Курсовая работа (т): Электроснабжение коксохимического производства

2. Специальная часть

.1 Расчет электрических нагрузок

Расчет электрических нагрузок проводим методом коэффициента максимума по методике, представленной в литературе [2]. Расчет проводим для каждой секции отдельно. Сначала проведем расчет для секции шин 10 кВ.

Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные и результаты расчетов

Потребители	Рном, кВт	n, шт	Рномi, кВт	киi	cos φi	Рмр, кВт	Qмр, квар	Sмр, кВ·А
Коксовыталкиватель	600	4	2400	0,1	0,75	2953,5	2500	3869,5
Вагоноопрокидыватель	1000	2	2000	0,4	0,6
Транспортеры	500	3	1500	0,5	0,6

Определяем номинальную мощность для группы электроприемников Р_{ном i,} кВт, по формуле

Р_{ном i} = Р_ном · n , (1)

где Р_ном - номинальная мощность электроприемника, кВт;

n - количество электроприемников, шт.

Р_{ном 1} = 600 · 4 = 2400 кВт

Р_{ном 2} = 1000 · 2 = 2000 кВт

Р_{ном 3} = 500 · 3 = 1500 кВт

Определяем среднюю активную нагрузку за наиболее нагруженную смену для каждой группы электроприемников Р_{см i}, кВт, по формуле

Р_{см i} = к_{и i} · Р_{ном i} , (2)

где к_{и i} - коэффициент использования для каждой группы электроприемников.

Р_{см 1} = 0,1 · 2400 = 240 кВт

Р_{см 2} = 0,4 · 2000 = 800 кВт

Р_{см 3} = 0,5 · 1500 = 750 кВт

Определяем среднюю реактивную нагрузку за наиболее нагруженную смену Q_{см i}, квар, по формуле

Q _{см i} = Р_{см i} · tg φ_i , (3)

где tg φ_i - коэффициент изменения мощности.

Q_см1 = 240 · 0,88 = 211,2 квар

Q_см2 = 800 · 1,33 = 1064 квар

Q_см3 = 750 · 1,33 = 997,5 квар

Определяем групповой коэффициент использования для секции шин к_и по формуле

к_и =  (4)

к_и = = 0,3

Определяем эффективное число электроприемников упрощенным методом по формуле

m =  (5)

m = = 2

Так как m < 3, эффективное число электроприемников

n_э = n = 9 шт.

По справочной литературе [2] определяем коэффициент максимума к_м,

к_м = 1,65

Определяем среднюю активную нагрузку за наиболее нагруженную смену для электроприемников секции шин Р_см , кВт, по формуле

Р_см = (6)

Р_см = 240 + 800 + 750 = 1790 кВт

Определяем максимальную расчетную активную нагрузку для секции шин 10 кВ Р_мр , кВт, по формуле

Р_мр = к_м · Р_см (7)

Р_мр = 1,65 · 1790 = 2953,5 кВт

Определяем среднюю реактивную нагрузку за наиболее нагруженную смену для электроприемников секции шин Q _см , квар, по формуле

Q_см = (8)

Q_см = 211,2 + 1064 + 997,5 = 2272,7 квар

Так как n_э ≤ 10, определяем максимальную расчетную реактивную нагрузку для секции шин 10 кВ Q_мр , квар, по формуле

Q_мр = 1,1 ∙ Qсм (9)

Q_мр = 1,1 ∙ 2272,7 = 2500 квар

Определяем полную максимальную расчетную нагрузку для секции шин 10 кВ S_мр, кВ·А, по формуле

S_мр = (10)

S_мр = = 3869,5 кВ∙А

Далее выполняем расчет нагрузок для секции шин напряжением 0,4 кВ. Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Исходные данные и результаты расчетов

Потребители	Рном, кВт	n, шт	Рномi, кВт	киi	cos φi	Рмр, кВт	Qмр, квар	Sмр, кВ·А
Дозировочные столы	200	4	800	0,25	0,5	1023,2	817,9	1310
Вентиляторы	150	3	450	0,65	0,8
Насосы	120	1	120	0,9	0,9
Двересъемные машины	230	2	460	0,25	0,7

Определяем номинальную мощность для группы электроприемников

Р_{ном i}, кВт, по формуле (1)

Р_ном1 = 200 · 4 = 800 кВт

Р_ном2 = 150 · 3 = 450 кВт

Р_ном3 = 120 · 1 = 120 кВт

Р_ном4 = 230 · 2 = 460 кВт

Определяем среднюю активную нагрузку за наиболее нагруженную смену для каждой группы электроприемников Р_{см i} , кВт, по формуле (2)

Р_см1 = 800 · 0,25 = 200 кВт

Р_см2 = 450 · 0,65 = 292,5 кВт

Р_см3 = 120 · 0,9 = 108 кВт

Р_см4 = 460 · 0,25 = 115 кВт

Определяем среднюю реактивную нагрузку за наиболее нагруженную смену Q_{см i} , квар, по формуле (3)

Q_см1 = 200 · 1,73 = 246 квар

Q_см2 = 292,5 · 0,75 = 219,4 квар

Q_см3 = 108 · 0,48 = 51,8 квар

Q_см4 = 115 · 1,02 = 117,3 квар

Определяем групповой коэффициент использования для секции шин 0,4 кВ по формуле (4)

К_и =  = 0,4

Определяем эффективное число электроприемников по формуле (5)

m = = 1,9

Так как m < 3, то эффективное число приемников

n_э = n = 10 шт.

