Proektirovanie_TTP_1
.pdfФедеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электроснабжение транспорта»
А.Н. Штин
Т.А. Несенюк
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ПОДСТАНЦИЙ
Учебно-методическое пособие для выполнения курсового проекта
по дисциплинам «Тяговые и трансформаторные подстанции», «Тяговые подстанции», «Электрические станции
и подстанции» и выпускной квалификационной работы для студентов направлений подготовки «Электроэнергетика» и «Электроэнергетика и электротехника»,
специальности «Системы обеспечения движения поездов»
Екатеринбург Издательство УрГУПС 2014
УДК 621.311:621.331 Ш91
Штин, А. Н.
Ш91 Проектирование тяговых и трансформаторных подстанций : учеб.- метод. пособие / А. Н. Штин, Т. А. Несенюк. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 88 с.
Приведена последовательность проектирования тяговых и трансформаторных подстанций.
Все расчетные методики проиллюстрированы числовыми примерами. В приложениях приведен справочный материал электрических параметров силового оборудования и даны схемы распределительных устройств тяговых и трансформаторных подстанций.
Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки «Электроэнергетика» и «Электроэнергетика и электротехника», а также специальности «Системы обеспечения движения поездов».
УДК 621.311:621.331
Издано по решению редакционно-издательского совета университета
Авторы: А. Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС Т. А. Несенюк, старший преподаватель кафедры «Электроснаб-
жение транспорта», УрГУПС
Рецензент: А. С. Низов, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС
Учебное издание
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ПОДСТАНЦИЙ
Редактор С. В. Пилюгина Верстка Н. А. Журавлевой
Подписано в печать 27.08.2014. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 5,1. Тираж 25 экз. Заказ 135.
Издательство УрГУПС 620034, Екатеринбург, Колмогорова, 66
©Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2014
Оглавление
Введение .......................................................................................................... |
5 |
||
1 |
Составление схемы внешнего электроснабжения ...................................... |
6 |
|
2 |
Составление структурной схемы тяговой подстанции ............................... |
8 |
|
3 |
Расчет трансформаторной мощности тяговой подстанции ....................... |
9 |
|
|
3.1 |
Трансформаторная мощность тяговой подстанции |
|
|
|
постоянного тока ................................................................................. |
9 |
|
3.2 |
Трансформаторная мощность тяговой подстанции |
|
|
|
переменного тока............................................................................... |
12 |
4 |
Выбор силовых трансформаторов ............................................................. |
15 |
|
|
4.1 |
Повышающие трансформаторы электростанций ............................ |
15 |
|
4.2 |
Головные понижающие трансформаторы подстанций ................... |
16 |
|
4.3 |
Дополнительные трансформаторы для питания районных |
|
|
|
потребителей...................................................................................... |
17 |
|
4.4 |
Трансформаторы для питания собственных нужд подстанций....... |
18 |
|
4.5 |
Преобразовательные трансформаторы............................................. |
19 |
|
4.6 |
Оформление результатов выбора ...................................................... |
22 |
5 |
Расчет токов короткого замыкания на шинах распределительных |
|
|
|
устройств (РУ) ............................................................................................ |
23 |
|
|
5.1 |
Цель расчетов токов короткого замыкания (КЗ).............................. |
23 |
|
5.2 |
Расчет сопротивлений от источника питания до точки КЗ ............. |
23 |
|
5.3 |
Расчет токов трехфазного симметричного КЗ.................................. |
24 |
|
5.4 |
Расчет токов КЗ в РУ 3,3 кВ .............................................................. |
26 |
|
5.5 |
Оформление результатов расчета...................................................... |
27 |
6 |
Разработка схем главных электрических соединений тяговой |
|
|
|
подстанции ................................................................................................. |
27 |
|
7 |
Выбор силового оборудования тяговой подстанции ................................ |
34 |
|
8 |
Индивидуальное задание ........................................................................... |
36 |
|
9 |
Техника безопасности при выводе в ремонт силового оборудования ..... |
36 |
3
Список использованных источников........................................................... |
40 |
Приложение А |
|
Электрические параметры силовых трансформаторов ............................... |
43 |
Приложение Б |
|
Электрические параметры выпрямителей и инверторов ............................ |
55 |
Приложение В |
|
Сопротивления элементов расчетной схемы............................................... |
60 |
Приложение Г |
|
Преобразования схем.................................................................................... |
62 |
Приложение Д |
|
Основные положения расчета тока КЗ при питании точки КЗ |
|
от генераторов электростанций методом типовых кривых ........................ |
64 |
Приложение Е |
|
Схемы главных электрических соединений (СГЭС) |
|
распределительных устройств (РУ) тяговых подстанций (ТП)................... |
67 |
Приложение Ж |
|
Вопросы для индивидуальных заданий........................................................ |
83 |
Приложение И |
|
Вопросы для задания по технике безопасности .......................................... |
86 |
4
Введение
Одним из основных элементов систем электроснабжения являются подстанции. Они осуществляют преобразование из одного уровня напряжения в другой (трансформаторные подстанции и тяговые подстанции переменного тока и из одного рода тока в другой (тяговые подстанции постоянного тока).
