Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н. В. Савина

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Методические указания к практическим занятиям

Благовещенск

Издательство АмГУ

2013

2

ББК 31.27я73

П 79

Печатается по решению

редакционно-издательского

совета

Амурского государственного

университета

Разработано в рамках реализации гранта «Подготовка

высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горно-

металлургической отрасли для предприятий Амурской области» по заказу

предприятия-партнера ОАО «Федеральная сетевая компания Единой

электроэнергетической системы» (ОАО «ФСК ЕЭС»)

Рецензенты:

П.С. Радин, заместитель начальника Южно-Якутского РЭС Амурского

ПМЭС филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Востока.

Д.А. Теличенко, доцент кафедры АППиЭ ФГБОУ «Амурский

государственный университет» (АмГУ, г. Благовещенск), канд. техн. наук.

Савина Н.В.

П79 Проектирование развития электроэнергетических систем и

электрических сетей: методические указания к практическим занятиям / Н. В.

Савина. – Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2013. – 65 с.

Методические указания к практическим занятиям предназначены для подготовки

магистров по направлению 13.04.02 (140400.68) «Электроэнергетика и электротехника»,

магистерской программе «Электроэнергетические системы и сети». Рассмотрены

практические аспекты проектирования развития электроэнергетических систем и

электрических сетей, выбора экономически целесообразных вариантов проектирования

электроэнергетических систем и сетей, в том числе с применением инновационных

технологий и компонентов в электросетевых комплексах.

В авторской редакции.

ББК 31.27я73

©Амурский государственный университет, 2013

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Требования к изучаемой дисциплине 5

1.1 Цели и задачи практических занятий 5

1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины 9

2 Структура и содержание дисциплины «Проектирование развития

электроэнергетических систем и электрических сетей»

12

3 Методика практических занятий 18

3.1 Пример выполнения индивидуальных заданий 20

3.2 Пример выполнения комплексного задания 34

3.3 Задания на индивидуальную работу 44

3.4 Комплексное задание для контроля знаний магистрантов 46

4 Образовательные технологии и средства обеспечения освоения

дисциплины

50

5 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,

промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

53

6 Рейтинговая оценка знаний магистрантов по дисциплине 59

7 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

«Проектирование развития электроэнергетических систем и

электрических сетей»

60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65

4

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания для практических занятий магистрантов

предназначены для подготовки магистров по направлению 13.04.02 (140400.68)

«Электроэнергетика и электротехника», магистерской программе

«Электроэнергетические системы и сети». Методические указания

предназначены для оказания помощи магистрантам в получении необходимых

дополнительных знаний по проектированию развития электроэнергетических

систем и электрических сетей. В методических указаниях даны структура,

задания и методика реализации всех видов практических занятий в

соответствии с рабочей программой дисциплины.

Одним из важнейших направлений модернизации и инновационного

развития электроэнергетики является переход к созданию интеллектуальных

энергосистем с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС). Построение «умной»

сети направлено на повышение надежности и экономичности

функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС) и обеспечение

потребителей электроэнергией в требуемом объеме и требуемого качества.

Таким образом, актуальным и эффективным способом приобретения

практических навыков проектирования развития электрических сетей является

реализация системного подхода при рассмотрении концепции

интеллектуальных электрических систем с активно-адаптивными сетями при

выполнении практических, индивидуальных и контрольных заданий, и

сравнение этой концепции с существующими подходами в области выбора,

оценки, решения вопросов проектирования и расчета режимов в

эксплуатируемых электрических сетях.

5

1 Требования к изучаемой дисциплине

При практической работе над разделами теоретического курса

магистрантам необходимо:

изучить дополнительные материалы по программе теоретического

курса в соответствии с индивидуальным планом подготовки составленным

дополнительно к учебно-тематическому плану учебной дисциплины;

выполнить необходимые практические работы согласно программе

дисциплины;

подготовить устные ответы на контрольные вопросы, приведенные

после каждой темы;

выполнить индивидуальные задания;

выполнить контрольные работы;

пройти тестирование.

Темы на индивидуальные задания и контрольные работы, а также их

варианты (по уровню сложности) преподаватель выдает магистрантам на

консультациях после собеседования с ними или входного контроля.

1.1 Цели и задачи практических занятий

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ФГОС, ОТНОСЯЩАЯСЯ К ДИСЦИПЛИНЕ

Вид профессиональной деятельности выпускника

Дисциплина охватывает круг вопросов, относящихся к следующим видам

профессиональной деятельности выпускника:

• производственно-технологическая деятельность;

• проектно-конструкторская деятельность;

• научно-исследовательская деятельность.

Задачи профессиональной деятельности выпускника

Дисциплина направлена на подготовку магистра к решению следующих

профессиональных задач, указанных в ФГОС ВПО.

а) производственно-технологическая деятельность:

• разработка норм выработки, технологических нормативов на расход

6

материалов, заготовок, топлива и электроэнергии, выбор оборудования и

технологической оснастки;

• оценка экономической эффективности технологических процессов,

инновационно-технологических рисков при внедрении новых техники и

технологий;

• разработка мероприятий по эффективному использованию энергии

и сырья;

• выбор методов и способов обеспечения экологической

безопасности производства;

б) проектно-конструкторская деятельность:

• формирование целей проекта (программы), критериев и показателей

достижения целей, построение структуры их взаимосвязей, выявление

приоритетов решения задач;

• разработка обобщенных вариантов решения проблемы, анализ этих

вариантов, прогнозирование последствий, нахождение компромиссных

решений в условиях многокритериальности и неопределенности, планирование

реализации проекта;

• оценка технико-экономической эффективности принимаемых

решений;

в) научно-исследовательская деятельность:

• анализ состояния и динамики показателей качества объектов

деятельности с использованием необходимых методов и средств

исследований;

г) организационно-управленческая деятельность:

• нахождение компромисса между различными требованиями

(стоимость, качество, безопасность и сроки исполнения) при долгосрочном и

краткосрочном планировании, определение оптимального решения; оценка

производственных и непроизводственных затрат на обеспечение качества

продукции, проведение маркетинга и подготовка бизнес-планов выпуска и

реализации перспективных и конкурентоспособных изделий.

