Проектирование тяговых подстанций

Проектирование тяговых подстанций

Постоянного и переменного тока

ЧАСТЬ 2

Схемы главных электрических соединений и

Выбор оборудования

 

 

ОМСК 2005

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_______________

 

 

проектирование тяговых подстанций

постоянного и переменного тока

 

Часть 2

 

Схемы главных электрических соединений и

выбор оборудования

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к выполнению курсового проекта

по дисциплине «Тяговые и трансформаторные подстанции»

для студентов специальности 101800 – «Электроснабжение железных дорог»

 

Омск 2005

УДК 621.331:621.311 (075.8)

ББК 39.217.12.73

Ш18

 

 

Проектирование тяговых подстанций постоянного и переменного тока. Часть 2. Схемы главных электрических соединений и выбор оборудования: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Тяговые и трансформаторные подстанции»/ М. Г. Шалимов, А. М. Сапельченко, Ю. В. Кондратьев, Т. В. Комякова, Р. Б. Скоков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 42 с.

 

 

Даны рекомендации по выбору современных схем главных электрических соединений открытых и закрытых распределительных устройств тяговых подстанций, приведена методика выбора токоведущих частей, коммутационного оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры, аккумуляторной батареи, зарядного и подзарядного преобразователей.

Методические указания предназначены для студентов очной и заочной форм обучения специальности 101800 – «Электроснабжение железных дорог», могут быть полезны при проведении занятий со слушателями Института повышения квалификации и переподготовки.

 

 

Библиогр.: 14 назв. Табл. 6. Рис. 9.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Р. Р. Мамошин;

доктор техн. наук, профессор В. Т. Черемисин.

 

______________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2005

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

Введение....................................................................................................................
2. Схемы внешнего электроснабжения и главных электрических соединений тяговых подстанций.......................................................................
2.1. Схемы внешнего электроснабжения...........................................................
2.2. Схемы главных электрических соединений тяговых подстанций...........
3. Выбор токоведущих элементов и коммутационных аппаратов.....................
3.1. Выбор токоведущих частей........................................................................
3.1.1. Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой подстанции напряжением 110 – 220 кВ.................................................................................
3.1.2. Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой подстанции напряжением 10; 27,5; 35 и 3,3 кВ.....................................................................
3.1.3. Выбор шин закрытого распределительного устройства.......................
3.1.4. Выбор шин открытого распределительного устройства.......................
3.2. Выбор выключателей...................................................................................
3.3. Выбор разъединителей................................................................................
4. Выбор средств защиты от перенапряжения.....................................................
5. Выбор контрольно-измерительной аппаратуры..............................................
5.1. Выбор трансформаторов тока.....................................................................
5.2. Выбор трансформаторов напряжения........................................................
6. Выбор источников оперативного тока..............................................................
6.1. Выбор аккумуляторной батареи.................................................................
6.2. Выбор подзарядного и зарядного агрегатов..............................................
Библиографический список...................................................................................

 

Введение

 

Каждая тяговая подстанция является отдельной электротехнической установкой, оснащенной современной силовой коммутационной, защитной и контрольно-измерительной аппаратурой с широким применением телеуправления.

Тяговые подстанции являются многофункциональными, так как они питают не только электроподвижной состав, но также районные и нетяговые потребители железных дорог.

В настоящее время оборудование тяговых подстанций непрерывно совершенствуется, предстоит переход к полностью телеуправляемым объектам («безлюдный» метод обслуживания). Грамотная эксплуатация оборудования тяговых подстанций и умение видеть пути его совершенствования возможны только при понимании принципов действия отдельных узлов и всего устройства тяговых подстанций.

Строительство, монтаж и реконструкция тяговых подстанций постоянного и переменного тока должны производиться на основе комплексного подхода с учетом современного уровня развития техники и основываться на технологии создания укрупненных функциональных блоков заводского изготовления; выполнении всех распределительных устройств (ОРУ и ЗРУ) в виде комплектных ячеек; управлении тяговыми подстанциями с помощью распределенной автоматизированной системы телемеханического и радиоуправления (АСТМУ); осуществлении учета электропотребления автоматизированной системой коммерческо-технического учета электроэнергии (АСКУЭ); повышении надежности работы тяговых подстанций совместно с упрощением технического обслуживания за счет применения внедрения современных типов оборудования. Ведущей организацией в Российской Федерации по разработке и изготовлению оборудования тяговых подстанций для электрифицированных железных дорог в блочно-модульном виде является «НИИЭФА-ЭНЕРГО».

