В.В. Курехин Электрические сети и системы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета специальности 100400 – «Электроснабжение промышленных предприятий»

Составители В.В. Курехин О.В. Попова И.В. Попов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 26.06.2000

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией по специальности 1004 Протокол № 4 от 29.06.2000

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2000

1

ВВЕДЕНИЕ

Назначение курса «Электрические системы и сети» – дать представление о физических процессах, происходящих в электрических системах и сетях, основные сведения о методах расчёта и проектирования, требованиях к улучшению режимов электрических сетей и условий оптимального управления ими.

Курс основывается на ряде положений из теоретических основ электротехники, требует хорошего знания электрических цепей с сосредоточенными параметрами, трансформаторов и электрических машин. Вопросы, изученные студентами в общих инженерных дисциплинах, частью входят в курс «Электрические системы и сети».

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Курс «Электрические системы и сети» содержит основные положения передачи и распределения электрической энергии, конструктивное выполнение электрических сетей, методы моделирования и вопросы управления электрических сетей и систем.

Основным учебником по этому предмету может служить одно из трёх прилагаемых учебных пособий [1-3]. Однако ни одно из них нельзя считать достаточно полным, и поэтому желательно пользоваться дополнительной литературой по указанию преподавателя. Недостаточно освещённым вопросам или устаревшим положениям в указанных пособиях на обзорных лекциях обязательно будет уделено особое внимание.

При изучении теоретического материала непременно найдите определение или объяснение основных понятий, приведённых в каждой теме. По этим основным понятиям задаются дополнительные вопросы на экзамене. Изучение теоретического материала не следует оставлять на конец семестра. Особенно следует поторопиться с изучением первых тем и темы 5, в которую включены основные расчёты электрических сетей.

По курсу студент должен самостоятельно выполнить три контрольные работы и три лабораторные работы. Также студент должен выполнить и защитить курсовую работу «Схема развития районной электрической сети».

2

По предмету в целом (после сдачи всех контрольных работ и зачёта по лабораторным работам и защиты курсовой работы) сдаётся экзамен.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Тема 1. Вводная часть

Основные понятия. Энергетическая и электроэнергетическая система (ЭЭС), электрические сети, электроснабжение, система электроснабжения, приёмник электроэнергии, потребитель электроэнергии, режим работы электрических систем и сетей.

Перечень вопросов для изучения. Научно-технические, экономические и экологические аспекты электроэнергетики. История возникновения и развития систем передачи электроэнергии на расстояние. Современные характеристики и перспективы развития ЭЭС. Структура ЭЭС России и классификация электрических сетей. Номинальные напряжения элементов ЭЭС.

Литература [1, введение, с. 98 – 100; 2, гл. 1, с. 7 – 17; 3, введе-

ние, 1.1 + 1.4, 1.7; 12, В.2; 14, гл.1].

Тема 2. Основные сведения о конструктивном выполнении элементов электрических сетей

Основные понятия. Линия электропередачи (ЛЭП). Воздушная линия (ВЛ) электропередачи, кабельная линия (КЛ) электропередачи, токопроводы промышленных предприятий, силовые трансформаторы, компенсирующие устройства: реактор, синхронный компенсатор (СК), батарея статических конденсаторов (БСК), транспозиция проводов ВЛ.

Перечень вопросов для изучения. Основные элементы ВЛ. Характеристики ВЛ. Краткие сведения об условиях работы ВЛ. Провода ВЛ (ТУ 19.00-01-01, ГОСТ 279-80). Изоляция и арматура. Опоры ВЛ. Конструкции ВЛ. Токопроводы промышленных предприятий.

3

Указания. Следует уяснить, что является характеристиками конструктивной части ВЛ (длины пролётов: промежуточный анкерный, габаритный, весовой, ветровой; стрела провеса; высота опоры; угол защиты грозозащитного троса; длина гирлянды; расстояния между проводами фаз; габарит до земли). При изучении условий работы ВЛ необходимо понять условия возникновения вибрации проводов, пляски проводов, гололёдоизморозевых образований. Для опор ВЛ следует представлять области их применения.

Литература: [1, гл.1; 2, гл.2; 3, § 1.5; 12, гл. 1; 14, гл. 2, 3].

Тема 3. Параметры элементов и схемы замещения электрических сетей

Основные понятия. Параметры линии электропередачи, параметры трансформатора, параметры нагрузки и компенсирующих устройств, электрические схемы замещения, режимы нейтралей электрических сетей.

Перечень вопросов для изучения. Активное и реактивное сопротивление ЛЭП. Ёмкостная и активная проводимость ЛЭП. Схемы замещения ЛЭП. Области применения различных схем замещения (моделей) ЛЭП. Параметры и схемы замещения двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов. Параметры и схемы замещения нагрузки и компенсирующих устройств. Режимы нейтралей электрических сетей различного напряжения.

Указания. Важно увидеть различия в зависимостях параметров ЛЭП от протекающего тока и металла, из которого сделан провод. Схемы замещения ЛЭП состоят из сосредоточенных параметров, которые в общем случае определяются путём перемножения погонных параметров линии на её длину, а не исходя из волновых свойств распространения энергии вдоль проводников ЛЭП.

При вычислении сопротивлений лучей схемы замещения трансформаторов и автотрансформаторов с тремя обмотками следует обращать внимание на расположение обмоток высшего, среднего и низшего напряжения на сердечнике магнитопровода. Обратите внимание на физический смысл понятия типовая мощность автотрансформатора.

Для схем замещения нагрузок необходимо знать самую точную модель нагрузки: статические характеристики и упрощённые модели

4

(постоянство мощностей, сопротивлений, токов). Следует иметь в виду случайный характер нагрузок.

При изучении режимов нейтралей необходимо уяснить взаимодействие с землёй нейтралей трансформаторов различных классов напряжений (до 1000 В, от 1 кВ до 35 кВ и выше 35 кВ). Этот вопрос является очень важным для понимания многих процессов в электрической сети при замыканиях на землю.

Литература: [1, § 2.2; 2, § 1.5, 10.1-10.3, 11.2, 3.2, 3.3, § 1.6, гл.3; 12, гл. 2; 13, гл. 1].

Тема 4. Графики электрических нагрузок и расчёт потерь электроэнергии

Основные понятия. График электрической нагрузки: суточный, недельный, месячный, годовой и по продолжительности, потери мощности, потери электроэнергии, время использования наибольшей нагрузки, время (максимальных) потерь.

Перечень вопросов для изучения. Потери мощности в ЛЭП и трансформаторах. Потери энергии в электрических сетях.

Важные определения. Время использования наибольшей нагрузки – это фиктивное время, в течение которого потребитель, работая с наибольшей нагрузкой, получил бы из сети то же количество энергии, что и при работе по действительному графику нагрузки.

Время потерь – это фиктивное время, в течение которого при работе элемента сети с наибольшими потерями мощности потери энергии получаются такими же, как и при работе с потерями мощности, изменяющимися в течение года в соответствии с графиком нагрузки.

Литература: [1, с. 108-126; 2, § 4.2, 11.3; 3, § 2.1, 4.1].

Тема 5. Расчёты режимов электрических сетей

Основные понятия. Линейная и нелинейная модели электрической цепи, разомкнутые и замкнутые сети, линия с двусторонним питанием, дальние электропередачи, натуральная мощность, предел передаваемой мощности и пропускная способность линии электропередачи, расчётная нагрузка.

5

Перечень вопросов для изучения. Расчёт ЛЭП по току нагрузки. Расчёт ЛЭП по мощности нагрузки. Расчёт дальних линий электропередачи. Составление расчётных схем замещения электрических сетей. Расчёт разомкнутой схемы электрической сети. Расчёт замкнутой схемы электрической сети. ЛЭП с двусторонним питанием. Расчёт ЛЭП с двусторонним питанием при различающихся напряжениях по концам ЛЭП. Расчёт сети с несколькими ступенями номинальных напряжений. Упрощающие преобразования схем замещения электрических сетей. Математические модели режимов электрических сетей для расчётов на ЭВМ.

Указания. Линейная и нелинейная модели электрической сети отличаются видом заданной нагрузки (постоянным током нагрузки или другим способом: постоянной мощностью или сопротивлением). Расчёт может быть связан с решением уравнений (известно напряжение одного конца линии и нагрузка на другом) или просто сводится к выполнениям по явным зависимостям, если известны напряжение и ток (или мощность) на одном конце линии (любой) и требуется определить аналогичные параметры для другого конца линии.

