Управление энергоэффективностью приемников и потребителей электрической энергии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Югорский государственный университет» Управление энергоэффективностью приемников и потребителей электрической энергии Курс лекций для студентов групп збу-2891н, збу-2892н Старший преподаватель ИНГ Долгих Надежда Николаевна г. Ханты-Мансийск 12 апреля 2021 Раздел 2. Экономия электрической энергии в электрических сетях Тема № 2.4 Схемы замещения элементов электрической сети для расчета эффективных режимов (СЗ ЛЭП) 2 Схема замещения ОПРЕДЕЛЕНИЕ 3 Схема замещения – электрическая схема цепи, состоящая из идеализированных элементов цепи, рассчитанные напряжения и токи на зажимах которой совпадают с какой-то погрешностью с измеренными токами и напряжениями на зажимах реального элемента Рис. Эволюция схемы замещения асинхронного двигателя 4 Активное и индуктивное сопротивления линии В общем случае ЛЭП можно представить в виде П-образной схемы замещения четырехполюсника r0  l Rл  nц Рис. Схема замещения ЛЭП (общий вид) При длине воздушной линии менее 300 км, а кабельной линии менее 50 км распределенность параметров можно не учитывать. х0  l Хл  nц Bл  Gл  b0  l  nц (3.1) (3.2) (3.3) 2 g0  l  nц 2 (3.4) 5 Активное и индуктивное сопротивления линии Активное сопротивление линии переменному току определяется по формуле: Rл  kп kб R Рис. Схема замещения ЛЭП (общий вид) Rл  (3.5) где kп – коэффициент поверхностного эффекта, учитывающий вытеснение переменного тока на поверхность провода; kс – коэффициент близости, учитывающий перераспределение тока по сечению провода под влиянием магнитных полей проводов других фаз; R= - сопротивление линии постоянному току. 1 l  n  nц F (3.6) где ρ – удельное активное сопротивление материала провода, которое можно принимать равным 28 Ом·мм2/км для алюминия и 17 Ом·мм2/км для меди; F – сечение провода, мм2; n – число проводов на фазу. 6 Активное и индуктивное сопротивления линии Наличие индуктивного сопротивления обусловлено магнитным полем, создаваемым линией. Погонное индуктивное сопротивление воздушной линии, Ом/км, при одном проводе на каждую фазу определяется по формуле: х0  0,144  lg Рис. Схема замещения ЛЭП (общий вид) Dср rпр  0, 0157 где rпр – радиус провода; Dср – среднегеометрическое между фазами: Dср  3 DAB  DBC  DCA (3.7) расстояние (3.8) где DАВ DВС DСА – расстояния соответственно между фазами А и В, В и С, С и А. При отсутствии других данных среднегеометрическое расстояние между фазами принимать равным для линий 35 кВ – 3,5 м; 110 кВ – 5 м; 220 кВ – 8 м; 330 кВ – 11 м; 500 кВ – 14 м; для линий 6 – 10 кВ с неизолированными проводами – 1,5 м, для линий 6 – 10 кВ с изолированными проводами – 0,4 м. 7 Активное и индуктивное сопротивления линии В воздушных линиях сверхвысокого напряжения каждая фаза расщеплена на несколько проводов. В этом случае погонное индуктивное сопротивление: х0  0,144  lg Dср rэкв  0, 0157 n (3.9) где n – число проводов в фазе: в линиях 330 кВ n=2; в линиях 500 кВ n=3; в линиях 750 кВ n=5-7; в линиях 1150 кВ n=8-12; rэкв – эквивалентный радиус провода rэкв  n  rпр   n n 1 р (3.10) р  а 2sin  / n  (3.11) где а – расстояние между соседними проводами в фазе (расположенными в вершинах правильного многоугольника), которое может составлять от 300 до 600 мм. ЛЭП 500 кВ с расщеплением фазы на 3 провода 8 9 Проводимости линий Активная проводимость моделирует: 1) потери активной мощности на коронный разряд и в изоляторах воздушных линий с неизолированными проводами; 2) диэлектрические потери в изоляции кабельных линий и воздушных линий с изолированными проводами. Рис. Схема замещения ЛЭП (общий вид) Потери на коронный разряд при номинальном напряжении на единицу длины составляют: 2 2 Pкор,0  3 U ном  g  U ,ф ном  g0 (3.12) Погонная активная проводимость: g0  Pкор ,0 2 U ном (3.13) Коронный разряд на ЛЭП 10 11 Пример Определить параметры воздушной линии напряжением 10 кВ, протяженностью 10 км, выполненной проводом АС-70/11. Справочные данные провода r0 = 0,422 Ом/км; Dср=1,5 м; r=5,7 мм. Пример: По формуле 3.1 определяем активное сопротивление линии Rл  х0  0,144lg Dср r r0  l nц  0, 