Проектирование электрической части понизительных подстанций промышленного предприятия

 
 
 
 
 
 
А. В. Малафеев, Е. А. Панова, А. В. Варганова 
 
 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 
ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ 
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ 
 
 
 
3-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
Утверждено редакционно-издательским советом Магнитогорского  
государственного технического университета им. Г. И. Носова 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 621.311 
ББК 31.277 
М18 
 
 
Рецензент: 
кандидат технических наук, доцент кафедры  
электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г. И. Носова  
Н. Т. Патшин 
 
 
 
Малафеев, А. В. 
М18    
Проектирование электрической части понизительных подстанций 
промышленного предприятия : учебное пособие / А. В. Малафеев, Е. А. Панова, А. В. Варганова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва ; Вологда ;  
Инфра-Инженерия, 2022. – 312 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0937-7 
 
Освещены вопросы расчета электрических нагрузок и компенсации реактивной мощности. Рассмотрена методика выбора числа и мощности силовых 
трансформаторов ГПП на основе технико-экономического обоснования. Приведена методика расчета токов короткого замыкания на распределительных 
устройствах высшего и низшего напряжений ГПП в максимальном и минимальном режимах с учетом подпитки точки короткого замыкания высоковольтными и низковольтными двигателями. Рассмотрены основные положения  
по выбору источников оперативного тока. 
Для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно специалистам в области проектирования подстанций 
и объектов электроэнергетики. 
 
УДК 621.311 
ББК 31.277 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0937-7 
” Малафеев А. В., Панова Е. А., Варганова А. В., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
........................................................................................................ 7 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 8 
ГЛАВА 1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ........................................ 10 
1.1. Расчет максимальных значений активной и реактивной нагрузок 
........... 10 
1.2. Выбор устройств компенсации реактивной мощности 
.............................. 10 
1.3. Определение ординат графиков активной и реактивной нагрузок 
........... 11 
1.4. Пример расчета 
............................................................................................... 12 
ГЛАВА 2. ВЫБОР ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ 
............. 16 
2.1. Выбор числа трансформаторов на подстанции 
........................................... 16 
2.2. Выбор типов и способов установки трансформаторов главных 
понизительных подстанций 
.................................................................................. 16 
2.3. Выбор мощности трансформаторов главных понизительных подстанций 
. 17 
2.4. Определение номинальной мощности трансформаторов по допустимым 
условиям нормального и аварийного режимов 
.................................................. 19 
2.5. Пример расчета 
............................................................................................... 23 
2.5.1. Режим аварийных перегрузок .................................................................... 24 
2.5.2. Режим систематических перегрузок ......................................................... 26 
2.5.3. Технико-экономическое сравнение вариантов ........................................ 28 
ГЛАВА 3. ВЫБОР СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ............... 29 
3.1. Общие положения .......................................................................................... 29 
3.2. Обоснование надежности схем 
..................................................................... 30 
3.3. Характеристика типовых схем 
...................................................................... 31 
3.3.1. Схема блока «линия-трансформатор» с разъединителем ....................... 31 
3.3.2. Схема блока «линия-трансформатор» с выключателем 
.......................... 32 
3.3.3. Схема двух блоков с выключателями и неавтоматической  
ремонтной перемычкой со стороны линий 
......................................................... 33 
3.3.4. Схема мостика с выключателями в цепях линий  
и неавтоматической перемычкой со стороны линий 
......................................... 34 
3.3.5. Схема мостика с выключателями в цепях трансформаторов 
и неавтоматической перемычкой со стороны трансформаторов ..................... 36 
3.3.6. Схема «заход-выход» 
.................................................................................. 37 
3.3.7. Схемы четырехугольника и треугольника ............................................... 38 
3.3.8. Схема шестиугольника ............................................................................... 40 
3.3.9. Схема с одной секционированной системой сборных шин 
.................... 41 
3.3.10. Схема с одной секционированной системой сборных шин 
и с подключением трансформаторов через развилку из выключателей ......... 42 
3.3.11. Схема с одной секционированной системой сборных шин 
и с подключением присоединений через полуторную цепочку 
....................... 44 
3.3.12. Схема с одной секционированной системой сборных шин  
и с обходной системой шин ................................................................................. 45 
3 

