Расчет защитного заземляющего устройства

Защитное заземляющее устройство тяговой подстанции сооружается в соответствии с требованиями предъявляемыми к электроустановкам выше 1кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью.

В целях выравнивания электрического потенциала на территории тя­говой 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 нормативными требованиями к расположению продольных и поперечных гори­зонтальных заземлителей определяют общую длину горизонтальных заземлителей.

L_r=22×ÖS=22×Ö13200=2528 м

Заземляющее устройство следует допол­нить вертикальными заземлителями длиной l_в=5 м.

Для снижения эффекта взаимного экранирования вертикальные заземлители следует размещать по периметру горизонтальной заземляющей сетки на расстоянии a³2× l_в друг от друга, число вертикальных заземлителей определяется выражением

n_в=4×ÖS/ a=4×Ö13200/ 2×5=40

Общее сопротивление заземляющего устройства следует определять с учётом естественных заземлителей R_е, сопротивление которых можно принять равными 2-3 Ом. Тогда значение R_з будет равно:

R_з= R× R_е/(R+ R_е)=0,06646×3/(0,06646 +3)=0,065 Ом,

где       R=А/ÖS+r/(L_г+n_в×l_в),

R=0,396/ÖS+r/L_г=(0,396/Ö13200)+(145/2528+40×5)=0,06646 Ом

Условие R _з £ 0,5 Ом  выполнено.

где А=0,444-0,84×t_отн при 0£t_отн£0,1

А=0,385-0,25×t_отн при 0,1£t_отн£0,5

А=0,5×t_отн=0,444-0,84×0,057=0,396

где t_отн - относительная глубина погружения в землю вертикальных электродов.

t_отн=(l_в+t_г)/ ÖS=(5+0,7)/ Ö13200=0,057

Определим потенциал заземления в аварийном режиме и сравним с допустимым значением.

R_з×I_з£10 кВ,

где       I_з - ток однофазного короткого замыкания в РУ-110 кВ, кА.

I_з = 0,55× I_к = 0,55×4,447 = 2,446

R_з×I_з =0,065× 2,446 = 0,159 кВ <10 кВ, то меры по защите обходящих кабелей связи и телеуправления не предусматриваются.

 

При перекрытии изоляции в РУ-3,3 кВ ток к.з. достигает десятков килоампер. Ток к.з. стекает через заземляющее устройство в землю и через рельс по цепи отсоса возвращается на "минус" шину. Такой режим представляет опасность как для обслуживающего пер­сонала, так и для подземных коммуникаций (кабели, трубы водоснабжения и канализации и др.). Иногда такое повреждение может длительно не устраняться со стороны данной или смежной подстанции, что особенно опасно. Поэтому с целью снижения капитальных затрат заземляющее устройство оборудуется специальной быстродействующей защитой, называемой земляной, отключающей подстанцию со всех сторон при перекрытии изоляции в РУ-3,3 кВ. При этом с помощью короткозамыкателя контур заземления подстанции соединяется с рельсовым фидером, что приво­дит к увеличению тока к.з., так как из цепи к.з. исключается ре­актор.

На тяговой подстанции постоянного тока в качестве заземлителей используют искусственный контур КЗП, охватывающий практически всю территорию подстанции, естественные заземлители ЕЗ- водопроводные и другие подземные металлические коммуникации 18, металлические оболочки силовых кабелей 19 напряжением до 1000 В и выше, проложенных по территории подстанции. Заземляющее устройство подстанции постоянного тока в нормальных условиях эксплуатации не используется в качестве одного из путей возврата тягового тока на подстанцию, как на подстанциях переменного тока. Шина «минус» подстанции нормально не присоединена к заземляющему контуру КЗП, т.к. при таком присоединении иногда создавалась бы возможность протекания тока по цепи: рельс, рельсовый фидер, фидер КЗП, земля. Ток, стекающий с КЗП в землю, вызывал бы корродирование КЗП и этот контур скоро вышел бы из строя. Но все же предусматривается возможность аварийного соединения шины «минус» с КЗП; оно осуществляется в момент к.з. в цепях 3,3 кВ. таким образом заземляющее устройство на подстанции постоянного тока выполняется как защитное и рабочее для цепи переменного и постоянного тока при этом рабочий режим в цепи постоянного тока переводится автоматически на короткое время после к.з. на «плюс» постоянного тока.

Все, подлежащее заземлению оборудование постоянного тока расположено в здании и на открытой части, заземляется специально выполненный внутренний контур заземления оборудования постоянного тока КЗОПТ, который проводниками 8 с КЗП через 5 токовых реле земляной защиты рельсовым фидером 16, до реле устанавливают короткозамыкатель 17, приводимый в действие реле земляной защиты 5. Земляная защита работает только в момент к.з. в цепях +3,3 кВ и обеспечивает быстрое отключение поврежденного оборудования.

