Введение 3
Глава 1 Анализ технического состояния электрооборудования ПС 110 кВ «Матюшкино» 5
1.1 Общие данные 5
1.2 Обзор установленного электрооборудования 7
1.3 Определение электрических нагрузок 8
1.4 Расчет токов КЗ 14
1.5 Выбор конструктивных решений 21
1.6 Выбор оборудования ПС «Матюшкино» 21
1.7 Релейная защита подстанции 36
1.8 Освещение подстанции 39
1.9 Оперативный ток подстанции 42
1.10 Собственные нужды подстанции 44
1.11 Заземление подстанции 45
1.12 Молниезащита подстанции 48
Глава 2 Режимы работы сети 51
2.1 Обоснование конфигурации сети 51
2.2 Моделирование электрической сети 52
2.3 Энергосбережение и энергоэффективность подстанции 61
2.4 Оценка негативного воздействия на окружающую среду 67
Глава 3 Обоснование мероприятий при реконструкции подстанции 74
Заключение 84
Список используемых источников 87
Одной из ведущих отраслей России и мира является электроэнергетика. Её значение трудно переоценить - она определяет технологическое развитие человечества и затрагивает все сферы жизни: промышленность, здравоохранение, быт и так далее.
Энергосистема РФ представляет собой единую энергетическую систему (ЕЭС России), включающую 7 объединенных энергосистем (ОЭС): «ОЭС Центра, Средней Волги, Урала, Северо-Запада, Юга и Сибири) и территориально изолированных энергосистем (Чукотский автономный округ, Камчатский край, Сахалинская и Магаданская область, Норильско- Таймырский и Николаевский энергорайоны, энергосистемы северной части Республики Саха (Якутия))» [14].
По данным Министерства Энергетики РФ, «Фактическое потребление электроэнергии в Российской Федерации в 2020 г. составило 1,05 трлн кВт-ч» [14]. Повышению этого показателя способствуют реконструкции объектов электроэнергетики, направленные на:
- повышение вырабатываемой мощности (замена или модернизация генерирующего оборудования);
- снижение экономических потерь (замена морально устаревшего, не энергоэффективного оборудования распределительных объектов);
- подключение новых потребителей.
Огромное значение для энергосистемы имеют электрические подстанции - «электроустановки, предназначенные для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящие из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств» [10].
Строительство большинства подстанций пришлось на вторую половину XX-го века, а значит, что установленные сроки эксплуатации электрооборудования (20-25 лет) подходят к концу, но реконструкции их редкие и частичные, а зачастую и вовсе не предусмотрены на ближайшие годы. На многих подстанциях в эксплуатации остается пожаро- и взрывоопасное масляное оборудование, морально устаревшие системы типа «отделитель-короткозамыкатель» и другие устаревшие технические решения.
Сегодня проблема обеспечения надежного и бесперебойного электропитания выходит на первое место, но оборудование, ресурс которого подходит к концу, имеет большое количество ложных срабатываний или же наоборот не срабатывает в должный момент, а значит, не может обеспечивать требуемого качества получаемой потребителями электроэнергии. Особенно остро эта проблема проявляется на подстанциях напряжением 110/10(6) и 110/35/10(6), обеспечивающих питание промышленных предприятий и жилых кварталов.
Помимо проблемы технического оснащения, во многих районах изменилась величина электрических нагрузок и существующее оборудование не обеспечивает потребности питаемых районов.
Цель магистерской диссертации - выбор оптимальной конфигурации сети, удовлетворяющей всем современным требованиям, для обеспечения надежного и бесперебойного питания потребителей.
Задачи:
- произвести анализ технического состояния электрооборудования подстанции и обосновать его замену;
- выполнить расчет режимов электрической сети и выбрать оптимальный режим (с учетом реконструкции);
- выполнить технико-экономическое обоснование выбранной схемы.
Решение этих задач позволит получить один из вариантов конфигурации схемы подстанции «Матюшкино», удовлетворяющей всем современным требованиям, для обеспечения надежного и бесперебойного питания потребителей, а значит, ведет к достижению цели магистерской диссертации.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы определена оптимальная конфигурация сети, удовлетворяющая всем современным требованиям, для обеспечения надежного и бесперебойного питания потребителей.
