Выбор числа и мощности трансформатора

Выбор числа трансформаторов на подстанции производится в соответствии с категориями электроприемников.

Так как на предприятии все потребители I и II категорий, то принимаем к установке два трансформатора.

Выбор мощности трансформаторов производится в соответствии с ГОСТ 14209-85.

Полная расчетная мощность предприятия S_рп, МВА, определяется с учётом значения реактивной мощности, выдаваемой энергосистемой

; (5)

где Р_рп - активная расчетная мощность предприятия;

Q_э1 - экономическое значение реактивной мощности передаваемое предприятию от энергосистемы в часы наибольших нагрузок энергосистемы;

Q_э1 = Р_рп∙tgφ_э1; (6)

где tgφ_э1 - экономическое значение коэффициента реактивной мощности

(7)

где - экономическое значение коэффициента реактивной мощности по нормативному методу;

(8)

где = 0,5 - базовый коэффициент реактивной мощности при напряжении внешнего электроснабжения 110 кВ;

К - коэффициент, учитывающий отличие стоимости электроэнергии в

различных энергосистемах (для «Оренбургэнерго» К = 0,8);

d_M - отношение потребления активной мощности потребителем в квартале максимальной нагрузки энергосистемы к потреблению в квартале его максимальной нагрузки (при курсовом и дипломном проектировании d =1);

K₁ - отношение максимума активной нагрузки потребителя в i-ом квартале к ее значению в квартале максимальной нагрузки потребителя (для учебного проектирования K₁ = 1);

tgφ_н - натуральный коэффициент реактивной мощности;

tgφ_э1 = tgφ_эн = 0,625

Q_э1 = 49,7773∙0,625 = 31,1 Мвар;

;

Для максимального суточного графика работы потребителей подстанции рисунок 4 находим среднеквадратичную мощность S_cк, по формуле

(9)

Графики нагрузок делаются в Excel.

Ориентировочная номинальная мощность каждого из трансформаторов S_ор, МВА, вычисляется по формуле

(10)

где n - число трансформаторов на подстанции;

Значение S_ор округляется до ближайшего большего значения по шкале стандартных номинальных мощностей силовых трансформаторов. Так как планируется строительство новых установок и подстанций, то принимаем трансформатор: ТРДН – 32000/110.

Выбранные трансформаторы проверяются на систематическую перегрузку

(11)

Пересечением линии суммарной номинальной нагрузки с графиком находится участок наибольшей перегрузки (зона перегрузки лежит выше указанной линии).

Рисунок 4 – Суточный график электрических нагрузки

Проверим работу трансформаторов в нормальном режиме. При этом определяется коэффициент нормальной нагрузки К₁

(12)

В нормальном режиме трансформаторы работают без перегрузки.

Проверим работу трансформаторов в аварийном режиме при этом учтем, что на двух трансформаторных подстанциях в аварийном режиме работает один трансформатор, а другой отключен все двадцать четыре часа, т.е. h_ав = 24ч. Оп­ределим коэффициент аварийной перегрузки К_2ав по формуле

(13)

Определим коэффициент аварийной перегрузки

при t₁ = -20°С К_авдоп = 1,6; t₂ = -10°C К_авдоп = 1,5 h_ав = 24ч; тогда

К_2ав. < К_{2ав.доп.}

Окончательно к установке принимаются трансформаторы ТРДН – 32000/110. Результат выбора трансформатора заносим в таблицу 2.

Таблица 2 – Паспортные данные трансформатора

Потери активной мощности в трансформаторах ∆Р_т, кВт, определяются по формуле

ΔP_т = N(ΔP_x+β_н²·ΔP_K3), (14)

где ΔР_хх – мощность холостого хода трансформатора, кВт;

β_н – коэффициент загрузки трансформатора;

ΔР_к – мощность короткого замыкания трансформатора, кВт.

