Методика работы на расчетной модели электрической системы при выполнении лабораторных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский энергетический институт (ТУ)

Кафедра Электроэнергетических систем

Методическое пособие

Лабораторные работы по курсу

"Передача и распределение электроэнергии"

Содержание

Предисловие

1. Описание элементов модели

1.1 Общая характеристика стенда

1.2 Генераторная станция

1.3 Трансформаторные элементы

1.4 Нагрузочные элементы

1.5 Линейные и емкостные элементы

1.6 Панель выводов линейных элементов

1.7 Коммутационная панель

1.8 Измерительные приборы ПРМ-2 и схема измерений

2. Методика работы на расчетной модели электрической системы при выполнении лабораторных работ

2.1 Составление расчетной схемы

2.2 Выбор масштабов

2.3 Пример составления расчетной схемы и определения параметров ее элементов

2.4 Набор расчетной схемы на модели

2.5 Техника безопасности при работе на лабораторном стенде

2.6 Контрольные вопросы

Предисловие

Расчеты режимов даже небольших электрических систем достаточно сложны, так как режим каждого из элементов системы - станции, подстанции, линии электропередачи или приемных систем электроснабжения - в той или иной степени зависит от режима работы других элементов. Достаточно удобным инструментом исследования режимов работы электрических систем являются расчетные модели переменного тока. На основе математического моделирования они позволяют исследовать установившиеся и переходные процессы в системах, наглядно представить структуру системы, варьировать начальные условия и значения параметров системы в процессе работы. Простота и наглядность представления режима системы, возможность внесения изменений в схему, простота измерений и фиксации результатов позволяют успешно использовать расчетные модели переменного тока в качестве универсальных стендов для проведения лабораторных работ по курсам:

Передача и распределение электроэнергии.

Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах.

Электроснабжение городов и промышленных предприятий.

Лабораторные работы составлены коллективом преподавателей кафедры "Электроэнергетические системы" и предназначены для дисциплины "Передача и распределение электрической энергии", которую изучают как одну из базовых на третьем курсе института электроэнергетики студенты всех специальностей.

При составлении лабораторных работ был использован многолетний опыт кафедры по выполнению подобных работ на универсальной модели электроэнергетической системы переменного тока (профессора Веников В.А., Глазунов А.А., Зуев Э.Н., Строев В.А., Федоров Д.А. идр.).

По сравнению с предыдущими изданиями содержание лабораторных работ и их описания были переработаны. В составлении настоящего сборника лабораторных работ приняли участие: ст. преподаватель Ильинская Л.И., проф. Надеждин С.В. и доц. Панкратова Е.А.

Продолжительность выполнения лабораторных работ - 4 часа. Домашняя подготовка - 2 часа.

1. Описание элементов модели

1.1 Общая характеристика стенда

Лабораторные стенды, имеющие в своей основе расчетные столы переменного тока, являются универсальными моделями электрической системы и потому содержат элементы, моделирующие: синхронные генераторы, воздушные и кабельные линии электропередач, нагрузку потребителей, силовые трансформаторы, батареи конденсаторов.

Указанные элементы соединяются между собой согласно схеме исследуемой системы. При этом в любой точке набранной схемы с помощью комплекта измерительных приборов можно измерить: ток, напряжение, активную и реактивную мощности.

Расчетная модель является статической моделью электрической системы. На ней анализируются установившиеся режимы электрической системы, определяются распределение потоков мощности и уровня напряжений в электрической сети, угол сдвига между векторами напряжений. переменный ток генераторный электрический

Номинальное напряжение для всех элементов расчетной модели равно 50В, максимально допустимый ток не должен превышать 0,3А, номинальная частота - 200 Гц.

На модели воспроизводится режим одной фазы исследуемой системы. Поэтому все нулевые точки генераторных станций, трансформаторных и нагрузочных элементов присоединены к общему для стенда нулевому проводу.

Погрешность расчета на модели, по отношению к аналитическому, не превышает 2,5%, если все параметры расчетной схемы и параметры режима не отличаются от базисных более чем в 5 раз. Это объясняется классом точности 0,5 измерительных приборов, установленных на модели.

