Проектирование тяговых и трансформаторных подстанций


Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




С. М. КУЗНЕЦОВ





                ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений (специальности 140406 и 220301) всех форм обучения










НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.311.4:621.33(075.8)
     К 891
Рецензенты:
Е.Г. Порсев, д-р техн. наук, профессор;
Л.Л. Штанг, канд. техн. наук, доцент




       Кузнецов С.М.

К 891 Проектирование тяговых и трансформаторных подстанций: учеб. пособие / С.М. Кузнецов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013.-92 с.
         ISBN 978-5-7782-2222-9
         Изложены рекомендации по проектированию, методики расчета токов нагрузки и токов короткого замыкания, а также электрические схемы распределительных устройств тяговых и трансформаторных подстанций.
         Учебное пособие рекомендуется для самостоятельной и аудиторной работы студентов, обучающихся при дневной, заочной и дистанционной формах подготовки специалистов направления 140400 «Электрический транспорт» и 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли», при выполнении РГЗ и дипломного проекта. Может быть полезно магистрантам и инженерам, работающим в области электроснабжения электрического транспорта.




Работа выполнена на кафедре электротехнических комплексов (ЭТК)





УДК 621.311.4:621.33(075.8)



ISBN 978-5-7782-2222-9

                    ©Кузнецов С.М.,2013
                   © Новосибирский государственный технический университет, 2013

    ОГЛАВЛЕНИЕ


5
5
5

7
7
8
8
9
9

1. Цели, задачи и организация учебного проектирования...........
  1.1. Цели и задачи курсового и дипломного проектирования......
  1.2. График выполнения проекта................................
2. Структура выполнения работ по проектированию объектов электрического транспорта.......................................
  2.1. Стадии проектирования....................................
      2.1.1. Порядок разработки.................................
      2.1.2. Рабочий проект.....................................
      2.1.3. Рабочая документация...............................
      2.1.4. Сметная документация...............................

  2.2. Объем работы.............................................10
      2.2.1. Объем курсового проекта............................10
      2.2.2. Объем дипломного проекта...........................10
  2.3. Последовательность проектирования тяговой и трансформаторной подстанций...............................................10
3. Расчет параметров тягового блока подстанции, выбор преобразовательных агрегатов и понизительных трансформаторов...........13
  3.1. Определение мощности подстанции..........................13
  3.2. Выбор типа и количества преобразовательных агрегатов.....16
      3.2.1. Характеристики преобразовательных агрегатов........16
      3.2.2. Выбор варианта тяговой подстанции..................17
      3.2.3. Определение потерь энергии в преобразовательных агрегатах тяговых подстанций..................................18
4. Выбор проводников............................................22
  4.1. Общие положения..........................................22
  4.2. Выбор сечения проводников по нагреву рабочим током.......22
  4.3. Выбор сечения проводников по экономической плотности тока.24
  4.4. Выбор сечения проводников и шин по условиям короткого замыкания .....................................................24

5. Расчет токов короткого замыкания.............................25
  5.1. Общие указания...........................................25
  5.2. Составление расчетной схемы..............................25
  5.3. Схема замещения. Приведение схемы к простейшему виду.....26

3

  5.4. Определение сопротивлений элементов цепи...................29
      5.4.1. Электрическая система................................29
      5.4.2. Трансформаторы.......................................29
      5.4.3. Реакторы.............................................31
      5.4.4. Линия электропередачи (провода, кабели, шинопроводы).32
  5.5. Расчет периодической составляющей тока короткого замыкания.32
      5.5.1. Электроустановки напряжением выше 1 кВ...............32
      5.5.2. Электроустановки напряжением до 1 кВ.................34
      5.5.3. Определение ударного тока короткого замыкания........35
      5.5.4. Расчет токов КЗ за преобразовательным трансформатором, на шинах выпрямленного тока и в тяговой сети..............36
6. Составление однолинейной схемы коммутации тяговой подстанции.........................................................39

7. Грозозащита и заземления....................................42
  7.1. Основы проектирования защиты от перенапряжений и заземляющих устройств подстанций.................................42
  7.2. Защита тяговых подстанций от атмосферных перенапряжений и волн, набегающих с линии..................................45
  7.3. Основные принципы построения схем грозозащиты подстанций.45
  7.4. Проектирование грозозащиты..............................46
  7.5. Заземляющие устройства..................................51
8. Современные системы автоматического управления..............59
  8.1. Назначение системы......................................59

  8.2. Основные компоненты...................................60

  8.3. Отдаленное соединение с центральной диспетчерской..........60
  8.4. Краткая характеристика функций системы SCADA................60

64
66
67
69

9. Требования безопасности.....................................
Библиографический список.......................................
Перечень сокращений............................................
Приложения.....................................................

