Тяговые трансформаторные подстанции курс

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО

ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕ-
ЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

МГУПС (МИИТ)

Одобрено кафедрой
«Электрификация и
электроснабжение»

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

Тяговые трансформаторные подстанции

С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ 5 КУРСА

специальности Системы обеспечения движения поездов (СДс)
специализации:

«Электроснабжение железных дорог» (СЭ)

Москва 2015 г.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

• 1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
  • 1.1. Содержание курсового проекта и исходные данные
  • 1.2. Оформление курсового проекта
• 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО
  ПРОЕКТА
  • 2.1. Составление однолинейной схемы главных электрических соединений
    тяговой подстанции
  • 2.2. Выбор трансформаторов собственных нужд
  • 2.3. Выбор токоведущих частей и электрической аппаратуры
  • 2.4. Расчет токов короткого замыкания
  • 2.5. Проверка оборудования тяговой подстанции
  • 2.6. Компенсирующие устройства тяговой подстанции переменного тока
  • 2.7. Сглаживающее устройство тяговых подстанций постоянного тока
  • 2.8. Выбор аккумуляторной батареи
  • 2.9. Расчет защитного заземляющего устройства
  • 2.10. Экономическая часть проекта

• 1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
  • 1.1. Содержание курсового проекта и исходные данные

Выполнение курсового проекта включает следующее:

• - составление структурной схемы и схемы главных электрических со-
  единений заданной тяговой подстанции;
• - выбор высоковольтного оборудования заданной тяговой подстанции;
• - расчет тока короткого замыкания (к. з.) с целью проверки
  выбранного оборудования для одного из распределительных устройств
  (РУ) заданной тяговой подстанции;
• - выбор сглаживающего устройства (для подстанций постоянного тока)
  или компенсирующей установки (для подстанций переменного тока);
• - выбор аккумуляторной батареи и зарядно-подзарядногоустройства;
• - выбор трансформатора собственных нужд (ТСН);
• - расчет заземляющего устройства тяговой подстанции;
• - определение годовых эксплуатационных расходов по тяговой подстанции
  и себестоимости переработки электроэнергии.

Соответствующие исходные данные принимаются в зависимости
от трех последних цифр учебного шифра студента.

Род тока тяговой подстанции и способ выражения сопротивлений

при расчете токов к. з. выбирается по последней цифре шифра

студента в соответствии с табл. 1.1 задания.

Таблица 1.1

Тип тяговой подстанции и ее номер на рисунке 1.1, мощность к. з. на
вводах опорных подстанций 1 и 5, связывающих их с энергосистемой,
типы понижающих и преобразовательных трансформаторов, РУ, для ко-
торого следует произвести проверку выбранного оборудования, и прочее
выбираются по предпоследней цифре учебного шифра студента, причем
для подстанций переменного тока—по табл. 1.2, а для подстанций по-
стоянного тока — по табл. 1.3.

Таблица 1.2

Окончание табл. 1.2

Таблица 1.3

Выдержки времени релейных зашит, данные для выбора ТСН и аккуму-
ляторной батареи, а также заземляющего устройства, принимаются по
третьей цифре от конца учебного шифра студента и приведены в табл.
1.4.

Таблица l.4

По согласованию с преподавателем студент может выполнить про-
ект целиком исследовательского характера, либо разработать отдель-
ные вопросы исследовательского плана (например, применение на под-
станциях переменного тока 2x27,5 кВ трехобмоточных однофазных
трансформаторов, применение двенадцатипульсовых преобразователь-
ных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока, применение на
тяговых подстанциях постоянного тока трансформаторов 110/3 кВ, под-
станций постоянного тока повышенного напряжения (6, 12 кВ), под-
станций переменного тока 94/27,5 кВ, блочно-модульных подстанций
НИИЭФА-ЭНЕРГО и др.).

• 1.2. Оформление курсового проекта

Курсовой проект следует представить в виде пояснительной запис-
ки, оформленной в соответствии с нормативными требованиями [10].
Пояснительная записка должна содержать:

• 1 . Оглавление;
• 2 .Исходные данные;
• 3 .Расчетно-текстовую и графическую части;
• 4 .Список использованной литературы.

Рис. 1.1. Схема присоединения подстанций к системе

внешнего электроснабжения

Примечания:

• 1. Расстояния между подстанциями даны в км и соответст-
  вуют: верхние значения—системе переменного тока 25 кВ, ниж-
  ние—системе постоянного тока. Для системы 2x25 кВ принять
  следующие расстояния между подстанциями: между / и 2 под-
  станциями—80 км, 2 и 3—70 км. 3 и 4—70 км, 4 и 5—80 км, 5 и 6
  — 80км.
• 2. Индуктивные сопротивления ЛЭП 110 кВ принять равными
  0,4 Ом/км.
• 3. На всех подстанциях, за исключением отпаечной 3_, ней-
  трали понижающих трансформаторов заземлены.

Курсовой проект может быть оформлен в рукописном виде или с ис-
пользованием компьютерных технологий (т.е. представлен в напечатанном
виде).

Пояснительная записка оформляется на листах стандартной бумаги
А4 (210x297 мм) на одной стороне с соответствующими полями и её сле-
дует разбить на разделы и подразделы. Каждый раздел следует начинать с
нового листа. При необходимости следует приводить ссылки на использо-
ванную литературу. Не допускается применять в тексте сокращения слов,
кроме общепринятых и установленных ГОСТами.

Страницы пояснительной записки должны быть пронумерованы. В
приводимых результатах расчета следует производить округление до 3-
4 значащих цифр. Все размерности электрических величин приводить
в системе СИ с учетом ГОСТ 8.417-81.

Рисунки и таблицы также должны быть пронумерованы и их следует
приводить сразу же после первой ссылки на них в тексте записки.

Однолинейная схема главных электрических соединений тяговой под-
станции выполняется на листе чертежной бумаги А1 или представляется в
виде распечатки на принтере (плоттере) соответствующего формата.

