Выбор токоведущих частей и расчет токов короткого замыкания

1.7. Выбор токоведущих частей и расчет токов короткого замыкания

Выбор кабелей от ЗРУ подстанции до проектируемого распределительного устройства 6 кВ.

Выбираем кабель для прокладки в земле марки ААП_л - кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, пропитанной вязким (нестекающим) составом, бронированный круглыми стальными оцинкованными проволоками (защитный покров типа П_л)

Расчетная мощность проектируемого распредустройства с учетом коэффициента разновременности составляет:

P_расч = 5549 кВт; Q_расч = 4462 кВАр.

С учетом компенсации:

В задании на проектирование указаны максимальный и минимальный токи короткого замыкания. По максимальному току производится проверка электротехнического оборудования на электродинамическое и термическое действие, по минимальному - работоспособность релейной защиты и автоматики.

Так как расчет релейной защиты и автоматики не входит в задание, расчетный ток короткого замыкания на шинах распредустройства подстанции примем 8,5 кА. Будем считать ЭДС источника постоянной. Тогда действующее значение сверхпереходного тока короткого замыкания будет равно действующему значению установившегося тока короткого замыкания, то есть:

 

Определим приведенное время короткого замыкания, для этого примем время действия защиты 1,2 с (линия от ПС до РУ -6 кВ).

1.   Определим сечение линии по нагреву:

 

Выбираем сечение кабеля 185 мм ² (предварительный расчет показал, что кабель сечением 150 мм² не пройдет по условиям прокладки 2-х кабелей при условии выбора 2-х кабелей, проложенных в одной траншее), однако токовая нагрузка такого кабеля составляет всего 340 А, следовательно, необходимо использовать 2 кабеля, так как в этом случае токовая нагрузка уменьшается в 2 раза.

Коэффициент К₁ учитывает аварийную перегрузку (коэффициент предварительной загрузки был равен (280,4/340) ≈0,8, по таблицам ПУЭ находим коэффициент 1,2 при продолжительности максимума 6ч), К₂  учитывает количество прокладываемых кабелей в земле (в нашем случае 2 кабеля по таблицам ПУЭ находим коэффициент 0,9 при расстоянии в свету 100мм между ними).

Итак, 340 А > 259,63 А.

Следовательно, выбираем кабель ААШ_В 2(3ģ185);

2. По термическому действию тока короткого замыкания.

Определяем действительное время короткого замыкания:

Определим периодическую составляющую для приведенного времени тока короткого замыкания:

для , так как действительное время К.З. больше 1 с, то определения апериодической составляющей не требуется.

Таким образом, сечение кабеля, выбранного по нагреву, удовлетворяет условию нагрева током короткого замыкания.

Отметим тот факт, что определение термической устойчивости определялось по току короткого замыкания на шинах подстанции, что является некоторым допущением. Однако найденное значение тока короткого замыкания на шинах РУ -6 кВ не приведет к противоречию между выбором сечения, так как ток в этом случае получится несколько ниже.

3.Определим сечение кабеля по экономической плотности тока:

 Продолжительность использования максимальной нагрузки в нашем случае составляет 4000 ч.

По таблице справочника (13) определяем экономическую плотность тока :

j = 1,4;

2 в знаменателе указывает на то, что режим работы сети нормальный, работают два источника питания параллельно. Однако, приняв сечение без учета аварийной ситуации (отключение одного из вводов), кабель будет нести уже двойную нагрузку, то есть перегрузка составит 100%, что недопустимо, так как в этом случае предприятие полностью теряет питание - отключен один из вводов и выведен из строя кабель второго источника. Таким образом, вести расчет без учета аварийной ситуации становится неоправданным, так как при этом нарушаются начальные условия надежности, поэтому расчет велся на одну нить двухкабельного проводника (при желании можно было рассматривать 2 нити, результаты расчета в этом случае не отличаются от вышеприведенных).

Следовательно, сечение кабеля по экономической плотности тока составит 200 мм ². Стандартное ближайшее сечение составляет 185 мм ².

Определим потери напряжения в двухниточной кабельной линии в нормальном режиме:

Длина кабельной линии принята 2 км. Очевидно, что потери в кабельной линии длиной 1, 76 км будут меньше, поэтому расчет потери напряжения не производим.

Отклонение (снижение) напряжения, таким образом, составит приблизительно 3%- результат удовлетворительный, так как нормированное отклонение (снижение) напряжения составляет 5%.

По механической прочности кабели выбираются исходя из того, что минимальное значение сечения в таблице уже является механически стойким, следовательно, сечение 185 мм ² является механически стойким.

По короне кабельные линии 6-10 кВ не проверяются ввиду отсутствия этого явления.

 Итак, выбираем кабель, связывающий распределительное устройство подстанции и распределительное устройство проектируемого предприятия, для первого и второго источников питания:

Кабель ААП_л 2(3ģ185)-6 (АО «ВНИИКП», Россия).

Дальнейшие расчеты по выбору токоведущих частей будут вестись параллельно с расчетом токов короткого замыкания.