КЗП выполняют по тем же принципам, что и на подстанциях переменного тока, т.е. применяют сетку 2 и вертикальные заземлители один; соединяют их между собой и с арматурой опор, с молниепроводом, и используют потенциальные козырьки 14.

На открытое части подстанции к КЗП присоединяются: выводы 8 внутреннего КЗОПТ через заземления 5; фланцы опорных изоляторов, реакторов 15 сглаживающего устройства; камеры реакторов, выводы от нулевых точек трансформаторов ТСН; ригели порталов корпуса КРУН всех напряжений; корпусы трансформаторов; корпусы шкафов выводов и т.п. Рельсы РПП на территории подстанции не заземляются. Присоединения заземляющих проводников к конструкциям и аппаратам должны быть видимыми - сварными или болтовыми, каждые заземляемый элемент следует присоединять отдельным руглым или плоским проводником сечением не менее 100 мм².

Оборудование, расположенное в закрытой части подстанции заземляется на 2 отдельных контура оборудование переменного тока - на внутренний контур переменного, расположенный о периметру здания на высоте 1,2 м и соединенный с КЗП; оборудование постоянного тока на КЗОПТ, расположенный на высоте 3 м и соединенный с КЗП выводами 8. У КЗОПТ присоединяют все элементы оборудования постоянного тока которые при нарушении изоляции могут оказаться под потенциалом +3,3 кВ. к ним относятся: арматура основания БВ, конструкции сглаживающих устройств, конструкции щитов ПУ с высоковольтными приборами и проводами 3,3 кВ, Оболочка силовых кабелей

 

 

                 Рисунок 7.1 - Принципиальная схема заземляющего устройства тяговой подстанции постоянного тока.

3,3 кВ (кроме анодных и рельсового фидера), шкафы и фланцы изоляторов выпрямителей конструкции РУ 3,3 кВ, включая арматуру разъединителей и фланцы изоляторов сборных шин, проходные плиты изоляторов фидеров КС, изоляторов, реакторов и т.п. На рисунке 7.1 условно показано лишь присоединение к КЗОПТ шкафа выпрямителя 6 проводником 7..

Особенности защитного заземления РУ 3,3 кВ

Земляная защита применяется для зашиты РУ 3,3 кВ. Все подлежащие заземлению части оборудования, расположенное в здании подстанции или на открытой части, заземляют на специальные внутренние контуры заземления оборудования (КЗОПТ) 2 (рисунок 7.1), который присоединяется через токовые реле КА₁ и КА₂ земляной защиты с контуром КЗП 3, охватывающим практически всю территорию ТП. Во избежание шунтирования реле земляной защитыКА₁ и КА₂ необходимо в эксплуатации следить за тем, чтобы КЗОПТ не касался земляных оболочек кабелей и других заземленных устройств, соединенных к КЗП при нарушении изоляции например в точке К (Рисунок 7.1) ток замыкания на землю может достигать десятков тысяч ампер. Выполнить защитное заземление 3 с малым сопротивлением, обеспечивающим безопасное напряжение прикосновения и шага, при таких токах замыкания на землю практически невозможно. Поэтому на открытой части выполняют КЗП с сопротивлением не более 0,5 Ом, а для отключения места повреждения применяют быстродействующую земляную защиту. Необходимость установки вызвана тем, что для МТЗ трансформатора 1 преобразовательного агрегата ток при замыкании на землю может оказаться недостаточным из-за большого переходного сопротивления между КЗП 3 и теговым рельсом 5 особенно на участке земля-рельс при наличии балластного щебеночного слоя. С другой стороны фидорные БВ на ток, протекающий на подстанцию и КС от подстанции №2 (рисунок 7.1б) не реагирует, так как они поляризованы. Выключатели смежных подстанции не отключаются из-за малой для них величины тока. Таким образом необходимость применения специальной защиты на пробой изоляции РУ 3,3 кВ. земляная защита при срабатывании отключает все линейные БВ, выключатели Q со стороны переменного тока преобразовательных агрегатов и мачтовые QS (рисунок 7.1б) разъединители всех фидеров КС. необходимость в отключении последних возникает при пробое, например, изоляции проходного изолятора. После отключения выключателя QF₁ питание точки к.з. продолжается от соседней подстанции №2, отключить ток соседней подстанции можно разъединителем QS₁ с моторным приводом. Такое отключение тока соседней ТП сопровождается частичным или полным повреждением разъединителя, но оно является необходимым. Схема земляной защиты приведена на рисунке 7.1в. При срабатывании КА₁ или КА₂ протекает ток через обмотки промежуточного реле KL₁ и указательного КН. Реле KL₁ становится на самоподпитку, замыкает своими контактами цепи отключающих катушек YАТ выключателей Q всех преобразовательных агрегатов, другими контактами KL₁ реле отключает шлейф питания держащих катушек YA БВ фидеров КС, которые отключаются. Реле KL₂, получив питание через контакт KL₁, замыкает цепь электродвигателей приводов мачтовых разъединителей, что приводит к их отключению. А отключение KL₁ осуществляется кнопкой деблокировки SB.