Рассмотрим устройство и функциональное назначение элементов расчетной модели.

1.2 Генераторная станция

Генераторная станция моделирует синхронный генератор. На лицевую панель генераторной станции выведены: ручки грубого и плавного регулирования напряжения, фазы выходного напряжения генератора, ручка потенциометра, регулирующего величину выходного напряжения.

Номинальная мощность генераторной станции 20 ВА, номинальное выходное напряжение 50 В. Пределы изменения регулируемых параметров:

Xd = 0 - 999 Ом; Eq = 0 - 80 В; arg Eq = 0 - 360.

Настройка генераторной станции должна быть следующей:

Потенциометр в нулевом положении.

Регулирование напряжения Uг осуществляется потенциометром и сельсином С ("Фаза").

1.3 Трансформаторные элементы

Трансформаторные элементы предназначены для моделирования двух и трехобмоточных силовых трансформаторов в расчетных схемах электрических систем. В одном блоке помещается два трансформаторных элемента. Каждый из них содержит:

1. Автотрансформатор с отпайками, позволяющими изменять коэффициент трансформации на 15%, ступенями через 1,25%;

2. Индуктивное сопротивление, предназначенное для воспроизведения сопротивлений рассеяния обмоток моделируемого трансформатора.

Трансформаторные элементы воспроизводят Г-образную схему замещения силовых трансформаторов. Их входные автотрансформаторы служат для изменения коэффициентов трансформации и приближенно представляют ветвь намагничивания в схеме замещения трансформаторов.

Имеется два типа трансформаторных элементов для моделирования двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов. У последних на панели элемента имеется дополнительный ряд контактов над буквой С. Буквы В и Н имеются на всех трансформаторных элементах.

Сопротивление рассеяния трансформаторов моделируется трехдекадным магазином индуктивных сопротивлений. Для трехобмоточных трансформаторов сопротивления изменяются от 999 до 1 Ом (через 1 Ом), для двухобмоточных - от 99 до 0,1 Ом (через 0,1 Ом).

Регулирование коэффициента трансформации осуществляется при помощи штекеров, вставляемых в соответствующие гнезда левых трех (или двух) вертикальных рядов гнезд. Против каждого гнезда указано соответствующее изменение коэффициента трансформации в процентах. Для обмоток В и С обозначения изменения коэффициента трансформации общие. Установка трех штекеров в положение 0 в каждом из вертикальных рядов соответствует коэффициенту трансформации, равному единице.

Включением штекеров в другие гнезда вертикальных рядов В и С можно получить независимое регулирование коэффициента трансформации в диапазоне 5% (если штекер в ряду Н стоит в нулевом гнезде). Дальнейшее увеличение диапазона регулирования может быть достигнуто за счет изменения места включения штекера в ряду Н. Наибольшее увеличение коэффициента трансформации (на +15%) достигается при установке штекера в ряду Н на -10%, а в ряду В или С на +5%.

Наибольшему снижению коэффициента трансформации (на -15%) соответствует установка штекера в ряду Н в положение +10%, в ряду В или С на -5%. Для включения трансформаторного элемента обязательно должен быть вставлен штекер в левое нижнее гнездо ряда Н, обозначенное .

Трансформаторные элементы в расчетных схемах используются, когда в процессе работы необходимо изменять коэффициенты трансформации.

1.4 Нагрузочные элементы

Нагрузочные элементы предназначены для моделирования режима работы потребителей электрических систем. Нагрузочные элементы состоят из трех активных и трех индуктивных сопротивлений с отпайками.

Изменение сопротивлений нагрузки осуществляется при помощи круговых контакторов с рукоятками, выведенными на лицевую панель. В середине панели имеется двухпозиционный переключатель, позволяющий соединять активные и реактивные сопротивления последовательно или параллельно.

Имеется два типа нагрузочных элементов с сопротивлениями, меняющимися в пределах 999 - 1 Ом и 9990 - 10 Ом.

