Расчет и построение годового графика нагрузки

В задании на курсовое проектирование указывается предприятие, для снабжения которого необходимо спроектировать подстанцию. Пользуясь /2, 3/ выбирается суточный график нагрузки, как правило, зимний, вычерчивается с привязкой к своему заданию, принимая максимальную нагрузку по графику равной заданной полной S_max или активной P_max мощности подстанции. При известной S_max, P_max типовой график нагрузки переводится в график нагрузки конкретного потребителя, используя следующие соотношения для каждой ступени графика:

(2.1)

где P_i – мощность на i-той ступени суточного графика, МВт;

n_i% – ордината соответствующей ступени суточного типового графика, %;

P_max – максимальная нагрузка подстанции, указанная в задании, МВт;

Затем по суточному графику нагрузки определяют:

1) суточный расход электроэнергии W_с, МВт∙ч:

(2.2)

где t_i – продолжительность i-той ступени суточного графика, час;

2) среднесуточную нагрузку P_срс, МВт и показывают ее на суточном графике нагрузок (рисунок 2.1):

(2.3)

где t_с – продолжительность суток – 24 часа;

3) коэффициент заполнения графика K_зг, который показывает степень неравномерности графика работы установки:

(2.4)

Затем строят годовой график нагрузки по продолжительности для заданной промышленности. Обычно для каждого потребителя в справочной литературе приводится несколько суточных графиков, характеризующих работу потребителя в разное время года и в разные дни недели. Это типовые графики зимних и летних суток для рабочих дней, график выходного дня и т.д. Основным является зимний суточный график рабочего дня. Его максимальная нагрузка P_max принимается за 100% и ординаты всех остальных графиков задаются в процентах относительно этого значения (рисунок 2.1).

а) б)

а) – типовой график, б) – график нагрузки конкретного потребителя

Рисунок 2.1 - Суточные графики нагрузок

Мощности каждой ступени графика, МВт:

Годовой график по продолжительности нагрузок показывает длительность работы подстанции в течении года с различными нагрузками. По оси ординат откладывают нагрузки в соответствующем масштабе, по оси абсцисс – часы года от 0 до 8760 час. Нагрузки на графике располагают в порядке их убывания от P_max до P_min (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Годовой график продолжительности нагрузок

Построение годового графика продолжительности нагрузок производится на основе известных суточных графиков (в процентах или в именованных единицах). По графику определяются:

1) годовое потребление электроэнергии W_г, МВт∙ч:

(2.5)

где T_i = t_iз∙n_з + t_iл∙n_л;

t_iз, t_iл – продолжительности ступеней на зимнем и летнем графиках нагрузок, час;

n_з, n_л – количество зимних и летних суток в году;

2) продолжительность использования максимальной нагрузки, T_max, час:

(2.6)

Например, продолжительности ступеней годового графика нагрузки (рисунок 2.2), построенного по суточному графику (рисунок 2.1):

T₁ = t₄ ∙ 365 = 6 ∙ 365 = 2190;

T₂ = t₂ ∙ 365 = 4 ∙ 365 = 1460;

T₃ = (t₃ + t₅) ∙ 365 = (4 + 2) ∙ 365 = 2190;

T₄ = (t₁ + t₆) ∙ 365 = (6 + 2) ∙ 365 = 2920;

Предполагается, что зимой и летом предприятие работает по одному графику.

3 Выбор типа, числа и мощности трансформаторов

Силовые трансформаторы, установленные на подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 - 15% ниже, а расход активных элементов и стоимость на 20-25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

В задании на курсовое проектирование обычно указывается два напряжения подстанции – 110 (35) кВ и 10 (6) кВ, поэтому по количеству обмоток следует принимать двухобмоточные трансформаторы. Если мощность выбранного трансформатора 25000 кВА и более, то необходимо принимать трансформаторы с расщепленными обмотками по низшей стороне с целью ограничения токов короткого замыкания.