7

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целями освоения дисциплины «Проектирование развития

электроэнергетических систем и электрических сетей» являются формирование

систематизированных знаний, умений и профессиональных компетенций в

области проектирования развития электроэнергетических систем и

электрических сетей, приобретение магистрантами навыков выбора

экономически целесообразных вариантов проектирования

электроэнергетических систем и сетей, в том числе с применением

инновационных технологий и компонентов в электроэнергетике.

Задачи дисциплины:

• Изучение научных основ построения современных

электроэнергетических систем, их проектирования, принципов и методов

реализации оптимальных технических решений при проектировании развития

электроэнергетических систем.

• Изучение нормативно-технической документации в области

проектирования электроэнергетических систем и электрических сетей;

• Освоение методов выбора основных проектных решений и

технико-экономического обоснования принятых решений при развитии ЭЭС;

• Овладение алгоритмами проектирования электроэнергетических

систем и сетей, расчета установившихся режимов сложных

электроэнергетических систем;

• Формирование профессиональных и исследовательских навыков по

проектированию развития ЭЭС и электроэнергетических объектов.

МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина «Проектирование развития электроэнергетических систем и

электрических сетей» входит в профессиональный цикл (М2), вариативную

часть (М2.В.ОД.4) и относится к дисциплинам, формирующим специальные

профессиональные знания и исследовательские навыки, необходимые при

проектировании электроэнергетических систем и электрических сетей.

8

Дисциплина является одной из профилирующих и имеет самостоятельное

значение.

Для освоения данной дисциплины необходимо знать, уметь и быть

готовым применять материал в объеме, изложенном в рабочих программах

следующих дисциплин ООП магистратуры:

Современные электроэнергетические системы (М1.В.ОД.2);

Компьютерные, сетевые и информационные технологии (М1.Б.3);

Теория систем и системного анализа в электроэнергетике (М2.Б.3);

Промышленные программно-вычислительные комплексы в

электроэнергетике (М2.В.ОД.3).

Знания, умения и навыки, полученные при освоении данной дисциплины,

необходимы для прохождения научно-производственной практики, написания

выпускной квалификационной работы.

В процессе выполнения практических (лабораторных) занятий

магистрант должен приобрести умения:

системного решения комплекса задач как организационного, так и

технического уровня, направленного на снижение эквивалентных

среднегодовых расходов с учетом всех возможных режимов работы сети;

оценки влияния реактивной мощности на режим напряжения и качество

электроэнергии, пропускную способность сети;

применения имеющихся результатов разработок в области

интеллектуальных энергетических систем для выполнения мероприятий и

подготовки систем электроснабжений к внедрению Smart Grid;

управления реактивной мощностью в интеллектуальных системах

электроснабжения;

оценки требований к системе автоматического управления напряжением

и реактивной мощностью;

повышения энергоэффективности работы систем электроснабжения за

счет снижения потерь электроэнергии, обусловленного установкой в сетях

компенсирующих устройств.

9

1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины «Проектирование развития

электроэнергетических систем и электрических сетей» обучающийся должен

демонстрировать следующие результаты образования:

1) Знать:

современное состояние электроэнергетической системы и тенденции ее

развития, современные достижения науки и передовой технологии в области

электроэнергетики;

нормативно-техническую документацию, регламентирующую работу

электроэнергетических объектов и систем и используемую при их

проектировании;

типы и характеристики электрооборудования, используемого при

проектировании;

организацию и порядок проектирования ЭЭС и их объектов;

критерии и методики выбора проектных решений;

методы расчета режимов ЭЭС, в том числе с помощью программно-

вычислительных комплексов, и их анализа.

2) Уметь:

подбирать, готовить и анализировать исходную информацию для

проектирования развития ЭЭС и электрических сетей;

обоснованно выбирать вариант развития ЭЭС и электрических сетей;

использовать нормативные документы и методические указания по

проектированию развития электроэнергетических систем;

проектировать электроэнергетические объекты, электрические сети и

ЭЭС при их развитии, с использованием современного оборудования, методов

и технологий проектирования;

использовать программно-вычислительные комплексы для расчета

режимов ЭЭС;

осуществлять экспертизу проектной документации.

10

3) Владеть навыками:

стратегического видения целей и задач развития электроэнергетики;

применения достижения отечественной и зарубежной науки и техники

при проектировании развития ЭЭС и электрических сетей;

использования методов проектирования ЭЭС и сопоставления вариантов;

работы со справочной литературой и проектной документацией;

выполнения проектных работ по развитию объектов ЭЭС.

В процессе освоения данной дисциплины магистрант формирует и

демонстрирует следующие профессиональные компетенции:

способностью использовать углубленные теоретические и практические

знания, которые находятся на передовом рубеже науки и техники в области

профессиональной деятельности (ПК-2);

способность формулировать технические задания, разрабатывать и

использовать средства автоматизации при проектировании и технологической

подготовке производства (ПК-10);

готовность применять методы анализа вариантов, разработки и поиска

компромиссных решений (ПК-11);

готовность применять основы инженерного проектирования технических

объектов (ПК-12);

готовностью использовать прикладное программное обеспечение для

расчета параметров и выбора устройств электротехнического и

электроэнергетического оборудования (ПК-14);

готовностью выбирать серийное и проектировать новое

электротехническое и электроэнергетическое оборудование (ПК-15);

готовностью управлять проектами электроэнергетических и

электротехнических установок различного назначения (ПК-16);

