Определение сечения проводов питающей линии электропередач

   ВВЕДЕНИЕ

Передача электроэнергии от источников к потребителям производится энергетическими системами, объединяющими несколько электрических станций.

Длительный опыт эксплуатации энергетических систем показал технико-экономическую целесообразность их соединения между собой.

Энергосистемы продолжают оставаться основными источниками электроснабжения потребителей электроэнергии, в том числе наиболее энергоемких, каковыми являются промышленные предприятия.

Основные элементы электрической части энергосистем – различные типы районных трансформаторных и распределительных подстанций, главные подстанции предприятий (ГПП) и других объектов и городов. В соответствии со схемами и принятыми напряжениями. Распределительные сети энергосистем напряжением 35, 10 и 6 кВ являются одновременно электрическими сетями внешнего электроснабжения промышленных предприятий.

Качество электроснабжения определяется поддержанием на установленном уровне величины напряжения и частоты, а также ограничением значений в сети высших гармоник,  несинусоидальности и несимметрии напряжений.

Экономичность электроснабжения достигается путем разработки совершенных систем распределения электроэнергии, использования рациональных конструкций комплектных распределительных устройств и трансформаторных подстанций и разработки оптимизации системы электроснабжения. На экономичность влияет выбор рациональных напряжений, оптимальных значений сечений проводов и кабелей, числа и мощности трансформаторных подстанций, средств компенсации реактивной мощности и их размещения в сети.

Реализация этих требований обеспечивает снижение затрат при сооружении и эксплуатации всех элементов системы электроснабжения, выполнение с высокими технико-экономическими показателями планов электрификации всех отраслей народного хозяйства, надежное и качественное электроснабжение промышленных предприятий.

          В современных условиях главными задачами специалистов, осуществляющих проектирование и эксплуатацию современных систем электроснабжения промышленных предприятий, являются правильное определение электрических нагрузок, рациональная передача и распределение электроэнергии, обеспечение необходимой степени надежности электроснабжения, качества электроэнергии на зажимах электроприемников, электромагнитной совместимости приемников

1 ВЫБОР СЕЧЕНИЯ ПИТАЮЩЕЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

1.1 Определение сечения проводов питающей линии электропередач

Выбор сечений питающей линии электропередачи производим методом экономической плотности тока.

Расчет производится в следующей последовательности:

а) определение полной мощности питающей линии.

         Зная активную мощность потребителей, определяем реактивную и полную мощности нагрузок

                                                                                                     (1)

 где                                    

                                       

Полная мощность  нагрузки  составит

                                             (2)

б) определяем ток линии в нормальном режиме, А.

                     

                                                                                
                                      (3)

          где           S_л - полная мощность, МВА;

      P_л - активная мощность, питающей линии, МВт;

      Q_л - реактивная мощность, питающей линии, Мвар;

      U_H - номинальное напряжение сети, кВ;

       n – количество цепей

в) Определение расчетного сечения по экономической плотности тока

                          (4)

где  F – сечение провода, мм²;

      I_мах – ток, на участках сети, А;

      j_ЭК – экономическая плотность тока, А/мм², выбирается по справочнику в зависимости от Т_М [1, с.91].

Полученное сечение провода округляют до ближайшего стандартного и проверяют по нагреву и потере напряжения.

Выбранное сечение необходимо проверить по нагреву в наиболее тяжёлом аварийном режиме по условию

                                I_ав < I_доп                                              (5)

где I _доп - допустимый длительный ток нагрузки (А), взятый по справочнику [1, с. 370]. Для провода АС 185/24, I _доп=450 А

Для радиальных линий за I_ав принимается ток при обрыве одной цепи линии при максимальной нагрузке.

Выбор сечений проводов и проверку производим в таблице 1.