∆Р_т = 2∙(80+0,64²∙195) = 319,7 кВт

Потери реактивной мощности в трансформаторах ∆Q_т, квар, находятся по формуле

ΔQ_т= n∙( ∙S_нт+ β_н²∙ S_нт) (15)

где I_хх – ток холостого хода трансформатора, %;

U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

ΔQ_т= 2∙( ∙32000 + 0,64²∙32000) = 3168,5 квар

Потери электроэнергии в трансформаторах ГПП ∆W, МВт∙ч, определяются по формуле

∆W = N(∆P_x∙T_r+ β²_доп∙∆P_k∙τ); (16)

где τ – время наибольших потерь;

(17)

где Т_м – число часов использования максимума нагрузки;

, (18)

где W_год – годовой расход электроэнергии, определяется по графикам нагрузок по формуле

W_год=365 P_it_i (19)

W_год = 365∙(0,76+0,75∙2+0,74+0,73+0,725∙3+0,71+0,7∙5+0,69+0,68+

+0,67∙4+0,64+0,57∙3) = 6028ч.

T_max = = 6028 ч.

∆W = 2(80∙8760+0,64²∙195∙4628) = 2140,9 МВт∙ч.

3.3 Расчет токов короткого замыкания

Токи короткого замыкания рассчитываются для точек К1 и К2 трехфазного короткого замыкания: 1) К1 на вводах трансформаторов ГПП; 2) К2 на шинах низшего напряжения трансформаторов.

Рисунок 5 – Схема замещения

1) Произведем расчет тока кз в точке К1:

Зададимся базисными величинами:

S_Б1 = 100 МВА;

U_Б1 = 115 кВ;

S_c = 4200 МВА.

(20)

(21)

(22)

(23)

Рисунок 6 – Схема замещения

х₅ = х₆ = ;

х_рез1 = х_рез2 = х₄ + х₅ + ;

х_рез1= ;

(24)

(25)

Расчетное время t, с, для которого определяются токи к.з.

t = t_c.в + t_р.з, (26)

где t_c.в = 0,01 с – собственное время срабатывания выключателя;

t_р.з – время срабатывания релейной защиты;

t_р.з10 = 0,07 с;

t_р.з6 = 0,06 с;

t₁₀ = 0,01 + 0,07=0,08

t₆ = 0,01+0,06=0,07.

Ударный ток , кА, определяют по формуле

(27)

где к_уд – ударный коэффициент

к_уд110 = 1,3;

к_уд35 = 1,65;

к_уд10 = 1,63.

Тепловой импульс среднеквадратичного тока , кА²с, определяют по формуле

(28)

где Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, обычно Т_а находится в пределах (0,005 – 0,2) с.

2) Произведем расчет тока кз в точке К2, 10 кВ, причем, сопротивления Хс, Хл и Хт остаются неизменными, тогда:

Зададимся базисными величинами: S_Б2 = 100 МВА; U_Б2 = 10 кВ; S_c = 4200 МВА.

Расчеты производим по формулам (33), (38).

(29)

Ударный ток , кА, находим по формуле (40)

Тепловой мпульс среднеквадратичного тока , кА²с, определяется по

формуле (41)

3) Произведем расчет тока кз в точке К2, 35 кВ, причем, сопротивления Хс, Хл и Хт остаются неизменными, тогда:

Зададимся базисными величинами: S_Б3 = 100 МВА; U_Б3 = 37,5 кВ; S_c = 4200 МВА.

Расчеты производим по формулам (33), (38), (42).

Ударный ток , кА, определяется по формуле (40)

Тепловой импульс среднеквадратичного тока , кА²с, определяется по формуле (41)

Результаты расчета токов кз сводятся в таблицу 3.

Таблица 3 – Расчет токов кз

№ точки КЗ	Ток короткого замыкания Iкз	Ударный ток , кА	Базисный ток IБ, кА	Тепловой импульс КЗ bк, кА2×с
К1	5,745	12,9	0,5	2,64
К2 (10 кВ)	12,37	28,5	9,16	13,77
К2 (35 кВ)	7,43	17,34	5,5	5,52

3.4 Выбор электрических аппаратов и токоведущих частей

Выбор оборудования на стороне высшего напряжения

Выключатели выбираются по номинальному току, номинальному напряжению, по типу, роду установки и проверяют на электродинамическую, термическую стойкости и по отключающей способности в режиме КЗ.

Разъединители выбираются по напряжению установки, по длительному току, по конструкции и роду установки и проверяются на электродинамическую и термическую стойкость.