При знакомстве с расчётами дальних электропередач хорошо виден физический смысл натуральной мощности ЛЭП. Следует знать, что пропускная способность ЛЭП определяется тремя факторами: пределом передаваемой мощности, запасом устойчивости и условиями обеспечения нужного уровня напряжения у потребителя.

При изучении математических моделей электрических сетей для расчётов на ЭВМ достаточно представлять себе, как выводятся уравнения узловых напряжений для сети из 2 независимых узлов.

Литература: [1, гл.4; 2, § 10.4-10.7, 11.4, гл.12; 3, гл.4 и 5; 12, гл. 3; 13, гл. 3; 14, гл. 6,7].

Тема 6. Расчёты местных электрических сетей

Основные понятия. Местные сети, показатель допустимости нагрузки провода, допустимый ток, потеря напряжения.

Перечень вопросов для изучения. Специфика расчётов местных электрических сетей. Нагрев проводов электрическим током. Выбор проводов и кабелей по нагреву. Допустимые потери напряжения в линиях местных сетей. Определение сечений проводников электрической сети по допускаемой потере напряжения (для ЛЭП, содержащей

6

несколько нагрузок, рассмотреть три критерия: постоянство сечения на всех участках, минимум потерь мощности, минимум расхода цветного метала).

Указания. При использовании упрощённых схем замещения нужно чётко представлять области их применения. Основным показателем допустимости нагрузки является температура, до которой допустим нагрев проводника.

При выборе проводников по допускаемой потере напряжения следует обратить внимание на важное свойство одного из параметров ЛЭП, которое позволяет решить задачу выбора проводов по допускаемой потере напряжения. Это свойство относительного постоянства индуктивного сопротивления, что позволяет считать его в первом приближении известным.

Литература: [1, § 8.8, 9.5, 9.6, 9.7; 2, гл.5 и 6].

Тема 7. Качество электрической энергии и регулирование напряжения в электрических сетях

Основные понятия. Показатели качества электрической энергии (ГОСТ 13109-)1: отклонение частоты, отклонение напряжения,размах колебания частоты, коэффициент несимметрии, коэффициент несинусоидальности, коэффициент неуравновешенности, колебание напряжения. Регулировка под нагрузкой (РПН), переключение без возбуждения (ПБВ), автоматический регулятор возбуждения (АРВ), первичное и вторичное регулирование напряжения на электростанциях, автоматическое регулирование напряжения (АРН), ограничение перегрузки (ОП), ограничение минимального возбуждения (ОМВ), центр питания (ЦП).

Перечень вопросов для изучения. Влияние качества электроэнергии на работу электроприёмников и электрических аппаратов. Показатели качества. Интегральные оценки качества напряжения и частоты. Мероприятия по обеспечению качества электроэнергии. Задача регулирования напряжения в электрических сетях. Регулирование напряжения на электростанциях, центрах питания с помощью изменения коэффициентов трансформации, с помощью изменения падения напряжения на участках электрической сети.

1 Гост принят 01.01.1999 взамен ГОСТ 13109 - 87

7

Указания. Следует различать влияние различных показателей электроэнергии трёхфазного переменного тока на разные виды потребителей.

При регулировании напряжения на электростанциях используются системы первичного (АРВ) и вторичного (установка АРВ-АРН) регулирования напряжения для групп генераторов. В центрах питания, к которым также относятся и электростанции, напряжение регулируется также с помощью трансформаторов, компенсирующих устройств и групп синхронных двигателей.

Литература: [1, гл.8; 2, гл.13; 3, гл.7; 12, гл. 5; 13, гл.7, 14, гл.9].

Тема 8. Баланс мощностей и регулирование частоты в системе

Основные понятия. Первичные двигатели, автоматический регулятор скорости (АРС), автоматический регулятор частоты (АРЧ), первичное и вторичное регулирование частоты, статическое и астатическое регулирование, станция, ведущая по частоте, автоматическая частотная разгрузка (АЧР), источники реактивной мощности (ИРМ), располагаемая реактивная мощность (РРМ), резерв мощности.

Перечень вопросов для изучения. Баланс активных и реактивных мощностей в системе. Характеристика первичных двигателей. Первичное и вторичное регулирование частоты в электрических системах. Резерв мощности в ЭЭС. Источники реактивной мощности.

