&_ИДО_СТУДЕНТАМ_(Эл. энерг. СиС)_2013г.) / &_Зад. КР+УП_(Эл. маг._ПП)_НОВОЕ_[2013]

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Вариант сокращенный для студентов: 1820 март 2013 (Формулы и текст переводим в 14 pt)

В.И. Готман

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Расчет режимов короткого замыкания и продольной несимметри в электроэнергетической системе

Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета

2013

1

УДК 621.311.018(076) ББК 31.29-5:31:27-01я73

Г73

Готман В.И.

Г73 Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах. Расчет режимов короткого замыкания и продольной несимметии в электроэнергетических системах: учебно-методическое пособие по курсовой работе / В.И. Готман; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 141 с.

В учебно-методическом пособии рассматриваются принципы составления схем замещения и расчета их параметров в относительных и именованных единицах для электроэнергетических систем. Излагается методика расчета токов трехфазного и несимметричных коротких замыканий и продольной несимметрии в электроэнергетических системах. Указанные вопросы являются основой курсовой работы; задания на курсовую работу сформулированы в настоящем учебном пособии.

Пособие подготовлено на кафедре электрических сетей и электротехники и предназначено для бакалавров ИДО, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и соответствует профилям: «Электроэнергетические системы и сети; «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем.

УДК 621.311.018(076) ББК 31.29-5:31:27-01я73

Рецензенты

Зам. главного инженера Томского ПМЭС

А. М. Старцев

Кандидат технических наук, доцент, зам. директора ООО НПО «СибГеосервис»

Д. В. Джумик

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013 © Готман В.И., 2013

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2013

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..4

1.ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ ………………………………………… 5

2.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ

ЗАМЕЩЕНИЯ……………………………Ошибка! Закладка не определена.

2.1.Общие сведения о схеме замещения прямой последовательности………… 7

2.2.Расчет параметров схемы замещения…………………………………………8 2.3 Расчетные выражения для приведения параметров электрической

схемы замещения в именованных и относительных единицах………………9

2.4 ПРИМЕР № 1……………………………………………………………………..18

3.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ………………………………….25

4.РАСЧЕТ РЕЖИМА ТРЕХФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ ………………………..29

4.1Ударный ток короткого замыкания……………………………………………30

4.2Расчет основных параметров K (3) для t = 0 ……………………………… 31

4.3Расчет периодического тока K (3) для t 0 ………………………………..34

4.4Расчет периодического тока K (3) для t = ……………………………….36

4.5ПРИМЕР № 2…………………………………………………………………….37

4.6ПРИМЕР № 3…………………………………………………………………….42

5.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ……………………………………………………..43

5.1.Схемы и параметры трансформаторов

иавтотрансформаторов в нулевой последовательности…………………….44

5.2.Схемы и параметры воздушных линий электропередач в нулевой последовательности…………………………………………………………… 47

5.3ПРИМЕР № 4…………………………………………………………………….50

6.РАСЧЕТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ……………..52

6.1Последовательность расчета несимметричных КЗ…………………………..52

7.РАСЧЕТ ПРОДОЛЬНОЙ НЕСИММЕТРИИ………………………………….55

7.1Выбор фазы векторов ЭДС источников питания для L(n) …………………..56

Приложение 1…………………………………………………………………………..65

П1.1. Варианты заданий на курсовую работу……………………………..…….65 П1.2. Варианты схем на курсовую работу………………………………………100

Приложение 2…………………………………………………………………………125

П2.1. Паспортные данные силового оборудования схем………………………..125

Приложение 3. ОБРАЗЕЦ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА КУРСОВОЙ РАБОТЫ..139

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………..140

3

ВВЕДЕНИЕ

Режим работы энергосистемы – это совокупность процессов, характеризующих состояние электроэнергетической системы (ЭЭС) в лю-

бой момент времени. Различают установившиеся нормальные и переходные аварийные режимы ЭЭС.

Аварийные режимы возникают вследствие повреждения силовых элементов энергосистемы. Наиболее опасными и частыми повреждениями в ЭЭС являются симметричные и несимметричные короткие замыкания (КЗ). Вследствие коротких замыканий нарушается нормальная работа электроэнергетических систем. Короткие замыкания приводят к существенному увеличению токов и снижению напряжения; возрастание токов оказывают на электрооборудование неблагоприятное термическое (тепловое) и электродинамическое (механическое) действие как в месте повреждения, так и при прохождении аварийных токов по неповрежденным элементам ЭЭС. При обрыве или отключении одной или двух фаз воздушных линий электропередач, а также при включении в фазы неодинаковых сопротивлений возникает продольная несимметрия.

