Некоммерческое
акционерное
общество
АЛМАТИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ЭНЕРГЕТИКИ И
СВЯЗИ
Кафедра электрических станций,
сетей и систем
Основные проблемы эксплуатации электрических сетей и систем
Методические указания и задания
к выполнению расчетно-графических работ
для специальности 6М071800-Электроэнергетика
(научно-педагогическая магистратура)
Алматы 2013
3
СОСТАВИТЕЛИ: С.Е. Соколов, Е.Г. Михалкова. Н.А. Генбач
Эксплуатация электрических сетей и систем. Методические указания и
задания выполнению расчетно-графическим работам (для магистрантов
специальности 6М071800 - Электроэнергетика). - Алматы: НАО АУЭС,
2013.-16с.
В представленной работе содержатся методические указания и варианты
заданий для выполнения
расчетно-графических работ по дисциплине
«Эксплуатация электрических сетей и систем».
Табл.5, библиогр.- 5 назв.
Рецензент: доцент Башкиров М.В..
Печатается по плану
энергетики и связи на 2011 г.
издания
НАО
Алматинского
университета
©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.
4
Введение
Предметом изучения курса «Основные проблемы эксплуатации
эксплуатация электрических сетей и систем» являются проблемы, связанные с
эксплуатацией электрических систем на всех иерархических уровнях
управления энергетикой, включая методы совершенствования эксплуатации на
основе применения автоматизированного управления и специальных устройств
на базе микропроцессорной техники; эксплуатации больших систем и сложного
технического оборудования.
В курсе рассматриваются: методы управления энергообъектами,
ликвидации повреждений и ненормальных режимов в энергосистеме;
основные проблемы в сфере эксплуатации основного и вспомогательного
электрооборудования энергосистем и оперативного управления ими; основные
методы прогнозирования и управления режимами; навыки действия диспетчера
энергосистемы по ведению режима и действиях в аварийных ситуациях;
закрепление, расширение и углубление знаний по эксплуатации электрических
сетей и систем.
Методические указания состоят из трех расчетно-графических работ. РГР
№1 и РГР№2 включают в себя задачи, РГР №3 - два теоретических вопроса.
1 Цель и задачи расчетно- графических работ
Целью расчетно-графических работ является развитие навыков
самостоятельного решения задач по основным разделам курса, умение отвечать
на поставленные вопросы, а также развитие навыков работы с технической
литературой.
2 Объем и содержание расчетно-графических работ
Исходные данные для выполнения расчетно-графических работ строго
индивидуальные. Исходные данные для выполнения РГР №1 и №2
представлены в таблицах, и каждый магистрант определяет свой вариант в
зависимости от учебного года изучения дисциплины по первой букве фамилии
согласно таблице 1. Варианты теоретических вопросов для выполнения РГР №3
определяются аналогично.
Таблица 1 – Исходные данные для выполнения РГР
Учебный
Первая буква фамилии
год
А,Д В,Г,Я Б,Е,Э Ж,З,Л К,И, М,Р,Н П,Т,Ш О,Р, С,Ч,Ф Х,Ц,
Ю
У
Щ
четный
6
4
8
7
9
10
3
2
5
6
нечетный 5
6
7
8
10
1
2
3
4
9
5
Пояснительная записка должна иметь титульный лист, введение,
необходимый текстовой и цифровой информативный материал, список
литературы и содержание.
Расчетно-пояснительная записка в объеме 10 выполняется в ясной и
сжатой форме на стандартных листах форматом А-44 (210х297) с помощью
применения ЭВМ. В записке должны быть приведены все расчеты и кратко
изложены основные, принципиальные положения, поясняющие принятые в
работе решения.
3 Расчетно-графическая работа №1. Определение напряженности
электрического поля.
3.1 Задание к расчетно-графической работе №1
При работе под проводами воздушной линии необходимо определить
напряженность электрического поля на высоте h=2 м от земли на разных
расстояниях от оси линии заданного напряжения в середине промежуточного
пролета. Линия имеет горизонтальное расположение проводов с расстоянием
между ними d, фазы- расщепленные, состоящие из n проводов заданной марки с
шагом расщепления a=40см. горизонтальные тросы изолированы от опор, т.е.