3.3.13. Схема с одной секционированной системой сборных шин  
и с обходной системой шин с подключением трансформаторов  
через развилку из выключателей ......................................................................... 47 
3.3.14. Схема с двумя системами сборных шин 
................................................. 48 
3.3.15. Схема с двумя системами сборных шин и обходной системой шин 
... 50 
3.3.16. Схема с двумя секционированными системами сборных шин  
и обходной системой шин .................................................................................... 52 
3.3.17. Схема «трансформатор-шины» с двумя выключателями 
на присоединение .................................................................................................. 54 
3.3.18. Схема «трансформатор-шины» с полуторным  
присоединением линий 
......................................................................................... 55 
3.3.19. Полуторная схема (схема 3/2) ................................................................... 56 
3.4. Указания по применению отдельных групп схем 
....................................... 58 
3.4.1. Блочные схемы ............................................................................................ 58 
3.4.2. Мостиковые схемы, схемы «заход-выход» и «треугольник» 
................. 58 
3.4.3. Схемы четырехугольника и шестиугольника .......................................... 59 
3.4.4. Схемы со сборными шинами и одним выключателем  
на присоединение .................................................................................................. 59 
3.4.5. Схемы со сборными шинами и с двумя или «полутора»  
выключателями на присоединение 
...................................................................... 61 
3.4.6. Схемы для КРУЭ ......................................................................................... 61 
3.5. Порядок преимущественного выбора схем ................................................. 62 
3.5.1. Схемы, в которых количество выключателей не превышает числа  
присоединений; общее количество присоединений не более шести 
............... 62 
3.5.2. Схемы 35–220 кВ с одной или двумя системами сборных шин  
с количеством присоединений более шести 
....................................................... 63 
3.5.3. Схемы с коммутацией присоединений двумя  
и более выключателями 
........................................................................................ 64 
3.6. Примеры схем отдельных присоединений .................................................. 64 
ГЛАВА 4. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ .............................  66 
4.1. Расчётная схема .............................................................................................. 67 
4.2. Выбор расчётных точек короткого замыкания ........................................... 70 
4.3. Составление схемы замещения 
..................................................................... 71 
4.4. Преобразование схемы замещения 
............................................................... 76 
4.5. Расчёт тока трёхфазного короткого замыкания .......................................... 78 
4.6. Пример расчета токов трёхфазного короткого замыкания 
........................ 82 
4.6.1. Расчет токов короткого замыкания в максимальном режиме ................ 86 
4.6.2. Расчет токов короткого замыкания в минимальном режиме ................. 93 
ГЛАВА 5. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ 
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 
............................................................. 98 
5.1. Продолжительные режимы работы электрооборудования 
........................ 98 
5.2. Аварийный режим работы электрооборудования .................................... 101 
5.3. Выбор и проверка электрических аппаратов и токоведущих частей ..... 102 
5.3.1. Выбор и проверка выключателей высокого напряжения ..................... 102 
5.3.2. Выбор и проверка разъединителей высокого напряжения ................... 106 
4 

5.3.3. Выбор и проверка предохранителей выше 1 кВ .................................... 106 
5.3.4. Выбор и проверка выключателей нагрузки 
............................................ 107 
5.3.5. Выбор и проверка трансформаторов тока и напряжения ..................... 108 
5.3.5.1. Выбор и проверка трансформаторов тока ........................................... 108 
5.3.5.2. Выбор и проверка трансформаторов напряжения .............................. 112 
5.3.5.3. Выбор и проверка трансформаторов тока  
нулевой последовательности ............................................................................. 115 
5.3.6. Выбор и проверка токоограничивающих реакторов ............................. 115 
5.3.7. Выбор жестких шин .................................................................................. 118 
5.3.8. Выбор опорных и проходных изоляторов .............................................. 127 
5.3.9. Выбор гибких шин и токопроводов ........................................................ 129 
5.3.10. Выбор кабельных линий 
......................................................................... 130 
5.3.11. Выбор ограничителей перенапряжения 
................................................ 133 
5.3.12. Выбор ячеек КРУ, КРУН и КСО ........................................................... 135 
5.4. Пример выбора и проверки электрических аппаратов и проводников .. 136 
5.4.1. Выбор электрооборудования на вводе 110 кВ  
трансформатора 63 МВА .................................................................................... 136 
5.4.2. Выбор электрооборудования в цепи синхронного двигателя  
мощностью 630 кВт напряжением 10 кВ 
.......................................................... 140 
5.4.3. Выбор сборных шин напряжением 10 кВ 
............................................... 146 
5.4.4. Выбор трансформатора напряжения 10 кВ ............................................ 148 
ГЛАВА 6. СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ПОДСТАНЦИЙ 
................................... 150 
ГЛАВА 7. ВЫБОР ОПЕРАТИВНОГО ТОКА 
.................................................... 157 
7.1. Системы оперативного постоянного тока ................................................. 158 
7.1.1. Общие сведения 
......................................................................................... 158 
7.1.2. Состав и характеристика нагрузки источников  
постоянного тока ................................................................................................. 158 
7.1.3. Разновидности аккумуляторных батарей ............................................... 166 
7.1.4. Конструктивное исполнение аккумуляторной батареи ........................ 167 
7.1.5. Принцип действия свинцово-кислотных аккумуляторов ..................... 178 
7.1.6. Режимы работы аккумуляторных батарей ............................................. 180 
7.1.7. Формовка аккумуляторных батарей 
........................................................ 183 
7.1.8. Выбор аккумуляторных батарей 
.............................................................. 183 
7.1.9. Выбор зарядных и подзарядных агрегатов 
............................................. 188 
7.1.10. Схемы аккумуляторных установок ....................................................... 195 
7.1.11. Схемы распределения оперативного тока ............................................ 198 
7.1.12. Токоведущие части аккумуляторных установок ................................. 201 
7.1.13. Расчет токов короткого замыкания в системах  
оперативного постоянного тока 
......................................................................... 202 
7.1.14. Выбор защитных аппаратов и параметров их срабатывания ............. 210 
7.1.15. Компоновка аккумуляторных помещений ........................................... 213 
7.1.16. Компоновка щита постоянного тока ..................................................... 221 
7.2. Источники оперативного переменного и выпрямленного тока .............. 222 
7.2.1. Общие сведения 
......................................................................................... 222 
7.2.2. Технические данные блоков питания...................................................... 228 
5 