По справочной литературе [2] определяем коэффициент максимума к_м , к_м = 1,43

Определяем среднюю активную нагрузку за наиболее нагруженную смену для секции шин 0,4 кВ Р_см , кВт, по формуле (6)

Р_см = 200 +292,5 + 108 + 115 = 715,5 кВт

Определяем максимальную расчетную активную нагрузку для секции шин 0,4 кВ Р_мр , кВт, по формуле (7)

Р_мр = 1,43 · 715,5 = 1023,2 кВт

Определяем среднюю реактивную нагрузку за наиболее нагруженную смену для секции шин 0,4 кВ Q_см , квар, по формуле (8)

Q_см = 346 + 219,4 + 51,8 + 117,3 = 743,5 квар

Так как n_э ≤ 10, определяем максимальную расчетную реактивную нагрузку для секции шин 10 кВ Q_мр , квар, по формуле (9)

Q_мр = 1,1 ∙ 743,5 = 817,9 квар

Определяем полную максимальную нагрузку для секции шин 0,4 кВ S_мр , кВ·А, по формуле (10)

S_мр = = 1310 кВ∙А

.2 Выбор компенсирующего устройства

Установка компенсирующего устройства позволяет повышать коэффициент мощности и снижать потери напряжения в сети.

Определяем коэффициент мощности подстанции cos φ_пс для решения вопроса о необходимости установки компенсирующего устройства по формуле

cos φ_пс = , (11)

где Р_см10 - средняя активная нагрузка за наиболее нагруженную смену секции шин 10 кВ, кВт;

Р_см0,4 - средняя активная нагрузка за наиболее нагруженную смену секции шин 0,4 кВ, кВт; Q_см10 - средняя реактивная нагрузка за наиболее нагруженную смену секции шин 10 кВ, квар;

Q_смр0,4 - средняя расчетная реактивная нагрузка за наиболее нагруженную смену секции шин 0,4 кВ, квар.

cos φ_пс = = 0,64

Так как cos φ_пс меньше оптимального значения коэффициента мощности cos φ_опт = 0,92 ÷ 0,95, необходимо наличие компенсирующего устройства. Мощность компенсирующего устройства Q_ку, квар определяем по формуле

Q_ку = Р_см (tg φ_пс - tg φ_опт), (12)

где Р_см - средняя активная нагрузка подстанции за наиболее нагруженную смену, кВт;

tg φ_пс - коэффициент мощности подстанции;

tg φ_опт - оптимальный коэффициент мощности.

tg φ =  (13)

tg φ_пс =  = 1,2

tg φ_опт =  = 0,33

Р_см = 1790 + 715,5 = 2505,5 кВт

Q_ку = 2505,5 ∙ (1,2 - 0,33) = 2179,8 квар

По литературе [2] выбираем компенсирующее устройство, имеющее ближайшую меньшую мощность. Выбираем батареи конденсаторов: УК-6/10 -1125ЛУЗ, ПУЗ мощностью 1125 квар, УК-6/10Н -1125Л, П мощностью 900 квар

Определяем действительный коэффициент мощности подстанции с учетом выбранных компенсирующих устройств cos φ_пс' по формуле

сos φ_пс' =  (14)

где Q_ку - суммарная номинальная мощность выбранного компенсирующего устройства, квар, Q_ку = 1125 + 900 = 2025 квар

сos φ_пс'=  = 0,93

Выбранное компенсирующее устройство удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Оно повышает cos φ почти до оптимального значения.

.3 Расчет и выбор силового трансформатора

Так как по надежности электроснабжения электроприемники данной подстанции относятся к первой и второй категории, то используется раздельная работа двух трансформаторов.

Определяем максимальную расчетную полную нагрузку подстанции с учетом компенсирующих устройств S_{мр пс}, кВ·А, по формуле

S_{мр пс} = 2 ∙  (15)

S_{мр пс} = 2 ∙ = 8363,2 кВ·А

Определяем номинальную мощность силового трансформатора S_{ном т}, кВ·А, по формуле

S_{ном т} ≥ , (16)

где К_1,2 - доля электроприемников 1,2 категории в общей нагрузке подстанции, К_1,2 = 1

S_{ном т} ≥  · 1 = 5974 кВ·А

По справочной литературе [5] выбираем два типа трансформаторов, подходящих по мощности, первичному и вторичному напряжению. Данные выбранных трансформаторов представлены в таблице 3.

Проводим технико-экономическое сравнение выбранных трансформаторов.

Таблица 3 - Каталожные данные трансформаторов

Тип трансформатора	Sном, кВ·А	U1ном, кВ	U2ном, кВ	ΔРкз, кВт	Iхх, %	Uкз, %	ΔРхх, кВт	Кт, тыс. руб
ТМН-6300/110	6300	115	11	50	1,0	10,5	10	7500
ТМ-6300/110	6300	121	11	55,16	3,72	10,5	27,3	7100

Определяем реактивные потери при холостом ходе ΔQ_хх, квар, по формуле

ΔQ_хх = ·S_{ном т}, (17)

где I_хх - ток холостого хода, %;

S_{ном т} - номинальная мощность силового трансформатора, кВ·А

ΔQ_хх1 = ∙ 6300 = 63 квар

ΔQ_хх2 = ∙ 6300 = 234,4 квар

Определяем реактивные потери при коротком замыкании ΔQ_кз, квар, по формуле

ΔQ_кз = · S_{ном т}, (18)

где U_кз напряжение короткого замыкания, %

ΔQ_кз1 =· 6300 = 661,5 квар

ΔQ_кз2 =· 6300 = 661,5 квар

Определяем приведенные потери активной мощности при коротком замыкании ΔР_кз', кВт, по формуле

ΔР_кз' = ΔР_кз + к_пп·ΔQ_кз, (19)

где к_пп - коэффициент повышения потерь, , к_пп = 0,05;

ΔР_кз - потери активной мощности при коротком замыкании, кВт

ΔР_кз1^' = 50 + 0,05 ∙ 661,5 = 83,1 кВт

ΔР_кз2^' = 55,16 + 0,05 ∙ 661,5 = 88,2 кВт

Определяем приведенные потери активной мощности при холостом ходе ΔР_хх, кВт, по формуле

ΔР_хх' = ΔР_хх + к_пп·ΔQ_хх, (20)