        1. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

        1.1. Цели и задачи курсового и дипломного проектирования

   В курсовом (КП, КР, РГЗ) и дипломном (ДП) проектах практически невозможно выполнить в полном объеме проектную документацию даже по самой простой схеме, поэтому разрабатываются те разделы стадий проектирования с определением их места в общей схеме проектирования, которые позволяют:
   •   обобщить и углубить знания студентов, полученные при изучении курса, на производственной и преддипломной практиках; научить студентов применять полученные знания к решению конкретных инженерных задач;
   •   выработать у студентов навыки совместного решения экономических и технических задач, а также навыки в области конструирования распределительных устройств и их узлов с учетом типовых конструкций и изделий, поставляемых с заводов;
   •   научить студентов при проектировании пользоваться Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), Правилами технической эксплуатация (ПТЭ), госстандартами, нормами, типовыми проектами и ведомственными инструкциями, справочниками по электрооборудованию, релейной защите и автоматике, другими материалами такого рода;
   •   выработать навыки общей компоновки тяговых подстанций с учетом санитарных норм, правил техники безопасности и особых условий работы подстанций;
   •   научить студентов правильно излагать свои мысли с использованием существующей терминологии.

        1.2. График выполнения проекта

   Исходные данные при проектировании тяговых подстанций получают в результате выполнения предыдущих этапов, которые реализуются в «Основах электрической тяги» и «Электроснабжении электрического транспорта». Результаты этих этапов могут быть приняты как исходные данные в соответствующем курсовом проекте. Отдельные электрические величины можно определить по методикам, изложенным в работах [1-3] и часто используемым в практических расчетах.


5

   Данные, необходимые для выполнения курсовой или дипломной работы, приведены в табл. П1, графики нагрузок подстанций - на рис. П1-П7 прил. 1.
   Основные справочные данные приведены в прил. 2 и 3, кроме того студент должен уметь пользоваться справочными и нормативными источниками [4-8] и [9-13], новейшую информацию для инновационных решений можно найти в Интернет-ресурсах, например в [14].
   Приступая к выполнению курсового или дипломного проекта, необходимо:
   •    в соответствии с заданием подобрать рекомендуемую литературу, по которой проанализировать все известные методы расчета и выбрать наиболее рациональный для заданного варианта;
   •    ознакомиться с каталогами на базовое и вспомогательное оборудование, информационными материалами на новое оборудование, Ин-тернет-ресурсами, а также типовыми проектами, действующими в настоящее время;
   •    изучить соответствующие разделы ПУЭ, ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей, госстандарты на условные графические обозначения в электрических системах и правила выполнения чертежей (ЕСКД, СПДС);
   •    обратить особое внимание на Европейские ISO «Международные стандарты». В процессе проектирования проводятся практические занятия и консультации, на которых студент должен предъявить преподавателю выполненную часть проекта по графику (табл. 1).


Таблица 1

График выполнения проекта

                                                  Процент   Неделя 
 №                                               от общего семестра
п/п         Наименование раздела проекта          объема    выпол- 
                                                  проекта   нения  
                                                           раздела 
1   Изучение исходных материалов задания, подбор                   
    литературы, определение всех исходных дан-       5        1    
    ных для проектирования подстанции                              
2   Определение мощности подстанций. Выбор ти-                     
    па и определение количества преобразователь-    15        4    
    ных агрегатов                                                  

6

Окончание табл.1

                                                   Процент   Неделя 
 №                                                от общего семестра
п/п         Наименование раздела проекта           объема    выпол- 
                                                   проекта   нения  
                                                            раздела 
3   Составление однолинейной схемы тяговой под-                     
    станции. Составление расчетной схемы. Расчет     10        6    
    токов КЗ                                                        
4   Выбор оборудования всех распределительных        15        8    
    устройств и проверка его на действие токов КЗ                   
5   Выбор источника оперативного тока и расчет       10        9    
    его параметров                                                  
6   Выбор схем релейной защити, управления и ав-                    
    томатики вводов, преобразовательных агрега-      10        12   
    тов, собственных нужд, фидеров контактной                       
    сети и расчет уставок защит                                     
7   Составление плана размещения оборудования.                      
    Расчет заземления. Расчет грозозащиты. Схема     15        13   
    и расчет уставок защит от замыкания на землю                    
8   Оформление чертежей и пояснительной запис-       20      14-16  
    ки. Защита проекта                                              

        2. СТРУКТУРА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ
        ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

        2.1. Стадии проектирования

  Тяговая преобразовательная подстанция является основным элементом сложной системы электроснабжения устройств электрической тяги, и ее проектируют в комплексе общих работ по созданию объекта электрической тяги при новом строительстве (метрополитена, электрифицированной железной дороги, линий городского электрического