При проведении предпроектного обследования выбранного объекта - электрической подстанции 110/35/10 «Матюшкино», расположенной в Комсомольском районе города Тольятти, определены основные проблемы, препятствующие дальнейшему уверенному развитию района. К таким проблемам относятся:
- существенный недогруз трансформаторов, вызванный ликвидацией крупного потребителя - ЗАО «Поволжский свинокомплекс»;
- применение физически и морально устаревшего оборудования: большинство аппаратов находятся в работе со дня ввода объекта в эксплуатацию, а это 1978 год;
- несоответствие схемных решений назначению подстанции.
На основании вышеуказанных проблем и их анализа поставлены задачи магистерской диссертации.
Для подстанции определены фактическая величина мощности и выполнен расчет перспективных нагрузок, в них были учтены строительство и ввод в эксплуатацию новых объектов малой и сельскохозяйственной промышленности, жилых и дачных домов, объектов ЖКХ и тому подобное По величине полученной мощности выбраны новые силовые трансформаторы - ТДН-16000/110/10. Как видно, изменился класс
напряжения подстанции. Это позволит снизить величину потерь в сетях, а значит несколько улучшить качество электроэнергии.
Из-за смены схемы подстанции выбрано новое оборудование для стороны ВН и НН. Например, устаревшая система «отделитель- короткозамыкатель» заменена на современные и безопасные элегазовые выключатели, масляные трансформаторы тока - на оборудование с элегазовой изоляцией, а разъединители, выработавшие установленный срок эксплуатации - на новые, отвечающие всем современным требованиям аппараты. ОРУ-35 кВ полностью демонтировано, что позволит снизить отчуждаемые площади.
ЗРУ-10 кВ укомплектовано новыми ячейками КРУ-СЭЩ-63 производства «Электрощит-Самара», что позволило разместить трансформаторы собственных нужд в здании ЗРУ за счет снижения габаритов ячеек. Кроме того, согласно нормативно-технической документации, изменена система оперативного тока на постоянный, и к установке приняты 2 шкафа оперативного тока ШОТ серии ELT.
Кроме того, смоделировано освещение подстанции с помощью программного комплекса DIALux. Выбранный сценарий освещения позволяет достигнуть уровней освещения, установленных нормативно-технической документацией.
Выбранная схема подстанции смоделирована в программном комплексе PSCAD для снятия основных режимных характеристик. Кроме того, принятая схема сравнивалась с исходной для обоснования необходимости реконструкции. В ходе компьютерного моделирования выявлено, что применяемые при реконструкции решения относительно состава оборудования и выбора схемы подстанции позволяют снизить потери мощности, отклонения напряжения и токи трехфазных коротких замыканий.
Далее, рассмотрены энергосбережение и энергоэффективность подстанции. При рассмотрении критериев выявлено, что на сегодняшний день оценка мер, направленных на снижение затрат на техническое обслуживание и ремонт, а так же на снижение потерь, низкая. Предлагаемая реконструкция позволит повысить ее за счет замены морально и физически изношенного оборудования, оптимизации схемы сети и применения интеллектуальных систем контроля и учета электроэнергии.
Также проведена оценка негативного воздействия на окружающую среду при эксплуатации подстанции «Матюшкино». Рассматривались такие критерии как уровень шума, уровень электромагнитного излучения, загрязнение почв и грунтовых вод трансформаторным маслом. По результатам оценки выявлено, что уровень шума от работы электрооборудования не превышает нормируемых значений. Напряженность электромагнитного поля на ближайших к подстанции участках так же не представляет опасность для населения. Касаемо загрязнения трансформаторным маслом - на подстанции существует система, представленная в виде специальной маслосборной ямы, заполненной щебнем, а учитывая, что при реконструкции количество маслонаполненного оборудования существенно снизится, пересмотр системы предотвращения загрязнения почвы трансформаторным маслом не требуется.
На заключительном этапе проведено обоснование принятых мер и оценка капитальных затрат на реконструкцию подстанции «Матюшкино». Суммарные капиталовложения, включающие в себя закупку, транспортировку, установку, пуско-наладку электрооборудования, перевооружение существующих ВЛ, благоустройство территории и зданий подстанции обойдется в 48 595 761 руб. Величина издержек на обслуживание, ремонт, а также учитывающая недоотпуск электроэнергии равна 1 504 708 руб.
Таким образом, получена оптимальная конфигурация сети, удовлетворяющая всем современным требованиям, для обеспечения надежного и бесперебойного питания потребителей, а значит и благополучного развития района в будущем.
1. Вакуумные выключатели [Электронный ресурс] : Электрощит Самара URL: https://electroshield.ru/catalog/vakuumnie-vykluchateli/vvu-seshch- 10-kv/(дата обращения 17.05.2020).