Указания. На основе анализа статических характеристик комплексной нагрузки ЭЭС следует вывести соотношение между изменениями активной и реактивной мощности генерации и изменениями частоты и напряжения.

При знакомстве с первичным и вторичным регулированием следует различать рабочие органы системы регулирования, обеспечивающие оба вида регулирования. Важно понять, по какому методу регулируется частота современных электросистем.

Для источников реактивной мощности располагаемая мощность, как правило, меньше номинальной. В разных ИРМ это объясняется различными причинами.

Литература: [1, § 6.1, 6.3; 3, гл.6; 5, § 7.1, с. 265-287; 12, гл. 4].

8

Тема 9. Повышение экономичности режимов работы электрических сетей

Основные понятия. Технологический расход электроэнергии, компенсация реактивной мощности, параметрическая неоднородность сети.

Перечень вопросов для изучения. Технические мероприятия по снижению потерь мощности и энергии. Компенсация реактивной мощности и повышение напряжения. Перераспределение мощности в неоднородных сетях. Рациональное построение электрической сети. Задача комплексной оптимизации режимов работы электрических систем.

Указания. Мероприятия, направленные на повышение экономичности режимов работы электрических сетей, разделяются на разовые (например, замена неэффективных элементов сети) и постоянные, проводимые на протяжении работы сети постоянно.

Последние мероприятия проводятся в темпе процесса производства с использованием современных средств вычислительной техники. Большое развитие в настоящее время получают методы управления структурой электрической сети: изменение точки деления сети (размыкание контуров), отключение и включение в работу отдельных элементов (например, трансформаторов) и др.

Литература: [1, § 6.5; 2, § 7.1, 7.2, 7.6; 3, гл.6; 12, гл. 4; 13, гл. 6,8].

Тема 10. Технико-экономические расчёты электрических сетей

Основные понятия. Капитальные вложения, ежегодные издержки, приведённые затраты, нормативной коэффициент сравнительной эффективности, нормативный коэффициент приведения разновременных затрат, ущерб от недоотпуска электроэнергии, замыкающие затраты.

Перечень вопросов для изучения. Оценка эффективности капитальных вложений. Метод приведённых затрат. Ежегодные издержки на амортизацию, обслуживание и транспорт электроэнергии. Техни- ко-экономический ущерб от перерывов электроснабжения.

Указания. При изучении метода приведённых затрат следует разобраться с тем, как дополнительные капитальные вложения могут дать экономию издержек на эксплуатацию.

Литература: [1, гл.7; 2, гл.4; 3, гл.9; 12, гл. 6; 13, гл. 10; 14, гл. 10].

9

Тема 11. Элементы проектирования электрических сетей

Основные понятия. Схема развития, схема внешнего электроснабжения, унификация оборудования, резервирование питания.

Перечень вопросов для изучения. Задача проектирования электрических сетей. Выбор сечений проводников воздушных и кабельных линий: методы экономической плотности тока и экономических токовых интервалов. Выбор номинальных напряжений ЛЭП. Выбор схемы электрической сети. Схемы присоединения к сети понижающих подстанций. Выбор трансформаторов и автотрансформаторов на понижающих подстанциях. Выбор компенсирующих устройств.

Указания. Важно уяснить причины применения в настоящее время метода экономических токовых интервалов для выбора проводников ЛЭП. При изучении вопросов проектирования рекомендуется справочник [II].

Литература: [1, гл.9; 2, гл.9, § 16.3, 16.4, 16.5; 3, § 9.3, гл.10; 12, гл. 6; 14, гл. 11].

Тема 12. Несимметричные режимы работы электрических сетей

Основные понятия. Метод симметричных составляющих, сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей, комплексные схемы замещения, симметрирующий эффект.

Перечень вопросов для изучения. Особенности расчётов несимметричных режимов. Неполнофазные режимы работы линий. Расчёт режимов несимметричной нагрузки. Симметрирующий эффект батареи статических конденсаторов.

Указания. При расчёте несимметричных режимов преследуется та же цель, что и при расчётах обычных симметричных режимов, но расчёт ведётся для всех трёх фаз сети и определению подлежат токи и напряжения каждой фазы.

Литература: [1, гл.11].