Лекции эл. сети для спец. ЭС Вихарев

Первые три этапа – аналогично предыдущим случаям

1). …

2). …

3). …

4). Сечение на последнем участке сети:

– удельное сопротивление,

5). Сечения остальных участков определяются из соотношения:

6). Расчетные сечения округляются до стандартных; далее выписываются , и выполняется проверка условия (*).

Проверка сечения проводов по допустимой потере напряжения

Выполняется при выборе сечения питающих сетей методами экономической плотности тока и экономических интервалов.

Проверка выполняется для того, чтобы проверить, будет ли потребитель получать качественную электроэнергию:

Эта проверка производится для нормального и послеаварийного режима. В учебных расчетах : ;

;

Нормальный режим:

Для каждого участка определяем потери напряжения в %

– наиболее удаленный потребитель

Послеаварийные режимы:

1). Отключение цепи ВЛ A-1

2). Отключение ВЛ 1-2:

3). Отключение ВЛ 1-2:

Проверка сечения проводов по допустимому нагреву

Шестиградусное правило: если температура изоляция увеличивается на 6 ºC по сравнению с номинальной, срок ее службы сокращается в два раза.

Допустимая температура – такая наибольшая температура, при которой провод или кабель сохраняет свои электрические и механические свойства. Она зависит от материала проводника и типа изоляции. Для неизолированных проводов на открытом воздухе и внутри помещений t_доп = +70 ºC.

Для кабелей допустимая температура зависит от напряжения – чем выше номинальное напряжение, тем меньше допустимая температура.

Для КЛ 3-35 кВ t_доп = +50…+80 ºC

З физики известно, что изменение температуры проводника при нагревании током и охлаждении после отключения определяется показательной функцией.

– температура окружающей среды

Из графика видно, что некоторому длительно протекающему по проводнику току при заданных условиях охлаждения соответствует определенное значение температуры.

Допустимый ток – такой ток, при длительном протекании которого проводник нагревается до допустимой температуры.

Существуют формулы для определения допустимого тока, но на практике пользуются справочными таблицами.

– для ВЛ

– поправочный коэффициент на температуру окружающей среды

Для КЛ:

– поправочный коэффициент на число кабелей, проложенных в одной траншее

Условие проверки проводов по нагреву:

Послеаварийные режимы такие же, как и для проверки по потере напряжения.

Схемы электрических сетей

Требования в схемам электрических сетей

К схемам электрических сетей предъявляются следующие требования:

1). Схема должна быть надежной

2). Должна быть экономичной, т.е. соответствовать минимуму дисконтированных издержек на сооружение и эксплуатацию

3). Обеспечение потребителей качественной электроэнергией

4). Гибкость (приспособленность к разным режимам потребления электроэнергии)

5). Должна предусматривать рациональное сочетание вновь сооружаемых сетей с уже действующими

6). Должна обеспечивать приемлемый уровень токов короткого замыкания

7). Должна соответствовать экологическим требованиям

8). Возможность построения из унифицированных элементов

Классификация схем электрических сетей

Электрические сети чаще всего классифицируют по двум признакам:

1). Замкнутость:

-замкнутые: простые и сложные

-разомкнутые

2). Резервированность:

-резервированные

-нерезервированные

1). Разомкнутые нерезервированные:

-магистральные

-радиальные

-резервированные

Разветвленные – сочетают элементы магистральных и радиальных

Применяются для электроснабжения потребителей третьей, реже второй категории, т.к. обеспечивают малую надежность.

2). Разомкнутые резервированные сети

Выполняются в виде двухцепных или параллельных линий

-магистральные

-радиальные

-разветвленные

Применяются дл электроснабжения потребителей всех категорий.

3). Замкнутые

Любые замкнутые сеть – резервированные.

Простые замкнутые сети – кольцевые и сети с двусторонним питанием.

Используются для питания всех категорий потребителей. Но есть недостаток: сложность эксплуатации устройств релейной защиты и автоматика. Поэтому часто простые замкнутые сети работают в разомкнутом режиме.

Недостаток такого режима работы – прекращение электроснабжения потребителей при отказе линии. Для устранения этого недостатка применяется автоматический ввод резерва (АВР) и в случае аварии выключатель включается.

Способы присоединения подстанций в сети

По способу присоединения к сети существуют следующие разновидности подстанций:

1). Тупиковая – такая подстанция, дальше которой электроэнергия не передается.