Токи замыкания на землю, протекающие между внешним контуром 3 и рельсом 5, проходящие по цепи с наименьшим электрическим сопротивлением, которой являются оболочки кабелей силовых и связевых. У кабелей может произойти выгорание защитных оболочек и токоведущих жил, особенно при задержке срабатывания по разным причинам земляной защиты. Во избежание этого применяют короткозамыкатель ON, соединяющий фидер отсоса с контуром заземления КЗП. Короткозамыкатель включается при срабатывании земляной защиты. Реле KL₁ (рисунок 7.1а) замыкает цепь катушки KL₃, которое размыкает цепь электромагнита 9, удерживающего пружину 8 в сжатом состоянии. Под действием пружины сердечник 10 перемещается вниз и с помощью тяги 7 включает короткозамыкатели. Сопротивление цепи к.з. при этом снижается, и, не смотря на ограничение тока к.з. реактором, он становится достаточным для срабатывания МТЗ и отключения преобразовательных агрегатов от шин переменного тока, а также увеличивается ток соседней подстанции, что приводит к успешному срабатыванию на ней защиты соответствующего фидера КС. Отключение к.з-ля производится вручную. Рычагом 11 сердечник 10 перемещается вверх, и тягой 7 к.з-ля 6 отключается. В отключенном состоянии он удерживается эл. магнитной силой катушки 9.
 

 

Рисунок 7.1. - Схема внутреннего заземления тяговой подстанции
8.Экономическая часть проекта

 

Годовые эксплуатационные расходы включают в себя стоимость потерь электроэнергии С_DW, отчисления на амортизацию оборудова­ния тяговой подстанции С_a, расходы на обслуживание и текущий ремонт С_рем и годовой фонд зарплаты работников тяговой подстанции.

С_э= С_DW+ С_a+ С_рем+С_зарпл.

С_DW=DW_Г×1.15, руб

где С_a - 6% от стоимости подстанции (млн. руб)

Годовые потери электроэнергии в понизительном трансформаторе, подлежащие оплате можно определить по формуле:

где DW_Г -количество активной электроэнергии отпускаемой на тягу поездов в год, кВт×ч; W_Q - количество реактивной электроэнергии потребляемой на тягу поездов в год, квар×ч; U_СР - среднее напряжение на точке установки учета, 10 кВ; К_Ф коэффициент формы графика нагрузки, можно принять равным 1,4; Т - время работы понизительного трансформатора в году, 8760 ч; R_ТР - активное сопротивление трансформатора, Ом; DР_Х - потери холостого хода трансформатора, кВт×ч.

W_Q = 0,25×W_P = 0.25×110×10⁶ = 27,5×10⁶  кВт/ч

 кОм

К_Ф =1,4; DР_Х =26 кВт;

DW_Г =26×8760+1,4²×0,005×(115×10⁶)²+(27,5×10⁶)²/115²×8760 = 566125 кВт/ч

 С_DW= 566125 ×1,15 = 651043,75 руб

Таблица 10.− Результаты расчета

Должность	Численность, чел.	Зарплата, тыс.руб
Начальник ТП	1	25
Старший электромеханик	1	20
деж.пер.	4	18
Электромонтёр	2	18
Уборщица	1	8

Себестоимость переработки электроэнергии b,коп/кВт×ч:

b_пер= С_э/W_год=1675000/110×10⁶=0,015 руб/кВт×ч

Список использованной литературы:

1. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т I./ Под ред. К.Г.Марквардта.- М.: Транспорт, 1980.- 256 с.

2. Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяговые подстанции / Учебник для вузов железнодорожного транспорта.

М.: Транспорт, 1985.- 319 с.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог.Т.II:./ Под ред. К.Г.Марквардта.- М.: Транспорт, 1961.- 392 с.

4. Давыдова И.К., Попов Е.И., Эрлих В.М. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования М.: Транспорт, [978.- 416 с.

5. Прохорский А.А, Тяговые и трансформаторные подстанции.

М.: Транспорт, 1983.- 496 с.

6. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Тяговые подстанции».

Составители: Пакулин А.Г., Григорьев В.Л.