0157 Хл  х0  l nц Rл  0, 422 10  4, 22  Ом  1 х0  0,144lg Хл  1500  0, 0157  0,364  Ом / км  5, 7 0,364 10  3, 64  Ом  1 12 Проводимости линий Ёмкостная проводимость линии обусловлена электрическим полем, создаваемым линией. Погонная ёмкостная проводимость воздушной линии с неизолированными проводами при частоте 50 Гц, См/км: Рис. Схема замещения ЛЭП (общий вид) 7,58 106 b0  Dср lg rпр 7,58 106 b0  Dср lg rэкв (3.14) (3.15) Наличие ёмкостной проводимости линии является причиной генерации реактивной мощности Q. Величина генерации квадратично зависит от класса напряжения линии: Q  U 2B (3.16) Упрощенные схемы замещения ЛЭП 13 Рис. Схема замещения воздушных линий 110 – 330 кВ и кабельных линий 20 кВ и выше с ёмкостными проводимостями Потери на коронный разряд увеличиваются при увеличении напряжения линии. Если номинальное напряжения не превышает 330 кВ, то эти потери в большинстве случаев оказываются намного меньше мощности, передаваемой по линии. Поэтому в линиях 330 кВ и ниже активную проводимость можно не учитывать. Упрощенные схемы замещения ЛЭП 14 Рис. Схема замещения воздушных линий 110 – 330 кВ и кабельных линий 20 кВ и выше с зарядными мощностями Для воздушных линий 110 – 330 кВ и кабельных линий 20 кВ и выше может быть использован другой вариант схемы, когда ёмкость заменяется генерируемой ею зарядною мощностью. Qз  3 UФ2 Bл  U 2 Bл Упрощенные схемы замещения ЛЭП Рис. Схема замещения воздушных линий 35 кВ и ниже, а также кабельных линий больших сечений 10 кВ и ниже Рис. Схема замещения кабельных линий 10 кВ и ниже (кроме больших сечений) 15 Раздел 2. Экономия энергии в электрических сетях Индивидуальное задание на весенний семестр Расчет энергоэффективного режима электрической сети 16 17 ГРУППА збу-2891н 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Алехин Артем Андреевич Алиев Алексей Вячеславович Антясов Андрей Олегович Байкалов Денис Викторович Булгаков Денис Тагирович Дадаян Карен Камоевич Ефимов Ян Александрович Иванов Инвар Олегович Кириленко Константин Александрович Масленников Егор Алексеевич Мельников Валерий Алексеевич Рыжков Иван Игоревич Саблуков Денис Евгеньевич Семенкин Иван Александрович Сизиков Максим Владимирович Скоробогатов Артем Игоревич Турдиев Абдуганишер Гуламидинович 4 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 3 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 1 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 18 ГРУППА збу-2892н 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Арсененко Артем Владимирович Ашуров Фаридун Абдулхафизович Батыргареев Рамиль Эдуардович Бикбов Евгений Геннадьевич Гимранов Эдгар Ришатович Кравченко Александр Сергеевич Лаврищев Алексей Иванович Нусс Артур Егорович Пантелеев Тимур Борисович Попов Николай Сергеевич Ситников Андрей Дмитриевич Ступак Иван Васильевич Тюмкин Андрей Алексеевич Чапарин Никита Алексеевич Шакуров Айрат Фахимович 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 19 Шифр задания Исходные данные для задания берутся в соответствии с шифром, состоящим из четырех цифр, например: 1.3.3.3 Первая цифра – номер схемы электрической сети Всего 6 возможных вариантов Схема № 1 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 1 – 220/110/10 кВ 20 21 Схема № 1 Uном=220 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 1 – 220/110/10 кВ Схема № 2 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 2 – 330/110/10 кВ 22 23 Схема № 2 Uном=330 кВ Uном=330 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 2 – 330/110/10 кВ Схема № 3 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 3 – 110/35/6 кВ 24 25 Схема № 3 Uном=35 кВ Uном=110 кВ Uном=6 кВ Uном=6 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 3 – 110/35/6 кВ Схема № 4 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 4 – 220/110/10 кВ 26 27 Схема № 4 Uном=10 кВ Uном=110 кВ Uном=220 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 4 – 220/110/10 кВ Схема № 5 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 5 – 220/110/10 кВ 28 29 Схема № 5 Uном=10 кВ Uном=110 кВ Uном=220 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 5 – 220/110/10 кВ Схема № 6 Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 6 – 500/220/110/10 кВ 30 31 Схема № 6 Uном=500 кВ Uном=220 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Номинальные напряжения для электрических сетей схемы № 6 – 500/220/110/10 кВ 32 Шифр задания Исходные данные для задания берутся в соответствии с шифром, состоящим из четырех цифр, например: 1.3.3.3 Для рассматриваемого примера – вторая цифра «3». Соответственно выбираем третью строку из таблицы Вторая цифра – типы и сечения линий Определяется по строке таблицы для каждой схемы Условные обозначения: АС-240 - сталеалюминевый провод с сечением алюминиевой части 240 мм2; АС-400(2) – двухцепная воздушная линия, выполненная проводом АС 400 сечением 400 мм2; F-3×240(2) – двухцепная линия, выполненная трехжильным кабелем сечением 240 мм2; ВЛЗ – воздушная линия с изолированными проводами откл – линия отключена Типы и сечения линий для схем 1-3 Вторая цифра задания для схемы № 1 Вторая цифра задания для схемы № 2 Вторая цифра задания для схемы № 3 33 Типы и сечения линий для схем 4-6 Вторая цифра задания для схем № 4 и № 5 Вторая цифра задания для схемы № 6 34 Шифр задания 35 Исходные данные для задания берутся в соответствии с шифром, состоящим из четырех цифр, например: 1.3.3.3 Для рассматриваемого примера – вторая цифра «3». Соответственно выбираем третью строку из таблицы Третья цифра – длины линий Определяется по строке таблицы для каждой схемы Длины линий для схем 1-3 Схема 1 Схема 2 Схема 3 36 Длины линий для схем 4-6 Схема 4-5 Схема 6 37 38 Шифр задания Исходные данные для задания берутся в соответствии с шифром, состоящим из четырех цифр, например: 1.3.3.3 Четвертая цифра – нагрузка электрической сети Нагрузки для схем 1-2 Схема 1 Схема 2 39 Нагрузки для схем 3-5 Схема 3 Схема 4-5 40 Нагрузки для схемы 6 41 Раздел 2. Экономия электрической энергии в электрических сетях Тема № 2.5 Схемы замещения элементов электрической сети для расчета эффективных режимов (СЗ трансформаторов) 42 43 Двухобмоточные трансформаторы Двухобмоточным называется трансформатор, который имеет одну обмотку высшего напряжения (ВН) и одну обмотку низшего напряжения (НН) Uв Rт Uв Gт Хт kтр Bт Uн Uн Рис. Условное обозначение двухобмоточного трансформатора Рис. Схема замещения двухобмоточного трансформатора с проводимостями Rт Хт kтр S хх Рис. Схема замещения двухобмоточного трансформатора с потерями холостого хода Трёхобмоточные трансформаторы Трехобмоточным называется трансформатор, у которого имеется три обмотки: высокого напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низкого напряжения (НН). 44 Первый этап выполнения РГР 45 На первом этапе выполнения РГР необходимо в соответствии с вариантом однолинейной схемы, составить схему замещения исследуемой электрической сети. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Однолинейная схема – это принципиальная схема электрической сети, но выполненная в упрощенном виде: все линии однофазных и трехфазных сетей изображаются одной линией Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=10 кВ Uном=110 кВ Uном=220 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ 46 47 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=10 кВ Рис. Схема замещения воздушных линий 35 кВ и ниже, а также кабельных линий больших сечений 10 кВ и ниже S4 S3 Rл6 Хл6 S5 Rл9 Rл7 Хл9 Хл7 S6 S7 Rл10 Хл10 S8 48 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=500 кВ Uном=220 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Примеры составления СЗ для различных вариантов сети 49 Uном=10 кВ Рис. Схема замещения воздушных линий 35 кВ и ниже, а также кабельных линий больших сечений 10 кВ и ниже S4 Rл5 Хл5 Хл6 S5 Rл7 Rл6 S6 Хл7 S7 50 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=10 кВ Uном=110 кВ Uном=220 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=110 кВ Рис. Схема замещения воздушных линий 110 – 330 кВ и кабельных линий 20 кВ и выше с зарядными мощностями 51 52 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Rл5 Uном=110 кВ Хл5 -jQз5 -jQз2 Rл3 Rл2 Хл2 -jQз5 -jQз3 Хл3 -jQз2 -jQз3 Rл5 -jQз5 Хл5 -jQз5 53 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=220 