способность понимать современные проблемы научно-технического

развития сырьевой базы, современные технологии утилизации отходов

электроэнергетической и электротехнической промышленности, научно-

11

техническую политику в области технологии и проектирования

электротехнических изделий и электроэнергетических объектов (ПК-17);

готовностью решать инженерно-технические и экономические задачи с

применением средств прикладного программного обеспечения (ПК-19);

способностью принимать решения в области электроэнергетики и

электротехники с учетом энерго- и ресурсосбережения (ПК-21);

готовностью к работе по одному из конкретных профилей (ПК-25);

способность осуществлять технико-экономическое обоснование

инновационных проектов и их управление (ПК-29);

способность самостоятельно выполнять исследования для решения

научно-исследовательских и производственных задач с использованием

современной аппаратуры и методов исследования свойств материалов и

готовых изделий при выполнении исследований в области проектирования и

технологии изготовления электротехнической продукции и

электроэнергетических объектов (ПК-38);

способностью оценивать инновационные качества новой продукции (ПК-

42);

готовность проводить экспертизы предлагаемых проектно-

конструкторских решений и новых технологических решений (ПК-44).

12

2 Структура и содержание дисциплины «Проектирование развития

электроэнергетических систем и электрических сетей»

План и виды занятий

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144

часа.

№

п/п Раздел

дисциплины

Сем

естр

Нед

еля с

емес

тра

Виды учебной

работы, включая

самостоятельную

работу и

трудоемкость (в

часах)

Формы текущего

контроля успеваемости

(по неделям семестра)

Форма промежуточной

аттестации (по

семестрам)

ЛК ПЗ ЛР СР, в

том

числе

КП

1 Организация

проектирования

развития

электроэнергетических

систем и

электрических сетей

3 1-4 4 12 2 5 3 неделя – блиц-опрос на

лекции;

2,4 недели – опрос на

практике, защита

индивидуального задания

2 Основы инженерного

проектирования

развития систем и

технических объектов

электроэнергетики

3 5-12 8 24 10 7

36

3,5,7,9,11 недели - блиц-

опрос на лекции;

2,4,6,8,10,12 недели -

опрос на практике,

защита индивидуального

задания;

4,6,8,10 недели –

контроль хода

выполнения курсового

проекта

4 Промежуточная

аттестация

3

36

Экзамен

Примечания:

ЛК – лекции, ПЗ – практические занятия, ЛР – лабораторные работы, КП –

курсовой проект; СР – самостоятельная работа.

13

Лекционный курс

Раздел 1. Организация проектирования развития

электроэнергетических систем и электрических сетей

Тема 1. Материалы, характеризующие перспективы развития

электроэнергетики страны и региона – 2 часа

Основные направления модернизации, реконструкции и развития

электроэнергетических систем и электрических сетей. Энергетическая

стратегия России на долгосрочный период, стратегия развития

электроэнергетики России на долгосрочный период, программа обновления

объектов электроэнергетики на перспективный период, Федеральные целевые

программы; региональные энергетические программы; проектные и научно-

исследовательские работы по вопросам развития электроэнергетики; технико-

экономические доклады, внестадийные и научно-исследовательские работы,

характеризующие технический прогресс производства, передачи,

распределения и потребления электроэнергии, технико-экономические

показатели электроустановок и электропередач различного типа, а также

возможности и условия сооружения различного типа электростанций; отчетные

данные и информация по перспективам функционирования и развития,

предоставляемая субъектами рынка. Достижения отечественной и зарубежной

науки и техники, использование которых целесообразно при развитии ЭЭС.

Тема 2. Организация проектирования объектов

электроэнергетических систем – 2 часа

Порядок проектирования электроэнергетических систем. Сущность,

особенности, структура и методы проектирования развития ЭЭС. Виды

проектных работ. Стадийность проектирования и состав проектной

документации. Требования к объему и содержанию всех видов работ по

проектированию энергосистем. Формулировка и написание технического

задания на проектирование объектов и подсистем ЭЭС. Технические условия на

технологическое подключение электроэнергетических объектов к

14

электрическим сетям. Порядок выдачи заданий на проектирование,

согласования и утверждения проектов. Средства автоматизации, используемые

при проектировании и технологической подготовке производства. Учѐт

фактора неопределѐнности при проектировании. Многокритериальный подход

при проектировании электроэнергетических систем. Особенности разработки

схем развития электроэнергетических систем регионов, электрических сетей,

объектов электроэнергетики. Нормативно-техническая документация,

используемая при проектировании развития электроэнергетических систем и

электрических сетей. Экспертизы предлагаемых проектно-конструкторских

решений и новых технологических решений в электроэнергетике.

Раздел 2. Основы проектирования развития систем и технических

объектов электроэнергетики

Тема 3. Исходные данные для проектирования и их анализ -2 часа

Балансы электрической энергии и мощности. Электрические нагрузки и

их представление при проектировании электроэнергетических систем. Графики

электрических нагрузок (ГЭН) и их анализ при проектировании электрических

сетей. Показатели режимов электропотребления. Определение перспективных

нагрузок потребителей при проектировании. Определение вероятностных

характеристик активной и реактивной мощности узлов нагрузки.

Характеристика района проектирования при развитии ЭЭС: климатическая и

географическая характеристика района, структурный анализ существующей

сети и возможных источников питания, характеристика потребителей

электроэнергии.

Тема 4. Критерии выбора основных проектных решений.

Содержание проекта развития электрических сетей – 2 часа

Технические критерии и ограничения. Статические и интегральные

методы и критерии оценки экономической эффективности инвестиционных

проектов. Условия сопоставимости вариантов развития электроэнергетических

систем и их объектов. Ставка дисконтирования. Критерий минимума

суммарных дисконтированных затрат. Учет надежности в технико-

15

экономических расчетах. Виды цен, используемые при проектировании в

электроэнергетике. Затраты на компенсацию потерь электроэнергии.

