Проектирование тяговой подстанции

метки: Тяговый, Подстанция, Трансформатор, Таблица, Выключатель, Часть, Токоведущая, Напряжение

Тяговые подстанции — это комплекс электротехнических устройств, предназначенных для питания электрической тяги поездов, устройств автоблокировки, не тяговых потребителей продольного электроснабжения и районных потребителей (нагрузок).

В ходе выполнения данного проекта, согласно выданному заданию, производится разработка эскизного проекта тяговой подстанции 35/10/ 3,3 кВ. Для проектирования тяговой подстанции выполняется:

1. Краткое обоснование главной схемы тяговой подстанции и выбор числа, типа и мощности рабочих и резервных тяговых агрегатов и трансформаторов.

2. Расчет токов к. з. на шинах РУ.

3. Выбор, расчет и проверка шин, основных коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов.

1. Выбор числа и типа силовых и тяговых агрегатов

На тяговой подстанции постоянного тока устанавливают два понижающих трансформатора, а также два тяговых трансформатора и две выпрямительных установки. Трансформатор вместе с выпрямительной установкой называется преобразовательным агрегатом. Т.к. железная дорога является потребителем первой категории (т.е. перерыв в ее электроснабжении может повлечь за собой опасность для жизни людей, срыв графика движения поездов или причинить ущерб железнодорожному транспорту и народному хозяйству в целом), принимаем два выпрямительных агрегата и понижающих трансформатора, из которых один является резервным.

Необходимое число выпрямителей определяется по следующей формуле:

(1)

где средний ток подстанции, А;

• номинальный ток выпрямителя, А.

Следовательно, принимаем число рабочих выпрямителей равное 1.

Максимальная расчётная мощность определяется по следующей формуле:

(2)

где S _T -мощность тяговой нагрузки, кВА;

S _РП -мощность районных потребителей, кВА;

S _СН -мощность трансформатора собственных нужд, принята 250 кВА;

S _ПЭ — мощность продольного электроснабжения, кВА;

k _Р -коэффициент, учитывающий равномерность наступления максимумов тяговой и не тяговой нагрузки, принимаем 0,98.

Мощность тяговой нагрузки определяется по формуле:

(3)

В соответствии с мощностью тяговой нагрузки подобран тяговый трансформатор ТРДП-12 500/35ЖУ1, параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры тягового трансформатора

Расчет и проектирование отпаечной тяговой подстанции постоянного тока

... питания тяги — 3,3 кВ. Наибольшая расчетная мощность, по которой выбирается понижающий трансформатор, определяется по формуле (3) где мощность тяговой нагрузки, кВА; мощность районной и нетяговой нагрузки, кВА; мощность трансформатора собственных нужд; принимается при отсутствии специального ...

Тип трансформатора	Номинальная мощность, кВА	Потери, кВт	Преобразователь	I xx , %	U kз , %
		P xх , кВт	P кз , кВт	Напряжение, В	Ток, А
ТРДП-12 500/35 Ж-У1		13,5				0,9

На основании расчетной мощности выбирается понижающий трансформатор.

Расчетная мощность определяется по следующей формуле

(4)

В соответствии с расчетной мощностью подобран понижающий трансформатор типа ТМ-4000/35/10У1, параметры которого приведены в таблице 2.

силовой тяговой агрегат импульс ток Таблица 2

Параметры понижающего трансформатора

Тип трансформатора	Номинальная мощность, кВА	Сочетание напряжений	Потери, кВт	I xx , %	U k з , %
		ВН	НН	P xх , кВт	P кз , кВт
ТМ-4000/35/10 У1			10,5	6,7	33,5	1,0	7,5

По мощности собственных нужд S _сн = 250 кВА выбирается трансформатор собственных нужд типа ТМ-250−35/0,4, параметры которого приведены в таблице 3.

Таблица 3

Параметры трансформатора собственных нужд

Тип трансформатора	Номинальная мощность, кВА	Сочетание напряжений	Потери, кВт	I xx , %	U k з , %
		ВН	НН	P xх , кВт	P кз , кВт
ТМ-250/35/0,4 У1			0,4		3,7	2,6	6,5

2. Расчёт токов короткого замыкания на шинах

Для выбора электрооборудования тяговой подстанции необходимо определить максимальные токи трехфазного, однофазного к. з.

Для заданной схемы внешнего электроснабжения составлена расчётная схема замещения, с указанием всех точек короткого замыкания, которая представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Схема замещения Для удобства расчетов схема замещения преобразуется в более простой вид. Преобразование схемы замещения представлено на рис. 2.