• 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО
  ПРОЕКТА
  • 2.1 Составление однолинейной схемы главных электрических соеди-
    нений тяговой подстанции.

Отправным моментом в выполнении курсового проекта является
составление однолинейной схемы главных электрических соединений
заданной тяговой подстанции. Такая схема определяет состав необходи-
мого высоковольтного оборудования, а дальнейшие расчеты позволяют
выбрать и проверить это оборудование.

Вначале следует составить структурную схему заданной тяговой
подстанции. Такая схема определит состав подстанции по распредели-
тельным устройствам. Далее следует перейти к составлению одноли-
нейной схемы подстанции.

Схему главных электрических соединений проектируемой тяго-
вой подстанции следует составить на основе составленной структурной
схемы подстанции и типовых проектных решений соответствующих
распределительных устройств, которые приведены, например, в [1, 2, 5,
6,].

Как следует из рисунка, на электрифицируемом участке предусмотрены
опорные подстанции 1 и 5, транзитные 2 и 4, отпаечная 3 и тупиковая 6.

Для опорных тяговых подстанций типовой является схема от-
крытого распределительного устройства ОРУ-110 кВ с одинарной, сек-
ционированной выключателем, и обходной системами шин.

ОРУ-110 кВ транзитных подстанций выполняют по мостиковой
схеме «Н» с рабочей и ремонтной перемычками. В рабочей перемычке
устанавливается высоковольтный выключатель.

ОРУ-110 кВ отпаечных и тупиковых подстанций также вы-
полняются по мостиковой схеме «Н», аналогично схемам транзитных
подстанции. В отличие от последних, вместо выключателя в рабочей
перемычке устанавливается разъединитель и, кроме того, отсутствует
ремонтная перемычка. Отпаечные и тупиковые подстанции, как прави-
ло, нормально питаются от одной из двух ЛЭП.

ОРУ-35 кВ, служащие на тяговых подстанциях с первичным напряже-
нием 110 кВ для питания нетяговых промышленных и сельскохозяйствен-
ных потребителей прилегающего к подстанции района, выполняются с
одинарной системой шин, секционированной выключателем. Для сооруже-
ния ОРУ-35 кВ применяют блоки заводского изготовления [1, 3, 5, 11].

РУ-10 кВ применяются на тяговых подстанциях переменного тока для
питания нетяговых районных потребителей, а на подстанциях постоянного
тока—для питания преобразовательных агрегатов и ТСН. РУ-10 кВ под-
станций постоянного тока размещают в камерах внутренней установки ти-
па КВВО, а на подстанциях переменного тока — в шкафах наружной уста-
новки типа КРУН-10 [1, 5, 11].

Электроснабжение устройств автоблокировки осуществляется от тя-
говых подстанций по линиям 10 кВ, 50 Гц, которые получают питание от
подключаемого к шинам собственных нужд повышающего трансформато-
ра 0,38/10 кВ.

На каждой тяговой подстанции имеется по два понижающих транс-
форматора, причем нормально в работе находится один из них, а другой
— в резерве. В вынужденных режимах, например при отключении смеж-
ной подстанции, в работе могут находиться оба понижающих трансформа-
тора.

Отметим некоторые особенности в схемах главных ?лек-трических со-
единений тяговых подстанций постоянного и переменного тока.

Подстанции постоянного тока. На тяговых подстанциях постоянного
тока применяется схема с двойной трансформацией. Типы понижающих и
преобразовательных трансформаторов приведены в табл. 1.3 задания.

В качестве полупроводниковых преобразователей рекомендуется ис-
пользовать выпрямители типа ПВЭ-5 АУ-1.

Главная плюсовая и запасная шины РУ-3,3 кВ разделяются двумя
разъединителями па три секции, а минусовая шина не секционируется [1,3,
5, 11]. При этом к крайним секциям шин присоединяют по одному выпря-
мительному агрегату (один—рабочий, другой—резервный) и фидеры кон-
тактной сети, а к средней секции—запасной выключатель, сглаживающее
и разрядное устройства.

Подстанции переменного тока. На тяговых подстанциях переменного
тока системы 25 кВ устанавливаются трехобмоточные трансформаторы
заданной мощности (табл. 1.2). На каждой подстанции имеется два таких
трансформатора, причем в работе находится один из них, а другой — в ре-
зерве.

На тяговых подстанциях переменного тока системы 2x25 кВ примене-
но три однофазных понижающих трансформатора (табл. 1.2), причем тре-
тий трансформатор может работать параллельно с каждым из двух или за-
менять любой из них. Для этого его подключение предусмотрено через
перемычку, позволяющую подавать на него соответствующие фазы ЛЭП
[5].

Питание нетяговых потребителей 10 кВ осуществляется с помощью
двух (один—рабочий, другой—резервный) понижающих трансформа-
торов 27,5/11 кВ (табл. 1.2), присоединяемых к шинам П1 и П2 ОРУ-
2х27,5 кВ (аналогично ТСНам), или от отдельных трансформаторов 110/11
кВ.

ОРУ-27,5 кВ и 2x27,5 кВ выполняются с секционированной двумя
разъединителями рабочей и запасной системами шин. Применяемое в
ОРУ-27,5 кВ и 2x27,5 кВ оборудование в основном одинаково. От каждой
секции шин ОРУ-27,5 кВ или 2x27,5 кВ питаются трансформаторы собст-
венных нужд (ТСН), причем один из них рабочий, другой—резервный.
Вторичное напряжение ТСН—380 В. К каждой секции шин ОРУ-27,5 кВ
или 2x27,5 кВ присоединяются также измерительные трансформаторы на-
пряжения, включаемые по схеме открытого треугольника.

Для электроснабжения потребителей, расположенных вдоль линии же-
лезных дорог, применяется система ДПР (два провода— рельс).

