Типовой расчет ТВН на отправку. Задание на расчет

• Название: Задание на расчет
• Дата: 28.11.2020
• Размер: 278.89 Kb.
• Имя файла: Типовой расчет ТВН на отправку.docx
• Тип: Документы; #154839

ФГБОУ ВПО

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Кафедра электроэнергетических систем


Типовой расчет по дисциплине «Техника высоких напряжений»
«ЗАЩИТА ОТКРЫТОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА (ОРУ)
ПОДСТАНЦИИ»


Москва, 2020

ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ
1.1. Определить параметры изолирующих подвесок для промежуточных опор воз- душных линий (ВЛ), подходящих к ОРУ, и для порталов ОРУ. Расчеты выполнить для обоих классов напряжения. Определить импульсные напряжения перекрытия изоляционных конструкций для каждого расчетного случая.
1.2. Определить параметры контура заземления подстанции (длину и число вертикальных электродов, шаг сетки), обеспечивающие допустимую величину его стационарного сопротивления заземления.
1.3. Построить зависимость импульсного сопротивления контура заземления подстанции от тока молнии.
1.4. Рассчитать зависимость максимального напряжения на силовом автотрансформаторе от крутизны фронта набегающей волны, определить длину опасной зоны и защищенного подхода. Определить ожидаемое число повреждений изоляции оборудования на подстанции (ОРУ-1 и ОРУ-2, рис. 1) от ударов молнии в ЛЭП в пределах защищенного подхода.
1.5. Расставить на территории ОРУ молниеотводы для защиты электрооборудования от прямых ударов молнии, определив их минимально необходимое число и высоту.
1.6. Определить число повреждений в год изоляции электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии в молниеотводы и прорывов молнии в зону защиты.

1.7. Определить показатель грозоупорности подстанции.
1.8. Предложить методы повышения грозоупорности подстанции.


Исходные данные



Рис.1. Упрощенная схема подстанции.

Таблица 1 – Исходные данные

№ варианта	Uном1/Uном2, кВ	СЗА	Fмех1/Fмех2, кН	ρ, Ом·м	D, ч/год	а, м	b, м	lопн1/lопн2, м	nвл1/nвл2
3	330/150	III	130/80	110	50	60	80	30/30	1/4

U_ном1 и U_ном2 – номинальные напряжения ОРУ 1 и ОРУ 2 соответственно;

СЗА– степень загрязнения в районе расположения подстанции и воздушных линий; и F_мех2– механические нагрузки на гирлянды изоляторов классов напряжения U_ном1 и

U_ном2 соответственно;

ρ– измеренное при средней влажности почвы удельное сопротивление грунта в районе

расположения подстанции;

D– число грозовых часов в году в районе прохождения линии и расположения подстанции;

a и b– габариты подстанции;

l_опн1 и l_опн2– расстояния от защищаемого объекта до ОПН в ОРУ 1 и ОРУ 2 соответственно;

n_вл1 и n_вл2– число воздушных линий электропередачи, подходящих к ОРУ 1 и ОРУ 2.

Исходные данные, зависящие от класса напряжения:

Uном, кВ	330	150
lпр, м	300	225
hx, м	20	14
Стр, пФ	3000	1800
Uисп.пги, кВ	950	550
, Ом	330	400

lпр – длина пролета воздушных линий;

hx – высота портала ОРУ;

Стр – входная емкость защищаемого оборудования (силового трансформатора);

Uисп.пги – нормированные значения испытательного напряжения полного грозового импульса для силовых трансформаторов;

– волновое сопротивление воздушной линии и ошиновки ОРУ.

1.1. Определение требуемого числа и типа изоляторов гирлянд на промежуточных опорах ЛЭП, подходящих к ОРУ, и гирлянд на порталах ОРУ для обоих классов напряжения. Расчет импульсных напряжений перекрытия.

Для ВЛ и ОРУ большего класса напряжения применить гирлянды стеклянных подвесных изоляторов, для ВЛ и ОРУ меньшего класса напряжения – длинностержневые полимерные изоляторы.

А) Расчет требуемого числа изоляторов для класса напряжения 330кВ.

U_ном1= 300кВ F_мех1=130кН СЗА- III

Количество изоляторов для гирлянды воздушной линии и ОРУ определяется по формуле:



λ_эф – эффективная длина пути утечки

U_НРфазн – наибольшее фазное напряжение установки, рассчитывается как наибольшее рабочее напряжение установки U_НРлин - литература [ 4.8], п.4.2.2, табл.4.1, деленное на корень квадратный из числа 3.

L_у1 -длина пути утечки .

k – корректирующий коэффициент.
Берем из табл.19, п.7.1, [4.7]

λ_эф=4,4 см/кВ.

U_НРлин=363кВ/см.

Исходя из разрушающей нагрузки 130кН, выбираем по табл. 3 тарельчатый изолятор типа ПС160Д (разрушающая нагрузка 160кН). Для этого изолятора

-строительная высота - =146 мм

-Диаметр тарелки D=280мм

-Длина пути утечки L_у1=385мм

Определим корректирующий коэффициент:

k=k_k*k_l* k_но

k_k=1; k_но=1(так как высота над уровнем моря меньше 1000м)
Определим k_l. L_у1 /D=385/280=1,375. Из таблицы 21, п.11.2, [4.7] находим

k_l=1,2

k=k_k*k_l =1*1,2*1=1,2
n ≥ (k * (λ_эф * U_НРфазн ))/ L_у1 = (1,2*(4,4*(330/√3)) / 38,5 = 26,13=26 шт
Добавляем изоляторы для повышения надежности

ВЛ: n_{гирлВЛ1} =26+1=27 шт

ОРУ :n_{гирлОРУ1} =26+4=30 шт
Б) Расчет требуемого числа изоляторов для класса напряжения 150кВ.
U_ном2= 150 кВ F_мех2=80кН СЗА- III

Стержневой изолятор выбирается по следующему условию:

L_у ≥ k * (λ_эф * U_НРфазн)

Из табл.19, п.7.1, [4.7]

λ_эф=4,4см/кВ.

U_НРлин=172кВ/см.

k=k_k*k_п* k_но

k_k=1; k_но=1

k_п=1

k=k_k*k_п* k_но = 1*1*1=1
L_у ≥ k * (λ_эф * U_НРфазн )=1*(4,4*(172/√3))=436,95см=4369,50м
Выбираем ЛК-120/150-3 для воздушной линии и ОРУ2.

-строительная высота - =1555 мм

-Высота изоляционной части =1330мм

-Длина пути утечки L_у2=3480мм
Расчет импульсных напряжений.
Для расчета 50%-ных импульсных разрядных напряжений гирлянд тарельчатых изоляторов воспользоваться следующей формулой:

,кВ

Ecp.p – средняя разрядная напряженность, которую в расчетах следует принимать равной Ecp.p = 5 кВ/см;

Нст1 – строительная высота одного изолятора, см;

nг – число изоляторов в гирлянде.

ВЛ1: кВ

ОРУ1: кВ

Для полимерных изоляторов 50%-ные разрядные напряжения указаны в табл. 5,для ЛК-120/150-3:

кВ


1.2 Определение параметров контура заземления подстанции (длину и число вертикальных электродов, шаг сетки), обеспечивающих допустимую величину его стационарного заземления.



Рис.2. Контур заземления подстанции.

Сопротивление заземлителя подстанции в виде сетки, которая состоит из вертикальных электродов, объединенных горизонтальными полосами, рассчитывается по формуле :



Примем шаги сетки: , длину вертикальных электродов l_в =10 м S = а∙b=60∙80=4800 м²

ρ = К∙ρ_из=1,4∙110=154 Ом∙м [4.1, стр.224]

A – коэффициент, зависящий от отношения :

0,144=> A =0,365

L – суммарная длина всех продольных и поперечных заземляющих электродов:



n_в – число вертикальных электродов.

Вертикальные электроды ставят периметру контура:






Стационарное сопротивление контура заземления превышает 0.5Ом. Нужны мероприятия по снижению стационарного сопротивления до требуемого уровня:

1) Установка выносных заземлителей.

2) Присоединение естественных заземлителей (трубы, ж/б изделия и т.д.).
1.3. Построение зависимости импульсного сопротивления контура заземления подстанции от тока молнии.

R_и = α_и∙R_с





Построим зависимость при I_м=[1кА;150кА].см Рис 3.

Iм	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Ru	1,96	1,94	1,92	1,9	1,88	1,87	1,85	1,84	1,82	1,81	1,79

Рис.3. Зависимость .
1.4. Расчет зависимости максимального напряжения на силовом трансформаторе от крутизны фронта набегающей волны, определение длины опасной зоны и защищенного подхода. Определение ожидаемого числа повреждений изоляции оборудования на подстанции (ОРУ-1 и ОРУ-2, рис. 1) от ударов молнии в ЛЭП в пределах защищенного подхода.
ЛЭП U_ном2=330 кВ.

Исходя из длины пролета l_пр1=300 м, выбираем по [4.4, табл.8.17, стр. 399] промежуточную железобетонную одноцепную свободностоящую портальную опору ПБ330-7Н с проводами 2 АС 300/39 с тросами С 70 (рис.4). Район по гололеду III.
Р ис.4. ПБ330-7Н

Исходя из длины пролета l_пр2=225 м, выбираем по [4.4, табл.8.15, стр. 395] промежуточную одноцепную свободностоящую портальную опору ПСБ150-1 с проводами АС 150/24 (рис.5). Район по гололеду III.
Рис.5. ПБ150-2



Б) Расчет критической крутизны фронта набегающей волны для случая, когда ОПН установлен до защищаемого оборудования (силового трансформатора) по ходу волны.

Для расчета максимального напряжения на оборудовании воспользуемся схемой замещения показанной на рис.6



Рис.6 - Схема замещения для расчёта напряжения на трансформаторе

L’ и C’ – погонные индуктивность и емкость ошиновки;

l_опн – длина ошиновки между ОПН и силовым трансформатором;

С_тр – входная емкость силового трансформатора.
При расчете погонных параметров L’ и C’ ошиновки между ОПН и силовым трансформатором принимаем, что волновое сопротивление для U_ном1=330кВ составляет =330 Ом, а для U_ном2=150кВ- . Скорость распространения волны по ошиновке υ =300 м/мкс = 3×10⁸ м/с.

Погонные параметры ошиновки:
Б1) ОРУ 330 кВ.



Период колебаний контура:



Стрела подвеса провода:



По рис. 4 определим высоту подвеса провода:


Высота гирлянд изоляторов:

=146

Средняя высота подвеса провода с учетом провиса:



Стрела провеса грозозащитного троса:




По рис. 4 определим высоту подвеса троса:


Средняя высота подвеса троса с учетом провиса:



Удлинение фронта( на 1 км) полного импульса под действием импульсной короны:



К-коэффициент равный 1.1 при числе проводов в фазе равном 2[4.1 стр272]

Амплитуда полного импульса кВ


Допустимое напряжение для изоляции силового оборудования по условию внутренней изоляции:


Остающееся напряжение:

Выбираем по таблице 6[4.1] ОПН

ОПН следует выбирать по наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению аппарата Uнр. Оно должно быть как минимум на 2% выше наибольшего рабочего фазного напряжения сети Uнрс.ф:





Выбираем ОПН-П-330/230/10/1000



Остающееся напряжение ОПН Uост выбирается по току координации, который следует принять равным 5 кА для ПС 110–220 кВ и 10 кА – для ПС 330–750 кВ.


Проверка ОПН по условию обеспечения термической устойчивости аппарата при однофазных коротких замыканиях на шинах.

Условие проверки:


где –коэффициент, определяемый по зависимости «напряжение-время»(рис.7) для случая с предварительным нагружением нормируемым импульсом энергии;

- допустимое напряжение ОПН в течение времени t. (в расчете принимаем t= t_рз=1с)





Рис.7 Характеристики «напряжение-время»

1 – без предварительного нагружения 2 – с предварительным нагружением
U – приращение напряжения на здоровых фазах, определяемое по сопротивлениям системы по прямой и нулевой последовательностям (соответственно x₁ и x₀ ):








Условие выполняется.
Для определения длины защитного подхода к ПС необходимо определить критическую крутизну набегающих импульсов. В качестве расчетного импульса берется косоугольный с амплитудой, равной 50% импульсному разрядному напряжению линеечной изоляции. Расчетная зависимость приведена на рис. 8
При





Рис. 8. Зависимость максимального напряжения на емкости в схеме рис. 6 от отношения τф/T при импульсе с косоугольном фронтом


После расчета критических крутизн Uкр  волн напряжения, набегающих по линиям на ОРУ-1 и ОРУ-2, их необходимо скорректировать в соответствии с числом n ВЛ, подключенных к ОРУ:





Длина защитного подхода:




Количество пролетов в длине опасной зоны:




Б2) ОРУ 150 кВ.




Период колебаний контура:



Стрела подвеса провода:



По рис. 5 определим высоту подвеса провода:


Высота гирлянд изоляторов:

=1555

Средняя высота подвеса провода с учетом провиса:



Стрела провеса грозозащитного троса:




По рис. 5 определим высоту подвеса троса:


Средняя высота подвеса троса с учетом провиса:



Удлинение фронта( на 1 км) полного импульса под действием импульсной короны:



К-коэффициент равный 1.1 при числе проводов в фазе равном 2[4.1 стр272]

Амплитуда полного импульса кВ
Допустимое напряжение для изоляции силового оборудования по условию внутренней изоляции:


Остающееся напряжение:

Выбираем по таблице 6[4.1] ОПН





Выбираем ОПН-П-150/110/10/680



Остающееся напряжение ОПН Uост выбирается по току координации, который следует принять равным 5 кА для ПС 110–220 кВ и 10 кА – для ПС 330–750 кВ.


Проверка ОПН по условию обеспечения термической устойчивости аппарата при однофазных коротких замыканиях на шинах.

Условие проверки:







Условие выполняется.
Определение критической крутизны набегающих импульсов. Расчетная зависимость приведена на рис. 8 :
При





Скорректированная критическая крутизна:





Длина защитного подхода:




Количество пролетов в длине опасной зоны:



В) Определение ожидаемого числа повреждений изоляции оборудования на ПС от ударов молнии в ЛЭП на длине защищенного подхода.

Определяется по формуле:



h_тр,ср – средняя высота подвеса троса;

Р_α – вероятность прорыва молнии сквозь тросовую защиту;

Р_тр, Р_оп – вероятность перекрытия линейной изоляции при ударах молнии в трос,опроу;

h_оп – высота опоры

l_прол – длина пролета.

D– среднее число грозовых часов в году;

n_вл – число подходящих к ПС линий

В.1) Для определения вероятности прорыва молнии через тросовую защиту необходимо определить угол защиты.

U_ном1=330 кВ.

Защитный угол (см. рис. 4):



Вероятность прорыва молнии через молниезащиту :


U_ном2=150 кВ.

Защитный угол (см. рис. 5):





В.2) Вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в опору.

U_ном1=330кВ.






Доля ударов в опору:



Доля ударов в трос:


U_ном2=150 кВ.








В.2) Вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в трос.

U_ном1=330 кВ.

Высота провиса провода в середине пролета:



Высота провиса троса в середине пролета:



Расстояние между тросом и проводом в середине пролета:



Время пробега волны в воздухе:



Средняя напряженность в промежутке трос-провод:



Критическая крутизна фронта молнии:





Вероятность перекрытия:



U_ном1=150 кВ.















Таким образом ожидаемое число повреждений изоляции оборудования на подстанции (ОРУ-1 и ОРУ-2 от ударов молнии в ЛЭП в пределах защищенного подхода:



1.5. Размещение на территории ОРУ молниеотводов для защиты электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии, определение их минимально необходимого числа и высоты.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h≤150 м представляет собой круговой конус с вершиной на высоте h₀x имеет радиус r_x.



Рис.5.1. Одиночный стержневой молниеотвод
- высота портала ОРУ высшего напряжения

Высота вершины молниеотвода





Рис.5.2.Зона защиты двойного стержневого молниеотвода
Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает Р_пр=0,005 (тип А)
При 30 м < h < 100 м :


Зона защиты одиночного молниеотвода на уровне земли (h_x=0)



Зона защиты одиночного молниеотвода на уровне портала ОРУ высшего напряжения:


Для защиты всей территории ОРУ установки одиночного молниеотвода с радиусом защищаемой зоны недостаточно. Необходимо применить несколько молниеотводов .

А) Расчет для двух молниеотводов на стороне а=60м.(№1-2)







Б) Расчет для двух молниеотводов на стороне b=80м.(№1-3)







В) Расчет для молниеотводов №2-3






3 молниеотвода полностью защищают половину ОРУ а это значит, что для защиты территории всего ОРУ целесообразно установить 6 стержневых молниеотводов с параметрами приведенными выше.
1.6. Определение числа повреждений в год изоляции электрооборудования ОРУ от прямых ударов молнии и прорывов молниезащиты подстанции.
Среднее число перекрытий изоляции ПС вследствие прорывов молнии в зону защиты молниеотвода:





Вероятность прорыва:

(зона А)

Вероятность перекрытия изоляции на опоре при ударе молнии в провод:






Число обратных перекрытий изоляции при ударах в молниеотводы равно:



, откуда


- высота портала ОРУ низшего напряжения

- импульсное сопротивление заземления (Ом)

- ток молнии (кА)

- крутизна фронта тока молнии (кА/мкс)

- удельная индуктивность портала

Задаем






1.7. Определение показателя грозоупорности подстанции.





Среднее число лет безаварийной работы подстанции достаточно.
1.8. Методы повышения грозоупорности подстанции.
Наибольшее влияние на среднее число лет безаварийной работы подстанции в данном случае оказывают коэффициенты и .
Следовательно, для увеличения М в первую очередь следует уменьшить эти коэффициенты, возможны следующие способы:
- уменьшение импульсного сопротивления заземления опор;

- уменьшение расстояния между ОПН и защищаемым оборудованием.

Список использованной литературы:
4.1 В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах // М.: Энергоатомиздат, 1986.


4.2 Техника высоких напряжений. Учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов / под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. идоп. // М.: Энергия, 1976.


4.3 Лабораторные работы по технике высоких напряжений / М.А. Аронов и др. // М.:Энергоатомиздат, 1982.


4.4 Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / под ред. И.А.Баумштейна, С.А. Бажанова. 3-е изд., перераб. и доп. // М.: Энергоатомиздат, 1989.


4.5 РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений// Минэнерго СССР, 1987.


4.6 РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ отгрозовых и внутренних перенапряжений // РАО «ЕЭС России», 1999.


4.7 СТО 56947007-29.240.059-2010. Инструкция по выбору изоляции электроустановок // ОАО «ФСК ЕЭС», 2010.


4.8 ГОСТ Р 55195-2012. Электрооборудование и электроустановки переменного токана напряжение от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции // М.: Стандартинформ, 2014.