Рис. 2 Преобразование схемы замещения

Преобразуем схему замещения в более простую относительно точки к1.

Определяем удельное полное сопротивление:

Определение результирующего сопротивления относительно точки К1:

Определение сопротивления понижающего трансформатора:

Определение полного сопротивления относительно точки К2:

Определение трехфазного тока короткого замыкания для точек К1 и К2

Определение сопротивления обмоток трансформатора собственных нужд. При мощности 250кВА напряжение к.з. U _кз характеризует полное сопротивление трансформатора.

Определение активного сопротивления в мОм:

(5)

где Р _К — потери короткого замыкания ТСН, кВт;

U _осн — напряжение основной ступени, В;

S _номТСН — номинальная мощность ТСН.

Определение индуктивного сопротивления в мОм:

(6)

Определение полного сопротивления ТСН:

Определение трехфазного тока короткого замыкания для точки К4:

Расчет максимального тока короткого замыкания на шинах выпрямленного напряжения в точке К3:

(7)

Результаты расчетов токов к.з. представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Результаты расчетов токов короткого замыкания

Точка к.з.	Трехфазные к.з.	Однофазные к.з.
	I max, кА	I у , кА	S к , МВА	I max, кА	I у, кА	S к, МВА
КЗ-1 (35кВ)	5,789	14,76	370,99	;	;	;
КЗ-2 (10кВ)	23,05	58,78	419,20	;	;	;
КЗ-3 (3,3кВ)	;	;	;	112,83	286,88	371,25
КЗ-4 (ТСН)	5,55	14,15	3,85	;	;	;

3. Выбор, расчет и проверка шин, основных коммуникационных аппаратов и измерительных трансформаторов

Определение теплового импульса тока короткого замыкания:

(8)

где t _РЗ — время срабатывания релейной защиты, c;

t _{С Р} — время срабатывания реле, t=0,1c;

t _СР — собственное время выключателя, t=0,09c;

Т _а — время затухания апериодической составляющей Т_а =0,05с.

Для ввода 35 кВ:

Для понижающего трансформатора и ввода в РУ-10 кВ:

Для ПВА:

Для районной нагрузки и ПЭ:

Основные параметры для каждого присоединения представлены в таблице 5.

Таблица 5

Параметры присоединений ОРУ-35 и ЗРУ-10кВ

	ОРУ-35кВ	РУ-10кВ
	Ввод 35кВ	ПВА	Т-35/10	Ввод10кВ	Ф Р	Ф ПЭ
S доп.пр. , кВА	38 772	11 400	4 000	4 000	2 500
I присоед, А		188,10	65,98	230,93	144,33	13,28
Iкз, кА	5,789	31,3	23,05	23,05	5,55	5,55
Iу, кА	14,76	287,72	58,78	58,78	14,15	14,15
Вк, кА 2 с	58,31	15 786	658,82	658,82	393,20	393,20

Выбор и проверка токоведущих частей

Токоведущие части в ОРУ-35 кВ выполняются проводами АС площадью поперечного сечения 240 мм ² .

В ЗРУ-10 кВ токоведущие части — алюминиевые полосы 50×6 (9, https:// ).

Условие выбора токоведущих частей по нагреву

(9)

Выбор токоведущих частей представлен в таблице 6.

Таблица 6

Выбор токоведущих частей

Наименование присоединения	I присоед, А	I доп, А	Материал и сечение
Ввод 35 кВ			АС-240
Ввод 10 кВ	230,91		А-50х6

Проверка токоведущих частей на термическую стойкость:

Условие проверки:

q _min ? q_расч (10)

Для ввода 35 кВ q _расч =240 мм²

Для ввода 10 кВ q _расч =50×6=300 мм²

q _расч определено по выбранной токоведущей части.

(11)

где В _к —значение теплового импульса, кА²

• с;
• С—коэффициент учитывающий материал шин, для АС-С=80, для А-С=90.

Токоведущие части на вводе в РУ -35 кВ:

• условие выполнено q _min =95,45 мм² ? q_расч =240мм²

Токоведущие части на вводе в ОРУ-10-кВ

условие выполнено q _min =285,19 мм² ? q_расч =300мм²

Выбранные токоведущие части проходят по условиям термической устойчивости.

Проверка токоведущих частей на электродинамическую устойчивость:

Условие проверки:

G _расч ? G_доп (12)

где G _расч — расчетное механическое натяжение в материале шины, МПа;

G _доп — допускаемое напряжение для материала шин, МПа для алюминиевых шин G_доп =65 МПа Расчетное механическое натяжение в материале шин определено по формуле:

(13)

где М — изгибающий момент, Нм;

W — момент сопротивления шин, см ³ .

Изгибающий момент определен по следующей формуле:

(14)

где i _y —значение ударного тока, кА²

• c;
• l —длина пролета (расстояние между двумя опорными изоляторами) l=1м;

а —расстояние между осями токоведущих частей, а=0,5 м Момент сопротивления шин определен по формуле:

(15)

где b —толщина шины, см;

• h —ширина шины, см Ввод в ЗРУ-10 кВ: А-50Ч6 (b = 0,5 см; h = 6 см).

G _расч =39,76 МПа < G_доп =65 МПа Токоведущие части термически и динамически устойчивы.

Выбор и проверка выключателей переменного и постоянного тока Выбор и проверка выключателей переменного тока осуществляется исходя из условий выбора, то есть из соотношения паспортных и расчётных величин. Условие выбора:

U _ном ? U_раб (16)

I _ном ? I_рабmax (17)

Выполнение условий (16) и (17) гарантирует работу выключателя в нормальном режиме.

Надежная работа выключателей при к.з. обеспечивается проверкой:

• на электродинамическую устойчивость

i _Скв ? i_y (18)

• на термическую устойчивость:

I _т ²

• t_т ? В_к (19)

• на отключающую способность:

I _{ном. откл} ? I_к (20)

где i _Скв — амплитудное значение предельного сквозного тока выключателя, кА;

i _y -ударный ток к.з.;

I _Т и t_Т — ток и время термической стойкости, соответственно в кА и с;

В _К — тепловой импульс тока к.з., проходящего через выключатель;

I _{ном. откл} — номинальный ток отключения выключателя (действ. значение), кА;

Выбор выключателей переменного тока представлен в таблице 7

Таблица 7

Наименование присоединения	Тип выключателя	Соотношение паспортных и расчётных параметров
		U ном /Uраб , кВ	I ном /Iраб max , А	i дин /iy , кА	I ном.откл , /Iк , кА	I т 2 tт /Вк
Ввод 35 кВ	ВБН-35	35/35	630/605	52/14,76	20/5,8	20 2 3=1200/58,31
Ввод 10-кВ	BB/TEL-10−25/1600 У2	10/10	1600/230,9	64/58,8	25/23,1	25 2 3=1875/658,8

Выбор выключателей переменного тока Выбор и проверка выключателей постоянного тока производится исходя из принципа сопоставления рабочих параметров схемы и номинальных параметров быстродействующего выключателя, предлагаемого для установки.

Таблица 8

Характеристики быстродействующих выключателей

Наименование присоединений	Тип выключателя	U ном , кВ	I ном , А	I ном откл , кА	I уст , А
Ввод в РУ-3,3 кВ	ВАБ-49−3200/30-Л-УХЛ4	3,3			2000;5000
Фидер контактной сети	ВАБ-49−3200/30-Л-УХЛ4	3,3			2000;5000

Выбор и проверка разъединителей

Условие выбора и проверки:

U _ном ? U_раб

I _ном ? I_рабmax

I _дин ? i_y

I _т ²

• t_т ? В_к

Выбор разъединителей представлен в таблице 9

Таблица 9

Выбор разъединителей

Тип присоединения	Тип разъединителя	Соотношение паспортных и расчётных параметров
Ввод 35кВ	РГ-35/1000УХЛ1	U ном /Uраб , кВ	I ном /Iрабmax , А	i дин /iу , кА	I т 2 tт /Вк , кА2 c
		35/35	1000/605	40/14,8	16 2 1=256/58,31

Выбор и проверка измерительных трансформаторов тока.

Условие выбора и проверки:

U _ном ? U_раб

I _ном ? I_рабmax

Таблица 10

Выбор измерительных трансформаторов тока

Вид присоединения	Тип трансфор-матора	Соотношение паспортных и расчётных параметров	Мощность ТА, ВА при классе точности	Проверка на стойкость
		U ном / Uраб	I ном / Iраб.m	0,5	10Р	Термическую	Динамическую
						(I ном1 Кт)2 ·tт ?Вк , кА2 с	v2 I ном1 ·Кд >iу , кА
Ввод 35 кВ	ТОЛ-35	35/35	800/605			30 2 3=2700? 58,31	v2 107=151,3> 14,76
ПВА	ТЛК-35	35/35	3000/188,10			100 2 3=30 000? 15 786,0	v2 250=353,6> 287,72
Т-35/10	ТОЛ-35	35/35	300/65,98			15 2 3=675? 658,82	v2 63=89,1> 58,78
Ввод 10 кВ	ТОЛ-10−1	10/10	300/230,9			31,5 2 1=992,3? 658,82	v2 81=114,6> 58,78
Фидер районной нагрузки	ТОЛ-10−1	10/10	200/144,33			20 2 1=400? 393,20	v2 81=72,12> 14,15
Фидер ПЭ	ТОЛ-10−1	10/10	200/13,28			20 2 1=400? 393,20	v2 51=72,12> 14,15

Проверка трансформатора тока ТОЛ-10 на соответствие классу точности Проверка на соответствие классу точности 0,5.

Трехлинейная схема подключения приборов к ТТ фидера районной нагрузки имеет следующий вид:

Рис. 3

где Wh — счетчик активной энергии типа САЗУ-И670;

• Warh — счетчик реактивной энергии СР4-И673;
• PA — амперметр типа Э377.

Условие проверки:

S _2ном ? S_2расч

S _2ном —по справочнику для выбранного трансформатора тока.

S _2расч =S_a +S_wh +S_varh +S_пров +S_конт (21)

где S _a —мощность потребляемая амперметром, S_a =0,5 ВА

S _wh —мощность потребляемая токовой обмоткой счётчика активной энергии,

S _wh =2,5 ВА

S _varh —мощность, потребляемая токовой обмоткой счётчика реактивной энергии, S_varh =2,5 ВА

S _пров —мощность теряемая в соединительных проводах

(22)

где I _2н -номинальный ток вторичной обмотки измерительного трансформатора тока, I_2н =5 А

l _расч —длина соединительных проводов.

Судельное сопротивление материала проводов,

Y—проводимость соединительных проводов, Y = 32 См

q—сечение соединительных проводов, q = 1,5 мм ²

S _конт —мощность, теряемая в контактах;

(23)

где r _конт — переходное сопротивление контактов, 0,12Ом

S _2расч =0,5+2,5+2,5+1,49+1,5=8,49ВА

ВА Проверка

S _2ном ? S_2расч

S _2ном —по справочнику для выбранного измерительного трансформатора тока

S _2расч =УS_КА +S_пров +S_конт, (24)

где УS _КА —суммарная мощность теряемая в реле тока, УS_КА =0,8ВА

S _2расч =4

• 0,8+1,49+2,5=7,19 ВА

ВА Выбранный

Выбор и проверка трансформаторов напряжения

Выбор трансформаторов напряжения произведен по следующим условиям:

• по номинальному напряжению:
• по классу точности (только для фидеров районной нагрузки):

В РУ-35 кВ к установке принят трансформатор напряжения марки ЗНОЛ-35 УХЛ1, В РУ-10 кВНАМИ-10.

Электрические характеристики трансформаторов напряжения представлены в таблице 11.

Таблица 11

Электрические характеристики трансформаторов напряжения

Тип ТН	Напряжение, В	Номинальная мощность в классе точности, ВА	Схема соединения
	Первичной обмотки	Вторичной обмотки	Дополнительной обмотки	0,5
ЗНОЛ-35							1/1−0
НАМИ-10			;		;	;	Y/Y-0

где и — соответственно, активные, Вт и реактивные, вар мощности всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения.

Сумма активных мощностей всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, определена по формуле:

(25)

где — полная мощность всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, ВА.

Сумма реактивных мощностей всех приборов, подключенных к трансформатору напряжения, равна:

(26)

Перечень приборов с указанием их активных и реактивных мощностей приведен в таблице 7.

Таблица 12

Приборы, подключенные к трансформатору напряжения

Наименование прибора	Тип	Число приборов		Cos ц	Sin ц
Счетчик активной энергии	А-1805		3,6			21,6	21,6
Вольтметр	Э378
Реле напряжения	РН-54

Выбранный трансформатор напряжения соответствует классу точности.

Заключение

Данный проект представляет собой расчёт типовой тяговой подстанции, в котором представлены расчёты четырех точек короткого замыкания, расчёт рабочих максимальных токов, токов короткого замыкания, Произведен выбор тягового и главного понижающего трансформатора, также трансформатора собственных нужд, коммутационного оборудования и измерительных приборов. Все токоведущие части, и оборудование проверены и приняты.

Библиографический список, Сапронова Ю. Д., А. А. Тяговые