Раздел IV. Расчет режимов электрических сетей

Расчеты режимов электрических сетей выполняются для определения: · загрузки элементов сети, соответствия пропускной способности сети ожидаемым потокам мощности; · сечений проводов и кабелей и мощностей трансформаторов и АТ; · уровня напряжений в узлах и элементах сети и мероприятий, обеспечивающих поддержание напряжения в допустимых пределах потерь мощности и электроэнергии для оценки экономичности работы сети и эффективности способов снижения потерь; · уровня токов КЗ, соответствия существующей или намечаемой к установке аппаратуры ожидаемым токам КЗ, мероприятий по ограничению токов КЗ; · пропускной способности сети по условиям устойчивости. Исходными данными для расчета режимов служат: 1. Схема электрических соединений сети, характеризующая взаимную связь ее элементов. 2. Сопротивления и проводимости элементов. 3. Расчетные мощности нагрузок. 4. Значения напряжений в отдельных точках сети. И иногда: 5. Заданные диспетчерским графиком мощности, поступающие от источников питания. Практическое применение нашли два основных метода расчета: 1. Систематизированного подбора, 2. Последовательных приближений (итерационный способ решения). Первый эффективен в простых случаях, второй - основной для расчета сетей. Он предусматривает постепенный переход от более грубых ответов к более точным. Первое приближение (нулевая итерация) может быть просто задано на основании представлений о возможных значениях искомых величин. В качестве первого приближения обычно принимают предположение о равенстве напряжений во всех точках сети номинальному напряжению ее элементов. Введение такого предположения позволяет определить мощность нагрузки по формуле: Ii=S*i/(√3∙U*i); (1) Ii - ток нагрузки; S*i - мощность нагрузки. Токи нагрузок и остальные параметры режима сети и в том числе напряжения на зажимах нагрузки. Последние являются уже вторым приближением к истинному решению. Основываясь на нем можно вновь с помощью формулы (1) найти токи и продолжать расчеты до тех пор, пока результаты последующих приближений не будут с заданной точностью отличатся от результатов предыдущих. Практика показывает, что во многих случаях можно ограничиться решениями, полученными при второй и первой итерациях. Расчетные схемы электрических сетей Режим электрической сети рассчитывается применительно к схеме замещения. Схема получается в результате объединения схем замещения отдельных элементов сети. В расчетной практике выделяют два вида электрических сетей и соответствующих им расчетных схем: · разомкнутые; · замкнутые. Рис. 1 Принципиальные схемы этих сетей показаны на рис. 1а, 2а. Схемы замещения при напряжении 110кВ и выше приведены на рис. 1б и 2б. Схемы замещения местных сетей (U<=35кВ) - на рис. 1в и 2в. Рис 2 К числу простейших замкнутых относятся кольцевые сети рис. 2, а также сети и отдельные электропередачи с двухсторонним питанием, связывающие друг другом независимые источники мощности рис. 3.   Рис. 3 Для упрощения расчетных схем с номинальным напряжением <=220кВ при упрощенных расчетах вводят понятие расчетной нагрузки. Возможность упрощения расчетной схемы посмотрим на примере (рис.4).   Рис. 4 а В этой схеме к шинам подстанции 1, на которой установлен трансформатор Т1, подходят две линии районной эл.сети.   Рис. 4 б В этой схеме суммарная мощность, приходящая от линии к узлу 1 (проходящая по сопротивлениям Z1 и Z2): SΣ=S1-jQ’c1-jQ’c1=Sрас1, причем мощность S1 отличается от мощности нагрузки S’н1 на величину потерь в обмотках трансформатора (в сопротивлении Zт) и его потерь холостого хода, т.е. S’1=S’н1+ΔPТ+jΔQТ. Если перед расчетом режима всей сети предварительно определить мощность SΣ(Sрас1), то она отразит влияние и емкостной проводимости (зарядной мощности линий) и потерь мощности в трансформаторе на режим ветвей расчетной схемы, примыкающей к T.1 и на режим всей рассчитываемой сети. В этом случае схема замещения упрощается и принимает вид (рис. 4в). Рис. 4 в Sрас1=SΣ1=Sн1+ΔPТ+jΔQТ-jQ’c1-jQ’c1. Sрас1=SΣ1 называется расчетной мощностью подстанции. Вычисление расчетной мощности подстанции предшествует расчету режима сети Т.к. напряжение в узловых точках схемы замещения пока неизвестны, то слагающие расчетной мощности должны определяться по номинальному напряжению сети: Зарядные мощности линий: jQ’c1=U2ном∙b1/2; jQ’c2=U2ном∙b2/2. Потери в трансформаторах: ΔPТ=3I22rT+ΔPХХ=(P22+Q22)/U22ном∙rT+ΔPXX; ΔQТ=3I22xT+ΔQХХ=(P22+Q22)/U22ном∙xT+ΔQXX; ΔPТ=ΔPКЗ∙S22/S22ном+ΔPХХ; ΔQТ=Uk%/100∙S22/S22ном+Iμ%/S2ном. Расчет по номинальному напряжению обуславливает меньшую точность. Расчет режимов линий электропередач в послеаварийных режимах Наиболее тяжелые – выход из строя и отключение участков 1-2 и 3-4 (ближайших к источнику питания). Проанализируем эти режимы и определим наибольшую потерю напряжения ΔUнб в режиме, когда отключен участок 4-3 рисунок е). Обозначим наибольшую потерю напряжения ΔU1-3 ав. В режиме, когда отключен участок 1-2 (рисунок ж), наибольшую потерю напряжения обозначим ΔU4-2 ав. Надо сравнить ΔU1-3 ав. и ΔU4-2 ав. и определить наибольшую потерю напряжения ΔUав.нб Если линия с двусторонним питанием имеет ответвления (рис. з), то определение наибольшей потери напряжения усложняется. Так, в нормальном режиме надо определить потери напряжения ΔU1-3, ΔU4-3, ΔU1-2-5, сравнить их и определить ΔUнб. Далее чтобы определить ΔUнб.ав. в послеаварийном режиме, надо рассмотреть аварийные отключения головных участков 1-2 и 4-5.

