5. Расчет и выбор силовых трансформаторов.

Расчёт числа и мощности силовых трансформаторов для питания нагрузки промышленных объектов производится на основании расчётов и обоснований по изложенной ниже схеме.

• Определяется число трансформаторов на подстанции исходя из обеспечения надёжности питания с учетом категории потребителей.

• Намечаются возможные варианты. Мощность выбираемых трансформаторов с учётом допустимой нагрузки их в нормальном режиме и дополнительной перегрузки в аварийном режиме.

• Определяется экономически целесообразное решение из намеченных вариантов, применимое для данных конкретных условий.

• Учитывается возможность расширения или развития подстанции и решается вопрос о возможной установке более мощных трансформаторов

на тех же фундаментах. Или предусматривается возможность расширения подстанций за счёт увеличения числа трансформаторов.

Выбираем число трансформаторов на подстанции:

Т.к. в цехе имеются потребители II и III категории и нет резервирования, то количество трансформаторов принимаем равным 2.

Намечаем два возможных варианта мощности трансформаторов:

I вариант: S01 = Smax / n1·β = 961,04 / 2 * 0,75 = 640,7 кВА [5]

II вариант: S02 = Smax / n2·β = 961,04 / 4 * 0,75 = 320,3 кВА [5]

Выбираем стандартные мощности трансформаторов:

I вариант: Sнт1 = 630 кВ·А

II вариант: Sнт2 = 400 кВ·А

Технико - экономические сравнения вариантов.

Определяем коэффициент загрузки:

I вариант: β1 = Smax / n1·Sнт1 =961,04 / 2 * 630 = 0,76 [5]

II вариант: β2 = Smax / n2·Sнт2 =961,04 / 4 * 400 = 0,60 [5]

Проверяем оба варианта на перегрузку:

I вариант: 1,4·(n1 – 1)·Sнт1 ≥ Smax [5]

1,4·(2 – 1)·630 = 882

Данный вариант проходит с учетом отключения потребителей 3-й степени

II вариант: 1,4·(n2 – 1)·Sнт2 ≥ Smax [5]

1,4·(4 – 1)·400 = 1680 ≥ Smax

Определяем экономически целесообразный вариант установки трансформаторов. Для этого составляем таблицу с техническими данными трансформаторов обоих трансформаторов.

Табл.5.1

Тип	Sнт кВА	∆Р х.х (кВт)	∆Рк.з (кВт)	Iхх %	Uк.з %	Цена
ТМГ-630	630	1,16	7,6	0,8	5,5	1591500
ТМГ- 400	400	0,82	5,5	1	4,5	1203750

Определяем потери мощности в трансформаторах:

I вариант:

ΔQ_хх1 = I_хх %·S_нт / 100 =0,8 * 630 / 100 = 5,04 кВар [5]

ΔQ_кз1 = U_кз %·S_нт / 100 = 5,5 * 630 / 100 = 34,65 кВар

ΔР'_хх1 = ΔР_хх1 + k_пп·ΔQ_хх1 =1,15 + 0,05 * 5,04 = 1,4 кВт

ΔР'_кз1 = ΔР_кз1 + k_пп ·ΔQ_кз1 =7,6 + 0,05 * 34,65 = 9,33 кВт

ΔР'₁ = n₁·(ΔР'_хх1 + β₁² ·ΔР'_кз1 ) =2 * (1,4 + 0,76 ² * 9,33) =13,6

II вариант:

ΔQ_хх2 = I_хх %·S_нт / 100 =1,0 * 400 / 100 = 4 кВар [5]

ΔQ_кз2 = U_кз % ·S_нт / 100 = 4,5 * 400 / 100 = 18 кВар

ΔР'_хх2 = ΔР_хх2 + k_пп ·ΔQ_хх2 = 0,82 + 0,05 * 4 = 1,02 кВт

ΔР'_кз2 = ΔР_кз2 + k_пп ·ΔQ_кз2 = 5,3 + 0,05 * 18 = 6,2 кВт

ΔР'₂ = n₂ · (ΔР'_хх2 + β₂² ·ΔР'_кз2 ) = 4 * (1,02 + 0,36² * 6,2) = 13кВт

Определяем капитальные затраты:

I вариант: k₁ = n₁· k_Sнт1 = 2·1591500 = 3183000 тг [5]

II вариант: k₂ = n₂ ·k_Sнт2 = 4·1203750 = 4815000 тг

Определяем амортизационные расходы:

Са₁ = φ·k₁ = 0,1·3183000 = 318300 тг [5]

Са₂ = φ·k₂ = 0,1·481500 = 481500 тг

Определяем стоимость потерь электроэнергии:

I вариант: Сп₁ = С₀·ΔЭ₁ =10*78414,6=784176 тг [5]

ΔЭ₁ = ΔР'₁·Т_max = 13,6*5766 = 78417,6

II вариант: Сп₂ = С₀·ΔЭ₂ = 10*74958=749580 тг

ΔЭ₂ = ΔР'₂·Т_max = 13*5766= 74958

Определяем общие эксплуатационные расходы:

I вариант: С₁ = Са₁+ Сп₁ = 318300+78417,6 = 1102476 тг [5]

II вариант: С₂ = Са₂+ Сп₂ = 481500+749580 =1168080 тг

Производим сравнение капитальных затрат и эксплуатационных расходов обоих трансформаторов:

k₁ < k₂ 3183000 < 4815000

С₁< С₂ 1102476 < 1168080

Таким образом, наиболее выгодным является I вариант.

6. Расчет питающей линии.

Длительно допустимые токовые нагрузки проводов и кабелей нужны для проверки по нагреву т.к. любому длительному протекающему току при неизменных внешних условиях соответствует вполне определенная, установившееся температура проводника. Величина длительно протекающего тока, при котором температура становится предельно допустимой для данной марки кабеля или провода, называется длительно допускаемой токовой нагрузкой. Величина, которая зависит от материала провода и его сечения, температуры окружающей среды, от материала изоляции и способа прокладки. Имеет значение также режим работы проводов и кабелей. Например, для повторно-кратковременного режима работы она может быть увеличена. Для определенной величины длительно допустимого тока необходимо знать наивысшую положительную температуру окружающей среды, так как температура окружающего воздуха и почвы изменяются в зависимости от времени года.

При проверке на нагрев в качестве расчетного тока принимают максимум токовой нагрузки.

Питающая линия кабелей, которая записывает цеховую подстанцию рассчитывается по экономической плотности тока исходя из расчетного тока найденного по суммарной нагрузке 0,4 кВ и 10 кВ.

Определяем расчетный ток:

=_Smax/ · U_нn= 2167,94 / 34.6= 207,1А [3]

S_эк= I_расч/ j_эк=207,1/1,2=172,6

Марка кабеля АСБ(3х35) I_доп=310А

Проверяем выбранное сечение кабеля на потерю напряжения:

ΔU%= ·I_расч·l·(r₀·cosφ+X₀·sinφ)·100%/U_ном=

=1,73·207,1·0,8·(0,167 ·0,99+0,077·0,02)/10000 · 100 = 0,47%

Т.к. соблюдается условие ΔU% =0,47% < 5%, кабель по потери напряжения проходит.

Проверяем выбранное сечение кабеля на температуру нагрева:

t⁰_ф = t⁰_{ср.норм} + (t⁰_доп - t⁰_ср)·( I_расч / I'_доп)² = 25+(60 - 10)·(207,1 / 345,96)² =42,9⁰С [4]

I'_доп=k_t·k_п·I_доп=1,2·0,93·310=345,96А [4]

Т.к. соблюдается условие t⁰_ф < 60⁰С, кабель по температуре нагрева проходит.

7. Расчет токов короткого замыкания с высокой и низкой стороны.