Себестоимость транспорта электроэнергии. Основные разделы проекта

реконструкции, развития электрической сетей. Особенности проектирования

магистральных и распределительных электрических сетей. Указания к основам

проектирования электрических сетей.

Тема 5. Выбор основных проектных решений – 2 часа

Системы напряжений электрических сетей и их влияние на

инвестиционную привлекательность проекта. Учета режимов работы

электростанций при проектировании развития электроэнергетических систем.

Принципы построения схем конфигурации электрических сетей при их

развитии. Технический анализ вариантов конфигурации электрических сетей и

выбор конкурентно-способных. Выбор экономически целесообразных сечений

линий электропередачи, их конструктивного исполнения. Пути повышения

пропускной способности сетей. Выбор мощности и мест размещения средств

компенсации реактивных нагрузок. Выбор числа и мощности силовых

трансформаторов и автотрансформаторов. Основы проектирования подстанций:

выбор схемы электрических соединений, конструктивного исполнения,

силового оборудования. Выбор средств регулирования напряжения и проверка

обеспечения его качества. Формализованные методы выбора проектных

решений. Применение основ инженерного проектирования для реализации

концепции развития ЭЭС по инновационному пути.

Тема 6. Расчет и анализ режимов электрических сетей – 2 часа

Выбор расчетных условий для исследований ЭЭС в установившихся и

переходных режимах. Нормативные требования к расчетным условиям в ЭЭС.

Расчѐт режимов электроэнергетических систем в специализированном

программно-вычислительном комплексе RastrWin при проектировании их

развития. Методы анализа режимов.

16

Практические занятия

Практические занятия проводятся с целью закрепления знаний,

полученных при изучении теоретического курса. Тематика практических

занятий приведена в таблице.

№

п/п.

Наименование темы Кол-во

часов

1. Структурный анализ района проектирования развития ЭЭС 2

2. Балансы активной и реактивной мощности и энергии 2

3. Определение перспективных вероятностных характеристик активной

и реактивной мощности узлов нагрузки

2

4. Выбор климатических и географических характеристик для

проектирования ЭЭС

2

5. Разработка вариантов конфигурации электрических сетей при их

развитии

2

6. Технический анализ вариантов конфигурации электрических сетей 2

7. Выбор классов номинального напряжения вновь вводимых участков

сети

2

8. Выбор мощности и мест размещения средств компенсации

реактивных нагрузок в проектируемой сети

2

9. Проектирование линии электропередачи 4

10. Проектирование подстанции 4

11. Определение потерь электроэнергии при ее транспорте 2

12. Учет надежности при проектировании развития ЭЭС 2

13. Расчѐт и анализ показателей экономической эффективности при

проектировании развития электроэнергетической системы

2

14. Расчет и анализ режимов электрических сетей при их проектировании 4

15. Повышение экономичности режимов в проектируемой электрической

сети

2

На практических занятиях магистранты учатся:

- анализировать схемы электрических сетей;

17

- выполнять расчѐты нормальных и послеаварийных режимов при

предоставлении полного объема исходных данных и при неполноте

(некорректности) исходной информации;

- применять организационные и технические мероприятия с целью

улучшения режимных параметров;

- решать оптимизационные вопросы;

- рассчитывать потери электроэнергии и снижать их уровень;

- регулировать режим напряжений и распределение реактивной мощности

в электрических сетях;

- уметь решать вопросы компенсации реактивной мощности;

- проводить разработку мероприятий по снижению потерь энергии,

качеству электрической энергии;

- оценивать экономичность работы сетей.

На практических занятиях каждому магистранту выдаются

индивидуальные задания, которые выполняются как на занятиях, так и во

внеаудиторное время.

Матрица компетенций учебной дисциплины

Разделы Компетенции

Суммарное

общее

количество

компетенций

ПК

2

ПК

10

ПК

11

ПК

12

ПК

14

ПК

15

ПК

16

ПК

17

ПК

19

ПК

21

ПК

25

ПК

29

ПК

38

ПК

42

ПК

44

1 + + + + + + + + + 9

2 + + + + + + + + + + + + + 13

Итого 1 2 2 1 1 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 22

18

3 Методика практических занятий

Назначение дисциплины «Проектирование развития

электроэнергетических систем и электрических сетей» состоит в том, чтобы

дать будущим специалистам в области электроэнергетики теоретические

знания и привить практические навыки решения вопросов проектирования,

расчета, эксплуатации и повышения эффективности работы

электроэнергетических систем.

Задачей курса в области практических занятий является – получение

магистрантами знаний о режимах работы, эксплуатации и характеристиках

различных элементов электроэнергетической системы – синхронных

генераторов (компенсаторов, двигателей), батарей статических конденсаторов

и шунтирующих реакторов, трансформаторов, линий электропередачи и др. и

их использовании при решении следующих вопросов:

- режим напряжений и распределение реактивной мощности в

электрических сетях;

- регулирование напряжения и реактивной мощности;

- компенсация реактивной мощности;

- расчет и снижение потерь энергии в электрических сетях;

- разработка мероприятий по снижению потерь энергии, качеству

электрической энергии;

- экономичность работы сетей.

Выпускник должен уметь использовать существующие методы и способы

регулирования напряжения и реактивной мощности на различных

иерархических уровнях АСДУ; рассчитывать и выбирать необходимые

устройства регулирования напряжения и реактивной мощности; применять

современные методы расчета потерь энергии как детерминированные, так и

вероятностно-статистические в зависимости от конкретного случая; оценивать

эффективность применения альтернативных мероприятий по снижению потерь

энергии в электрических сетях для конкретных ситуаций, проводить расчеты

19

снижения потерь энергии от внедрения мероприятий; применять инженерные

методы расчета показателей качества электроэнергии для выбора рациональных

способов и технических средств его повышения. Выработке этих навыков и

посвящены практические занятия.