Параметры режимов короткого замыкания и продольной несимметрии используются для решения достаточно большого перечня задач как проектного, так и эксплуатационного характера. Наиболее значимыми задачами являются: анализ и оценка динамической устойчивости работы энергосистемы, разработка технических и режимных мероприятий для ее повышения, выбор аппаратов и проводников и их проверка по условиям термической и электродинамической стойкости, проектирование и настройка устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики и ряд др.

Курсовая работа (КР) предназначена для закрепления теоретического материала по дисциплине «Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах» и приобретения навыков практического расчета параметров аварийных режимов ЭЭС. Представленные в КР упрощенные схемы энергосистем носят ученический характер и содержат практически набор всех силовых элементов, входящих в состав энергосистем. Предложенные в курсовой работе вопросы практически отражают большую часть теоретического материала, излагаемую в указанной выше дисциплине.

4

1.ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Воснову задания на курсовую работу (КР) положен типовой фрагмент схемы электроэнергетической системы, которая содержит основ-

ные классы напряжения: 6 (10), 35, 110, 220, 500 кВ.

Тематика курсовой работы связана с расчетом и анализом режимов трехфазного, несимметричного коротких замыканий и продольной несимметрии в электрических системах. В пособии представлено 25 индивидуальных заданий, для которых сформулирован перечень решаемых задач, приведены принципиальные схемы энергосистем и необходимые справочные материалы по силовому оборудованию, даны крат-

кие методические указания по курсовой работе.

Вариант задания на курсовую работу выбирается по двум кодовым числам.

Первое число (выбирается по табл. 1.1) определяет номер индиви-

дуального задания, для которого с тем же номером приведена рас-

четная схема упрощенной энергосистемы.

Таблица 1.1

Выбор номера задания и схемы

Задания и схемы приведены в приложении 1.

Второй кодовый номер – последняя цифра номера зачетной книжки (0-9) – определяет вариант параметров электрооборудования

табл. П2.1–П2.12 (приложение 2).

Для выполнения курсовой работы студент вправе сам выбирать систему исчисления: либо именованную или относительную. Студент

дневного обучения должен согласовать выбранную систему исчисления с преподавателем.

При наличии в группе (дневной формы обучения) двух и более студентов, фамилии которых начинаются с одной и той же буквы, преподавателю рекомендуется назначить таким студентам не совпадающие варианты задания из числа свободных.

5

Пояснительная записка может быть выполнена как на компьютере (текстовый редактор Word 7.0, Word 200; шрифт Times New Roman размер 12pt или 14pt, интервал междустрочный – одинарный. Формулы желательно набирать в редакторе MathTupe), так и в рукописном варианте. На титульном листе указывается номер задания.

Вначале пояснительной записки размещается принципиальная схема, параметры оборудования энергосистемы и приводится полная формулировка задания.

Решению каждого вопроса задания должна предшествовать его формулировка, а далее собственно решение, которое содержит:

схемы замещения и этапы их преобразования;

краткие пояснения к проводимым действиям (решению);

расчетные формулы в общем виде с подстановкой цифровых значений параметров и результат с указанием размерности; при однотипных расчетах допускается приводить расчетное выражение и результат.

Вконце записки привести список источников информации; в начале записки – оглавление.

6

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

2.1. Общие сведения о схеме замещения прямой последовательности

Нормальному режиму энергосистемы, как и режиму трехфазного короткого замыкания соответствует схема замещения прямой последовательности. Схема замещения прямой последовательности для расчета трехфазного замыкания по конфигурации практически повторяет исходную принципиальную схему энергосистемы (энергорайона), в которой силовые элементы представлены своими схемами замещения. Электрическая схема может содержать мощные синхронные (СД) и асинхронные (АД) двигатели. Эти элементы, расположенные в непосредственной близости к точке короткого замыкания, в начальный момент КЗ переходят в генераторный режим и являются дополнительными источниками подпитки места короткого замыкания, что требует своего учета. Однако следует отметить, что это влияние, как правило, носит локальный характер и существенно зависит от типа двигателя, его мощности, электрической удаленности до места короткого замыкания. Практическому уче-

ту при КЗ в распределительных устройствах 6; 10 кВ подлежат двигатели мощностью 1000 кВт и более, которые связаны с местом короткого замыкания непосредственно или через кабельную линию, тоководы или линейные реакторы.

Источники питания конечной мощности {синхронные генераторы (СГ), синхронные компенсаторы (СК), мощные синхронные (СД), и асинхронные (АД), двигатели}, подлежащие учету, вводят в схему за-

мещения своими сверхпереходными сопротивлениями ( x , x ) и сверх-

d

переходными ЭДС ( E ). Сверхпереходные сопротивления ( x ) для СГ,

d

СК, СД и АД являются величинами паспортными; сверхпереходные ЭДС ( E ) являются расчетным параметром. Сверхпереходные ЭДС рассчитываются по параметрам режима (ток, напряжение), который непосредственно предшествовал КЗ; при их отсутствии в качестве расчетного принимается режим номинальной загрузки, т. е. по номинальному току и напряжению. Расчетные выражения для указанных источников питания приведены в табл. 2.2; 2.3.