7.2.3. Схемы распределения оперативного переменного 
 и выпрямленного тока 
........................................................................................ 233 
7.2.4. Выбор и проверка блоков питания .......................................................... 237 
7.2.5. Выбор конденсаторов ............................................................................... 241 
ГЛАВА 8. КОНСТРУКЦИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ......... 242 
8.1. Застройка территории .................................................................................. 242 
8.2. Конструкция закрытых распределительных устройств ........................... 244 
8.3. Конструкция открытых распределительных устройств 
........................... 250 
8.3.1. Обеспечение безопасности 
....................................................................... 254 
8.3.2. Расстановка разъединителей .................................................................... 256 
8.3.3. Расстановка стационарных заземлителей 
............................................... 258 
8.3.4. Расстановка трансформаторов тока......................................................... 258 
8.3.5. Расстановка трансформаторов напряжения ........................................... 259 
8.3.6. Расстановка ОПН ...................................................................................... 259 
8.4. Пример компоновки распределительных устройств  
подстанции 110/10 кВ ......................................................................................... 259 
ГЛАВА 9. МОЛНИЕЗАЩИТА ПОДСТАНЦИЙ .............................................  263 
9.1. Общие положения ........................................................................................ 263 
9.2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода ............................. 264 
9.3. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода ................................. 265 
9.4. Зона защиты многократного стержневого молниеотвода 
........................ 266 
9.5. Пример расчета 
............................................................................................. 267 
ГЛАВА 10. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ................................... 269 
10.1. Общие положения ...................................................................................... 269 
10.2. Методика расчета заземляющих устройств в установках  
с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью ............................ 272 
10.3. Пример расчета 
........................................................................................... 280 
10.4. Методика расчета заземляющих устройств в электроустановках  
110 кв и выше с эффективно заземленной нейтралью .................................... 282 
10.4.1. Расчет по напряжению прикосновения 
................................................. 282 
10.4.2. Расчет по допустимому сопротивлению 
............................................... 287 
10.5. Пример расчета 
........................................................................................... 287 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 292 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................. 293 
ПРИЛОЖЕНИЕ П1 ............................................................................................... 297 
ПРИЛОЖЕНИЕ П2 ............................................................................................... 307 
ПРИЛОЖЕНИЕ П3 ............................................................................................... 309 
6 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Учебное пособие «Проектирование электрической части понизительных 
подстанций промышленного предприятия» предназначено для студентов бакалавриата направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Пособие ориентировано на курсовое проектирование в рамках базовой дисциплины 
профессионального цикла и выполнение выпускной квалификационной работы. 
Излагая материал, авторы ориентировались на стандарты, инструкции, руководящие указания, рекомендации, директивные документы, отвечающие современным требованиям проектирования главных понизительных подстанций 
промышленных предприятий. Авторами даны ссылки на основные нормативные документы, которыми необходимо руководствоваться студентам при выполнении курсового проекта и выпускной квалификационной работы. Также 
пособие содержит ссылки на каталоги электрооборудования, однако студентам 
при выборе оборудования понизительных подстанций рекомендуется самостоятельно пользоваться каталогами, как отечественных заводов-изготовителей,  
так и зарубежных, отдавая предпочтение первым. 
С целью улучшения усвоения теоретического материала к каждому разделу приведены примеры выполнения отдельных разделов курсового проекта. 
Учебное пособие отличается наличием обобщенной информации, полученной из первоисточников или литературы, содержащей материал по рассматриваемому вопросу. 
7 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Прием электрической энергии от энергосистемы и ее распределение  
по территории предприятия в системах промышленного электроснабжения 
осуществляют главные понизительные подстанции (ГПП). Таким образом, 
нарушение их работы может привести к значительному ущербу из-за недовыработки предприятием продукции или повреждения технологического оборудования. Проектирование ГПП является одним из наиболее ответственных этапов при разработке проекта электроснабжения промышленных предприятий и 
именно на этой стадии должны быть предусмотрены мероприятия по повышению надежности функционирования ГПП. Данные мероприятия заключаются  
в обоснованном выборе схем распределительных устройств, состава рабочего и 
резервного электрооборудования, современных проводников и электрических 
аппаратов, стойких к токам короткого замыкания и т. п. 
В пособии освещены вопросы расчета электрических нагрузок и компенсации реактивной мощности, являющихся основой для дальнейшего выполнения проекта. Рассмотрена методика выбора числа и мощности силовых трансформаторов ГПП на основе технико-экономического обоснования. 
Большое внимание уделено выбору схемы электрических соединений распределительных устройств высшего напряжения ГПП с целью обеспечения 
требуемой надежности без необоснованного удорожания и усложнения распределительного устройства. Приведена характеристика схем электрических соединений распределительных устройств тупиковых, транзитных и узловых 
подстанций напряжением 35–750 кВ. 
Рассмотрена методика расчета токов короткого замыкания на распределительных устройствах высшего и низшего напряжений ГПП в максимальном и 
минимальном режимах с учетом подпитки точки короткого замыкания высоковольтными и низковольтными двигателями. 
В пособии подробно изложены методики выбора и проверки проводников 
и аппаратов распределительных устройств ГПП по условиям их работы в нормальных, утяжеленных и аварийных режимах. 
Приведена методика приближенного определения нагрузки электроприемников собственных нужд подстанции с целью выбора числа и мощности трансформаторов собственных нужд. Рассмотрены основные положения по выбору 
источников оперативного тока. 
Кроме выбора электрооборудования важным этапом является проработка 
конструктивного исполнения распределительных устройств с учетом требований нормативных документов, а также с точки зрения обеспечения безопасности обслуживания, наглядности, компактности распределительного устройства, 
если этого требует ограниченная территория, отведенная под строительство 
подстанции. 
Безопасность обслуживания распределительных устройств и надежность 
их работы также обеспечивается за счет средств грозозащиты и заземления 
8 