При выполнении курсовой работы по дисциплине «Тяговые и трансформаторные подстанции» студент должен научиться выбирать для заданных условий эксплуатации схемы главных электрических соединений тяговых подстанций новое коммутационное и защитное оборудование и контрольно-измери-тельную аппаратуру.

 

2. Схемы внешнего электроснабжения и

главных электрических соединениЙ

тяговых подстанций

 

Под схемой главных электрических соединений тяговой подстанции понимается совокупность основного электротехнического оборудования (линий электропередач, понизительных трансформаторов, выпрямителей), сборных шин, коммутационной (выключателей, разъединителей и т. д.) и другой аппаратуры со всеми выполненными между ними соединениями.

Схема главных электрических соединений тяговой подстанции должна обеспечивать надежное электроснабжение электрической железной дороги и районных потребителей, простоту обслуживания электрооборудования с минимальными затратами материальных ресурсов и времени; допускать поэтапное расширение; предоставлять возможность проведения ремонтных и эксплуатационных работ на отдельных элементах тяговой подстанции без отключения соседних присоединений.

Выбор схемы главных электрических соединений тяговой подстанции производится следующим образом. В каждом конкретном случае на основании учета местных условий и общих требований выбирается несколько вариантов схемы главных электрических соединений, которые затем сравниваются между собой по основным показателям надежности и экономичности.

Задача выбора схемы главных электрических соединений является достаточно сложной, так как нет универсальных схем, пригодных для любых условий эксплуатации и удовлетворяющих многочисленным, часто противоречивым требованиям.

По способу выполнения схемы главных электрических соединений тяговых подстанций разделяются на трехлинейные, на которых показываются все фазы электроустановки и нулевой провод, и однолинейные, на которых в силу симметрии изображается только одна фаза. Графическое выполнение однолинейных схем значительно проще и нагляднее, вследствие чего они чаще используются.

Тяговые подстанции (ТП) – главные устройства системы тягового электроснабжения (СТЭ), их питание осуществляется от системы внешнего электроснабжения (СВЭ). Основным электроприемником преобразованной электроэнергии является электроподвижной состав (ЭПС) железных дорог. От ТП также получают питание железнодорожные нетяговые и районные потребители.

Тяговые подстанции принято классифицировать по роду тока, способу подключения к питающим линиям электропередач (ЛЭП), способу управления (телеуправляемые и нетелеуправляемые), способу обслуживания (с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала) и по конструктивному исполнению.

Выбор токоведущих частей

3.1.1. Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой подстанции напряжением 110 – 220 кВ

Максимальный рабочий ток нагрузки определяется в каждой цепи опорной ТП по формуле:

в цепи ввода ЛЭП (при отключении одной высоковольтной линии, питающей ТП) –

, (3.1)

где – мощность понижающего трансформатора, кВ∙А;

– мощность транзита (мощность, передаваемая другим ТП через шины данной подстанции), принимается равной 2 ;

– номинальное напряжение, принимается равным 110 или 220 кВ;

в цепи ввода высокого напряжения понижающего трансформатора –

, (3.2)

где – коэффициент допустимой перегрузки трансформатора, = 1,3 – 1,7;

в цепи ССШ -

, (3.3)

 

где – коэффициент перспективы развития потребителей, = 1,3;

– коэффициент распределения нагрузки по шинам первичного напряжения, = 0,6 - 0,8;

– сумма номинальных мощностей понижающих трансформаторов, кВ∙А.

Максимальный рабочий ток рассчитывается в каждой цепи транзит-
ной ТП:

в цепи ввода ЛЭП – по формуле (3.1);

в цепи рабочей или ремонтной перемычки -

; (3.4)

в цепи ввода высокого напряжения понижающего трансформатора - по формуле (3.2).

Максимальный рабочий ток определяется в каждой цепи отпаечной ТП:

в цепи ввода ЛЭП по формуле:

; (3.5)

в цепи перемычки и ввода высокого напряжения понижающего трансформатора - по формуле (3.2).

