Розрахунок електромагнітних перехідних процесів у системах електропостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра «ЕССЕ»

КУРСОВА РОБОТА

Тема: «Розрахунок електромагнітних перехідних процесів у системах електропостачання»

Пояснювальна записка до курсової роботи по дисципліні

«Перехідні процеси в системах електропостачання»

Виконав

студент гр. ЕСЕф-12 О.В.Юрченко

Перевірив Г.О. Шеїна

Нормоконтролер Г.О. Шеїна

Красноармійськ 2015



Реферат

Пояснювальна записка: сторінок 38, таблиць 6, рисунків 17, посилань 4, додаток 1.

Мета роботи: розрахувати електромагнітні перехідні процеси.

Об'єкт дослідження: система електропостачання.

Метод дослідження: метод наближеного приведення у відносних одиницях.

У курсовому проекті розраховано симетричне коротке замикання у точці К1, двофазне на землю в точці К2, трифазне замикання на шинах 0,4кВ. Також були визначені струми замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю.

Після розрахунків були отримані наступні значення струмів:

- струм трифазного КЗ в початковий момент часу дорівнює 22,45кА.

- ударний струм 58,75 кА;

- струм двофазного КЗ на землю склав 5,52 кА;

- струми КЗ в мережі 0,4 кВ: у початковий момент часу - кА,

- ударний струм - 20,43 кА.

Також побудовані векторні діаграми струмів та напруг в місці КЗ та на низькій стороні трансформатора при несиметричному КЗ.

Електрична мережа, ємнісний струм, перетин кабелів, двигун, трансформатор, несиметричне кз, реактор, система, електропостачання, ударний струм, напруга, генератор, віддаленість, аперіодична складова, шинопровід, перехідний опір.



Зміст

Перелік умовних позначень і скорочень

Вступ

1. Вибір основного електротехнічного обладнання схеми системи електропостачання

2. Розрахунок симетричних режимів коротких замикань

2.1 Складання схеми заміщення і розрахунок параметрів її елементів

2.2 Перетворення схеми заміщення до найпростішого виду відносно

місця пошкодження

2.3 Визначення початкового значення періодичної складової струму

КЗ від джерел

2.4 Визначення періодичної і аперіодичної складових струму КЗ у заданий момент часу

2.5 Визначення ударного струму короткого замикання

3. Розрахунок несиметричних коротких замикань

3.1 Складання і перетворення до найпростішого виду схем заміщення

окремих послідовностей

3.2 Визначення початкових значень симетричних складових струмів

і напруг при несиметричному КЗ

3.3 Побудова векторних діаграм струмів і напруг

4. Визначення струму замикання на землю в мережі з ізольованою

нейтраллю

5. Розрахунок струму при трифазному КЗ на шинах 0,4 кВ

Висновки

Перелік посилань

Додаток А. Перелік зауважень



Перелік умовних позначень і скорочень

КЗ - коротке замикання

СЕП - система електропостачання ПП - пряма послідовність

ЗП - зворотня послідовність

НП - нульова послідовність

ЕРС - електрорушійна сила

в.о. - відносні одиниці

і.о. - іменовані одниниці

ВД - векторна діаграма

НН - сторона нижчої напруги трансформатора

ВН - сторона вищої напруги трансформатора

M - асинхронний двигун

MG - синхронний двигун

GS - система

G - генератор

Вступ

струм електропостачання напруга

Споруда і експлуатація системи електропостачання (СЕП) пов'язані із значними витратами матеріальних ресурсів. Тому велике значення має підвищення надійності і економічності СЕП в різних режимах і умовах їх експлуатації, до яких відносяться перш за все аварійні і післяаварійні режими, пов'язані з перехідними процесами і змінами показників якості електричної енергії у споживачів.

Дослідження та розрахунок перехідних процесів є одним з необхідних умов розв'язання багатьох задач, що з'являються при проектуванні та експлуатації СЕП. Ці задачі пов'язані з дослідженням електромагнітних перехідних процесів, вибором принципу дії та настроювання автоматичних пристроїв проти аварійного керування, аналізом механічних перехідних процесів з метою визначення умов стійкості електричного навантаження систем та розробки заходів для забезпечення безперервної роботи промислових підприємств в різних режимах систем електропостачання.