подстанции, рассчитанных с учетом требований ПУЭ и конструктивного исполнения электроустановки. 
Учебное пособие составлено в соответствии с действующей нормативной 
документацией в области проектирования подстанций и объектов электроэнергетики, и кроме того содержит выдержки из требований ЕСКД к оформлению 
проектной документации. 
9 

ГЛАВА 1 
 
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК 
 
1.1. Расчет максимальных значений активной  
и реактивной нагрузок 
 
Максимальная активная мощность нагрузки на шинах низшего напряжения проектируемой подстанции определяется как 
 
нагр.max
с
уст
P
K P
 
, 
(1.1) 
где Kс – средневзвешенный коэффициент спроса по предприятию; Pуст – установленная мощность предприятия, МВт. 
 
Максимальная реактивная нагрузка при отсутствии достоверной информации о средневзвешенной величине коэффициента мощности рассчитывается 
следующим образом: 
 
i
нагр.max
нагр.max
СД
i
0,8
Q
P
P
§
·
 

¨
¸
©
¹
¦
, 
(1.2) 
где PСДi – номинальная активная мощность i-го синхронного двигателя (при их 
наличии). 
 
1.2. Выбор устройств компенсации реактивной мощности 
 
В соответствии с [22] определяется предельное значение коэффициента реактивной мощности в часы больших нагрузок (табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 
Предельные значения коэффициента реактивной мощности 
Положение точки присоединения потребителя 
 к электрической сети 
tgMпр 
Шины 110 кВ (154 кВ) 
0,5 
Шины 35 кВ (60 кВ) 
0,4 
Шины 6–20 кВ 
0,4 
Шины 0,4 кВ 
0,35 
 
В случае, если граница балансового раздела проходит на напряжении 
220 кВ и выше, tg Mпр задается энергоснабжающей организацией. 
10