7

транспорта) либо отдельно при модернизации устройств электроснабжения на транспорте. Трансформаторные подстанции предназначены для электроснабжения депо, станций и других объектов транспортной системы. Часто тяговая подстанция, например, метро или железной дороги выполняет функции и трансформаторной подстанции. Различий в проектировании этих объектов нет.
   «Инструкция о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений» (СНиП 1.02.01-85) устанавливает следующий порядок выполнения проектных работ:
   •    выполнению проекта предшествует обязательное составление технико-экономического обоснования (расчета) (ТЭО или ТЭР). ТЭО (ТЭР) составляет заказчик или иная (научно-исследовательская или проектная) организация по поручению заказчика;
   •    при наличии ТЭО (ТЭР), утвержденного вышестоящей по отношению к заказчику организацией, министерством, ведомством, документ [4] определяет порядок разработки, дает характеристику и состав проекта, устанавливает обязательные формы документов и их содержание.

    2.1.1. Порядок разработки

   Устанавливается следующая градация: разработка в одну стадию -это рабочий проект; разработка в две стадии - проект и рабочая документация.
   Стадийность проектирования определяется в ТЭО (ТЭР). В одну стадию проектируют технически несложные объекты, определяемые министерствами и ведомствами, а также предприятия, здания и сооружения, строительство которых должно осуществляться преимущественно по типовым и повторно применяемым проектам, и объекты технического перевооружения.

    2.1.2. Рабочий проект

   Рабочий проект (проект) на новое строительство, расширение и реконструкцию должен состоять из следующих разделов: общая пояснительная записка; генеральный план и транспорт; технологические решения; научная организация труда рабочих и служащих; управление предприятием; строительные решения; организация строительства; охрана окружающей природной среды; жилищно-гражданское строительство; сметная документация; паспорт рабочего проекта (проекта).


8

   В состав рабочего проекта включается рабочая документация. Содержание разделов изложено в инструкции [8]. Состав и содержание разделов рабочего проекта могут быть сокращены министерствами и ведомствами с учетом специфики проектирования и сложности объектов отрасли в утверждаемых ими эталонах рабочего проекта.

    2.1.3. Рабочая документация

   В состав рабочей документации должны входить:
   • рабочие чертежи в соответствии с госстандартами СПДС;
   • сметная документация в соответствии с СНиП 1.02.01-85;
   •     ведомости объемов строительных и монтажных работ по ГОСТ 21.111-84;
   •     ведомости и сводные ведомости потребности в материалах, составленные по видам строительных и монтажных работ, - по ГОСТ 21.109-80;
   • сборники спецификаций оборудования - по ГОСТ 21.110-82;
   •     опросные листы и габаритные чертежи на соответствующие виды оборудования и изделий;
   •     проектно-сметная документация на строительство зданий и сооружений;
   •     исходные требования к разработке конструкторской документации на оборудование индивидуального изготовления - по ГОСТ 15.001-73.

    2.1.4. Сметная документация

   Для определения сметной стоимости проектируемых предприятий составляется следующая документация:
   •     в составе рабочего проекта (при одностадийном проектировании) сводный сметный расчет; сводка затрат; объектные и локальные сметные расчеты; сметы на проектные и изыскательские работы;
   •     в составе проекта (при двухстадийном проектировании) сводный сметный расчет; сводка затрат; объектные и локальные сметные расчеты; сметы на проектные и изыскательские работы.
   В составе рабочей документации должны быть объектные и локальные сметы. При проектировании объектов, не входящих в перечень крупных [4], состав сметной документации может быть сокращен до объектных и локальных смет.


9

        2.2. Объем работы

    2.2.1. Объем курсового проекта

   В соответствии с [4] в проект должны быть включены следующие разделы.
   1.    Технико-экономические расчеты, в которых выполняется обоснование выбранного варианта строительства.
   2.    Генеральный план подстанции (в дипломном проекте) с подъездными путями и транспортно-такелажными устройствами, на котором указываются размещение оборудования, кабельные каналы, воздушные ошиновки и поддерживающие конструкции, проезды, дороги (в том числе рельсовые).
   3.   Технологические решения.
   4.    Сметная документация, в которой приводится локальная смета на строительство тяговой или трансформаторной подстанции.
   5.    Общая пояснительная записка, в которой даны все необходимые расчеты, схемы, таблицы выбранного оборудования, обоснование применяемых технологических решений. В общую пояснительную записку курсовой работы и дипломного проекта включаются как отдельные пункты 1-4.

    2.2.2. Объем дипломного проекта

   В дипломном проекте пункты 1-4 решаются в большем объеме, особенно пункты 3 и 4, кроме того, должны быть включены разделы: управление предприятием; научная организация труда рабочих и служащих; охрана окружающей природной среды; инновации в проекте; анализ мирового уровня строительства подобных объектов.