Таблица 1- Выбор сечения проводов питающей линии

I л,А	ТМ, ч	jЭК, А/мм2	F, мм2	Марка провода	Iдоп, А	I ав,А
195,11	3700	1,4	150	АС 185/24	450	390

1.2 Определение потери напряжения в питающей линии электропередач

  Вначале необходимо определить параметры линии. Для выбранных проводов найдем погонные параметры r₀, x₀, b₀ [1,с.361-364], рассчитаем параметры ВЛ с учетом количества цепей и определим зарядную мощность линии по следующим формулам   (6)-(9)                                                     

                                                                                
   
                                                           

                                             

 

 

            

                                                                  

,где     n – количество параллельных цепей;

  r₀, x₀, b₀ – погонные параметры, соответствующей линии

            L- длина линии, км

            B – емкостная проводимость линии, См;

            U – напряжение линии, кВ;

            Q_c- зарядная мощность, Мвар

Полученные данные сводим в таблице 2

Таблица 2  Расчет параметров питающей линии электропередач

Марка провода	Длина, км	Удельные параметры			Расчётные параметры
		, Ом/км	, Ом/км	, мкСм/км	R, Ом	X, Ом	Qc, вар	B, мкСм
АС 185/24	8	0,194	0,42	2,707	0,77	1,68	1,05	43,31

Согласно ПУЭ («Правилам устройства электроустановок»), для силовых сетей отклонение напряжения от нормального должно составлять не более ± 5 %, при аварийном режиме сети в кабельных сетях – 10 % и в воздушных— 12 %.

Проверяем выбранное сечение по потери напряжения в аварийном режиме (случай, когда одна из двухцепной линия оборвана) по формуле

                       (10)

            Если условие не выполняется, то необходимо выбрать сечение большего сечения.

2  ВЫБОР ТИПА И МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ПОДСТАНЦИЯХ

Правильный выбор числа и мощности трансформаторов на подстанциях является одним из важных вопросов электроснабжения и построения рациональных сетей. В нормальных условиях трансформаторы должны обеспечивать питание всех потребителей предприятия при их номинальной нагрузке.

Выбор количества трансформаторов зависит от требований к надежности электроснабжения потребителей и является технико-экономической задачей. Число трансформаторов, устанавливаемых на ПС, питающих нагрузку всех категорий, принимается, как правило, не более двух. Установка более двух трансформаторов допускается при наличии технико-экономических обоснований.

Установка одного трансформатора рекомендуется только в случае питания потребителей III категории при наличии в сетевом районе передвижной резервной подстанции, обеспечивающей замену трансформатора в течение суток.

На подстанции для бесперебойного питания нагрузок первой и второй категорий рекомендуется устанавливать два трансформатора с коэффициентом загрузки в нормальном режиме 0,6 - 0,7.

                                           (11)

                                                          

Мощность трансформатора в нормальных условиях должна обеспечить питание электрической энергией всех потребителей, подключенных к данной подстанции. Кроме того, нужно учитывать необходимость обеспечения энергией потребителей I и II категорий в случае аварии с одним из трансформаторов и его отключения. Поэтому, если подстанция питает потребителей таких категорий, на ней должны быть установлены трансформаторы такой мощности, при которой обеспечивалось бы питание одним трансформатором потребителей I и II категорий с допустимой перегрузкой до 40%.

Из справочника  выбирается ближайший по мощности трансформатор и проверяется на загрузку в аварийном режиме при выходе из строя одного трансформатора.

                                                               (12)

Следует учитывать, что при аварии с одним из трансформаторов допускается отключение части потребителей III категории.

Для потребителей I и II категорий следует выбирать трансформаторы, снабжённые РПН. Результаты выбора трансформаторов сводятся в таблицу 3.

Таблица 3- Выбор  понижающих  трансформаторов

Мощность нагрузки, Sнагр, МВА	SНОМ,Т, MBA		Kав ,%	Число и тип трансформаторов
74,26	63	0,59	1,18	2хТРДЦН 63000/110

Затем по справочнику [2, с. 146-152] выписываются необходимые паспортные данные трансформаторов и заносятся в таблицу 4.

