совпадения, 1/год.

Определим капитальные затраты схемы выдачи мощности

.

Определим стоимость потерь энергии в схеме

Приведенные затраты определяем по формуле

Таблица 5.2 - Расчетные связи схемы полуторки