Режим энергосистемы в самом общем виде определяется как со­вокупность условий, в которых происходит процесс производства, пре­образования, распределения и потребления электроэнергии. Энергосистема представляет собой большое число различных, но взаимосвязанных единством производственного процесса элементов, находящихся в том или ином состоянии, каждый из которых влияет на режим энергосистемы в целом.

Основной целью расчетов режимов при проектировании электрических сетей является определение их параметров, характеризующих условия в которых работают оборудование сетей и ее потребители, а также определение потерь напряжения. Результаты расчетов режимов сетей являются основой для оценки качества электроэнергии, выдаваемой потребителям, допустимости рассматриваемых режимов с точки зрения работы оборудования сети, а также выявления оптимальных условий энер­госнабжения потребителей.

Исходными данными при расчетах режимов электрической сети являются известные мощности потребительских подстанций, величины напряжения источников питания или подстанций систем, получающих энергию по электрическим сетям от электростанций, а также параметры и взаимосвязь элементов сетей, на основе которых составляется расчетная схема замещения.

Результаты расчетов режимов сетей являются основной документацией для выявления допустимости рассматриваемых режимов, оценки качества электроэнергии, выдаваемой потребителям, выявление наилучших условий функционирования систем.

Режим подстанции в основном определяется значениями суммарной активной и реактивной мощности, напряжением и частотой на сборных шинах подстанции, которые взаимосвязаны как с режимом работы энергосистемы, так и работой самой подстанции.

Расчеты режимов являются одним из самых распространенных и регулярно выполняемых расчетов при проектировании и эксплуатации электрических систем. При этом в качестве исходных данных в большинстве случаев используются:

• схемы сети и параметры элементов;

• активные и реактивные мощности нагрузок;

• активные и реактивные мощности станций;

• модуль и аргумент напряжения в одном из узлов, который называется базисным.

Режим энергосистемы задается по узловым точкам, основным параметрам системы. В разработку режима энергосистемы входит: обеспечение нормальных параметров частоты и напряжения, установление величины и характера ожидаемого потребления энергии и максимума нагрузки, распределение нагрузок между подстанциями энергосистемы с соблюдением экономичности и надежности, установление и распределение резерва мощности и т.д., разработка режима энергосистемы, установление и проверка надежности схемы электрических соединений, расчеты для наиболее характерных периодов, потокораспределения их в энергосистеме и уровней напряжения в узловых точках, расчет динамической и статической устойчивости и т.д.

Проектирование электрической сети – задача комплексная, предполагающая решение технических и экономических вопросов применительно к исходным данным, определяемым техническим заданием на разработку проекта.

В техническом задании на проектирование обычно приводятся мощности нагрузок с указанием состава потребителей по категориям их электроснабжения, наиболее характерные суточные графики нагрузок или время использования наибольшей нагрузки в году, вторичное напряжение подстанций, их расположение относительно друг друга и возможных источников питания, указания о возможных путях дальнейшего развития сети. В процессе проектирования, на основании исходных данных, имеющихся в техническом задании, выбирается: номинальное напряжение; рациональная схема сети; сечение проводов и кабелей линий, образующих сеть; определяется мощность и число трансформаторов или автотрансформаторов на подстанциях; разрабатываются схемы их электрических соединений; оценивается необходимость установки на подстанциях источников реактивной мощности и их наиболее экономичное размещение; определяются средства регулирования напряжения.

В настоящее время в практике проектирования электрических сетей применяется метод вариантного сопоставления на основе определения приведенных затрат. Предполагаемые варианты сооружения сети могут отличаться номинальным напряжением, конфигурацией схемы, иметь разную надежность электроснабжения потребителей в тех случаях, когда это возможно. Но должны быть технически осуществимы, а также удовлетворять требованиям. Только такие варианты сети подлежат дальнейшему экономическому анализу с целью выявления наиболее рационального из них, причем критерием для оценки наиболее целесообразного варианта является минимум приведенных затрат. Если же различие в приведенных затратах сопоставляемых вариантов лежит в пределах точности задания исходных данных, то для окончательного решения принимаются во внимание дополнительные характеристики вариантов, а именно: условия, эксплуатации сети, возможность ее дальнейшего развития, наличие среди вариантов сети с более высоким номинальным напряжением, необходимые средства регулирования напряжения. Наиболее простая возможность введения дополнительных средств автоматизации сети и многое другое. Технология проектирования предусматривает рассмотрение нескольких вариантов развития электрической сети и может быть представлена последовательностью следующих этапов.