2. Викулова Ю. В., Болонова И. Е., Быков Н. С. Моделирование коротких замыканий на линиях с помощью проограммы PSCAD // Научный электронный журнал Инновации. Наука. Образование. 2020. № 20. C. 945¬951. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44144917(дата обращения 10.01.2021).
3. Викулова Ю. В., Болонова И. Е., Быков Н. С. Обзор нагревательных кабелей, отличающихся системой тепловыделения // Научный электронный журнал Инновации. Наука. Образование. 2020. № 20. С. 923-930. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44144914(дата обращения 10.01.2021).
4. Викулова Ю. В., Болонова И. Е., Быков Н. С. Оценка мероприятий по
повышению энергоэффективности на понизительных подстанциях // Научный электронный журнал Инновации. Наука. Образование. 2020. № 20. С. 896-902. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44144910(дата
обращения 10.01.2021).
5. Викулова Ю. В. Оценка потенциального негативного воздействия
подстанции на окружающую среду и население // Научный электронный журнал Инновации. Наука. Образование. 2020. № 22. С. 571-576. URL:
https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44455688(дата обращения 10.01.2021).
6. Викулова Ю.В. Сравнительный анализ использования вакуумных и элегазовых силовых выключателей в РУ 6-10 кВ // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов (ЭЭПП-2019). Тольятти. 2019. С.30-33.
7. Выключатели элегазовые серии LF [Электронный ресурс] : Schneider
Electric URL: https://electroautomatica.ru/img/documentation/GOST%20Operational%20manual %20LF.pdf (дата обращения 17.05.2020).
8. Высоковольтное оборудование. Разъединители [Электронный
ресурс] : Завод электротехнического оборудования URL:
http://zeto.ru/products_and_services/high_voltage_equipment(дата обращения 17.05.2020).
9. ГОСТ 12.2.024-87 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля. Введ. 1989-01-01. М.: ЦНТИ "Медиа Сервис", 2020. 16 с.
10. ГОСТ 24291-90 Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения. Введ. 1992-01-01. М.: ЦНТИ "Медиа Сервис", 2020. 13 c.
11. ГОСТ Р 52735-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ. Введ. 2008-07-01. М.: Стандартинформ, 2019. 36 c.
12. ГОСТ Р 52736-2007 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания. Введ. 2008-07-01. М.: Стандартинформ, 2019. 44 с.
13. Комплектные распределительные устройства [Электронный ресурс]
: Электрощит Самара URL: https://electroshield.ru/catalog/komplektnye-
raspredelitelnye-ustroystva/kru-seshch-63-6-10-kv/ (дата обращения 17.05.2020).
14. Основные характеристики российской электроэнергетики [Электронный ресурс] : Министерство энергетики Российской Федерации URL: https://minenergo.gov.ru/node/532(дата обращения 25.11.2019).
15. Номенклатурный каталог [Электронный ресурс] : Тольяттинский
трансформатор URL: http: //toltrans. nt-
rt.ru/images/showcase/catalogue_toltrans.pdf Дата обращения (дата обращения 17.05.2020).
16. О порядке установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства и особых условий использования земельных участков, расположенных в границах таких зон [Электронный ресурс] : Постановление Правительства РФ от 24 февраля 2009 г. N 160 URL: https://base.garant.ru/12165555/(дата обращения 16.11.2020).
17. Правила устройства электроустановок. М: Энергоатомиздат, 2015. 330 с.
18. Прибор универсальный цифровой измерительный M2M
ETHERNET [Электронный ресурс] : ЭТМ URL:
https://www.etm.ru/cat/nn/1919327/(дата обращения 20.05.2020).
19. О Порядке расчета значений соотношения потребления активной и
реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии [Электронный ресурс] : Приказ Министерства энергетики РФ от 23 июня 2015 г. N 380 URL:
http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001201507270034 (дата
обращения 20.10.2019).
20. Об утверждении укрупненных нормативов цены типовых технологических решений капитального строительства объектов электроэнергетики в части объектов электросетевого хозяйства [Электронный ресурс] : Приказ Министерства энергетики РФ от 17 января 2019 N 10URL:https://base.garant.ru/72169240/ (дата обращения 06.03.2021).
21. РД 34.20.178 Методические указания по расчету электрических нагрузок в сетях 0,38-110 кВ сельскохозяйственного назначения. М.: ЦНИИПромзданий, 2015. 108 с.
