Разработка схемы электроснабжения

 

Исходными данными при разработке проекта электроснабжения объектов являются, место распо­ложения источника электроэнергии и его параметры. Таким источни­ком, как правило, является главная понизительная подстанция (ГПП с двумя трансформаторами. При наличии.двух или нескольких ГПП проводят технико-экономическое сравнение различных вариантов схемэлектроснабжения,

Основными условиями: проектирования рациональной схемы элек­троснабжения являются надежность, экономичность, качество элект­роэнергии у потребителя. Для крупных предприятий наиболее надеж­ной и экономичной является система электроснабжения с применением глубоких вводов, при которой сети 35.- 220 кВ максимально приближены к потребителям электроэнергии [3].

Система электроснабжения строится таким образом, чтобы все ее элементы постоянно находились под нагрузкой, т.е. чтобы не было холодного резерва. Вместе с тем, параллельно установленные транс­форматоры и параллельные линии электропередачи должны работать раздельно, так как при этом снижаются токи короткого замыкания и удешевляются схемы коммутаций.

Выбор напряжения распределительных сетей зависит от мощности предприятия, расстояния от ГПП и напряжения источника питания. Уровень номинальных напряжений для различных значений передавае­мой мощности и расстояния ориентировочно можно определить по табл. 4.1 [1,13].

 

Таблица 4.1

 

Рекомендуемые уровни номинальных напряжений в зависимости от передаваемой мощности и расстояния

 

Передаваемая мощность (на одну цепь), МВ*А	Длина линии, км	Нормальное напряжение, кВ
До 0,1 0,1..............3 2.................15 15...............100	До 3 3.......................15 10.....................30 30.....................100	До 1 6.....................10 20....................35 110..................220

Окончательно номинальное напряжение электрической сети выби­рают путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов номинальных напряжений.

В схемах электроснабжения должны быть рассмотрены также ме­роприятия по компенсации реактивной мощности, которую наиболее целесообразно осуществлять у потребителей.

Распределительные сети напряжением 10 - 35 кВ могут быть как радиальными, так и магистральными. Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей I категории по надёжности электроснабжения должно осуществляться по двум линиям электропередач от разных секций шин одной подстанции идя двух отдельных подстанций с установкой на вводе блока АВР.

Институтом "Энергосетьпроект" разработаны типовые схемы тран­сформаторных подстанций 35/10; 10/0,4 кВ, ко­торые рекомендуется применять в проектах (рис. 4.1,):

 

 

a) б)

 

в) г)

Рис. 4.1. Схемы распределительных устройств 35 кВ, рекомен­дуемые для объектов I и II категорий по надежности электроснабжения.

 

а) два блока с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линий (схема 35-4Н)'" - при подключении подстанции к ту­пиковым или транзитным линиям (рис. 4.1,а);

б) мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов (схема 35-5АН) - при подк­лючении подстанции к транзитным ВЛ (рис.4.1.6);

в) мостик с выключателями в цепях трансформаторов"- при подк­лючении подстанций к. тупиковым (схема 35-5А) и транзитным (схема 35-5Б) линиям (рис.4.1.в);

г) одна рабочая секционированная выключателем система шин (схема 35-9) - для опорных подстанций с развитыми РУ 35 кВ (рис. 4.1г).

Нетиповые схемы распределительных устройств' могут применяться только в случае специального технико-экономического обоснования.

 

5. ВЬБОР СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ

 

Выбор сечения проводов воздушных линий и жил кабелей произво­дят в зависимости от ряда технических и экономических факторов. Электрические сети рассчитывают:

- по экономической плотности тока;

- по нагреву;

- по потере напряжения;

- на механическую прочность;

- по условию возникновения короны.

Согласно ПУЭ выбор экономически целесообразного сечения про­изводят по так называемой экономической плот­ности тока, которая зависит от материала проводников и числа часов использования максимума активной мощности. Сечение проводников проектируемой линии с достаточной точностью можно оп­ределить по формуле [4.9]:

 

 

где - расчетное значение тока. А;

jэк - экономическая плотность тока, А/кв.мм. Расчетное значение тока можно определить по величине ак­тивной Рр. либо полной Sp расчетной мощности:

Нормированные значения экономической плотности тока для зоны

Западной Сибири приведены в табл. 5.1 [10].

