Выбор схемы электрической сети промышленного района

При проектировании электроэнергетических объектов используется метод вариантного сопоставления возможных к исполнению конкурентоспособных технически реализуемых решений задачи.

Для количественной оценки экономичности варианта технического решения проектируемой сети используют приведенные к одному году затраты. На основании анализа исходных данных составляют возможные к исполнению варианты сети. Наивыгоднейшим из них является тот, при котором приведенные затраты будут минимальными.

В случае, если в результате технико-экономического сравнения вариантов некоторые из них окажутся равноэкономичными, к исполнению принимают тот из них, который лучше будет обеспечивать качественные и перспективные показатели.

Рассмотрение схем построения сети промышленного района

В питающих электрических сетях применяют различные по построению схемы : разомкнутые (нерезервированные и резервированные) - радиальные, магистральные, радиально-магистральные и замкнутые (резервированные) - кольцевые, с двухсторонним питанием, сложнозамкнутые.

Выбор конкретной схемы определяется составом потребителей по категориям требуемой надежности электроснабжения и взаимным расположением ЦП и понижающих подстанций.

Для питания электроприемников I и II категорий применяют различные резервированные схемы. Возможность питания электроприемников II категории по нерезервированной воздушной одноцепной линии должна быть доказана технико-экономическим сравнением с вариантом резервированного электроснабжения. Питание электроприемников III категории может осуществляться по одноцепным нерезервированным линиям.

На ПС, как правило, устанавливают два трансформатора (автотрансформатора), что соответствует требованиям к надежности электроснабжения узлов нагрузки, имеющих потребителей I и II категорий.

Для выключения поврежденных элементов сети, для их резервирования, а также для осуществления ремонта оборудования без прекращения электроснабжения потребителей при выборе схемы построения сети, отвечающей требованиям надежности, необходимо предусматривать установку соответствующих коммутационных аппаратов для отключения и переключения.

Наиболее рациональные схемы построения сети рассматриваются при выборе возможных вариантов схемы электрических соединений.

2.3.2. Составление вариантов схемы электрических соединений сети

Схема электрических соединений сети (конфигурация сети) зависит от взаимного расположения ЦП и ПС на плане местности, а также от соотношения нагрузок подстанций промышленного района. Используют разомкнутые нерезервированные и резервированные замкнутые и сложнозамкнутые схемы.

Основные положения рационального построения конфигурации сети заключаются в следующем:

- питание потребителей промышленного района осуществляется по кратчайшим связям;

- следует избегать обратных потоков мощности даже на отдельных участках сети;

- применение замкнутых и сложнозамкнутых схем для питания нескольких ПС промышленного района экономически целесообразно при условиях:

а) суммарная длина замкнутой схемы значительно меньше суммарной длины линий радиально-магистральной резервированной схемы в одноцепном исчислении;

б) при объединении в замкнутый контур нескольких ПС не образуется протяженных малозагруженных участков сети, которые практически используются только в послеаварийных режимах.

Составление вариантов схемы сети является достаточно сложной задачей, решение которой во многом зависит от опыта и искусства проектировщика.

Разработку вариантов начинают с наиболее простых схем. К таким вариантам относятся схемы радиального и магистрального типа, а также кольцевые. Наряду с простыми и дешевыми вариантами рассматривают схемы с увеличенными капиталовложениями, за счет чего достигается большая эксплуатационная гибкость, снижение потерь мощности, повышенная надежность электроснабжения. К числу таких вариантов относятся смешанная магистрально-радиальная схема, схемы с двумя и более взаимно замкнутыми контурами.

Рекомендации по выполнению линий и подстанций

Линии сетей 35 - 220 кВ, как правило, выполняются воздушными (ВЛ) на одностоечных железобетонных свободностоящих опорах, в одно- и двухцепном исполнении.

Число цепей ВЛ выбирается на основе надежного электроснабжения. Электроприемники I и II категорий должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания (таковыми, в частности, считаются две системы шин или две секции шин одной подстанции или электростанции).

Если в схеме варианта сети имеется тупиковая линия, питающая электроприемники III категории, то необходимо определить целесообразное число цепей такой ВЛ.

Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [6, п.1.2.19] допускается питание электроприемников II категории по одной ВЛ, если обеспечена возможность проведения ее ремонта в течение суток.

Предпочтительной является схема, при которой ВЛ выполняются на отдельных опорах, идут по разным трассам с целью охвата электрификацией дополнительной территории.

Для питания ПС с потребителями I категории рекомендуется использовать резервированные одноцепные ВЛ.