За дослідженнями та розрахунками перехідних процесів слід проектувати такі системи, в яких перехідні процеси закінчувалися б злагодженим потрібним стійким режимом. При цьому перехідні процеси мають розглядатися з боку надійності всієї системи та її поведінка при зміні умов роботи.

Застосування обчислювальної техніки при дослідженнях і розрахунку перехідних процесів дозволяє підвищити точність схемних рішень і електричних характеристик СЕП, завдяки чому можуть досягатися вищі надійність і економічність. У зв'язку із збільшенням потужностей окремих навантажень, вузлових пунктів навантажень і СЕП в цілому багато уваги надається аналізу і розробці методів дослідження перехідних процесів в СЕП, направлених на підвищення їх стійкості.



1. Вибір основного електротехнічного обладнання схеми системи електропостачання

1.1 Вихідні дані до курсової роботи

На рисунку 1.1 наведена розрахункова схема електричної системи.

Рисунок 1.1 - Розрахункова схема електричної системи

Відповідно до завдання на курсову роботу обираємо параметри електричного обладнання системи. Отримані дані зводимо в таблиці 1.1 - 1.6.

Таблиця 1.1 - Параметри генераторів

Позначення	Тип генератора	Рном, МВт	Sном, МВА	Uном, кВ	сosцном	X”d, в.о	X2, в.о
G1,G2	ТГВ-300-2УЗ	300	353	20	0,85	0,238	0,195

Таблиця 1.2 - Параметри трансформаторів

Позначення	Тип трансформатора	Sном, МВА	UВном, кВ	UНном, кВ	Uк, %
Т1,Т2	ТДЦ- 400000/110	400	121	20	10,5
Т3,Т4	ТРДН- 10000/110	40	115	6,3	10,5
Т5	ТМН 1035	1	35	0,4	6,5

Таблиця 1.3 - Параметри двигунів

Позначення	Кіль-кість	Тип двигуна	Рном, кВт	Uном, кВ	сosцн	з , %	Iпуск, в.о.
M	2	ДАЗО2-17-79-6У1	1250	6	0,91	93	6,8
MG	4	СДН 15-64-10УЗ	1600	6	0,9	95,7	6,5

Таблиця 1.4 - Параметри енергосистеми і вимикача

Позначення	Тип	Sкз,МВА	Іном,А
QF	-	-	2500
GS	-	5500	-

Таблиця 1.5 - Параметри повітряних ЛЕП

Позначення	L ,км	X0/X1
WL1	70	4.7
WL2	45	3.0

Таблиця 1.6 - Параметри кабельних ліній

Позначення	L, км	X0, Ом/км	F,	R0,Ом/км
KL1	0,8	0,076	120	0,258
KL2	0,9	0,074	150	0,206
KL3	7,1	0,076	120	0,258
KL4	8,0	0,074	150	0,206

Номінальний струм автоматичного вимикача QF I_{ном_QF}=2500 А, потужність системи GS при КЗ S_{к_GS}=5500 МВ·А.



2. Розрахунок симетричних режимів коротких замикань

2.1 Складання схеми заміщення і розрахунок параметрів її елементів

Усі джерела живлення вводяться у схему заміщення надперехідними значеннями ЕРС і опорів. У розрахунковій схемі враховують електродвигуни як джерело підживлення точок КЗ. У схему заміщення включаються лише ті елементи, по яких протікає струм КЗ. Активними опорами кабельних ліній можна знехтувати, тому що їх індуктивний опір набагато більший за активний.

Рисунок 2.1 - Загальна схема заміщення електричної системи

Згідно з завданням, враховуючи точку та вид короткого замикання, складемо розрахункову схему заміщення електричної системи для К(3) у точці “К1”. Для цього вилучаємо зі схеми опір трансформатору Т5 та всі елементи секцій 2 і 4, що живляться від нього, бо місце КЗ підживлюється через подвійну трансформацію, також вилучаємо опори однієї з обмоток низької напруги трансформатора Т3 і елементи, що живляться від неї, так як вони також проходять подвійну трансформацію. Вимикачі QB1, QB2 у нормальному режимі вимкнені.