3.1.2. Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой

подстанции напряжением 10; 27,5; 35 и 3,3 кВ

Максимальный рабочий ток в цепи ввода среднего (низкого) напряжения понижающего трансформатора определяется по формуле:

, (3.6)

где – номинальное напряжение обмоток среднего (низкого) напряжения понижающего трансформатора, кВ.

Максимальный рабочий ток в цепях ССШ среднего (низкого) напряжения ТП, а также в цепи секционного выключателя (секционных разъединителей) РУ 10; 27,5 или 35 кВ –

, (3.7)

где – коэффициент распределения нагрузки на шинах среднего (низкого) напряжения, равный 0,5 при числе присоединений потребителей пять и более, 0,7 – при меньшем числе присоединений.

Максимальный рабочий ток в цепях фидеров районной нагрузки, линии продольного электроснабжения и ДПР определяется по формуле:

, (3.8)

где – номинальная мощность потребителя районной нагрузки, кВ∙А;

– номинальное напряжение той ступени, от которой питается фидер районной нагрузки, кВ.

Максимальный рабочий ток в цепи фидеров контактной сети для ТП переменного тока принимается равным 1000 А, для ТП постоянного
тока – 3000 А.

Максимальный рабочий ток выпрямителя в цепи ввода преобразовательного агрегата рассчитывается по формуле:

, (3.9)

где – номинальная мощность преобразовательного трансформа-
тора, кВ∙А;

– номинальное напряжение сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, кВ.

Максимальный рабочий ток на главной «плюсовой» и «минусовой» шинах РУ-3,3 кВ ТП постоянного тока [6, 7]

, (3.10)

где N – число преобразовательных агрегатов;

– номинальный выпрямленный ток, принятый в соответствии с номинальным током вентильной конструкции [13].

– коэффициент распределения нагрузки на шинах, при N = 2
= 0,8.

Максимальный рабочий ток в цепи запасной шины ТП принимается равным максимальному рабочему току самого нагруженного фидера контактной сети.

Максимальный рабочий ток в цепи отсоса ТП постоянного тока

. (3.11)

Максимальный рабочий ток в цепи ввода трансформатора собственных нужд (ТСН) определяется по формуле [6, 7]:

, (3.12)

где – номинальная мощность ТСН, кВ×А;

– номинальное напряжение первичной (вторичной) обмотки
ТСН, кВ.

Максимальный рабочий ток в цепи шин собственных нужд 0,4 кВ рассчитывается по формуле:

. (3.13)

Трансформаторы собственных нужд на ТП постоянного тока питаются от ССШ напряжением 10 кВ, на ТП переменного тока – от ССШ напряжением 27,5 кВ.

3.1.3. Выбор шин закрытого распределительного устройства

В закрытых распределительных устройствах применяются алюминиевые шины прямоугольного, круглого или профильного сечения (чаше всего коробчатого) [6 – 8].

Сечение шин выбирается по длительному току нагрузки из условия:

, (3.14)

где – длительно допустимый ток нагрузки на шину, А.

Выбранное сечение ССШ проверяется на термическую и динамическую стойкость.

При проверке на термическую стойкость должно выполняться условие:

. (3.15)

В первую очередь определяется начальная температура нагрева шин максимальным рабочим током до момента возникновения короткого замыкания по формуле:

, (3.16)

где – начальная температура нагрева токоведущей части при токе
_, ºС;

– длительно допустимая температура нагрева токоведущей части при нормальном режиме работы (для голых проводов и шин – +70 ºС при температуре воздуха +25 ºС, кабелей – +55 ºС при температуре воздуха +25 ºС и земли +15 ºС), ºС;

– расчетная температура окружающей среды, ºС.

По начальной температуре нагрева (по графическим зависимостям, приведенным на рис. 3.1), определяется начальный температурный коэффициент нагрева шин. Затем находится конечный температурный коэффициент нагрева шин по формуле:

, (3.17)

где – тепловой импульс тока короткого замыкания, А²∙с;

– сечение шины, мм² .

Тепловой импульс тока короткого замыкания

, (3.18)

где – мгновенное значение тока короткого замыкания;

– действительное время протекания тока короткого замыкания, с.