Для вычисления токов к.з. составляют расчётную схему, соответствующую нормальному режиму работы системы электроснабжения, считая, что все источники питания включаются параллельно.

В расчётной схеме учитывают сопротивление питающих генераторов, трансформаторов, высоковольтных линий, (воздушных и кабельных), реакторов. По расчётной схеме составляют схему замещения, в которой указывают, сопротивление источников и потребителей и намечают точки для расчёта токов к.з.

Для генераторов высоковольтных линий и коротких участков распределительной сети обычно учитывают только индуктивное сопротивление, т.к. в удаленных точках короткого замыкания сказывается снижение ударного коэффициента. Целесообразно учитывать активное сопротивление, если r_∑ ≥ x_∑ /3.

Для отдельных элементов схемы принимают следующие значения индуктивного сопротивления:

• для синхронных генераторов таким сопротивлением является сверхпереходное сопротивление относительных единицах: Х''d = 0,125 - для турбогенераторов; Х''d= 0,2 - для гидрогенераторов;

• для синхронных и асинхронных двигателей Х''d= 0,2;

• для трансформаторов, если пренебречь их активным сопротивлением, напряжение короткого замыкания (даётся в каталогах) численно равно их индуктивному сопротивлению Х%;

• для воздушных линий напряжением выше 1000 В учитывается их погонное сопротивление, которое равно Х₀= 0,4 Ом/км;

• для кабельных линий напряжением 6-20 кВ Х₀=0,08 Ом/км;

• для реакторов сопротивление даётся в % и переводится в относительные единицы.

7.1. Расчет токов короткого замыкания с высокой стороны.

L=90км

G₃

L=160км S_c= 650

X_’’d = 0,6

115кВ 115кВ

S_{н т}=20МВА S_т=120МВА

U_к=10,5% U_к=10,5%

10,5кВ 10,5кВ

L = 0,8

КЛ I_нр=4000

Х_р=8

G₁ G ₂

P₁ = 150MВт

cosφ=0,85

X``d=0,125

Рис.5.1.1.

По заданной расчетный схеме строется схема замещения

Х_*б7/4,8 Х_*б12/2,7 Х_*б13/0,92

Х_*б6/4,8

Х_*б4/5,25 Х_*б5/5,25 Х_*б8/0,87 Х_*б9/0,87

Х_*б3/0,55 Х_*б10/1,1

Х_*б11/0,6,

Х_*б1/0,7 Х_*б2/0,7

Рис. 7.1.1

Задаемся базисными условиями:

S_б=1000 (МВА)

U_б=10,5 (кВ)

= / =1000/(1,73·10,5)=55(кА) [1]

Определяем бозасный сопротивления всех элементов замещения.

Определяем сопротивления генераторов станций:

Х_*б1=Х_*б2=Х``_d∙( S_б/ S_н.г.)=0,125∙(1000/176,5)=0,7 [1]

S_{н.г.тэц.}=Р_н.г./cosφ=150/0,85=176,5 (MBA) [1]

Х_*б13= 0,92

Определяем сопротивления трансформаторов:

Х_*б4= Х_*б4=Uкз%/100%∙S_б/S_н.г.=10,5/100∙1000/20=5,25 [1]

Х_*б8= Х_*б9=U_кз%/100%∙S_б/S_н.г.=10,5/100∙100/120=0,87

Определяем сопротивление воздушных линий:

Х_*б12= Х₀∙L∙( S_б/U_н²)=0,4∙90∙(1000/115²)=2,7 [1]

Х_*б6= Х_*б7=Х0∙L∙( S_б/U_н²)=0,4∙160∙(1000/115²)=4,8

Определяем сопротивление реакторов

Х_*б3=Х_р%/100∙ (I_б ∙U_н/ I_н ∙U_б)=8/100∙(55∙10,5/8∙10,5)=0,55

Х_*б10=1,1

Сопротивления к.л

Х_*б11= Х₀∙L∙( S_б/U_н²)=0,08∙0,8∙(1000/10,5²)=0,6

Перед упращением схемы необходима преложить узлового точка

Упрощаем схему замещения. Для этого необходимо определить узловую точку.

Сопротивления Х_*б12 и Х_*б113 соединены параллельно, последовательно:

[1]

Сопротивления Х_*б6 и Х_*б7 соединена параллельно

[1]

Сопротивления Х_*б4 ,Х_*б3 ,Х_*б5 и Х_*б8 ,Х_*б9 ,Х_*б10 образуют треугольник, который мешает дальнейшему преобразованию схемы. Поэтому его необходимо преобразовать в звезду:

[1]

[1]

X_*б15 X_*б14

Х_*б18

Х_*б21 Х_*б20

Х_*б16 Х_*б17

Х_*б11

Х_*б1 Х_*б2

Х_*б1 и Х_*б16 и Х_*б2 и Х_*б17 соединяем последовательно

Х_*б22=Х_*б23= 0,7+0,26=0,96 [1]

Х_*б6 и Х_*б19 и Х_*б14 и Х_*б20 соединяем последовательно

Х_*б24 = Х_*б25= 0,6+0,23=0,93 [1]

X_*б15 Х _*б14

Х _*б21

Х_*б22 Х_*б23

Х_*б23 Х_*б25

Х_*б22 и Х_*б23;Х_*б24 и Х_*б20 соединяем параллельно

Х_*б25=0,96/2=0,48

Х_*б26=0,93 0,33/0,93+0,3=0,24 [1]

Т.к Х_*б25 и Х_*б18 и Х_*б15 ;Х_*б26 и Х_*б21 соединяем последовательно

Х_*б27= 0,48+2,5+2,4=5,38

Х_*б28=0,24+0,26=0,5 [1]

Х_*б27 Х_*б14

ТЭЦ С

Х_*б28

Необходимо преобразовать звезду в эквивалентный не полный треугольник

[1]

Х_*б29 Х_*б30

ТЭЦ С

Проверяем возможность обидение источника питания

Т.к число1,2 лежит в пределах допустимых значений то объединение возможно.

Х_*б29 и Х_*б30 параллельны

Х_*б31=7 3,2/7+3,2=2,2

Х_*б31

Определяем токи короткого замыкания.

Установившийся ток КЗ

I_к=I_б/Z_*б= I_б/Х_*31

Проверяем нужно ли актив. сопротивление кабеля

r_*бкл=r₀l S_б/U_н²=0,167 0,8 1000/10,5²=1,2›0,76

Кабель АСБ(3*185) I­_д=310

Поэтому актив сопротивление учитываем

I_к=I_б/Z_*б= 55/2,5=22 [1]

Определяем ударный ток:

Iу= ·Ку· Iк =1,4·1,2·22=37 кА

Определяем мощность КЗ:

Sк.з.=S_*б/X_*б22=100/2,2=454,5 мВА

7.2. Расчет токов короткого замыкания с низкой стороны.

Определяем расчетный ток шин:

I_расч = S_max / ( ·U_ном·n) =696,4 [1]

По полученному расчетному току выбираем шины алюминиевого сечения АТ(50х6), [2]

По справочнику выбираем комплектную ТП:

Табл.7.2.1

Наименование параметра	Значение
Мощность силового трансформатора, кВ·А	630
Номинальное напряжение на стороне ВН, кВ	6; 10
Наименьшее рабочее напряжение на стороне ВН, кВ	7,2; 12
Номинальное напряжение на стороне НН, кВ	0,4
Номинальный ток сборных шин на стороне ВН, А	75; 100
Номинальный ток сборных шин на стороне ВН, А	1000; 1600
Ток термической стойкости в теч. 1 сек. на стороне ВН, кА	20
Ток термической стойкости в теч. 1 сек. на стороне НН, кА	20
Ток электродинамической стойкости на стороне ВН, кА	51
Ток электродинамической стойкости на стороне НН, кА	51
Уровень изоляции по ГОСТ 1516.1: - с масляным трансформатором - с сухим трансформатором и негорючим жидким диэлектриком	нормируемая (уровень «б») облегченная
Коммутационная аппаратура на стороне ВН
Коммутационная аппаратура на стороне НН

10кВ

ВНА-10

ПК-10

ТМ-630

АТ(50*6) 0,4

Рн=40 Рн=40 Рн=65 Рн=80

кВ кВ кВ кВ

Рис.7.2.1

Определить ток КЗ на шинах напряжением 0,4 кВ, если в питающей сети на 10 кВ установлен выключатель нагрузки типа ВНА-10 с мощностью отключения 200 МВ·А.

Трансформатор присоединен к щиту 0,4 кВ алюминиевыми шинами АТ(80х8), длиной 5 метров.

S_нт = 630 кВА

U = 10/0,4 кВ

U_кз = 5,5%

ΔР_кз = 7,6 кВт

К шинам присоединен

1 АД: Р =40 кВт; η=0,93; cosφ=0,95; n=2

2 АД: Р =65кВт; η=0,93; cosφ=0,95; n=1

3 АД: Р =80кВт; η=0,93; cosφ=0,8; n=1

Определяем сопротивление системы:

Х_с = U_ном ² / S_откл = 0,4² / 200·10³ = 0,8 мОм [1]

Определяем сопротивление трансформаторов в относительных и в неименованных единицах по паспортным данным:

R_т = r_*т·(U _ном ² / S_нт) = 0,0120·(400² / 630·10³) = 3 мОм

Х_т=0,053·400²/630·10³=13,5 мОм

Х_*т = = = 0,053 [1]

Определяем сопротивление шин:

r_ш = r₀·l = 0,118·5 = 0,59 мОм [1]

Х_ш = Х₀·l = 0,2·5 = 1 мОм [1]

Переходное сопротивление контактов автомата принимаем равным 0,08 мОм; автомата – 0,3 мОм; переходное сопротивление в местах присоединения шин и в самом месте КЗ принимаем равным 15 мОм.

Определяем результирующее сопротивление в цепи КЗ:

r_∑ = r_т+r_ш +r_n+r_a+r_к= 3+0,59+0,08+0,3+15 = 18,97 мОм

Х_∑ = Х_r+Х_ш+Х_с = 0,8+13,5+1 = 15,3 мОм

Определяем полное сопротивление:

Z = √ r_∑²+ Х_∑² = = 24,37мОм

Определяем установившийся ток КЗ:

I_кз = U_ном / ·Z = 400 / 1,73·24,37= 9,47кА

Определяем ударный ток КЗ:

i_ус = ·k_у· I_кз = 1,4·1,1·9,47= 14,7кА

k_у = 1,1

Определяем токи КЗ то электродвигателей. Для этого определяем номинальный ток двигателя:

I_н.дв = (n·Р_н) / ( ·U_ном · cosφ ·η) = (2·40)/(1,73·0,4·0,95·0,93·10³) = 0,13 кА

I_н.дв = (n·Р_н) / ( ·U_ном · cosφ ·η) = (1·65)/(1,73·0,4·0,95·0,93·10³) = 0,11 кА

I_н.дв = (n·Р_н) / ( ·U_ном · cosφ ·η) = (1·80)/(1,73·0,4·0,8·0,93·10³) = 0,15 кА

Определяем ударный ток двигателя:

i_у.дв = k_п· I_н.дв = 6·0,56 = 3,36 кА

i_у.дв = k_п· I_н.дв = 6·0,11 = 0,66 кА

i_у.дв = k_п· I_н.дв = 6·0,15 = 0,0,9 кА

Определяем общий ударный ток:

i_у = i_ус+ i_у.дв = 20 кА

Составляем исходную таблицу:

Табл.7.2.2

	Iк	iу	Sк
К-1	22	37	454,5
К-2	9,5	20	---