где ΔР_хх - потери активной мощности при холостом ходе, кВт

ΔР_хх1' = 10 + 0,05 · 63 = 13,2 кВт

ΔР_хх2' = 27,3 + 0,05 · 234,4 = 39 кВт

Определяем полные приведенные потери активной мощности ΔР', кВт, по формуле

ΔР' = n(ΔР_хх' + к_з² · ΔР_кз'), (21)

где n - число параллельно работающих трансформаторов, n=1;

к_з - коэффициент загрузки трансформатора

к_з =  (22)

S_{мр секц} =, кВ·А (23)

S_{мр секц} =  = 3828 кВ·А

к_з1 = к_з2 =  = 0,61

ΔР₁^′ = 13,2 + 0,61² · 83,1 = 44,1 кВт

ΔР₂^′ = 39 + 0,61² · 88,2 = 71,8 кВт

Определяем стоимость потерь активной мощности трансформаторов С_п , тыс. руб., по формуле

С_п = С₀ · ΔР' · Т_г , (24)

где С₀ - удельная стоимость потерь, , С₀ = 0,8 ;

Т_г - годовое число часов работы, Т_г = 6500ч

С_п1 = 0,8 · 44,1 · 6500 = 22932 руб ≈ 229,32 тыс. руб

С_п2 = 0,8 · 71,8 · 6500 = 373360 руб ≈ 373,36 тыс. руб

Определяем стоимость амортизационных отчислений С_а, тыс. руб., по формуле

С_а = р_а · К_т , (25)

где р_а норма амортизации, р_а = 0,05;

К_т - стоимость трансформаторов, тыс. руб

С_а1 = 0,05 · 7500 = 375 тыс. руб

С_а2 = 0,05 · 7100 = 355 тыс. руб

Определяем стоимость эксплуатационных расходов С_э, тыс. руб., по формуле

С_э = С_п + С_а (26)

С_э1 = 229,32 + 375 = 604,32 тыс. руб

С_э2 = 373,36 + 355 = 728,36 тыс. руб

Определяем приведенные годовые затраты З, тыс. руб., по формуле

З = С_э + 0,125 · К_т (27)

З₁ = 604,32 + 0,125 · 7500 = 1541,82 тыс.руб

З₂ = 728,36 + 0,125 · 7100 = 1615,86 тыс.руб

Окончательно выбираем трансформатор типа ТМН-6300/110, так как приведенные годовые затраты у него меньше, чем у трансформатора

ТМ-6300/110.

.4 Выбор питающей линии

Питающая линия служит для связи источника питания с подстанцией.

При номинальном напряжении 35 кВ и выше используют воздушные ЛЭП. Воздушную линию выбирают по нагреву.

I_дл.доп ≥ I_мр, А, (28)

где I_дл.доп - длительно-допустимый ток, величина справочная, это максимальный ток, при прохождении которого длительное время через проводник заданного сечения не происходит нагрева проводника выше допустимого значения, А;

I_мр - максимальный расчетный ток, протекающий по линии в послеаварийном режиме, А.

I_мр =  (29)

I_мр = = 44,3 А

Выбираем по справочной литературе [4]

I_дл.доп = 84 А

q = 10 мм²

Выбираем по экономической плотности тока сечение линии _эк, мм², по формуле

q_эк = , (30)

где j_эк - экономическая плотность тока, величина справочная, зависит от типа линии, рода проводящего материала и часов работы в году;

I_р - расчетный ток, протекающий в линии в нормальном режиме работы, А.

I_р =  (31)

I_р = = 31,6 А

По справочной литературе [4] выбираем j_эк, j_эк = 1

q_эк =  = 31,6 мм²

По справочной литературе [4] принимаем ближайшее стандартное значение

q_эк = 35 мм²; I_дл.доп = 175 А.

Проверяем выбранное сечение по допустимым потерям напряжения ΔU, % по формуле

ΔU% =· 100 ≤ 5% (32)

где Х₀ - удельное индуктивное сопротивление линии, ,

Х₀ = 0,4 ;

 - длина линии, км,  = 7 км;

cosφ и sinφ берем с учетом компенсирующего устройства,

cosφ = 0,93; sinφ= 0,37;

R₀ - удельное активное сопротивление линии, ,

ρ_AL = 0,029

R₀ = 0,029 ∙ = 0,83  

ΔU% =  · 100 = 0,45 % < 3%

Минимальное допустимое сечение проводов ВЛ по условиям механической прочности с толщиной стенки гололеда 15 мм и более для сталеалюминевых проводов q = 35 мм². Условие выполняется.

Проверяем выбранное сечение провода по условиям «короны».

Для ВЛ напряжением 110-220 кВ по условиям потерь на корону минимальный диаметр проводов должен быть не менее 11,4 мм (АС70/11).

Окончательно выбираем провод марки АС сечением q = 70 мм², так как он удовлетворяет всем требованиям.

R₀ = 0,029 ∙ = 0,41

.5 Расчет токов короткого замыкания

Токи короткого замыкания рассчитываем в двух точках на напряжение 110 кВ и 10 кВ.

Составляем расчетную схему, рисунок 1.

S_и = 700 МВ∙А  = 7 км S_{ном т} = 6300 кВ·А

U_{ном и} = 110 кВ R₀ = 0,41  U_кз = 10,5%

S_кз = 3500 МВ·А X₀ = 0,4  U₁ = 115 кВ

U₂ = 10,5 кВ

 

Рисунок 1 - Расчетная схема

По расчетной схеме составляем схему замещения, рисунок 2.

 

Рисунок 2 - Схема замещения

Определяем значения сопротивлений элементов схемы замещения в относительных единицах при базисных условиях. Задаемся базисными условиями

S_б = 100 МВ·А; U_б = 115 кВ

Х_иб* = Х_и*, (33)

где Х_и^* - относительное сопротивление источника питания,

Х_и* = 0,2;

S_{ном и} - номинальная мощность источника питания, МВ∙А.