Для компенсации реактивной мощности на подстанциях переменного
тока 27,5 кВ в курсовом проекте предусматривается установка поперечной
емкостной компенсации (КУ), которая устанавливается в «отстающую»
фазу.

Общие указания по разделу

При выполнении курсового проекта вначале необходимо составить
структурную, а затем однолинейную схему главных электрических соеди-
нений заданной тяговой подстанции, которая определяет состав электро-
оборудования подстанции. После этого необходимо выбрать и проверить
конкретный тип оборудования только для заданного РУ (см. табл. 1.2 или
1.3).

Предварительно можно определить мощность ТСН, а затем уже перейти к
выбору и проверке оборудования заданного РУ тяговой подстанции.

• 2.2. Выбор трансформаторов собственных нужд

На тяговых подстанциях всех типов устанавливается два ТСН с вто-
ричным напряжением 380/220 В, каждый из которых рассчитывается на
полную мощность собственных нужд (СН).

Питание ТСН на тяговых подстанциях постоянного тока осуществля-
ется от шин РУ-10 кВ, а на подстанциях переменного тока—от шин ОРУ-
27,5 кВ или 2x27,5 кВ.

На опорных тяговых подстанциях ввиду значительного увеличения в
зимнее время расхода энергии СН на подогрев масла высоковольтных вы-
ключателей помимо ТСН дополнительно устанавливают два трансформа-
тора подогрева, мощность которых при первичном напряжении 110 кВ
принимается равной 250 кВ А.

Необходимая мощность для питания СН переменного тока может быть
определена на основании мощностей всех потребителей подстанции [5,
п.52].

В условиях курсового проектирования мощность СН может быть опре-
делена по следующим приближенным выражениям:

• а) для опорных тяговых подстанций

(2.1)

• б) для остальных типов тяговых подстанций

S_CH⁼KcH*n_Tn*Sj_nn *l'S_a(5 ^Smx,

(2.2)

где Ксн - коэффициент собственных нужд, который можно при-
нять равным 0,005—0,007 для подстанций переменного тока и
0,008—0,01—для подстанций постоянного тока;

n_тп - число понижающих трансформаторов на тяговой подстанции
(n_тп =2);

S_НТП — номинальная мощность понижающего трансформатора;

S_аб —мощность устройств автоблокировки (для опорных и тран-
зитных подстанций равна 60 кВ А, для отпаечной и тупиковой —
40 кВА);

S_MX — мощность передвижной базы масляного хозяйства (принять
20 кВА);

SПОД — мощность трансформатора подогрева опорных подстанций
(принять 250 кВА).

Определив по вышеприведенным соотношениям требуемую мощность
СН, следует по [3] выбрать тип ТСН. После определения мощности ТСН
можно перейти к выбору оборудования заданного РУ проектируемой тя-
говой подстанции.

• 2.3. Выбор токоведущих частей и электрической аппаратуры

Токоведущие части и электрические аппараты выбираются по нор-
мальным условиям длительного режима работы, а затем проверяются по
аварийному кратковременному режиму — короткому замыканию. При вы-
боре электрической аппаратуры учитываются род установки (наружная
или внутренняя), габариты, масса, удобство размещения и эксплуатации.
Общие условия выбора аппаратуры по длительному режиму заключаются
в сравнении рабочего напряжения и максимального рабочего тока с его
номинальным напряжением и током.

Рассмотрим некоторые рекомендации при определении максимальных
рабочих токов I_{Р гоах} для различных цепей тяговой подстанции.

Определение I_{р шах} для вводов опорной и транзитной подстанций и пере-
мычки между вводами, может быть осуществлено по выражению:

_ (КПР ^Х ^ТП ^Х ^ШП ⁺ $ТР4Нз) ^Х ^р

Ip imx“ >

(2.3)

где: k _пр - коэффициент перспективы развития потребителей,

_ (КПР ^Х ^ТП ^Х ^ШП ⁺ $ТР4Нз) ^Х Кр

равен 1,3;

n тп — число понижающих трансформаторов на подстанции, равно
2;

S НТП — номинальная мощность понижающего трансформатора за-
данной подстанции;

S _транз — транзитная мощность, проходящая через шины данной
подстанции для питания соседних подстанций;

К'р — коэффициент разновременности максимальных нагрузок

данной и соседних подстанций, равен 0,7-0,8;

U_H —номинальное напряжение, U_H =110 кВ.

Транзитную мощность Зтраю можно определить следующим образом:
при заданной транзитной подстанции № 2 или 4 (см. рис. 1.1)

|5™нТ=Мтп⁴8нп1ОТП 5

(2.4)

при заданной опорной подстанции № 1 (см. рис. 1.1)

(2.5

при заданной опорной подстанции № 5 (см. рисунок)

^тряю^т’^лтп отп^тп*Shut трак. + $ятл туп ?

(2.6)

где n_тп – число трансформаторов на подстанции (n_тп =2);

Sнтп отп, Sнтп транз, Sнтп туп - номинальные мощности понижающих
трансформато- ров соответственно отпаечной, транзитной и тупиковой
подстанций.

Определение Iр max вводов отпаечной (№ 3) и тупиковой (№ 6) (см.
рис. 1.1) подстанций может производиться по выражению:

(2.7)

где K_пер — коэффициент допустимой перегрузки трансформатора,
зависящий от температуры охлаждающей среды и начальной на-
грузки, принимается в соответствии с ГОСТ 14209—85; в кур-
совом проекте можно принять КПер =1,5;

nтп — число понижающих трансформаторов на подстанции
(n_тп=2);

Sн тп — номинальная мощность понижающего трансформатора.

Максимальный рабочий ток сборных шин опорной тяговой подстан-
ции может быть определен по выражению:

к ПЕР ^{х К}РН !<^П ^^SHTH +^STPAH3)

где К_{рн I} — коэффициент распределения нагрузки по шинам пер-
вичного напряжения, равен 0,6—0,8;

S_транз — транзитная мощность, ее расчет приведен выше.

Максимальный рабочий ток понижающих трансформаторов определя-
ется по выражению:

_т К ПЕР ^х ^_тп

узи_я (2.9)

где К_{рн I} — коэффициент распределения нагрузки по шинам пер-
вичного напряжения, равен 0,6—0,8;

Sтранз — транзитная мощность, ее расчет приведен выше.

Максимальный рабочий ток понижающих трансформаторов определя-
ется по выражению:

К ПЕР ^Х ^НТП

ртах»

yf^Uff, (2.9)

Для сборных шин СН и НН понижающих трансформаторов и цепи сек-
ционного выключателя I р П1ах может быть определен по выражению:

К РН И ^х "ТП * ^SHTH

(2.10)

где Крн _II — коэффициент распределения нагрузки по шинам вто-
ричного напряжения, равный 0,5—0,7 (0,5— при числе присоедине-
ний пять и более, 0,7 — при меньшем числе присоединений).

Максимальный рабочий ток нетяговых потребителей определяется
по выражению:

(11)

Для первичной обмотки преобразовательного трансформатора Iр
мэх определяется по выражению:

Ip max -

кпер '^н.np ip
V3-u_H]

(2.12)

где КПЕР — коэффициент перегрузки, с учетом перегрузочной
способности выпрямителя ПВЭ-5 АУ-1 (принять
КПЕр=1,25);

SH ПР. ТР — номинальная мощность преобразовательного транс-
форматора;

U_HI — номинальное напряжение первичной обмотки
преобразовательного трансформатора.

Максимальный рабочий ток вторичной обмотки преобразо-
вательного трансформатора может быть определен:

для трехфазной мостовой схемы выпрямления

Ipnm=Ij H ’

для схемы выпрямления «звезда две обратные звезды»

где Idн — номинальный выпрямленный ток полупроводни-
кового преобразователя.

Для главной («плюсовой») шины РУ-3,3 кВ тяговой подстанции по-
стоянного тока:

U^H^ldH:

(2.13)

где N—число преобразовательных агрегатов на подстанции (N=2);

Крн — коэффициент распределения нагрузки на шинах (при N=2
КрН=0,8).

Для запасной шины РУ-3,3 кВ Iртах=Iф тах, где IФ шах —максимальный рабо-
чий ток фидера контактной сети: в курсовом проекте можно принять Iф тах
=2000А.

Для запасной шины РУ-3,3 кВ Iртах=N*Idн

Максимальный рабочий ток фидера контактной сети подстанции пе-
ременного тока системы 25 кВ можно принять равным 500 А, а для систе-
мы 2x25 кВ — 400 А.

Таким образом, с учетом приведенных рекомендаций и соот-
ветствующих исходных данных могут быть определены максимальные ра-
бочие токи оборудования подстанции. По этим значениям, а также с уче-
том номинального напряжения могут быть выбраны высоковольтные ком-
мутационные аппараты, трансформаторы тока и напряжения, токоведущие
части и изоляторы, разрядники всех РУ заданной тяговой подстанции.

Выбранное оборудование по заданному РУ следует свести в таблицу.
После выбора оборудования заданного РУ (табл. 1.2 или 1.3) по условиям
длительного режима следует произвести его проверку по условиям к. з., т.
е. на электродинамическую и термическую стойкость. Для этого следует
сначала определить токи к. з. на шинах того РУ, аппаратуру которого сле-
дует проверить.

• 2.4. Расчет токов короткого замыкания

Общие указания. Расчетным режимом для проверки оборудования
подстанции является режим трехфазного к. з.

Расчет токов к. з. производится на основании электрической схемы,
поэтому вначале следует ее составить. Для этого заданную схему внешнего
электроснабжения (см. рис. 1.1) следует дополнить упрощенной схемой за-
данной тяговой подстанции, на которой достаточно указать только пони-
жающие трансформаторы, преобразовательные агрегаты для подстанций
постоянного тока и шины всех РУ.

При составлении такой схемы следует исходить из получения макси-
мальных токов к. з., т. е. надо учесть параллельную работу понижающих и
преобразовательных трансформаторов.

Для последующей проверки высоковольтного оборудования достаточно
будет знать только токи к. з. на шинах того РУ, которое задано в табл. 1.2
или 1.3.

Далее, на основании составленной электрической схемы составляется
схема замещения, на которой все элементы представляются в виде сопро-
тивлений, которые считаются чисто индуктивными (х).

Как известно, в основе расчета токов к. з. лежит закон Ома, в связи с
чем необходимо определить результирующее сопротивление от источника
питания до места к. з.

Сопротивления элементов цепи к. з. можно выражать в именованных
или относительных единицах. Способ представления сопротивлений задан
в табл. 1.1.

Выражения для определения сопротивлений в именованных и относи-
тельных единицах для различных элементов цепи к. з. приведены в табл.
2.1.

При определении сопротивлений в именованных единицах лучше на-
ходить их сразу для напряжений, где определяются токи к. з. Если же со-
противления определены при другом напряжении, то их приводят к на-
пряжению точки к. з. по выражению:

(2.14)

где х — сопротивление в именованных единицах на соответ-
ствующей ступени;

Ucp 1 — среднее напряжение ступени приведения;

Ucp 2 — среднее напряжение ступени, для которой определе-
но сопротивление х.

При выражении сопротивлений в относительных единицах все эле-
менты приводятся к одним и тем же базовым условиям. В качестве таких
условий выбирается произвольное значение базовой мощности S6 и базо-
вое напряжение, принимаемое равным среднему напряжению ступени,
где находится ток к. з., т. е. U_б = U ср.

После определения всех сопротивлений цепи к. з. производится преоб-
разование схемы замещения с целью приведения ее к простейшему виду,
т. е. к одному результирующему (суммарному) сопротивлению xΣ или
х_*б_Σ.

На основании этих значений определяется действующее значение тока
к. з. IК. Так как питание места к. з. осуществляется от системы бесконечной
мощности, то найденное значение IК будет равно и начальному значению
периодической составляющей тока к. з. (Iпо), и установившемуся току к. з.
(I_∞), и току к. з. для произвольного момента времени (I_t).

Далее находят ударный ток к. з.:

i_v = K_v = 2,55 I_k

(2.15)

где К_у — ударный коэффициент, для высоковольтных цепей
тяговой подстанции равен 1,8.

Расчет несимметричных токов к. з. Наряду с определением симметрич-
ного тока к. з. (трехфазного) при проверке оборудования тяговых под-
станций переменного тока необходимо знать и токи несимметричного к. з.
- двухфазного. Также, для проверки короткозамыкателя и заземляющего
устройства необходимо знать ток однофазного к. з.

Несимметричные токи к. з. рассчитывают методом симметричных со-
ставляющих. При выполнении курсового проекта можно воспользоваться
упрощенным подходом к их определению.

Так, ток двухфазного к. з. на,щинах ОРУ-27.5 кВ может быть найден
через известное соотношение между током трехфазного Ik³ и двухфазного
I к⁽²⁾к. з.:

(2.16)

Го&шчв iJ

Для ОРУ-2x27,5 кВ ток к. з. между контактным проводом и средней
точкой вторичной обмотки понижающего трансформатора, соединен-
ной с рельсами подъездного пути подстанции, может быть найден по вы-

ражению:

(2.17)

где U_K - номинальное напряжение—27,5 кВ;

Zs - сопротивление связи энергосистемы с шинами тяговой под-
станции;

Zтп, - сопротивление однофазного понижающего трансформатора.

Iz =^-.„
™ 100 Sh '

Ток к. з. между контактным и питающим проводом в ОРУ 2x27,5
кВ может быть определен по выражению:

(2.18)

где U_H - номналное напряжение — 55 кВ;

Z_s-сопротивление связи энергосистемы с шинами тяговой под-
станции, вычисленное при UH =55 кВ;

Zтп — сопротивление однофазного понижающего транс-
форматора (приUн=55 кВ).

Однофазный ток к. з. Iк⁽¹⁾ на стороне 110 кВ может быть найден через
соотношение между ним и трехфазным током к. з.:

(2.19)

где Z_1Σ — суммарное сопротивление прямой последовательности
до точки к. з.;

Z0Σ — суммарное сопротивление нулевой последовательности до

точки к. з.

Принимая, что тяговые подстанции получают питание от системы
внешнего электроснабжения по двум одноцепным ЛЭП со стальным гро-
зозащитным тросом (с односторонним заземлением), для которых сопро-
тивление нулевой последовательности в 3,5 раза больше сопротивления
прямой последовательности, из (2.19) с учетом этого соотношения полу-
чим:

1к⁽¹⁾ = 0,55 1к⁽³⁾.

(2.20)

Таким образом, с помощью этого соотношения по известному току
трехфазного к. з. на шинах 110 кВ может быть найдено значение однофаз-
ного тока к. з.

Расчет тока к. з. на шинах постоянного тока 3,3 кВ.

Установившийся ток к. з. на шинах 3,3 кВ определяют по выражению:

Jk у ct =

S КЗ 100

(2.21)

где Idн — номинальный выпрямленный ток выпрямительного агре-
гата;

N— число выпрямительных агрегатов, нормально находящихся в
работе, N=1;

S_H. пр. тp. — мощность преобразовательных трансформаторов, пи-
тающих выпрямительный агрегат;

Sкз— мощность тока к. з, на шинах переменного тока 10 кВ, от
которых питаются преобразовательные трансформаторы;

uк — напряжение тока к. з. (в %) преобразовательного транс-
форматора.

После определения токов к. з. на шинах заданного РУ можно присту-
пить к проверке выбранного для этого РУ оборудования.

Общие указания. Выбранное по условиям длительного режима обо-
рудование тяговой подстанции следует проверить по условиям к. з., т. е. на
электродинамическую и термическую стойкость.

Еще раз отметим, что в курсовом проекте проверку оборудования
следует осуществить только для одного (заданного в табл. 1.2 или 1.3)
РУ.

В принципе, для проверки электродинамической стойкости обору-
дования необходимо было бы находить механические напряжения в ма-
териале оборудования σ_расч и сравнивать с допустимым значением σ_доп
в соответствии с условием:

σдин ⁼ σрасч

(2.22)

Непосредственно такой подход реализуется только для проверки
жестких шин. Для остальной типовой электрической аппаратуры ис-
пользуется косвенный подход, при котором заводы-изготовители при-
водят гарантийный ток к. з., при котором обеспечивается электродина-
мическая стойкость, т. е . должно соблюдаться условие:

i_y = i дин (скв),

где i_у — расчетное значение ударного тока к. з.;

i дин (скв) — каталожное нормируемое значение динамическо-
го (предельного сквозного) тока к. з.

Согласно ПУЭ на электродинамическую стойкость не проверяют
аппараты и проводники, защищенные предохранителями с плавкими
вставками на ток до 60 А, а также аппараты и шины цепей трансформа-
торов напряжения при условии их расположения в отдельной камере.

Для проверки на термическую стойкость, в принципе, следовало бы
находить температуру нагрева аппарата или проводника током к. з. и
сравнивать ее с кратковременно допустимой.

Однако практически при проверке на термическую стойкость ис-
пользуется косвенный подход, при котором определяется не температу-
ра, а характеризующие ее показатели.

Так проверка шин на термическую стойкость заключается в определении
минимального сечения q_min , термически устойчивого при к. з.:

Чд^ЧлиП 5

(2.24)

где qш — выбранное по Iр мах сечение шин.

Для остальной аппаратуры проверка на термическую стойкость заклю-
чается в сравнении расчетного теплового импульса тока к. з. Вк с норми-
руемым каталожным значением Вн:

(2.25)

Нормируемый тепловой импульс В н задается либо непосредственно в
каталогах, либо определяется через приводимые значения тока IТ и время tT
термической стойкости,

В_Н=Г_Т^.