2). Ответвительная подстанция – та, которая питается через ответвление от магистральной линии

Преимущество – экономия коммутационных аппаратов и уменьшение длины линии.

Недостаток в том, что менее удобная эксплуатация сети, т.к. при ремонте ответвления и этой подстанции приходится отключать магистральную линию.

3). Проходная подстанция. Выполняется путем захода на нее линии с двухсторонним питанием

Применяются в простых замкнутых сетях (кольцевых).

4). Узловая подстанция – к которой подходят три и более линии

5). Проходные и узловые подстанции, через которые осуществляются перетоки мощности, называют транзитными.

Типовые схемы подстанций

Типовыми схемами подстанции называются такие схемы, которые рекомендованы нормами технологического проектирования (НТП) для применения на вновь проектируемых подстанциях.

Первая группа типовых схем – упрощенные схемы. К ним относятся такие, где выключатели либо совсем отсутствуют, либо их число меньше числа присоединений.

Блок линия-трансформатор

Для электроснабжения потребителей третьей категории, схема 2 только для подстанций 35 кВ, 1 и 3 схемы – 35-220 кВ, для тупиковых подстанций.

Два блока с выключателем

Для снабжения потребителей всех категорий, для тупиковых и ответвительных подстанций на напряжении от 35 до 220 кВ.

Перемычка используется только для ремонта (ремонтная перемычка), в нормальном режиме отключена.

Схема «мостика»

Для электроснабжения потребителей всех категорий. Рекомендуется для проходных подстанций в кольцевой сети на напряжении 35-220 кВ.

Рекомендуется для потребителей всех категорий, на напряжении 110 кВ при отсутствии перспективы расширения. Для транзитных и узловых подстанций.

Четырехугольник (квадрат)

Для всех категорий, на тупиковых или транзитных подстанциях, при напряжении 220-750 кВ. Высокая надежность.

Расширенный четырехугольник

На узловых подстанциях при напряжении 220-750 кВ.

Одна секционированная система сборных шин

Для питания всех категорий потребителей для узловых и транзитных подстанций при числе линий до восьми при напряжении 35 кВ.

Рабочие режимы электрических систем

Баланс активной мощности и его связь с частотой

Особенностями электрической энергии являются быстрая скорость распространения и невозможность ее накопления в больших количествах. Поэтому в каждый момент времени в ЭЭС должен соблюдаться баланс активной мощности:

– суммарная генерируемая мощность

– суммарная мощность потребителей

– потери мощности

Критерием соблюдения баланса мощностей является соблюдение частоты переменного тока:

Нарушение баланса может произойти по следующим причинам:

1). Внезапное увеличение нагрузки сверх запланированного (например, в результате резкого похолодания)

2). Отказ генератора

3). Отключение межсистемной ЛЭП или автотрансформатора связи

– при нормальной работе

К поддержанию частоты в ЭЭС предъявляются жесткие требования, т.к. следствием больших отклонения частоты может явиться выход из строя оборудования ЭЭС и т.н. «развал энергосистемы».

Может наступить «лавина частоты» или «лавина напряжения».

Резерв активной мощности

Для того, чтобы не допустить развития процессов «лавины частоты» и «лавины напряжения» в каждой ЭЭС должен быть предусмотрен резерв активной мощности.

Под резервом активной мощности понимается превышение суммарной мощности генераторов над суммарной мощностью потребителей. Резерв по скорости введения в работу делят на «горячий» и «холодный».

«Горячий резерв» – уже работающие генераторы, но загруженные на полную мощность. Такой резерв можно быстро ввести в работу.

«Холодный резерв» – работоспособные генераторы, но в данный момент не находящиеся в работе. Для их ввода в работу необходимо длительное время.

Суммарный резерв активной мощности в ЭЭС складывается из следующих видов резерва:

1). Нагрузочный резерв

2). Ремонтный резерв

3). Аварийный резерв

Нагрузочный резерв – для поднятия случайных или непредвиденных увеличений нагрузки. Ремонтный резерв должен обеспечивать возможность проведения плановых ремонтов электрооборудования электростанций. Аварийный резерв предназначен для замены генерирующих агрегатов, выбывших из работы в результате аварии.

Общий объем резерва должен составлять 10-15 процентов от суммарной потребляемой мощности.

Кроме резерва мощности на электрических станциях необходимо иметь резерв энергии – запас топлива (угля, мазута, газа на ТЭС и ТЭЦ), запас воды на ГЭС.