Выбираем кабельную линию от проектируемого распределительного устройства до КТП №1:

Суммарная расчетная мощность КТП №1 составляет:

S_p = 2239,9 кВА.

При этом на шинах НН подстанции установлены две ККУ с суммарной мощностью 804 кВАр.

Определяем сечение линии по нагреву:

Выбираем кабель той же марки, но уже для прокладки в воздухе.

ААШ_в 3ģ150 - 6. Допустимый ток 225 А.

В данном случае введения поправочных коэффициентов не требуется

 

Определим минимальное сечение термической стойкости кабельной линии:

для этого необходимо составить схему замещения, рассматриваемого случая:

 

Рисунок 1

На рисунке 1 изображена схема замещения для расчета токов короткого замыкания сети выше 1 кВ. Точки короткого замыкания определены соответственно на шинах РУ - 6 кВ, а также у выводов обмоток высшего напряжения у трансформаторов КТП (ввиду однотипности кабельных линий к КТП выбрано 3 точки короткого замыкания, так как расчет для параллельно работающих кабелей будет однотипным). Длины кабельных линий выбраны условно по причине отсутствия генплана предприятия.

Считаем, что ЭДС источников питания неизменны. Здесь необходимо отметить, что ничего общего нет между нахождением сопротивления системы бесконечной мощности, которая приравнивается к нулю в сетях высшего напряжения, когда источник короткого замыкания приближен к месту короткого замыкания и нахождением сопротивления по заданному току короткого замыкания на шинах подстанции. В нашем случае ток задан для шин подстанции, в этом случае отклонение периодической составляющей тока короткого замыкания от начального значения не превышает 10%.

В задании на проектирование не указаны типы выключателей на подстанциях, питающих РУ -6 кВ. Кроме того, не задано начальное значение сверхпереходного тока короткого замыкания. Учитывая то, что в сетях промышленных предприятиях обычно периодическая составляющая считается неизменной, то . Следовательно, по этим данным можно приблизительно оценить мощность питающей системы. Определим x_*расч для турбогенераторов:

x_*расч = 0,6 (по таблицам справочников).

Учитывая тот факт, что сверхпереходные значения токов короткого замыкания для двух источников одинаковы, следовательно, и мощности питающих систем одинаковы. Очевидно, что источники работают параллельно при отключенных секционных разъединителях[1], следовательно, будем рассматривать работу двух источников раздельно.

 

 

 

 

Определим ток короткого замыкания в точке К₁:

Определяем сопротивление системы:

За значение базисной мощности в электроустановках напряжением выше 1 кВ рекомендуется принимать S_б = 10000 МВА.

U_б = 6,3 кВ.

Определяем базисный ток:

Кабельная линия от ЗРУ подстанции до проектируемого распредустройства:

Определим сопротивление системы:

 

Действительно, если проверить кабель (от ПС до РУ) на термическую стойкость по данному значению то минимальное сечение будет несколько меньше, чем рассчитанное выше.

Определим постоянную времени:

К_у = 1,351

Определим ток короткого замыкания в точке К₂ (для КТП №1).

Предварительно по нагреву был выбран кабель марки ААШ_В сечением 150 мм

Для этого кабеля определим (по таблицам справочников или из технических данных) удельные активные и реактивные сопротивления:

R_уд150 = 0,206 Ом/км; X_уд150 = 0,074 Ом/км.

Определим ток короткого замыкания на выводах высшего напряжения трансформатора:

Определим суммарное сопротивление до точки К₂:

Активные сопротивления учитывались в обоих случаях, так как не выполнялось условие: R_* < X_*/3.

Ток короткого замыкания в точке К₂:

 Постоянная времени:

Ударный коэффициент:

 

Ударный ток короткого замыкания:

Время действия защиты для РУ -6 кВ (ступень селективности) примем равным 0,5 с.

Собственное время отключения выключателя примем 0,015 с (для выключателя ВВ/TEL).

Действительное время К.З составит:

Приведенное время для апериодической составляющей составит приблизительно 0,05 с.

Для систем с источниками питания, ЭДС которых неизменна во времени, можно считать, что t_п.п = t_д .

Таким образом, приведенное время К.З:

.

Минимальное сечение по условию нагрева током короткого замыкания:

Ближайшее меньшее стандартное сечение: 50 мм ².

По экономической плотности тока:

 Стандартное ближайшее сечение 150 мм ².

По потере напряжения проверять кабель не имеет смысла по причине небольшой длины.

Таким образом, выбираем кабель ААШ_в 3ģ150 - 6.

Кабель работающий параллельно к двухтрансформаторной КТП №1 выбирается аналогично.

Произведем выбор кабелей к КТП №2 и КТП №3.

 

Определим расчетные токи для кабелей в случае выхода из строя одного из трансформаторов:

Для КТП №2:

 

Для КТП №3:

Отметим, что расчетные мощности для КТП даны с учетом потерь в трансформаторах, причем в аварийном режиме потери возрастают пропорционально квадрату коэффициента загрузки. Учет потерь не вносит в расчет и выбор токоведущих частей каких - либо значительных изменений, поэтому на этапе курсового проектирования их можно было и не учитывать. Итак, выбираем кабель ААШ_в 3ģ150 - 6.