Условия выбора и проверки, расчетные данные и выбранное оборудование сведены в таблицу 4.

Таблица 4 – Выбор оборудования на стороне высшего напряжения

Обозначение на схеме	Условия выбора	Расчетные данные	Тип оборудования	Паспортные данные
QS1 QS2   QS3 QS4	Uн ≥ Uуст Iн ≥ Iуст I∞ ≥ I∞уст iу ≥ iуд.к1 I2t ≥	Uуст = 110 кВ Iуст = 159,3 А I∞к1 = 5,745 кА iуд.к1 = 12,9 кА = 2640 А2×с	РДЗ-32-110/1000У1   РДЗ-31-110/1000У1	Uн=110 кВ Iн=1000 А I∞=31,5 кА iуд=80 кА I2∙t = 3969
Q1 Q2	Uн ≥ Uуст Iн ≥ Iуст Iотк ≥ I∞ Imax ≥ iуд I2t ≥	Uуст = 110 кВ Iуст = 159,3 А I∞к1 = 5,745 кА iуд.к1 = 12,9 кА = 2640 А2×с	ВЭБ-110 II-40/2000 УХЛ1	Uн = 110 кВ Iн = 2000 А Iотк = 40 кА Imax = 102кА = 4800
TA1 ТА2	Uн≥Uуст Iн≥Iуст zн≥z2 класс точности	Uуст=110 кВ Iуст=159,3 А	ТФЗМ 110Б-1	Uн=110 кВ Iн1=100-200 А Iн2=5 А It=(4-8)/3 кА iдин=41-82 кА Zн=1,2 Ом Класс точности 3
Ограничитель перенапряжения	Uн ≥ Uуст	Uуст = 110 кВ	ОПН-У УХЛ1	Uн = 110 кВ

Трансформаторы тока выбираются по напряжению установки, по длительному току, по вторичной нагрузке, по конструкции и роду установки и проверяются на электродинамическую и термическую стойкость. Так как выбранные трансформаторы тока встраиваются в понижающий трансформатор, то проверку на электродинамическую стойкость их не проводят.

Выбирается перечень необходимых измерительных приборов и заносится в таблицу 5.

Таблица 5 - Вторичная нагрузка трансформаторов тока

Так как наиболее загруженной фазой является фаза А, то дальнейший расчет будем производить с учетом того, что S_приб = 6,5 ВА.

Общее сопротивление приборов r_приб, Ом, вычисляют по формуле

, (30)

где I₂ = 5 А – вторичный ток трансформатора тока.

Допустимое сопротивление соединительного провода r_доп.пр, Ом, определяют по формуле

r_доп.пр = z_2н – r_npuб – r_к (31)

где r_2ном = 2,0 Ом – вторичное сопротивление трансформатора тока (паспортное значение для выбранного ТТ для класса точности 3);

r_конт = 0,1 Ом – для 5-ти приборов /3/.

r_доп.пр = 2,0 – 0,26 – 0,1 = 1,64 Ом

Для подстанции с высшим напряжением 110 кВ принимается кабель с алюминиевыми жилами (l = 80 м), вторичная обмотка трансформаторов тока соединена в полную звезду, следовательно, l_расч = l.

Сечение контрольного кабеля F, мм², вычисляют по формуле

, (32)

где r = 0,0283 Ом×мм²/м – для алюминия.

, мм²

Согласно требованиям ПУЭ, по условию механической прочности принимаем контрольный кабель марки: АКРВГ с алюминиевыми жилами сечением 6 мм².

Действительное сопротивление проводов r_пр, Ом, вычисляют по формуле

(33)

Тогда, вторичная нагрузка приборов r₂, Ом, находится по формуле

r₂ = 0,26 + 0,377 + 0,1 = 0,737 Ом

Для работы трансформатора тока в выбранном классе точности должно выполняться следующее условие:

r₂ £ r_2ном, (34)

r₂ = 0,737 Ом < r_2ном = 2,0 Ом

Следовательно, выбранный трансформатор тока будет работать в выбранном классе точности 3.

