УДК 621.315.1.027

Ш42

ШЕЛЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

Линия электропередачи напряжением 500 кВ.

Стр. 115, рис. 26, табл. 51, библ. 11.

В данной работе выполнено проектирование электропередачи от строящейся ГЭС в энергосистему с промежуточной подстанцией, для которой произведен расчет и анализ основных режимов работы. Так же выполнено проектирование развития районной электрической сети. Кроме того, сделан обзор научно-технической литературы, рассмотрены вопросы по безопасности и экологичности проекта, выполнен механический расчет провода и троса линии электропередачи 500 кВ, рассчитаны технико-экономические показатели электропередачи.

ВВЕДЕНИЕ

В данном дипломном проекте будет сделан обзор научно-технической литературы. В нем рассмотрим вопросы о повышении надежности воздушных линий при воздействии атмосферных нагрузок и способы эффективного удаления гололедообразований с проводов ВЛ. Далее выполним проектирование электропередачи от строящейся ГЭС в энергосистему с промежуточной подстанцией. Из нескольких вариантов электропередачи необходимо выбрать один, удовлетворяющий условиям надежного снабжения электроэнергией потребителей промежуточной подстанции, а так же приемной системы, обеспечиваемых электроэнергией от ГЭС. Кроме того выбранный вариант должен быть экономически выгодным. Критерием определения рационального варианта является минимум приведенных затрат. Для выбранной электропередачи требуется рассчитать основные режимы работы: наибольшей передаваемой мощности, наименьшей передаваемой мощности, послеаварийный. Так же рассчитаем режимы синхронизации на шинах промежуточной подстанции и на шинах передающей станции. Помимо проектирования линии 500 кВ выполним проектирование развития районной электрической сети: необходимо дать характеристику потребителей и источников питания; определить потребную району мощность; для двух выбранных вариантов развития определить (проверить) сечения проводов, трансформаторы у потребителей; в результате технико-экономического сравнения выбрать рациональный вариант, для которого произвести расчет и анализ основных режимов работы. Кроме того, требуется рассчитать основные технико-экономические показатели электропередачи: капиталовложения, издержки, себестоимость передачи электроэнергии. В разделе по безопасности и экологичности проекта рассмотрим технику безопасности при профилактических испытаниях изоляции воздушных линий. Так же произведем механический расчет провода и троса линии 500 кВ.

1. ВЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АТМОСФЕРНЫХ НАГРУЗОК

1.1 О повышении надежности ВЛ при воздействии атмосферных нагрузок

В настоящее время в РФ значения нормативных атмосферных нагрузок на системы ВЛ определяются по методике [1] по региональным картам гололедных, гололедно-ветровых и ветровых нагрузок [1]. Гололедные нагрузки с заданной надежностью (вероятность непревышения нагрузки в 1 год) принимаются на основе данных измерений в течение 25 - 30 лет случайных значений максимальной в год массы гололеда на площадке метеостанции на высоте 2 м на проводе диаметром 5 мм на длине 1 м. На основе полученных данных о годовых максимумах массы гололеда на высоте 2 м от земли для метеостанции А создается статистический ряд значений толщин стенок b цилиндрического гололеда на проводе, эквивалентных массе гололеда с плотностью 0,9 г/см³, пересчитанных к высоте 10 м, диаметру 10 мм с поправкой на влияние закрытости провода метеостанции другими объектами.

В дальнейшем случайные значения выстраиваются в возрастающем порядке и определяется ежегодная надежность (вероятность непревышения) каждого члена по формуле (1).

(1.1)

где n - номер члена ряда в порядке возрастания; m -общее число лет измерений на метеостанции.

Таким образом, получается интегральная статистическая функция b_n = F(b_n).

Нормативное значение ежегодной надежности F(b_Э) можно рассчитать по формуле (1.2)

F(b_Э) = 1 - 1/Т_Н (1.2)

где b_Э - нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли по ПУЭ; Т_Н -средний нормированный в гл. 2.5 ПУЭ период превышения b_Э лет; 1/Т_Н - частота превышения b_Э в 1 год. В гл. 2.5 ПУЭ 7-го издания нормировано Т_Н 1 раз в 25 лет, которому соответствует ежегодная надежность F(b_Э25) =0,96

По функции распределения значений b_n по графику в координатах lnb_n, lnln[F(b_n)], соответствующих второму предельному закону распределения экстремальных в год значений b_n, для нормированного значения F(b_Э) определяется нормированное значение b_Э.

Далее, для группы метеостанций, расположенных на территории энергосистемы в сходных условиях рельефа местности, строится график регрессионной зависимости b_Э = f(H), где Н - отметка высоты места расположения площадки метеостанции. По значениям b_Э25 на метеостанции в пределах, регламентированных гл. 2.5 ПУЭ, определяется диапазон значений Н_н1 и Н_н2, по которым на карте проводят границы территорий, на которых надо при проектировании ВЛ принимать в расчетах на прочность данное нормативное значение b_Э в миллиметрах.

Анализ данных практического применения методики [1] позволил установить существенные недостатки этого документа. В [1] ошибочно предполагается, что, как и на площадке метеостанции, на всей территории в границах района гололедности значение b_Э имеет ежегодную надежность F(b_Э) = 0,96 и на этой территории значение b_Э может быть превышено в среднем 1 раз в течение 25 лет.

Ежегодная надежность b_Э по [1] практически относится только к площадкам метеостанций, на каждой из которых значения b_Э были (и будут) обусловлены независимыми случайными атмосферными процессами, имевшими место в разные годы на этой территории.

Проведенный анализ показывает, что по [1] не представляется возможным с использованием интегральных статистических функций распределения b_n для нескольких метеостанций выделить территорию между этими метеостанциями и на периферии, где бы нормативное значение b_Э25 соответствовало бы его ежегодной надежности F(b_Э) = 0,96. Следовательно, методика [1] в этой части не отвечает своему основному назначению: определять территорию, на которой нормативные атмосферные нагрузки превышаются в среднем не чаще 1 раза в 25 лет.

Одним из факторов повышения надежности систем ВЛ является обоснованная оценка ежегодной надежности атмосферных нагрузок на территории расположения систем ВЛ (а не на площадке метеостанции). Оценка ежегодной надежности атмосферных нагрузок на ВЛ и определение значений должны выполняться для территории по интегральной статистической функции, составленной из годовых максимумов гололедных нагрузок на этой территории (а не на площадке метеостанции), характеризуемой общими признаками (равнина, низменность, возвышенность и др.). Все участки территории, отнесенные к данному нормативному району, должны располагаться в интервале высотных отметок местности не более 150 м. Так же для повышения надежности ВЛ необходимо выполнять реконструкцию ВЛ, либо воспользоваться плавкой гололеда на проводах ВЛ.

1.2.Повышение эффективности удаления гололедообразований с проводов ВЛ

Воздушные линии электропередачи согласно нормам РАО "ЕЭС России" рассчитываются на прочность с учетом воздействия атмосферных нагрузок (гололед, ветер и их сочетание) и температуры воздуха.

Предусмотрена система мероприятий и способов повышения надежности электроснабжения по ВЛ в условиях гололедообразования на действующих линиях электропередачи. К числу мероприятий относится уточнение метода определения гололедно-ветровых нагрузок на территории энергосистемы с учетом воздействия пространственно-распределенных гололедно-ветровых нагрузок на пространственно-распределенные системы ВЛ и соответствующая реконструкция ВЛ с учетом воздействия больших величин нагрузок при нормированной ежегодной надежности. К числу способов относится предотвращение гололедообразования посредством нагрева провода электрическим током или удаление гололеда на проводах ВЛ методом его плавления посредством нагрева проводов электрическим током.

Когда имеются условия для гололедообразования (отрицательная температура воздуха, туман), на начальной стадии можно предотвратить гололедообразование на проводе ВЛ, увеличивая силу тока до значений, нагревающих провод ВЛ до положительной температуры (например, до +2°С), чтобы предотвратить замерзание капель воды на проводе ВЛ. В этом случае температура t > 2°С должна сохраняться до окончания процесса гололедообразования на проводах ВЛ.

Если на начальной стадии гололедообразования температура провода отрицательная, то образуется односторонний гололед, при котором может возникнуть пляска проводов ВЛ. Для предотвращения пляски проводов целесообразно удалять гололед, создавая силу электрического тока, достаточную для плавления одностороннего гололеда.

При длительном процессе гололедообразования на проводе возле опор ВЛ образуется односторонний гололед. В средней части пролета ВЛ провод закручивается под воздействием момента от веса одностороннего гололеда так, что со временем образуется гололед цилиндрической формы.

В каждом из перечисленных вариантов предотвращения гололедообразования или удаления гололеда существенно различны условия теплового баланса, которые должны быть отражены в соответствующих уравнениях.

В каждом варианте имеется стадия нагрева провода (до +2°С - для предотвращения гололедообразования, 0°С -- для начала плавки гололеда).

Баланс энергии при нагреве провода в режиме предотвращения гололедообразования на проводе ВЛ. В последующих уравнениях и для баланса энергии и мощности принято, что в условиях гололедообразования при тумане днем и ночью поглощение лучистой энергии из окружающей среды равно нулю.

Уравнение баланса энергии (1.3) при нагреве сухого голого провода приведено далее

0,95I²R₀(1+сt_п)ф = (С_раР_а+ С_рстР_ст)(t_п - t_в) + еC₀T⁴Sф + 1,1(t_п - t_в)ф (1.3)

где I - сила тока; R₀ - сопротивление провода при t = 0°С; коэффициент 0,95 учитывает, что фактические значения сопротивлений проволок в проводе имеют разброс в сторону меньших значений; р = 0,004031/°С - температурный коэффициент сопротивления алюминиевых проволок; t_в - температура провода при отсутствии электрического тока, принимаемая равной температуре воздуха; t_п - минимальная температура провода, необходимая для предотвращения гололедообразования; ф - время нагрева провода; (С_раР_а+ С_рстР_ст)(t_п - t_в) - энергия, затраченная на нагрев провода до t_п; еC₀T⁴S - мощность излучения с поверхности провода, причем Т измеряется в Кельвинах (1 К = 273°С ± t); 1,1(t_п - t_в) - потери мощности при вынужденной конвекции.

Из уравнения (1.3) определяется время ф, необходимое для нагрева голого сухого провода до t_n при температуре воздуха t_в.

В дальнейшем расчеты выполнены для провода АС 120/19.

Результаты расчетов для провода АС 120/19 при условиях t_n = +2°С, t_в = - 5°С, V=2м/с, V=5м/с, V=10м/c приведены в приложении 1(табл. П1.1.).

Как следует из результатов расчета, для голого провода АС 120/19 при его нагреве от -5°С до +2°С изменение скорости ветра по трассе ВЛ существенно влияет на возможность предотвращения гололедообразования.

Из уравнения (1.3) при t=? вычисляются значения температуры t_n в установившемся режиме для сухого голого провода АС 120/19 при t_в = -5°С. Результаты в приложении 1(табл. П1.2).

Из результатов расчета t_n, приведенных в табл. 1.2 для провода АС 120/19, следует, что наиболее устойчиво можно осуществить предотвращение гололедообразования при расчетном ветре 2 м/с. В случае увеличения скорости ветра до 10 м/с по трассе ВЛ остановить процесс гололедообразования можно при нагреве провода током >400А. Мощность, необходимая для нагрева провода АС 120/19 до t_n = +2°C электрическим током 400 А, минимальна и составляет 34,8 кВт/км, а при 500 А - около 55 кВт/км.

Баланс энергии в режиме непрерывной плавки гололеда цилиндрической формы для удаления его с провода ВЛ в заданный отрезок времени. Удаление гололеда с провода ВЛ состоит из двух стадий переходного во времени процесса. На первой стадии после включения электрического тока происходит нагрев провода. Температура провода со временем увеличивается от t_B до t₀ = 0°С, при которой начинает плавиться лед. На второй стадии, когда провод нагрет до t₀ = 0°C, сверху на границе провод - гололед цилиндрической формы начинает плавиться лед и продолжается нагрев гололеда до установившегося значения t₁.

Баланс энергии в режиме непрерывной плавки для удаления гололеда в заданный отрезок времени определяется следующим уравнением:

0,95I²R₀ф = С_рл G_н(t₀ - t₁)/2 + С_рл J_пл(t₀ - t_в) + J_пл +

+ еC₀T⁴Sф + 1,1(t₁ - t_в) (1.4)

где G_н - плотность гололеда; J_пл - вес 1 м расплавляемого гололеда; С_пл - скрытая теплота плавления гололеда; С_рл - удельная теплоемкость гололеда.

По уравнению (1.4) выполнены расчеты значений электрического тока, необходимых для удаления гололеда и изморози, при заданных временах удаления гололеда 15, 30, 45 и 60 мин для провода марки АС 120/19 при различных сочетаниях погодных условий (температура воздуха, скорость ветра, ветер направлен нормально оси ВЛ).

Анализ расчетов показывает, что в целях экономии электроэнергии необходимо плавить гололед небольших размеров при минимальном времени плавки. Такое решение существенно повышает надежность электроснабжения по системам ВЛ.

Баланс энергии при удалении одностороннего гололедообразования. При температуре воздуха -2 - 0°С гололед образуется с наветренной стороны провода.

Электрические токи в проводах ВЛ при нормированной плотности в зимних условиях ночью нагревают провод не более чем на 0,5°С, поэтому при отрицательной температуре воздуха, если своевременно не воспользоваться достаточным предупредительным нагревом провода ВЛ, при погодных условиях, соответствующих гололедообразованию, на проводе начинает образовываться гололед, толщина стенки которого увеличивается навстречу ветру.

При расчетах токов для удаления одностороннего гололеда толщиной стенки 1 - 2 см необходимо знать время нагрева провода до t_п = 0°C и время, необходимое для плавления тонкого слоя льда толщиной 1-1,5 мм. После плавления тонкого слоя льда односторонний гололед упадет под действием собственного веса. Поскольку плавка гололеда не начнется до того, как провод нагреется до 0°С, то надо отдельно рассматривать:

процесс нагрева провода до 0°С при наличии на нем одностороннего гололеда;

процесс плавки гололеда, когда на границе гололед - провод температура не изменяется.

Процесс нагрева провода до 0°С на границе односторонний гололед - провод. Удаление одностороннего гололеда должно выполняться при нагреве провода током более 1 кА в течение нескольких секунд. За несколько секунд температура t₁ на наружной поверхности гололеда изменится так мало, что можно пренебречь при расчетах потерями энергии на конвекцию с поверхности гололеда. В результате приближенное уравнение баланса энергии при нагреве провода с односторонним гололедом имеет следующий вид:

0,95I²R₀ф = (С_раР_а+ С_рстР_ст)(t_п - t_в) + 0,5·1,1(t_п - t_в)ф (1.5)

где 0,5·1,1(t_п - t_в)ф - затраты энергии на конвекцию с поверхности голого провода.

Из уравнения (1.5) определяется время ф, необходимое для нагрева провода до 0°С. Расчеты показывают, что при токах в диапазоне 3000 А - 8000 А время нагрева провода до 0°С составляет доли секунды. Для нагрева провода до 0°С необходима мощность при коротком замыкании до 14,5 тыс. кВт/км провода. При этом затраты энергии составляют не более 0,5 кВт-ч/км провода.

Удаление одностороннего гололеда с проводов ВЛ. Многообразны условия нагрева и теплоотдачи при одностороннем гололедообразовании на проводе ВЛ. Для решения вопроса об удалении одностороннего гололеда с проводов ВЛ необходимо применять условные модели теплоотдачи с поверхностей голого провода и одностороннего отложения гололеда.

Основная идея заключается в том, что потери энергии на конвекцию с поверхности голой части провода, экранированного односторонним гололедом, рассчитываются, как это сделано в уравнении (1.3), с учетом коэффициента 0,5, а потери энергии на нагрев и плавление слоя гололеда с наветренной стороны рассчитываются по уравнению (1.6) с учетом специфики плавления тонкого слоя одностороннего льда

0,95I²R₀ф = С_рлJ_пл(- t_в) +С_плJ_пл + 0,5·1,1( - t_в/2)ф (1.6)

где J_пл - вес слоя гололеда толщиной 1 - 1,5 мм на длине 1 м.

Удаление одностороннего гололеда предусматривает нагрев провода током с последующим плавлением тонкой пленки льда на границе провод - гололед, который под действием собственного веса должен падать.

Задача сводится к определению затрат времени, необходимых для плавления пленки гололеда толщиной 1 -- 1,5 мм на границе провод - гололед. Провод предварительно будет нагрет до t₀ = 0°С, когда происходит плавление гололедной пленки с последующим опаданием гололедного отложения.

Из уравнения (1.6) определяется время ф, необходимое для плавления одностороннего гололедообразования.

Из полученных результатов следует, что наиболее приемлемый диапазон электрических токов находится в пределах 5000 - 8000 А. В этом случае время плавки гололеда (с учетом времени нагрева провода) находится в пределах 3,42 - 1,05 с. Необходимая мощность от 5,6 до 14,5 тыс. кВт/км провода. Затраты электроэнергии на нагрев провода и плавление гололеда не более 4,24 кВт-ч/км провода.

Сравнение эффективности способов удаления гололедообразований. Выполненные расчеты позволяют сравнить эффективность рассмотренных способов удаления гололедообразований на проводах ВЛ.

Результаты расчетов сведены в табл. П1.3 (приложение 1).

Как видно из данных табл. П1.3., способ удаления одностороннего гололедообразования - наиболее эффективный по затратам как времени, так и электроэнергии. Этот способ дает возможность в течение одного рабочего дня удалить гололед поочередно на всех ВЛ на территории, где гололедные нагрузки увеличиваются интенсивнее, чем в других частях энергосистемы, и могут быть опасны для прочности ВЛ. Применимость данного способа зависит от технических возможностей в энергосистеме.

Выводы: вопрос о повышении надежности ВЛ при воздействиях атмосферных нагрузок достаточно актуален. В данной главе рассмотрены две статьи на эту тему. В первой поднята проблема о превышении нормативных гололедных нагрузок и уточнена методика определения атмосферных нагрузок по региональным картам [1]. Во второй статье предложены уравнения для определения токов и времени плавки гололеда на проводах ВЛ и сделаны выводы о наиболее эффективных способах удаления гололедообразований [2].

2. ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 500 кВ

2.1 Выбор схемы, номинального напряжения и сечения проводов участков электропередачи

Проектируется электропередача, связывающая строящуюся гидроэлектростанцию с промежуточной подстанцией и мощной приемной системой.

Выбор числа цепей на участках электропередачи производится по условию надёжного снабжения энергией потребителей промежуточной подстанции, а также потребителей приёмной системы, обеспечиваемых энергией от ГЭС.

Сопоставляя три заданные величины :

наибольшая мощность, передаваемая от ГЭС Р₀=1020 МВт;

наибольшая мощность потребителей промежуточной подстанции Р_п/ст =520 МВт;

оперативный резерв мощности, имеющийся в приёмной системе Р_резерв =320 МВт

наметим следующие варианты схемы участков электропередачи (т. к. проектируемая сеть располагается в Западной Сибири, то возможно использование только напряжения 500 кВ):

Рис 2.1. Вариант 1 схемы участков электропередачи

Рис 2.2. Вариант 2 схемы участков электропередачи

Выберем сечения проводов электропередачи.

Вариант 1

Линия 500 кВ длиной 510 км (две цепи)

I_расч = P_{max. л.}/(N•v3•U_ном•cosц)

I_расч = 1020_./(2•v3•500•0,98) = 613 А

F_расч = I_расч/(n•j_расч)

F_расч = 613/(3•1) = 205 мм²

Т.к. минимальное сечение провода по условиям короны для напряжения 500 кВ 300/66, то выбираем провод: 3ЧАС 300/66.

I_доп = 3•680 = 2040 А

2040 > 2•613=1226,

значит провод по нагреву проходит

Линия 500 кВ длиной 380 км (одна цепь)

I_расч = P_{max. л.}/(N•v3•U_ном•cosц) = (P₀ - Р_пс)_./(N•v3•U_ном•cosц)

I_расч = 500_./(1•v3•500•0,98) = 589 А

F_расч = I_расч/(n•j_расч)

F_расч = 589 /(3•1) = 196 мм²

Т.к. минимальное сечение провода по условиям короны для напряжения 500 кВ 300/66, то выбираем провод: 3ЧАС 300/66.

I_доп = 3•680 = 2040 А

2040 > 589, значит провод по нагреву проходит

Вариант 2

Линия 500 кВ от ГЭС к промежуточной подстанции аналогична варианту 1, т. е. используется провод3ЧАС 300/66.

Линия 500 кВ длиной 380 км (две цепи)

I_расч = P_{max. л.}/(N•v3•U_ном•cosц) = (P₀ - Р_пс)_./(N•v3•U_ном•cosц)

I_расч = 500_./(2•v3•500•0,98) = 295 А

F_расч = I_расч/(n•j_расч)

F_расч = 295 /(3•1) = 98,2 мм²

Т.к. минимальное сечение провода по условиям короны для напряжения 500 кВ 300/66, то выбираем провод: 3ЧАС 300/66.

I_доп = 3•680 = 2040 А

2040 > 2•295=590,

значит провод по нагреву проходит

2.2 Выбор схемы электрических соединений передающей станции и промежуточной подстанции

Вариант 1

С учетом собственных нужд (принимаем 1%): Р_расч = 1,01•1020 = 1032МВт. Выбираем 4 гидрогенератора

СВФ 730/230 - 24.

S_ном.г= 306 МВА, Р_{ном. г} = 260 МВт, U _ном = 15,75 кВ, cosц =0,85, Х_d = 1,31,

Х_d = 0,44 , Х”_d = 0,3.

Располагаемая мощность ГЭС равна 1040 МВт.

С учётом подключения одного генератора к блочному трансформатору выбираем четыре ТДЦ 400000/500 со следующими номинальными параметрами:

S_{ном. тр} = 400 МВА, U_{вн ном} = 525 кВ, U_{нн ном} = 15,75 кВ,

Д Р_к = 0,8 МВт, ДР_х = 0,35 МВт, R_т = 1,4 Ом, Х_т = 89,5 Ом.

При числе присоединений равном шести на напряжении 500 кВ выбираем полуторную схему РУ.

На промежуточной подстанции при трех линиях применим схему трансформаторы - шины с присоединением линий через два выключателя.

На подстанции потребители питаются от шин 220 кВ через группы автотрансформаторов (2х3+1)АОДЦТН-167000/500/220. Определим количество отходящих линий от РУ 220 кВ, ориентируясь на их натуральную мощность:

n = Р_п/ст/135 = 520/135 = 3,82, следовательно принимаем n = 4.

При числе присоединений равном шести выбираем схему одна секционированная система шин с обходной с отдельными секционным и обходными выключателями. Схема электрических соединений для первого варианта электропередачи представлена на рис П2.1. (приложение 2).

Вариант 2

Схема ГЭС такая же как и в первом варианте. В качестве схемы ОРУ 500 кВ подстанции при четырех линиях применим схему трансформаторы - шины с полуторным присоединением линий. На ОРУ 220 кВ схема такая же как и в первом варианте. Схема электрических соединений для первого варианта электропередачи представлена на рис П2.2. (приложение 2).

Выберем выключатели:

В цепи генераторов:

I _max = 260/(1,73•15,75• 0,85) = 11,2 кА

ВВГ - 20 - 160

U _ном = 20 кВ, I _ном = 20 кА, I _откл = 160 кА

ОРУ 500 кВ : I _max = 1020/(1,73•500• 0,85) = 1,33 кА

ВВМ - 500Б - 31,5

U _ном = 500 кВ, I _ном = 2000 А, I _откл = 31,5 кА

ОРУ 220 кВ : I _max = 520/(1,73•220• 0,98) = 1,4 кА

ВВБ - 220Б - 31,5/2000У1

U _ном = 220 кВ, I _ном = 2000 А, I _откл = 31,5 кА.

2.3 Технико-экономическое обоснование наиболее рационального варианта

Экономическим критерием определения наиболее рационального варианта является минимум приведенных затрат, которые вычисляются по следующей формуле:

3= Ен · К_? +И_? +У,

где

Е_н = 0,12 - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капиталовложений.

К_? - капиталовложения, И_? - издержки,У - ущерб от недоотпуска электроэнергии

К_? = К_л + К_п/ст.

К_л = К_о· ?, где Ко- удельная стоимость сооружения линий; ? - длина линии, км

К_п/ст = К_ору + К_тр + К_ку + К_пч

В расчете не учитывается стоимость компенсирующих устройств, т.е. К_ку = 0

К_ору = К_орувн + К_орусн

К_тр- капиталовложение трансформаторов

К_пч - постоянная часть затрат

И_? = И_?а.о.р.+ И_{?потери э}

И_{?.о.р а.}- издержки амортизацию, обслуживание и ремонт

И_{?потери ээ} - издержки от потерь электроэнергии

И_?а.о.р = И_а.о.р.л + И _{а.о р п/ст}

И_{?потери ээ} =И_{потери ээВЛ} + И_{потери тр}

И_{а.о.р.вл} = а_л· к_л

а_л - ежегодные издержки на амортизацию, обслуживание и ремонт воздушных линий в % от капиталовложений.

И _{а.о р п/ст} = а _п/ст · К _п/ст

Расчет произведём для схем отличающихся частей вариантов схем 1 и 2 (2-й участок ВЛ, ОРУ ВН подстанции).

Т. к. в обоих вариантах на промежуточной подстанции применяется схема трансформаторы-шины (в 1-м с присоединением линий через два выключателя, во 2-м через полтора) и число выключателей равно шести для обеих схем, то их стоимость одинакова. Поэтому сравниваем только 2-й участок ВЛ. Расчет приведен в приложении 3. В результате получили:

З = Е_н· К + И + У

З₁ = 0,12·18730+ 2175,5 + 377 = 4800 тыс. руб.

З₂ = 0,12·37470 + 1642,5 = 6139 тыс. руб.

Оценим разницу в % : е = (6139 - 4800) ·100% /6139 = 21,8%

Т.о. схема 1 обходится дешевле, нежели схема 2, поэтому по технико-экономическим показателям наиболее рациональным вариантом схематического исполнения электропередачи является вариант 1 и весь дальнейший расчёт ведётся именно для этого варианта.

2.4 Расчёт нормальных, послеаварийного и особых режимов электропередачи

Рис 2.3 Схема замещения электропередачи

Рассчитаем параметры схемы замещения.

Линия 1

3•АС 300/66. Сопротивления на одну цепь:

К_R = 1 - ?²·x₀·b₀/3 = 1 - 510²·0,31·3,97·10^-6/3 = 0,893

R_л1 = К_R•?•r₀ = 0,893•510•0,034 = 15,49 Ом

К_Х = 1 - ?²·x₀·b₀/6 = 1 - 510²·0,31·3,97·10^-6/6 = 0,947

X_л1 = К_Х•?•x₀ =0,947•510•0,31 = 149,665 Ом

К_В =

В_л1 = К_В•?•b₀ =1,043•510•3,97•10-⁶ = 2,111•10-³ См

Линия 2

3•АС 300/66. Сопротивления на одну цепь:

К_R = 1 - ?²·x₀·b₀/3 = 1 - 380²·0,31·3,97·10^-6/3 = 0,941

R_л2 = К_R•?•r₀ = 0,941•380•0,034 = 12,155 Ом

К_Х = 1 - ?²·x₀·b₀/6 = 1 - 380²·0,31·3,97·10^-6/6 = 0,97

X_л2 = К_Х•?•x₀ =0,97•380•0,31 = 114,31 Ом

К_В =

В_л2 = К_В•?•b₀ =1,023•510•3,97•10-⁶ = 1,543•10-³ См

2.4.1 Расчет режима наибольшей передаваемой мощности

Параметры элементов схемы замещения:

ЛЭП 1: R₁ = 15,49/2 = 7,745 Ом; Х₁ = 149,665/2 = 74,83 Ом;

Y₁ = 2·2,111·10^-3 См ДР_К1 = 8·510·2/1000 = 8,16 МВт

ЛЭП 2: R₂ = 12,155 Ом; Х₂ = 114,31 Ом;

Y₂ = 1,153·10^-3 См ДР_К2 = 8·380/1000 = 3,04 МВт

Трансформатор ГЭС: Х_t1 = 89,5/4 = 22,375 Ом

Трансформатор ПС: Х_t2 = 61,1/2 = 30,55 Ом ; Х_tн2 = 113,5/2 = 56,75 Ом

Найдем натуральную мощность

Z_c = Ом

Р_нат = 2·500²/279,438 = 1,789·10³ >Р₀ = 1020 МВт передаваемая мощность меньше натуральной.

Зададимся несколькими значениями напряжения U₂ для выбора минимума затрат на установку КУ. В данном режиме U₁ = 500 кВ. Перепад напряжения должен быть таким, чтобы напряжение в линии не превышало допустимого (525 кВ). Зададимся напряжением U₂ = 500 кВ и выполним расчеты, а для 505, 510, 515, 520 кВ результаты расчетов представим в виде таблицы.

Z₁ = R₁ + jX₁ = 7.745 + j74.83; |Z₁| = 75.23 Ом

Y₁₁ = Y₁₂ = 1/|Z₁| = 0.013

б₁₁ = б₁₂ =arcsin(R₁/|Z₁|) = arcsin(7.745/75.23) = 5.91є

д₁ =

Q_л1 = U₁²· Y₁₁·cos б₁₁ - U₁· U₂ ·Y₁₁·cos (д₁ - б₁₂) = 51,4 МВар

Q_л1 = Q_л1 - U₁²· Y₁/2 = 51,4 - 500² ·4,22·10^-3 /2 = -476,4 МВар

Р_л1 = Р₀ - ДР_К/2 = 1020 - 8,16/2 = 1016 МВт

U_г = = 14.36кВ

U_г мало, поэтому устанавливаем 3 группы реакторов 3хРОДЦ-60

Q_p = 3·180·(U₁/525)² = 489.8 МВАр

Q_л1 = Q_л1 + Q_p = 13,4 МВАр

U_г = = 15.02 кВU_{г доп} = (14,96 - 16,54) кВ

сosц_г = = 0,995

ДР_л1 = МВт

ДQ_л1 = МВAp

P”_л1 = Р_л1 - ДР_л1 = 1016 - 32.06 = 983.86 МВт

Q”_л1 = Q_л1 - ДQ_л1 = 51.38 - 309.73 = -258.38 МВАр

Р₂ = P”_л1 - ДР_К1/2 = 983.86 - 8,16/2 = 979.78 МВт

Q₂ = Q”_л1 + U₂²· Y₁/2 = -258.38 + 500²·4,22·10^-3 /2 = 269.4 МВAp

P_сис = Р₂ - Р_пс = 979,78 - 520 = 459,78 МВт

Р_ат = Р_пс = 520 МВт

Q_сис = P_сис·tgц_пс =459,78·tg(arccos(0.96))=93.36 МВAp

Q_ат = Q₂ - Q_сис =269,4 - 93,36 = 176,04 МВAp

Q_ат = Q_ат - 176,04 - ·30.55= 139.21 МВAp

U₂ = U₂ - Q_ат·X_t2 /U₂= 500 - 176.04·30.55/500 = 491,5 кВ

U_сн = U₂·230/500 = 226,1 кВ

Р_н = 10 МВт

Р_атс = Р_пс - Р_н = 520 - 10 = 510 МВт

Q_атс = Р_атс· tgц_пс =510·tg(arccos(0.96))=148,75 МВAp

Q_нн = Q_ат - Q_атс = 139,21 - 148,75 = -9,54 МВAp

Q_нн = Q_нн - (Q_нн/ U₂)²· X_tн2 = -9,56 МВAp

U_нн = (U₂ - Q_нн ·X_tн2 /U₂)·(10.5/500) = 10.345 кВ

Для выработки необходимой реактивной мощности предполагается установка двух СК типа КСВБО-50-11.

р_н = 0,12 ; К_ск = 650/100 тыс. руб./Мвар; З” = 0.02 тыс. руб./(МВт·ч)

а_ск = 0,088 ; ф = 4253 час ; ДР_л1 =32,05 МВт

приведенные затраты:

З = (а_ск + р_н)·|Q_нн|· К_ск + ДР_л1· ф· З” = 2741 тыс. руб.

Аналогично определим затраты для различных уровней напряжений, результаты представим в виде таблицы (приложение 4).

Как видно из таблицы П4.1 минимум затрат наблюдается при 500 кВ, но при этом U_нн < 10.45 кВ, поэтому будем вести расчёт для напряжения U₂ =505 кВ.

Произведём расчёт линии Л - 2. Учитывая посадку напряжения на линии, устанавливаем две группы реакторов 3ЧРОДЦ - 60.

Р_л2 = P_сис - ДР_К2/2 = 459,86 - 3,04/2 = 458,34 МВт

Q_p = 180·(U₁/525)² = 180·(505/525)² = 166,5 МВАр

Q_л2 = Q_сис + U₂²· Y₂/2 - 2·Q_p = 93,36 + 505²·1,543·10^-3/2 - 2·166,5 = -42,96 МВАр

ДР_л2 = = 10,1 МВт

ДQ_л2 = 94,99 МВAp

P_сис = Р_л2 - ДР_л2 = 458,34 - 10,1 = 448,24 МВт

Q_сис = Q_л2 - ДQ_л2 = -42,96 - 94,99 = -137,95 МВАр

U_сис = = 524,44 кВ

Q”_сис = Q_сис + U_сис²· Y₂/2 = -137,95 + 524,44²·1,543·10^-3/2 = 74,24 МВAp

сosц_сис = cos(arctg) = 0,987

Произведём проверку режима:

1) U_ННдоп^min = 10,45кВ <U_НН = 10,53 кВ < U_ННдоп^max=11,55кВ

2) U_СН = 229,01? U_СНдоп^max= 253 кВ

3) U_Гдоп^min=14,96 кВ < U_г = 14,97 кВ < U_Гдоп^max=16,54 кВ

4) cosц_гном = 0,997 > cosц_гном = 0,85

2.4.2 Расчет режима наименьшей передаваемой мощности

По условию в данном режиме мощности, передаваемые по линиям, составляют 30 % номинальных. Поэтому в режиме НМ отключены одна цепь на ВЛ1, одна из групп автотрансформаторов на промежуточной подстанции, два блока на ГЭС.

Параметры элементов схемы замещения:

ЛЭП 1: R₁ = 15,49 Ом; Х₁ = 149,665 Ом;

Y₁ = 2,111·10^-3 См ДР_К1 = 8·510/1000 = 4,08 МВт

ЛЭП 2: R₂ = 12,155 Ом; Х₂ = 114,31 Ом;

Y₂ = 1,153·10^-3 См ДР_К2 = 8·380/1000 = 3,04 МВт

Трансформатор ГЭС: Х_t1 = 89,5/2 = 44,75 Ом

Трансформатор ПС: Х_t2 = 61,1 Ом ; Х_tн2 = 113,5 Ом

Зададимся несколькими напряжениями для выбора минимума затрат на установку КУ. В данном режиме U₁ = 500 кВ. Перепад напряжения должен быть таким, чтобы напряжение в линии не превышало допустимого (525 кВ). Зададимся напряжением U₂ = 500 кВ и выполним расчеты, а для 505, 510, 515 кВ результаты расчетов представим в виде таблицы.

Z₁ = R₁ + jX₁ = 15,49 + j149,665; |Z₁| = 150,46 Ом

Y₁₁ = Y₁₂ = 1/|Z₁| = 0.0066

б₁₁ = б₁₂ =arcsin(R₁/|Z₁|) = arcsin(15,49/150,46) = 5.91є

д₁ = 10,5є

Q_л1 = U₁²· Y₁₁·cos б₁₁ - U₁· U₂ ·Y₁₁·cos (д₁ - б₁₂) = -3,5 МВар

Q_л1 = Q_л1 - U₁²· Y₁/2 = -3,5 - 500² ·2,11·10^-3 /2 = -267,38 МВар

Р_л1 = Р₀·0,3 - ДР_К/2 = 1020·0,3 - 4,08/2 = 303,96 МВт

U_г = = 14.18 кВ

U_г мало, поэтому устанавливаем 2 группы реакторов 3хРОДЦ-60

Q_p = 2·180·(U₁/525)² = 326,53 МВАр

Q_л1 = Q_л1 + Q_p = 59,15 МВАр

U_г = = 15.16 кВ

сosц_г = = 0,97

ДР_л1 = 5,725 МВт

ДQ_л1 = 55,32 МВAp

P”_л1 = Р_л1 - ДР_л1 = 303,96 - 5,725 = 298,235 МВт

Q”_л1 = Q_л1 - ДQ_л1 = -3,5 - 55,32 = -58,82 МВАр

Р₂ = P”_л1 - ДР_К1/2 = 298,235 - 4,08/2 = 296,2 МВт

Q₂ = Q”_л1 + U₂²· Y₁/2 = -58,82 + 500²·2,11·10^-3 /2 = 205,05 МВAp

P_сис = Р₂ - Р_пс = 296,2 - 520·0,3 = 140,2 МВт

Р_ат = Р_пс = 520·0,3 = 156 МВт

Q_сис = P_сис·tgц_пс =140,2·tg(arccos(0.96))=28,47 МВAp

Q_ат = Q₂ - Q_сис =205,05 - 28,47 = 176,58 МВAp

Q_ат = Q_ат - 176,58 - ·61,1= 163,02 МВAp

U₂ = U₂ - Q_ат·X_t2 /U₂= 500 - 176.58·61,1/500 = 480,08 кВ

U_сн = U₂·220/500 = 220,84 кВ

Р_н = 10 МВт

Р_атс = Р_пс - Р_н = 156 - 10 = 146 МВт

Q_атс = Р_атс· tgц_пс =146·tg(arccos(0.96))=42,58 МВAp

Q_нн = Q_ат - Q_атс = 163,02 - 42,58 = 120,43 МВAp

Q_нн = Q_нн - (Q_нн/ U₂)²· X_tн2 = 113,29 МВAp

U_нн = (U₂ - Q_нн ·X_tн2 /U₂)·(10.5/500) = 9,48 кВ

Для повышения напряжения на низкой стороне ПС установим группу реакторов в конце 1-й линии.