Таблица 4 -  Паспортные данные трансформаторов

Тип трансформатора	Sном МВА	Uном, кВ			Потери ХХ
		ВН	СН	НН	∆Pх, кВт	∆Qх, кВАр
ТРДЦН 63000/110	63	115	-	10,5	59	5,34

            Параметры трансформаторов    

                                                                                

                 (13)

                                                                                                                         
                                                                        (14)

(15)

            Потери мощности в трансформаторах будут равны                                          

  (16)

3ВЫБОР РЕГУЛИРОВОЧНОГО ОТВЕТВЛЕНИЯ ПОНИЖАЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА

Для обеспечения нормальной работы потребителей, напряжение, подводимое к ним, должно быть близко к номинальному. Заключительным этапом расчёта сетей является определение уровня напряжений на шинах ВН и НН и проверка возможности его регулирования во всех режимах в соответствии с требованиями ПУЭ.

Сетевые понизительные трансформаторы оборудованы устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), которые позволяют изменять коэффициент трансформации переключением ответвлений на стороне ВН без отключения трансформатора.

Ступень регулирования выбирается для каждого режима по рассчитанным напряжениям на шинах НН, приведённым к стороне ВН.

На основании принципа встречного регулирования напряжения в соответствии с [3] на шинах НН (6-10 кВ) в режиме максимальных нагрузок должно поддерживаться напряжение (U _жел) не ниже 1,05% номинального.

Расчёт ведётся в следующем порядке:

1)    Задаются желаемые напряжения на шинах потребителей в соответствии с принципом встречного регулирования напряжения

U_{жел.мах} = 1,05 · U_hom.c                                        (18)

где   U_hom.c - номинальное напряжение сети низкого напряжения.

Рисунок 1-  Структурная схема питания нагрузки

2)     Определяются потери напряжения в линии

                    кВт          (19) 

3)     Находят напряжения перед понижающим трансформатором

     кВт                                   (20)

4)     Определяются потери напряжения в трансформаторах

 кВт                           

                                                                                
                                    (21)

5)     Определяют уровень напряжения на низкой стороне

 кВт                        (22)

6)     С учетом коэффициента трансформации К_Т напряжение у потребителя составит

кВт                                                                                                     
      

                           (23) 

7)     Для осуществления встречного регулирования производится выбор ответвлений РПН для обеспечения требуемых ПУЭ уровней напряжения

                            

                        кВт                                  

                                                                                
                     (24)

 

,где     Uⁱ – расчетное напряжение на шинах НН подстанции, с учетом коэффициента трансформации;

 U_ж – желаемое (требуемое ПУЭ) напряжение на шинах НН.

Примем в качестве желаемого напряжение   U_ж=1,05*U_ном

Расчетная процентная разница U_отв и U_нн

 

                      (25)  

Расчетный номер ответвления

                                                                          (26)

 где    U_ст,% - стандартная ступень регулирования РПН, составляет 1,78%

           Полученное значение, округленное до ближайшего целого числа, дает фактический номер ответвления.

           Напряжение на шинах НН при установке РПН на ответвление N

                                                                                                        кВт                    (27)                                

4 ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

  Схема электрических соединений подстанции должна обеспечивать надежное электроснабжение присоединенных потребителей и надежный транзит мощности через подстанцию в нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах. Схема ПС определяется в основном следующими факторами: класс напряжения; назначение ПС (её тип);число отходящих линий повышенного напряжения; единичная мощность силового трансформатора; число установленных силовых трансформаторов.

Сетевые ПС можно подразделить на тупиковые, ответвительные, проходные и узловые.

Тупиковые и ответвительные ПС выполняются по блочным схемам, проходные ПС выполняются по схемам мостиков или по схемам со сборными шинами (при числе присоединённых линий три и более), на 220 кВ применяются схемы простого и расширенного четырёхугольника.

Наиболее дорогостоящим оборудованием РУ являются высоковольтные выключатели, поэтому выбор схем РУ выполняется с целью определения числа их ячеек.

Рисунок 2- Схема внешнего электроснабжения (Вариант 1)

Рисунок  3- Схема внешнего электроснабжения (Вариант 2)

     5 ВЫБОР И ПРОВЕРКА КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

5.1 Расчет токов короткого замыкания

         Расчет токов короткого замыкания производим для выбора и проверки электрических аппаратов, токоведущих частей по условиям короткого замыкания с целью обеспечения системы электроснабжения надежным в работе оборудованием.