Определим токи короткого замыкания в точках К₃ .

Постоянная времени:

Ударный коэффициент:

Ударный ток короткого замыкания:

Определим токи короткого замыкания в точках К₄ .

Постоянная времени:

Ударный коэффициент:

Ударный ток короткого замыкания:

Проверяем выбранные кабели на термическую устойчивость:

Минимальное сечение для кабеля второй КТП по условию нагрева током короткого замыкания определяется аналогично выбору термически стойкого сечения для КТП №1.

Ближайшее меньшее стандартное сечение: 50 мм ².

По экономической плотности тока:

 Стандартное ближайшее сечение 150 мм ².

По потере напряжения проверять кабель не имеет смысла по причине небольшой длины.

По экономической плотности тока:

 Стандартное ближайшее сечение 150 мм ²

Проверим кабель по потере напряжения:

Потери напряжения незначительны.

Расчет токов короткого замыкания проводился в относительных единицах. Расчет для кабельной линии длиной 1, 76 км проводится аналогично, поэтому приведем значения токов короткого замыкания без расчетных формул.

Итак, ток короткого замыкания на второй шине составит: 7,39 кА, действительно, так как линия короче, то ток будет несколько выше. Причем активным сопротивлением в данном случае принебрегли. Ударный ток короткого замыкания при коэффициенте ударном 1,4 составил на шине 14,7 кА.

 

Составим итоговую таблицу расчета токов короткого замыкания:

Таблица 3

Место расчета тока короткого замыкания	От источника  ПС №1		От источника  ПС №2
	Iп,кА	iуд,кА	Iп, кА	iуд,кА
Шины РУ-6 кВ	6,9	13,2	7,39	14,7
Ввод трансформатора КТП №1	6,8	12,9	7,36	14,3
Ввод трансформатора КТП №2	6,3	11,1	6,5	11,7
Ввод трансформатора КТП №3	5,8	9,8	6	10,2

 

Результаты полностью соответствуют теоретическим положениям. Действительно, чем меньше сопротивление, тем больше ток. Результаты в первом и во втором случае отличаются незначительно. Выбранные ранее марка и сечение кабелей при расчете токов короткого замыкания применимы и во втором случае.

Действительно, наибольшее минимальное сечение термически устойчивое к току короткого замыкания составит:

Ближайшее стандартное сечение 50 мм ².

Выбрано сечение 150 мм ².

Проверка по потере напряжения для кабеля длиной 1,76 км не требуется, так как суммарная потеря напряжения для линий от источника питания (ПС) до трансформатора КТП №3 (самой удаленной) при длине кабелей 2 км и 0,63 км составит: , что составляет в процентном соотношении 3,7% (нормированное отклонение ∆U =5%).

Выбраны марки следующих кабелей:

Для прокладки в траншее от ЗРУ подстанции до проектируемого распред-устройства принимаем кабель: ААП_л 2(3ģ185)-6. Кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, пропитанной вязким (нестекающим) составом, бронированный круглыми стальными оцинкованными проволоками (защитный покров типа П_л) (АО «ВНИИКП», Москва, Россия). Примем при этом, что кабель может быть подвержен растягивающим усилиям. Общее количество кабелей: 4.

Для прокладки открыто от РУ -6 кВ до КТП принимаем кабель:

 ААШ_в 3(ģ150) - 6. Кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией, пропитанной вязким (нестекающим) составом, в защитном шланге из поливинилхлоридного пластиката (защитный покров типа Ш_в) (АО «ВНИИКП», Москва, Россия). Примем при этом, что для кабеля не существует опасности механического повреждения. Общее количество кабелей: 6.

Выбор и проверка шин проектируемого распредустройства.

Выбор сечения шин производится по нагреву. Проверку шин производят на электродинамическую и термическую стойкость к токам короткого замыкания.

Суммарная нагрузка приходящаяся на шину в условиях работающего секционного выключателя (аварийный режим):

 

Определим ток при максимальной нагрузке:

Принимаем алюминиевые шины прямоугольного сечения 50ģ5, для которых токовая нагрузка определяется следующим образом:

 при условии расположения шин на ребро.

Проверяем сборные шины на термическую стойкость при К.З.

, где α - коэффициент термической стойкости принимаемый по таблицам.

Сечение выбранных шин 249 мм ².

Для алюминия (сплав алюминия АД31Т) допустимое напряжение составляет 91 МПА.

Определим максимальное расчетное напряжение в материале шин:

Частота собственных колебаний шины определяется выражением:

где m - масса шины на единицу длины (кг/м), E = 6,5Ĥ10 ¹⁰ - модуль упругости для сплава АД31Т(Па), J - момент инерции.

Таким образом, механического резонанса не возникнет. Проверка на электродинамическую стойкость согласно ПУЭ не требуется. Найденное значение частоты собственных колебаний приводится лишь для демонстрации того, что на практике условия, при которых механического резонанса не возникнет соблюдены.

Таким образом, шины проходят проверку по механической прочности:

: 6,443 < 91.