На практических занятиях магистранты выполняют индивидуальные

задания либо поэтапно решают комплексную задачу и осваивают необходимые

навыки и умения для выполнения заданий самостоятельной работы по

дисциплине.

На первом занятии магистранты из электронного варианта схемы

существующих электрических сетей ОАО ДРСК по заданию преподавателя

выбирают и копируют участок для последующих расчетов.

При желании магистранта, он может выбрать вариант проектируемой

сети согласно плана развития электрических сетей Дальнего Востока на 2030

год.

Далее они выполняют необходимый анализ сети с точки зрения

выявления слабых мест с точки зрения напряжения, реактивной мощности и

потерь электроэнергии.

Затем составляется эквивалент и граф сети для последующих расчетов

существующих нормальных и послеаварийных режимов при предоставлении

полного объема исходных данных.

После этого рассматриваются вопросы развития существующей сети и

проводятся расчѐты нормальных и послеаварийных режимов при неполноте

(некорректности) исходной информации.

Вслед за этим, совместно с преподавателем осуществляется коррекция

режима в рассчитанной схеме и выбор необходимых технических решений с

точки зрения регулирования напряжения и реактивной мощности.

Следующим этапом является коррекция режима, при необходимости

используются оптимизационные методы.

Завершающим итогом является расчет потерь электроэнергии и

внедрение мероприятий по их снижению и оценке.

20

3.1 Пример выполнения индивидуальных заданий

Задание №1

Выбрать сечение проводов, определить напряжение в конце двухцепной линии

электропередачи, построить векторную диаграмму напряжений и токов линии (в масштабе).

Рис. Схема линии электропередачи

Исходные данные

Вариант Uн, кВ U1, кВ L, км Р, МВт cos Материал

опор

Район по

гололеду

12 110 121 173 55 0,82 сталь II

1) Выбор сечения проводов

Сечения проводов выбираются в зависимости от напряжения, расчетной активной

мощности, района по гололеду, материала и типа опор, с учетом количества цепе ВЛ.

Выбираем марку провода АС-240.

2) Проверка провода на нагрев в послеаварийном режиме

Проверка на нагрев в после аварийном режиме (при обрыве одной из цепей)

ДОПII ,

где Iдоп – допустимый ток по условию нагрева, А; I – ток, протекающий по линии, А.

Ток протекающий по линии находится по выражению

322 103

НU

QPI ,

где Q – реактивная мощность в конце линии, Мвар.

tgPQ , 5,387,055 Q Мвар.

322 101103

5,3855

I =352 А.

605ДОПI А.

Условие по нагреву выполняется.

3) Схема замещения линии и ее параметры

Рис. Схема замещения линии

Параметры схем замещения для двухцепных линий определяются по выражениям

2

00 LjXRjXRZ

, LqQC 02 ,

где R и X – активное и реактивное сопротивление линии, Ом; Ro и Хо – погонные активное

и реактивное сопротивление линии; Qс – зарядная мощность линии, Мвар.

21

43,342,10

2

170405,012,0j

jjXRZ

Ом;

75,121700375,02 CQ Мвар.

4) Определение мощности в начале линии

Мощность в начале линии определяется из выражения

)()(1 CQQQjPPS ,

где Р, Q – потери соответственно активной и реактивной мощностей на линии, МВт,

Мвар.

Потери мощности на линии определяются по соотношениям

RU

QPP

H

2

22

, XU

QPQ

H

2

22

,

8,32,10110

5,38552

22

P МВт,

8,1243,34110

5,38552

22

Q МВт,

55,388,58)75,128,125,38()8,355(1 jjS МВА.

5) Определим напряжение в конце линии

Напряжение в конце линии

)(11 UjUUUUU ,

где U - вектор падения напряжения на линии, кВ; UU , - соответственно активная и реактивная составляющие вектора падения напряжения, кВ; которые можно

определить по выражениям:

1

11

U

XQRPU

,

1

11

U

RQXPU

,

93,15121

43,3455,382,108,58

U кВ.

48,13121

2,1055,3843,348,58

U кВ.

)48,1393,15(121 jU =105,07-j13.48 кВ.

6) Построение векторной диаграммы

Рис. Векторная диаграмма напряжений

22

Задание №2

Выбрать сечение проводов двухцепной ВЛ 220 кВ для получения желаемых уровней

напряжения Uнеобх. Подобрать ответвления на вывод обмоток СН трансформатора и

ответвление регулируемых вольтодобавочных трансформаторов, включаемых на стороне

НН.

Решение

Определяем суммарную нагрузку двух СТ:

SΣ = Рс + Рн + j (Qс + Qн).

Определяем ток, протекающий через обмотку ВН трансформатора

S Σ2 √(Pс + Pн) 2 + (Qс + Qн)2

Iрасч. = ──────── = ───────────────.

√3 U ном ∙ 2 2 √3 Uном

Определяем максимальный расчетный ток линии.

I =α i αT Ірасч = 1,05 αT Ірасч

По максимальному расчетному току линии с учетом района по гололеду и вида опор

для заданного района РФ выбираем сечение линии по экономическим токовым интервалам.

Далее аналогично заданию № 1 до определения отпаек, здесь случай, когда РПН в

нейтрали.

Определяем желаемую добавку в нейтрали U на АТ.

Uсв

Uвн - ───── Uс ном

Uс жел Uвн - Кв-сжел

Uс ном δUжел = ────────────── = ──────────── ;

Uсв

Кв-сжел

- 1

─── - 1 Uс жел

δUжел δUжел

но nt = ─────; откуда n = ─────

Uвн Uвн t

Для линейного регулятора добавка напряжения равна

δUлр = Uвн жел

- Uнд

Uнв · Uн ном

Uнд = ────────────────── ;

Uв ном +0,01 δ U сжел% · Uв ном

( Uнн жел

∕ Uнд - 1)

δUл.р. = ─────────── 100 %

1

n = δUл.р. ∕ Uвн · t

23

Задание №3

Регулирование напряжения в сети с помощью синхронных компенсаторов.

Компенсатор выбирается из условия поддержания желаемого U на сторонах СН и

НН.

Вспомним формулу потерь напряжения:

РR + QX

∆ U = ───── .

U

Распишем суммарную потерю напряжения в схеме

(Рсн + Рнн) (Rвл+ Rтв)+Рсн Rтс+РннRтн

∆ U = ───────────────────────── +

U1

(Qсн + Qнн – Qск) (Xвл + X тв ) + Qсн Xтс + (Q нн- Qск) Xтн

+J ─────────────────────────────────────

U1

Из данного выражения найдем необходимую мощность синхронного компенсатора

Qск

Рсн (Rвл + Rтв + Rтс) + Рнн (Rвл + Rтв + Rтн) + Qсн (Хтс + Xтв + Xвл) +

Qск = ─────────────────────────────────────────────

Хвл + Xтв + Xтн

+Qнн (Хтн + Xтв + Xвл) - ΔUΣ U1

────────────────────

1

Здесь неизвестно ΔUΣ .

Запишем выражение для ΔQск и ΔQнн

вн жел U1

Δ U ск = U1 - Uсн = Uсн ────────

Uсн ном

вн жел U1

Δ Uнн = U1 - Uнн = Uнн ────────

Uнн ном

Тогда Δ U ск + Uнн = ΔUΣ .

вн вн жел U1 жел U1

ΔUΣ = 2 U1 - Uсн - Uнн = 2 U1 - Uсн ───── - Uнн ────── .

U сн ном U нн ном

24

Задание №4

Выбор устройств продольной компенсации (УПК)

Определить необходимое число конденсаторов, Uном и установленную мощность БК,

если районная понижающая ПС связана с ЦП одноцепной ВЛ с U = 110 кВ длиной 80 км

(ZЛ = 21+j 34 Ом). Расчетная наибольшая нагрузка потребителей п.ст S = 22+ j 20 МВА.

По условиям работы потребителей потери напряжения в ВЛ не должны быть более

6%.

Решение

1) Определим потери напряжения в ВЛ без конденсаторов. Расчет выполним без

учета потерь мощности в ВЛ:

РR + QX 22 · 21 + 20 · 34

ΔU = ─────── = ─────────── = 10,4 кВ.

U 110

2) Определим допустимое значение потерь U в кВ:

ΔUдоп% Uном 6 · 110

ΔUдоп = ───────── = ───── = 6,6 кВ

100 100

3) Определим сопротивление БК, снижающих потери U в ВЛ до Uдоп, из уравнения

РR + Q (Xвл - XБК)

ΔUдоп = ───────────── ,

Uном

Откуда

РR + Q Xвл - ΔUдоп Uном 22 · 21 + 20 · 34 – 6,6 · 110

XБК = ─────────────── = ───────────────── = 24,1 Ом.

Q 20

4) найдем ток в ВЛ при заданной расчетной нагрузке:

√Р2 + Q

2 √22

2 + 20

2

IВЛ = ────────── = ────────── · 103 = 157 А.

U3 Uном U3 · 110

5) Примем однофазные стандартные конденсаторы для снижения потерь

напряжения, включаемые последовательно в каждую фазу, типа КС 2А-0,66 – 40 мощность

40 квар, Uном = 0,66 кВ.

Найдем номинальный ток конденсаторов.

Qном 40000

Iк ном = ——— = ———— = 60,6 А/

Uном 660

Для получения расчетного тока ВЛ число конденсаторов, включенных параллельно в

одну фазу должно быть больше отношения rn, равно

25

Iвл 157

rn, = ——— = ———— = 2,59.

Iк ном 60,6

Примем число параллельно включаемых конденсаторов 3.

6) Определим сопротивление конденсаторов КС 2А-0,66-40

Uк ном 660

Х к ном = ——— = ——— = 10,9 Ом.

Iк ном 60,6

7) Определим число конденсаторов n, включенных последовательно, зная

сопротивление каждого конденсатора и число их параллельных ветвей из уравнения:

Х к ном ·· n

———— = XБК, где К число параллельных ветвей.

K

Откуда

K XБК 3 · 24,1

n = ——— = ——— = 6,63.

Х к ном 10,9

Примем n = 7.

8) Определим общее число конденсаторов в одной и трех фазах ВЛ:

nо = n · к = 3·7 = 21 – в одной фазе;

n3 = 3nо = 3·21 = 63 – в трех фазах.

9) Определим установленную мощность БК:

Q уст = n 3Qк = 63· 40 · 10-3

= 2,52 Мвар.

10) Определим минимальное напряжение БК:

UБК ном = Uк ном n = 0,66 · 7 = 4,62 кВ.

11) Номинальный ток БК

IБК ном = Iк ном к = 3 · 60,6 = 181,8 А.

12) Определим действительное сопротивление БК с учетом принятого числа

конденсаторов:

ХК ∙ n 10,9 ∙ 7

ХБК = ──── = ────── = 25,4 Ом.

к 3

13) Определим фактические потери напряжения в ВЛ при установке УПК:

PQ+(Х ВЛ - X БК ) 22 · 21 + 20 (34 – 25,4)

∆U ═ ─────────── = ────────────── = 5,77 кВ < 6,6 кВ,

Uном 110 т. е меньше допускаемой величины

26

Задание №5

Проверить возможность неполнофазного режима при отключении одной фазы ВЛ

напряжением 110 кВ, питающей трехфазный трансформатор Т мощностью 40 МВА с

коэффициентом трансформации 110/10 кВ.

Обмотки трансформатора соединены по схеме Y –о /Δ..