Баланс реактивной мощности и его связь с напряжением

Кроме баланса по активной мощности должен поддерживаться баланс реактивной мощности:

Критерием соблюдения баланса мощности является постоянство уровня напряжения.

Под уровнем напряжения понимается среднее значение напряжения на каждой ступени номинального напряжения.

Недостающую активную мощность можно «взять» только в соседних энергосистемах, где имеется ее избыток. В отличие от этого, недостающую реактивную мощность можно выработать внутри самой системы с помощью компенсирующих устройств.

Потребители реактивной мощности

Основными потребителями реактивной мощности в системах являются: трансформаторы, ВЛ, асинхронные двигатели, индукционные электрические печи, вентильные преобразователи, сварочные агрегаты.

– для напряжений 110-150 кВ

При меньшем напряжении

При большем напряжении

Выработка реактивной мощности на электрических станциях

Основными источниками реактивной мощности являются генераторы ЭС. Они вырабатывают примерно 60% всей реактивной мощности. Еще 20% генерируют воздушные ЛЭП и оставшиеся 20% -компенсирующие устройства. Синхронные генераторы обеспечивают баланс. Изменение реактивной мощности достигается путем изменения тока возбуждения.

Схема замещения генератора в установившемся режиме

Три режима работы генератора:

1). Номинальный:

Перегрева обмотки ротора и статора не будет

Выделим допустимые области работы ротора и статора по нагреву

, отсюда ограничение

Ток ротора пропорционален ЭДС генератора, поэтому чтобы не было перегрева обмотки ротора вектор не должен выходить за пределы окружности, описанной .

Отрезок AC пропорционален мнимой составляющей тока генератора, следовательно, она пропорциональная реактивной мощности. Вектор BC пропорционален активной составляющей тока генератора, следовательно, активной мощности генератора.

2). ,

Отрезок AC₁ получился больше, чем AC. Следовательно, генератор вырабатывает больше реактивной мощности. Но BC₁ меньше, чем BC. Следовательно, меньше активная мощность.

3). ,

Отрезок AC₂ получился меньше, чем AC. Следовательно, генератор вырабатывает меньше реактивной мощности. Но B₂C₂ больше, чем BC. Следовательно, больше активная мощность.

Возможность увеличения выработки реактивной мощности за счет уменьшения активной мощности допустима только в случае избытка активной, т.е. в режиме минимальных нагрузок.

Проведенный анализ показывает, что увеличить вырабатываемую реактивную мощность можно лишь за счет уменьшения активной мощности. Увеличение реактивной мощности генератора в режиме наибольших нагрузок за счет уменьшения активной мощности экономически нецелесообразно. Эффективнее вырабатывать реактивную мощность с помощью компенсирующих устройств.

Компенсация реактивной мощности

Это выработка или потребление реактивной мощности с помощью компенсирующих устройств (КУ).

Цели компенсации:

1). Поддержание баланса по реактивной мощности в энергосистеме

2). Снижение потерь активной мощности

3). Регулирование напряжения путем изменения потерь напряжения в элементах сети

– без КУ

Таким образом, реактивную мощность не нужно передавать по линии, линия разгружается от этой мощности.

;

;

Компенсирующие устройства следует устанавливать как можно ближе к потребителю

– с КУ;

Компенсирующие устройства

В качества компенсирующих устройств в ЭЭС используются:

1). Синхронные компенсаторы (СК)

2). Батареи конденсаторов (БСК)

3). Реакторы

4). Статические источники реактивной мощности (ИРМ)

Батареи статических конденсаторов

1). Включение параллельно нагрузке – поперечная компенсация, батарея называется шпунтовая

2). Включение в рассечку линии для уменьшения реактивного сопротивления линии – продольная компенсация, а БСК называется установкой продольной компенсации (УПК)

3).

Конденсаторы в шпунтовой батарее могут включаться параллельно и последовательно

Конденсаторы выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении на номинальное напряжение от 220 В дл 10,5 кВ. В трехфазных сетях конденсаторы могут соединяться в звезду или треугольник

Батареи конденсаторов бывают регулируемые и нерегулируемые. В нерегулируемых количество конденсаторов постоянно. В регулируемой батарее количество конденсаторов может меняться – вручную или автоматически. Защита БК осуществляется плавкими предохранителями.

