2.3. Расчёт токов к.з. на шинах РУ

МПС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра «Электроснабжение железных дорог»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Выполнил студент:
Группа 03-ЭС-16
Руководитель
Непомнящих П.В.
Санкт-Петербург 2007
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3
1. ОБОСНОВАНИЕ ГЛАВНОЙ СХЕМЫ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ............ 4
2.1. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-110 кВ ........................................................... 5
2.2. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-10 кВ ........................................................... 15
2.3. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-3,3 кВ .......................................................... 16
2.4. Расчёт токов к.з. за трансформатором собственных нужд ........................ 17
3.ВЫБОР, РАСЧЁТ И ПРОВЕРКА ШИН, ОСНОВНЫХ
КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ РУ............................................................................. 21
Шины РУ-10 кВ ..................................................................................................... 22
3.2. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ...................................................................... 24
3.3. РАЗЪЕДИНИТЕЛИ, ОТДЕЛИТЕЛИ, КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ .......................................... 26
3.4. Измерительные трансформаторы. ............................................................. 27
Выбираем трансформатор тока ТЛШ10-У3. ...................................................... 27
4. ПОДБОР АППАРАТУРЫ И СХЕМ ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД
ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ..................................................................................... 30
1.1.
4.1. Аккумуляторная батарея ..................................................................... 30
1.1. 4.1. Аккумуляторная батарея ..................................................................... 31
4.2. Зарядно-подзарядное устройство ................................................................ 32
5. РАСЧЁТ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПОДСТАНЦИИ .................................... 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 37
3
ВВЕДЕНИЕ
В данной курсовой работе по исходным данным необходимо составить
проект тяговой подстанции постоянного тока.
В настоящее время актуальным является разработка новых подстанции,
удовлетворяющих современным требованиям – легкость и простота монтажа,
компактность, высокая надёжность, минимальные затраты на обслуживание,
экологичность.
Это
возможно
реализовать
при
использовании
более
эффективных схемотехнических решений:
 использование одноступенчатой схемы трансформации 110/3.3кВ с
применением четырехобмоточных сухих трансформаторов;
 применение новых ОРУ-110кВ опорных, транзитных и отпаечных
подстанций, выполненных на элегазозаполненных ячейках ПАСС М0;
 применение
двенадцатипульсовых
выпрямительно
–
инверторных
преобразователей;
 использование микропроцессорных блоков релейной защиты;
 применение современной системы телемеханики АСТМУ.
4
1. ОБОСНОВАНИЕ ГЛАВНОЙ СХЕМЫ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
В качестве выпрямительного преобразователя тяговой подстанции
выбираем ТПЕД, имеющий номинальный ток 3.15 кА. Необходимое число
рабочих выпрямителей
n
I ср
I d ном
,
(1)
n = 2900/3150 = 0,92
Округляем полученное число выпрямителей до ближайшего целого n  1. Для
выбранного преобразователя подбирается тяговый трансформатор по условию
Sтном  S расч.max .
(2)
Применим одноступенчатую трансформацию с напряжения 110 кВ на
напряжение, необходимое для питания районной нагрузки 10 кВ, а также
напряжение для питания тяги 3 кВ. Наибольшая расчетная мощность, по
которой выбирается трансформатор определяется из выражения
Sp.max  (ST  SP  SCH )  k p
где
(3)
S т – мощность тяговой нагрузки, кВ  А;
S р – мощность районной и нетяговой нагрузки, кВ  А;
Scн
– мощность трансформатора собственных нужд, кВ  А;
Kp
– коэффициент, учитывающий разновременность наступления
максимума тяговой и нетяговой нагрузок, 0.97.
Для 12-пульсовой схемы
Sт  1.028  U d  I d ,
Sт  1.028  3.3  3150  10686  кВ  А ;
S P max  (10686  400)  0,97  10053 (кВА).
Принимает трансформатор ТРДТНП-12500/110И с параметрами:
Sном  12920 кВ  А, Pх  11.5 кВт , Pк  100 кВт , uk  15%.
(4)
5
2. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ШИНАХ РУ
2.1. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-110 кВ
Для выбора электрооборудования тяговой подстанции необходимо
определить максимальные токи трехфазного, двухфазного и однофазного к.з., а
для выбора релейных защит – минимальное значение тока к.з.
220 кВ
38,5 кВ
Х = 0,4 Ом/ км
2 x АТДТГН – 32мВА
уд
3 x 125 мВт
uk =10,5%
121 кВ
ВЛ – 110 кВ
r
уд
=0,12 Ом/ км
121 кВ
170 км
50 км
3 x 100мВт
cos f =0,8
Xd* =0,138
30 км
110 кВ
К -1
№1
25 км №2
20 км
№3
К-2
25км
№4
РУ -10 кВ
ТСН
К- 3
К- 4
РУ- 3,3 кВ
Рис. 1 Однолинейная расчётная схема
Рис. 2 Схема замещения
110 кВ
6
Выбираем базисные
Sб  100 МВ  А ,
условия
при
к.з.
в
точке
К-1
U б  U ср  115 кВ . Определяем базисный ток по формуле (5).
Iб 
Iб 
Sб
3 U б
100
3 115
(5)
,
 0,5  кА .
Для этих условий вычислим относительные сопротивления элементов схемы
замещения. Так как для большинства элементов x  1 3  r , то учитываем только
индуктивные сопротивления элементов.
x1  x2  x3  xd''  
где
(6)
xd''  - относительное сверхпереходное сопротивление генератора;
S нт
- номинальная мощность генератора.
Sнт 
P
,
cos 
S нт 
100
 125( МВА)
0,8
(7)
X1  X 2  X 3 
100
* 0,138  0,11
125
X4  X5  X6 
U к% Sб

100 S нт
X4  X5  X6 
15 100

 0,12;
100 125
x Л  x уд  l 
где
Sб
,
Sнт
Sб
,
U б2
x уд - удельное индуктивное сопротивление ЛЭП;
l - длина ЛЭП.
X Л  X 7  X 8  0,4  30 
100
 0,09;
115 2
(8)
7
X 9  X 12  0,4  25 
100
 0,0076;
115 2
X 10  X 11  0,4  45 
100
 0,136;
115 2
X 13  X 14  0,4  50 
100
 0,152;
115 2
Относительное сопротивление автотрансформатора можно определить по
формуле (4)

u    0.5   u 

 ,
uk  В   0.5  uк В Н   uк В С   uкС Н  ,
 uкС  Н   uк В Н
к В С 
к С
(9)
uк В   0.5  16  10.9  10.3  8.3% ,
uкС   0.5  10.9  10.3  16   2.6 % ,
xт В   x19  x20 
xтС   x17  x18 
8.3 100

 0.259,
100 32
2.6 100

 0.0813.
100 32
Преобразуем схему замещения в более простую (рис. 3).
X21
0,104
X26
0,197
X23
0,259
X22
0,072
X9
0,072
X24
0,187
X25
0,072
Рис. 2 Схема замещения
Относительные сопротивления элементов:
x x
 x x

x21   1 4   x1  x4    1 4  x1  x4  ,
 2
  2

X 21  (
0,11  0,12
0,11  0,12
* (0,11  0,12)) /(
 0,11  0,12)  0,072.
2
2
(10)
8
x22 
x7
,
2
X 22 
(11)
0,09
 0,045;
2
X 23  Х 9  Х 11  0,0076  0,136  0,144;
(12)
X 24  Х 10  0,136;
X 25  Х 12  0,0076;
X 26 
Х 13
 0,076;
2
X 27 
Х 17  Х 15 0,0813  0,259

 0,197;
2
2
(13)
Преобразуем «треугольник» x10 - x23 – x12 в «звезду» (рис. 4).
X27
0,176
X28
0,036
X29
0,0935
X31
0,269
X30
0,026
Сопротивления полученной схемы замещения
X 28  X 21  X 22  0,072  0,045  0,117;
X 32  X 27  X 26  0,076  0,197  0,269;
X 29 
X 10  X 23
0,136  0,144

 0,055;
X 10  X 23  X 12 0,136  0,144  0,076
X 23  X 12
0,144  0,076

 0,031;
X 10  X 23  X 12 0,136  0,076  0,144
X 10  X 12
0,136  0,076


 0,029;
X 10  X 23  X 12 0,136  0,076  0,144
(14)
X 30 
X 31
Далее упрощаем (рис. 5) и находим сопротивления элементов.
X32
0,212
X33
0,363
X30
0,026
Рис. 3 Схема замещения
(16)
9
X 33  X 29  X 28  0,12  0,055  0,175;
X 34  X 32  X 30  0,269  0,031  0,3;
Заменим трёхлучевую «звезду» на двухлучевую (рис. 6).
È1
È2
X 34
0,144
X 35
0,144
Рис. 4 Схема замещения
Относительные сопротивления:
X 33  X 31
;
X 34
0,175  0,029
 0,165  0,029 
 0,211;
0,3
(17)
X рез1  X 33  X 31 
X рез1
X рез 2  X 34  X 31 
X 34  X 31
0,3  0,029
 0,3  0,029 
 0,379.
X 33
0,175
(18)
По условию для источника И2 короткое замыкание считается удалённым,
т.к. S И 2   . Поэтому ток КЗ от И2 можно определить приближенным методом.
I 2''  I 2 пt  I 2  
I2 
Sб
3  U ср  x2 рез
100
3 * 115 * 0,379
,
(19)
 1,32, (кА)
Ударный ток iy от источника И2
i у  I пt  2  k у ,
где ky – ударный коэффициент, для высоковольтных цепей ТП равен 1,8
iУ 2  1,32 * 2 *1,8  3,36кА;
Определим удалённость источника И1 до точки к.з. по условию (17).
(20)
10
для удалённой точки x расч  1.
x расч1  x1 рез 
3  PГ ном
Sб  cos  Г ном
X расч(1)  0,210 *
(21)
,
(22)
3 100
 0,788;
100 * 0,8
Так как x расч1  1, то точка К-1 считается неудалённой.
Для неудалённой точки расчёт тока к.з. производится методом типовых
кривых. Определим номинальный ток источника И1 при напряжении ступени
к.з.
I И 1ном 
I И 1ном 
3  PГ ном
3 U ср  cos  Г ном
,
(23)
3 100
 1,88; (кА)
3 115 * 0,8
Сверхпереходный ток источника в месте к.з.
I
''
И1

где
E Г''   U ср
3  x1 рез
,
(24)
EГ''   1.08 - относительное значение сверхпереходной ЭДС генератора;
x1 рез - результирующее сопротивление ветви неудалённого к.з..
x1 рез  x1 рез 
U ср2
Sб
,
X рез1  0,211*
I И1 
115 2
 27,9;
100
1,08 *115
 2,57; (кА)
3 * 27,9
Относительное значение сверхпереходного тока источника
(25)
11
I И 1 
I И 1* 
I И'' 1
I И 1ном
,
(26)
2,57
 1,37;
1,88
По типовым кривым определяем величину nt , соответствующую моментам
времени t1 и t2 для тока источника I И 1 .
t1  t рз  tсв ,
(27)
t1  0.1  0.03  0.13  c  ,
t2  t рз  tов ,
(28)
t2  0.1  0.06  0.16  c  ,
n  t1   0.96,
n  t2   0.95.
Периодическая составляющая тока к.з. для заданного t определяется
следующей формулой:
I пt  nt  I И'' 1
(29)
I пt 0.13  0.96  2.14  2.05  кА ,
I пt 0.16  0.95  2.14  2.03  кА .
По формуле (20) определяем ударный ток
iУ  2 * 2,14 *1,8  5,45кА;
Просуммировав периодические составляющие токов к.з. двух ветвей,
получим общий ток в точке к.з.
I пt   I1п 0  I 2 пt ,
3
I n(30)  2,14  1,32  3,46(кА);
I nt(3) 0,13  2,05  1,32  3,37(кА);
I nt(3) 0,13  2,03  1,32  3,35(кА);
Ударный ток в точке к.з.
(30)
12
iУ  2 * 3,46 *1,8  8,81кА;
Мощность трехфазного к.з.
Sk  
3
Sб
,
x рез
X рез* 
X рез* 
S К(3) 
(31)
Х * рез (1)  Х * рез ( 2 )
Х * рез (1)  Х * рез ( 2 )
;
(32)
0,211  0,382
 0,136;
0,211  0,382
100
 735,3МВА.
0,136
Определим ток двухфазного к.з.
I п  
2
I n( 20) 
3 3
 Iп ,
2
(33)
3
 3,46  3кА;
2
I nt( 2)0,13 
3
 3,37  2,92кА;
2
I nt( 2)0,16 
3
 3,35  2,9кА;
2
Определим ток однофазного к.з. Для этого необходимо рассчитать
сопротивление нулевой последовательности. Расчётная схема замещения
нулевой последовательности представлена на рис. 7.
X35
0,108
X34
0,26
X36
0,078
X38
0,413
X37
0,28
X39
1,16
X40
1,16
Рис. 7 Схема замещения
Относительные сопротивления схемы нулевой последовательности:
13
х35 
х4
0,12
 3 * х22 
 3 * 0,045  0,175;
3
3
х36  3 * х29  3 * 0,055  0,165;
х37  3 * х31  3 * 0,029  0,087;
х38  3 * х30  3 * 0,031  0,093;
х39  3 * х25  х27  3 * 0,076  0,197  0,425;
Сопротивление тягового трансформатора
uк скв % Sб

,
100 Sнт
(12)
U к  Sб
15  100

 1,16 ,
100  S ном 100  12,92
(35)
xтр 
хтр1, 2 
где uкВН – напряжение к.з. обмотки высокого напряжения, %;
Sном – номинальная мощность трансформатора, МВА; Sном = 12,92 МВА;
Sб – базисная мощность.
хтр 
хвн1, 2 1,16

 0,58 ,
2
2
х40  х41  0,58
Упростим схему замещения (рис. 8).
X41
0,369
X37
0,28
X43
0,58
X42
0,491
X44
0,859
X45
1,14
X43
0,58
Рис. 8 Схема замещения
14
х 42  х35  х36  0,175  0,165  0,340
х 43  х35  х36  0,425  0,087  0,512
х 44 
х 42
0,340
 х 42  х38 
 0,340  0,093  1,097
х 43
0,512
х 45 
х1рез( 0) 
х 43
0,512
 х 43  х38 
 0,512  0,093  2,1
х 42
0,340
х 44 * х 45 * х 41
0,58 * 1,097 * 2,1

 0,32
х 41 * х 44  х 41 * х 45  х 44 * х 45 0,58 * 1,097  0,58 * 2,1  2,1 * 1,097
Ток однофазного замыкания
I п 0 
1
I n(10) 
x
1
рез 1
3 Iб
 x рез  2  x рез 0
1
1
,
3 * 0,5
 2,53 (кА)
0,136  0,136  0,32
(36)
15
2.2. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-10 кВ
Расчётная схема замещения изображена на рис. 9. Из неё видно, что
максимальное значение тока к.з. будет при параллельной работе двух
трансформаторов, а минимальное – при работе одного.
Xðåç ê- 1
0,144
XÒ1
0,144
XÒ2
0,144
Рис. 5 Схема замещения
Относительное сопротивление трансформатора
xТ 
15 100

 1.16.
100 12.92
Периодическая составляющая максимального тока трехфазного к.з.
I п 0к2 
I б к 2
3
Iб 
x рез к2
3
,
Sб
100

 5,5 КА,
3 U б
3  10,5
5,5
I п(30)max 
1,16
0,136 
2
 7,68 кА,
i у  2,55  7,68  19,6 кА.
Периодическая составляющая минимального тока трехфазного к.з.
I п(30)min 
5,5
 4,24 кА,
0,136  1,16
Мощность трехфазного к.з. в точке К-2
S к( 3)2 
100
 151,5 МВА,
0,66
Периодическая составляющая тока двухфазного к.з.
I п( 20)max 
3
 7,68  6,65 кА,
2
(37)
16
2.3. Расчёт токов к.з. на шинах РУ-3,3 кВ
Расчет токов к.з. на шинах за преобразовательным трансформатором (к-5)
Определим базовый ток:
100
 18,3 кА,
3  3,15
Iб 
Максимальный ток к.з.
I к 5 max 
18,3
 27,7 кА,
0,66
I к 5 min 
18,3
 14,8 кА,
1,24
Минимальный ток к.з.
Мощность короткого замыкания
S к 5 
100
 151,5 МВА,
0,66
Ударный ток короткого замыкания
i ук 5  2,55  27,7  70,6 кА.
17
2.4. Расчёт токов к.з. за трансформатором собственных нужд
От ТСН питаются цепи, обеспечивающие функционирование основной
силовой аппаратуры тяговой подстанции, а также вспомогательные и бытовые
нужды. При расчёте тока к.з. в данной цепи учитываем сопротивления
трансформаторов тока, кабелей, катушек выключателя и пренебрегаем
сопротивлениями, находящимися выше ТСН. Расчётная схема замещения
представлена на рис.8
RÒÑÍ
XÒÑÍ
RQS
RQF
RkQF
XkQF
RTA
XTA
Rêàá
Xêàá
Rø
Xø
Рис. 10 Схема замещения
Определим сопротивления схемы замещения
RТСН 
RТСН
2
Pк U ТСН