Обычно, при установке режимов системы, режим нагрузки устанавливают не по значениям ее активных и реактивных сопротивлений, а по величине активной и реактивной мощности, потребляемой при заданном значении напряжения. Величину этого напряжения устанавливают на выходе источника бесконечной мощности, к которому присоединяют нагрузочный элемент. Далее, следя за показаниями приборов, постепенно уменьшают величину сопротивлений нагрузки до того момента, пока активная и реактивная мощности, потребляемые нагрузкой, не достигнут необходимых значений. При этом более удобным является параллельное соединение активного и реактивного сопротивлений нагрузки, так как в этом случае возможна независимая регулировка ее активной и реактивной мощности.

1.5 Линейные и емкостные элементы

Линейные элементы (ЛЭ) предназначены для моделирования линий электропередач. 60% линейных элементов соответствуют П-образной схеме замещения, а 40% - последовательно соединенному активному и индуктивному сопротивлениям. Активные и индуктивные сопротивления выполнены аналогично нагрузочным элементам и включены последовательно.

Для того, чтобы включить линейный элемент, необходимо в каждую колонку штекерного магазина вставить штекер. Если в какой-либо колонке штекер будет отсутствовать, то этот ЛЭ будет отключен.

Емкости, согласно П-образной схеме замещения, одним концом жестко присоединены к шинам на коммутационной панели. Чтобы включить соответствующую емкость, необходимо вставить штекер в гнезда двух рядов штекерных магазинов, расположенных на панели слева от соответствующих линейных сопротивлений. Каждый ряд соответствует одной поперечной ветви П-образной схемы замещения. Значения емкости в микрофарадах, активных и индуктивных сопротивлений в Омах, выгравированы на панелях.

Пределы регулирования емкости во всех линейных элементах, выполненных по П-образной схеме, одинаковы. Максимальная величина емкости каждого плеча П-образной схемы - 4,21 мкФ.

1.6 Панель выводов линейных элементов

На панели выводов линейных элементов выведены гнезда линейных и двух емкостных элементов, которые жестко не соединены с линейными элементами.

В верхней части панели линейных элементов расположены измерительные шнуры.

В нижней части - гнезда трансформаторных шин, связывающих между собой блоки модели. С помощью этих шин любой из элементов каждого блока может быть включен в любую точку другого блока.

1.7 Коммутационная панель

На коммутационной панели собираются расчетные схемы исследуемых электрических систем. На нее выведены гнезда от четырех генераторных станций, восьми нагрузочных элементов и двенадцати трансформаторных элементов. Помимо этого на коммутационной панели находятся соединительные шнуры с концевыми штекерами, служащие для сборки схемы. Для удобства набора схем соединительные шнуры соединены между собой по четыре и образуют электрический узел, изображенный на мнемонической схеме коммутационной панели в виде шин с соответствующим номером. Кроме этих шин на коммутационной панели условно изображены шины генераторных станций, трансформаторных и нагрузочных элементов. Помимо соединительных гнезд в цепи каждого элемента и каждого соединительного шнура имеются измерительные гнезда (большего диаметра), предназначенные только для включения измерительных штекеров. Ни в коем случае не допускается использование измерительных гнезд для сборки схем. Это может привести к выходу их из строя и обрывам цепи.

1.8 Измерительные приборы ПРМ-2 и схема измерений

На модели применены специальные электродинамические измерительные приборы с усилителями на транзисторах.

В каждом блоке модели установлено по одному комплекту приборов, состоящему из вольтметра, амперметра, ваттметра и варметра.

В одном корпусе заключены амперметр и ваттметр, в другом - вольтметр и варметр реактивной мощности.

Приборы имеют шкалу со световым отсчетом.

Погрешность измерительных приборов вместе с приборными усилителями составляет 0,5% от полного отклонения указателя.

Комплект приборов имеет пределы измерений:

- по напряжению: 10В; 25В; 50В; 100В.

по току: 0,02А; 0,05А; 0,1А; 0,2А; 0,5А; 1А.

При этом предел измерения по мощности определяется как произведение предельных значений тока и напряжения.

Схема включения измерительных приборов позволяет производить 4 вида измерений.

При измерении напряжения, тока и мощности переключатель выбора измеряемой величины устанавливается в положения "U, I, P, Q" соответственно. Для измерения этих величин достаточно вставить измерительный штекер в измерительное гнездо, в котором производится измерение. На приборе в этом случае будет показано напряжение между данной точкой и нулем модели и ток, протекающий по данной цепи.

Измерительное гнездо, куда вставляется измерительный штекер, состоит из втулки и пружинящей контактной пластины. В нормальном положении, когда не производится измерений, контактная пластина плотно прилегает к скобе, соединенной с втулкой гнезда, и в цепи протекает ток. Измерительный штекер имеет два контакта: наружную втулку и внутренний стержень, разделенные изолирующей прокладкой. К ним присоединены токовые цепи приборов. При включении штекера в измерительное гнездо контактная пластина отгибается и ток протекает через приборы от одного контакта измерительного штекера к другому. Цепь вольтметра и цепи напряжения ваттметра и варметра одним концом присоединены к нулевому проводу стенда, а другим - к одному из контактов измерительного штекера.

Таким образом, при включении штекера в измерительное гнездо, комплект приборов измеряет напряжение, ток, активную и реактивную мощности.

2. Методика работы на расчетной модели электрической системы при выполнении лабораторных работ

2.1 Составление расчетной схемы

Сначала составляется расчетная схема замещения исследуемой электрической системы. При этом параметры ее отдельных элементов: генераторов, трансформаторов, ЛЭП, нагрузок и т.д. приводятся к одной ступени напряжения, принятой за базисную.

Далее, принимая во внимание возможности модели, путем эквивалентирования и упрощений составляется расчетная схема.

Если рассматриваемая система относительно проста и может быть набрана на расчетном столе, то расчетная схема будет иметь конфигурацию схемы замещения системы.

2.2 Выбор масштабов

Масштабы моделирования - это коэффициенты, связывающие параметры системы и параметры режима в оригинале и в модели. Они выбираются предварительно, до набора расчетной схемы на стенде. При этом для повышения точности измерения желательно выбирать масштабы такими, чтобы токи в расчетной схеме, собранной на стенде, были бы возможно большими, но не превышали максимальных величин, допускаемых конструкцией элементов стенда.

Под масштабными коэффициентами m, или сокращенно масштабами, понимается отношение параметра оригинала к соответствующему параметру модели

mп = Пор./Пмод.

Оригиналом для моделирования в данном случае всегда является однофазная схема замещения трехфазной электрической системы. Масштабы моделирования для параметров U, I, Z и S могут быть определены следующим образом:

mU = Uор./3 Uмод.;

mI = Iор./ Iмод.;

mZ = Zор./ Zмод.;

mS = Sор./ 3Sмод..

В силу известных соотношений для оригинала:

Sор. = 3 Uор. Iор.;

Zор. = Uор./3 Iор. ;

и для модели:

Sмод. = Uмод. Iмод.;

Zмод. = Uмод./ Iмод.,

видно, что произвольно следует выбирать два из четырех упомянутых масштабов. Тогда остальные два масштаба вычисляются по формулам. Например:

1. Принимаются mU, mI.

Вычисляются

mS = mU mI ;

mZ = mU / mI .

2. Принимаются mU, mS.

Вычисляются

mI = mS / mU ;

mZ = mU / mI ;

mZ = mU2 / mS .

Указанные масштабы должны выбираться так, чтобы соответствующие параметры расчетной схемы не превышали максимальных величин, допускаемых конструкцией элементов стенда:

1. Величина ЭДС генераторной станции Едоп = 80 В;

2. Допустимый ток для любого элемента Iдоп. = 0,3 А;

3. Максимально допустимая мощность, выдаваемая генераторной станцией Рмакс.. = 20 - 25 Вт;

4. Номинальное напряжение расчетной модели Uмод.ном. = 50 В.