Основные технико-экономические преимущества батарей конденсаторов по сравнению с другими компенсирующими устройствами:

1). Возможность применения как на высоком, так и на низком напряжении

2). Малые потери активной мощности,

3). Недостатки:

1). Зависимость вырабатываемой мощности от напряжения

2). Невозможность потребления реактивной мощности

3). Ступенчатость регулирования

4). Чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения

Эксплуатационные преимущества батарей конденсаторов:

1). Простота эксплуатации

2). Простота производства, монтажа (малая масса, отсутствие фундамента)

3). Возможность установки в любом сухом помещении

Недостатки:

1). Малый срок службы (8-10 лет)

2). Невысокая электрическая прочность изоляции

Синхронные компенсаторы (СК)

Это синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу.

– обратная ЭДС СК

– напряжение сети в точке подключения СК

;

Из формулы видно, что мощность СК зависит от соотношения напряжения и . ЭДС можно изменять изменением тока возбуждения. И в зависимости от соотношения и синхронный компенсатор может работать в двух режимах:

(увеличение тока возбуждения) – режим перевозбуждения, при этом он вырабатывает реактивную мощность, ток имеет емкостной характер.

Проиллюстрируем с помощью векторной диаграммы:

Если изменяя ток возбуждения добиться соотношения:

Если – недовозбуждение, при этом СК будет потреблять реактивную мощность, а ток будет носить индуктивный характер.

Номинальная мощность СК указывается для режима перевозбуждения.

Преимущества:

1). Возможность потребления и выработки реактивной мощности

2). Возможность плавного регулирования

3). Возможность увеличения выработки реактивной мощности при снижении напряжения (положительный регулирующий эффект)

Недостатки:

1). Высокая стоимость

2). Сложное обслуживание.

Шунтирующие реакторы

Это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности. Может только потреблять реактивную мощность.

Используются на напряжении от 35 до 750 кВ и могут подключаться к линии или шинам распределительного устройства.

Статические источники реактивной мощности (ИРМ)

Они предназначены для плавной генерации и потребления реактивной мощности и представляют собой последовательно или параллельно включенные батарею конденсаторов и регулируемый реактор.

УУ – устройство управления, выполнен с помощью тиристоров.

Качество электрической энергии

Показатели качества электрической энергии

Качество электрической энергии характеризуется показателями, определяющим степень соответствия напряжения и частоты в сети их нормированным значениям.

Действующий в настоящее время ГОСТ-13109-97 устанавливает требования к качеству электроэнергии в сетях переменного тока. Основными показателями качества являются:

1). Установившееся отклонение напряжения

2). Размах изменения напряжения

3). Доза фликера

4). Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения

5). Коэффициент n-ной гармонической составляющей напряжения

6). Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности

7). Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности

8). Отклонение частоты

9). Длительность провала напряжения

10). Импульсное напряжение

11). Коэффициент временного перенапряжения

Отклонение частоты – разность между действительным значением частоты и ее номинальным значением в данный момент времени. Отклонение частоты является общесетевым показателем:

Отклонение частоты: нормальное допустимые и предельно допустимые (нормально ±0,1 Гц, максимально допустимые ±0,2 Гц). В послеаварийных режимах работы энергосистемы допускается отклонение от +0,5 до -1,0 Гц общей продолжительностью не более 90 часов за год.

Установившееся отклонение напряжения – это разность между действительным значением напряжения и номинальным.

Это локальный показатель.

Нормально допустимое и максимально допустимые значения:

До 1 кВ – нормальное ±5%, максимальное ±10%

В остальных сетях – такие же

Размах изменения напряжения – это разность между амплитудным или действующим значением напряжения до и после одиночного изменения напряжения.

и в – значения следующих друг за другом экстремумов огибающей амплитудных значений напряжения. Предельно допустимое значение размаха в сетях 0,4 кВ ±10% от номинального напряжения.

Доза фликера. Фликер – субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения вызванным изменением напряжения.

Доза фликера – мера воздействия фликера за установленное время. Определяется с помощью фликерметра. Кратковременная – до 1,38; длительная – до 1.

Коэффициент обратной последовательности напряжений. Это показатель качества, определяющий несимметрию напряжения.

По обратной последовательности:

– действующее значение обратной последовательности напряжений.

Нормальное значение – не более 2%; максимальное – не более 4%

Коэффициент нулевой последовательности:

– действующее значение напряжений нулевой последовательности.

Нормальное значение – не более 2%; максимальное – не более 4%.

Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения. Определяет соответствие кривой напряжения синусоиде: