Составление баланса активной и реактивной мощностей

Балансовые расчёты, то есть выявление дефицита (или избытка) мощности, позволяют установить возможные направления передачи электроэнергии, оказывающие влияние на формирование схемы проектируемой ЭС и выбор параметров её элементов.

В рассматриваемом курсовом проекте баланс мощностей составляют только для режима наибольших активных и реактивных нагрузок, принимая допущения, что потребление наибольших нагрузок у всех потребителей ЭС происходит одновременно.

Источники питания должны покрывать суммарную нагрузку ЭС , включающую активные нагрузки всех потребителей , потери активной мощности в линиях и трансформаторах .

, (4.1)

где потери активной мощности в сети ( ) принимают ориентировочно равными 6–8 % от суммарной активной мощности нагрузки потребителей; необходимый резерв мощностей , может быть приближенно принят равным 10 % от суммарной мощности соответствующей нагрузки.

Небаланс по активной мощности в ЭС

(4.2)

покрывает балансирующая станция. По величине и знаку небаланса можно судить о типе проектируемой ЭС. Если < 0 (дефицитная ЭС), то недостающую в ЭС мощность генерирует балансирующая станция; если > 0 (избыточная ЭС), то избыточная мощность передаётся из ЭС в балансирующий узел сети. Проектируемые для этого линии электропередач должны обладать достаточной пропускной способностью, их прокладывают по кратчайшему пути. В сбалансированной ЭС ( ) всю потребляемую мощность покрывает небалансирующая станция. Проектируемые связи с внешней ЭС (балансирующей станцией) обеспечивают надежность электроснабжения.

В отличие от активной мощности реактивная нагрузка ЭС

(4.3)

может быть покрыта как генераторами электростанций, так и компенсирующими устройствами (синхронными компенсаторами, конденсаторными батареями и др.).

Режим реактивной мощности линий зависит от режима напряжений. При повышении напряжения потери реактивной мощности уменьшаются, а генерируемая линиями зарядная мощность увеличивается. На первоначальной стадии проектирования параметры ЭС неизвестны.

Для упрощения полагают, что все линии работают в режиме натуральной мощности. Тогда при составлении баланса реактивной мощности можно принять условие . Поэтому получают следующее уравнение баланса реактивной мощности:

. (4.4)

Потери реактивной мощности в трансформаторах на одну трансформацию равны приблизительно 10% от полной мощности нагрузок.

Величину реактивной мощности, поступающей от станций , следует определять по небалансу активной мощности в ЭС и коэффициенту мощности , с которым запланирована выдача мощности с шин этих источников

. (4.5)

Значение коэффициента мощности следует принимать для всех источников равным 0,90–0,95 при выдаче реактивной мощности по воздушным линиям (ВЛ) 35–220 кВ и 0,95–1,00 по ВЛ более высоких напряжений [2].

Тогда можно определить мощность компенсирующих устройств (КУ), обеспечивающую баланс реактивной мощности ЭС:

. (4.6)

Причем условие свидетельствует о достаточном общем располагаемом резерве реактивной мощности ЭС. Однако передать эту мощность электропотребителям можно только в концентрированных ЭС. Последними считают ЭС с относительно небольшой удаленностью электропотребителей от генерирующих источников.

В дефицитной по реактивной мощности ЭС ( ) необходимо размещение КУ. Оцененная суммарная мощность КУ распределяет по потребительским подстанциям проектируемого района в соответствии со средним по условию баланса коэффициентом мощности подстанций

. (4.7)

Тогда можно найти мощность компенсирующих устройств каждой подстанции, отвечающую балансу реактивной мощности ЭС:

. (4.8)

Если коэффициент мощности на каких-либо подстанциях выше, чем аналогичная величина, соответствующая балансу реактивной мощности ЭС, то на этой подстанции КУ не устанавливают. Исключив нагрузку такой подстанции из дальнейших расчётов, определяют новое значение коэффициента мощности остальных подстанций, соответствующего балансу реактивной мощности:

. (4.9)

В соответствии с (4.8) уточняют мощность КУ каждой подстанции. На подстанциях, где квар, нецелесообразна установка конденсаторных батарей. Их распределяют между ближайшими подстанциями так, чтобы .

КУ снижает общую (расчётную) мощность подстанции

. (4.10)

Составив балансы мощностей, определяют общее потребление мощностей ЭС, её расчётные нагрузки для дальнейших расчётов, выбора параметров ЭС и оценки электрического состояния системы в нормальных и послеаварийных режимах.

Целесообразность дополнительной установки, оптимального распределения КУ определяют экономическими расчётами оптимальных режимов ЭС.

Составление вариантов схем соединений сети

Число вариантов схем соединений ЭС быстро возрастает с ростом числа узлов. Уменьшение числа схем, подлежащих перебору, определение оптимальной схемы ЭС может быть выполнено методами математического программирования ЭВМ [15].

Приступая к проектированию, намечают не менее пяти-шести вариантов схемы сети, различных по конфигурации. Каждый вариант предусматривает надежное электроснабжение потребителей I категории по схеме с резервированием линий и понижающих трансформаторов подстанций. Электроснабжение пунктов, в которых отсутствуют потребители I категории, можно осуществлять по схемам без резервирования элементов сети. Целесообразность резервирования потребителей II категории определяют на основе экономической оценки ущерба от недоотпуска электроэнергии.