Х_лб* = Х₀ ·   (34)

R_лб* = R₀ ·  , (35)

где Х₀, R₀ - активное и реактивное сопротивление ВЛЭП, Ом,

X₀ = 0,4 , R₀ = 0,41 ;  - длина ВЛЭП, м,  = 7 км;

U_ср - среднее значение напряжения обмотки ВН трансформатора,

U_ср = 115 кВ.

Х_тб* = , (36)

где u_кз - напряжение короткого замыкания трансформатора, величина справочная, %, u_кз = 10,5 %;

S_{ном т} - номинальная мощность трансформатора, кВ∙А.

Х_{рез б}* = Х_иб* + Х_лб* + Х_тб* (37)

Х_расч* = Х_рез*  (38)

Х_иб* = 0,2 ∙= 0,03

Х_лб* = 0,4 · 7 ∙  = 0,021

R_лб* = 0,41 · 7 ∙  = 0,022

Х_тб* =  = 1,67

Х_{рез б}* = 0,03 + 0,021 + 1,67 = 1,721

Х_расч* = 1,721 ∙ = 12,05

Проводим расчет токов короткого замыкания в именованных единицах, так как Х_расч* > 3.

Определяем сопротивление источника Х_и, Ом, по формуле

Х_и = , (39)

где U_ср - среднее напряжение, кВ, U_ср = 115 кВ;

S_кз - мощность короткого замыкания, МВ·А

Х_и = = 3,78 Ом

Определяем реактивное и активное сопротивление линии R_л, Ом, и Х_л, Ом, по формулам

Х_л = Х₀ ·  (40)

R_л = R₀ ·  (41)

Х_л = 0,4 · 7 = 2,8 Ом

R_л = 0,41 · 7 = 2,87 Ом

Определяем сопротивление трансформатора Х_т, Ом, по формуле

Х_т =  (42)

Х_т = = 220 Ом

Определяем результирующее сопротивление короткого замыкания для точки К1 Х_{рез 1}, Ом, по формуле

Х_{рез 1} = Х_и + Х_л (43)

Х_{рез 1} = 3,78 + 2,8 = 6,58 Ом

∙ Rрез = 3 ∙ 2,87 = 8,61 Ом

Так как 3R_рез > Х_рез1 , то результирующее сопротивление определяем по формуле

Z_рез1 = , Ом  (44)

Z_рез1 = = 7,18 Ом

Приводим результирующее сопротивление к напряжению в точке короткого замыкания

Z_рез ^′ = Z_рез  (45)

Z_{рез 1}^′ = 7,18 ∙ = 7,85 Ом

Определяем ток короткого замыкания I_кз1, кА, по формуле

I_кз =  (46)

I_{кз 1} = = 8,46 кА

Так как периодическая составляющая тока короткого замыкания носит незатухающий характер, токи в разные моменты времени равны между собой

I_{кз 1} = I₀₁ = I_∞ = I_τ = 8,46 кА

Определяем ударный ток i_у, кА, по формуле

i_у = · I₀ · к_у, (47)

где к_у - ударный коэффициент, к_у = 1,82

i_у1 = · 8,46 · 1,82 = 21,77 кА

Определяем мощность короткого замыкания в момент отключения выключателей S_τ1, МВ·А, по формуле

S_{τ =} ∙ I_τ· U_ср (48)

S_τ1 = ∙ 8,46 · 115 = 1685 МВ·А

Определяем результирующее сопротивление второй точки короткого замыкания К2 Х_{рез 2}, Ом, по формуле

Х_{рез 2} = Х_и + Х_л + Х_т (49)

Х_{рез 2} = 3,78 + 2,8 + 220 = 226,58 Ом

Так как 3R_рез < Х_рез2 , то результирующее сопротивление

Z_рез = Х_{рез 2} = 226,58 Ом

Приводим результирующее сопротивление к напряжению в точке короткого замыкания по формуле (45)

Z_{рез 2}^′ = 226,58 ∙ = 2,06 Ом

Определяем ток короткого замыкания I_кз2, кА, по формуле (46)

I_кз2 =  = 2,94 кА

I_{кз 2} = I₀₂ = I_∞2 = I_τ2 = 2,94 кА

Определяем ударный ток i_у, кА, по формуле (47)

i_у2 = · 2,94 · 1,82 = 7,57 кА

Определяем мощность короткого замыкания S_τ2,МВ·А,

по формуле (48)

S_τ2 = ∙ 2,94 · 10,5 = 53,49 МВ·А

.6 Выбор высоковольтного оборудования

Все высоковольтное оборудование выбирается по номинальному току и напряжению.

Номинальный ток - максимальный ток, при протекании которого длительное время токоведущие части не нагреваются выше допустимого.

Номинальное напряжение - максимальное напряжение, которое выдерживает изоляция аппарата длительное время.

Высоковольтное оборудование проверяется на термическую и электродинамическую устойчивость к токам короткого замыкания, а высоковольтные выключатели - на отключающую способность и мощность.

.6.1 Выбор шин

Сечение шин выбирают по длительно допустимому току (по нагреву) и экономической целесообразности. Проверку шин производят на электродинамическую и термическую стойкость к токам КЗ.

Для выбора шин по нагреву должно выполняться условие

I_{дл доп} ≥ I_мр , А , (50)

где I_{дл доп} - длительно допустимый ток, величина справочная, максимальный ток, при протекании которого длительное время через провод заданного сечения не происходит нагрева провода выше допустимой температуры, А ;

I_мр - максимальный расчетный ток, протекающий по линии в послеаварийном режиме, А.

I_мр =  (51)

I_мр =  = 485 А

По справочной литературе [4] выбираем

q = (40 х 5) мм², I_{дл доп} = 540 А

Выбранное сечение проверяем на термическую устойчивость к токам короткого замыкания

q_min = α · I_∞ ·  , (52)

где α - температурный коэффициент, зависит от материала α = 11;

t_п - приведенное время короткого замыкания, с.

t_п = t_па + t_пп , (53)

где t_па - время апериодической составляющей тока короткого замыкания, с.

t_па = 0,005 · (β'')², (54)

где β'' - температурный коэффициент теплоемкости

β'' = = 1

t_па = 0,005 · 1² = 0,005 с

t_п = 0,005 + 0,5 = 0,505 с

q_min = 11 · 8,46 ·  = 66,1 мм²

q = (40 х 5) > q_min = 66,1 мм², поэтому выбираем сечение шин

q = (40×5) мм².

Проверяем шины на механическую прочность

δ_расч ≤ δ_доп , МПа, (55)

где δ_доп - допустимое механическое напряжение, МПа

δ_доп = 40 МПа;

δ_расч - расчетное механическое напряжение, определяется по формуле, МПа

δ_расч = , (56)

где F_расч - расчетное усилие динамического воздействия тока короткого замыкания, определяется по формуле, Н.

F_расч = 1,76 ∙ 10^-7 · i_у² ·  , (57)

где  - длина пролета между изоляторами,  = 1 м;

а - расстояние между фазами, а = 0,45 м;

W - момент сопротивления шины, определяется по формуле

W = , мм³ , (58)

где h - ширина (высота) одной шины, мм;

b - толщина одной полосы, мм.

W =  = 1333 мм³ = 1,333 ∙ 10^-6 м³

F_расч = 1,76 ∙ 10^-7 · (21,77 ∙ 10³)² ·  = 185,4 Н

δ_расч =  = 97 МПа > 40 мПа

Выбранное сечение шин не удовлетворяет условию электродинамической устойчивости.

Принимаем шины сечением q = (60×6) мм², I_{дл доп} = 870 А

W =  = 3600 мм³ = 3,6 ∙ 10^-6 м³

δ_расч =  = 36 МПа < 40 мПа

Выбранное сечение шин удовлетворяет условию электродинамической устойчивости.

Окончательно выбираем шины алюминиевые сечением

q = (60×6) мм², I_дл.доп = 870 А

.6.2 Выбор опорных изоляторов

Изоляторы выбираются по номинальному напряжению и проверяют на разрушающее воздействие от ударного тока короткого замыкания. Каталожные данные и результаты расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Каталожные данные и результаты расчетов

Тип	Условия выбора	Каталожные данные	Расчетные данные
ИО-10-3,75 У3	Uном ≥ Uуст Fдоп ≥ Fрасч	Uном = 10 кВ Fдоп = 3,75 кН	Uуст = 10 кВ Fрасч = 185,4 Н

F_доп = 0,6 · F_разр , Н, (59)

где F_доп - допустимое усилие, Н;

F_разр - разрушающее усилие, Н, F_разр = 3,75 кН = 3750 Н.

F_доп = 0,6 · 3750 = 2250 Н

.6.3 Выбор высоковольтных выключателей

Выключатели выбирают по номинальному току, напряжению, типу, роду установки и проверяют по электродинамической, термической стойкости и отключающей способности в режиме КЗ.

Выбираем выключатели вакуумные на напряжение 110 и 10 кВ. Каталожные данные и результаты расчетов представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5 - Каталожные данные и результаты расчетов на 110 кВ

Тип

Условия выбора

Каталожные данные

Расчетные данные

ВБЭ-110              I_ном ≥ I_мр U_ном ≥ U_уст I_{ном тс} ≥ I_∞

I_м ≥ i_у

I_{н отк} ≥ I_τ

S_ном ≥ S_τI_ном = 1250 А

U_ном = 110 кВ

I_{н отк} = 20 кАI_мр = 44,3 А

U_уст = 110 кВ

I_∞ = 8,46 кА

t_п = 0,505 c

i_у = 21,77 кА

I_τ = 8,46 кА

Sτ = 1685 МВ·А

Расчетный ток, протекающий по линии в нормальном режиме

I_р110 = = 31,6 А

С учетом возможной перегрузки трансформаторов

I_мр110 = = 44,3 А

Таблица 6 - Каталожные данные и результаты расчетов на 10 кВ

Тип

Условия выбора

Каталожныеданные

Расчетные данные

ВБКЭ-10                I_ном ≥ I_мр U_ном ≥ U_уст I_{ном тс} ≥ I_∞

I_м ≥ i_у

I_{н отк} ≥ I_τ

S_ном ≥ S_τ I_ном = 630 А

U_ном = 10 кВ

I_тс = 20 кА

I_{н отк} = 20 кА

I_м = 52 кАI_мр = 485 А

U_уст = 10 кВ

I_∞ = 2,94 кА

t_п = 0,505 c

i_у = 7,57 кА

I_τ = 2,94 кА

Sτ = 53,49 МВ·А

Расчетный ток, протекающий по линии в нормальном режиме

I_р10 = = 346,4 А

С учетом возможной перегрузки трансформаторов

I_мр10 =  = 485 А

.6.4 Выбор трансформатора тока

Трансформатор тока выбираем по номинальному первичному току, номинальному напряжению, нагрузке вторичной цепи, обеспечивающей погрешность в пределах паспортного класса точности. Трансформаторы тока проверяют на внутреннюю и внешнюю электродинамическую и термическую стойкость к токам КЗ. Каталожные данные и результаты расчетов представлены в таблице 7.

Определяем кратность динамической устойчивости к_дин по формуле

к_дин =  (60)

к_дин =  = 8,9

Определяем кратность термической устойчивости к_ту по формуле

к_ту = I_ном , (61)

где t_ту - время термической устойчивости, с

t_ту = 1 с;

I_ном = 0,6 кА

к_ту = 0,6 · = 0,43

Таблица 7 - Каталожные данные и результаты расчетов

Тип

Условия выбора

Каталожные данные

Результаты расчетов

ТПОЛ-10У3           I_ном ≥ I_мр U_ном ≥ U_уст к_дин ≥

к_ту ≥ I_ном

Z_2доп ≥ Z₂I_ном = 600 А

U_ном = 10 кВ

к_дин = 81

к_ту = 32

Z_2доп = 0,6 ОмI_мр = 485 А

U_уст = 10 кВ

i_у = 7,57 кА

к_дин = 8,9

к_ту = 0,43

Z2 = 0,27 Ом

Произведем расчет мощности электроприборов, подключаемых через трансформатор тока. Каталожные данные и результаты расчетов представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Данные электроприборов

Наименование и тип прибора	фаза А	фаза В	фаза С
Амперметр Счетчик активной и реактивной энергии	0,1 2,5	0,1 -	0,1 2,5
Итого	2,6	0,1	2,6

Определим допустимую вторичную нагрузку Z₂, Ом, по формуле

Z₂ = R_приб + R_пров + R_конт , (62)

где R_приб - сопротивление приборов, Ом;

R_пров - сопротивление соединительных проводов, Ом;

R_конт - переходное сопротивление контактов, Ом

R_конт = 0,1 Ом

R_приб = , Ом, (63)

где S_приб - мощность, потребляемая приборами, Вт;

I_{2 ном} - номинальный вторичный ток трансформатора тока, А,

I_{2 ном} = 5 А.

R_пров = ρ , Ом, (64)

где ρ - удельное сопротивление проводов,

ρ = 0,029 ;

 - длина проводов, м,  = 10 м;

q - сечение проводов, мм², q = 4 мм².

R_приб =  = 0,1 Ом

R_пров = 0,029 ·  = 0,07 Ом

Z₂ = 0,07 + 0,1 + 0,1 = 0,27 Ом

.6.5 Выбор трансформатора напряжения

Трансформатор напряжения выбираем по номинальному напряжению первичной цепи, классу точности и схеме соединения обмоток. Соответствие классу точности проверяется сопоставлением номинальной нагрузки вторичной цепи с фактической нагрузкой от подключенных приборов. Каталожные данные и результаты расчетов представлены в таблице 9.

Таблица 9 - Каталожные данные и результаты расчетов

Тип	Условия выбора	Каталожные данные	Результаты расчетов
НТМИ-10	Uном ≥ Uуст Sдоп ≥ Sрасч	Uном = 10 кВ S2 доп = 120 В·А	Uуст = 10 кВ Sприб = 28 В·А

Таблица 10 - Данные приборов

Тип прибора	Р, Вт	Q, вар
Вольтметр Э-335 Ваттметр Д-335 Счетчик активной энергии Счетчик реактивной энергии	2 3 4 6	- - 9,7 14,5
Итого	15	24,2

Определим мощность приборов S_приб , В·А, по формуле

S_приб = , (65)

где Р - суммарная активная мощность приборов, Вт;

Q - суммарная реактивная мощность приборов, вар.

S_приб = = 28 В·А

.7 Релейная защита

Релейная защита - совокупность специальных защитных устройств, контролирующих состояние всех элементов системы электроснабжения и реагирующих на возникновение повреждений или ненормального режима работы системы.

При повреждении релейная защита выявляет поврежденный участок и отключает его, воздействуя на коммутационные аппараты. К релейной защите предъявляют следующие основные требования: избирательность (селективность) действия; быстродействие; надежность действия и чувствительность.

В качестве защиты силовых трансформаторов от повреждений применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты. Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи максимальной токовой защиты, максимальной защиты с блокировкой минимального напряжения. Защита от перегрузки выполняется реагирующей на ток.

Принимаем к установке следующие виды защит:

токовую отсечку от междуфазных КЗ, выполненную по схеме неполной звезды с двумя реле;

максимальную токовую защиту с пуском по напряжению, выполненную по схеме неполной звезды с двумя реле;

защиту от перегруза, выполненную на одном реле.

Защиты установлены на стороне 110 кВ.

Определяем номинальный ток трансформатора на высшем напряжении I_{ном вн}, А, по формуле

I_{ном вн} =  (66)

I_{ном вн} =  = 31,6 А

Выбираем коэффициент трансформации К_т

К _т =  = 200

Определяем ток срабатывания отсечки I_сз , А, по формуле

I_сз = К_н · I_{кз вн}' , (67)

где К_н коэффициент надежности, К_н = 1,3 для реле РТ-40;

I_{кз вн}' - ток трехфазного короткого замыкания за трансформатором, приведенный к высшему напряжению трансформатора, А, определяется по формуле

I_{кз вн}' = I_{кз 2}  (68)

I_{кз вн}' = 2940 ∙  = 268 А

I_сз = 1,3 · 268 = 348,4 А

Определяем ток срабатывания реле I_ср, А, по формуле

I_ср = , (69)

где К_сх - коэффициент схемы, К_сх = 1

I_ср = = 1,74 А

Принимаем реле РТ-40/6; I_сраб = (1,5 ÷ 6) А

Определяем коэффициент чувствительности отсечки К_ч по

формуле

К_ч = , (70)

где I_{кз вн} - ток двухфазного КЗ перед трансформатором, А

К_ч = = 21,3 >> 2

Чувствительность токовой отсечки достаточна, поэтому дифференциальная защита не устанавливается.

Определяем ток срабатывания МТЗ с пуском по напряжению I_сз, А, по формуле

I_сз = I_{раб макс}, (71)

где К_н - коэффициент надежности, К_н = 1,2; К_в - коэффициент возврата, К_в = 0,85; I_{раб макс} - максимальный ток трансформатора на высшей стороне, А, определяем по формуле

I_{раб макс} =  (72)

I_{раб макс} =  = 44,3 А

I_сз = · 44,3 = 62,5 А

Определяем ток срабатывания реле РТ-40 I_ср по формуле (69)

I_ср =  = 0,31 А

Принимаем реле РТ-40/0,6; I_сраб = (0,15 ÷ 0,6) А

Определяем напряжение срабатывания реле минимального напряжения U_сз, кВ, по формуле

U_сз = , (73)

где U_ост - минимальное остаточное напряжение в месте установки пускового органа напряжение в условиях самозапуска после отключения внешнего КЗ

U_ост = 0,7U_ном;

К_в - коэффициент возврата, К_в = 1,2 для реле РН-50;

К_н - коэффициент надежности, К_н = 1,1.

КА1-КА5 - реле тока; KL1-KL3 - промежуточное реле; КТ1,КТ2 - фильтр времени; КН2-КН4 - реле указательное; KSG - газовое реле; KVZ - фильтр реле напряжения; KV1 - реле минимального напряжения

Рисунок 3 - Схема релейной защиты трансформатора

U_сз = = 58 кВ

Принимаем реле РН 53/60; U_сраб = (15 ÷ 60) В

Определяем ток срабатывания защиты от перегрузки I_сз ,А, по формуле

I_сз = I_{ном т} , (74)

где К_н - коэффициент надежности, К_н = 1,05;

I_сз =  · 31,6 = 39 А

Определяем ток срабатывания реле РТ-40 I_ср по формуле (69)

I_{с р} =  = 0,195 А

Принимаем реле РТ-40/0,6; I_сраб = (0,15 ÷ 0,6) А

Схема релейной защиты представлена на рисунке 3.

.8 Конструктивное выполнение подстанции

Любая подстанция состоит из распределительных устройств высокого и низкого напряжения, силовых трансформаторов.

Распределительным устройством (РУ) называется электрическая установка, служащая для приема и распределении электроэнергии.

Для энергетической системы распределительное устройство является узлом сети, оборудованным электрическими аппаратами и защитными устройствами.

По существу РУ - это конструктивное выполнение принятой электрической схемы, т.е. расстановка электрических аппаратов внутри помещений или на открытом воздухе с соединениями между ними голыми (редко изолированными) шинами или проводами строго в соответствии с электрической схемой.

Каждое РУ состоит из подходящих и отходящих присоединений, которые связаны между собой сборными шинами, перемычками, кольцевыми и многоугольными соединениями, с размещением различного числа выключателей, разъединителей, реакторов, измерительных трансформаторов и прочих электрических аппаратов, обусловленных принятой схемой.

Распределительные устройства сооружаются как закрытые, или внутренние (ЗРУ), так и открытые, или наружные (ОРУ). ЗРУ надежнее, удобнее, безопаснее, эксплуатация их не зависит от климатических условий и погоды, но они дороже и применяются преимущественно для схем генераторного напряжения и в установках собственных нужд, реже для напряжений 35 - 220 кВ. ОРУ применяются, главным образом для повышающих и понижающих подстанций напряжением 35 кВ и выше.

Кроме того, широко применяются распределительные устройства, выполненные в виде готовых блоков, шкафов, ящиков, собранных на специализированных заводах: сборные конструкции РУ (СБРУ), комплектные РУ внутренней и наружной установки (КРУ и КРУН), комплектные трансформаторные подстанции (КТП).

Позднее появились и считаются самыми современными новые комплектные РУ, в которых аппараты, коммутация и строительные (поддерживающие и опорные) конструкции совмещены и скомпонованы в общих фигурной формы тубах, в которых в качестве изоляции вместо масла применяются более новые изоляционные материалы: твердые, компаунды, жидкие и газообразные. Например, герметизированные элегазовые комплектные устройства (КРУЭ).

При строительстве подстанций руководствуются основными требованиями к РУ: надежность, удобство и безопасность обслуживания, пожарная безопасность, экономичность, простота расширения.

Надежность обеспечивает бесперебойное электроснабжение в нормальных условиях работы, при ремонтах и авариях. Надежность конструкций достигается высоким качеством проекта, строительных и монтажных работ, квалифицированной эксплуатацией.

При проектировании конструкций РУ, например, сборных шин, для выполнения требований надежности приводятся следующие рекомендации.

Сборные шины или отдельные фазы не должны располагаться друг над другом; ошиновка присоединений не должна располагаться над сборными шинами, особенно на ОРУ; выполнять коммутацию надо при минимальном числе изоляторов и соединений токоведущих частей; из зоны сборных шин желательно исключить такие элементы, как трансформаторы напряжения, разрядники и заземлители и т. д.

Для удобства эксплуатации, т. е. для удобства осмотров, проверки, чистки, замены оборудования, а также его ремонта без нарушения нормальной работы соседних цепей, оборудование располагается рядами в камерах или ячейках, а вдоль фронта камер или оборудования с обеих сторон или с одной предусматриваются коридоры, проходы или проезды, достаточные как для ремонтных работ, так и для транспортировки оборудования, передвижения монтажно-ремонтных механизмов и аппаратуры лабораторий. При компоновке конструкций РУ необходимо предусматривать ремонтные зоны около выключателей, разъединителей, измерительных трансформаторов, сборных шин вместе с шинными разъединителями, аппаратов подключаемых линий.

Ремонтные зоны нужны для удобства ремонтных работ, они должны быть надежно отделены от находящихся под напряжением соседних участков коммутации. Для отделения от соседних участков либо выдерживаются ремонтные расстояния, либо устанавливаются заземленные защитные ограждения.

Внутри камер или ячеек электрические аппараты устанавливаются по возможности одинаково и на легкодоступных расстояниях от проходов и на доступной высоте. Из коридоров осмотра, проходов и проездов должны быть ясно видны все детали конструкций, соединения и крепления. Контролируются также наиболее часто повреждающиеся места на аппаратах и на коммутации: открытые контактные соединения, стыки шин, защиты кабельные воронки и муфты, кинематика механизмов приводов.

Приводы выключателей, рукоятки приводов разъединителей, реле, сигнальные лампы, панели аппаратов управления, зажимы оперативного тока и другие элементы располагаются в ЗРУ на полу и на стенках ячеек в центральном коридоре управления, на ОРУ в специальных металлических шкафах ячеек, причем обязательно одинаково у всех камер или ячеек РУ.

