Электроэнергетическая система

 
 
 

1. Введение.

 

Электроэнергетическая система представляет собой совокупность электро-

станций, электрических  и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных

процессом производства, передачи и распределения электроэнергии.

    В  России имеется около ста районных электроэнергетических систем каждая

из которых  обеспечивает централизованное электроснабжение потребителей

на территории, охватываемой подчиненными ей электрическими сетями.

Энергосистема обслуживает обычно территорию одной  области, края, а иногда

двух или трех областей.

   Районная  энергосистема представляет собой  производственное объединение

нескольких разнородных  энергетических предприятий: электростанции, пред-

приятий по эксплуатации электрических сетей, ремонтных  баз, проектно – конст-

рукторских организаций, подстанций.

    Граница  между электроэнергетической системой  и потребителем – условная 

проводится на договорной основе в специальных  пунктах раздела электрических

сетей, поэтому  в ее состав могут входить сети самых низких номинальных напряжений.

    Структура  и характеристика потребителей  определяют условия построения 

схемы их электроснабжения, а в ряде случаев могут предъявляться  специфичес – 

кие требования и существенно влиять на режимы работы системы в целом. Так,

для особо ответственных потребителей может появится необходимость сооруже – ния небольших электростанций для обеспечения надежности электроснаб –

жения.

    В  силу одновременности процессов  производства и потребления электроэнер  – 

гии в энергосистеме  для каждого момента времени должно иметь место соответствие между расходной частью баланса мощности, к которой относится мощность нагрузок с учетом потерь в сетях и собственных нужд электростанций, и его приходной частью, к которой относится располагаемая мощность электростанций.

    В  условиях эксплуатации баланс  мощности составляется на каждый  час суток

(диспетчерский  график нагрузки), и на каждый  месяц следующего квартала.

    При  проектировании электрической сети  баланс мощности составляется  для

определения суммарного необходимого ввода мощности на электростанциях

и обмена потоками мощностей с энергосистемой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

1. Исходные  данные по проекту.

 

 По заданным P_max и cosφ определяем Q_max и S_max по формулам :

φ (1)

                                                                                                               (2) 

Таблица. 1 – Исходные данные.

 
 

2. Предварительный расчет эл сети. 

2.1. Расчет  баланса активной и реактивной  мощности в сети. 

2.1.1 Расчет  баланса активной мощности сети. 

    Расчет  баланса активной мощности электрической сети рассчитываем по

формуле: 

  Р_сист = Р_нагр +ΔР_сети + ΔР_сн                                                                                                                             (3)

где  Р_сист- активная мощность системы, требуемая для работы проектируемой сети;

       Р_нагр- суммарная мощность потребителей;

       ΔР_сети- суммарные потери активной мощности в элементах сети;

       ΔР_сн- расход активной мощности на собственные нужды электростанции.

Р_нагр= Р₁+Р₂+Р₃+Р₄+Р₅=125 мВт 

ΔР_сети= ΔР_лэп+ ΔР_тр

где ΔР_лэп- потери активной мощности в линиях;

      ΔР_тр – потери активной мощности в трансформаторах.

Принимаем :

      ΔР_сети=0,05* Р_нагр=0,05*125=6,25 мВт

      ΔР_сн=0,04* Р_нагр=0,04*125=5 мВт

Тогда требуемая  мощность системы равна:

  Р_сист=125+6,25+5=136,25 мВт 
 
 
 
 

2.1.2 Баланс  реактивной мощности в сети. 
 

    Расчет  баланса реактивной мощности  электрической сети рассчитываем  по 

формуле:

   Q_сист = Q_нагр +ΔQ_сети + ΔQ_сн (4)

где  Q_сист- реактивная мощность системы, требуемая для работы проектируемой    сети;

       Q_нагр- суммарная реактивная мощность потребителей;

       ΔQ_сети- суммарные потери реактивной мощности в элементах сети;

       ΔQ_сн- расход реактивной мощности на собственные нужды электростанции.