Для выбора масштаба тока исходят из наибольшего предполагаемого тока в анализируемой системе mI Iсистемы / Iмод.доп., кА/А или о.е./А .

Масштаб по напряжению должен учитывать максимально возможное напряжение в узлах схемы модели и оригинала. Обычно:

mU Uбаз.ор. / Uном.мод.., кВ/В или о.е./В,

где Uбаз.ор. - принятое расчетное базисное напряжение.

После выбора масштабных коэффициентов производится перерасчет параметров элементов расчетной схемы к параметрам модели

Пмод. = Пор./mп.

Результаты пересчета указываются на расчетной схеме.

2.3 Пример составления расчетной схемы и определения параметров ее элементов

В качестве примера рассмотрим электрическую систему, принципиальная схема которой показана на рис.1 (Лабораторная работа №1).

Рис.1. Принципиальная схема электрической системы.

Составляем схему замещения электрической системы (рис.2)

Рис.2. Схема замещения электрической системы

Исходные данные:

1. Напряжение на шинах высшего напряжения ЭС: U_эс = 230 кВ .

2. Параметры линии электропередачи:

U_ном. = 220 кВ; L = 210 км; n_ц = 2.

Марка провода - АС - 300/48; r₀ = 0,096 Ом/км; х₀ = 0,4 Ом/км;

b₀ = 2,7610-6 См/км.

3. Параметры понижающих трансформаторов: 2 ТРДЦН-160000/220;

S_ном. = 160 МВА; к_T = 230/11/11; u_к = 12%.

4. Параметры нагрузки: Р_н^нб = 220 МВт; cos_н = 0,85;

_н = Р_н^нм / Р_н^нб = 0,4.

5. Масштабные коэффициенты (масштабы): m_U = 4кВ ор./В мод.;

m_Z = 0,16 Ом ор./Ом мод.

Расчет параметров схемы замещения электрической системы:

Сопротивление рассеяния обмоток трансформаторов:

Ом.

Активными потерями в трансформаторах и потерями на корону в линии пренебрегаем.

Параметры схемы замещения линии:

Ом.

См.

;

мкФ,

где f = 200 Гц - номинальная частота расчетной модели.

Расчет параметров элементов модели согласно заданным масштабным коэффициентам m_U и m_Z :

х_Тмод. = Ом.

z_Лмод. = Ом.

с_Лмод. = с_Л m_Z = 0,46 0,16 = 0,0736 мкФ.

В послеаварийном режиме, при отключении одной цепи линии, ее параметры становятся равными:

z_Лмод. = 2(63 + j262,5) = 126 + j525 Ом;

с_Лмод. = 0,0736 / 2 = 0,0368 мкФ.

Напряжение на шинах высшего напряжения электростанции:

U_ЭСмод. = U_ЭС /m_U = 230 / 4 = 57,5 В

Напряжение в узле нагрузки, приведенное к ступени 220 кВ:

U_нагр.²²⁰ = U_нагр. к_T = 10 230/11 = 209,1 кВ

U_{нагр.мод.} = U_нагр./ m_U = 209,1/4 = 52,3 В

Расчет масштабного коэффициента по мощности:

МВА ор./ВА мод.

Тогда мощность нагрузки в режиме наибольших нагрузок и послеаварийном режиме на модели равна:

Р_{нагр.мод}^нб = Р^нб_нагр. / m_S = 220 / 100 = 2,2 Вт;

Q_{нагр.мод}^нб = Р_{нагр.мод}^нб tg_н = 1,36 вар.

В режиме наименьших нагрузок:

Р_{нагр.мод}^нм = 0,4 Р_{нагр.мод}^нб = 0,88 Вт;

Q_{нагр.мод}^нм = 0,54 вар.

Далее составляется расчетная схема (блок-схема) для набора на универсальной модели (рис.3).

Рис.3. Блок-схема для набора на модели.

На блок-схему наносятся обозначения выбранных элементов, числовые значения (модельные) сопротивлений и емкостей и номера шин, на которых элементы соединяются друг с другом.

Примечания:

Трансформатор моделируется линейным элементом Л 13, не содержащим емкостей.

Сопротивления Rн и Хн, которыми моделируется нагрузка, должны быть соединены параллельно, а их значения записываются после установки режима нагрузки по величине ее активной и реактивной мощности.

Для исследования режима наименьших нагрузок корректируются параметры нагрузки (Н 12); для исследования послеаварийного режима корректируются параметры линии (Л 24). Возможно, также, при экспериментах использование 2-х нагрузочных элементов и 2-х линейных элементов, последовательно включая и выключая их в соответствии с режимом.

2.4 Набор расчетной схемы на модели

До набора расчетной схемы на сетевых элементах, занятых в схеме, устанавливаются заданные величины активных и индуктивных сопротивлений, емкостей и коэффициентов трансформации.

На нагрузочных элементах устанавливаются активные и индуктивные сопротивления, соответствующие заданным активным и реактивным мощностям.

Выключатели (тумблеры) питания генераторных станций должны находиться в положении "откл.". В положении "откл." ставится также тумблер питания приборов ПРМ-2.

В соответствии со схемой набора, с помощью соединительных шнуров и вилок коммутационной панели, выполняют соединения между всеми сетевыми элементами, нагрузками и генераторными станциями, участвующими в схеме. Все соединения выполняют на коммутационной панели и панели выводов линейных элементов.

Проверяются установленные на сетевых элементах, нагрузках и генераторных станциях величины, а также выполненные между ними соединения.

После проверки установленных величин и схемы модели, на наборное поле и в гнезда устанавливаются блокирующие соединительные крышки, выполненные из оргстекла.

После этого включается питание модели.

2.5 Техника безопасности при работе на лабораторном стенде

Для того, чтобы избежать несчастных случаев при проведении расчетов, необходимо строго придерживаться правил техники безопасности.

Сборку схемы следует производить при отключенном питании модели.

При частичном изменении схемы во время расчетов, производить переключение коммутационных шнуров необходимо при полном отключении питания всей модели.

Следует помнить, что:

а) в некоторых цепях питания модели имеется напряжение до 500 В (анодные цепи);

б) корпус модели, наличники приборов, винты, крепления лицевых плат и т.д. заземлены;

При включенном питании модели задние двери должны быть закрыты. Допуск внутрь блоков модели и к блокам питания студентам, производящим расчеты, запрещен.

Расчетная модель переменного тока снабжена дополнительно электромеханической блокировкой с целью избежания попадания под напряжение. Все открытые соединительные штекеры на коммутационном столе закрываются блокирующими соединительными крышками, выполненными из оргстекла. Без установки их в специально предназначенные гнезда, в схему не может быть подано напряжение даже при включенном стенде.

2.6 Контрольные вопросы

Каково назначение данной модели электрических систем? Какие режимы системы можно на ней анализировать?

Назовите основные элементы модели и их назначение.

Каковы номинальные значения U, I и f питания модели?

Каково номинальное напряжение и максимально допустимый ток элементов модели?

Как устанавливается режим генераторной станции по заданным параметрам Uго, Pго, Qго?

Как настроить генераторную станцию для работы в режиме системы бесконечной мощности (Uc = const)?

Как настроить генераторную станцию для работы в режиме системы конечной мощности (Ес = const, хс 0)?

Пояснить устройство трансформаторных элементов: двухобмоточных и трехобмоточных. Каковы моделируемые схемы замещения силовых трансформаторов?

В каких пределах и каким образом изменяется коэффициент трансформации в трансформаторных элементах?

Как установить необходимые величины R и Х нагрузочного элемента, исходя из активной и реактивной мощности нагрузки?

Какова схема замещения линии, моделируемая линейными элементами?

Какие режимные параметры позволяет измерить комплект измерительных приборов стенда?

Из каких предпосылок выбираются масштабы моделирования?

Пояснить порядок набора расчетной схемы, включения питания модели и производства изменений в набранной схеме в процессе счета, обеспечивающий безопасность работы.

Размещено на Allbest.ru

...