Для безопасности эксплуатации предусматриваются нормированные расстояния от проходов до оголенных токоведущих частей, постоянные защитные сплошные или смешанные ограждения, перила, сетки и т. п. При длине коридоров или проходов более 7 м должно быть обязательно два выхода. На полу ЗРУ укладываются деревянные решетки, резиновые коврики. Применяются блокировки безопасности, окраска шин.

С целью взрывной и пожарной безопасности строительная часть как ЗРУ, так и ОРУ выполняется из несгораемых материалов: металла, кирпича, железобетона, шлакоблоков. Здания и помещения ЗРУ сооружаются преимущественно без оконных проемов. Двери металлические, открываются наружу. Предпочтительны типовые, стандартные сборные и комплектные железобетонные строительные конструкции, допускающие быструю механизированную сборку, разборку и замену поврежденных частей конструкций.

Требование возможности расширения удовлетворяется не только тем, что предусматриваются свободный торец здания РУ и свободный участок территории для расширения открытой площадки. При увеличении числа станций и мощности объединяемых энергосистем увеличиваются токи короткого замыкания и мощности отключения при разрыве цепей. Следовательно, расширение должно предусматривать замену оборудования на более мощное, имеющее большие размеры, замену токопроводов (кабелей, шин, комплектных устройств) на токопроводы более крупных сечений и более мощных конструкций.

электроэнергия трансформатор подстанция релейный

3. Охрана труда

.1 Техника безопасности при работе в распределительных устройствах напряжением выше 1000 В

Правила безопасности при проведении работ в действующих электроустановках приведены в “Межотраслевых правилах по охране труда (правилах безопасности) при эксплуатации электроустановок”.

Работы в действующих электроустановках выше 1000 В должны проводиться по наряду-допуску.

До начала работ необходимо выполнить все организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ.

Организационными мероприятиями являются:

оформление работ нарядом, распоряжением или перечнем работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации;

допуск к работе;

надзор во время работы;

оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания работы.

Технические мероприятия выполняются при подготовке рабочего места со снятием напряжения. Должно быть выполнено следующее:

произведены необходимые отключения и приняты меры, препятствующие подаче напряжения на место работы вследствие ошибочного или самопроизвольного включения коммутационных аппаратов;

на приводах ручного и на ключах дистанционного управления коммутационных аппаратов должны быть вывешены запрещающие плакаты;

проверено отсутствие напряжения на токоведущих частях, которые должны быть заземлены для защиты людей от поражения электрическим током;

наложено заземление (включены заземляющие ножи, а там, где они отсутствуют, установлены переносные заземления);

вывешены указательные плакаты “Заземлено”, ограждены при необходимости рабочие места и оставшиеся под напряжением токоведущие части, вывешены предупреждающие и предписывающие плакаты.

При выполнении работ по наряду в электроустановках выше 1000В лица, ответственные за безопасное ведение работ (выдающий наряд, допускающий, производитель работ) должны назначаться из числа оперативного персонала и иметь группу по электробезопасности не ниже IV.

При производстве переключений, подготовке рабочего места, выполнении работ без снятия напряжения необходимо пользоваться проверенными и испытанными защитными средствами.  

Пожарная безопасность на предприятиях обеспечивается с помощью мероприятий и технических средств, обеспечивающих невозможность возникновения пожара, а также системой пожарной защиты, направленной на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара и ограничения материального ущерба от него.

Пожарная безопасность в электроустановках обусловлена наличием в электрооборудовании горючих изоляционных материалов: обмоток электромашин, трансформаторов, различных электромагнитов, проводов, кабелей.

Система пожарной защиты предусматривает следующие меры:

максимально возможное применение негорючих и трудногорючих веществ, материалов в производственных процессах;

ограничение количества горючих веществ и их надлежащее размещение;

изоляцию горючей среды;

предотвращение распространения пожара за пределы очага;

применение средств пожаротушения;

применение конструкций производственных объектов с регламентированным пределом их огнестойкости и горючести;

эвакуацию людей в случае пожара;

применение средств коллективной и индивидуальной защиты от огня;

применение средств пожарной сигнализации; и средств извещения о пожаре;

организацию пожарной охраны объекта.

Заключение

В курсовом проекте на тему «Электроснабжение коксохимического производства» дана характеристика потребителей коксохимического производства по надежности электроснабжения. Для питания потребителей принята радиальная схема питания с секционированием шин.

Расчет максимальных нагрузок питающей подстанции позволяет выбрать компенсирующее устройство для повышения коэффициента мощности сети и силовые трансформаторы.

Для связи источника питания с подстанцией выбрана воздушная линия электропередачи.

В результате расчета токов короткого замыкания выбрано высоковольтное оборудование подстанции: шины, выключатели на напряжение 110 и 10 кВ, опорные изоляторы, трансформаторы тока и напряжения.

Произведен расчет релейной защиты силового трансформатора.

В проекте рассмотрены вопросы конструктивного выполнения подстанций, а также вопросы техники безопасности при работе в действующих электроустановках.

Список литературы

1 Князевский, Б.А., Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий [Текст]: учеб. пособие для вузов. М.: “Высшая школа”, 1986.

Липкин, Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок [Текст]: учеб. пособие для вузов. М.: «Высшая школа», 1981.

Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок, 2002

Правила устройства электроустановок [Текст]/ Минэнерго. - М.: «Энергоиздат», 1985. - 648 с.

Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. В 2-х кн./Под общ. ред. А.А. Фёдорова и Г.В. Сербиновского [Текст]: Кн. 2. Технические сведения об оборудовании. М.: «Энергия», 1974. - 528 с.

Неклепаев, Б.Н., Крючков, И.П. Электрическая часть станций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования [Текст]: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М: «Энергоатомиздат», 1989. - 608 с.