Курсовоепроектирование
Исходные данные
Проектируемаяэлектроэнергетическая система представлена существующей районной подстанцией(узел 1) и тремя развивающимися узлами нагрузки (узлы 2,3 и 4) с расчётнымимощностями />и Р4 .
Из балансов активной иреактивной мощности электроэнергетической системы более высокого уровня известно,что в период максимальной нагрузки мощность, передаваемая через районнуюподстанцию к узлам нагрузки 2, 3 и 4, ограничена величиной />.
Система являетсядефицитной по активной мощности />,поэтому в узле 2, где имеются мощные потребители тепловой энергии, планируетсястроительство ТЭЦ, от шин генераторного напряжения которой будет получатьпитание нагрузка узла 2, а избыточная мощность ТЭЦ через шины высшегонапряжения может передаваться в систему.
Вариант – 3
Рисунок – Г
Климатические условия:Таблица 1
Нормативное ветровое давление, Па (даН/м2)
400
(40) Толщина стенки гололёда, мм 10
Температура низшая, 0С — 25
Температура высшая, 0С 35
Температура средняя 0С 5
Вариант – 7
Таблица 2
/> 40
/> 20
/> 40
/> 70
/> 40 Масштаб 1см: …км 40
1. Во всех узлах нагрузкиимеются электроприёмники 1, 2 и 3-й категорий по надёжности электроснабжения.
2. Номинальные напряженияна шинах районной подстанции (узел 1) /> уровеньнапряжения в период наибольшей нагрузки />
3. Мощность собственныхнужд ТЭЦ /> составляет 10% от мощностистанции; коэффициент реактивной мощности нагрузки />.
4. Продолжительностьиспользования наибольшей нагрузки в узлах 2, 3 и 4 />
5. Коэффициентыреактивной мощности нагрузок в узлах 2,3 и 4 соответственно составляют />
Содержание проекта
1. Составление баланса активноймощности и выбор генераторов ТЭЦ
2. Обоснование схемы и напряженияэлектрической сети
3. Составление баланса реактивноймощности, выбор и размещение компенсирующих устройств
4. Выбор и проверка сечений проводовлиний электропередачи
5. Выбор схемы выдачи мощности итрансформаторов ТЭЦ
6. Выбор трансформаторов и схемподстанций в узлах нагрузки
7. Приведение нагрузок узлов имощности ТЭЦ к стороне высшего напряжения
8. Расчёт установившегося режимаэлектрической сети
9. Регулирование напряжения в узлахнагрузки
10. Расчёт конструктивной части ВЛ
генераторэлектрический трансформатор провода
1. Составление балансаактивной мощности и выбор генераторов ТЭЦ
Баланс активной мощности,составляемый в энергосистеме для режима максимальной нагрузки, представляетсобой равенство генерируемой и потребляемой мощностей в электрической системе:
/> , где
/> - активные мощности нагрузок вузлах, />;
/> - коэффициент разновремённостимаксимумов активной нагрузки;
/> - активная мощность, передаваемаячерез районную подстанцию;
/> - мощность генераторов ТЭЦ;
/> - суммарные потери мощности в линияхи трансформаторах, и ориентировочно составляют 5…10% от суммарной потребляемойактивной мощности в системе, ( в нашем случае принимаем 15 МВт или 10%)
/> - мощность собственных нужд ТЭЦ.
Из уравнения балансаопределяем мощность />
/>
Выбираем номинальнуюмощность генераторов и их количество из табл.3 [1]:
/>
Определяем суммарнуюустановленную мощность ТЭЦ:
/>
при />, генератора.
Определяем мощностьвыдаваемую станцией в систему:
/>
/>
/>
2. Обоснование схемы инапряжения электрической сети
Длины:
/>
/>
Рис.1
Для приведённого нарис.1а, взаимного расположения узлов сети и зная длины линий, примем возможныек сооружению ЛЭП (рис.1б).
Из сопоставления схем 1ви 1д видно, что ЛЭП –24 в схеме 1д длиннее, чем ЛЭП – 14 в схеме 1в и поэтомусхему 1д из дальнейшего расчёта исключаем.