Таблица 5.1

Экономическая плотность тока для районов Западной Сибири

 

проводники	продолжительность использования максимума нагрузки,ч
1000 - 3000	3000 - 5000	5000 - 8760
алюминиевые и сталеалюминевые провода	1,5	1,4	1,3
кабели с медными жилами		2,5
кабели с алюминиевыми жилами	1,8	1,6	1,5

 

Сечение провода или жилы кабеля, полученное в результате рас­чета округляется до ближайшего стандартного знания.

Выбору сечений по экономической плотности тока не подлежат сети напряжением до 1 кВ, рассчитываемые по потере напряжений сборные шины электроустановок всех напряжений, сети временное со­оружений и устройств со сроком службы менее 5 лет [10].

Выбор сечений проводов и кабелей по нагреву про­изводят по расчетному току Jр Поскольку многие сельскохозяйственные предприятия относятся к потребителям I иIIкатегориям, то для их электроснабжения часто применяют параллельно работающие линии. В качестве расчетного тока для параллельно работающих линий при­нимают ток послеаварийного режима.

Для правильного решения вопросов проектирования и технической эксплуатации надо четко различать аварийный и послеаварийный режимы.

Под аварийным режимом понимают кратковременный переходный процесс, вызванный нарушением нормального режима работы системы электроснабжения, который продолжается до отключения поврежденного элемента или участка. Продолжительность аварийного режима определяется в основном временем действия релейной защиты и авто­матики:

Под послеаварийный режимом подразумевают режим, возникающий после отключения поврежденных элементов, он более продолжителен, чем аварийный режим, и продолжается до восстановления нормальной работы, В послеаварийном режиме система электроснабжения должна обеспечивать нормальную работу потребителей I и II категорий. Поэтому для параллельно работающих линий в качестве расчетного принимают такой ток, когда одна питающая линия вышла из строя. Условие выбора сечения провода или кабеля по нагреву

Допустимые токовые нагрузки на провода и кабели различ­ных марок в зависимости от условий среды и способа прокладки при­водятся в справочниках [7,8, 11] Допустимые нагрузки определены исходя из температуры окружающего воздуха 25 С и температуры земли 15 . Если температура среды отличается от указанных зна­чений, то данные таблиц умножают на поправочные коэффициенты.

Нужно иметь в виду, что сечения проводов при наружной про­кладке очень редко выбирают по нагреву, а в подавляющем боль­шинстве случаев определяют по допустимой потере напряжения или по экономической плотности тока, которые получаются значительно меньше.

Сечение проводов электрической сети по потере напряжения выбирают так, чтобы напряжение в конце линии поддерживалось на необходимом уровне. Расчет электрических сетей переменного тока всегда ведут не по падению, а по потере напряже­ния, которая представляет собой алгебраическую разность в начале и в конце линии.

Линии электропередачи напряжением 35 кВ и вышепо допустимым потерям и отклонению напряжения, как правило, не рассчитывают. Для таких линий экономически целесообразней устанавливать трансформа­торы с регулированием напряжения под.нагрузкой {РПН) и поддержи­вать напряжение в конце линии на необходимом уровне.

Сети напряжением до 1 кВ. а также напряжением 6 - 10 кВ под­лежат проверке на максимальную потерю напряжения от центра пита­ния до удаленной подстанции. При этом должны быть учтены и потери в сети низшего напряжения ТЛ.

Потерю напряжения и линии или на отдельном ее участке опре­деляют по формуле:

где Ip-расчетный ток линии, А

l-длина линии, км

-активное и реактивное удельное сопротивление линии, Ом\км

соответствуют коэффициенту мощности в конце линии.

Допустимые значения отклонений напряжений от номинального на зажимах различных приемников электроэнергий регламентируются ГОСТ 13109-87 [4,9].

Согласно ГОСТ на зажимах приборов рабочего освещения допуска­ются отклонения напряжения в пределах от -2,5 до + 5% номиналь­ного, на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления - от -5 до +10%. На зажимах остальных приемников элек­троэнергии допускаются отклонения напряжения в пределах ± 5%. В послеаварийных режимах допускается дополнительное понижение нап­ряжения на 5%. в электрических сетях нормированных значений для потери напряжения не установлено.