Выбор числа трансформаторов на подстанции определяется категорийностью потребителя (см. задание). Понизительные подстанции желательно выполнять с числом трансформаторов не более двух. Для потребителей третьей и частично второй категории возможно рассмотрение варианта установки одного трансформатора при наличии резервного питания от соседней трансформаторной подстанции.

На подстанциях с двумя трансформаторами рабочие секции шин низшего напряжения целесообразно держать в работе раздельно. При таком режиме ток короткого замыкания уменьшается и облегчаются условия работы аппаратов низкого напряжения /1/.

В системах электроснабжения промышленных предприятий мощность силовых трансформаторов должна обеспечить в нормальных условиях питание всех приемников. При выборе мощности трансформаторов следует добиваться как экономически целесообразного режима работы, так и соответствующего обеспечения резервирования питания приемников при отключении одного из трансформаторов. При этом следует помнить, что на однотрансформаторной подстанции определяющим является нормальный режим работы, на двухтрансформаторной подстанции определяющий режим – послеаварийный.

Мощность трансформатора на двухтрансформаторной подстанции можно выбирать двумя способами: по заданной мощности подстанции; по графику нагрузки.

1) первый способ.

Мощность трансформатора на подстанции в соответствии с /1/ определяется:

(3.1)

где S_ном – номинальная мощность трансформатора;

S'_max – максимальная нагрузка подстанции с учетом компенсирующих устройств.

(3.2)

где P_max – максимальная активная мощность;

Q_max - максимальная реактивная мощность подстанции;

Q_ку – мощность компенсирующих устройств;

(3.3)

tg φ определяется по заданному cos φ;

(3.4)

где Q_эс – реактивная мощность, которая может быть выдана энергосистемой в сеть.

(3.5)

Базовое значение tg φ_б = 0.4 при питании подстанции на U = 220 – 230 кВ; tg φ_б = 0.3 при питании подстанции на U = 110 – 150 кВ; tg φ_б = 0.25 при питании подстанции на U = 35 кВ, /4/.

Расчетная мощность трансформаторов, полученная по формуле 3.1, округляется до ближайшей стандартной мощности S_ном)по шкале ГОСТ 11920-85, ГОСТ 12965-85. Затем выбранный трансформатор проверяется на перегрузочную способность по ГОСТ 14209-97

(3.6)

где k₂ – коэффициент аварийной перегрузки при отключении одного из трансформаторов во время аварии, определяется по таблицам аварийных перегрузок /7/.

Он зависит от коэффициента начальной нагрузки (K₁), температуры охлаждающей среды во время аварии (θ_охл), длительности перегрузки (h), а также от системы охлаждения трансформатора. В соответствии с /1, 5, 6/ k₂ = 1,4 при соблюдении следующих условий: в тех случаях, когда нагрузка трансформаторов (для систем охлаждения М, Д, ДЦ и Ц) до и после аварийной перегрузки не превышала 0,9 от его паспортной мощности, его возможно перегружать в срок до 5 суток на 40 % при температуре охлаждающего воздуха θ_охл не более +30⁰C, но при этом продолжительность перегрузки в каждые сутки не должна превышать 6 часов (суммарная продолжительность перегрузки подряд или с разрывами), при температуре охлаждающего воздуха θ_охл более +30⁰C величина перегрузки снижается до 30 % и продолжительность ее уменьшается до 4 часов в сутки.

Коэффициент начальной нагрузки K₁ определяется как:

(3.7)

где S_ср.кв – среднеквадратичная нагрузка;

n – число трансформаторов.

Возможно использование коэффициента начальной нагрузки в максимальном режиме.

(3.8)

Если при проверке трансформатора в аварийном режиме не выполняется условие (3.6), то необходимо предусмотреть отключение части потребителей III категории, или увеличить мощность трансформатора на одну ступень.

2) второй способ.

В основу этого расчета положен график нагрузки предприятия и критерием выбора является износ изоляции трансформатора. По суточному графику нагрузки рассчитывается среднеквадратичная нагрузка S_ср.кв:

(3.9)

где T – продолжительность графика, час;

S_i – полная мощность i-той ступени графика.

И тогда номинальная мощность трансформатора будет определяться как:

или

(3.10)

где S_*ср.кв – среднеквадратичная нагрузка в относительных единицах.

(3.11)

По среднеквадратичной мощности рекомендуется выбирать мощность трансформаторов, питающих резкопеременную нагрузку.

Полученная мощность округляется до ближайшей стандартной. Затем S_ном наносится на суточный график в виде прямой линии.

Выбранный трансформатор проверяется на аварийную перегрузку. Для этого задаются средней температурой охлаждающего воздуха (для Оренбургской области θ_охл = –13,4 º C) /7/ и по графику определяется суммарное количество часов перегрузки трансформатора свыше номинальной мощности h.

Затем определяется начальная нагрузка (K₁) из выражения (3.7) или:

где S_m – средняя мощность интервала длительностью ∆t_m.

По таблице 11 ГОСТ 14209-97 для известных K₁ и h , а также температуры окружающей среды и способа охлаждения трансформатора определяется допустимая аварийная нагрузка k₂. Затем проверяется условие (3.6), если оно не выполняется, поступают также, как и в предыдущем случае (см. с. 19).

Например, задан график нагрузки предприятия (рисунок 3.1), для которого S'_max = 23 МВА.

Рисунок 3.1

Определяется среднеквадратичная мощность:

S_*ср.кв = 0.82

S_ном = 0.82∙S’_max = 0.82∙23 = 18.9 МВА.

По справочнику /10/ выбираются два трансформатора мощностью S_ном = 16 МВА. Откладывается данная величина на графике в процентах от максимальной нагрузки подстанции

Проверяется коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме:

что соответствует экономической загрузке трансформаторов.

Систематическая нагрузка трансформаторов меньше их номинальной мощности (S'_max < 2·S_ном), поэтому выбранные трансформаторы проверяются только на аварийную перегрузку.

Коэффициент аварийной перегрузки (K₂), как было указано выше, зависит от системы охлаждения трансформатора (ТМ, ДЦ и т. д.), температуры охлаждающей среды (θ_охл), числа часов аварийной перегрузки (h), коэффициента начальной нагрузки, (K₁ или K_1max).

K₂ = f (θ_охл; h; K_1max)

θ_охл = –13.4⁰C; h = 24 час

По таблице /27/ определяется K₂ = 1,5.

Проверяется выбранный трансформатор на аварийную перегрузку:

S_ном ∙ K₂ ≥ S'_max; 16 ∙ 1,5 > 23 МВА.

Выбранный трансформатор удовлетворяет требованиям ГОСТ 14209-97. Выписываются все каталожные данные трансформатора из справочников /2, 3/. Например: ТДН-16000/110/10

S_ном = 16 МВА, U_вн = 115 кВт, U_нн = 11 кВ, I_хх = 0,7 %,

P_хх = 18 кВт, P_кз = 85 кВт, U_кз = 10,5 %.

Габариты: длина 6 м, ширина 3,5 м, высота 5,5 м.

Выбор мощности трансформатора на однотрансформаторной ГПП производится по среднеквадратичной мощности:

S_ном ≥ S_ср.кв с проверкой перегрузочной способности трансформатора в часы максимума

S_ном ∙ K₂ ≥ S'_max ,

где K₂ – коэффициент допустимой систематической нагрузки.

Так как потребная мощность предприятия растет из года в год, при проектировании подстанций необходимо фундаменты и конструкции, а также ошиновку подстанции и аппараты ввода рассчитывать для трансформаторов на ступень выше расчетной мощности, т. е. предусмотреть возможность увеличения мощности подстанции без существенных переделов /1/.

Токи короткого замыкания