В схеме 1г суммарнаядлина ЛЭП в одноцепном исполнении значительно меньше, чем в схеме 1е. Схему 1еиз дальнейшего расчёта исключаем.
При сравнении схем 1в и1г по суммарной длине ЛЭП в одноцепном исполнении мы видим, что сема 1г на 8 кмкороче 212 км против 220 км и в схеме 1г на два силовых выключателей меньше.Таким образом для дальнейшего расчёта оставляем схему 1г, так как кольцеваясхема соединений обеспечивает надёжность электропитания потребителей любойкатегории.
Дляприближённого расчёта распределения мощностей в сети представим схему в видесети с двухсторонним питанием (рис.2).
/>
Рис.2
Мощность ТЭЦ в узле 2представим в виде отрицательной нагрузки. Зададимся произвольным направлениеммощности между узлами. Если при расчёте некоторая мощность />будет иметь отрицательныйзнак, то эта мощность течёт в обратном направлении.
Поскольку сечения ЛЭП ещёне выбраны, распределение мощностей определяем по длинам линий.
Определяемпотокораспределение активных мощностей на головных участках сети сдвухсторонним питанием по формуле:
/>
Проверяем правильностьвычислений:
/>
Находим потоки мощностейна остальных участках по первому закону Кирхгофа:
/>
Потоки активных мощностейраспределятся (рис.3)
/>
Рис.3
По рассчитанным активныммощностям и длинам линий определяем напряжения.
Для расчёта номинальныхнапряжений воспользуемся эмпирическаой формулой Илларионова.
/>
Полученное напряжениеокругляем до ближайшей большей стандартной величины, для ЛЭП-23 = 220 кВ, дляостальных ЛЭП = 110 кВ, однако в замкнутой сети для всех ЛЭП, как правило,применяется одно наибольшее номинальное напряжение поэтому принимаем для всехЛЭП />
3. Баланс реактивноймощности, выбор мощности и размещение
компенсирующих устройств
Баланс реактивной мощности,составляемый для режима наибольшей нагрузки, представляет собой равенствогенерируемой и потребляемой реактивных мощностей в электрической системе:
/>
/> - реактивные мощности нагрузок вузлах 2, 3 и 4
/>
/>
/> - реактивная мощность, передаваемаячерез районную подстанцию 20 Мвар
/> - коэффициент разновремённостимаксимумов реактивной нагрузки.
/> и /> -потери мощности в линиях и трансформаторах.
/> - зарядная мощность линийэлектропередачи.
/> - требуемая суммарная мощностькомпенсирующих устройств.
В предварительных расчётах принимаем:
/> где
/>
/>
/>
/>
Распределение мощности /> между узлами 3 и 4 поравенству коэффициентов реактивной мощности в этих узлах. В узле 2компенсирующие устройства не устанавливаем
/>
Искомые величины компенсирующихустройств в узлах составят:
/>
После определения мощностей />, расчётные нагрузки вузлах составят:
/>
4. Выбор и проверка сечений проводовлиний электропередачи.
Для выбора сечений проводов ВЛнеобходимо знать полные мощности, протекающие по линиям. Предварительное распределениереактивных мощностей в линиях электрической сети определяется так же, как иактивных мощностей.
/>
Проверяем правильность вычислений:
/>
Потоки реактивной мощности наостальных участках по 1-му з-ну Кирхгофа:
/>
/>
Рис.4
Находим полную мощность протекающуюмежду узлами по формуле:
/>
Для принятого номинального напряженияв сети />, находим ток в линиях :
/>
/>
Сечения проводов ВЛ выбираются поэкономической плотности тока />.Значение /> зависит отпродолжительности наибольшей нагрузки /> выбираемиз табл.4 [1]:
/>= 0,1 А/мм2, при />
Сечение провода, соответствующееэкономической плотности тока:
/>
/>
В соответствии с ПУЭ минимальноесечение проводов по условию ограничения потерь на корону составляет 240 мм2для выбранного класса напряжения, поэтому принимаем сечение проводов 240 мм2для всех ЛЭП нашей схемы.
Выбранные сечения проводов должныбыть проверены по допустимому длительному току /> (понагреву) в послеаварийном режиме работы электрической сети, под которымподразумевается отключение любой линии. Значения /> дляпроводов различных сечений выбираем из табл.5 [1].
Проверку по нагреву линий замкнутойсети, содержащей в одном из узлов ТЭЦ, выполняем поочерёдным отключением каждойлинии этой сети:
/>
Рис.5а
Отключение линии 1-3 рис.5а:
1. По линии 1-4протекает вся мощность потребляемая из системы />;
2. По линии 2-3протекает вся мощность />;
3. По линии 2-4протекает мощность />
/>
Рис.5б
Отключение линии 1-4рис.5б:
1. По линии 1-3 протекает вся мощностьиз системы />
2. По линии 2-3 протекает мощность />
3. По линии 2-4 протекает мощность />
/>
Рис 5в
Отключение линии 2-3рис.5в
1. По линии 2-4 протекает вся мощность />
2. По линии 1-4 протекает мощность />
3. По линии 1-3 протекает мощность />
/>
Рис.5г
Отключение линии 2-4рис.5г:
1. По линии 1-4 протекает мощность />;
2. По линии 2-3 протекает вся мощность />;
3. По линии 1-3 протекает мощность />
По мощностям находим токив линиях в послеаварийном режиме />:
Для схемы 5а:
/> , где />;/>
/>
/>
Для схемы 5б:
/>
Для выбранного намисечения 240 мм2/>,условие /> выполняется для любых схемв послеаварийном режиме.
5. Выбор схемы выдачимощности и трансформаторов ТЭЦ
Схему выдачи мощностигенераторами ТЭЦ строим по принципу схемы с генераторным распределительнымустройством (ГРУ) рис.6. От шин ГРУ получают питание потребители на напряжении10 кВ и потребители собственных нужд (с.н.) через трансформаторы собственныхнужд ТСН напряжением 10/6 кВ.
В схеме (рис.6) ТЭЦ с ГРУсвязь с системой осуществляется через два трансформатора связи Т. Выбормощности трансформаторов производят с учётом графика тепловой нагрузки ТЭЦ,возможного отказа одного из генераторов:
/>
Используя таблицу 6 [1]полученное значение мощности округляем до ближайшей большей номинальноймощности трансформатора />
6. Выбор трансформаторови схем подстанций в узлах нагрузки
На подстанциях, откоторых получают питание потребители 1 и 2 категории устанавливают дватрансформатора с учётом допустимой перегрузки в аварийном режиме, в следствииотключения одного из трансформаторов по формуле:
/> , где /> -коэффициент допустимой перегрузки.
Для узла 3:
/>
Для узла 4:
/>
Используя данные изтабл.6 [1] округляем полученные значения мощностей до ближайших большихноминальных мощностей трансформаторов:
Для узла 3:
/>
Для узла 4:
/>
Поскольку схема нашейсети кольцевая, то и принимаем схемы подстанций в узлах 3 и 4 транзитные взамкнутой схеме.
Схема подстанции в узле 3рис.7.
Схема подстанции в узле 4рис.8.
7. Приведение нагрузокузлов и мощности ТЭЦ к стороне ВН
В соответствии с заданием нагрузкиузлов заданы на стороне низшего напряжения (НН) 10 кВ. Приведение нагрузок кстороне высшего напряжения (ВН) выполняется для последующего упрощениярасчётной схемы установившегося режима электросети.
На рис.9а показан участоксхемы электрической сети: две линии W1 и W2 подходят к некоторому узлу i. Нагрузка на стороне НН составляет
/>.
Сема замещения этогоучастка сети приведена на рис.9, б. Нагрузка узла i, приведённая к стороне ВН определяется по формуле:
/> , где
/> и /> -потери активной и реактивной мощности в трансформаторах Т;
/> и /> -половины зарядных мощностей линий W1 и W2.
/>Рис.9
Потери мощности втрансформаторах вычисляем по выражениям:
/>
п – количествотрансформаторов в узле i
/> - расчётная нагрузка узла i кВА
/> - паспортные данные трансформаторовиз табл.6 [1].
Для узла 3:
/>
Для узла 4:
/>
Для узла 2:
/>
Зарядную мощность линийвычисляем по формуле:
/>, где
/> — количествоцепей линии;
/> - удельная проводимостьлиний по табл.5 [1]./>
L – длина линии км;
/> - номинальное напряжение сети кВ.
Для ЛЭП 1-3:
/>
для ЛЭП 2-3:
/>
для ЛЭП 2-4:
/>
для ЛЭП 1-4:
/>
Находим нагрузки узлов приведённыхк стороне ВН:
Для узла 3:
/>
для узла 4:
/>
Рассмотрим эквивалентнуюсхему ТЭЦ рис.10а
/>
Рис.10
Через трансформаторы Тпротекает мощность:
/>
Приведение мощности /> к стороне ВН выполняетсятак же, как и для подстанций, но с учётом направлении мощности.
/>
После приведениямощностей узла 2 к стороне ВН схема замещения этого узла сводится к болеепростому виду рис.10, б:
Узел 2:
/>
Узел 3:
/> />
Узел 4:
/>
Узел 1:
/>
8. Расчёт установившегосярежима электрической сети
При выполнении расчёта заданнымисчитаются:
1) Уровеньнапряжения на шинах районной подстанции (в узле 1) и на шинах ТЭЦ (в узле 2) впериод наибольшей нагрузки />;
2) Приведённые кстороне ВН мощности нагрузок в узлах />;
3) Мощность ТЭЦ настороне ВН />;
4) Параметры линийэлектропередачи, которые определяются по погонным сопротивлениям />и />, проводимости /> (табл.5) [1] и длинамлиний L: />.
Находим параметры ЛЭП:
Для ЛЭП 1-3:
/>
Для ЛЭП 2-3:
/>
Для ЛЭП 2-4:
/>
Для ЛЭП 1-4:
/>
Для расчётаустановившегося режима составим схему замещения электрической сети с мощностямиузлов, приведёнными к стороне ВН. (рис.11)
/>
Рис.11
При расчёте замкнутойсети сначала определим предварительно (без учёта потерь) распределениемощностей:
/> =/>
/>/>
/> =/>
/>/>
Для проверки правильностирасчётов проверим условие:
/>
/>
Условие выполняетсяследовательно, расчёт мощностей головных участков выполнен правильно Мощностиотдельных участков выполняем по первому закону Кирхгофа:
/>
Потоки мощностинаправлены в обратные стороны, на что указывает знак минус.
/>
Рис.12
В результате расчётапредварительного распределения мощностей определяем узел потокораздела имстановятся узлы 2,3 и 4. По узлу потокораздела 2 схему делим на двамагистральных участка: 1-3-2 и 1’-4-2. Участок 1-3-2 делим то же на двамагистральных участка по узлу 3, участок 1’-4-2 делим по узлу 4.
Расчёт разомкнутых схемвыполняем в два этапа. На первом этапе определяем уточнённоепотокораспределение в сети. Расчёт ведём при напряжении сети, равном />:
Мощность в конце линии13:
/>
мощность в начале линиисоставит:
/>
Мощность в конце линии23:
/>
мощность в начале линиисоставит:
/>
Мощность в конце линии24:
/>
мощность в начале линиисоставит:
/>
Мощность в конце линии1’4:
/>
мощность в начале линиисоставит:
/>
Мощность требуемая отисточника узла 1, определяем по первому закону Кирхгофа:
/>
мощность от источника 2 влинию 23:
/>
мощность от источника 2 влинию 24:
/>
мощность от источника 1’:
/>
На втором этапе расчётаопределяем напряжения в узлах сети. Напряжение в центре питания (на узловойподстанции, узел 1 и на шинах ТЭЦ узел 2) в режиме наибольшей нагрузкисоставляет />, тогда падение напряжениясоставит:
В ЛЭП 1-3:
/>
модуль напряжения в узле3 составит:
/>
напряжение в узле 3 приучёте только продольной составляющей падения напряжения составит:
/>
Видно, что влияниепоперечной составляющей падения напряжения в сети 220 кВ незначительно />. В дальнейшем при расчётенапряжений с целью упрощения будем учитывать только продольные составляющиепадения напряжения, называемую потерей напряжения.
В ЛЭП 2-3:
/>
В ЛЭП 2-4:
/>
В ЛЭП 1’-4:
/>
Ограничимся в расчётаходной итерацией. Некоторое отличие напряжений узлов 3 и 4 вычисленных для левых/>и правых /> частей схем можнообъяснить пренебрежением поперечной составляющей падений напряжения иограничением расчётов одной итерацией. В дальнейших расчётах будем полагать,что напряжение в узле 3 составляет /> инапряжение в узле 4 составляет />.
9. Регулированиенапряжения
Расчёт напряжения на вторичнойобмотке трансформаторов.
Расчёт напряжения навторичной обмотке трансформаторов рассмотрим на примере узла 3, схема замещениякоторого приведена на рис.13.
/>
Рис.13
Потеря напряжения в двухтрансформаторах узла 3 составит:
/> где
/>
напряжение на вторичнойобмотке трансформатора приведённое к первичной:
/>
действительное напряжениена вторичной обмотке трансформаторов при номинальном коэффициентетрансформации:
/>
Для узла 4:
/> где
/>
действительное напряжениена вторичной обмотке трансформаторов при номинальном коэффициентетрансформации:
/>
Условие /> и /> при номинальныхкоэффициентах трансформации /> невыполняется, тогда необходимо РПН трансформаторов перевести с нулевогоответвления на требуемое ответвление Uотв.т. обеспечив на вторичной обмотке трансформатора напряжение не ниже10,5 кВ.
Напряжение требуемогорегулировочного ответвления:
/>
Полученное напряжениетребуемого регулировочного ответвления округляем до ближайшего /> — го стандартного значения:
/>
Для узла 4:
/>
Полученное напряжениетребуемого регулировочного ответвления округляем до ближайшего /> — го стандартного значения:
/>
Требование />и />выполняется.
10. Расчёт конструктивнойчасти ВЛ
Расчётные климатическиеусловия:
II – район по гололёду (максимальнаятолщина стенки гололёда />) [4]
II – район по скоростному напору ветра(максимальный напор ветра />) [4].
На основании исходных данныхиз приложения 4[3] предварительно выбираем промежуточную одноцепную, бетоннуюопору на напряжение 220 кВ типа ПБ 220-1. Габаритный пролёт для этой опоры спроводом АС-240 составляет />.Расчётный пролёт принимается равным /> Геометрическиеразмеры опоры />из прил.3 [3].
Удельные нагрузки напровод:
Из таблицыфизико-механических характеристик проводов (прил.1 [3]) находим вес одногокилометра провода:
/> и диаметр провода /> марки АС-240, тогда
/> , где р1 – удельнаянагрузка от собственного веса провода, F- его сечение
/>
/>,
где р2-удельная нагрузка от веса гололёда на провода, исходя из цилиндрической формыгололёдных отложения, />
/>
/>,
где /> — суммарная удельнаянагрузка от веса проводов и гололёда
/>
/>,
где/> - удельная нагрузка отдавления ветра при отсутствии гололёда
/>
/>,
где /> - удельная нагрузка отдавления ветра при наличии на проводе гололёда
/>
/>,
где /> - удельная нагрузка отвеса провода без гололёда и ветра
/>
/>,
где /> - удельная нагрузка отвеса провода, покрытого гололёдом, и ветра
/>
Наибольшая удельнаянагрузка />
Определяем исходный режим:
В качестве исходногорежима предварительно выбираем режим наибольшей внешней нагрузки. Параметрыэтого режима />, />, />.
Значения температурыгололёдообразования /> принимаем всоответствии с рекомендацией ПУЭ [4], значение допустимого механическогонапряжения /> - из таблицыфизико-механических характеристик проводов (прил.1 [3]).
/> , где
Е/> – модуль упругостиматериала провода />(прил.1 [3])
/> - расчётная длинапролёта = 261 м.
/>(прил.1 [3])
Вычисляем левую частьуравнения состояния провода:
/>
В правую часть уравнениясостояния провода подставим параметры режима низшей температуры />. Коэффициенты А и Внеполного кубического уравнения будут соответственно равны:
/>
Неполное кубическоеуравнение для режима низшей температуры примет вид:
/>
Решение этого уравнения всоответствии с рекомендациями (прил.6 [3]) (начальное приближение />) даёт величинумеханического напряжения в проводе в режиме низшей температуры:
/>
В правую часть уравнениясостояния подставим параметры режима среднегодовой температуры />. Коэффициенты А и Внеполного кубического уравнения будут соответственно равны:
/>
Неполное кубическоеуравнение для режима среднегодовой температуры примет вид:
/>
Решение этого уравнения всоответствии с рекомендациями (прил.6 [3]) (начальное приближение />) даёт величинумеханического напряжения в проводе в режиме среднегодовой температуры:
/>
Проверим условиямеханической прочности провода:
/>
В режиме наибольшейвнешней нагрузки:
/>
В режиме минимальнойтемпературы:
/>
В режиме среднейтемпературы:
/>/>
Условия выполняются,следовательно, исходный режим выбран правильно.
Расчёт монтажных стрелпровеса.
Для двух значенийтемпературы /> и /> величины механическогонапряжения в проводе вычислены выше и составляют соответственно /> и />. Выполним расчётмеханического напряжения в проводе для режима высшей температуры />.
В правую часть уравнениясостояния провода подставим параметры режима высшей температуры />. Коэффициенты А и Внеполного кубического уравнения будут соответственно равны:
/>
Неполное кубическоеуравнение для режима высшей температуры примет вид:
/>
Решение этого уравнения всоответствии с рекомендациями (прил.6 [3]) (начальное приближение />) даёт величинумеханического напряжения в проводе в режиме высшей температуры:
/>
Для трёх значений температурвычисляем стрелы провеса по формуле:
/>
По полученным значениямстрел провеса строим монтажный график />(рис.14)
/>/>/>/>/>
Рис.14
Проверка габаритавоздушной линии
Для проверки габарита ВЛнеобходимо знать максимальное значение стрелы провеса провода />. Максимальная стрелапровеса провода имеет место в одном из двух режимов: в режиме высшейтемпературы или в режиме максимального гололёда без ветра. Стрела провеса врежиме высшей температуры определена />
Выполним расчётмеханического напряжения в проводе и его стрелы провеса для режимамаксимального гололёда без ветра. В правую часть уравнения состояния проводаподставим параметры этого режима: /> КоэффициентыА и В неполного кубического уравнения будут соответственно равны:
/>
Неполное кубическоеуравнение для режима гололёда без ветра будет иметь вид:
/>
Решение этого уравнениядаёт величину механического напряжения в проводе в режиме гололёда без ветра: />. Стрела провеса провода вэтом режиме составит:
/>
Итак, максимальная стрелапровеса провода /> имеет место врежиме гололёда без ветра.
Установленный ПУЭ габаритВЛ напряжением 220 кВ для населённой местности /> Учитываягеометрические размеры предварительно выбранной опоры ПБ-220-1 и длину гирляндыизоляторов (прил.3 и 5 [3]) проверим условие:
/> , где
/> - расстояние от точки подвесанижнего провода до земли;
/> — длина гирляндыизоляторов;
/> - максимальная стрела провесапровода
/>
Условие выполняется,следовательно, опора выбрана правильно.
Литература
1. Электропитающиесистемы и электрические сети: Рабочая программа, задание на курсовой проект,методические указания к выполнению курсового проекта.- СПб.: СЗТУ, 2004.- 29с.
2. В.Н. Костин, Е.В.Распопов, Е.А. Родченко. Передача и распределение электроэнергии:Учеб.пособие.- СПб.: СЗТУ, 2004 – 147 с.
3. Костин В.Н.Системы электроснабжения. Конструкции и механический расчёт: Учеб.пособие.-СПб.: СЗТУ, -93 с.
4. Правилаустройства электроустановок. 6-е изд.- М.: Изд-во ДЕАН, 2001.
5. Неклепаев Б.Н.,Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалыдля курсового и дипломного проектирования: Учеб. Пособие для вузов. – М.:Энергоатомиздат, 1989.