Зная напряжение на шинах источника питания и подсчитав поте­ри напряжения в сети, можно определить напряжение у потребителя. При отклонениях напряжения у потребителя свыше допустимых значе­ний решается вопрос о способах регулирования напряжения у источника питания, либо о замене сечения проводов электрической сети на большее значение.

Воздушные линии, находясь на открытом воздухе, испытывают нагрузку от веса проводов, давления ветра, веса гололеда, обра­зующегося на проводах. Для надежной работы проводов, опор и дру­гих конструктивных элементов проводят расчет механической проч­ности линий или механический, расчет.

Механический расчет воздушных линий основан на применении некоторых положений курса "Сопротивление материалов", указаний ПУЭ и Строительных норм и правил (СНиП). Следует иметь в виду, что в настоящее время разработаны типовые конструкции опор для различных напряжений и разных климатических районов Российской Федерации. Поэтому проведение механического расчета целесообразно только в тех случаях, когда применяются новые типыопор или усло­вия прокладки воздушной линии отличаются от условий, предусмот­ренных, СНиП. Воздушные линии напряжением 35 кВ и выше, прокладываемые по трассам выше 1500 м над уровнем моря, должны быть проверены по условию возникновения короны. При бо­лее низких отметках проверка по условию короны не производится, если сечение провода составляет не менее 70 кв. мм при напряжении 110 кВ и не менее 240 кв.мм при напряжении 220 кВ [10]..

При выборе сечения шин и кабелей, защищаемых релейной защи­той, проводят проверку по термической стойкости при токах корот­кого замыкания. Расчетная температура проводника при коротком за­мыкании не должна превышать предельно допустимого значения

На практике вычислить температуру проводника при коротком замыкании довольно трудно, поэтому можно сразу определить терми­чески стойкое к токам короткого замыкания сечение по формуле

где - установившееся значение тока КЗ, А; t_п - приведенное время КЗ, с;

- температурный коэффициент, учитывающий ограничение допустимой температуры нагрева жил кабеля, опреде­ляется по таблицам [2].

Кабели, защищаемые плавкими предохранителями, а также провода воздушных линий на термическую стойкость к токам короткого замы­кания не проверяют.

 

6. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

 

6.1. Общие положения

Электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснаб­жения, должно быть устойчивым к токам короткого замыкания и вы­бираться с учетом этих токов. При проектировании систем электрос­набжения определяют максимально возможные и минимальные токи КЗ. Максимальные токи КЗ рассчитывают для проверки токоведущих частей и аппаратов на термическую и динамическую стойкость, для выбора устройств по ограничению токов КЗ или времени их действия. Мини­мальные значения токов КЗ необходимы для оценки чувствительности релейных защит. Для получения максимального значения тока КЗ расчетным явля­ется трехфазное короткое замыкание. Расчетное место КЗ выбирают так, чтобы ток, проходящий через проверяемый аппарат, оказался максимально возможным, то есть точка короткого замыкания прини­мается непосредственно за проверяемым аппаратом. Все нормально работающие источники питания втом числе и двигатели, которые в момент короткого замыкания переходят в режим работы генератора, считаются включенными.

Расчетным для минимально, возможного тока КЗ является одноили двухфазное короткое замыкание в конце рассматриваемого участ­ка при минимально возможном числе источников питания.

При расчетах максимальных и минимальных значений токов КЗ принимаются допущения:

- все источники схемы электроснабжения, участвующие в пита­нии рассматриваемой точки КЗ, работают одновременно и с номиналь­ной нагрузкой;

- расчетное напряжение каждой ступени при расчете максималь­ного тока КЗ принимается на 5% выше номинального значения, а при расчете минимального тока КЗ - равным номинальному напряжению се­ти:

- короткое замыкание наступает в момент времени, при котором ударный ток КЗ будет иметь наибольшее значение;

- сопротивление места короткого замыкания считается равным нулю;

- не учитывается сдвиг по фазе ЭДС различных источников пита­ния, входящих в расчетную схему;

- не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;

- не учитываются токи намагничивания трансформаторов;

- не учитываются активные сопротивления элементов цепи,

если их суммарной сопротивление относительно точки короткого за­мыкания не превышает 1/3 суммарного индуктивного сопротивления;

- все синхронные генераторы имеют АРВ и форсировку возбужде­ния.

 

6.2. Расчет токов короткого замыкания в именованных единицах

 

Для расчета токов КЗ составляют расчетную схему электрос­набжения и на ее основе - схему замещения сети. Расчетная схема представляет собой упрощенную однолинейную схему, на которой ука­зывают все элементы и их параметры, влияющие на ток короткого замыкания. Здесь же указывают точки, в которых необходимо опреде­лить ток КЗ. В схеме замещения магнитные связи всех элементов за­менены электрическими, а все элементы сети представлены сопротив­лениями [23

Для расчета тока КЗ любую схему электрической сети необходимо путем последовательных преобразований привести к ее простейшему виду, изображенному на рис.6.1.

Рис.6.1. Эквивалентная схема замещения сети для определения тока короткого замыкания в точке К

Тогда ток короткого замыкания

 

где Еэ, Z_э - эквивалентные значения ЭДС и сопротивлений.

Для несложных схем, входящие в них величины могут выражаться в именованныхединицах. На рис. 6.2. изображена схема цепи корот­кого замыкания, состоящая из генератора, двух трансформаторови двух участков линий. Каждый из входящих в цепь элементов может быть выражен своим сопротивлением Z.

 

Рис.6.2. Расчетная схема цепи КЗ (а) и ее схема замещения (б)

При расчете в именованных единицах сопротивления выражаются вОмах. Для того, чтобы найти эквивалентное сопротивление всей цепи, надо сопротивления отдельных участков цепи привести к одно­му напряжению, которое называют базисным. За базисное принимают чаще всего номинальное напряжение той ступени, где расположена точка КЗ. Применяемые в расчетах средние номинальные напряжения ступеней умножают на 1.05 (6,3; 10.5; 37; 115; 230 кВ и т.д.).

Приведенные величины отмечены знаком "о " над буквой, они мо­гут быть определены по следующим формулам:

В этих формулах Uном.ср. - номинальное напряжение данной сту­пени, умноженное на 1,05.

Эквивалентное приведенное сопротивление всей цепи (рис.6.2)

При наличии в схеме электроснабжения двух или нескольких источников питания их можно заменить одним эквивалентным.

Для двух источников ЭДС:

;

Если ЭДС источников равны, то Мощность короткого замыкания

Ток КЗ в системе электроснабжения может быть определен также методом наложения. По этому методу рассчитывается ток КЗ от каждо­го источника в отдельности. Результирующий ток КЗ определяют пу­тем арифметического сложения полученных токов КЗ в рассчитываемой точке. Этим методом часто пользуются при определении токов под­питки в точке КЗ от синхронных и асинхронных двигателей.

 

 

6.3, Сопротивления отдельных элементов схемы электроснабжения

 

При расчете токов КЗ все элементы, входящие в схему сети, за­меняют эквивалентными сопротивлениями.

Для воздушных и кабельных линий электропередачи задаются дли­на l и удельное сопротивление (Ом/км). Тогда сопротивление линии в именованных единицах определится:

 

Для генераторов, трансформаторов, реакторов, двигателей и для обобщенной нагрузки сопротивления задаются в относительных едини­цах. Реактивное и активное сопротивления в относительных единицах представляют собой отношение падения напряжения на данном сопро­тивлении при номинальном токе к номинальному напряжению.

Сопротивления всех элементов в именованных единицах выража­ются вомах и определяются по формулам:

Для генератора

 

Для трансформатора

 

Для реактора

 

Для асинхронного двигателя

где Кi -кратность пускового тока.

Для асинхронных двигателей сверхпереходное сопротивление мож­но определить также по данным табл.6.1. Для синхронных двигате­лей, синхронных компенсаторов сопротивление -определяется как и для генераторов.

