1.7.2. Принципові, розрахункові та заступні схеми

Реальні електротехнічні об’єкти зображуються на папері у вигляді різних схем з використанням умовних позначень основного та допоміжного обладнання, елементів та їх параметрів. В залежності від призначення схеми поділяються на принципові, розрахункові та заступні.

Принципові схеми мають демонстраційний характер. Найчастіше вони виконуються як однолінійні, іноді – у трифазному зображенні. На принципових схемах вказують джерела живлення, трансформаторні підстанції, лінії розподілу та транспортування електроенергії, вимикачі, компенсувальні пристрої, а також за необхідності - трансформатори власних потреб, напруги та струму, обладнання захисту від перенапруг тощо.

На принципових схемах відображують основні взаємозв’язки між елементами, які зображуються відповідними стандартизованими умовними позначеннями та написами. Рівень деталізації таких схем може бути різний і залежить від тієї мети, для якої вони складаються. Принципова схема, зображена на рис. 1.3,а може, наприклад, використовуватись для техніко-економічних розрахунків. На ній повинні бути позначені типи основного обладнання (трансформаторів, вимикачів) та технічні параметри повітряної лінії (марка проводу, довжина, тощо) – все, що необхідно для визначення вартісних показників. Вона може бути також використана для складання розрахункової схеми.

а) б)

Рис 1.3 Принципові схеми зовнішньої системи електропостачання (а), приєднання силового трансформатора (б)

На рис.1.3,б показана принципова схема приєднання силового трансформатора, яка більш деталізована: вказані роз’єднувачі, розрядники, трансформатори струму, напруги. В разі необхідності можуть бути вказані кртушки приводів вимикачів, прилади вимірювання та обліку тощо. Така схема може бути використана як пояснювальна для схем вторинної комутації – захисту, автоматики, вимірювання тощо.

Розрахункова схема складається для підготовки вихідної інформації, необхідної для виконання розрахунків нормальних робочих, аварійних та післяаварійних режимів. Вона за своєю конфігурацією може повторювати спрощену принципову схему, але відрізняється тим, що на ній вказуються технічні дані, необхідні для визначення розрахункових параметрів. Приклад такої схеми, за основу якої прийнята мережа за принциповою схемою за рис.1.3,а наведений на рис.1.4. З розрахункової схеми видно, що для двоколової мережі з ідентичними паралельними елементами в кожному колі, для спрощення розрахунків можна скористатись одноколовою схемою. На розрахунковій схемі вказуються всі технічні дані елементів, які необхідні для визначення розрахункових параметрів та параметрів елементів заступної схеми. Так, для системи вказуються струми короткого замикання чи еквівалентний опір та ЕРС, або закон регулювання напруги на відповідних шинах, для ліній - номінальна напруга, довжина, марка проводу або погонні параметри; для трансформаторів – номінальні напруги та потужність, напруга та втрати активної потужності досліду короткого замикання, крок та межі регулювання напруги пристрою РПН або ПБЗ тощо.

Рис 1.4 Розрахункова схема електропостачальної системи

Після того, як визначені всі розрахункові параметри розрахункової схеми, можна приступати до побудови заступної схеми, яка складається з заступних схем елементів. Як відомо з електротехніки, джерела та споживачі представляються двополюсниками, а всі прохідні елементи – чотириполюсниками. За практикою, яка утвердилася, всі параметри приводились до одного ступеня напруги і розрахунки виконувалися у відносних одиницях. В сучасних умовах при користуванні ЕОМ з сучасним програмним забезпеченням визначити параметри у відносних одиницях часто нема потреби, вони вводяться в іменованих одиницях, приведених до ступені напруги, на якій знаходяться. Для розрахунку режимів простих радіальних мереж без використання ЕОМ теж рекомендується всі параметри визначити в іменованих одиницях.

Заступні схеми чотириполюсників можуть бути П-, Т- та Г-подібні. Для ліній електропередачі поздовжні параметри (активний та індуктивний опори) визначаються за погонними параметрами, наведеними у довідниках. Поперечні параметри (активна та ємнісна провідності), як правило, під час аналізу режимів розрахунків схем електропостачання не враховуються; лише для ліній 110 кВ і вище враховують ємнісну зарядну потужність (рис.1.5). В окремих випадках можна знехтувати активним опором, наприклад, при наближених розрахунках струмів КЗ в мережах високої напруги, або реактивним опором – при розрахунках струмів КЗ в мережах низької напруги.

Для трансформаторів при використанні іменованої системи одиниць на заступній схемі доцільно вказувати т.з. ідеальний трансформатор. Це надає можливість при читанні схеми однозначно визначати, до якої напруги (ВН чи НН) приведені параметри трансформатора (рис.1.6).

Рис 1.5 Заступні схеми лінії: а) Т-подібна; б) П-подібна; в) напругою 110 кВ без врахування поперечних параметрів; г) напругою нижче 110 кВ

Поперечні параметри трансформаторів можна не враховувати, в необхідних випадках їх приймають до уваги у вигляді втрат потужності.