(2.26)

Расчетный тепловой импульс может быть определен по выражению:

B_b=T пометил⁴ ^ a\

(2.27)

где Iпо - начальное значение периодической составляющей

Ino Ikj

Т_а - постоянная времени апериодической составляющей тока к.
з. (принимается Т_а=0,05 с).

Время, в течение которого проходит ток к. з., равно:

^отки' = кЧ:

(2.28)

где tз —. время действия защиты рассматриваемой цепи (табл. 1.4 за-
дания);

tв, — полное время отключения выключателя до погасания дуги,
определяется по справочным данным, например [3].

Некоторые конкретные особенности выбора и проверки обо-
рудования тяговых подстанций рассмотрены ниже.

Токоведущие части и изоляторы. В РУ-10 кВ сборные шины и ошинов-
ка выполняются жесткими алюминиевыми проводниками, а при напряже-
нии 27,5 кВ и выше — гибкими стале-алюминиевыми проводами сечени-
ем не менее 70 мм (по условиям механической прочности и коронообразо-
вания).

Гибкие провода открытых РУ на электродинамическую стойкость не
проверяют ввиду большого расстояния между фазами.

Жесткие шины на электродинамическую стойкость проверяют в со-
ответствии с выражением (2.22). Определение σ _расч выполняется по извест-
ной методике, см. [5, 7].

Жесткие алюминиевые шины РУ-3,3 кВ на электродинамическую ус-
тойчивость не проверяют, так как полное время отключения к. з. в цепях
постоянного тока очень мало (сотые доли секунды) и при этом ток к. з. не
достигает установившегося значения.

Проверка шин на термическую устойчивость производится по выра-
жению (2.24). При этом минимальное сечение q min при котором протека-
ние тока к. з. не вызывает нагрев проводника выше кратковременно допус-
тимой температуры, определяется по выражению:

(2.29)

где Вк — тепловой импульс тока к. з., находится по выражению
(2.27);

С — константа, значение которой для алюминиевых шин рав-
но 90, размерность С [А*с^1/2/мм²].

Изоляторы, на которых крепятся токоведушие части в распределительных
устройствах, проверяются в соответствии с выражением:

Ррасч ^ ^доп

(2.30)

где Fдоп — допустимая нагрузка на изолятор; Fдоп = 0,6 Fразр
(F_разр разрушающее усилие (приводится в каталогах);

Fрасч — сила, действующая на изолятор. Ее расчет ведется
обычным способом и приведен, например, в [5, 7].

Изоляторы РУ-3,3 кВ на термическую стойкость не проверяются.

Высоковольтные выключатели переменного тока. Помимо проверки на
электродинамическую и термическую стойкость в соответствии с выраже-
ниями (2.23) и (2.25) высоковольтные выключатели проверяются еще на
отключающую и включающую способность.

Отключающая способность выбранного выключателя проверяется для
момента расхождения контактов τ на симметричный ток отключения I_пτ и
возможность отключения апериодической составляющей iaτ , а также по па-
раметрам напряжения восстановления на контактах выключателя после по-
гасания дуги отключения.

Время τ от начала к. з. до расхождения контактов выключателя опре-
деляют по выражению:

(2.31)

где tз min — минимальное время действия релейной защиты,
принимается 0,01 с;

t_св, — собственное время отключения выключателя, время от
момента подачи импульса на электромагнит отключения вы-
ключателя до момента расхождения контактов принимается
по каталогу [3].

Так как в курсовом проекте источником питания является система бес-
конечной мощности (Sc = ∞), то I_пτ равно действующему значению тока к.
з., т. е. I_пτ = I_к .

Тогда условие проверки на симметричный ток отключения будет таково:

Li ота ^ 5

(2.32)

где Iн.₀ткл - номинальный ток отключения выключателя (бе-
рется по каталогу).

Проверка на отключение апериодической составляющей тока к. з. iaτ
производится по условию:

^a нам — iaT? (2.33)

где i_aτ — апериодическая составляющая тока к. з. в момент расхождения
контактов выключателя;

i_aτ = Ik ⋅ e a ,

где Та = 0,05 с;

i_a ном — номинальное нормируемое значение апериодической со-
ставляющей тока кз.

Значение iаномнаходится по выражению:

к ном ^— Phom ' откл j

(2.34)

где βНОМ-—номинальное содержание апериодической составляющей. Может
быть найдено по кривой β_ном = f(τ) например, [2, 5], или по выраже-
нию

Ira „-«,045
Рном^ •

Для выключателей, имеющих τ>0,09 с, принимается βНОМ =0. В этом
случае проверку выключателя можно производить только на симмет-
ричный ток отключения, т. е. по выражению (2.32).

Проверку выключателей по параметрам восстанавливающего на-
пряжения обычно не производят, так как в подавляющем большинстве
случаев реальные условия восстановления напряжения на контактах вы-
ключателя соответствуют условиям испытания выключателя.

При проверке выключателей по включающей способности доста-
точно, чтобы были выполнены условия:

к вит — к к. ш — к >

где IК — эффективное значение номинального тока включения;

i н вкл— амплитудное значение номинального тока включения (приводится
в каталогах).

Разъединители, отделители, короткозамыкатели. Проверка этой ап-
паратуры производится по условиям (2.23) и (2.25). При этом проверка
короткозамыкателя ведется по однофазному току к. з., найденному по
выражению (2.20).

Разъединители РУ-3,3 кВ на электродинамическую и термическую
стойкость не проверяются.

Быстродействующие выключатели (БВ) постоянного тока.

Быстродействующие выключатели проверяются по условию:

kax откл — к уст?

(2.36)

где I_К уст - установившийся ток к. з. На шинах 3,3 кВ определяется
по выражению (2.21);

I_{max откл}—максимальный ток отключения (приводится в каталоге).