Длины ВЛ из-за непрямолинейности и неровности рельефа местности принимают больше на 20% по отношению к воздушной прямой между соответствующими пунктами.

Марку проводов ВЛ выбирают по [2]. Наиболее распространены на ВЛ 35 - 220 кВ сталеалюминиевые провода (АС). В процессе проектирования сети выбирают число, мощность, и тип трансформаторов, схему электрических соединений ПС.

С точки зрения местоположения ПС в сети и способа присоединения их к сети со стороны высокого напряжения (ВН), ПС выполняются тупиковыми, ответвительными, проходными и узловыми (Приложение П.3). Количество ВЛ со стороны ВН подстанций и схема подключения к сети определяют схему электрических соединений ПС и, следовательно, ее конструктивное исполнение и стоимость.

При выборе трансформаторов для ПС следует принимать только те из них, которые имеют встроенное регулирование напряжения под нагрузкой (РПН).

Число ячеек выключателей в ЦП принимают равным числу отходящих от него ВЛ. Число ячеек выключателей ПС на стороне ВН определяется типом схемы ПС. Типовые схемы ПС [5] приведены в приложении П4. Схема П4.1 предназначена для тупиковых нерезервированных радиальных линий; схема П4.2 - для ответвительных ПС в нерезервированных магистральных ВЛ; схема П4.3 - для всех ПС резервированных радиальных и магистральных сетей; схемы П4.4 и П4.5 - для проходных ПС замкнутых сетей (для сети 35 кВ только П4.5); схемы П4.6 - для узловых ПС 35 кВ, П4.7 - для узловых ПС 110-220 кВ с количеством отходящих линий не более 6; схема П2.8 - для узловых ПС 110-220 кВ с количеством отходящих линий более 6, в курсовом проекте рекомендуется применять в ОРУ 110-220 кВ центров питания. На ПС с малым числом выключателей (три и менее) установка воздушных выключателей не рекомендуется.

Число ячеек выключателей на стороне низшего напряжения (НН) ПС определяют условно по нагрузке ПС, исходя из возможной передачи в режиме максимальной нагрузки по каждой линии до 3-4 МВА. Кроме этого, необходимо учесть вводные ячейки выключателей понижающих трансформаторов, секционные выключатели и выключатели КУ.

Вариант I. Радиально-магистральная сеть. Все подстанции, имеющие потребителей I категории, подключены двумя одноцепными линиями. ПС3, не имеющая потребителей I категории – двух-

54км

ИП

ИП

	12,9+j4,9

		14,4+j6,4

14,2+j6,4

5 1 54км63км

72км

5 1

	45км

9,8+j3,56

4 2 45км

		21,6+j7,52

9,8+j3,56

4 45км

21,6+j7,52

36км

3 36 2

3

	13,7+j6,57

Схема 1

Схема 2

		ИП

54км63км

12,9+j4,9

ИП

5

14,2+j6,4

1 63км

14,2+j6,4

54км

45км

45км 5 1

2 72км

4 45км

36км

9,8+j3,56

21,6+j7,52

63км 4 2

9,8+j3,56

3

ИП

13,7+j6,57

36км

21,6+7,52

63км

Схема3 3

13,7+j6,57

Схема4

\

-цепной ВЛ. Для всех подстанций использована схема тупиковых и ответвителъных ПС.

Вариант II. Радиально-магистральная сеть.

Вариант III. Кольцевая схема. Все понижающие подстанции выполнены проходными. Использована схема мостика с выключателями со стороны линий, что обосновывается тем, что, во-первых, для проходных подстанций в кольцевой схеме транзит не является основной задачей и, во-вторых, длина линий довольно значительна.

Вариант IV. Схема, содержащая кольцевую и магистральную сети.

2.3.4. Предварительный расчет установившихся режимов проектируемых вариантов сети промышленного района

Решением задачи расчета является ответ на вопрос о технической реализуемости варианта схемы сети. Расчет производят для каждого из рассматриваемых вариантов. При проектировании сети одновременно с разработкой вариантов схемы конфигурации решаются вопросы выбора номинального напряжения сети. Комплексное решение данных вопросов требует определения потоков мощности по ВЛ в нормальном и послеаварийных режимах по отдельным участкам и напряжению в узлах сети.

На первом этапе предварительного сравнения и отбора конкурентоспособных вариантов схемы нагрузки в узлах сети определяют приближенно, без учета потерь мощности в трансформаторах и реактивной мощности, генерируемой линиями. Исходными данными для расчета потокораспределений в нормальном и послеаварийных режимах на данном этапе проектирования являются нагрузки ПС на стороне НН.