Выбор оборудования на стороне низшего напряжения

Выбор и проверка шинного моста 10 кВ

Шинный мост выполняется из неизолированных алюминиевых шин прямоугольного сечения. Сечение шинного моста выбирается по длительно допустимому току:

I_max £ I_дл.доп, (35)

где I_max – максимальный ток, протекающий по шинному мосту, А;

I_дл.доп – длительно допустимый ток выбранного сечения, А.

, (36)

, А

Принимаем алюминиевые двухполосные шины прямоугольного сечения

(b x h) 100 х 10 c I_дл.доп = 2860 A. Расположение шин – на плоскость.

I_дл.доп = k₁× I_{доп табл}, (37)

где k₁ = 0,92 – поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение допустимого тока на 8 % для горизонтальной прокладки шин.

I_дл.доп = 0,92×2860 = 2631,2 А

I_дл.доп = 2631,2 А > I_max = 2293,8 А

Шинный мост подвергается проверке:

1) по условию термической стойкости:

F_min £ F_доп, (38)

где F_min – минимальное сечение шин по условию термической стойкости, мм²

F_доп = 1000 мм² – допустимое минимальное сечение шины.

, (39)

где С = 91 А×с^1/2/мм²;

F_min = 41 мм ² < F_доп = 1000 мм² – шины термически стойкие.

2) на механическую прочность:

s_расч £ s_доп, (40)

где s_доп = 90 МПа – допустимое механическое напряжение в материале шин для алюминия марки АД31Т1.

s_расч – расчетное механическое напряжение в материале шин.

, (41)

где l = 1 м – длина пролета между опорными изоляторами;

а = 0,3 м – расстояние между фазами;

W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия.

, (42)

s_расч = 19,2 МПа < s_доп = 90 МПа (условие выполняется)

По результатам проверок выбранные шины принимаются к установке.

Выбор шинного моста 35 кВ выполняется аналогично.

Выбор и проверка изоляторов

Выбор и проверка опорных изоляторов проводится по номинальному напряжению и по допустимой нагрузке.

Выбираются изоляторы типа ИО – 10 – 3,75 У3.

Изоляторы проверяются на механическую прочность по условию

F_расч £ F_доп, (43)

где F_доп = 0,6× F_разр = 0,6×3,75 = 2,25 кН – допустимая нагрузка на головку изолятора;

F_разр = 3,75 кН – минимальная разрушающая способность (паспортная величина);

F_расч – расчетная сила, действующая на изолятор, кН.

, (44)

F_расч = 0,09 кН < F_доп = 2,25 кН

Проходные изоляторы выбираются по номинальному напряжению, по максимальному току и проверяются на механическую прочность.

Выбираются изоляторы типа ИП – 10/3150 – 3000 У.

U_ном = 10кВ < U_{ном у} = 35 кВ

I_р.м = 2055 А < I_ном = 3150 А

где I_р.м – расчетный максимальный ток на стороне НН (с учетом того, что вторичная обмотка расщеплена).

, (45)

Условие проверки на механическую прочность:

F_расч £ F_доп, (46)

, (47)

F_расч = 44,1Н < F_доп = 3000 Н (условие выполняется)

По результатам проверки выбранные изоляторы принимаются к установке.

Выбор и проверка изоляторов по напряжению 10 кВ производится аналогично.

Выбор оборудования

Выбор и проверка оборудования на стороне НН занесены в таблицу 6.