Q_ат = Q₂ - Q_сис - 180·(U₂/525)²=205,05 - 28,47 - 163,26 = 13,32 МВAp

Q_ат = Q_ат - 13,32 - ·61,1= 7,33 МВAp

U₂ = U₂ - Q_ат·X_t2 /U₂= 500 - 13,32·61,1/500 = 499,1 кВ

U_сн = U₂·220/500 = 229,6 кВ

Р_н = 10 МВт

Р_атс = Р_пс - Р_н = 156 - 10 = 146 МВт

Q_атс = Р_атс· tgц_пс =146·tg(arccos(0.96))=42,58 МВAp

Q_нн = Q_ат - Q_атс = 7,33 - 42,58 = -35,25 МВAp

Q_нн = Q_нн - (Q_нн/ U₂)²· X_tн2 = -35,82 МВAp

U_нн = (U₂ - Q_нн ·X_tн2 /U₂)·(10.5/500) = 10,65 кВ

Для выработки необходимой реактивной мощности предполагается установка двух СК типа КСВБО-50-11.

р_н = 0,12 ; К_ск = 650/100 тыс. руб.; З” = 0.02 тыс. руб./(МВт·ч)

а_ск = 0,088 ; ф = 4253 час ; ДР_л1 =5,725 МВт

приведенные затраты:

З = (а_ск + р_н)·|Q_нн|· К_ск + ДР_л1· ф· З” = 542 тыс. руб.

Аналогично определим затраты для различных уровней напряжений, результаты представим в виде таблицы (приложение 4, табл. П4.2).

Как видно из таблицы П4.2 минимум затрат наблюдается при 500 кВ.

Произведём расчёт линии Л - 2. Учитывая посадку напряжения на линии, устанавливаем две группы реакторов 3ЧРОДЦ - 60.

Р_л2 = P_сис - ДР_К2/2 = 140,2 - 3,04/2 = 138,7 МВт

Q_p = 180·(U₂/525)² = 180·(500/525)² = 163,3 МВАр

Q_л2 = Q_сис + U₂²· Y₂/2 - 2·Q_p = 28,47 + 500²·1,543·10^-3/2 - 2·163,3 = -105,2 МВАр

ДР_л2 = = 1,5 МВт

ДQ_л2 = 13,85 МВAp

P_сис = Р_л2 - ДР_л2 = 138,7 - 1,5 = 137,2 МВт

Q_сис = Q_л2 - ДQ_л2 = -105,2 - 13,85 = -119,04 МВАр

U_сис = = 523,9 кВ

Q”_сис = Q_сис + U_сис²· Y₂/2 = -119,04 + 523,9²·1,543·10^-3/2 = 93,15 МВAp

сosц_сис = cos(arctg) = 0,827

Произведём проверку режима:

1) U_ННдоп^min = 10,45кВ <U_НН = 10,65 кВ < U_ННдоп^max=11,55кВ

2) U_СН = 229,6? U_СНдоп^max= 253 кВ

3) U_Гдоп^min=14,96 кВ < U_г = 15,16 кВ < U_Гдоп^max=16,54 кВ

cosц_гном = 0,97 > cosц_гном = 0,85

2.4.3 Расчёт послеаварийного режима

В качестве послеаварийного режима рассматриваем отключение одной цепи линии Л-1.

При этом по линии Л-1 протекает мощность P₀ = 1020 МВт, что больше натуральной мощности линии 500кВ, поэтому принимаем напряжение в начале линии U₁ = 1,05•U_ном = 525 кВ; учтём УПК (Х_1(УПК) = 0,6·Х₁)

Напряжение в конце линии Л-1 принимаем U₂ = 500 кВ.

Параметры элементов схемы замещения:

ЛЭП 1: R₁ = 15,49 Ом; Х₁ = 149,665·0,6 = 89,8 Ом;

Y₁ = 2,111·10^-3 См ДР_К1 = 8·510/1000 = 4,08 МВт

ЛЭП 2: R₂ = 12,155 Ом; Х₂ = 114,31 Ом;

Y₂ = 1,153·10^-3 См ДР_К2 = 8·380/1000 = 3,04 МВт

Трансформатор ГЭС: Х_t1 = 89,5/4 = 22,375 Ом

Трансформатор ПС: Х_t2 = 61,1/2 = 30,55 Ом ; Х_tн2 = 113,5/2 = 56,75 Ом

Z₁ = R₁ + jX₁ = 15,49 + j89,8; |Z₁| = 91,1 Ом

Y₁₁ = Y₁₂ = 1/|Z₁| = 0.011

б₁₁ = б₁₂ =arcsin(R₁/|Z₁|) = arcsin(15,49/150,46) = 5.91є

д₁ = 19,86є

Q_л1 = U₁²· Y₁₁·cos б₁₁ - U₁· U₂ ·Y₁₁·cos (д₁ - б₁₂) = 144,4 МВар

Q_л1 = Q_л1