        2.3. Последовательность проектирования тяговой и трансформаторной подстанций

   1.    По исходным данным, справочной литературе и расчетным путем определяют электрические величины: средний, эффективный и максимальный токи тяговой или трансформаторной подстанции и соответствующие им мощности.
   2.    По справочной литературе или приложениям (прил. 2, табл. П3-П6) выбирают несколько типов преобразовательных агрегатов тяговой

10

подстанции, пригодных по основным параметрам (Ud, Id) для использования на подстанции заданного вида электрического транспорта, и выписывают в форме таблиц пояснительной записки все их технические характеристики.
   3.    По эффективному и максимальному току подстанции определяют количество преобразовательных агрегатов каждого типа.
   4.    По результатам пунктов 1-3 выбирают два наиболее перспективных варианта и выполняют расчет технико-экономических показателей каждого варианта. Сравнивают варианты по приведенным годовым затратам и по результатам сравнения технико-экономических показателей выбирают расчетный вариант.
   5.    Определяют полную мощность подстанции с учетом собственных нужд и посторонних потребителей, учитывая коэффициент мощности каждого вида нагрузки. Выбирают типы трансформаторов собственных нужд (ТСН) и трансформаторов посторонних потребителей (ТПП), СЦБ.
   6.    С учетом задания выбирают схему первичного питания тяговой подстанции (схему внешнего электроснабжения). В реальном проекте схема первичного питания выдается проектировщику сетевой энергетической компанией, например Сибирьэнерго.
   7.    На основании пунктов 2-5 выбирают тип и сечения питающих линий (воздушных или кабельных) и выполняют необходимые расчеты, а также выбирают тип и сечения шин и кабелей.
   8.    Пользуясь исходными данными и результатами расчетов, выбирают типы понизительных трансформаторов, если источники имеют напряжение выше 35 кВ, а затем составляют однолинейную схему коммутации тяговой или трансформаторной подстанции.
   9.    На основании исходных данных и с учетом параметров выбранных понизительных, тяговых трансформаторов, ТСН и ТПП рассчитывают токи короткого замыкания (КЗ) на вводных шинах тяговой или трансфоматорной подстанции, за тяговыми и понизительными трансформаторами и преобразовательным агрегатом, за ТСН и ТПП, а также на шинах 380 и 220 В, в распределительных шкафах, на шинах выпрямленного тока и в удаленной точке контактной сети.
   10.    По номинальным данным и с учетом рассчитанных величин токов короткого замыкания выбирают по каталогам [9, 13] тип КРУ и основное оборудование камер: выключатели, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, шины и кабели, разъединители, предохранители и другое оборудование. Выбранное оборудование проверяют на термическую и динамическую стойкость. Результаты заносят

11

в опросный лист, необходимый для заказа камер на завод-изготовитель.
   При выборе трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (TH) следует учитывать схему соединения, величину нагрузки вторичных цепей, а также место их установки. Расчетная схема нагрузки ТТ должна соответствовать роду оперативного тока: на тяговых подстанциях, как правило, постоянный оперативный ток, на трансформаторных подстанциях часто используют в целях экономии средств оперативный переменный ток.
   11.    Учитывая выбранные типы релейной защиты и род оперативного тока (постоянный или переменный), выбирают схемы управления и автоматики подстанции, рассчитывают мощность источников оперативного тока, аккумуляторной батареи, подзарядного выпрямителя и при необходимости зарядного (чаще всего его привозят на период наладки), конденсаторных устройств и блоков питания; выбирают тип шкафа собственных нужд постоянного и переменного тока.
   12.    Составляют однолинейную схему тяговой или трансформаторной подстанции. На однолинейной схеме необходимо указать уровни напряжений на шинах присоединений, тип и сечение шин, типы всех электрических аппаратов и их основные характеристики, тип измерительных приборов, релейной защиты и автоматики, устройств ТУ и ТС, сигнальных и вспомогательных устройств (как правило, комплексная электронная система - АСУ нижнего уровня). При этом электрические соединения указывают лишь между элементами силовой цепи; элементы же вспомогательных цепей показывают условными обозначениями в соответствии с госстандартами или ISO.
   13.    Составляют схему заполнения распределительных устройств и заказные спецификации (опросный лист).
   14.    Производят расчет грозозащиты и заземляющих устройств подстанции.
   15.    Выбирают тип защиты от замыканий на землю в распределительных устройствах переменного и постоянного токов.
   16.    Пользуясь типовыми проектами, учитывая требования ПУЭ, ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей, составляют план размещения оборудования тяговой или трансформаторной подстанции.
   Требования к чертежам и расчетно-пояснительной записке сформулированы в соответствии с ЕСКД.

12