влияние их на электрическое поле проводов не учитываем.
Исходные данные для выполнения РГР представлены в таблице 2. Каждый
магистрант (как уже говорилось выше) сначала определяет свой вариант
(таблица 1) и в зависимости от принятого варианта по таблице 2 принимаются
исходные данные для решения РГР№1.
Таблица 2 – Исходные данные для РГР №1
Номер
Марка провода
Напряжение ВЛ,
варианта
кВ
1
АСО-500
500
2
АСО-500
500
3
АСО-300
500
4
АСО-500
750
5
АСО-600
750
6
АС-240
220
7
АС-240
220
8
АС-95
110
9
АС-120
110
10
АСО-300
500
Количество
расщеплений в фазе, n
4
3
3
5
6
1
1
1
1
1
3.2 Методические указания к выполнению работы
В
различных
точках
пространства,
вблизи
электроустановок
промышленной частоты, напряженность электрического поля имеет разные
6
значения. Оно зависит от
ряда факторов: номинального напряжения
электроустановки; расстояния между точкой, в которой определяется
напряженность электрического поля и токоведущими частями; высоты
размещения над землей токоведущих частей и интересующей нас точки и т. д.
Напряженность может быть измерена с помощью специальных приборов,
а в некоторых случаях вблизи воздушных линий электропередачи определяется
расчетом.
Предварительно определяется емкость фазы относительно земли
2 ⋅π ⋅ε 0
2 ⋅ H cp ⋅ d
C=
ln
,
(3.1)
r ⋅ 3 (4 ⋅ H cp2 + d 2 ⋅ H cp2 + d 2
где r -радиус провода, мм;
d -расстояние между осями соседних проводов линии, м;
H cp -средняя высота подвеса проводов над поверхностью земли, м:
1
2
H cp = H п − ⋅ f = ( H п + 2 Н 0 ).
3
3
(3.2)
где H п - высота крепления провода на опоре, м;
f -стрела провеса провода;
H 0 -габарит линии, м.
Теперь по уравнению находится напряженность поля в интересующих
точках. При этом, поскольку напряженность поля требуется определить в
середине пролета, высоту H принимают равной габариту линии, т. е. 8,65 м.
mА, mВ,
А, В, С-фазы (провода) линии; А/, В/, С/-зеркальное изображение фаз;
mК - кратчайшие расстояния от точки Р до фазы линий, nА, nВ, nС- кратчайшие
расстояния от точки Р до зеркальных изображений фаз
Рисунок 1
7
Вначале определяется напряженность Е в точке Т, находящейся под
средней фазой на высоте 2 м от земли (см. рисунок 1).
Рисунок 2 - Определение напряженности в точке Т
Для этой точки х=0 (см. рисунок 1), а отрезки m и n равны:
m A = mc =
( x + d ) 2 + ( H − h) 2 ;
n A = nc = ( x + d ) 2 + ( H + h) 2 ;
(3.3)
m B = x 2 + ( H − h) 2 ;
n B = x 2 + ( H + h) 2 .
Коэффициенты к для этой точки Т будут:
к1 =
x+d x+d
H −h H +h
− 2 ; к2 =
− 2 ;
2
mA
nA
mA2
nA
к3 =
x
x
− 2;
2
mB n B
к5 =
H −h H +h
x−d x−d
+
.
− 2 ; к5 =
2
mc
nc
mc2
nc2
к4 =
H −h H +h
− 2 ;
mB2
nB
(3.4)
Подставив численные значения величин, входящих в выражение, получим
значение напряженности электрического поля в точке Т:
E=
C ⋅Uф
4 ⋅π ⋅ ε0
⋅ (2к1 − к3 − к5 ) 2 + 3 ⋅ (к3 − к5 ) 2 + (2к2 − к4 − к6 ) 2 + 3 ⋅ (к4 − к6 ) 2 .
8
Аналогичным путем определяется напряженность поля в других точках
(при разных значениях х). Результаты расчета изображаются в виде кривой Е расч
на рисунке 3 на линии 500 кВ.