Рисунок 2.2 - Розрахункова схема заміщення при К(3) у точці “К1”

Розрахунок виконуємо у відносних одиницях за методикою наближеного приведення. Приймаємо величину базисної потужності Sб=100 МВ·А.

Приймемо за основну ступінь трансформації:

U3б =6,3 кВ;



Розрахуємо базисні струми на інших ступенях трансформації:

U_1б =115 кВ;

U2б =15,75 кВ;

Розрахуємо параметри елементів схеми заміщення:

- Енергосистема.

ЕРС енергосистеми приймається:

Е_gs1 =1,05 в.о.

Опір енергосистеми:

- Генератори G1, G2.

Надперехідна ЕРС синхронних генераторів:

де U₀ , I₀ - напруга на виводах машини і струм статора в попередньому режимі (нормальному);

?₀ - кут зсуву фаз між струмом і напругою в попередньому режимі;

x_d^?- надперехідний опір машини при номінальних умовах.

До виникнення КЗ генератори працювали у режимі номінального навантаження, тобто: U₀=1 в.о., I₀=1 в.о., cos ?₀ = cos ?_НОМ = 0,85.

Оскільки обидва генератори однакові, то: E2 = E1 =1,112 в.о

Опори генераторів:

Аналогічно:

- Асинхронні двигуни:

Опір асинхронних двигунів

Надперехідна ЕРС асинхронного двигуна визначається за формулою:

- Синхронні двигуни

Опір синхронних двигунів:

Надперехідна ЕРС синхронного двигуна визначається за формулою:

- Опори трансформаторів Т1, Т2:

- Опори трансформатора Т3:

- Опори повітряних двоцепних ЛЕП:

- Опори кабельних ліній:



Розрахувавши параметри елементів схеми заміщення, занесемо до неї їх значення (рис. 2.3):

Рисунок 2.3 - Схема заміщення та її параметри

Виконаємо поетапне спрощення схеми заміщення до багатопроменевої зірки.

2.2 Перетворення схеми заміщення до найпростішого виду відносно місця пошкодження

І етап спрощення схеми заміщення.

Опори x_7, x₈ та x₉, x₃ та x₅, x₄ та x₆ , x₁₁ та x_12, x₁₃ та x_{14 ,} , що з'єднані між собою послідовно, замінимо одним:

Отримана спрощена схема заміщення приведена на рис. 2.4

Рисунок 2.4 -1 етап спрощення схеми заміщення

Остаточна розрахункова схема заміщення приведена на рис. 2.5.

Рисунок 2.5 - II етап спрощення схеми заміщення

2.3 Визначення початкового значення періодичної складової струму КЗ від джерел

Знаходимо значення струмів КЗ у гілках багатопроменевої зірки (рис. 1.6) у відносних одиницях.

Струм КЗ від гілки з асинхронними двигунами:



Струм КЗ від гілки з синхронними двигунами:

Струм КЗ від генераторів та мережі:

Загальний струм в місці КЗ визначається за першим законом Кірхгофа:

Розгортаючи схему заміщення до початкового виду, знаходимо складові струму від усіх джерел у відносних та іменованих одиницях відповідно:

Потенціал у точці U_N (рис. 2.4):

Струми вiд джерел:



Сумарний струм у місці КЗ знаходимо як суму струмів джерел:

Визначимо величину цього струму в іменованих одиницях:

2.4 Визначення періодичної і аперіодичної складових струму КЗ у заданий момент часу

Розрахуємо значення струмів трифазного КЗ у момент часу t = 0,1 c . Визначення періодичного струму КЗ у довільний момент часу від електричних машин потужністю до 500 МВт включно проводиться із застосуванням методу типових кривих.

Віддаленість точки КЗ характеризується відношенням початкового періодичного струму КЗ до номінального, тому розрахуємо номінальні струми кожного з джерел, приведені до точки КЗ:

Розраховуємо віддаленість для двигунів та генераторів:



За величинами віддаленості та часу t=0,1 с за типовими кривими визначаємо величину гt для двигунів M та MG відповідно:

Для генераторів віддаленість складає менше 1, тому коротке замикання вважається віддаленим, і періодична складова струму КЗ приймаєтся незмінною за амплітудою:

періодична складова струму КЗ від енергосистеми теж не змінюється в часі:

Визначимо періодичну складову струму КЗ від двигунів M та MG:

За даними [2] і [4] запишемо постійні часу згасання аперіодичної складової струму КЗ для двигунів M та MG та генератора G (G1 та G2) відповідно:

Розрахуємо аперіодичні складові струму КЗ для моменту часу t=0,1 с:

2.5 Визначення ударного струму короткого замикання

Визначимо значення ударних струмів від кожного з джерел:

Загальний ударний струм в місці КЗ дорівнює:



3. Розрахунок несиметричних коротких замикань

3.1 Складання і перетворювання до найпростішого виду схем заміщення окремих послідовностей

Розрахунок несиметричних КЗ виконується за допомогою метода симетричних складових із використанням схем заміщення прямої (ПП), зворотної (ЗН) і нульової (НП) послідовностей.

Складаємо схему заміщення ПП (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Схема заміщення ПП

До схеми заміщення (рис. 3.1) входять всі секції шин 6,3 кВ, бо для точки К2 подвійна трансформація відсутня і враховуються усі споживачі секцій.

Перетворимо схему до більш простого виду (рис. 3.2) та визначимо її параметри:

Рисунок 3.2 - Спрощена схема заміщення ПП

Перетворимо схему заміщення до найпростішого виду:

Остаточна схема заміщення ПП має наступний вигляд (рис. 3.3):

Рисунок 3.3 - Схема заміщення ПП

Складемо схему заміщення ЗП (рисунок 3.4), що відрізняється від схеми ПП тим, що всі ЕРС джерел дорівнюють нулю, а генератори представляються своїми опорами зворотної послідовності.

Рисунок 3.4 - Схема заміщення ЗП

Приймаємо, що опір схеми ЗП приблизно дорівнює опору ПП:

Схема заміщення ЗП має наступний вигляд (рис. 3.5):

Рисунок 3.5 - Спрощена схема заміщення ЗП

Для складання схеми заміщення НП необхідно визначити шляхи циркуляції струмів НП в схемі мережі. Струми нульової послідовності повертаються до джерела через землю, тому вид схеми заміщення НП визначається кількістю та місцезнаходженням заземлених нейтралей, а також схемами з'єднання обмоток трансформаторів. У схему заміщення НП включаємо лише ті елементи, по яких будуть протікати струми НП (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 - Схема заміщення НП

Опір НП повітряних ліній х0 більше опору ПП х1 за рахунок впливу взаємоіндукції. Перерахуємо значення опорів повітряних ліній для схеми НП:

Опір енегосистеми для схеми заміщення НП визначають за наступною формулою:

Перетворимо схему заміщення НП до найпростішого виду (рис. 3.7):

Рисунок 3.7 - Спрощена схема заміщення НП

Визначимо сумарний опір схеми НП:

3.1 Визначення початкових значень симетричних складових струмів і напруг при несиметричному КЗ

Визначимо струми при несиметричному КЗ особливої фази для ПП, ЗП та НП відповідно:

Розрахуємо ті ж струми в іменованих одиницях, приведені до точки КЗ:

Напруги в місці КЗ для ПП, ЗП та НП відповідно:

Розрахуємо ті ж напруги в іменованих одиницях:

Визначимо повний струм пошкодженої фази:

де m - коефіцієнт, що залежить від виду несиметричного КЗ.

Розрахуємо напруги на нижчій стороні трансформатора.

Напруга нижчої сторони прямої послідовності:

Напруга нижчої сторони зворотної послідовності:

На шинах нижчої напруги струм від нульової послідовності не протікає.

3.3 Побудова векторних діаграм струмів і напруг

Векторні діаграми (ВД) струмів і напруг у місці КЗ і векторна діаграма напруг на стороні НН трансформатора із схемою з'єднання обмоток Y/Д-11 будуємо у масштабі в іменованих одиницях.

При побудові діаграми напруг на шинах низької напруги трансформаторів враховуємо зміну фаз напруг окремих послідовностей при переході через трансформатор.

Рисунок 3.8 - ВД струмів у місці КЗ

Рисунок 3.9 - ВД напруг у місці КЗ

Рисунок 3.10 - ВД напруг на стороні НН трансформатора

Визначення струму замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю

В електричних мережах напругою 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю струм замикання на землю в основному протікає через ємнісні опори неушкоджених фаз щодо землі. Ємнісні опори елементів електричної мережі значно перевищують їх індуктивні й активні опори, і останніми можна зневажати. Це дозволяє вважати, що струм замикання на землю не залежить від місця замикання.

Розрахуємо струми замикання на землю для усіх кабельних ліній:

З метою покращення гасіння дуги і запобігання розвитку однофазного замикання на землю в міжфазне КЗ у мережах 6-35 кВ встановлюються дугогасильні реактори, за допомогою яких компенсується основна гармоніка ємнісного замикання на землю.

В нашому розрахунку струми замикання на землю для усіх кабельних ліній виявилися менше 30 А, тому установка реактора не потрібна.



5. Розрахунок струму при трифазному кз на шинах 0,4 кв

Під час розрахунку струмів КЗ в електроустановках напругою до 1 кВ необхідно враховувати активні та індуктивні опори всіх елементів короткозамкненого ланцюга, у тому числі кабелів і шин довжиною 10 м і більше, струмових котушок автоматичних вимикачів, перехідних контактів.

У даному випадку розраховуємо трифазне КЗ на шинах 0,4 кВ. Споживачі цього класу напруги отримують живлення від шин 6 кВ через трансформатор Т₅ та шинопровід.

Рисунок 6.1 - Принципова схема і схема заміщення для розрахунку трифазного КЗ в мережі 0,4 кВ

Визначимо опір системи:



де - середня номінальна напруга мережі, підключеної до обмотки нижчої напруги трансформатора, В;

- середня номінальна напруга мережі енергосистеми, до якої підключена обмотка вищої напруги трансформатора, В;

- діюче значення періодичної складової струму трифазного КЗ на боці вищої напруги трансформатора, кА.

Розрахуємо параметри схеми заміщення. Активний та індуктивний опір трансформатора Т₅ дорівнюватимуть:

Знаходимо активний та індуктивний опір трансформатора:

Опір струмової котушки автомата х_QF та перехідний опір r_П беремо із [1]:

Тип шинопровода: ШМА73. Довжина шинопровода 10 м.

Знаходимо опори шинопровода:

Сумарні опори ланцюга КЗ:



Початкове діюче значення періодичної складової струму трифазного КЗ:

Кут між векторами напруги і періодичної складової струму КЗ:

Постійна часу згасання аперіодичної складової струму КЗ:

Час появи ударного струму:

Ударний струм:



Висновки

Для забезпечення надійної роботи енергосистеми та пошкодження обладнання при КЗ потрібно швидко вимикати пошкоджену ділянку та застосовувати правильно обрані апарати за умовами КЗ. Для виконання цього необхідно вміти визначити КЗ, що супроводжується перехідними процесами, при якому значення страму та напруги, характер їх зміни залежать від співвідношення потужності та опорів джерела живлення та мережі, у якій відбулося пошкодження.

У курсовому проекті розраховано коротке замикання у точці К1 симетричне та двофазне на землю у точці К2. Розрахував напруги при не симетричних КЗ, а також визначив сумарні струми пошкоджених фаз у точці К2. Визначив струм замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю та визначив, що не потрібно встановлювати реактор, тому що струм не перевищує допустимого значення 30 А. Розрахував ударний струм трифазного короткого замикання на шинах 0.4 кВ, який дорівнює 20,43 кА.



Перелік посилань

1. Переходные процессы в системах электроснабжения // В.Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.Н. Несен и др. - К.: Выща шк. Головное издательство, 1989.- 422 с.

2. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций. - М.: Энергия, 1986. - 640с.

3. Методичесие указания по выполнению курсовой работы. - Д.: ДонНТУ, 2006.-40с.

4. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.:Энергоатомиздат, 1987. -648с.



Додаток А

ПЕРЕЛІК ЗАУВАЖЕНЬ НОРМОКОНТРОЛЕРА

ДО КУРСОВОЇ РОБОТИ

Студента групи ЕСЕ-12 Юрченко О.В.

Позначення документа	Документ	Умовна оцінка	Зміст зауваження

Дата______________________Підпис_______________

Размещено на Allbest.ru

...