Приближенный расчет потокораспределений производят без учета потерь мощности в элементах сети, при условиях равенства напряжений вдоль ветвей схемы номинальному и однородности сети.

Расчет потоков мощности в магистральных сетях проводится в направлении от наиболее электрически удаленной ПС к ЦП путем последовательного суммирования расчетных нагрузок в узлах сети. В простых замкнутых сетях нагрузки ПС учитывают в узлах замкнутой сети ВН и определяют потоки мощности на головных участках пропорционально длине участков сети и, исходя из условий баланса мощности, находят потоки мощности на других участках.

В процессе расчета потоков мощности на головных участках линии с

двухсторонним питанием используют уравнения [1, с.138]:

; ; (2.14)

где , - поток мощности в сеть на головных участках отисточников питания А и В соответственно;

- нагрузка i-й ПС;

, - сопряженные комплексы сопротивлений линий от i-й ПС до источников питания В и А соответственно;

- сопряженный комплекс суммарного сопротивления всех линий сети с двухсторонним питанием между источниками А и В;

N - количество ПС в сети с двухсторонним питанием.

На данном этапе расчета сечения проводов F_i, а, следовательно, и их сопротивления Z _i - неизвестны. Допуская, что сечения проводов ВЛ одинаковы, в формулу (2.14) подставляют длины линий 1_i, вместо сопротивлений Z _i .

; ; (2.15)

Для расчета по формулам (2.14), (2.15) кольцевую сеть представляют в виде линии с двухсторонним питанием. При этом, кольцевую сеть разрывают в ЦП, заменяя источник питания в ЦП двумя источниками питания: А и В.

При расчетах режимов сложных замкнутых сетей может быть использован метод преобразования сети. Этот метод заключается в том, что сеть постепенными преобразованиями приводится к ВЛ с двухсторонним питанием, в которой находят распределение мощностей, как в простой замкнутой сети. Затем развертыванием схемы определяют распределение мощностей в исходной сети [1].

Преобразование сложной замкнутой сети основано на использовании следующих эквивалентных преобразований: замены нескольких ветвей одной эквивалентной, переноса нагрузок (исключение узла), преобразование треугольника в звезду и обратно. Например: эквивалентирование двух параллельных ветвей производят по выражению:

. (2.16)

При проведении эквивалентных преобразований и, в частности, расчетов по формуле (2.16) оперируют значениями длин линий вместо сопротивлений так, как это сделано в формуле (2.15).Перенос нагрузки определяют по уравнению расчета мощности на головных участках линии с двухсторонним питанием по (2.15).

На основании предварительной оценки расчетных нагрузок линий производится выбор номинального напряжения. Номинальное напряжение U_НОМ определяется, в основном, передаваемой активной мощностью Р (МВт) и длиной 1 (км).

Для ориентировочного определения величины экономически целесообразного напряжения линий U_НОМ (кВ) можно воспользоваться эмпирической формулой, предложенной Г.А. Илларионовым :

. (2.17)

Однако, автоматически пользоваться данной формулой недопустимо. Необходимо учитывать диапазоны фактически передаваемых по одной цепи ВЛ мощностей при том или ином номинальном напряжении, а также предельные протяженности ВЛ. Так, например, для ВЛ 110 кВ при диапазоне сечений проводов от 70 до 240 мм² передаваемая мощность лежит в пределах от 15 до 65 МВт при предельной длине ВЛ до 150 км. Для ВЛ 220 кВ при сечениях 240 - 400 мм² диапазон мощностей лежит в пределах от 100 - 200 МВт при предельной длине ВЛ до 250 км.

Рекомендуется выполнять проектируемую сеть с одним уровнем напряжения. При этом определяющим следует считать номинальное напряжение, полученное по (2.17) для более загруженных головных участков.

Зная потоки мощностей по ВЛ номинальное напряжение U_НОМ , можно перейти к выбору сечений проводов. Для этого определяют токи в ВЛ:

, (2.18)

где - число параллельно работающих ВЛ;

S _л - полная мощность, передаваемая по ВЛ, определяемая выражением:

. (2.19)

Сечения проводов выбирают по токовым экономическим интервалам в зависимости от расчетного тока [1, с. 268 - 274]:

, (2.20)

где - ток линии на пятый год ее эксплуатации;

- коэффициент, учитывающий изменение нагрузки по годам эксплуатации ВЛ;

- коэффициент, учитывающий время наибольшей нагрузки T_Hб и коэффициент ее попадания в максимум нагрузки энергосистемы K_M.