Рисунок 3 - Напряженность электрического поля, полученная расчетным
путем на ВЛ-500 кВ
4
Расчетно-графическая
работа
№2.
электроэнергии на трансформаторной подстанций
Определение
потерь
4.1 Задание к расчетно-графической работе №2
На понижающей подстанции установлены два двухобмоточных
трансформатора типа (тип и мощность трансформаторов выбираются согласно
исходным
данным)
с
параметрами,
соответствующими
данным
трансформаторам. В течение времени ∆t1 ч/год нагрузка подстанции на шинах
10 кВ максимальна Р1 МВт. В течение времени ∆t2 =8760-∆t1 ч/год нагрузка
подстанции минимальна: P2 = α p P1 (см. рисунок 4). Нагрузка характеризуется
коэффициентом мощности cosφ=0,9, который принимают неизменным в течение
года.
Рисунок 4 - Условный двухступенчатый график
активной нагрузки подстанции
Определить потери электроэнергии на трансформаторных подстанциях в
двух случаях:
9
а) параллельная работа трансформаторов в течение всего года;
б) отключение одного из трансформаторов в режиме минимальной
нагрузки.
Выяснить, при каких значениях αр
экономически целесообразно
отключение одного из трансформаторов при минимальной нагрузке (случай Б).
При решении задачи принять, что коэффициент попадания максимума
нагрузки подстанции в максимум нагрузки энергосистемы kм=1, а значение αр
меняется в диапазоне 0,3-0,6.
Номер варианта для задачи РТР № 2 определяется по таблице 1, а данные по
таблице 3.
4.2 Методические указания к выполнению работы
Потери электроэнергии в трансформаторах складываются из потерь в
обмотках («в меди»), зависящих от нагрузки ( ∆ЭТ/ ), и потерь в магнитопроводе
(«в стали»), принимаемых условно-постоянными ( ∆ЭТ// ):
∆ЭΤΣ = ∆ЭТ/ + ∆ЭТ// .
(4.1)
Рассмотрим случай А, когда оба трансформатора включены параллельно в
течение всего года. Потери ЭЭ на нагрев обмоток на каждой ( i − й ) ступени
графика нагрузки определяем по известному выражению
2
 P / cos ϕ 
1
 ∆t i ,
∆Э = ∆PΜi ∆t i =
∆PΚ  i
 ST

nTi
ΗΟΜ


/
Тi
(4.2)
где ∆PΜi - потери в меди при нагрузке Pi ;
nΤi - число параллельно работающих трансформаторов;
S Τ - номинальная мощность трансформатора.
Тогда годовые потери электроэнергии на нагрев обмоток в случае А
составят
ΗΟΜ
ΔЭΤ/ ( Α ) = ΔPΜ 1( Α ) Δt1 + ΔPΜ 2( Α ) Δt 2 .
(4.3)
С учетом (4.2) и того, что из (4.3) получим:
2
ΔЭΤ' ( Α )
2
 P / cos ϕ 
 α P / cos ϕ 
1
 Δt1 + 1 ΔPΚ  p 1
 Δt 2 =
= ΔP 1
 SΤ

2  S Τ ΗΟΜ 
2
ΗΟΜ


2
=
 P cos ϕ 
1
 Δt1 + α 2p (8760 − Δt1 ) .
ΔPΚ  1
 SΤ

2
ΗΟΜ


[
10
]
(4.4)
Таблица 3 – Исходные данные для РГР №2
Параметры трансформатора
Номер
варианта
Тип и мощность
трансформатора
Потери
короткого
замыкания
∆Рк, кВт
Потери
холостого
хода ∆Рхх,
кВт
Время
максимальной
нагрузки ∆t1, ч/год
Коэффициент
мощности
cosφ
1
ТД Н -16000/110
85
19
2200
0,9
Коэффициент
отношения
максимальной
нагрузки к
минимальной
αр
0,3
2
ТРДН-25000/110
120
27
3000
0,9
0,25
3
ТРДН-40000/110
172
36
2500
0,9
0,2
4
260
59
3000
0,85
0,3
310
70
5000
0,9
0,2
400
100
4500
0,9
0,35
7
ТРДЦН63000/110
ТРДЦН80000/110
ТРДЦН125000/110
ТДЦ-200000/110
550
170
5500
0,85
0,4
8
ТДЦ-400000/110
900
320
4000
0,85
0,3
9
ТРДН250000/110
ТДЦ-80000
640
200
5300
0,9
0,3
310
70
3500
0,85
0,2
5
6
10
9
Выражение перед квадратной скобкой представляет собой потери
мощности на нагрев обмоток в режиме наибольшей нагрузки подстанции, т.е.
′ . Следовательно, выражение в квадратных скобках есть не что иное, как
∆PТнб
время наибольших потерь мощности:
τ ( Α ) = ∆ЭT' ( Α ) / ∆PΤ'
Ηб
(
)
= ∆t1 1 − α p2 + 8760α p2 .
(4.5)
Теперь рассмотрим случай Б, когда в течение времени ∆t 1 работают два
трансформатора, а в течение времени Δt2 - один. В соответствии с выражением
(4.3), где индекс А заменен на Б, имеем
2
ΔЭ
'
Τ (Б )
2
 P / cos ϕ 


1
 Δt1 + ΔΡ Κ  ϕ Ρ Ρ/ cos ϕ  Δt 2 =
= ΔΡ Κ  1
 SΤ

 SΤ

2
ΗΟΜ
ΗΟΜ




[
]
(4.6)
= ΔΡΤ' ΗБ Δt1 + 2α Ρ2 (8760 − Δt1 ) .
При этом
(
)
'
= Δt 1 − 2αΡ2 + 8760 ⋅ 2αΡ2 .
τ Б = ΔЭΤ'' ( Б ) /ΔΔТнб
(4.7)
Потери электроэнергии в стали трансформаторов в случае Б:
ΔЭТ'' ( Б ) = 2 ΔΡ Χ Δt1 + ΔΡ Χ Δt 2 = 2 ΔΧ [Δt1 + 0 ,5(8760 − Δt1 )] .
(4.8)
В (4.8) выражение в квадратных скобках представляет собой
эквивалентное время включения двух трансформаторов в режиме
использования Б:
Τ вкл ( Б ) = 0,5 Δt1 + 4380 = 5380 ч/год.
При этом
ΔЭТ'' ( Б ) = 2 ΔΡ Χ Т вкл ( Б ) , тыс. кВт·ч/год.
Потери мощности в обмотках трансформаторов при наибольшей нагрузке
''
ΔΡТнб
= ΔΡ Μ 1 кВт,
а при наименьшей нагрузке
'
.
ΔΡΜ 2 = α Ρ2 ΔΡΤнн
10
(4.9)
Удельные затраты на компенсацию потерь ( З э' ,З Э'' ) определяем по [5]
кривой 3 рисунка 6, по значениям τ ( АБ ) и Τ вкл ( А,Б ) . Значение З Э'' ( А ) при Τ вкл ( А ) = 8760
ч/год равно 2,85 уе (кВт·ч) а З Э ( Б'') при Τ вкл ( Б ) = 5380 ч/год – 2,9 уе/(кВт·ч).
Суммарные затраты на компенсацию потерь вычисляем по выражению
'
З потТ ( А,Б ) = З э' ( А,Б ) ΔΡTнн
τ (АА,Б + З Э ( А,Б ) 2 ΔΡ Χ Т вкл ( А,Б ) =
(4.10)
= З Э' ( А,Б ) ΔЭΤ' ( А,Б ) + З Э'' ( А,Б ) ΔЭΤ'' ( А,Б ) .
Результаты определения составляющих потерь электроэнергии и затрат
на них компенсацию следует свести в таблицу 4,
где
ΔЗ
∗ ΠΟΤТ
= [(З ΠΟΤТ ( А ) − З ΠΟΤТ ( Б ) )/З ΠΟΤТ ( А ) ]100.
(4.11)
Таблица 4 - Результаты расчета потерь электроэнергии и затрат на их
компенсацию
αΡ
0,3
0,4
0,5
0.6
Вар
иант
А
Б
А
Б
А
Б
А
Б
τ,
ч/го
д
З',
∆ЭТ' ,
уе/
тыс.
(кВт·ч) кВт·ч/
год
∆ЭΤ' ,
тыс.
кВт·ч/
год
'
∆ЭΤΣ
,
тыс.
кВт·ч/
год
'
ЗΠΟΤ
Т,
уе/год
'
ЗΠΟΤ
Т,
уе/год
ЗΠΟΤТ ,
уе/год
∆З
∗ ΠΟΤТ
%
На рисунке 5 показаны зависимости суммарных потерь ЭЭ и их
составляющих от соотношения минимальной и максимальной нагрузок ( α P ).
Их анализ показывает, что при параллельной работе двух трансформаторов в
течение года (случай А) нагрузочные потери меньше, чем в случае Б
( ∆Э Т' (А ) < ∆Э Τ(Б ) ). Обратное соотношение характеризует потери ЭЭ в стали
трансформаторов ( ∆Э 'Т' (А ) > ∆Э 'Τ' (Б ) ). Эти обстоятельства имеют следствием то, что
зависимости суммарных потерь ЭЭ имеют точку пересечения при значении
α Ρ = α Ρгр . При α Ρ < α Ρгр ∆Э ΤΣ (Б ) < ∆Э ΤΣ (А ) , и наоборот.
Аналогичный характер имеют зависимости суммарных затрат на
компенсацию потерь и их составляющих, показанные на рисунке 6. Вместе с
тем значение α Ρãð , соответствующее точке пересечения зависимостей ЗΠΟΤТ ( А ) и
11
ЗΠΟΤТ ( Б ) от α Ρ , несколько отличается от определенного по рисунку 2 10.3, что
объясняется различием значений удельных затрат З Э и З Э для случаев А и Б.
Рисунок 5 – Зависимость суммарных
годовых потерь электроэнергии в
трансформаторах подстанции от
соотношения их минимальной и
максимальной нагрузки
Рисунок 6 – Зависимость суммарных
приведенных затрат на компенсацию
потерь мощности и электроэнергии в
трансформаторах подстанции от
соотношения их минимальной и
максимальной нагрузки
В соответствии с критерием минимума приведенных затрат при α Ρ < α Ρгр
экономически целесообразно отключение одного трансформатора в режиме
минимальной нагрузки (ЗΠΟΤТ ( Б ) < ЗΠΟΤТ ( А ) ), а при α Ρ > α Ρгр , т.е. при более плотных
графиках нагрузки, выгоднее использовать вариант параллельной работы
трансформаторов в течение года.
5 Расчетно-графическая работа №3. Теоретические вопросы по курсу
«Эксплуатация электрических сетей и систем»
5.1 Задания к расчетно-графической работе №3
Расчетно-графическая работа №3 включает в себе два теоретических
вопроса. Согласно таблице 5 принимается вариант, который устанавливается с
учетом учебного года изучения данной дисциплины и первой букве фамилии.
Варианты теоретических вопросов приведены ниже.
12
Таблица 5 –Варианты выполнения расчетно-графической работы №3
Учебный
Первая буква фамилии
год
А,Д В,Г,Я Б,Е,Э Ж,З,Л К,И, М,Р,Н П,Т,Ш О,Р, С,Ч,Ф Х,Ц,
Ю
У
Щ
четный
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
нечетный 5
4
7
8
9
10
1
3
2
6
Вариант 1
1. Нагрузки электроэнергетической системы. Прогнозирование нагрузок.
Управление нагрузками.
2. Эксплуатация электрических систем. Лавина асинхроных режимов.
Вариант 2
1. Эксплуатация силовых трансформаторов.
2. Управление режимом напряжения распределительной сети.
Вариант 3
1. Оперативная подготовка ремонтных работ и организация ремонта
распределительной сети.
2. Расход энергии на передачу.
Вариант 4
1. Роль человеческого фактора в эксплуатации.
2. Эксплуатация электрических систем. Лавина напряжения.
Вариант 5
1. Эксплуатация распределительных устройств.
2. Эксплуатация распределительных сетей. Управление компенсацией
нейтрали в нормальном режиме.
Вариант 6
1. Эксплуатация электрических систем. Лавина перегрузки и отключений
линий электропередачи.
2. Эксплуатация генераторов.
Вариант 7
13
1. Эксплуатация электростанций. Надежность электроснабжения
собственных нужд.
2. Эксплуатация электрических систем. Лавина частоты.
Вариант 8
1. Эксплуатация электрических систем. Ликвидация лавинных аварийных
процессов.
2. Эксплуатация распределительных сетей. Управление компенсацией
нейтрали в нормальном режиме.
Вариант 9
1. Эксплуатация распределительных сетей. Нессиметрия параметров
напряжения распределительной электрической сети.
2. Ремонт элементов электрической системы.
Вариант 10
1. Надежность работы распределительных сетей.
2. Эксплуатация электрических систем. Структура управления
энергосистемами.
14
Список литературы
1 Баркан Я.Д. Эксплуатация электрических систем: Учебное пособие.- М.:
Высшая школа, 1990.-302 с.
2
Ерошенко Г.П., Коломиец А.П., Кондратьева Н.П. Эксплуатация
электрооборудования: Учебное пособие.- М.: КолосС, 2005, -344 с.
3 Электрические системы и сети в примерах и иллюстрациях / Под ред. В.А.
Строева.-М.: Высшая школа, 1999.-352 с.
4 Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учебное
пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1984.-448 с.
5 Электротехнический справочник. / Под ред. Герасимова В.Г. 9-изд. Т3, МЭИ, 2004 – 967с.
15
Содержание
Введение
1 Цель и задачи расчетно-графических работ
2 Объем и содержание расчетно-графических работ
3Расчетно-графическая работа №1. Определение
напряженности электрического поля
3.1 Задание к расчетно-графической работе №1
3.2 Методические указания к выполнению работы
4 Расчетно-графическая работа №2. Определение
потерь электроэнергии на трансформаторной подстанции
4.1 Задание к расчетно-графической работе №2
4.2 Методические указания к выполнению работы
5 Расчетно-графическая работа №3. Теоретические вопросы
по курсу «Эксплуатация электрических сетей и систем»
5.1 Задания к расчетно-графической работе №3
Список литературы
16
3
3
3
4
4
4
7
7
8
12
12
15
Сводный план 2012 г., поз 7
Сергей Евгеньевич Соколов
Елена Григорьевна Михалкова
Наталья Алексеевна Генбач
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И СИСТЕМ
Методические указания и задания
к расчетно-графическим работам
(магистрантов профильной магистратуры специальности 6М071800 Электроэнергетика)
Редактор
Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации
Н.К. Молдабекова
Подписано в печать «___»______2012г.
Тираж 50 экз.
Объем 1,1 уч.-изд.л.
Формат 60х84 1/16
Бумага типографская №1
Заказ
. Цена 110 тенге
Копировально-множительное бюро
НАО Алматинского института энергетики и связи
050013, Алматы, Байтурсынова, 126
17
НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электрических станций, сетей и систем
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической
работе
_________________С.В. Коньшин
«_____»__________2013г.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И СИСТЕМ
Конспект лекций
для магистрантов профильной магистратуры специальности
6М071800 –«Электроэнергетика»
СОГЛАСОВАНО
Начальник УМО
_________М.А.Мустафин
«____»__________2013г.
Рассмотрено и одобрено на
заседании кафедры «ЭССиС»
Протокол №_ от « »
2012г.
Зав.кафедрой «ЭССиС», д.т.н., проф
__________Соколов С.Е.
Председатель УМС ОУМС
________________М.В. Башкиров
«_____»__________2013г
Редактор
_______Л.Т.Сластихина
«_____»__________2013г.
Составители:
Профессор _____________ С.Е. Соколов
Доцент_________________Е. .Г Михалкова
Доцент ________________Н.А. Генбач
Специалист по стандартизации
_________Н.К. Молдабекова
«____»__________2013г.
Алматы 2013
18