,
SнТСН SнТСН
1,15 400 2

*
 1,15( мОм )
400 400
 u   Pk
  k  
 100   SнТСН
2
xТСН
(13)
2
2
 U ТСН
,
 
S
ТСН

(14)
18
хТСН  0,06 2  0,003 2 * 400  24( мОм ) xТСН 
0.0452  0.0142  400  17.1  мОм  ,
 активное сопротивление разъединителя RQS = 0.15 мОм;
 сопротивление быстродействующего выключателя RQF = 0.15 мОм;
 активное сопротивление катушки выключателя RkQF = 0.12 мОм;
 реактивное сопротивление катушки выключателя xkQF = 0.1 мОм;
 активное сопротивление трансформатора тока RTA = 0.05 мОм;
 реактивное сопротивление трансформатора тока xTA = 0.07 мОм;
Активное и реактивное сопротивления кабеля, мОм, определяются по
формулам:
rк  lк
r0
;
3
xк  lк
x0
,
3
(39)
(40)
где lк - длина кабеля, м; принята равной 30 м;
r0 и x0 – соответственно активное и реактивное удельные сопротивления кабеля,
Ом/км.
Значения r0 и x0 найдены по справочнику согласно принятому типу кабеля и
приложенному напряжению. В настоящей работе принят кабель типа ААГ3×185+1×50-1. Для него r0 = 0,167 Ом/км, x0 = 0,0596 Ом/км.
rк  30 
xк  30 
0,167
 1,67 мОм;
3
0,0596
 0,596 мОм.
3
Активное суммарное сопротивление цепи
R  RТСН  RQS  RQF  RkQF  RTA  Rкаб  Rш ,
(15)
R  1,15  0,15  0,15  0,12  0,05  1,67  3,29 мОм.
Реактивное суммарное сопротивление цепи
x  xТСН  xkQF  xTA  xкаб  xш ,
х  24  0,1  0,07  0,596  24,77 мОм.
(16)
19
Полное сопротивление
Z  R2  x 2 ,
Z 
(17)
23,29 2  24,77 2  25 мОм.
Токи трехфазного короткого замыкания:
I к( 3( к) 4 ) 
I к( 3( к) 4 ) 
1,05  U н
;
3  z рез
(44)
1,05  400
 9,7 кА;
3  25
i у(3()к 4)  2,55  I к(3( к) 4)  2,55  9,7  24,7кА;
I у(3( )к 4)  1,52  I к(3( к) 4)  1,52  9,7  14,7кА.
Токи двухфазного короткого замыкания:
I к( 2( к) 4)  0,87  I к3( к 4)  0,87  9,7  8,4кА;
i у( 2( к) 4)  2,55  I к( 2( к) 4)  2,55  8,4  21,4кА;
I у( 2( к) 4)  1,52  I к( 2( к) 4)  1,52  8,4  12,8кА.
Токи однофазного короткого замыкания:
I к(1( )к 4 ) 
U 2ф
,
(1)
1
z
3 Тсн
(45)
где U2ф –фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В;
zТсн –полное сопротивление трансформатора при однофазном коротком
замыкании.
Согласно справочным данным для принятого в работе трансформатора
собственных нужд
1
3
(1)
zТсн
 100 мОм.
I к(1()к 4 ) 
230
 2,3кА;
100
i у(1()к 4 )  2,55  2,3  5,87 кА.
I у(1()к 4 )  1,52  2,3  3,5кА.
20
Таблица 1
Результаты расчета токов короткого замыкания
max
min
max
min
max
min
Однофазное К.З.
Двухфазное К.З.
Трёхфазное К.З.
Точка
К.З.
показат
ель.
РУ-110кВ
К-1
РУ-10,5кВ
К-2
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
Iк, кА
iy, кА
Iy, кА
Sк, МВА
3,46
8,81
7,68
19,6
735,3
151,5
6,65
РУ-3,3кВ
К-3
ТСН
К-4
9,7
24,7
14,7
3
I к  27,7
i у  70,6
8,4
21,4
12,8
I у  14,8
2,53
2,3
5,87
3,5
21
3.ВЫБОР, РАСЧЁТ И ПРОВЕРКА ШИН, ОСНОВНЫХ
КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ РУ
К токоведущим частям электроустановок относятся сборные шины РУ
различного напряжения, с их помощью производится соединение генераторов с
силовыми трансформаторами и трансформаторами собственных нужд.
3.1. Выбор шин ОРУ-110 кВ
Шины ОРУ-110 кВ выполняются гибкими проводами АС, АСУ, АСО сечением
не менее 70 мм2.
Сечение сборных шин q выбрано по условию:
I доп  I раб max ,
где
I доп –
(46)
дополнительно допускаемый ток для шины данного сечения и
материала, А;
I раб max – максимальный длительный ток нагрузки, А.
Максимальный длительный ток нагрузки найден по формуле:
I раб max 
где
k пер S ГПТном
3 U н
,
(47)
S ГПТном – номинальная мощность понизительного трансформатора;
k пер – коэффициент допустимой перегрузки трансформатора, k пер =1,5;
U н – номинальное напряжение на вводе подстанции.
I раб max 
1,5 12920
 102 А.
3 110
Выбраны шины марки АС-70 на допускаемый ток 265 А.
265( А)  102( А) , т. е. I доп  I раб max
Выбранные шины проверены на термическую устойчивость воздействию тока
к.з. Для этого вычислено минимальное термически стойкое сечение:
22
qmin 
где
Bk
Bk 10 6
C
,
(48)
– тепловой импульс к.з., кА2с;
C – функция, зависящая от перегрева. В данном случае принято C = 60.
Тепловой импульс к.з. определен по формуле:
Bk  I к( 3) (tоткл  Т а ) ,
где
(49)
Т а – постоянная времени отключения цепи; принято Т а =0,05 с.
tоткл  tОВ  t РЗ ,
где
t ОВ – собственное время отключения выключателя; t ОВ =0,02 с;
t РЗ – время действия релейной защиты; t РЗ =0,1 с.
Bk  6,252 (0,02  0,1  0,05)  6,64 кА 2  с.
qmin
6,64 106

 43 мм 2 .
60
Условие термической стойкости:
q  qmin
где
(50)
q – выбранное сечение, мм2.
Условие термической стойкости в данном случае удовлетворено:
70( мм 2 )  43( мм 2 ) .
Шины РУ-10 кВ
Сечение шин выбирается по условию
I доп  I раб max .
где
I доп - дополнительно допускаемый ток для шины данного сечения и
материала, А;
I раб max - максимальный длительный ток нагрузки, А.
Максимальный рабочий ток
I раб max 
kпер  Sтном n
3 U ш
,
(51)
23
I раб max 
1,3  4800
3  115 А
3  10,5
Принимаем алюминиевые шины 4х30 мм2,115( А)  365( А) .
Выбранные
воздействию
шины
тока
проверяются
к.з.
на
Минимальное
термическую
термически
устойчивость
стойкое
сечение
определяется следующей формулой:
qmin 
где
Bk
C
,
Bk – тепловой импульс к.з., кА2  с ;
С – функция, зависящая от перегрева.
Тепловой импульс к.з.
Bk  I n20   tотк  Ta  ,
где
Ta – постоянная времени отключения цепи, с.
Вk  8330 2  (0,16  0,05)  14,6  10 6 кА2  с
qmin
14,6  10 6

 43 мм 2
90
В нашем случае термическая устойчивость обеспечивается, т.к. выполняется
условие:
q  qmin
120 мм 2  43 мм 2
Проверим
выбранные
шины
на
динамическую
стойкость.
Динамическая стойкость обеспечивается, если выполняется условие:
 доп   расч .
где
 доп  65 МПа – допустимое напряжение в материале шины,
 расч – расчётное механическое напряжение.
Сила, действующая на шину
l 32
Fmax  3  107   i y  ,
a
где
l = 1 м – длина шины,
(52)
24
а = 0.5 м – расстояние между шинами.
Fmax  3  10  7 
1
 (21,3  10 3 ) 2  157 Н
0,5
Изгибающий момент
M изг 
М изг 
Fmax  l
,
10
(53)
157  1
 15,7 Н  м .
10
Момент сопротивления сечения
W  0.167  b  h2 ,
где
(54)
b – толщина шины, 0.004 м;
h – высота шины, 0.03 м.
W  0.167  0.004  0.032  0.6  106  м3  .
Расчётное механическое напряжение
 расч 
15,7
 26,2 МПа.
0,6
3.2. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Выключатели высокого напряжения предназначены для переключения
электрических цепей переменного тока под нагрузкой в нормальных и
аварийных режимах.
Выключатели выбираются по роду установки, номинальным напряжению и
току:
U ном  U раб

,
 I ном  I раб
где Uном и Iном – соответственно номинальные напряжения и ток
выключателя, кВ и А;
Uраб и Iрабmax – напряжение, кВ и максимальный ток, А цепи, где
устанавливается выключатель.
25
Выполнение этих условий гарантирует работу выключателя в
нормальном режиме. Надежная работа выключателя при к.з. обеспечивается
проверкой:
на электродинамическую устойчивость
i скв  i y ,
где i скв - амплитудное значение предельного сквозного тока выключателя,
кА;
i у - ударный ток к.з., кА.
- на термическую устойчивость
I T2  tT  Bk ,
(55)
где I T и t T - ток и время термической стойкости, соответственно в кА и с;
Bk - тепловой импульс тока к.з., проходящего через выключатель, кА 2  с .
- на отключающую способность, для случая электрически удаленной точки:
I ном откл  I к ,
где I ном откл - номинальный ток отключения выключателя (действующее
значение), кА;
I к - ток к.з., кА.
-
на заданный цикл АПВ; (в настоящей работе не осуществляется).
Значения параметров, по которым произведен выбор выключателей, их
перечень и соответствующие характеристики, определенные по справочной
литературе, приведены в таблице.
Таблица 2
Выбор выключателей
РУ
110
Тип
выключателя
ВНЭ110М/630
U ном
, кВ
U раб
110
110
I ном
I раб max
630
102
i
, А скв , кА
iу
80
15,9
I номоткл
Iк
, кА
25
6,25
IТ2  tТ
, кА2  с
Bк
1452
6,64
26
ВВ/TEL-1010,5
12,5/1000 У2
ВАБ-49-
3,3
5000/30-ЛУХЛ4
10,5
10,5
630
115
3,3
3,3
5000
2520
32
21,3
12,5
8,33
469
14,6
3.3. РАЗЪЕДИНИТЕЛИ, ОТДЕЛИТЕЛИ, КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ
Указанные аппараты выбираются и проверяются так же, как и
высоковольтные выключатели переменного тока с той разницей, что
разъединители не проверяются на отключающую способность, а
короткозамыкатели не выбираются по рабочему току. При выборе, кроме того,
следует учесть, что отделители и короткозамыкатели устанавливаются только в
сетях 35 кВ и выше. Параметры выбора, перечень и характеристики выбранных
коммутационных аппаратов приведены в таблице 5.
Таблица 3
Выбор разъединителей, отделителей и короткозамыкателей
РУ
Тип аппарата
Короткозамыкатель
КЗ-110М
110
Отделитель
ОД-110М/630
U ном
, кВ
U раб
РНДЗ-110/630
Разъеде10,5
нитель
РВЗ-10/400-I
3,3
РКЖ3,3/3000УХЛ1
I раб max
,А
iскв
, кА
iу
I номоткл
Iк
, кА
IТ2  tТ
, кА2  с
Bк
110
110
-
34
15,9
13,3
6,25
530
6,64
110
110
630
102
80
15,9
-
1452
6,64
110
110
630
102
80
15,9
-
1452
6,64
10,5
10,5
400
115
50
21,3
3,3
3,3
3000
2520
Разъеденитель
I ном
-
-
1000
14,6
27
3.4.
Измерительные трансформаторы.
Выбираем трансформатор тока ТЛШ10-У3.
Трансформатор ТЛШ-10 предназначен для передачи сигнала
измерительной информации измерительным приборам, устройствам
защиты и управления, а также для изолирования цепей вторичных
соединений от высокого напряжения в электрических установках
переменного тока частоты 50 или 60 Гц на класс напряжений до 10 кВ
включительно.
Трансформаторы для дифференциальной защиты поставляются по
специальному заказу. Трансформаторы предназначены для встраивания
в распределительные устройства и токопроводы. Трансформаторы
изготовлены в климатическом исполнении "У" или "Т" категории
размещения 3 по ГОСТ 15150
Выбранный трансформатор проверяем по мощности
S2 ном  S2 ,
где
(56)
S2ном – номинальная мощность вторичной обмотки, 20 В  А ;
S2
–
мощность,
потребляемая
измерительными
приборами
и
устройствами защиты.
S2  Sприб  I 22  rпр  I 22  r ,
где
Sприб – мощность, потребляемая приборами, 12 B  A ;
I2 – ток вторичной цепи, 5 А;
rпр – сопротивление проводов 0.0467 Ом;
S2  12  52  0.0467  52  0.1  15.7  B  A ,
20  B  A  15.7  B  A .
Проверим на динамическую и термическую стойкость при к.з.
iдин  i y ,
81кА  21,3кА ,
I терм  i y ,
31,5кА  21,3кА .
(57)
28
Выбор ТН производим по следующим условиям:
U ном  U раб ,
S2 ном  S2 расч .
Для обмоток напряжений счётчиков и других приборов принимаем
трансформатор напряжения НТМИ-10 с S2 ном  120 В  А в классе 0.5.
Трехфазные трансформаторы напряжения серии НТМИ изготавливаются для нужд
народного хозяйства и предназначены для применения в электрических цепях
переменного
токачастотой50Гц.
Трансформаторы являются масштабными преобразователями и предназначены для
выработки сигнала измерительной информации для электрических измерительных
приборов и цепей защиты и сигнализации в сетях с изолированной нейтралью .
S2 расч 
где
P
Q
приб
приб
  P    Q 
2
приб
приб
2
(58)
,
– сумма активных мощностей приборов и реле, B  A ;
а – сумма реактивных мощностей приборов и реле, вар .
Определение суммарной активной и реактивной мощностей приборов
сведено в табл. 7.
Таблица 4
Счётчик активной
энергии
Счётчик
реактивной
sinприб
Тип
Потребляемая
мощность
параллельными
обмотками, ВА
cosприб
Прибор
Число обмото
напряжения в приборе
на одну фазу
Число приборов на
одну фазу
Приборы подключенные к обмотке ТН
всех
одного
приборо
прибора
в
Мощность
Pприб,
Вт
Qприб,
вар
САЗУ
1
8
4
32
0.38
0.93
12.15
29.8
СРЗУ
1
8
4
32
0.38
0.93
12.15
29.8
29
энергии
Вольтметр с
переключателем
Э30
1
1
5
5
0
1
5
-
Реле напряжения
РН54/160
1
2
1
2
1
0
2
-
31.3
59.6
Итого:
S 2 расч  31.32  59.62  66.5  B  A .
Условия выбора удовлетворяются, т.к.
120  B  A  66.5  B  A .
30
4. ПОДБОР АППАРАТУРЫ И СХЕМ ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ
НУЖД ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
На тяговой подстанции установлено два трансформатора собственных
нужд (ТСН) с вторичным напряжением 380/220 В и мощностью 250 кВА.
Распределение энергии собственных нужд показано на рис. 9, где
обозначено: 1 – шкаф автоматики подогрева приводов выключателей; 2 –
шкаф собственных нужд переменного тока в здании подстанции; 3 - шкаф
отопления и вентиляции аккумуляторной; 4 – дизель генератор (резервное
питание); 5 – зарядно-подзарядный агрегат типа ВАЗП; 6 – шкаф
собственных нужд постоянного тока; 7 – аккумуляторная батарея; 8 – шкаф
рабочего освещения подстанции; 9 – шкаф аварийного освещения
подстанции.
1.1.
ÒÑÍ 1
Ê äåæóðí î ì ó ï óí êòó
êî í òàêòí î é ñåòè
380/ 220 Â
Ê ï åðåäâèæ.
ì àñë. õî ç.
1- ÿ ñåêöèÿ
Î áäóâ Ï î äî ãðåâ ì àñëÿí .
òðàí ñôî ðì . âûêëþ÷àòåëåé
ÒÑÍ 2
2- ÿ ñåêöèÿ
Ï î äî ãðåâ ÊÐÓÍ
380/ 220 Â
Ê í àñî ñàì äëÿ î òêà÷êè âî äû
èç áàêî â äëÿ ñëèâà ì àñëà
Öåï è óï ðàâëåí èÿ
Ê ñòî éêå òåëåì î òî ðí ûì è ï ðèâî äàì è
ì åõàí èêè
1
2
Ï î äî ãðåâ ï ðèâî äî â
ì àñë. âûêëþ÷àòåëåé 110 êÂ
Î ñâåù åí èå
çäàí èÿ
8
Àâàðèéí î å
î ñâåù åí èå
9
Ê ýëåêòðî
ì àãí èòàì
âêëþ÷åí èÿ
Ê ñòî éêå ñâÿçè
Ê øêàôàì òåëåáëî êèðî âêè
4
Ê öåï ÿì óï ðàâëåí .
è çàù èò
6
7
Рис.9 Структурная схема питания шкафов собственных нужд
5
3
31
4.1. Аккумуляторная батарея
Определим ток длительного разряда
I дл. разр  I пост  I ав ,
где
(59)
I пост – ток постоянной длительной нагрузки, 20.6 А;
I ав
– ток аварийной нагрузки, 11.4 А.
I дл. разр  20.6  11.4  32  A .
Расчётный ток кратковременного разряда
I кр. разр  I дл. разр  I вкл ,
где
(60)
I вкл – ток, потребляемый наиболее мощным приводом при включении
одного выключателя, 244 А;
I кр. разр  32  244  276  A .
Расчётная ёмкость батареи
Q расч  I дл. разр  tав ,
где
(41)
tав – длительность аварийного разряда, 2 ч.
Q расч  32  2  64  А  ч  .
Выбираем батарею ОРzS 200LA. Номер батарей
N дл 
где
1.1  Aрасч
QN 1
,
(62)
QN 1 а – емкость аккумуляторной батарей первого номера, 22  A  ч  .
N дл
1.1  64
 3.2
32
Принимаем ближайшее целое значение N дл  4.
Номер батареи по току кратковременного разряда
N кр 
N кр 
I кр. разр
46
276
 6.
46
Окончательно принимаем номер батарей 6.
,
(63)
32
Число последовательно включенных элементов батареи, питающих
шины включения напряжением U ШВ  258 B в режиме подзаряда
nШВ 
nШВ 
U ШВ
,
U подз
(64)
258
 120.
2.15
Число элементов, питающих шины управления U ШУ  230 В в режиме
постоянного подзаряда
nШУ 
nШУ 
U ШУ
,
U подз
(65)
230
 108.
2.15
4.2. Зарядно-подзарядное устройство
Мощность зарядно-подзарядного устройства определяется следующей
формулой:
Pрасч. ЗПУ  U зар   I зар  I пост  ,
где
(66)
U зар – зарядное напряжение, В;
I зар – зарядный ток, А.
U зар  nШВ  2.15   2  3 ,
U зар  120  2.15  2  260  B  ,
Pрасч  260   3.75  6  20.6   11206  Вт  .
Для ЗПУ типа ВАЗП номинальный ток удовлетворяет условию
I ном  I зар  I пост ,
I ном  43.1  А .
(67)
33
5. РАСЧЁТ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПОДСТАНЦИИ
Расчёт контура заземления тяговой подстанции должен исходить из
условий безопасности напряжения прикосновения. Опасность зависит от
тока, протекающего через тело человека I ч и длительности его протекания.
Допустимое напряжение прикосновения
U пр.доп  I ч.доп   Rч  1.5   в .с  ,
где
(68)
I ч. доп – допустимый ток, протекающий через человека, 0.1 А;
Rч
– сопротивление тела человека, 1000 Ом;
 в . с – удельное сопротивление грунта, 260 Ом/м.
U пр.доп  0,1  (1000  1,5  240)  136 В
Определим напряжение на заземление
Uв 
где
Кп
(69)
,
K п - коэффициент напряжения прикосновения.
Kп 
l  l
в
где
U пр.доп
M 
г
a П

0.45
(70)
,
M – параметр, зависящий от соотношений удельных сопротивления
верхнего и нижнего слоев грунта;

–
коэффициент, зависящий от сопротивлений
человека и
сопротивления растекания тока;
lв , lг – длина вертикального и горизонтального заземлителей, м;
а – расстояние между вертикальными заземлителями, м;
П – площадь заземляющего устройства.


Rч
,
Rч  Rс
1000
 0.869,
1000  150
(71)
34
Кп 
0.5  0.869
5  2200 5 
UЗ 
10000

0.45
 0.108,
136
 1259 (В).
0,108
Сопротивление заземляющего устройства
Rз.доп 
RЗ .доп 
Uз
,
Iз
(72)
1259
 0,492
2,56 * 10 3
Число ячеек по стороне квадрата
m
m
Lг
2 П
2200
2  10000
 1,
(73)
 1  10,
L'T  2  П   m  1 ,
(74)
L'Т  2  10000 10  1  2200  м  .
Число вертикальных заземлителей по периметру контура заземления
nв 
nв 
4 П
,
lв
(75)
4  10000
 80.
5
Общая длина вертикальных заземлителей
Lв  lв  nв ,
(76)
Lв  5  80  400  м  .
Относительная глубина
5  0.7
 0.057  0.1, тогда
100
A  0.385  0.25 
A  0.385  0.25 
lв  t
П
,
5.7
 0.37.
100
(77)
35
Определим сопротивление сложного заземлителя по формуле
Rз  A 
Rз  0.37 
100
10000

з
П

з
L  Lв
'
T
,
(78)
100
 0.408 Ом  .
2200  400
Полученное сопротивление Rз  Rз.доп . Найдем напряжение прикосновения
U пр  Кп  I з  Rз ,
U пр  0.108  2560  0.408  113  B  .
Полученное напряжение прикосновения меньше допустимого U пр.доп  136 В. .
(79)
36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе была спроектирована одна из тяговых
подстанций электрифицированного участка железной дороги.
Транзитная подстанция постоянного тока получает питание от двух
энергосистем по линиям электропередачи ВЛ-110 кВ. На подстанции
установлено два тяговых трансформатора типа ТРДТПН 12500/110И и два
диодно-тиристорых выпрямителя, собранных по 12-пульсовой схеме ВТПЕД. Такая схема позволяет значительно упростить компоновку тяговой
подстанции. Распределительное устройство 3.3 кВ питает четыре фидера
контактной сети. Шины РУ-10 кВ получают питание от средней обмотки
тягового трансформатора и питают три фидера нетяговых потребителей
первой
категории.
подстанции.
Предусмотрено
телеуправление
оборудованием
37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Тяговые подстанции: Метод. указ. / Сост. Плешаков Ю.В., Васильев
И.Г., Бурьяноватый А.И. – Л.:ЛИИЖТ, 1988. – 36 с.
2. Прохорский А.А. Тяговые и трансформаторные подстанции. – М.:
Транспорт, 1983. – 498 с.
3. Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяговые
подстанции. Учебник для вузов ж.-д. Транспорта. – М.: Транспорт,
1986. – 319 с.
4. Единая
система
конструкторской
условные графические в схемах. ГОСТ.
документации.
Обозначения