Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование электроэнергетических систем. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Е. А. ПЕЧАГИН, А. В. КОБЕЛЕВ, В. А. ЧЕРНЫШОВ,
Ж. А. ЗАРАНДИЯ, Ю. А. КОЗЛОВА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Утверждено Ученым советом университета в качестве
учебного пособия для студентов 4, 5 курсов направления
подготовки «Электроэнергетика и электротехника»
всех форм обучения
Электронное учебное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2021
1
УДК 620.9(075.8)
ББК Á27-016я73
П79
Ре це н з е н т ы :
Доктор технических наук, профессор,
проректор по НИД ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Д. Ю. Муромцев
Кандидат технических наук, исполнительный директор
АО «Объединённые региональные электрические сети Тамбова»
Ю. Н. Дёмин
П79
Проектирование электроэнергетических систем [Электронный
ресурс] : учебное пособие / Е. А. Печагин, А. В. Кобелев, В. А. Чернышов, Ж. А. Зарандия, Ю. А. Козлова. – Тамбов : Издательский
центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2021. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). –
Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II; CD-ROMдисковод ; 21,8 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана. – ISBN 978-5-8265-2354-4
Представлен обширный теоретический материал по специфическим вопросам расчётов различных режимов электроэнергетических
и электрических систем.
Предназначено для студентов 4, 5 курсов направления подготовки
«Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения.
УДК 620.9(075.8)
ББК Á27-016я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-2354-4
за разработчиком.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Тамбовский государственный
технический университет»
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2021
2
ВВЕДЕНИЕ
Опережающий рост электроэнергетики, необходимый для успешного развития экономики страны, а, следовательно, и значительное
увеличение мощности электроустановок при сокращении сроков ввода
в эксплуатацию отдельных объектов, повышенные требования к надёжности и экономичности электроустановок, создание качественно
новых видов электроустановок, электрооборудования, электротехнических материалов и широкое внедрение средств автоматики – всё это
предъявляет повышенные требования к совершенствованию расчётной
базы электроэнергетических систем и повышенным требованиям к
специалистам в области электроэнергетики.
Объём и содержание расчётов при проектировании электрических
сетей во многом определяется задачами перспективного развития и
учётом аварийных режимов работы, основным из которых является
короткое замыкание.
При подготовке материала для пособия учитывалось, что ряд общих сведений, предусмотренных программой по общетехническим
вопросам, учащиеся получат при прохождении соответствующих дисциплин (Теоретические основы электротехники, Активно-адаптивные
электрические сети, Материаловедение, Электрические и электронные
аппараты, Электрические машины, Электрический привод, Релейная
защита и автоматика объектов электроэнергетики).
3
1. ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОКОВ
КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
При проектировании электроэнергетических систем и электрических сетей учитываются множественный факторы, которые прежде
всего должны обеспечить повышенную надёжность и экономическую
целесообразность создаваемого объекта. Наиболее ответственным и
серьёзным вопросом теоретических исследований в этом направлении
является расчёт токов коротких замыканий (к.з.) и анализ созданных
ими аварийных режимов. Поэтому в данном издании, которое направлено на обеспечение проектировщиков практическим материалом в
области расчётов электрических сетей, особое место уделено данной
проблеме. Расчёт токов коротких замыканий в дальнейшем позволяет
более осознанно и ответственно подойти к выбору того или иного
электроэнергетического оборудования.
Вычисление токов короткого замыкания производится с целью:
− сопоставления и выбора наиболее рационального варианта по-
строения схемы электроснабжения;
− определения условий работы потребителей при аварийных
режимах;
− выбора электрических аппаратов, шин, изоляторов, силовых
кабелей;
− выбора средств ограничения токов к.з.;
− определения влияния линии электропередачи на линии про-
водной связи;
− проектирования и настройки устройств релейной защиты и ав-
томатики;
− проектирования защитных заземлений;
− подбора характеристик разрядников для защиты от перена-
пряжения;
− проведения различных испытаний;
− анализа происшедших аварий.
Для выбора электроаппаратов достаточно очень приближённое
определение токов к.з. Для выбора и настройки релейной защиты и
автоматики точность расчёта должна быть выше.
При расчётах токов к.з. составляют расчётную схему, в которую
входят все участвующие в питании к.з. источники тока и все элементы
(трансформаторы, воздушные и кабельные линии, реакторы) связей с
местом к.з. и между собой.
4
1.1. СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ СХЕМЫ И
Расчётная схема для определения токов к.з. представляет собой,
как правило, однолинейную схему электрической сети, в которой работают электрические аппараты и проводники, подлежащие выбору и
проверке по условиям короткого замыкания.
В расчётную схему вводятся все генераторы, синхронные компенсаторы, синхронные и асинхронные электродвигатели напряжением выше 1000 В, имеющие небольшую электрическую удалённость от
точки к.з., а также трансформаторы, автотрансформаторы, реакторы,
токопроводы, воздушные и кабельные линии, связывающие источники
питания с местом к.з.
Считается, что электродвигатели имеют небольшую электрическую удалённость от точки к.з., если они связаны с ней непосредственно через линейные реакторы, линии электропередачи и токопроводы, в случаях, когда двигатели присоединены к обмотке трёхобмоточного трансформатора с близким к нулю сопротивлением соответствующего луча схемы замещения при к.з. на шинах, связанных с другой
обмоткой трансформатора, а также, если точка к.з. и электродвигатели
связаны одной трансформацией.
Если значительно удалённые электрически от точки к.з. генераторы и синхронные компенсаторы (например, энергосистемы) заданы в
виде обобщённого эквивалентного источника с известной величиной
периодической составляющей начального тока In0 или соответствующей мощностью Sn0 при трёхфазном к.з. в данной узловой точке,
то этот эквивалентный источник изображается на схеме как генератор,
присоединённый к указанной узловой точке.
В расчётной схеме показываются также электрические аппараты и
проводники, подлежащие выбору и проверке по условиям к.з. (по одному типопредставителю) за исключением трансформаторов тока,
разъединителей, отделителей, короткозамыкателей и т.п.
При составлении расчётной схемы следует учитывать ближайшее
(в течение примерно пяти лет) развитие сети, энергосистемы и электроустановок промышленного предприятия.
В расчётной схеме указывается:
a) для каждого обобщённого эквивалентного источника – наименование (например: «энергосистема» или «ТЭЦ»); заданная величина
периодической составляющей начального тока I
вующей мощности Sn0, (МВА) трёхфазного к.з. в месте присоединения
указанного источника к сети, где рассчитываются токи к.з.;
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
, (кА) или соответст-
n0
5
b) для генераторов – условное обозначение (например, G1), но-
*
минальная мощность (МВт), cosφн;
′′
X
(Ом); постоянная времени Та
d
(с);
c) для синхронных компенсаторов – условное обозначение (на-
*
пример GC), номинальная мощность (МВт);
′′
X
(Ом) и постоянная
d
времени Та (с);
d) для синхронных двигателей – условное обозначение (напри-
*
мер М1), номинальная мощность (МВт); cosφн; к.п.д. %;
′′
X
(Ом) или
d
кратность пускового тока;
e) для асинхронных двигателей – условное обозначение (напри-
мер М2), номинальная мощность (МВт); cosφн; к.п.д. (%); кратность
пускового тока;
f) для трансформаторов и автотрансформаторов – условное обозначение (например Т1), номинальная мощность (МВА); номинальное
напряжение обмоток (кВ); напряжение короткого замыкания (% от
U
);
ном
g) для реакторов – условное обозначение (например LR1), номинальное индуктивное сопротивление (Ом) и номинальный коэффициент связи (только для сдвоенных реакторов);
h) для воздушных и кабельных линий электропередачи – условное обозначение (например ВЛ или КЛ), удельное индуктивное и активное сопротивление (Ом/км); длина линии (км);
i) для токопроводов – условное обозначение (например L), наибольшее удельное индуктивное и активное сопротивление фазы; длина
токопровода.
Допускается при изображении на расчётной схеме однотипных,
одинаково соединённых с точкой короткого замыкания электродвигателей, показывать их в виде одного эквивалентного двигателя, мощность которого записывается в виде числа объединённых двигателей,
умноженного на мощность одного двигателя.
Схема замещения составляется на основании расчётной схемы,
все элементы которой представляются соответствующими сопротивлениями, а элементы, генерирующие ток короткого замыкания, вводятся как внутренними индуктивными сопротивлениями, так и источниками Э.Д.С.
Все трансформаторные связи на схеме замещения представляются
электрическими.
6
При составлении схемы замещения и последующем расчёте токов
к.з. не учитывается:
− расхождение по фазе векторов Э.Д.С. источников питания;
− ёмкостные проводимости на землю линий электропередачи
напряжением до 220 кВ включительно;
− насыщение магнитных систем генераторов, трансформаторов
и электродвигателей;
− различие значений сверхпереходных сопротивлений по про-
дольной и поперечной осям синхронных машин;
− возможная несимметрия трёхфазной системы;
− качания генераторов и синхронных электродвигателей;
− влияние регулирования коэффициента трансформации сило-
вых трансформаторов на величину напряжения короткого замыкания
(U
, %) этих трансформаторов;
к.з
− влияние активных сопротивлений различных элементов расчёт-
ной схемы на величину периодической составляющей тока к.з. в начальный момент времени, если суммарное сопротивление схемы до точки к.з.
не превышает 30…35% суммарного индуктивного сопротивления;
− переходные сопротивления в месте к.з.;
− недвигательная нагрузка и электродвигатели напряжением
ниже 1000 В;
− асинхронные электродвигатели напряжением выше 1000 В
общей мощностью до 1000 кВт включительно непосредственно подключённые к точке к.з.;
− асинхронные электродвигатели напряжением выше 1000 В,
общей мощностью до 2000 кВт включительно, отделённые от точки
к.з. реактором или трансформацией.
Сопротивления и Э.Д.С. в схеме замещения могут быть выражены
как в относительных, так и в именованных единицах. В настоящем
руководстве в качестве основного выбран способ расчёта сопротивлений и Э.Д.С. в относительных единицах.
При составлении схемы замещения в относительных единицах
следует задаться значением базисной мощности, а одну из ступеней
трансформации исходной схемы выбрать за основную и определить
базисный ток. Затем необходимо найти базисные токи и для других
ступеней трансформации.
За значение базисной мощности рекомендуется принимать
S
=1000 МВА.
б
Базисное напряжение принимается равным среднему номинальному напряжению основной ступени соответственно номинальному
напряжению сети по табл. 1.1.
7
1.1. Номинальное напряжение сети, базисные напряжение и токи
Номинальное
напряжение сети,
кВ
220 150 110 35 10 6 3
Базисное
напряжение, кВ
230 154 115 37 10,5 6,3 3,15
Базисный ток, кА 2,51 3,75 5,03 15,62 55,05 91,75 183,5
Соответствующие значения базисных токов также приведены в табл. 1.1.
Э.Д.С. источника электроснабжения, если им является энергетическая система с удалёнными от места к.з. генераторами, в относительных единицах принимается равной 1.
Сверхпереходные Э.Д.С. синхронных двигателей в относительных единицах рассчитываются по формуле:
**
′′
д
2
нн
где cosϕн – номинальный коэффициент мощности двигателя;
2
′′
)(sincos
XE
+ϕ+ϕ=
, о.е., (1.1)
d
*
′′
X
–
d
сверхпериодное сопротивление синхронного двигателя, о.е.
Для наиболее характерных типов синхронных электродвигателей
*
значение Э.Д.С. допустимо принимать равным
′′
E
= 1,07 (среднее
д
расчётное значение).
Индуктивные сопротивления соответствующих элементов схемы
замещения рассчитываются по формулам, приведённым в табл. 1.2.
Активные сопротивления соответствующих элементов схемы замещения рассчитываются по формулам, приведённым в табл. 1.3.
Сопротивления элементов схем замещения в процессе к.з. считаются неизменными.
Схема замещения, в которой элементы расчётной схемы представлены индуктивными сопротивлениями, используется при расчётах
всех видов тока короткого замыкания, а именно:
− начального значения периодической составляющей тока к.з.;
− значения периодической составляющей тока к.з. к моменту
времени τ размыкания силовых контактов выключателя;
− значения апериодической составляющей к.з. к моменту време-
ни τ; τ = 0,15 с – суммарное время срабатывания релейной защиты и
выключателя;
− значение ударного тока к.з.
8
1.2. Определение параметров схемы замещения
реактивной составляющей сопротивления
9
Продолжение табл. 1.2
′
′
′
′
Пр и м е ч а н и е : Uб, кВ – базисное напряжение; Uср, кВ – среднее
номинальное напряжение; Sн, МВА – номинальная мощность; Sб,
МВА – базисная мощность; S
ния; Uк, % – напряжение к.з.; U
, МВА – мощность короткого замыка-
к.з.
КВ–(Н1/Н2)
, % – напряжение к.з. при па-
раллельной работе ветвей расщеплённой обмотки НН трансформатора;
U
КВС
, %, U
КВН
, %, U
, % – напряжение к.з. для каждой пары обмоток
КСН
трёхобмоточного трансформатора; Хн, Ом – индуктивное сопротивление реактора; Х0, Ом/км – удельное индуктивное сопротивление на
1 км длины линии;
ление синхронного двигателя или генератора;
X
, о.е. – сверхпереходное индуктивное сопротив-
d
X
, о.е. – сверхпере-
н
ходное индуктивное сопротивление асинхронного двигателя; l, км –
длина линии; КСВ – коэффициент связи, учитывающий взаимную
индукцию между ветвями сдвоенного реактора; Кр – коэффициент
расщепления.
10