Рисунок 4 - Расчетная схема

Первым этапом расчета является составление схемы замещения сети, на которой указываются все элементы. На основании расчетной схемы составляется схема замещения, в которую все элементы схемы вводятся полными сопротивлениями. В качестве расчетного принимается режим трехфазного металлического короткого замыкания.

Рисунок 5 - Схема замещения

Находим базисный ток, принимая базисную мощность равной мощности системы S_б = S_с, а напряжение равное 115 кВ и 10,5 кВ, по формуле

    

=

=

                                                                                
                                          (27)

Определение индуктивных сопротивлений элементов схемы замещения в относительных базисных единицах производится по формулам:

- для генераторов станции

1) индуктивное

              (28)

где     х_уд^"" – сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора в относительных номинальных единицах, определяемое по источнику [3]. Тип генератора заданной мощности принимаем ТВС-32У3;

Для упрощения записи формул в дальнейшем опускаем символы относительных базисных единиц «*».

  Для линий электропередачи индуктивное сопротивление определяется по формуле

 = Х₀·ℓ·=0,42*8*= 0,23                            (29)

где    х₀ – удельное индуктивное сопротивление линии заданного сечения,   Ом/км;

ℓ   -  заданная длина линии, км.

Определяем эквивалентное сопротивление линий

      (30)

 Сопротивление для двухобмоточного трансформатора определяется по формуле

                                         

       (31)

Эквивалентное сопротивление трансформаторов составит

                                                   (32)

                             (33)

Сворачиваем схему относительно точек КЗ и определяем Х_рез

                             (34)

                                (35)

Ток короткого замыкания в точках К1 и К2 рассчитываем по формулам

                                                                       (36)

                                           (37)

Ударный ток определяем по формулам

                                         (38)

                                    (39)

Мощность короткого замыкания

                                              (40)

                                                        (41)

5.2 Выбор проверка коммутационных аппаратов

Выбор и проверка высоковольтного выключателя и разъединителя проводится по условиям: номинального напряжения, номинального тока, ударного тока, проверка на термическую стойкость и номинальный ток отключения (только для выключателей).

Для проверки электрических аппаратов на термическую устойчивость необходимо определить тепловой импульс тока короткого замыкания В_к, А²·с по формуле

В_кΣ = I²_по·(t_{отк. макс} + Т_а)=3,25*(0,68+0,04)=7,6                         (42)

где      t_отк – время отключения выключателя, с

    Т_а –значение постоянной времени затухания апериодической составляющей

         время отключения выключателя t_отк , с определяется из времени действия основной релейной защиты данной цепи и полного времени отключения выключателя

t_отк = t_рз + t_отк.в = 0,6+0,08=0,68                                     (43)

где t_рз – время срабатывания релейной защиты данной цепи, с;

                t_отк.в – полное время отключения выключателя, с (принимается по          справочнику [2])

Расчётные параметры, номинальные данные выключателя и разъединителя на напряжение 110 кВ, условия выбора и проверки приведены в таблице 5.

Таблица 5  Условия выбора коммутационных аппаратов

Расчетные данные	Условие проверки	Каталожные данные
		Выключатель МКП-110М-1000-20	Разъединитель РНД-110/1000
110		110	110
195		1000	1000
3,25		20	-
8,28		52	80
7,6		1200	2979

Выбор отделителей производится по тем же условиям, что и выключателей, кроме проверки на симметричный ток отключения, проверки возможности отключения апериодической составляющей тока к.з.

Короткозамыкатели выбираем по условиям: номинального напряжения, ударного тока и проверка на термическую стойкость. Также нужно помнить, что короткозамыкатель выбирается по количеству ножей. В нашем случае короткозамыкатель с двумя заземляющими ножами.

Результаты расчетов по выбору указанных аппаратов сведены в                таблицу 6

Таблица 6 Условия выбора отделителя и короткозамыкателя

Расчетные данные	Условие проверки	Каталожные данные
		Отделитель ОД-110М/630	Короткозамыкатель КЗ-100У
110		110	110
195		630	-
8б28		80	32
-		-	-

Расчётные параметры, номинальные данные, условия выбора и проверки ячеек КРУ на напряжение 35 кВ приведены в таблице 7.

Таблица 7  Условия выбора и проверки ячеек КРУ

Расчетные данные	Условие проверки	Каталожные   данные
		КРУ(вводной) ВВТЭ-35/630	КРУ(секционный) ВВТЭ-35/630
35		35	35
613		630	630
9,72		10	10
24,78		26	26
68,96		400	400

5.3     Выбор трансформаторов тока и напряжения

Предполагаем к использованию в ЗРУ 35 кВ трансформатор тока типа ТШВ15 с номинальным током первичной обмотки 6000 кА.

Рассчитаем нагрузку трансформаторов тока, которая представлена в таблице 6, проверка выбора трансформатора тока представлена в таблице8.

Таблица 8 – Нагрузка трансформаторов тока

прибор		Тип		Нагрузка фазы, В·С
				А		С
Амперметр в каждой фазе		Э-335		0,5		-
Ваттметр с двухсторонней шкалой		Д-335		0,5		0,5
Варметр с двухсторонней шкалой		Д-335		0,5		0,5
Счетчик активной энергии		И-681		2,5		2,5
Счетчик реактивной энергии		И-689		2,5		2,5
Всего		-		6,5		6,0

Сопротивление контактов принимаем 0,1 Ом

Намечяем к установке трансформатора тока ТВ 110

 МВА

  А

Определяем сопротивление

  Ом

Пр=60-6,5-0,1=53,4 Ом

Таблица 10 –Трансформаторы тока 11 кВ типа ТВ110

Расчетные данные	Условие Проверки	Каталожные   данные
Uуст=110кВ		Uном=110 кВ
Ip=93,3 А		Iном=2000 А
iуд=17кА		iдин=212 кА
Вк= 7,78кА2с		It2tt=13872 кА2с
Z=6,5		=60 Ом

Выбранный  трансформатор тока полностью удовлетворяет предъявленными требованиями

Таблица 9 – Определение расчетной нагрузки трансформаторов напряжения

Прибор	Тип	Sобщ B*A	Nобщ	соsφ	Sinφ	Потребляемая мощность
						Р, Вт	Q, вар
Ваттметр	Д-335	1,5	2	1	0	6	0
Варметр	Д-335	1,5	2	1	0	6	0
Фиксирующие приборы	И-681	3,0	1	0,18	0	6	0
Счетчик активной энергии 10кВ	И-681	2	2	0,38	0,925	8	7,4
Счетчик реактивной энергии 10кВ	И-689	3	2	0,38	0,925	12	11,1
Всего		-	-	-	-	38	18,5

         Суммарная вторичная нагрузка трансформатора напряжения

6       ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Определяем суммарные затраты на линию и оборудование по формуле:

     

                             (45)

где, К₁ – стоимость высоковольтного выключателя на 110 кВ;

К₂ – стоимость разъединителя;

К₃ – стоимость трансформатора;

К₄ – стоимость ячейки КРУ на 10 кВ;

К₅ – стоимость возведения воздушной линии;

К₆ – стоимость группы отделитель-короткозамыкатель.

Расчет воздушной линии выбранного сечения. Находим расход цветного металла, приходящийся на километр, на три фазы по формуле

,       

=275*3=825

                (46)

где	М1ф. -	масса провода, приходящаяся на километр длины, для одной фазы, тонн/км;
	m -	число фаз.

Потери в линии для двух цепей определяем по формуле

,                       

                                        =0,4 *0,250 *14=0,56                                      (47)

где	∆Рдоп -	потери мощности на одну цепь, кВт/км (выбираем из справочной литературы [2]);
	l -	длина линии, км;
	n -	количество цепей, шт.