Выбор схемы подстанции. При проектировании подстанции пред­варительно составляют схему ее электрических присоединений. Схемой электрических соединений называется чертеж, на котором показано соединение всех элементов установки, составляющие цепь передачи электрической энергии от источника к потребителю. При выборе схемы подстанции следует учитывать число присоединений, требования к надежности присоединения потребителей и обеспечения пропуска через подстанцию перетоков мощности по межсистемным и магистральным линиям электропередачи, возможности перспективного развития.

К схемам районных подстанций напряжением 110/35/10, 110/10 или 35/10 кВ предъявляют следующие требования:

• схема должна обеспечивать надежное питание присоединенных потребителей в нормальном, аварийном и послеаварийном режимах в соответствии с категориями нагрузки;

• схема должна быть достаточно простой, надежной и удобной в эксплуатации,

• содержать, по возможности, простые и дешёвые коммутационные аппараты;

• число отходящих линий не должно превышать пяти-шести;

• схема подстанции должна допускать ее развитие при дальнейшем росте нагрузок потребителей.

На подстанции должен быть предусмотрен учет отпущенной потребителям электрической энергии.

Выбор трансформаторов новой подстанции. На подстанциях высокое напряжение питающих линий понижается до более низкого напряжения, при котором электроэнергия распределяется потребителям. Поэтому основным оборудованием подстанции является силовой трансформатор (трансформаторы предназначены для повышения напряжения (на электростанциях), повышения и понижения напряжения при передаче и распределении электрической энергии потребителям). Кроме того, в состав подстанции входят распределительные устройства первичного и вторичного напряжения, устройства управления, сигнализации и защиты.

В общем случае выбор количества трансформаторов на подстанции определяется составом потребителей, мощностью их нагрузки, количеством номинальных напряжений. Однако, как правило, в обычных условиях на подстанциях предусмотрена установка двух трансформаторов. При этом предполагается, что при аварийном выходе одного трансформатора, оставшийся будет обеспечивать нормальную нагрузку подстанции с учетом допустимой перегрузки. Мощность каждого трансформатора на двух трансформаторной подстанции выбирают следующим образом:

Определяют

Sтр = (0,65 + 0,7)·Snc

где Sтр - мощность одного трансформатора, МВА;

Snc - максимальная мощность, проходящая через оба трансформатора, МВ·А.

Мощность трансформаторов на подстанции в нормальных условиях обеспечивает питание электрической энергией всех потребителей, подключенных к данной подстанции. При выборе трансформаторов на проектируемой подстанции следует учитывать перегрузочную способность трансформаторов при работе в аварийном режиме.

Выбор сечений проводов новых линий электропередачи. Основными исходными данными для проектирования линии являются передаваемая мощность, дальность передачи, топографические, геологические и климатические условия в районе прохождения линии.

При проектировании учитываются также требования ПУЭ к конструктивным элементам воздушной линии для каждого режима работы, а также требования к линиям в зависимости от местностей с различной плотностью населения.

При расчете и выборе конструкций ВЛ учитывают климатические условия, определяющие воздействия на ВЛ ветра, температуры, атмо­сферных осадков, гололеда, грозы. Для линий различных напряжений предусмотрены различные расчетные климатические условия, то есть сочетания внешних атмосферных нагрузок (ветра и гололеда) на элементы линии.

При проектировании ВЛ делают расчет на механическую прочность, чтобы линия могла выдерживать перегрузки от ветра и гололеда но в то же время учитывают необходимость экономии и то обстоятельство, что наибольшие перегрузки случаются не каждый год.

Расстояние между опорами выбирают так, чтобы стоимость линии была наименьшей.

Для линий электропередачи в основном применяются сталеалюминевые провода марок АС, отличающиеся друг от друга различным отношением сечений алюминиевой и стальной частей.

По условию механической прочности на линиях выше 1000 В применяются исключительно многопроволочные провода.

Сечение проводов новых линий электропередач определяется по экономическим интервалам .

Проверка провода по длительной допустимой токовой нагрузке.

В условиях такой проверки максимальные рабочие токи линии сопоставляют с допустимыми токами на нагрев для проводников, выбранных предварительно по условиям экономической эффективности.

При выводе из строя одной цепи линии, по оставшейся в работе цепи должна передаваться прежняя мощность, то есть ток линии увеличивается в два раза по сравнению с нормальным режимом:

Iр.m. = 2Iтах.

Выбранное сечение считается удовлетворяющим условиям нагрева в установившемся режиме работы, если удовлетворяется условие:

Iр.m ≥1доп.