Намечаемые варианты не должны быть случайными. Каждый вариант должен иметь ведущую идею построения сети. Сеть может быть построена по радиальному, магистральному, замкнутому и смешанному типу. Радиально-магистральные сети, питающие потребителей I категории, выполняют не менее чем двухцепными линиями электропередачи. Замкнутая сеть может быть одноцепной. Разработку вариантов следует начинать с наиболее простых схем, т.е. схем с минимальным количеством линий и электрооборудования подстанций (выключателей, разъединителей и т. д.).

Трассы линий от источников до пунктов электропотребления необходимо прокладывать по возможно короткому пути, с первоочередным подключением наиболее мощных нагрузок. Следует избегать сооружения протяженных незагруженных участков ЭС, используемых только в послеаварийных режимах.

Для обеспечения высокого уровня устойчивости параллельной работы электростанций и условий для широкого маневрирования мощностями предусматривают жесткие связи между электростанциями, т. е. с небольшой реактивностью и не менее чем по двум линиям.

Возможные варианты проектируемой ЭС при заданном расположении нагрузок I категории и источников питания показаны на рис. 4.1, где предполагают возможность прокладки трассы линий по прямой.

В соответствии с принципиальными схемами сети составляют варианты схем электрических соединений ЭС с учетом схем соединений станций и подстанций, влияющих на проектируемую сеть.

Одним из достоинств схемы подстанций является простота. При выборе схемы подстанции необходимо стремиться к этому, в частности, к минимальному количеству выключателей 35 – 220 кВ. На транзитных и тупиковых подстанциях следует применять схемы подстанций с отделителями и короткозамыкателями (рис. 4.2).

Вместе с тем, для удобства эксплуатации и гибкости схемы на узловых подстанциях, как правило, нужны выключатели во всех основных цепях. При одноцепных линиях кольцевой сети с двухтрансформаторными подстанциями следует широко применять схему подстанции содним выключателем в перемычке и отделителями в цепях трансформаторов (рис. 4.3).

Станции показывают схемами распределительных устройств (РУ) высшего напряжения без изображения генераторных цепей. Поскольку схемы РУ станций и подстанций зависят от количества присоединений (линий, трансформаторов), то завершают разработку этих схем после определения экономических сечений проводов отходящих линий и числа трансформаторов.

Разработку вариантов схемы ЭС выполняют в следующей последовательности:

1. Наносят в масштабе расположение станций и подстанций на плане. Указывают протяженность возможных трасс.

2. Обозначают станции, а также подстанции, потребители которых требуют резервирования. Выделяют близко расположенные подстанции, которые целесообразно объединить общей сетью. Электроснабжение удаленных подстанций осуществляют отдельными линиями.

3. Намечают целесообразные варианты выполнения ЭС в соответствии с приведенными рекомендациями. По возможности выбирают тип опор, исполнение двухцепных линий.

4. Составляют эскизы схем подстанций, указав основное коммутационное оборудование (выключатели, отделители).

а	б
в	г
д	е
ж	з
и	к
Рис. 4.1 – Примеры возможных вариантов схем проектируемой ЭС

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

к

л

м

н

о

Рис.4.2 – Схемы упрощенных подстанций 35–220 кВ; а, б, в, г, д, е – тупиковые; ж, з, и, к, л, м, н, о – транзитные (проходные)

а	б	в
г	д
Рис. 4.3 – Схемы узловых подстанций 35 – 220 кВ

5. Выделяют варианты, в которых, на основе приближенной оценки потокораспределения, отключение одной из линий приводит к наибольшему снижению напряжения.

4.1.3. Расчёт приближённого потокораспределения

Для правильного выбора номинальных напряжений и сечений проводов участков ЭС необходимо определить потокораспределение в сети. На данном этапе проектирования оценивают потокораспределение приближенно, со следующими допущениями:

1. Заданные (или полученные после установки КУ) нагрузки в узлах принимают в качестве расчетных. При этом не учитывают потери в трансформаторах подстанций, емкостные (зарядные) мощности линий, примыкающих к узлам.

2. Режим работы станции с заданной мощностью (узел 1) считают неизменным. Мощность указанной станции учитывают как отрицательную нагрузку. Балансирующая станция (система Б) позволяет выдавать (потреблять) любую мощность, потребляемую ЭС или выдаваемую в систему.

3. Потокораспределение в ЭС определяют из условия постоянства напряжений во всех узлах сети, т. е. без учета потерь мощности, по первому закону Кирхгофа для мощностей:

. (4.11)

При этом расчет в разомкнутых (радиально – магистральных) ЭС следует начинать с наиболее удаленного узла, а в кольцевых – с наиболее приближенного к источнику узла, предварительно определив потоки мощности на прилегающих к источнику участках по формулам:

, . (4.12)

4. Замкнутые сети предполагают однородными, что позволяет определить потокораспределение активных и реактивных мощностей независимо друг от друга по «приведенным длинам» в результате решения двух систем уравнений вида

, , , (4.13)

где K – число независимых контуров; , – активная и реактивная мощность участка сети j контура k; –длина линии участка j; – количество параллельных ветвей участка j.

В приближенных расчетах можно также допустить постоянство коэффициентов мощности cos φ всех нагрузок узлов. В этом случае производят распределение полных мощностей по их модулям.

, . (4.14)

5. Распределение нагрузок между несколькими параллельными линиями принимают одинаковым.

Расчет потокораспределения в каждом варианте ЭС производят для максимальных нагрузок в нормальном (при включении всех цепей) и наиболее тяжелом послеаварийном (ремонтном) режимах работы.