Наибольшая мощность суммарной нагрузки на стороне 10 кВ трансформатора Т

равна 15+j7,5 МВА. Мощность трехфазного к.з. на шинах 110 кВ трансформатора Т равна

2000 МВА.

Решение

Проверка возможности неполнофазного режима должна производиться по

нескольким параметрам:

1) уменьшению напряжения прямой последовательности на шинах 10 кВ;

2) величине напряжения обратной последовательности на этих же шинах;

3) значением токов в обмотках трансформатора Т и заземляющем устройстве.

Расчет выполняется в о.е.. За базисные значения принимаются номинальное

напряжение сети 10 кВ и мощность трансформатора Sт ном.

Uб = 10 кВ; Sб = 40 МВА.

Для выполнения расчета применяется комплексная схема замещения для расчета

параметров при разрыве одной фазы.

Примем, что эквивалентное сопротивление системы одинаково для всех трех

последовательностей и является чисто реактивным.

1) Определим сопротивление системы:

Sб 40 X с = ─── = ───── = 0,02.

Sк.з. 2000

2) Определим индуктивное сопротивление трансформатора Хт = Uк для всех трех

последовательностей в о.е. Активное сопротивление и ветвь намагничивается в схеме

замещения СТ в данном случае не учитываются ввиду их относительной малости. Хт = 0,105.

Определим сопротивление обратной последовательности нагрузки на стороне 10кВ.

В о.е. при токе промышленной частоты для нагрузки:

присоединенной к сети 6-10 кВ Z2* = 0,18 +j 0,24;

присоединенной к сети 110 кВ Z2* = 0,19+j 0,36.

С учетом относительной мощности нагрузки, равной:

Sнагр √(152 + 7,5

-2 ) 16,8

──── = ──────── = ──── = 0,42.

S тном 40 40

27

Сопротивление обратной последовательности нагрузки на стороне 10 кВ равно:

Sнагр 40

Z 2н = Z2* ──── = ( 0,18 +j 0,24) ──── = 0,428+j 0,572.

S тном 16,8

Определим эквивалентное сопротивление схемы обратной последовательности:

Z 2∑ = jXс + jX т + Z 2н = j 0,02 +j 0,105 + 0,428 + j 0,572 = 0,428 + j 0,697.

Определим эквивалентное сопротивление схемы нулевой последовательности

Z о∑ = jXс + jX т = j 0,02 + j 0,105 = j 0,125.

3) Заменим разветвление из схем обратной и нулевой последовательности

эквивалентным сопротивлением (они соединены параллельно).

Z ∑ Z о∑ (0,428 + j 0,697) j 0,125

Z∆ = ─────── = ──────────────── = 0,008 + j 0,11.

Z 2∑ + Zо ∑ 0,428 + j 0,697 + j 0,125

Это сопротивление Z∆ является добавочным в схеме прямой последовательности и

потому вызывает дополнительную потерю напряжения.

4) Определим в о.е. ток прямой последовательности:

Sн 15 + j 7,5

I1 = ──── = ─────── = 0,375 + j 0,187

Sт ном 40

5) Определим дополнительное снижение напряжения прямой последовательности

на шинах 10 кВ п/ст, с учетом того, что при расчете в о.е. коэффициент U3 не вводится.

Δ U1 = I 1а R Δ + I 1рX Δ = 0,375 · 0,008 + 0,187 · 0,11 = 0,0242 .

Эта величина составляет 2,42 %, т.е. невелика. При наличии устройств РПН

требуемый режим напряжения может быть обеспечен.

6) Ток обратной последовательности в питающей сети 110 кВ:

ŻΔ 0,008 + j 0,11

İ2 = - İ 1 ──── = - (0,375 +j 0,187) ──────── = - (0,031 +j 0,038) о.е.

Ż 2Σ 0,428 + j 0,677

Модуль этого тока равен İ2 = 0,05.

7) Определим относительное напряжение обратной последовательности на шинах

10 кВ при сопротивлении нагрузки по модулю, равном

Z 2н = √Z 2н 2

а + Z 2н 2 р = √0,428

2 + 0,572

2 = 0,715 .

U 2 = I 2 Z 2н = 0,05 · 0,715 = 0,0358 или 3,6 %.

28

Полученная несимметрия напряжения практически относится к зажимам ЭП

независимо от места их включений, т.к. сопротивление распределительной сети

относительно мало.

Такая несимметрия может оказаться недопустимой для осветительной нагрузки и

для ЭД. Допустимость работ ЭП с такой несимметрией требует дополнительной проверки.

8) Ток нулевой последовательности в сети 10 кВ отсутствует, т.к. обмотка

вторичного напряжения соединена в ∆.

Определим ток нулевой последовательности в питающей сети 110 кВ по

выражению:

ŻΔ 0,008 + j 0,11

İо = - İ 1 ──── = - (0,375 +j 0,187) ──────── = - (0,338 +j 0,143) о.е.

Ż оΣ j 0,125

Модуль тока нулевой последовательности равен İо = 0,368.

9) Действительный ток, проходящий по заземляющему устройству, равен:

S б 40000

İз = 3 İо ──── = 3 · 0,368 ────── = 232 А

U зUб Uз · 110

Это достаточно большой ток. Допустимость длительного прохождения столь

большого тока по устройствам заземления требует дополнительной проверки.