   Q_ист= Q_сист+ Q_ку

или     Q_сист+ Q_ку= Q_нагр+ ΔQ_сети +ΔQ_сн

где    Q_ку – реактивная мощность компенсирующих устройств;

          Q_сист – реактивная мощность системы, необходимая для работы всей проектируемой электрической сети;

   Q_сист=  Р_сист* tgφ_сист

   cosφ_сист= 0.906

   tgφ_сист= 0.467

Тогда получаем     Q_сист=136,25*0,467=63,63 мвар

  Q_ку=   Q_нагр+ΔQ_сети+ΔQ_сн-ΔQ_сист

Принимаем  ΔQ_сн=0,04*S_нагр=0,04*141,8=5,672 мвар

где   S_нагр- суммарная мощность нагрузки проектируемой сети.

   ΔQ_сети= ΔQ_тр

где  ΔQ_тр=0,1* S_нагр=0,1*141,8=14,18 мвар

    Полученные  значения подставляем в исходную формулу и получаем мощность

Q_ку;

Q_ку=66,605+14,18+5,672-63,63=22,827 мвар

          Распределяем компенсирующие устройства по подстанциям из условия:

 cosφ₁= cosφ₂= cosφ₃= cosφ₄= cosφ₅

 tgφ_сети=(   Q_нагр- Q_ку)/ Р_нагр=(66,605-22,827)/125=0,35

       При этом потери мощности компенсирующих устройств каждой подстанции будут равны:

 Q_ку= Р_и(tgφ_и- tgφ_сети)                                                                                        (5)

где    Р_и; tgφ_и , активная мощность и тангенс угла каждой подстанции.

 Q_ку1=10(0,54-0,35) = 1,9 мвар

 Q_ку2=20(0,455-0,35) = 2,1 мвар

 Q_ку3=30(0,567-0,35) = 6,51 мвар

 Q_ку4=40(0,593-0,35) = 9,72 мвар

 Q_ку5=25(0,455-0,35) = 2,625 мвар

    Реактивная  мощность потребителей каждой подстанции будет равна:

Q_i= Q_iз- Q_куi

tgφ_i= Q_i/ Р_i 
 
 
 
 
 

 Q₁=5,4-1,9=3,5 мвар

 Q₂=9,1-2,1=7 мвар

 Q₃=17,01-6,51=10,5 мвар

 Q₄=23,72-9,72=14 мвар

 Q₅=11,375-2,625=8,725 мвар

 tgφ₁=3,5/10=0,35          cosφ=0,944

 tgφ₂=7/20=0,35             cosφ=0,944

 tgφ₃=10,5/30=0,35        cosφ=0,944

 tgφ₄=14/40=0,35           cosφ=0,944

 tgφ₅=8,725/25=0,35      cosφ=0,944 

  Результаты расчета баланса активной и реактивной мощности заносим в таблицу. 

Таблица 2 – Баланс мощностей.

 
 

2.2 Выбор  конструкции сети, материалов проводов  и

номинального  напряжения. 

2.2.1 Выбор  конструкции сети. 
 

    Для электроснабжения заданного района принимаем воздушные линии электро-

передач с унифицированными опорами. Провода-голые, сталеалюминевые  АС.

    Для электроснабжения потребителей первой категории применяем двухцепные

ЛЭП, а для  второй категории – одноцепные. В замкнутых системах сети все

линии выполняются  одноцепными. 

2.2.2 Составление  схем вариантов проектируемой  сети. 

    По  заданному расположению источника  питания и потребителей электроэнер-

гии составляем схемы электрической сети. Находим расстояние между районной 
 
 
 
 
 

электрической станцией РЭС и подстанциями, и  между подстанциями. 

      Расстояния между РЭС и всеми  подстанциями.

   L₀₁=68 км

   L₀₂=88 км

   L₀₃=50 км

   L₀₄=60 км

   L₀₅=35 км 

 Рис.1 Радиальная схема.

   Расстояния  между РЭС и подстанциями 3, 4, и  между подстанциями 3-4, 4-5,5-1

1-2, 2-3.

                                                                                         L₁₂=37 км                                                                         .                                                                                      L₂₃=47 км

  L₃₄=98 км

  L₄₅=57 км

  L₅₁=90 км   

  L₀₃=50 км

  L₀₄=60 км 
 
 
 

 Рис.2 магистральная схема.

  Расстояния между РЭС и подстанциями 2, 3, 4, 5 и между подстанциями 5-1, 1-2.  