Назначение тяговых подстанций — электроснабжение тяговых (электровозы, электропоезда), нетяговых железнодорожных (линии СЦБ, депо, вокзалы и т. д.), а также районных (заводы, фабрики, сельхозпредприятия, жилые здания и т. д.) потребителей. Назначение трансформаторных подстанций — электроснабжение только нетяговых железнодорожных и районных потребителей. Следовательно, трансформаторные подстанции могут быть рассмотрены как частный случай тяговых, так как последние являются более сложными техническими устройствами. Поэтому в дальнейшем речь пойдет о тяговых подстанциях, а все сказанное об их проектировании будет справедливо и по отношению к трансформаторным подстанциям.
По состоянию на 1 января 2014 г. на сети железных дорог России работают 1420 тяговых подстанций, из них примерно 70 % постоянного тока и 30 % переменного тока. От их безотказной работы зависит электроснабжение более 43 000 км электрифицированных линий (50 % общей протяженности железных дорог), которые выполняют более 80 % грузооборота железнодорожного транспорта. Кроме этого, в ОАО «РЖД» находится в эксплуатации более 20 000 трансформаторных подстанций. Все это делает холдинг РЖД третьей по размеру электросетевой компанией России. Через электрические сети ОАО «РЖД» для своих нужд используется только 65 % передаваемой энергии, а 35 % – для нужд сторонних потребителей.
Проектирование подстанций производится в соответствии с действующими нормами и правилами [1–7], а также с применением современного электротехнического оборудования [8–17]. Поэтому прежде чем приступить к работе, необходимо изучить устройство системы внешнего электроснабжения, структурные схемы подстанций и схемы главных электрических соединений распределительных устройств (РУ) с различными уровнями напряжения [8–12]. При выполнении проекта следует использовать данные, полученные на основе передового опыта эксплуатации электроустановок, а также достижения науки и техники в области энергетики и электроаппаратостроения.
5
1 Составление схемы внешнего электроснабжения
Перед началом проектирования тяговой подстанции (ТП) студент должен получить у руководителя следующие исходные данные:
–число, тип и параметры источников питания (генераторы электростанций или энергосистемы);
–схему расположения источников питания относительно заданного электрифицируемого участка, на котором предполагается размещение ТП (один из вариантов такой схемы изображен на рисунке 1.1);
–напряжение и тип питающей ЛЭП;
–тип тяговой подстанции;
–род тока распредустройства, питающего тяговую нагрузку;
–число питающих фидеров контактной сети;
–мощность, потребляемая на тягу поездов;
–тип преобразователя (для ТП постоянного тока);
–число и напряжения других распредустройств;
–число и мощность фидеров нетяговых потребителей;
–индивидуальное задание;
–вопрос по технике безопасности;
–другие данные по решению преподавателя.
Ист. А |
Ист. В |
Ист. С |
lA |
lB |
|
lC |
l1 |
lAB |
lBC |
l2 |
Рисунок 1.1 — Схема расположения источников питания относительно заданного электрифицируемого участка
Согласно правилам схема внешнего электроснабжения электрифицированной железной дороги должна обеспечивать питание ТП от энергосистемы как потребителей с электроприемниками I категории (кроме подстанций, расположенных на слабозагруженных участках) [1].
6
Это означает, что каждая ТП должна иметь двухстороннее питание. При этом выход из работы любой из подстанций (секции шин) энергосистемы или любого участка ЛЭП не должен приводить к отключению ТП. По двухцепной тупиковой ЛЭП допускается питание не более одной тупиковой (концевой) ТП.
Опыт проектирования и сооружения электрифицируемых участков железных дорог показывает, что среднее расстояние между ТП не должно превышать 15 км при системе электроснабжения постоянного тока и 50 км при системе электроснабжения переменного тока.
Число и типы ТП между двумя опорными зависят от типа и уровня напряжения питающей ЛЭП, а также рода тока, на котором электрифицируется участок (таблица 1.1) [1].
Таблица 1.1 — Число и типы ТП между двумя опорными
|
|
|
Число ТП между двумя |
|
|||
Род тока |
Тип ЛЭП |
U ЛЭП, кВ |
|
опорными |
|
Lmax, км |
|
Всего |
транзит- |
|
отпаеч- |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ных |
|
ных |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Одноцепная |
110 или 220 |
3 |
3 |
|
0 |
60 |
Посто- |
|
|
|
|
|
|
|
Двухцепная |
110 или 220 |
5 |
5 |
|
0 |
90 |
|
янный |
на общих опорах |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
Две одноцепные |
110 или 220 |
5 |
2 |
|
3 |
90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Одноцепная |
110 или 220 |
3 |
3 |
|
0 |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пере- |
Двухцепная |
110 |
3 |
3 |
|
0 |
200 |
на общих |
220 |
5 |
5 |
|
0 |
300 |
|
менный |
опорах |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
Две одноцепные |
110 |
3 |
2 |
|
1 |
200 |
|
220 |
5 |
2 |
|
3 |
300 |
|
|
|
|
Примечание: Lmax — максимальное расстояние между двумя опорными ТП.
На слабозагруженных участках допускается обеспечение надежности питания ТП как потребителей с электроприемниками II категории. Это означает, что допускается одностороннее питание ТП, или подключение ТП к ЛЭП отпайкой с помощью одного ввода с выключателем [1].
При составлении схемы внешнего электроснабжения необходимо рассмотреть несколько вариантов и выбрать тот, у которого меньшее количество опорных ТП.
Примеры составления схем внешнего электроснабжения приведены в литературе [18].
7
2 Составление структурной схемы тяговой подстанции
После составления схемы внешнего электроснабжения необходимо в соответствии с заданным типом подстанции выбрать одну расчетную ТП и согласовать выбор с руководителем.
Для выбранной ТП по исходным данным составляется структурная схема, на которой должны быть показаны вводы питающих ЛЭП, все РУ, головные трансформаторы, преобразовательные трансформаторы и преобразователи (для ТП постоянного тока), дополнительные трансформаторы для питания районных потребителей, трансформаторы собственных нужд (ТСН), фидеры контактной сети и нетяговых потребителей (НТП). На схеме также должны быть приведены значения мощности на тягу поездов и установленные мощности нетяговых потребителей.
|
|
|
|
|
|
|
|
Вводы питающих ЛЭП |
|||
|
|
|
|
|
|
РУ 110 кВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т1 |
|
Т2 |
|
|
SΣ35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SΣ35 |
|
|
|
|
|
|
SΣ10 |
|
SΣ10 |
|
|
РУ 35 кВ |
|
|
|
|
|
|
РУ 10 кВ |
|
|
|
SФ35/1 SФ35/2 SФ35/3 |
|||
S |
|
S |
|
SТCН |
SТCН |
SТЯГИ |
SТЯГИ |
||||
Ф10/1 |
Ф10/2 |
Ф1 |
Ф2 |
Ф3 |
|||||||
|
Ф1 |
|
Ф2 |
|
|
Т3 |
Т4 |
|
1000 |
3000 |
700 |
|
1500 |
2500 |
|
|
|
|
500 |
2000 |
1000 |
||
|
1500 |
2000 Т5 |
Т8 |
|
|
|
Фидеры НТП РУ 35 кВ |
||||
|
|
Фидеры |
РУ 0,4 кВ |
|
|
|
|
|
|||
|
|
НТП |
РУ 3,3 кВ |
Фидеры |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
РУ 10 кВ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
контактной |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сети
PТЯГИ = 9000 кВт
Рисунок 2.1 – Пример составления структурной схемы ТП
8
На рисунке 2.1 представлен пример структурной схемы ТП, составленный по следующим исходным данным: опорная ТП постоянного тока; 5 вводов питающей ЛЭП; РУ 110 кВ, РУ 35 кВ, РУ 10 кВ;
мощность на тягу РТЯГИ = 9000 кВт; три фидера НТП в РУ 35 кВ, питающие потребители с установленной мощностью 1000/500, 3000/2000,
700/1000 кВт; два фидера НТП в РУ 10 кВ, питающие потребители с установленной мощностью 1500/1500, 2500/2000 кВт (для фидеров НТП в числителе приведена промышленная нагрузка, а в знаменателе — сельскохозяйственная и коммунально-бытовая).
3 Расчет трансформаторной мощности тяговой подстанции
3.1 Трансформаторная мощность тяговой подстанции постоянного тока
Расчетная трансформаторная мощность ТП постоянного тока для совместного питания тяговой нагрузки и нетяговых потребителей S (рисунок 2.1) определяется по формуле
S = (SΣ10(6) + SΣ35) · kР , |
(3.1) |
где SΣ10(6) – суммарное значение расчетной трансформаторной мощности, необходимой для питания тяги и нетяговой нагрузки напряжением 10 или 6 кВ;
SΣ35 – суммарное значение расчетной трансформаторной мощности, необходимой для питания тяги и нетяговой нагрузки напряжением 35 кВ;
kР – коэффициент, учитывающий разновременность наступления максимумов нагрузок, принимается равным 0,95… 0,98 [10].
Трансформаторная мощность SΣ j (где j – величина напряжения РУ 6, 10 или 35 кВ) находится по выражению
SΣ j = (STЯГИ j+ nТСН j· SТСН j+ SФ j) · kР, |
(3.2) |
где STЯГИ j – трансформаторная мощность, необходимая для питания тяговой нагрузки;
9
nТСН j – число трансформаторов собственных нужд: для опорных ТП равно 4, для всех остальных – 2;
SТСН j – мощность одного трансформатора собственных нужд, согласно [8], принимается равной 400 кВА; SФ j – расчетная трансформаторная мощность, необходи-
мая для питания фидеров нетяговой нагрузки.
Величину трансформаторной мощности для питания тяговой нагрузки можно рассчитать по формуле
S |
|
= |
PТЯГИ |
, |
(3.3) |
|
ТЯГИ j |
|
cos ϕT |
|
|
|
|
|
|
где РТЯГИ – заданное расчетное значение мощности для питания тяговой нагрузки;
cos ϕT – величина косинуса угла сдвига первой гармоники сетевого тока преобразовательного агрегата относительно питающего напряжения, которую можно принять: для 6-пульсовых выпрямителей равной 0,94, для 12-пульсовых — 0,98 [19, 20].
Мощность, необходимая для питания нетяговых потребителей SФ j , определяется выражением
|
m |
|
|
SФ j =kР ∑SФ j /i , |
(3.4) |
|
i =1 |
|
где SФ j/i – |
расчетная трансформаторная мощность, необходимая |
|
|
для питания нетяговой нагрузки по i-му фидеру; |
|
m – |
число фидеров нетяговых потребителей. |
|
Трансформаторная мощность, необходимая для питания нетяговой нагрузки по одному из фидеров j-го напряжения, может быть найдена по формуле
SФ j/i =0,5·kН · (1+αР)·SM j/i , |
(3.5) |
где kН – коэффициент внутримесячной неравномерности электропотребления для нетяговой нагрузки (отношение среднемесячной нагрузки наиболее загруженного месяца к средней нагрузке наиболее загруженных суток); принимается равным 0,9 [10];
10