10) Определим токи в фазах трансформатора подстанции по выражению:

İ = İ 1 Ś 1 + İ 2 Ś 2 + İ о Śо,

Где Ś = ║ Ś Ś Ś║= ║1 1 1

║ - матрица системы симметричных

║а а 1 ║ координат

║а а 1 ║

здесь á = e j ⅔π

= - ´ - j √³/² - оператор изменения аргумента

á² = е j 4/3π = - ´ - j √³/²

İ = ( 0,375 + j 0,187) Ś 1 – ( 0,031 + j 0,038) Ś 2 – (0,338 + j0,143) j Ś о =

= ║ - 0,315 - j 0,567 ║

║ - 0, 703 + j 0,134║

и по модулю

I =

║ 0 ║

║ 0,65 ║

║ 0,72 ║

Полученные результаты показывают, что токи в фазах трансформатора не превышают

номинальных. В данном случае это очевидно, связано с тем, что в нормальном режиме

трансформатор загружен всего на 42 % . При работе трансформатора с большим

коэффициентом загрузки в нормальных условиях его перегрузка при отключении одной

фазы могла оказаться недопустимой. Т.о., рассматриваемый режим нельзя признать

безусловно допустимым по всем параметрам. В частности требуется симметрирование U в

распредсети.

29

Задание №6

Для понижающего трансформатора по каталожным данным (табл. 1.2) определить

параметры схемы замещения; по исходным данным (табл. 1.1) и годовым графикам нагрузок

(рис. 1.1-1.2) определить среднеквадратичный ток, число часов использования максимальной

нагрузки Тм, время максимальных потерь м, расход электроэнергии за год, годовые потери

энергии за год. Коэффициенты мощности обмоток низкого (НН) и среднего (СН) напряжения

принять равными соответственно 0,9 и 0,8.

Таблица 1.1 – Исходные данные к заданию

Вариант Тип трансформатора

Годовой график

нагрузок

Максимальная нагрузка

Рм, МВт

НН СН НН СН

12 ТДТН-25000/220 1,1 1,2 12 8

Таблица 1.2 – Паспортные данные трѐхфазного

трехобмоточного трансформатора типа ТДТН-25000/110

Sн,

МВА Uнв,

кВ Рх,

кВт

Рк1-2,

кВт

Iх,

%

Uк

В-С, % В-Н,% С-Н, %

25 230 50 135 1,2 12,5 20 6,5

Примечание. 1. Трансформатор имеет обмотки равной мощности.

2. Данные приведены к номинальной мощности трансформатора.

Рис. 1.1. Годовой график нагрузки НН

Рис. 1.2. Годовой график нагрузки СН

Решение

1) Определение активных и реактивных сопротивлений обмоток, потери холостого хода

трансформатора в схеме замещения:

Для трехобмоточных трансформаторов при выполнении условия

НННН SSSS 321 , (1.1)

где S1н, S2н, S3н – номинальные мощности обмоток соответственно ВН, СН, НН, МВА;

Sн – номинальная мощность трансформатора, МВА;

30

и при приведении расчетов к номинальному напряжению ВН активные сопротивления

обмоток равны между собой R1= R2= R3 и определяются по выражению

3

2

221 10

2

H

HBkj

S

UPR , (1.2)

где Rj – активное сопротивление j-ой обмотки, Ом; Рк1-2 – потери короткого замыкания

между обмотками ВН и НН, кВт; Uнв – номинальное напряжение обмотки ВН, кВ.

7,510252

230135 32

2

3,2,1

R Ом

Схема замещения трехфазного трехобмоточного трансформатора представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема замещения трехобмоточного трансформатора

До определения индуктивного сопротивления схемы замещения по каталожным данным

находят напряжения короткого замыкания каждого луча схемы

2

3231211

KKKКUUU

U , (1.3)

1212 KKK UUU , (1.4)

1313 KKK UUU , (1.5)

где Uk1-2, Uk1-3, Uk2-3 – напряжения короткого замыкания соответственно между ВН-СН,

ВН-НН, СН-НН, %.

132

5,6205,121

KU %

5,0135,122 KU %

713203 КU %

Индуктивные сопротивления лучей схемы замещения определяются по выражению

31

H

HBKj

jS

UUX

100

2

, (1.6)

где Хj – индуктивное сопративление J- го луча схемы, Ом; Uкj – напряжение короткого

замыкания J- го луча схемы, %.

08,27525100

23013 2

ВX

58,1025100

2305,0 2

СX

12,14825100

2307 2

НХ

Потери холостого хода трансформаторов определяются по формуле:

НXX SIQ 10 , (1.7)

где Ix – ток холостого хода трансформатора, %.

300252,110 XQ квар 2) Определим потери мощностей в обмотках

Потери активной и реактивной мощностей в обмотках

j

H

j

j RU

SР

2

2

, (1.8)

j

H

j

j XU

SQ

2

2

, (1.9)

где Pj, Qj – потери соответственно активной, кВт, и реактивной, квар, мощностей в J – ой

обмотке; Sj – мощность нагрузки J- ой обмотки, МВА.

Нагрузка обмотки ВН складывается из нагрузки обмоток НН и СН, потерь мощности в них,

а нагрузка трансформатора складывается из нагрузки обмоток НН и СН, потерь мощности в

них и в обмотке ВН, потерь холостого хода трансформатора.

Мощность нагрузки находиться по формуле

cos

j

j

PS , (1.10)

где cos - коэффициент мощности J обмотки.

32

Таблица 1.3 – Потери активной и реактивной мощности

Обмотка Cos Sj, МВА Rj, Ом Xj, Ом Pj, КВт Qj, Квар

НН 0,9 13,3 5,7 148 19,06 494,89

СН 0,8 10 5,7 10,6 10,775 20

ВН 23,8 5,7 275 61,034 2944,63

3) Построим график нагрузки трансформатора

Для этого построим годовые графики нагрузки трансформатора НН и СН в именованных

единицах и построим годовой график нагрузки трансформатора путем сложения графиков

НН и СН.

Рис. 1.4. Годовой график нагрузки НН

Рис. 1.5. Годовой график нагрузки СН

Рис. 1.6. График нагрузки трансформатора

4) По графику нагрузки трансформатора определим режимные характеристики работы

трансформатора

Среднеквадратичный ток определяется из выражения

33

N

N

HB