Рис 1.6 Заступна схема трансформатора: а) з врахуванням поперечних параметрів; б) напругою 110 кВ і вище; в) напругою нижче 110 кВ

Для триобмоткових трансформаторів заступна схема може мати вигляд, показаний на рис. 1.7. Параметри всіх обмоток приведені до однієї, як правило, вищої напруги. Як правило, одна з обмоток (середньої напруги) обладнана пристроєм РПН (показано стрілкою).

a) б)

Рис. 1.7. Заступна схема триобмоткового трансформатора: а) поперечні параметри у вигляді активної та індуктивної провідностей; б) поперечні параметри у вигляді втрат неробочого ходу активної та реактивної потужностей

Поздовжні параметри двообмоткових трансформаторів визначають за даними досліду короткого замикання. Активний опір обмоток трансформатора визначають за формулою:

R_Т=Р_kU²_н 10^-3/S²_{н ,} (1.1)

де P_k – втрати активної потужності досліду короткого замикання (кВт);

U_н – номінальна напруга обмотки, до якої приводять параметри трансформатора (кВ), або номінальна напруга середнього відгалуження за наявності регулювання коефіцієнту трансформації на даній обмотці;

S_н – номінальна потужність трансфоматора (МВА).

Повний опір трансформатора залежить від напруги досліду КЗ і визначається в іменованих одиницях за формулою:

Z_T= U_k% U²_н / 100S_н (Ом)  X_T. (1.2)

Для триобмоткових трансформаторів та автотрансформаторів поздовжні параметри різних обмоток розраховують, як і для двообмоткових трансформаторів, але величини U_k та Р_k визначають за формулами:

U_k1=0.5 (U_k12+U_k13 - U_k23),

U_k2=0.5 (U_k12+U_k23 - U_k13), (1.3)

U_k3=0.5 (U_k23+U_k13 - U_k12),

Р_k1=0.5 (Р_k12+Р_k13 - Р_k23),

Р_k2=0.5 (Р_k12+Р_k23 - Р_k13), (1.4)

Р_k3=0.5 (Р_k13+Р_k23 - Р_k12).

Напруги дослідів КЗ U_kіj та відповідні втрати потужності Р_kіj наведені в паспортних даних. Як правило, реактивний опір однієї з обмоток заступної схеми близький до нуля.

Для трансформаторів (автотрансформаторів) з різними номінальними потужностями обмоток, паспортні значення U_k і Р_k повинні бути приведені до однієї потужності (зазвичай до потужності обмотки вищої напруги). Приведення виконується пропорційно відношенню номінальних потужностей обмоток, а приведення Р_k – пропорційно квадрату цього відношення.

Активна провідність трансформатора визначається за величиною втрат активної потужності досліду неробочого ходу Р_o (кВт):

G_T= Р_o 10^-3/U²_н (См) (1.5)

Реактивна провідність визначається величиною струму неробочого ходу І_o (%) за формулою

В_Т= І_o%S_T/100 U²_н (См). (1.6)

Визначення параметрів заступної схеми трансформаторів з розщепленою вторинною обмоткою має деякі особливості, які пов’язані в першу чергу з тим, що у довідниках їх вихідні параметри наведені, як для двообмоткових трансформаторів (вторинні обмотки вважаються увімкненими паралельно).

Застосування трансформаторів з розщепленою вторинною обмоткою значно зменшує струми короткого замикання в мережі нижчої напруги, що в свою чергу дозволяє використовувати простіше й дешевше обладнання. Практично в розподільчих мережах розщеплення вторинних обмоток застосовується для трансформаторів потужністю 25МВА і більше. Заступна схема такого трансформатора може мати вигляд, показаний на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Заступна схема трансформатора з розщепленою вторинною обмоткою

На заступній схемі параметри показані приведеними до вищої напруги; коефіцієнти трансформації ідеальних трансформаторів можуть бути різними, якщо вторинні напруги не однакові (наприклад, 6 та 10 кВ).

Трансформатори з розщепленою вторинною обмоткою характеризуються прохідним опором X_прох – опір трансформатора з умовно з’єднаними паралельно вторинними обмотками, та опором Х_розщ – між виводами розщепленої обмотки. Відношення Х_розщ/X_прох називають коефіцієнтом розщеплення K_розщ; індуктивний опір трансформатора, якщо вторинні обмотки з’єднані паралельно, можна визначити з виразу:

Х_Т= Х_прох= Х_в+(Х_н1·Х_н2)/( Х_н1+Х_н2), (1.7)

де Х_н1 =Х_н2= Х_розщ/2= Х_н,

звідки

Х_в=Х_Т – Х_н/2=Х_прох–Х_н/2=Х_прох–Х_прох·K_розщ/4=Х_прох·(1–K_розщ/4) = =Х_Т·(1–K_розщ/4). (1.8)

У довідниках не завжди є дані про коефіцієнт розщеплення. Реальні величини близькі до K_розщ = 3.5 [1.15]. Тому для практичних розрахунків можна прийняти: Х_в=0.125Х_Т ; Х_н1=Х_н2=1.75Х_Т.

Активні опори обмоток у першому наближенні вважають розподіленими порівну між обмоткою ВН та паралельно з’єднаними обмотками НН, тобто

R_T=R_В+R_н1^·R_н2/(R_н1+R_н2) =2·R_В, (1.9)

звідки

R_н1=R_н2=2·R_В. (1.10)

Таке положення можливе лише у випадку, коли середня довжина витка обмотки ВН l₁ дорівнює середній довжині витка обмотки НН l₂, однак це не відповідає дійсності. Якщо врахувати дійсні значення l₁ і l₂, то

R_В=R_T·l₁/(l₁+l₂),

R_н1=R_н2=2R_T·l₂/(l₁+l₂); (1.11)

Наприклад, у випадку співвідношення l₁/l₂=2, значення опорів обмоток будуть дорівнювати:

R_В=2/3·R_T; оскільки R_н1+R_н2=1/3, то R_н1=R_н2=2/3·R_T, (1.12)