Для ВЛ 110 - 220 кВ = 1,05; - выбирают по таблице. При выполнении курсового проекта можно принять K_M = 0,8; . Таблица для выбора коэффициента дана в приложении.

Сечения проводов ВЛ выбирают по экономическим интервалам токовых нагрузок в зависимости от номинального напряжения, района по гололеду, материала опор и количества цепей на них [2]. Таблица экономических интервалов дана в приложении П6.

Если расчетный ток I_P превышает верхнюю границу интервала использования максимального сечения для данного напряжения, то данный вариант может быть исключен из дальнейшего рассмотрения как технически нереализуемый. В данном случае рекомендуется рассмотреть возможность введения дополнительных ВЛ, параллельных цепей либо перевода сети на более высокую ступень напряжения.

Выбранные сечения проводов должны быть проверены по допустимому току на нагрев в наиболее тяжелых после аварийных режимах. Для магистральных и радиальных ВЛ - это отключение одной цепи, для кольцевых и сложнозамкнутых сетей - отключение головных участков сети. Условие проверки:

, (2.21)

где - ток через рассматриваемую ВЛ в наиболее тяжелом из послеаварийных режимов;

- допустимые токовые нагрузки на провода согласно [2.с. 292], значения которых приведены в Приложении П6;

- поправочный коэффициент на температуру воздуха; в проекте его рекомендуется принять равным 1.

Если условие (2.21) не выполняется, то данный вариант является технически нереализуемым и должен быть исключен из дальнейшего рассмотрения.

Далее определяют активное сопротивление проводов линии - r_л и индуктивное сопротивление фазы линии x_л:

r _Л = r ₀·l / n _Л ;x _Л = x ₀·l / n _Л, (2.22)

где r ₀ и x ₀ – удельные активные и реактивные сопротивления воздушной линии, Ом/км (Приложение П6);

l – протяженность линии, км;

n _Л – число параллельных линий (цепей).

Потом рассчитывают потери напряжения в линиях в процента от номинального в нормальном ∆U^Н и послеаварийных ∆U^А режимах, используя уравнения:

∆U^Н % = ·100; (2.23)

∆U^А % = ·100, (2.24)

где P^Н_Л,Q^Н_Л и P^А_Л,Q^А_Л – потоки активной и реактивной мощности в линии в нормальном и послеаварийных режимах.

Суммарные потери напряжения от ЦП до электрически наиболее удаленной точки не должны превышать 13-15% в нормальном и 18-20% в послеаварийных режимах. Если эти условия выполняются, то предполагают, что диапазон устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) двухобмоточных трансформаторов достаточен для обеспечения встречного регулирования на шинах 10 кВ. Если это условие не выполняется, то рассматриваемый вариант может быть исключен из дальнейшего рассмотрения как технически нереализуемый.

На основании положений ранее изложенного материала последовательно намечают и рассчитывают три - пять возможных вариантов схем соединения сети с соответствующими номинальными напряжениями. На схеме варианта показывают расположения ЦП и ПС, нагрузки ПС, проектируемые ВЛ (с указанием их длин и сечений проводов). Наносят направления стрелками и значения потоков мощности в ВЛ, напряжение на ЦП и ПС. Результаты по вариантам заносят соответственно в табл.2.2. После каждой таблицы приводят выводы по результатам анализа произведенных расчетов соответствующих вариантов.

Вариант I

Схема и нагрузки сети показаны на рис. Пр.2.2.

Определим потоки мощности, передаваемые в нормальном режиме по линиям:

;

;

Таблица 2.2. Результаты предварительного расчета установившихся режимов предлагаемого варианта конфигурации сети

№ п/п

Расчетная величина

Ед. изм.

Обозн.

Линии

1-2

• • •

N-M

Протяженность линии

км

Поток активной мощности в нормальном режиме

МВт

Поток реактивной мощности в нормальном режиме

Мвар

Поток полной мощности в нормальном режиме

МВ·А

Номинальное напряжение

кВ

Ток нагрузки в нормальном режиме

А

Количество цепей, марка и сечение провода, выбранного по экономическим интервалам

Допустимый длительный ток по нагреву линии с проводами

А

Поток полной мощности в послеаварийном режиме 1 (повреждена ВЛ...)

МВ·А

Поток полной мощности в послеаварийном режиме 2 (повреждена ВЛ...)

МВ·А

Поток полной мощности в послеаварийном режиме 3 (повреждена ВЛ...)