Вычисление по формуле (3.18) затруднительно даже с помощью современных вычислительных средств, поэтому тепловой импульс определяется по упрощенной формуле:

, (3.19)

где – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания при t = 0 (начальное значение), А;

– время от начала короткого замыкания до его отключения, с;

– постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, с.

Постоянная времени затухания

, (3.20)

где и – соответственно индуктивное и активное сопротивление цепи короткого замыкания, Ом.

Среднее значение принимается равным 0,05 с. Апериодическая слагающая тока короткого замыкания затухает очень быстро (в течение
0,1 – 0,2 с), поэтому при расчетах тепловой стойкости токоведущих частей и аппаратов ее учитывают при времени протекания тока короткого замыкания t_откл < 1 с.

 

 

Рис. 3.1. Зависимость температуры нагрева шин

от температурного коэффициента

 

Время от начала короткого замыкания до его отключения

, (3.21)

где – выдержка времени основной защиты, с;

– полное время отключения высоковольтного выключателя, с [10, 12].

При определенных условиях основная защита может не сработать (повреждение цепей защиты, отказ реле), поэтому при «близких» коротких замыканиях и особой ответственности электротехнического оборудования оправданно оценивать термическую стойкость при действии резервной защиты.

Затем по графическим зависимостям (см. рис. 3.1) в зависимости от конечного температурного коэффициента нагрева определяется температура нагрева . Максимально допустимые значения температуры нагрева шин приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Выбор выключателей

Высоковольтные выключатели выбираются

по напряжению установки при соблюдении условия:

; (3.28)

номинальному току –

; (3.29)

роду установки (внутренняя или наружная);

конструктивному исполнению (маломасляные, элегазовые, вакуумные).

Высоковольтные выключатели проверяются на термическую и электродинамическую стойкость, а также на отключающую способность.

При проверке выключателя

на электродинамическую стойкость должно соблюдаться условие:

, (3.30)

где i_у – ударный ток короткого замыкания в цепи выключателя, кА;

i_пр – амплитудное значение предельного сквозного тока короткого замыкания [8, 10, 12], кА;

термическую стойкость –

, (3.31)

где – тепловой импульс в цепи выключателя, А²∙с;

– ток термической стойкости [8, 10, 12], кА;

– время протекания тока термической стойкости [8, 10, 12], с;

номинальному току отключения –

, (3.32)

где – номинальный ток отключения [8, 10, 12], кА.

Выбор разъединителей

Разъединители выбираются

по напряжению установки и номинальному току согласно выражениям (3.28) и (3.29);

роду установки (внутренняя или наружная);

конструктивному исполнению (одно- или трехполюсные, с заземляющими ножами или без них, с вертикальным или горизонтальным расположением ножей).

Выбранный разъединитель проверяется на электродинамическую и термическую стойкость согласно условиям (3.30) и (3.31).

Характеристики выбранных коммутационных аппаратов для всех ступеней напряжения (выключатели, разъединители) должны быть приведены в виде табл. 3.4 и 3.5.

4. ВЫБОР СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Ограничители перенапряжения предназначены для защиты от грозового и коммутационного перенапряжения изоляции электрооборудования тяговых подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения.

Ограничители перенапряжения выбираются

по классу напряжения сети;

наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению;

номинальному разрядному току;

остаточному напряжению.

В курсовом проекте рекомендуется произвести выбор ограничителей перенапряжения для защиты РУ всех классов напряжения по условию:

. (4.1)

Таблица 3.4

Результаты выбора выключателей

Место установки выключателя	Тип выключа-теля	Паспортные данные	Расчетные данные
Uном, кВ	Iном, А	iпр, кА	I^2t, кА^2·с	Iном откл, кА	Uном уст, кВ	Iраб max, А	iу, кА	Bk, кА^2·с	Iкз, кА
Вводы тяговой подстанции, перемычка, первичная обмотка понижающего трансформатора   Ввод РУ-35 кВ, фидер районной нагрузки	ВМТ-110М ВГТ-110   ВБЭТ-35II-25/630

Таблица 3.5

Результаты выбора разъединителей

Место установки разъединителя	Тип разъединителя	Паспортные данные	Расчетные данные
Uном, кВ	Iном, А	iпр, кА	I^2t, кА^2·с	Uном уст, кВ	Iраб max, А	iу, кА	Bk, кА^2·с
Вводы тяговой подстанции	РДЗ.2-110/1600
Ввод 110 кВ понижающего трансформатора	РДЗ.1-110/1600

Места размещения, подключения и заземления ограничителей перенапряжения выбираются в соответствии с требованиями, перечисленными в работах [1, 14], их технические характеристики приведены в работах [11, 12].