На электродинамическую и термическую устойчивость БВ не проверя-
ются.

Трансформаторы тока (ТА). Встроенные трансформаторы тока на
электродинамическую и термическую стойкость не проверяются, так как
токоведущие стержни аппаратов, в которые встроены ТА, являются их
первичными обмотками и они проверяются при выборе этих аппаратов.

Некоторые особенности в проверке ТА состоят в том, что для них в
каталогах приводятся не амплитудные (предельные сквозные) токи iамп и
токи термической стойкости I_Т, а коэффициенты электродинамической К_д
и термической К_т стойкости. Эти коэффициенты определяются выраже-
ниями:

ю=

'пред, скв . .- ₌^L
72 iHi ’ ^Т ^«1 ’

(2.37)

где Iн1 — номинальный первичный ток трансформатора тока.

Отсюда можно найти I_{пред скв} и I_Т, а затем воспользоваться условиями
проверки (2.23) и (2.25).

Дополнительно ТА проверяют на соответствие классу точности для
номинальной нагрузки. Порядок такой проверки приводится, например,
в [2, 5, 7].

Трансформаторы напряжения (TV). Выбранный трансформатор на-
пряжения проверяется на соответствие классу точности по величине
вторичной нагрузки. Порядок такой проверки приведен, например, в [2,
5, 7].

• 2.6. Компенсирующие устройства тяговых подстанций
  переменного тока

В соответствии с заданием на тяговых подстанциях переменного то-
ка 27,5 кВ предусматривается установка (в «отстающую» фазу) попереч-
ной емкостной компенсации (КУ) заданной мощности (табл. 1.2) (расчет
мощности КУ производятся в курсе «Электроснабжение электрических же-
лезных дорог»).

По заданной мощности КУ по [5] выбирается число последовательно
и параллельно соединенных конденсаторов соответствующего типа, а так-
же реактор [5].

В проекте следует привести схему установки КУ и кратко описать
принцип ее работы, руководствуясь [2, 3, 5].

• 2.7. Сглаживающее устройство тяговых подстанций
  постоянного тока

В соответствии с «Правилами защиты устройств связи от влияния тяго-
вой сети электрических железных дорог постоянного тока» рекомендуется
на тяговых подстанциях применять двухзвенные резонансно-
апериодические сглаживающие устройства по схемам, предложенным
ВНИИЖТом и Западно-Сибирской железной дорогой [ 5, 7].

В курсовом проекте для тяговой подстанции постоянного тока необхо-
димо выбрать одно из этих сглаживающих устройств, привести его схему и
параметры, а также кратко описать принцип его работы.

• 2.8. Выбор аккумуляторной батареи

Для выбора аккумуляторной батареи определяют типовой номер бата-
рей, состоящей из свинцово-кислотных аккумуляторов стационарного типа
(СК), рассчитывают число последовательно включенных элементов, выби-
рают зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ).

Полные рекомендации по выбору аккумуляторной батареи приведены в
[5, 7, 11].

Вместо свинцово-кислотных батарей в курсовом проекте можно приме-
нить современные необслуживаемые аккумуляторные батареи различных
зарубежных фирм.

• 2.9. Расчет защитного заземляющего устройства

Защитное заземляющее устройство тяговой подстанции сооружается в
соответствии с требованиями, предъявляемыми к электроустановкам
выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью [5, 7, 8, 14].

В целях выравнивания электрического потенциала на территории тяго-
вой подстанции на глубине t_r = 0,5^0,7 м прокладывают продольные и
поперечные горизонтальные заземлители и соединяют их между собой в
заземляющую сетку.

По плану расположения электрооборудования в соответствии с норма-
тивными требованиями к расположению продольных и поперечных гори-
зонтальных заземлителей определяют общую длину горизонтальных за-
землителей L_г.

В условиях курсового проекта, когда план расположения электрообору-
дования не разрабатывается, Lг можно определить в первом приближении
по выражению Lr^22^S, где S — площадь территории тяговой подстан-
ции, м².

Для определения сопротивления заземляющего устройства, выполнен-
ного в виде горизонтальной сетки в однородной земле, может быть ис-
пользовано выражение [7]:

R=0,444p/Vs+p/L_r,

(2.38)

где р — удельное сопротивление земли, Ом'м.

Общее сопротивление заземляющего устройства следует определять с
учетом естественных заземлителей Re, сопротивление которых можно при-
нять равными 2^3 Ом. Тогда значение R3 будет равно:
.

После этого проверяют выполнение условия R₃<0,5 Ом. Если это условие
не выполняется, то заземляющее устройство следует дополнить вертикаль-
ными заземлителями. Это позволяет снизить Rз до требуемого значения и
уменьшить диапазон его сезонных колебаний. Длину вертикального зазем-
лителя принимают равной

l В=3^5 м. Для снижения эффекта взаимного экранирования вер-
тикальные заземлители следует размещать по периметру горизонтальной
заземляющей сетки на расстоянии a>2 l В друг от друга. Число верти-
кальных заземлителей определяется выражением:

n_B=4^S/a (2.40)

Сопротивление заземляющего устройства, состоящего из горизонталь-
ной сетки и вертикальных заземлителей, определяется выражением [16]

R=Ap/^ +p/(L_r+n_Bl_B),

(2.41)

где А — коэффициент, значение которого равно:

А=0,444—0,84t отн при 0< t отн <0,1;

A=0,385 - 0,25 t отн при 0,l < t отн <0,5;

t отн - относительная глубина погружения в землю вертикальных
электродов:

t ™= (l + t ^S (2.42)

После этого определяют сопротивление заземляющего устройства с
учетом естественных заземлителей (по выражению 2.39) и проверяют
выполнение условия Rз<0,5 Ом.

Если оно не выполняется, то следует изменить конструктивные па-
раметры заземляющего устройства (L_г, l _В , n _В ) и повторить расчет.