Таблица 6 – Выбор и проверка оборудования на стороне НН

Обозначение на схеме	Условия выбора	Расчетные данные	Тип оборудования	Паспортные данные
Q, 35 кВ	Uн ≥ Uуст Iн ≥ Iуст Iотк ≥ I∞уст iу ≥ iуд.к2 I2t ≥	Uуст = 35 кВ Iуст = 1233 А I∞к2 = 7,43 кА iуд.к2 =17,34 кА = 5,52 А2×с	ВB\TEL-35-20/1600-У2	Uн=35 кВ Iн=1600 А Iотк= 20 кА iуд= 51 кА = 1200
Q, 10 кВ	Uн ≥ Uуст Iн ≥ Iуст Iотк ≥ I∞ Imax ≥ iуд I2t ≥	Uуст = 10 кВ Iуст = 2055 А I∞к1 = 12,37 кА iуд.к1 = 28,5 кА =13,77 А2×с	ВB\TEL-10-20/2500-У2	Uн = 11 кВ Iн = 2500 А Iотк = 20 кА Imax = 51 кА = 1200
ТА 35 кВ	Uн≥Uуст Iн≥Iуст zн≥z2 класс точности	Uуст=35 кВ Iуст=1233 А	ТЛ 35-I	Uн=35 кВ Iн=1500 А Zн=0,8 Класс точности 0,5 It=40/3
ТА 10 кВ	Uн≥Uуст Iн≥Iуст zн≥z2 класс точности	Uуст=10 кВ Iуст=2055 А	ТЛ 10-I	Uн=10 кВ Iн=3000 А Zн=0,8 Класс точности 0,5 It=40/3
ОПН	Uн≥Uрасч	Uрасч=35 кВ	ОПН-КСУХЛ2	Uн=35 кВ
ОПН	Uн≥Uрасч	Uрасч=10 кВ	ОПН-Т УХЛ1	Uн=10 кВ

Проверка выбранного трансформатора тока проводится по вторичной нагрузке с учетом установленных измерительных приборов.

Таблица 7 - Перечень необходимых измерительных приборов ТТ

Так как наиболее загруженной фазой является фаза А, то дальнейший расчет будем производить с учетом того, что S_приб = 6,0 ВА.

Расчет вторичной нагрузки трансформатора тока на стороне НН производится с учетом формул

Определим общее сопротивление приборов по формуле

Допустимое сопротивление соединительного провода по формуле

r_доп.пр = r_2ном – r_приб – r_конт

где r_2ном = 0,8 Ом – вторичное сопротивление трансформатора тока (паспортное значение для выбранного ТТ для класса точности 0,5);

r_конт = 0,05 Ом.

r_доп.пр = 0,8 – 0,24 – 0,05 = 0,51 Ом

Вторичная обмотка трансформатора тока соединена в неполную звезду, следовательно, l _расч = 1,5× l.

Определим сечение контрольного кабеля по формуле (49)

Согласно требованиям ПУЭ, по условию механической прочности принимаем контрольный кабель марки: АКРВГ с алюминиевыми жилами сечением 4 мм².

Определим действительное сопротивление проводов по формуле (50)

Тогда, вторичная нагрузка приборов будет равна

r₂ = 0,24 + 0,212 + 0,05 = 0,502 Ом

Для работы трансформатора тока в выбранном классе точности должно выполняться следующее условие

r₂ £ r_2ном,

r₂ = 0,502 Ом < r_2ном = 0,8 Ом

Следовательно, выбранный трансформатор тока будет работать в выбранном классе точности 0,5.

Для определения вторичной нагрузки трансформатора напряжения составляется перечень необходимых измерительных приборов и определяется их общая нагрузочная мощность.

Следовательно, полная мощность вторичной нагрузки S₂, ВА, вычисляется по формуле

Расчет для других секций шин 6 кВ производится аналогично.

Для трансформаторов напряжения, соединенных по схеме звезды,вторичная

номинальная нагрузка рассчитывается по формуле:

S_2ном = 3×S_номTV

S_2ном = 3×75 = 225 ВА > S₂ = 190,3 ВА

Таблица 8 – Вторичная нагрузка трансформаторов напряжения

Так как условие проверки выполняется, следует, что выбранные трансформаторы напряжения будут работать в классе точности 0,5.

Для защиты трансформаторов напряжения устанавливаем предохранители типа ПКН 001 – 10 У3.

Выбор трансформаторов собственных нужд подстанции

Все потребители собственных нужд сведены в таблицу 9.

Расчетная мощность трансформатора собственных нужд подстанции S_расч, кВА, определяется по формуле

, (51)

где k_с – коэффициент спроса, учитывающий коэффициенты одновременности и загрузки. В ориентировочных расчетах принимают k_с = 0,8.

Мощность трансформатора собственных нужд на подстанциях с постоянным дежурством персонала S_ТСН, кВА, вычисляется по формуле

, (52)

где k_п = 1,4 – коэффициент допустимой аварийной перегрузки.

Таблица 9 – Потребители собственных нужд подстанции

Выбираем для установки на трансформатор собственных нужд типа ТМ – 400/10.