22. Предотвращение загрязнения почвы на подстанциях
трансформаторным маслом [Электронный ресурс] : СИГРЭ-72 - Подстанции переменного тока URL: https://forca.ru/knigi/arhivy/sigre-72-podstancii-
peremennogo-toka-4.html (дата обращения 16.11.2020).
23. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки [Электронный ресурс] : СН
2.2.4/2.1.8.562-96 URL: https://base.garant.ru/4174553/ (дата обращения
16.11.2020).
24. СО 153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. ЦПТИ ОРГРЭС, 2017. 69 с.
25. СП 31-110-2003 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа». М.: ЦНИИПромзданий, 2015. 78 с.
26. СТО 56947007-29.240.10.028-2009 Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35 - 750 кВ. ПАО ФСК ЕЭС, 2017. 135 С.
27. СТО 56947007-29.240.30.010-2008 Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35-1150 кВ. Типовые решения. ОАО ФСК ЕЭС, 2007. 131 С.
28. СТО 56947007-29.240.30.047-2010 Рекомендации по применению типовых принципиальных электрических схем распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ. ОАО ФСК ЕЭС, 2010. 128 С.
29. СТО 56947007-29.240.01.271-2019 Методические указания по технико-экономическому обоснованию электросетевых объектов. Эталоны обоснований. ПАО «ФСК ЕЭС», 2019. 33 с.
30. СТО 56947007-29.240.124-2012 Укрупнённые стоимостные показатели линий электропередачи и подстанций напряжением 35-1150 кВ» ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. 33 с.
31. Санитарно-эпидемиологические требования к условиям
проживания в жилых зданиях и помещениях [Электронный ресурс] : СанПиН 2.1.2.2645-10 URL:
https://base.garant.ru/12177273/53f89421bbdaf741eb2d1ecc4ddb4c33/ (дата
обращения 16.11.2020).
32. Серия модульных устройств БМРЗ [Электронный ресурс] : НТЦ «Механотроника» URL:http s: //www. mtrel e.ru/shop/relej naya-zashhita/bmrz/(дата обращения 21.05.2020).
33. Трансформаторы напряжения [Электронный ресурс] : Электрощит
Самара URL: https://electroshield.ru/catalog/transformatory-izmeritelnie/znol-
seshch-6-10-20-35/ (дата обращения 20.05.2020).
34. Трансформаторы тока ТОЛ-СЭЩ [Электронный ресурс] :
Электрощит Самара URL: https://electroshield.ru/catalog/transformatory-
izmeritelnie/tol-seshch-10-20-35/ (дата обращения 20.05.2020).
35. Трансформаторы тока встроенные серии ТВГ-УЭТМ [Электронный
ресурс] : УралэлектротяжмашURL:http://www.uetm.ru/ru/katalog-
produktsii/?url=transformatoryi-toka-vstroennyie-serii-tvg-uetm%C2%AE (дата
обращения 20.05.2020).
36. Трансформаторы тока нулевой последовательности ТЗЛК-СЭЩ
[Электронный ресурс] : Электрощит Самара URL:
https://electroshield.ru/catalog/transformatory-izmeritelnie/tzlk-r-seshch-0-66/(дата обращения 20.05.2020).
37. Шкафы оперативного тока ШОТ серии ELT [Электронный ресурс] : Элтон URL: https://eltonn.ru/#sample_shot (дата обращения 20.05.2020).
38. Элегазовые баковые выключатели ВЭБ-УЭТМ-110 [Электронный
ресурс] : Уралэлектротяжмаш URL: http://www.uetm.ru/katalog-
produktsii/item/veb-uetm-110/ (дата обращения 17.05.2020).
39. Bhalja B., Maheshwar R. P., Chothani N. Protection and Switchgear, 1st Edition. Oxford: Oxford University Press, 2016. 576 p.
40. Daza S.A. Electric Power System Fundamentals. London: Artech House, 2016. 388 p.
41. Gers J. M. Protection of Electricity Distribution Networks, 3rd Edition (Energy Engineering). The Institution of Engineering and Technology, 2015. 368 p.
42. Mohamed A. Ibrahim. Protection & Control for Power System. CreateSpace Independent Publishing Platform. 2016. 540 p.
43. Upadhyaya S., Mohanty S. Fast Methods for Power Quality. International Journal of Emerging Electric Power Systems. Vol. 18. No. 5 2017.