5. ВЫБОР КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

Выбор трансформаторов тока

Трансформаторы тока (ТТ) выбираются

по напряжению установки согласно выражению (3.28);

номинальному току первичной обмотки

, (5.1)

где – номинальный ток первичной обмотки ТТ (ТТ выполняются на
номинальные первичные токи 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200 (250), 300, 400 (500), 600 (750), 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 и
т. д., А. В скобках указаны номинальные токи ТТ, выполненных с секционированной первичной обмоткой);

роду установки (внутренняя или наружная);

классу точности (при питании расчетных счетчиков применяются ТТ с классом точности 0,5; щитовых приборов и контрольных счетчиков – 1,0; релейной защиты и различных сигнальных устройств – 3,0 и 10,0).

Выбранный ТТ проверяется на электродинамическую и термическую стойкость.

При проверке ТТ на электродинамическую стойкость должно выполняться условие:

, (5.2)

где i_у – ударный ток короткого замыкания в той точке цепи, где установлен ТТ, кА;

– ток электродинамической стойкости [8, 10, 12].

При проверке ТТ на термическую стойкость должно выполняться условие:

, (5.3)

где – тепловой импульс в той точке цепи, где установлен ТТ, А²∙с.

При проверке ТТ по вторичной нагрузке должно выполняться условие:

, (5.4)

где – вторичная нагрузка наиболее нагруженной фазы ТТ;

– номинальная допустимая нагрузка ТТ [10, 12].

Вторичная нагрузка определяется по формуле в зависимости от схемы соединения ТТ:

включен один ТТ –

; (5.5)

l l; (5.6)

ТТ включен по схеме «неполная звезда» –

; (5.7)

l l; (5.8)

ТТ включен по схеме «звезда» –

; (5.9)

l l; (5.10)

ТТ включен по схеме «треугольник» –

; (5.11)

l l; (5.12)

ТТ включен на разность токов фаз –

; (5.13)

l l, (5.14)

где - сопротивление токовых цепей приборов и реле;

– мощность, потребляемая приборами и реле, Вт;

– номинальный ток вторичной обмотки ТТ, А;

– сопротивление соединительных проводов, Ом;

– переходное сопротивление контактов (принимается равным 0,05 Ом при двух – трех приборах и 0,1 Ом – при большем числе приборов);

l _расч – расчетная длина соединительных проводов (контрольных
кабелей), м;

l – длина соединительных проводов от места установки ТТ до места установки измерительных приборов и реле, м, определяется по планам РУ тяговой подстанции.

Для того чтобы ТТ работал в заданном классе точности, должно выполняться условие:

, (5.15)

где .

Сечение соединительных проводов (контактных кабелей)

, (5.16)

 

где – удельное сопротивление материала жил контактных кабелей, для контрольных кабелей с медными жилами = 0,0175 (Ом·мм²)/м, с алюминиевыми – 0,0283.

На тяговых подстанциях применяются контрольные кабели с медными жилами (контрольные кабели с алюминиевыми жилами не применяются в связи с возможностью нарушения их целостности из-за вибрации грунта и сооружений от проходящих поездов). Из условий механической прочности сечение жил контрольных кабелей выбирается не менее 2,5 мм².

Результаты выбора трансформаторов тока должны быть приведены в таблице, аналогичной табл. 3.5.

Часть 2

Схемы главных электрических соединений и

выбор оборудования

 

____________________________

 

Редактор Т. С. Паршикова

 

*

Подписано в печать.05.2005.

Формат 60 ´ 84 ¹/₁₆. Бумага офсетная. Плоская печать. Усл. печ. л. 2,6.

Уч.-изд. л. 2,8. Тираж 280 экз. Заказ.

 

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

 

 

***

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

проектирование тяговых подстанций