Параметры системы электроснабжения могут быть заданы мощ­ностью КЗ либо током КЗ системы. Тогда сопротивление системы можно определить из выражений:

при известной мощности КЗ

при известном токе КЗ

Если данные о сопротивлениях отдельных элементов схемы от­сутствуют, то при расчете токов КЗ можно руководствоваться сле­дующим [6,10):

для турбогенераторов мощностью 2,5 - 6 МВт сверхпереходное сопротивление можно принять равным 0,11;

для гидрогенераторов с успокоительной обмоткой =0.2 без успокоительной обмотки - 0,27

для синхронных и асинхронных двигателей =0,2;

для трансформаторов, если пренебречь их активным сопротивле­нием, напряжение КЗ % - которое 'приводится в каталогах, числен­но равно их индуктивному сопротивлению Х%;

для воздушных линий напряжением выше 1 кВ значение =0.4 Ом/км, для ВЛ 0.4 кВ - 0.35 Ом/км;

для кабельных линий напряжением 6 - 20 кВ =0.08 Ом/км, для КЛ 35 кВ Х.₀ =0,12 Ом/км.

6.4. Расчет токов КЗ в относительных единицах

Преобразовывать сложные схемы при помощи именованных единиц неудобно. В этом случае все величины выражают в относительных единицах, сравнивая их с базисными. В качестве базисных величин принимают базисную мощность и базисное напряжение . За ба­зисную мощность принимают суммарную мощность генераторов, мощ­ность трансформатора, а чаще число, кратное 10, например 100 MBА. В качестве базисного напряжения принимают среднее напряжение той ступени, где рассматривается КЗ ( =6,3; 10,5: 37; 115; 230 кВ и т.д.). Таким образом, в системе имеют столько базисных нап­ряжений, сколько ступеней напряжений.

Формулы для определения сопротивлений элементов электричес­кой сети в относительных и именованных единицах сведены в табл. 6.1.

Для трехобмоточных трансформаторов в каталогах приводятся значения для каждой пары обмоток , отнесенные к номинальной мощности трансформатора .При рас­чете токов КЗ в расчетной схеме замещения сети трехобмоточный трансформатор изображают в виде трехлучевой звезды, лучами кото­рой являются обмотки высшего, среднего и низшего напряжений. Соп­ротивления этих обмоток можно определить по формулам [3]:

в именованных единицах

в относительных единицах, приведенных к базисной мощности

Для определения токов КЗ этим методом схему замещения также приводят путем последовательных преобразований к простейшему виду (рис.6.1).

Расчет токов КЗ производят в следующей.последовательности. Сначала определяют базисные токи для каждой ступени трансформации

Затем находят сопротивления отдельных элементов рассматривае­мой сети в относительных единицах (табл.6.1) и подчитывают сум­марное эквивалентное сопротивление схемы замещения от источника до точки КЗ.

Периодическая составляющая тока КЗ

где - базисный ток той ступени, на которой рассматриваете ток КЗ;

- с уммарное приведенное индуктивное сопротивление от источника

питания до точки КЗ.

Если в расчете учитывают активные сопротивления, то вместо в формулу входит полное приведенное сопротивление от источника питания до точки КЗ.

 

Для выбора и проверки электрооборудования по условию электродинамической стойкости необходимо знать ударный ток КЗ

где - действующее значение периодической составляющей тока КЗ в начальный период или начальный сверхпереходный ток КЗ (для системы бесконечной мощности Iпо=I"-Iк);

Куд -ударный коэффициент,

Ударный коэффициент зависит от постоянной времени затухания Та апериодической составляющей тока КЗ

При практических расчетах токов КЗ в разветвленных схемах ударный коэффициент определяют по кривой зависимости

Постоянная времени

_;

_{Где -} суммарные индуктивное и активное сопротивления цепи КЗ (Ом или относительных единиц). В сетях, где активные сопротивления неучитывают из-за их несу­щественного влияния на, полное сопротивление цепи КЗ, можно при­нять

;

 

Рис. 6.3. Зависимость ударного коэффициента К_уд от постоян­ной времени Та затухания апериодической составляющей тока КЗ.

В качестве минимального тока КЗ, который необходим для про­верки чувствительности релейных защит, используют ток двухфазного КЗ в наиболее удаленной точке. Минимальное значение тока КЗ можно определить по формуле