Введение 4
1 Анализ текущего состояния объекта и разработка основных решений 14
1.1 Описание объекта проектирования 14
1.1.1 Общее описание объекта 14
1.1.2 Особенности объекта 16
1.1.3 Земляная плотина 17
1.1.4 Водосбросная плотина 17
1.1.5 Главное здание ГЭС 17
1.1.6 Схема выдачи мощности 19
1.1.7 Модернизация Жигулевской ГЭС 19
1.1.8 Система гарантированного электропитания (СГП) 20
1.2 Основные технические решения 21
1.2.1 Технологическая структура и описание процесса деятельности 21
1.2.2 Элементы системы СГП Жигулевской ГЭС 23
1.2.3 Перечень реализуемых функций СГП 25
1.2.4 Описание КТС на объекте 27
1.2.5 Классификация потребителей и размещение оборудования 28
1.2.6 Структура подключения 29
2 Расчеты переходных процессов 32
2.1 Общие данные 32
2.2 Определение сопротивлений схемы замещения ППУ-500 кВ 32
2.2.1 Сопротивление питающей энергосистемы 33
2.2.2 Сопротивление трансформаторов 34
2.2.3 Сопротивление кабельной продукции и шинопровода 35
2.2.4 Сопротивление коммутационной и защитной аппаратуры 38
2.2.5 Расчет суммарных сопротивлений до точки К1 39
2.3 Расчет токов короткого замыкания ППУ-500 кВ 41
2.3.1 Общие данные по расчеты КЗ 41
2.3.2 Расчет токов КЗ при питании через трансформатор 42
2.3.3 Расчет токов КЗ при питании от ИБП в инверторном и резервном режиме (байпас) 44
3 Проверка эффективности работы элементов защиты 47
3.1 Определение мощности ИБП 47
3.2 Проверка выбранного оборудования 50
3.2.1 Проверка срабатывания ИБП от пусковых токов 51
3.2.2 Проверка аппаратов защиты 53
3.2.3 Условия проверки выбранной кабельной продукции 56
3.2.4 Проверка кабеля по условию термической стойкости 58
3.2.5 Проверка кабеля по условию невозгорания 59
3.3 Расчеты СОПТ-СГП 61
3.3.1 Общие данные СОПТ 61
3.3.2 Расчет токов короткого замыкания СОПТ 62
3.3.3 Проверка кабельной продукции 65
3.4 Проверка емкости СОПТ 66
3.4.1 Общие данные 66
3.4.2 Проверка выбранной емкости АБ 67
Заключение 75
Список используемой литературы 77
Приложение А Схемы присоединений СГП 82
Приложение Б Итоги расчетов токов короткого замыкания ППУ-500 кВ 86
Приложение В Кабельный журнал ППУ-500 кВ 87
Приложение Г Итоги расчетов СОПТ ППУ-500 кВ 89
Купить

Двадцатый век ознаменовал переход человечества в эру энергетики и активного внедрения новых технологий. А двадцать первый век укрепил это развитие. Но в тоже время, современное общество столкнулось и с проблемами, характеризующими активное энергопотребление. Ежегодный рост численности и инфраструктуры приводит к необходимости провидения дополнительных мер по энергоснабжению потребителей. На сегодняшний день, существует несколько вариантом решения проблемы с энергопотреблением. Очевидной возможностью является создание дополнительных электростанций. Что в свою очередь, подразумевает возведение новых линий электропередач, подстанций, и другого электроэнергетического оборудования. И хотя данное решение эффективно выполняет поставленную задачу в увеличении вырабатываемой мощности, и как следствии, снабжения большего количества потребителей, в дальнейшей перспективе обладает неизбежными последствиями. Во-первых, потребуются материальные затраты на постройку электростанций и их постоянное обслуживание. Что не в лучшую сторону отразится на финансовом состоянии государств. Во-вторых, увеличение потребления природных энергетических ресурсов (уголь, газ и т.д.), что приведет к дополнительным экономическим затратам, а также, к нехватки природных ресурсов в будущем. И в-третьих, серьезные последствия экологического плана на состояние природы и здоровья человека. По причине описанных выше недостатков, начиная уже с 70-х годов прошлого века, в мире активно внедрялись программы о энергоэффективном потреблении уже имеющихся ресурсов. Другими словами, уменьшение необходимой энергии для обеспечения уже существующих технологических процессов и энергетических структур. И хотя данная методика не позволяет осуществлять моментальные изменения в отрасли энергопотребления, в будущем, она способна обеспечить сокращение расходов, снижение затрат на топливные ресурсу и уменьшение себестоимости продукции. А также, обеспечивает ограничение выбросов и вредных веществ в атмосфере. К примеру, в России в 2009-м году был рассмотрен и принят «Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [25]. Данное мероприятие относится ко всем энергетическим объектам страны, включая тепловую, атомную и гидроэнергетику.
Крупнейшей электростанцией Самарской области является Жигулевская ГЭС, начало истории, которой, датируется серединой прошлого века. За семь лет (с 1950 по 1957 года), были произведены работы по созданию первого гиганта отечественной электроэнергетики. Но, несмотря на долгую историю, гидроэлектростанция считается одной из крупнейших ГЭС во всем мире, среди аналогичных энергетических предприятий. Суммарно Жигулевский объект производит около 12 млрд кВт в час и вносит значительный вклад в формировании Единой Энергетической Системы нашей страны.
Согласно действующему стандарту СТО «РусГидро» 04.02.75-2011 «Гидроэлектростанции. Энергоэффективность и Энергосбережение. Основные требования» [3], требования по энергоэффективности должны осуществляется на всех этапах жизненного цикла гидроэлектростанций. При этом задачи по обеспечению эффективного использования гидроресурсов необходимо выполнять [3]:
• при проектировании - основной задачей которого является качественная оптимизация существующего оборудования и характеристик ГЭС под современные требования стандартов водохозяйственного комплекса, а также, учет экологического влияния энергетического объекта на природу и жизнь человека;
• при строительстве - достигается путем соблюдения предъявляемых технологических требований к производству и последующему строительству;
• при эксплуатации - осуществляется благодаря постоянному мониторингу современных стандартов качества электроэнергии и энергосбережения, непрерывной модернизации эксплуатируемого оборудования с учетом требований водохозяйственного комплекса и оценки текущего состояния гидроэлектростанции.
Как следствие, на Жигулевской ГЭС наблюдается непрерывная модернизация электрооборудования и реконструкционные работы по внедрению современных аналогов. Это позволяет не только увеличить вырабатываемую мощность, но и повысить надежность гидроэлектростанции в целом. При этом комплекс мероприятий по реализации поставленной задачи крайне обширен. И затрагивает: оптимизацию собственного потребления гидроэлектростанции, повышение эффективности основного и вспомогательного оборудования, а также, техническое перевооружение действующих систем ГЭС.
Важной составляющей надежной работы электростанций является система гарантированного электропитания (СГП), служащая для обеспечения потребителей 1-й категории требуемого качества электроэнергии, в случаи исчезновения напряжения в основной питающей сети. К основным задачам системы гарантированного электропитания относится [21]:
• автоматическое переключение нагрузки;
• питания резервируемых нагрузок при аварийном отказе основного питания;
• автоматический запуск запасных генераторов и двигателей (дизель- генераторы);
• оповещение персонала;
• электропитание подключенных потребителей.
В изначальном проекте строительства ППУ-500 кВ Жигулевской ГЭС, не предусматривалась установка системы гарантированного электропитания. Опыт эксплуатации оборудования, смонтированного на объекте, показал слабые места существующей схемы резервирования и необходимость монтажа современной СГП. Это сохранит работоспособность САУ ОРУ-500 при потере питания на двух вводах ЩСН-0,4 кВ.
Согласно данному проекту, система гарантированного электропитания Жигулевской гидроэлектростанции должна будет комплексно обеспечивать питание переменным током ответственных потребителей первой категории, и отвечать современным стандартам надежной и безопасной энергетической структуры. В случае не осуществления проекта по установки современной системы СГП, обеспечивающей качественное и постоянное питание чувствительного оборудования, оптимальная эксплуатация имеющихся водных ресурсов на ГЭС будет затруднена. Помимо отказа оборудования, и временного выведения из работы элементов энергосистемы, это грозит серьезными последствиями в снабжении потребителей. Это в свою очередь, ведет к существенным экономическим затратам при задержках работы оборудования и восстановлению функционирующей системы. Что в условиях важности Жигулевской ГЭС, не только для городского и областного округа, но и для Единой Энергетической Системы, является актуальным проектом по улучшению имеющегося на сегодняшний день оборудования и повышению надежности всей гидроэлектростанции в целом.
Исходя из обозначенной проблематики, необходимо произвести комплексное усовершенствование СГП АСУ Жигулевской ГЭС, не соответствующей современным стандартам надежности, по причине отсутствия в изначальном проекте системы гарантированного электропитания. Следовательно, требуется провести техническое обследование объекта проектирования, и в частности, имеющейся на сегодняшний день системы гарантированного электропитания. И по результатам которой, осуществить ряд взаимосвязанный друг с другом задач, нацеленных на устранение выявленной недоработки и созданию параллельной резервируемой системы электропитания. Необходимый перечень работ был составлен, руководствуясь техническими требованиями, предъявляемых к работе.
Объект исследования: Жигулевская гидроэлектростанция.
Предмет исследования: АСУ ТП ППУ-500 кВ (Комплексная автоматизированная система управления технологическими процессами подстанционного пульта управления 500 кВ).
Цель исследования: Организация системы гарантированного питания подстанционного оборудования АСУ ТП ППУ 500 кВ Жигулевской ГЭС.
Гипотеза исследования состоит в том, что эксплуатация имеющегося оборудования АСУ ТП ППУ-500 кВ, (куда входят: автоматические рабочие места, коммутаторы, преобразователи, дисковые затворы, цепи сбора дискретной информации, противопожарные сигнализации, сервера, группы розеток и переключателей, и прочие электроприемники первой категории) представляется менее надежным и более подверженным влиянию различных нежелательных факторов, (как обрыв питания, перенапряжение, колебания частоты и так далее), если:
• в системе ППУ-500 кВ не существует резервной системы питания, на основе оперативного постоянного тока (СОПТ), способной автоматически перевести нагрузку в случае аварии или нештатной ситуации. Предлагаемая к установке структура СГП и СОПТ, представляют собой набор электротехнической аппаратуры, обеспечивающей электропитание, и позволяющие сохранить работоспособность электрооборудования до момента устранения причины аварии, без выведения аппаратуры из работы;
• проектируемые источники бесперебойного питания и аккумуляторные батареи, не способны снабжать нагрузку ответственных потребителей в течение минимум 30 минут. Не маловажным фактором остается зарядка батарей. Она должна доходить до значения в 95% от максимального уровня заряда аккумулятора, за время равное 12 часам работы выпрямителя, в схеме ИБП (источника бесперебойного питания). Зарядка происходит параллельно работе основного источника питания, в связи с чем, коэффициент входной мощности (в среднем, коэффициент входной мощности достигает > 0,95...0,99) должен быть максимально большим, чтобы минимально искажать синусоиду нагрузки (коэффициент нелинейных искажений > 5%) и не влиять на качество электроэнергии в сети;
• не будет соблюден резерв мощности в 5 кВт, закладываемый проектом для подключения дополнительного оборудования в будущем, без необходимости переоборудования системы питания. Другими словами, выбранные ИБП должны обладать достаточной мощностью, чтобы удовлетворить требования по снабжению потребителей первой категории и дальнейшему увеличению энергетических затрат. Средние коэффициенты использования и мощности электроприемников преднамеренно берутся с повышенным значением, по причине характера потребителей;
• предполагаемая СГП, состоящая из двух блоков ИБП, будет не в состояние покрыть нужды ППУ-500 кВ, в случае перевода всей нагрузки на один источник бесперебойного питания, в результате нештатной ситуации или аварии. В связи с чем, расчеты производятся с учетом необходимости обеспечения функционирования системы от одного ИБП и одного блока АБ. Также, следует учесть пусковые токи, способные привести к перегрузке оборудования при одновременном запуске всех приемников.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• определение схемы замещение ППУ-500 кВ (Расчет сопротивлений системы, понижающих трансформаторов, кабелей, шинопроводов и автоматических выключателей);
• расчет токов КЗ (Трехфазный, однофазный и при питании от ИБП);
• определение мощности нагрузок;
• определение мощности ИБП;
• проверка срабатывания ИБП от пусковых токов;
• выбор аппаратов защиты (автоматические выключатели);
• выбор сечения кабельной линии и проверка по термической стойкости и не возгоранию;
• выбор аккумуляторных батарей СОПТ;
• выбор кабельной продукции СОПТ и её проверка, с использованием металлического тока короткого замыкания;
• проверка емкостей аккумуляторных батарей СОПТ ППУ-500 кВ.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: Руководящие документы по проектированию энергосистемы. Современная техническая политика ПАО «РусГидро». Основные цели и задачи, предъявляемые к объектам ПАО «РусГидро». Теоретические исследования в области систем гарантированного электропитания и бесперебойных источников. Паспортные данные и методические рекомендации с официальных сайтов производителей бесперебойных систем и аккумуляторных батарей. Техническое задание на разработку проектной и рабочей документации на модернизацию системы гарантированного электропитания для нужд Филиала ПАО «РусГидро» - «Жигулевская ГЭС». Электронные источники, соответствующие тематики исследования. «Руководящие указания по проектированию электропитания технических средств диспетчерского и технологического управления».
Методы исследования: Получение проектной документации и технических данных по объекту исследования. Анализ имеющихся источников, составление перечня задач, необходимых для комплексного решения выдвигаемой проектной цели. Проверка полученных результатов по имеющимся свободным электронным и физическим источникам, материальной базе и техническому заданию. Консультации с ответственными инженерами и вышестоящим руководством.
Научная новизна исследования заключается в:
• в перспективности внедрения системы гарантированного электропитания в уже существующий объект энергетический объект, без необходимости замены эксплуатируемого оборудования и действующей системы управления технологическими процессами подстанционного пульта управления 500 кВ;
• в использование современных источников бесперебойного питания модели «Benning Enertronic I 3-3 20», позволяющих осуществлять «горячую» замену модулей (без необходимости выведения оборудования из работы), что позволяет регулировать энергопотребление системы, подстраиваясь под текущие нужды ППУ-500 кВ;
• в соответствие современной политике «РусГидро», указывающей основные цели и задачи, предъявляемые к объектам предприятия, а именно, создание с последующим применением новых технологических решений по обеспечению безопасности и надежности электротехнического оборудования. Куда входят следующие пункты: Средний показатель индекса технического состояния (ИТС) гидротурбинных и гидрогенераторных агрегатов на период до 2025 года должен быть увеличен на 5,0% от нынешнего состояния. Показатели SAIDI (индекс средней продолжительности отключений) и SAIFI (индекс средней частоты отключений) должны быть уменьшены соответственно на значения 8,9% и 8,6% до 2025 года. Необходимость наличия одного или двух ИНБ, подключенных к двум независимым источникам питания переменного напряжения, в целях обеспечения автономности работы. В качестве резерва используется система оперативного постоянного тока, среднее время работы которой, от резервного источника, должно быть не менее 30 минут.
Теоретическая значимость исследования заключается в:
• проектирование новой системы в условиях уже функционирующего предприятия, с необходимостью соблюдения требований, выдвигаемых к значимым объектам Единой Энергетической Системы России;
• проведение исследований и практических расчетов, с возможностью сравнению полученных теоретических результатов с физическими данными технического задания.
Практическая значимость исследования заключается в существующем проекте по модернизации системы гарантированного электропитания для нужд Филиала ПАО «РусГидро» - «Жигулевская ГЭС».
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались:
• консультациями с ответственными инженерами, участвующими в подготовке технического задания;
• соблюдением различных научно-технических требований и проверок, необходимых для правильного выбора электрооборудования и проектирования будущей энергетической структуры;
• проведенными предварительными расчетами предприятия, подтверждающими полученные результаты научно­-исследовательского комплекса технических задач.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в подготовке материально-расчётной базы, проведение собственного исследования, подкрепленного полученными результатами, и сравнение их, с имеющимися предварительными расчётами, составленными инженерами с объекта проектирования в соответствии с физическими данными.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях:
• Научно-Исследовательские выступления, при кафедре «Электроснабжение и электротехника» (Институт химии и энергетики, Тольяттинский Государственный Университет);
• XV Всероссийская научно-практическая студенческая конференция, при Камышинском технологическом институте (Волгоградский Государственный Технический Университет).
На защиту выносятся:
• выявлена целесообразность внедрения системы гарантированного электропитания в ППУ-500 кВ, и обоснована необходимость создания резервируемой системы, для снабжения ответственных потребителей;
• охарактеризованы этапы проектирования выдвигаемой цели, в согласованности с современной политикой «РусГидро»;
• проведены комплексы технических решений, нацеленных на целесообразный выбор электрооборудования, и проверки соблюдения условий эксплуатации;
• спроектированы необходимые резервы мощности источников бесперебойного питания в размере 5 кВт;
• выведена взаимосвязь соответствия номинальной емкости аккумуляторных батарей СОПТ, со временем работы резервного источника.
Структура магистерской диссертации. Работа состоит из введения, 3 разделов, заключения, содержит 10 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы (31 источника), 4 приложений. Основной текст работы изложен на 81 страницах.
Купить