3. Розрахунок струмів короткого замикання

Для вибору устаткування підстанції необхідно розрахувати величину струмів короткого замикання (КЗ) на шинах 110 кВ і 10 кВ. Схема заміщення мережі для розрахунку струмів короткого замикання приведена на рис. 2. При розрахунку струмів КЗ для вибору обладнання допускається не враховувати активний опір елементів мережі, хоча струми в цьому випадку будуть завищені. Не врахування активної складової створює запас по параметрах вибраного обладнання, для розрахунку релейного захисту врахування активних опорів необхідне.

Рис. 3. Схема заміщення для розрахунку струмів короткого замикання

Розрахунок струмів КЗ виконуємо в відносній системі одиниць. Система задана потужністю короткого замикання на шинах 110 кВ джерела живлення(S_c = 3040 МВА). Базисні умови: S_б=3800 МВА, U_б= 110 кВ

Визначаємо опори елементів схем заміщення.

Опір системи:

Х_с= /S_с

Х_с = 3800/3040 = 1,25

Опір ліній:

Х_л1 =

Х_л2 =

Опір трансформатора:

Х_т1=

Еквівалентний опір елементів схеми заміщення при КЗ на шинах 110 кВ (точка К1)

X_резK1= =

Еквівалентний опір елементів схеми заміщення при КЗ на шинах 10 кВ (точка К2)

X_резK2 = + x_т1 = + 38= 47,46

Початкове значення періодичної складової струму КЗ у точці К1:

I_п,0^К1=Е¹/ Х_екв ^К1×I_б,

де I_б=3800/(1.73×110)=19,9 кА

I_п,0^К1 = 1/9,46×19,9 = 2,10 кА

Початкове значення періодичної складової струму КЗ у точці К2:

I_п,0^К2 = 1/47,46×209,2 = 4.4 кА,

де I_б=3800/(1.73×10.5)=209,2 кА

Ударний струм КЗ:

i_у=2 I_п,0К_у, (4)

де К_у - ударний коефіцієнт, що згідно [6] дорівнює 1.6081.717 (приймаємо 1.7)

У точці К1:

i_у = 1.411.72,10= 5,04 кА

У точці К2 ударний коефіцієнт, згідно [6] дорівнює 1.821.904 (принимаем 1.85)

i_у = 1.41  1.85 4.4 = 11,5 кА

Припускаємо, що амплітуда ЕРС і періодична складова струму КЗ незмінні в часі , тому струм КЗ через час  рівний часу відключення буде:

для точки К1 I_п,= 2,10 кА; для точки К2 I_п,= 4,4 кА.

Інтеграл Джоуля визначається за формулою:

В_к = I_п,0²  (t + Т_а) (6)

Для точки К1 В_к= 2,10²(0.15 + 0.025)= 0,77 кА²с.

Для точки К2 В_к= 4.4²(0.58 + 0.08)= 12,7 кА²с

Результати розрахунків струмів КЗ приведені в табл. 3

Таблиця 3. Струми короткого замикання на шинах підстанції

Місце КЗ	Струм КЗ у початковий момент часу Iп,0, кА	Ударний струм КЗ iу, кА	Струм КЗ у момент розбіжності контактів Iп,,кА	Інтеграл Джоуля Вк, кА2с
На шинах 110 кВ	2,10	5,04	2,10	0,77
На шинах 10 кВ	4.4	11,5	4.4	12,7

4. Вибір високовольтних електричних апаратів, розподільних установок і струмоведучих частин

Високовольтні електричні апарати вибираються за умовами нормального режиму роботи і перевіряються за умовами коротких замикань. При цьому для всі апарати вибираються за:

– напругою;

– нагріванням при тривалих струмах;

– виконанням (для зовнішньої чи внутрішньої установки);

Перевіряються на:

– електродинамічну стійкість;

– термічну стійкість;

Необхідно вибрати: вимикачі на стороні вищої напруги; ввідні вимикачі на стороні нижчої напруги; секційні вимикачі на стороні нижчої напруги; вимикачі ліній 10 кВ, що відходять, трансформатори струму і напруги 110 кВ; ошиновку розподільних установок 110 кВ і 10 кВ.