 

  L₀₅=35 км

  L₀₂=88 км

  L₁₂=37 км

  L₅₁=90 км

  L₀₄=60 км

  L₀₃=50 км

   

   
 
Рис.3 Смешанная схема. 
 
 
 
 
 

      Расстояния между РЭС и подстанциями 3, 4, 5 и между подстанциями 3-2, 2-1,

5-1.

 L₁₂=37 км

 L₅₁=90 км

 L₀₅=35 км

 L₀₃=50 км

 L₂₃=47 км

 L₀₄=60 км

 

   Рис.4 смешанная схема.

        Расстояния между РЭС и подстанциями 1, 2, 3, 4, 5 и между подстанциями  

1-2, 2-3. 
 

  L₀₃=50 км

  L₂₃=47 км

  L₁₂=37 км

  L₀₅=35 км

  L₀₄=60 км

  L₀₂=88 км

  L₀₁=68 км

   

 

   Рис.5 смешанная схема. 
 

2.2.2 Расчет  ориентировочного напряжения схем  вариантов

электрической сети. 

     Для  выбора номинального напряжения  схем находим потоки активной  мощности по ЛЭП считая, что  рассматриваемая сеть однородна.  Номинальное напряжение для всей схемы берем по наибольшему U_ор, при этом ограничимся двумя ближайшими стандартными значениями. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Вариант  №1 

Р₀₁=Р₁=10 мВт

Р₀₂= Р₂=20 мВт

Р₀₃= Р₃=30 мВт

Р₀₄= Р₄=40 мВт

Р₀₅= Р₅=25 мВт

 
   Рис.6

      Находим ориентировочное значение напряжения.

        U_ор=  (6)

U_ор1= =81,7 кВ

U_ор2= =103,63 кВ

U_ор3= =99,57 кВ

U_ор4= =112 кВ

U_ор5= =87,02 кВ

  Исходя из  полученных расчетов ориентировочного  напряжения, выбираем номинальное  напряжение данной сети 110 кВ и 220 кВ. 

  Вариант  №2

   Рис.7

   Расчет системы производим методом преобразования сети.

Произведем перенос  нагрузки из узлов 5, 1, 2 в узел 4.  

Р₄₍₅₎= мВт 
 
 
 
 
 

Р₄₍₁₎= мВт

Р₄₍₂₎= мВт

   Аналогичные переносы осуществляем в узел 3, и рассчитываем суммарные мощности в точках 4 и 3.

Р^/₄=Р₄ + Р₄₍₅₎ + Р₄₍₁₎ + Р₄₍₂₎= 40+18,83+3,64+4,07= 66,54 мВт

Р^/₃= Р₃ + Р₃₍₅₎ + Р₃₍₁₎ + Р₃₍₂₎= 30+6,17+6,36+15,93= 58,46 мВт

   Определяем  эквивалентную длину двух параллельных  линий.

L_экв= км

   Определяем  мощности головных участков линии.

Р₀₃= мВт

Р₀₄= мВт

   Определяем  мощности участков.

Р₃₄= мВт

Р₄₅= Р₀₄+ Р₃₄- Р₄ =60,56+37,23-40= 57,79 мВт

Р₅₁= Р₄₅- Р₅ =57,79-25= 32,79 мВт

Р₁₂= Р₅₁- Р₁ =32,79-10= 22,79 мВт

Р₂₃= Р₁₂- Р₂ = 22,79-20= 2,79 мВт

   Проверочный  расчет.

Р₁+ Р₂+ Р₃+ Р₄+ Р₅ = Р₀₃+ Р₀₄

10+20+30+40+25=64,44+60,56

   Находим  значения напряжения.

U_ор03 = кВ

U_ор04 = кВ

   Из полученных  расчетов ориентировочного напряжения, принимаем стандарт-

ное напряжение 220 кВ. 

  Вариант  №3

 

   Рис.8 
 

 
 

    Определим  мощности на участках.

Р₀₅ = мВт

Р₀₂ = мВт

Р₅₁ = Р₀₅ - Р₅ = 33,54-25= 8,54 мВт

Р₁₂ = Р₀₂ – Р₂ = 21,46 – 20= 1,46 мВт

Р₀₄ = Р₄ = 40мВт

Р₀₃ = Р₃ = 30 мВт

   Проверочный  расчет.

Р₀₅ + Р₀₂= Р₅ + Р₁ + Р₂

33,54+21,46= 25+10+20

   Находим  значения напряжения.

U_ор02= кВ

U_ор03= кВ

U_ор04= кВ

U_ор05= кВ

   Из полученных  расчетов ориентировочного напряжения, принимаем стандарт-

ные напряжения 110 и 220 кВ. 

   Вариант  №4 

 

   Рис.9

Р₀₅=  

мВт

Р₀₃=

мВт 
 
 
 
 
 
 

Р₅₁ = Р₀₅- Р₅ =40,08-25= 15,08 мВт

Р₃₂ = Р₀₃- Р₃ =44,92-30= 14,92 мВт

Р₁₂ = Р₅₁- Р₁ =15,08-10= 5,08 мВт

Р₀₄ = Р₄ =40 мВт

  Проверочный  расчет.

Р₁+ Р₂+ Р₃+ Р₅ = Р₀₅+ Р₀₃

10+20+30+25= 40,08+44,92

   Находим  значения напряжений.

U_ор03 = кВ

U_ор04 = кВ

U_ор05 = кВ

   Из полученных  расчетов ориентировочного напряжения, принимаем стандарт-

ные напряжения 110 и 220 кВ. 

   Вариант  №5

   Рис.10

   Для расчета  схемы составляем два уравнения  по второму закону Кирхгоффа.

   Составляем уравнения по первому закону Кирхгоффа, принимая за контурные мощности Р₁₂, Р₂₃.

Р₀₁= Р₁+ Р₁₂

Р₀₃= Р₃- Р₂₃

Р₀₂= Р₂- Р₁₂+ Р₂₃ 

Р₂₃ =

Р₂₃ = 0,476 Р₁₂ – 1,41

Р₁₂ =

Р₁₂ =0,456 Р₂₃ +5,59

   Делаем  подстановку. 
 
 

 
 

Р₁₂ =5,59+0,456(0,476 Р₁₂- 1,41)

Р₁₂ = 6,32 мВт

Р₂₃ =0,476*6,32-1,41=1,6 мВт

   Находим  остальные мощности.

Р₀₁ = Р₁ + Р₁₂  =10+6,32=16,32 мВт

Р₀₃ = Р₃ - Р₂₃  =30-1,6=28,4 мВт

Р₀₂  = Р₂  - Р₁₂ + Р₂₃ =20-6,32+1,6=15,28 мВт

Р₀₄ = Р₄ = 40 мВт

Р₀₅ = Р₅ =25 мВт

   Находим  значения напряжения.

U_ор01 = кВ

U_ор02 = кВ

U_ор03 = кВ

U_ор04 = кВ

U_ор05 = кВ

   Из полученных расчетов ориентировочного напряжения, принимаем стандарт-

ное напряжения 110 и 220 кВ. 
 
 

2.3 Расчет  сечений проводов ЛЭП электрической  сети. 

     Сечение  проводов ЛЭП выбираем по экономической  плотности тока.

  (7)

  где I_i – ток текущий по проводу в режиме максимальной нагрузки, А.

        n - число цепей ЛЭП,

        P_i – активная мощность передаваемая по ЛЭП в максимальном режиме, мВт,

        U_н – номинальное напряжение сети, кВ,

        cosφ – коэффициент мощности нагрузки ЛЭП,

        γ_эк – экономическая плотность тока, А/мм²,

   Для γ_эк строим годовой график нагрузки по продолжительности.

А_r =

= ч

ч (8)

   где Р_м – максимальное значение мощности нагрузки суточного графика в относительных единицах Р_м = 1

Для предприятий, при выполнении ЛЭП проводом марки  АС и со значением

Т_м = 8392,1 ч принимаем γ_эк = 1 А/мм². 
 
 
 
 
 

 

   Рис.11 Суточный график нагрузки.  

1 – график  рабочих дней,

2 – график  выходных дней.

   Исходя  из суточного графика нагрузки, строим годовой график нагрузки. Построение графика начинаем  с максимального значения мощности  взятого из суточного графика.  Длительность этой нагрузки за  год находим следующим образом:

 ΔТ_{г ٪}= ΔТ_{сут р} * 255+ ΔТ_{сут в} * 110