В качестве одного из источников подпитки места КЗ электрической схемы может выступать энергосистема («Система»), которая является эквивалентом мощного энергорайона. Она характеризуется эквивалентной реактивностью xс , за которой приложена неизменная ЭДС

7

( Eс ). Для «Системы», как правило, задается ЭДС Eс и мощность трехфазного короткого замыкания ( Sк(3)з ), обусловленная «Системой» в узле

ееподключения см. табл. 2.1.

Увоздушных линий, трансформаторов, токоограничивающих реакторов активное сопротивление существенно меньше реактивного. Это позволяет активным сопротивлением пренебречь, не внося существенной погрешности в результаты расчетов, и значительно облегчить вычислительные действия. Таким образом, указанные элементы учитываются только индуктивной составляющей общего сопротивления. Емкостной проводимостью ЛЭП 6 – 220 кВ следует пренебречь.

2.2. Расчет параметров схемы замещения

Расчеты переходного режима электрической системы предполагают составление расчетной схемы замещения, в которой параметры ее элементов (ЭДС, сопротивления) представляются в именованных или относительных единицах. При наличии в расчетной схеме трансформаторов целесообразно имеющиеся магнитно-связанные цепи предста-

вить эквивалентной электрически связанной цепью. Электрическая схема замещения позволяет осуществлять ее преобразование. Переход от трансформаторных связей к электрическим основан на приведении параметров элементов к одной из имеющихся в схеме ступеней трансформации. Студент вправе сам выбирать систему исчисления: либо именованную или относительную. Студент дневного обучения дол-

жен согласовать выбранную систему исчисления с преподавателем.

Расчет параметров схемы замещения рекомендуется выполнить при приближенном учете коэффициентов трансформации, используя рекомендуемые средние номинальные напряжения ступеней трансформации Uср.ном i 1.05Uном i :

При этом дополнительно считают номинальные напряжения всех элементов, находящихся на одной ступени трансформации, одинаковыми и равными Uср.ном этой ступени.

При использовании система именованных единиц рекомендуется:

1.Пронумеровать ступени трансформации. В качестве основной ступени трансформации, к которой приводятся параметры всех элементов схемы для создания электрической схемы замещения, можно принять любую; рекомендуется за основную принимать ступень, на которой указано КЗ или продольная несимметрия.

8

2. При проведении вычислительных действий с x , U , I в качестве контроля правильности следует руководством следующим правилом: при приведении (пересчете) сопротивления ( x ) со ступени низкого

напряжения на ступень высокого напряжения оно увеличивается в kТ2 раз, напряжение (U ) увеличивается в kТ раз, а ток ( I ) уменьшается в

kТ раз, где коэффициент трансформации kТ Uв / Uн 1. И наоборот при пересчете параметров с высокой на низкую ступень.

При использовании система относительных единиц рекоменду-

ется:

1.Пронумеровать ступени трансформации.

2.Принять базисную мощность Sб . Базисная мощность едина для

всей схемы, выбирается величиной произвольной из условий упрощения вычислительных действий; рекомендуется принимать Sб =100 или

Sб =1000 МВА.

3.Базисные напряжения ступеней (Uб i Uср.ном i ) принять со-

гласно стандартного ряда (2.1); базисные токи для ступеней трансфор-

2.3 Расчетные выражения для приведения параметров электрической схемы замещения в именованных и относительных единицах

Примечание:

В записи параметров, например, E*с(б ) индекс звездочка (*) означает,

что параметр представлен в относительных единицах; (б) – при принятых базисных условиях; (ном) или (н) – в качестве базисных приняты номинальные параметры элемента.

Таблица 2.1

1. Параметры электроэнергетической системы (ЭЭС)

Ec – ЭДС электроэнергетической системы в узле подключения к энергорайону, кВ;

Sкз(3) – мощность системы при трехфазном КЗ в узле подключения, МВА

9

1. Расчетные параметры в именованных единицах

U ср(осн. ) – среднее номинальное напряжение основной ступени, к которой

осуществляется приведение параметров, кВ.

2. Расчетные параметры в относительных базисных единицах

E*с(б) Ec / U б – ЭДС системы, от. ед.;

где U б U ср(с) – базисное, т.е. среднее номинальное напряжение ступени системы, кВ.

Таблица 2.2

напряжения СГ, Ом;

10