Для вибору апаратів і струмоведучих частин необхідно визначити струми нормального і післяаварійного режимів.

Вибір обладнання будемо виконувати з умови установки на підстанції трансформатора наступного ступеня потужності, тобто 10 000 КВА.

Максимальний струм на вищій стороні:

I₁₁₀ = 1.4  10000/(1.73  110) = 74,3 А

Максимальний струм у колі ввідних вимикачів на стороні 10 кВ:

I₁₀^вв = 1.4  10000/(1.73  10  2) = 408,7 А

Струм у колі секційних вимикачів

I₁₀^св = (0.7  10000)/(1.73  10  2) = 202,3 А

Струм у колі ліній, що відходять, приймаємо з умови, що на одне приєднання напругою 10 кВ припадає 3 – 4 МВА

I₁₀^відх = 3200/(1.7310)= 184,97 А

Вибір апаратів виконується в табличній формі,

U_ном і I_ном– номінальна напруга і струм апарата;

U_м – номінальна напруга мережі, кВ;

I_розр – розрахунковий робочий струм апарата, А;

I_{гр наск}– граничне діюче значення наскрізного струму КЗ, кА;

I_наск– граничне амплітудне значення наскрізного струму КЗ, кА;

I_{вим ном} – номінальний струм вимикання, кА;

На стороні вищої напруги рекомендується встановлювати маломасляні вимикачі типу ВМТ–110, або елегазові. Вибір вимикачів приведений у табл. 4. Каталожні параметри вимикачів приймаються згідно [4].

Таблиця 4. Вибір вимикачів на стороні 110 кВ

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	110 кВ	110 кВ
Iрозр  Iном	74.3 А	1000 А
Iп,0  гр наск	2.10 кА	20 кА
iу  iнаск	5.04 кА	52 кА
Iп,  Iвим ном	2.10 кА	20 кА
Вк  Iт2tт	0.77 кА2с	2023=1200 кА2с

Як видно з табл. 4, вимикач ВМТ–110Б-20/1000 УХЛ1 відповідає умовам вибору.

На стороні нижчої напруги приймаємо для установки вакуумні вимикачі. Вибір вимикачів для сторони 10 кВ приведений у табл. 3–5. Приймаємо попередньо вакуумні вимикачі типу ВВ/TEL.

Таблиця 5. Вибір ввідних вимикачів на стороні 10 кВ

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	10 кВ	10 кВ
Iрозр  Iном	408.7 А	630А
Iп,0  Iгр наск	4.4 кА	12.5 кА
iу  iнаск	11.5 кА	32 кА
Iп,  Iвим ном	4.4 кА	12.5кА
Вк  Iт2tт	12.7 кА2с	12.523=469 кА2с

Вакуумні вимикачі типу ВВ/TEL–10–12.5/630 У2 відповідають умовам вибору.

Таблиця 6. Вибір секційних вимикачів

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	10 кВ	10 кВ
Iрозр  Iном	202.3 А	630 А
Iп,0  Iгр наск	4.4кА	12.5 кА
iу  iнаск	11.5 кА	32 кА
Iп,  Iвим ном	4.4 кА	12.5 кА
Вк  Iт2tт	12.7 кА2с	12.523=469 кА2с

Як секційні приймаємо вимикачі ВВ/TEL –10–12.5/630 У2

Таблиця 7. Вибір вимикачів на лініях, що відходять

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	10 кВ	10 кВ
Iрозр  Iном	184.97 А	630А
Iп,0  Iгр наск	4.4 кА	12.5кА
iу  iнаск	11.5 кА	32 кА
Iп,  Iвим ном	4.4 кА	12.5 кА
Вк  Iт2tт	12.7 кА2с	12.523=469 кА2с

На лініях, що відходять, приймаємо вимикачі ВВ/TEL –10–12.5/630 У2

Роз'єднувачі вибираються за номінальним струмом і напругою; перевіряються за ударним струмом КЗ, термічною і динамічною стійкістю.

Таблиця 8. Вибір роз'єднувачів 110 кВ

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	110 кВ	110 кВ
Iрозр  Iном	74.3 А	630 А
iу  iнаск	5.04 кА	80 кА
Вк  Iт2tт	0.77 кА2с	31.52  4 =3 969 кА2с

На стороні 110 кВ передбачаємо застосування роз'єднувачів зовнішньої установки з одним і двома комплектами заземлюючих ножів типу РДЗ.1–110/630–Т1 і РДЗ.2–110/630–Т1.

Для приєднання електровимірювальних приладів і пристроїв релейного захисту необхідна установка трансформаторів струму і напруги. У даному проекті релейний захист детально не розглядається, тому перевірка трансформаторів за вторинним навантаженням виконується з урахуванням підключення тільки електровимірювальних приладів.

Згідно [табл. 4.11,4] у колі силового трансформатора з боку нижчої напруги встановлюються амперметр, ватметр, варметр, лічильники активної і реактивної енергії; на шинах 110 кВ – вольтметр із перемикачем для виміру міжфазних напруг; на секційних вимикачах 10 кВ – амперметр; лічильники активної і реактивної енергії. Розрахунок вторинних навантажень трансформаторів струму приведений у табл. 9.

Таблиця 9. Вторинне навантаження трансформаторів струму

Прилад	Тип	Клас точності	Навантаження по фазах, ВА
			А	В	С
Амперметр	Э–335	1.0	0.5	0.5	0.5
Ватметр	Д–350	1.5	0.5	–	0.5
Варметр	Д–345	1.5	0.5	–	0.5
Лічильник активної енергії	СА–3	1.0	2.5	–	2.5
Лічильник реактивної енергії	СР–4	1.5	2.5	–	2.5
Сумарне навантаження трансформатора струму в колі силового трансформатора з боку НН	–	–	6.5	0.5	6.5
Сумарне навантаження в колі секційного вимикача	–	–	0.5	0.5	0.5
Сумарне навантаження в колі силового трансформатора на стороні ВН	–	–	0.5	0.5	0.5
Сумарне навантаження в колі ліній, що відходять	–	–	5.5	0.5	5.5

Вибір трансформаторів струму приведений у табл. 10–12.

Таблиця 10. Вибір трансформаторів струму в колі силового трансформатора на стороні вищої напруги

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	110 кВ	110 кВ
Iрозр  Iном	74.3 А	75 А
iу iдин	5.04 кА	15 кА
Вк  Iт2tт	0.77 кА2с	323=36 кА2с
Zн  Zн ном	0.54 Ом	4 Ом

Для перевірки за вторинним навантаженням визначаємо опір приладів, підключених до даного трансформатора струму:

r_прил = S_прил/I² = 0.5/5² = 0.02 Ом

При цьому опір проводів може бути:

r_пр = Z_{н ном} – r_прил– r_к (7)

де Z_{н ном} - номінальний опір навантаження, Ом;

r_к= 0.1– опір контактів, Ом.

r_пр = 4 – 0.02 – 0.1 = 3.88 Ом

За умовами механічної міцності переріз з'єднувальних проводів повинний бути не менш 4мм² (для алюмінію) і 2.5 мм² для міді..

Довжину з'єднувальних кабелів приймаємо рівною L = 60м

Опір жил:

r_пр = L / F, (8)

де =0.0283-питомий опір алюмінію, Оммм²/м

F-переріз жил, мм².

r_пр = 0.0283  60/4 = 0.42 Ом

Загальний опір кола струму:

r_н= r_прил + r_к + r_пр= 0.02+0.1+0.42 = 0.54 Ом  4 Ом, значить трансформатор струму буде працювати в класі точності 1. Трансформатор ТФЗМ–110Б-1 75/5 –ХЛ1 відповідає умовам вибору.

Аналогічні розрахунки виконуємо для трансформаторів струму на НН.

Таблиця 11. Вибір трансформаторів струму в колі силового трансформатора на стороні НН

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	10 кВ	10 кВ
Iрозр  Iном	408.7 А	3000 А
iу iдин	11.5 кА	52 кА
Вк  Iт2tт	12.7 кА2с	31.5223=2977 кА2с
Zн  Zн ном	0.28 Ом	0.4 Ом

Приймаємо трансформатор струму ТЛК–10–3–У3

Таблиця 12. Вибір трансформаторів струму на лініях, що відходять

Умова вибору	Розрахункові значення	Каталожні значення
Uм  Uном	10 кВ	10 кВ
Iрозр  Iном	184.97 А	200 А
iу iдин	11.5 кА	52 кА
Вк  Iт2tт	12.7 кА2с	2023 = 400 кА2с
Zн  Zн ном	0.25 Ом	0.4 Ом

На лініях, що відходять, передбачаємо застосування трансформаторів струму ТЛК–10–1–У3.

Трансформатори напруги на стороні 110 кВ приймаємо типу НКФ–110–58, на стороні 10 кВ – НАМИТ –10-66 У3.

Ошиновку в розподільних пристроях 110 кВ виконують, як правило, сталеалюмінієвими проводами. За умовами корони переріз повинний бути не меншим 70мм², а його вибір здійснюється по довготривалому припустимому струмі. Максимальний струм на стороні 110 кВ проектованої підстанції складає 74.3А. Для цього струму по [табл. 7.12, 2] слід прийняти переріз 70/11 мм² із припустимим струмом 265 А. Необхідно також перевірити прийнятий переріз за термічною стійкістю.

(9)

де С = 9110^–3кАс/мм²

= 9.64 мм²

Остаточно приймаємо переріз ошиновки 70 мм².

Ошиновку закритих РУ 10 кВ виконують твердими шинами. Вибір перерізу також виконується по припустимому струмі. Струм у колі трансформаторів на стороні 10 кВ складає 408.7А, для цього струму приймаємо двополосні прямокутні шини 404 мм, для яких I_прип = 480 А.

Тверді шини необхідно перевірити на динамічну стійкість до струмів КЗ і на можливість виникнення резонансних явищ. Резонанс шин при протіканні струмів КЗ не виникає якщо власна частота коливання шин буде менше 30 чи більше 200 Гц. Частота власних коливань для алюмінієвих шин визначається по формулі:

(10)

де l-довжина прольоту між опорними ізоляторами, м; l = 1.5м;

J-момент інерції поперечного переріза шини щодо осі, перпендикулярної напрямку згинаючої сили, см⁴;

q-поперечний переріз шини, см²; q=1.6 см².

(11)

де b = 0.4 см, товщина шини;

h = 4 см, ширина шини;

k=1, кількість шин у пакеті.

см⁴

Гц

Розрахунок f₀ показує, що власна частота коливань шин не потрапляє в зону резонансних явищ.

Умовою механічної міцності шин є:

_розр  _прип, (12)

де _розр– розрахункова механічна напруга в матеріалі шин, МПа;

_доп = 90 МПа - допустима механічна напруга в матеріалі шин для алюмінієвого сплаву АД 31Т.[5]

Розрахункова механічна напруга для двосмугових шин визначається за формулою:

, (13)

де - механічна напруга від взаємодії фаз;

- механічна напруга від взаємодії смуг .

, (14)

де – момент опору шини;

–згинальний момент, що виникає під дією зусилля між фазами F;

, (15)

де а = 0.5м– відстань між сусідніми фазами;

– ударний струм трифазного К3, кА;

– коефіцієнт форми, який враховує розташування шин на голівці ізолятора. Оскільки шини розташовані плиском, = 1

МПа