МВ·А

Ток в после аварийном режиме I

А

Ток в после аварийном режиме 2

А

(Продолжение таблицы 2.2)

Ток в после аварийном режиме 3

А

Количество цепей, сечение про-вода, с учетом проверки по IДОП

Удельное активное сопротивление провода

Удельное индуктивное сопротивление фазы линии

x0

Активное сопротивление провода ВЛ

r

Индуктивное сопротивление линии

x

Потери напряжения в ВЛ в нормальном режиме

%

Максимальная потеря напряжения в сети в нормальном режиме

%

Потери напряжения в ВЛ в после аварийном режиме 1

%

Максимальная потеря напряжения в сети в после аварийном режиме 1

%

Потери напряжения в ВЛ в послеаварийном режиме 2

%

Максимальная потеря напряжения в сети в послеаварийном режиме 2

%

Потери напряжения в ВЛ в послеаварийном режиме 3

%

Максимальная потеря напряжения в сети в послеаварийном режиме 3

%

Примечание. В табл. 2.2. сведения о послеаварийных режимах вносят по фактическому числу послеаварийных режимов.

;

;

.

Результаты расчетов заносим в табл. Пр.2.2.

Полную мощность по линиям находим по формуле (2.19), например:

.

Аналогично определяем полную мощность на остальных участках.

Определяем желаемое номинальное напряжение для участков сети (2.17), •например, ВЛ ИП-5:

.

В качестве номинального напряжения сети выбираем номинальное напряжение головных участков -110 кВ, одинаковые для всей сети.

Определяем ток на каждом из участков (2.18), начиная с ВЛ _{ИП – ПС5}:

.

Для определения расчетного тока, согласно (2.20), принимаем коэффициент = 1,05; = 0,8. В соответствии с заданием = 5000 часов. =0,8. По формуле (2.20)

.

По таблице экономических интервалов для одноцепной линии на железобетонных опорах и III района по гололеду выбираем на рассматриваемом участке провода АС-70.

Допустимый ток для проводов ВЛ данного сечения 265 А.

Аварийным режимом для радиально-магистральных сетей является отключение одной из двух параллельных линий (цепей), обеспечивающих питанием каждую из ПС. При этом, потоки мощностей и токи, протекающие по оставшейся в работе ВЛ увеличатся в два раза: по ВЛ _{ИП – ПС5} будет протекать поток полной мощности S _{ИП – ПС5} = 12,9 + j4,9 МВА, а ток составит 35,9 А. Данный ток является допустимым для принятого сечения. Поэтому, по результатам проверки сечение проводов рассматриваемого участка ВЛ увеличивать не требуется.

Таблица Пр.2.2 Результаты предварительного расчета установившихся режимов для радиально-магистральной конфигурации, сети (Вариант I)

№ п/п	Обозначение.	Ед. изм.	ЛИНИИ
ИП– ПС5	ИП– ПС1	ПС1-ПС2	ИП - ПС4	ПС4-ПС3
		МВт	12,9	35,8	21,6	23,5	13,7
		Мвар	4,9	13,9	7,52	10,13	6,57
		МВ·А	13,7	38,4	22,87	25,6	15,19
			50,2 (110)	82,3 (110)	64,2 (110)	67,4 (110)	51,3 (110)
		А	2-35,9	2-100,8	2-60,08	2-67,26	2-39,9
			2·70	2·120	2·70	2·70	2·70
		A	2·265	2·390	2·265	2·265	2·265
	+	МВ·А	12,9 + +j4,9	35,8 + +j13,9	21,6 + +j7,52	23,5 + +j10,13	13,7+ +j6,57
		A	71,8	201,6	120,16	134,52	79,8
			2·70	2·120	2·120	2·120	2·120
		Ом/км	0,428	0,249	0,428	0,428	0.428
		Ом/км	0,444	0,427	0,444	0,444	0,444
		Ом	11,55	7,84	9,63	15,4	7,7
		Ом	11,9	13,4	9,99	15,9	7,9
	Проектирование питающей электрической сети промышленного района Выбор оптимальной схемы электрической сети на Выбор конфигурации электрической сети Расчет параметров схемы замещения электрической сети Выбор оптимальной схемы энергоснабжения промышленного района II. Выбор конфигурации электрической сети. Формирование однолинейной схемы электрической сети Построение схемы электрической сети Выбор оптимального местоположения ТП и схемы цеховой электрической сети Выбор напряжения электрической сети и системы внутрицехового электроснабжения, выбор источников питания электроэнергией ← Предыдущая страница | Следующая страница →