Определяем приведенные потери активной мощности при коротком замыкании в выбранном трансформаторе по формуле:

     

                 =0,19 +0,06*3,14=0,378                            (48)        

где,  - потери активной мощности в меди трансформатора, равен потери мощности трансформатора в режиме к.з;

К_эк – эквивалентный коэффициент потерь, называемый так же экономическим эквивалентом мощности. Зависимости от  и системы электроснабжения, принимается равным 0,06 кВт/квар.

Определяем приведенные потери активной мощности в режиме холостого хода по формуле:

 

                              =0,04+0,06*0,22=0,053                                        (49)       

где,  – потери активной мощности в стали трансформатора, равны потери мощности трансформатора в режиме холостого хода.

Определяем полные потери трансформатора

       =2*(0,053+0,19*0,65)=0.266                       (50)    

где, К_з – коэффициент загрузки трансформатора в нормальном режиме работы. К_з= 0,65 (из раздела 1).

Определение полных потерь мощности в линии и трансформаторе

                                  =0,56+0,266=0,83                                          (51)

Определяем потери электроэнергии

                                  (52)                                     

                                     =0,83*4600=3818

Стоимость полных потерь электрической энергии в линии и трансформаторе рассчитывается по формуле

                            (53)
 

                                =4,5*0,83*4600=17181

где, С_о – стоимость 1 кВт/ч электроэнергии

Амортизационные отчисления на линию находим по формуле

       

=31691*0,063=1996,53

=31833*0,063=2005,47

C∑=Cn+Ca=1996,53+17181=19177,53                      (54)

                                          C∑=Cn+Ca=2005,47+17181=19186,47 

где

φа -

норма амортизационных отчислений на трансформатор, % (принимаем φа = 6,3%).

Расчет ведется для обоих вариантов и результаты сводятся  в таблицу 6.1 для анализа.

 Таблица 11- Технико-экономические показатели

                          З₁=К₁*0,125+ С∑=31691*0,125+19177,53=23138,905

                          З₂=К₂*0,125+С∑=31833*0,125+19186,47=23165,595

Варианты электроснабжения	, тыс.тг	, тыс.тг	З, тыс.тг	G, т	, МВт/ч
Вариант 1	31691	19177,53	23138,905	11550	3818
Вариант 2	31833	19186,47	23165,595	11550	3818

В результате технико экономических сравнений наиболее выгодный вариант второй.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

           В результате выполнение курсового проекта мною было спроектировано питающая сеть 110/10кВ.

В ходе выполнение расчетов было выбрано сечение питающей линии провода марки АС-70 в л , выполнено стольными опорами; выбран трансформатора ТPДН-40000/110. На основании расчетов тока КЗ были выбраны коммутационные аппараты: выключатели ВВК-110Б-20, и ВВТЭ-10/630 и разъединитель РНД-110/1000.

В результате технико экономического сравнения был выбран вариант второй. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1	Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования :Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд.,перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.: ил.
2	“ Справочник по электроснабжению промышленных предприятий”. Под общей редакцией А. А. Федорова и Г. В. Сербинского. Книга вторая. “Проектно – расчетные сведенья об оборудовании”. Энергия. 1973 г.
3	Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. – М.:Высш.шк.,1981.-376 с
4	Рокотян С.С. и Шапиро И.М.  Справочник по проектированию электроэнергетических систем: 3-е изд., перераб, и доп. – М.:   Энергоатомиздат,1985. – 352с.
5	Дьяков В. И. Типовые расчеты по электрооборудованию: Практическое пособие -7-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991.- 160 с.
6	Дорошев К. И. “Комплектные распределительные устройства напряжением 6 – 10 кВ”. Энергоиздательство. 1982 г.
7	Коновалов Л. Л. , Рожкова Л. Д. “ Электроснабжение промышленных предприятий и установок ”. Энергоатомоиздат. 1989 г.
8	“Справочник по электроснабжению и электрооборудованию”. Под общей редакцией А. А. Федорова. Том первый,второй. “Электроснабжение”, “Энергоатомоиздат”.1986 г.