При выполнении условия Rз<0,5 Ом расчет заземляющего устройства
считается законченным.

В заключение определяется потенциал заземлителя в аварийном ре-
жиме и сравнивается с допустимым значением [5, 7, 8]:

R₃ 1_з⁽¹⁾ < 10 кВ

(2.43)

где Iз⁽¹⁾ - ток однофазного короткого замыкания в РУ-110 кВ, кА.

Если Rз Iз⁽¹⁾ >5 кВ, то должны предусматриваться меры по защите отхо-
дящих кабелей связи и телеуправления.

Особенности защитного заземления РУ-3,3 кВ тяговых подстанций
постоянного тока. При перекрытии изоляции в РУ-3,3 кВ ток к. з., дости-
гая десятков килоампер, стекает через заземляющее устройство в землю и
через рельс цепи отсоса возвращается на минус шину. Такой режим пред-
ставляет опасность как для людей, обслуживающих подстанцию, так и для
подземных коммуникаций (кабели, трубы и др.). В силу ряда причин такое
повреждение может длительно не устраняться со стороны данной и смеж-
ной подстанций, что особенно опасно. В этих условиях сооружение зазем-
ляющего устройства, обеспечивающего безопасность людей, потребовало
бы больших капитальных затрат. Более целесообразно сооружение обыч-
ного заземляющего устройства, отвечающего требованиям ПУЭ (Rз≤0,5
Ом), со специальной быстродействующей защитой, отключающее под-
станцию со всех сторон при перекрытии изоляции в РУ-3,3 кВ. Для защи-
ты подземных металлических коммуникаций от разрушения токами к. з.
применяют специальное устройство — короткозамыкатель.

Общие указания по разделу. Вначале, исходя из вышеприведённой мето-
дики, необходимо произвести расчёт заземляющего устройства.

Затем следует составить схему заземляющего устройства заданной тяговой
подстанции, приняв за основу схемы, приведённые в [5, 7].

• 2.10 Экономическая часть проекта

В экономической части проекта необходимо определить годовые экс-
плуатационные расходы и себестоимость переработки электроэнергии на
тяговой подстанции, отпускаемой на тягу поездов и районным потребите-
лям.

Годовые эксплуатационные расходы С_э включают в себя стоимость по-
терь электроэнергии С_Э, отчисления на амортизацию оборудования тяговой
подстанции Са, расходы на обслуживание и текущий ремонт С_рем и годовой
фонд зарплаты работников тяговой подстанции Сзарп

(2.44)

Для определения стоимости потерь электроэнергии можно принять, что
потери электроэнергии на подстанции составляют 1,5 % от перерабатывае-
мой за год электроэнергии, значения которой приведены в табл. 1.2, 1.3.
Стоимость электроэнергии принять в соответствии с установленной в на-
стоящее время в регионе проживания студента.

Стоимость тяговых подстанций и амортизационные отчисления при-
нять в соответствии с нынешними ценами.

Стоимость ежегодного обслуживания и ремонта подстанций принять по
фактическим расходам, существующим в настоящее время в вашем регио-
не

Годовой фонд заработной платы зависит от штата работников тяговой
подстанции и их должностных окладов. В связи с этим в проекте для за-
данной тяговой подстанций по [13] можно выбрать метод ее опера-
тивного обслуживания и соответствующую численность персонала тяго-
вой подстанции. Усредненные значения должностных месячных окладов
принять в соответствии с действующими в данное время в вашем регионе.

После определения годовых эксплуатационных расходов Сэ, в соответ-
ствии с выражением (2.44) следует определить себестоимость переработки

’’год

где Wгод — количество переработанной за год электроэнергии.
электроэнергии р_пер, руб./кВТ-ч,

• 8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  • 8.1 Список основной литературы

• 1. Марикин А.И., Мизинцев А.В. Новые технологии в сооружении
  и реконструкции тяговых подстанций. – М.: УМЦ по образова-
  нию на ж.д. транспорте, 2008. – 220 с.
• 2. Петров Е.Б. Электрические подстанции. Методические указания
  по дипломному и курсовому проектированию. – М.: Маршрут,
  2004. – 245 с.
• 3. Силовое оборудование тяговых подстанции железных дорог.
  Сборник справочных материалов. – М.: Трансиздат, 2004. – 384
  с.
• 4. Инструкция по безопасности при эксплуатации электроустановок
  тяговых подстанций и районов электроснабжения железных до-
  рог ОАО «РЖД». – М.: Техинформ, 2008. – 192 с.
  • 8.2. Список дополнительной литературы
• 5. Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяго-
  вые подстанции: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. – М.:
  Транспорт, 1986. – 319 с.
• 6. Правила устройства системы тягового электроснабжения желез-
  ных дорог Российской Федерации. ЦЭ-462. – МПС, 1997. – 78 с.
• 7. Прохорский А.А. Тяговые и трансформаторные подстанции.
  Учебник для техникумов ж.д. трансп. – М.: Транспорт, 1983 –
  496 с.
• 8. Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на
  электрифицированных железных дорогах. ЦЭ-191. М.: МПС,
  1993. – 68 с.
• 9. Усатенко С.Т. и др. Выполнение электрических схем по ЕСКД.
  Справочник. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 325 с.
• 10. Почаевец В.С. Электрооборудование и аппаратура электриче-
  ских подстанций. Уч. пособ. Для студентов вузов, техникумов,
  колледжей ж.д. транспорта. – М.: УМК МПС России, 2002. – 56
  с.
• 11. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудо-
  вания тяговых подстанций электрифицированных железных до-
  рог. ЦЭ-936. – М.: Трансиздат, 2003. – 80 с.
• 12. Типовой проект организации труда на тяговой подстанции. ЦЭ
  МПС. – М.: Трансиздат, 2002. – 40 с.
• 13. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудо-
  вания тяговых подстанций электрифицированных железных до-
  рог. ЦЭ-936. М.: Трансиздат, 2003. – 80 с.