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Uном=10 кВ Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=220 кВ 54 Uном=110 кВ Uном=10 кВ Рис. Схема замещения воздушных линий 110 – 330 кВ и кабельных линий 20 кВ и выше с зарядными мощностями Рис. Схема замещения трёхобмоточных трансформаторов Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=220 кВ Uном=110 кВ Uном=10 кВ Rл1 -jQз1 Хл1 Rв1 -jQз1 Sxx1 Хв1 Rн1 Хн1 Rс1 Хс1 55 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Uном=330 кВ Uном=10 кВ 56 57 Примеры составления СЗ для различных вариантов сети Rл1 Хл1 Rл2 Хл2 Sxx1 -jQз1 -jQз1 Rт1 Хт1 -jQз2 -jQз2 58 Второй этап выполнения РГР На втором этапе выполнения РГР необходимо произвести расчет мощностей нагрузок по каждой подстанции. Расчет необходимо произвести для каждой мощности (активная, реактивная, полная). Активная мощность – это среднее значение мгновенной мощности p за период T ОПРЕДЕЛЕНИЕ T T 1 1 P   pdt   uidt T 0 T 0 Если ток и напряжение на участке цепи представлены выражениями i  I m sin t u  U m sin t    то активная мощность, будет определяться по формуле: T U I 1 P   U m I m sin t  sin t    dt  m m cos   UI cos  T0 2  Вт 59 Второй этап выполнения РГР ОПРЕДЕЛЕНИЕ Реактивная мощность – характеризует собой ту энергию, которой обмениваются генератор и приемник Q  UI sin  S  UI вар   ВАр  ВА Дополнительные формулы, получаемые из основных с учетом тригонометрических тождеств: S P cos  S Q sin  S  P2  Q2 Q  tg P Примеры расчета мощностей 1. Нагрузка задана активной мощностью и коэффициентом мощности (cos φ) P=40 МВт; cos φ=0,8 Полная мощность S (МВА) Реактивная мощность Q (Мвар) S P cos  S 40  50  МВА 0,8 Q  40  0,75  30  Мвар  Q  P  tg или Q  S 2  P2 Q  502  402  30  Мвар  60 Примеры расчета мощностей 2. Нагрузка задана активной мощностью и коэффициентом мощности (tg φ) P=80 МВт; tg φ=0,75 Реактивная мощность Q (Мвар) Полная мощность S (МВА) Q  P  tg S  P2  Q2 Q  80  0,75  60  Мвар  S  802  602  100  МВА 61 62 Расчет нагрузок по подстанциям S ПС 3  S3  S4  S5  S6  S7  S8  ВА или PПС 3  P3  P4  P5  P6  P7  P8  Вт QПС 3  Q3  Q4  Q5  Q6  Q7  Q8  вар  S ПС 3  PПС 3  jQПС 3  ВА 63 Расчет нагрузок по подстанциям S ПС1  S1  S4  S5  S6  S7  S8 или PПС1  P1  P4  P5  P6  P7  P8  Вт QПС1  Q1  Q4  Q5  Q6  Q7  Q8  вар  S ПС1  PПС1  jQПС1  ВА  ВА Раздел 2. Экономия электрической энергии в электрических сетях Тема № 2.6 Выбор числа и мощности трансформаторов для трансформаторных подстанций 64 Постановка задачи выбора числа и мощности трансформаторов на ТП S ПС1  S1  S4  S5  S6  S7  S8 Тип, мощность, количество трансформаторов? 65 Первая категория надежности ОПРЕДЕЛЕНИЕ 66 Электроприёмники первой категории надежности – электроприёмники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, угрозу безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения Особая группа из числа первой категория надежности ОПРЕДЕЛЕНИЕ 67 Особая группа – группа электроприёмников из числа первой категории надежности, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров Вторая категория надежности ОПРЕДЕЛЕНИЕ 68 Электроприёмники второй категории надежности – электроприёмники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей Третья категория надежности 69 Электроприёмники третьей категории надежности – все остальные электроприёмники, не подпадающие под определения первой и второй категории ОПРЕДЕЛЕНИЕ Постановка задачи выбора числа и мощности трансформаторов на ТП S ПС1  S1  S4  S5  S6  S7  S8 Тип, мощность, количество трансформаторов? На каждой подстанции принимаем к установке по два трансформатора (автотрансформатора) 70 Типы подстанций 71 Узловая распределительная подстанция – центральная подстанция, на которую ОПРЕДЕЛЕНИЕ от энергосистемы подается электроэнергия при напряжении от 110 до 220 кВ, и где она распределяется, с частичной трансформацией или вообще без трансформации, по подстанциям глубокого ввода при напряжениях от 35 до 220 кВ Типы подстанций ОПРЕДЕЛЕНИЕ 72 Главная понизительная подстанция (ГПП) – подстанция рассчитанная на входное напряжение от 35 до 220 кВ, которая получает питание напрямую от районной энергетической системы, и распределяет электрическую энергию по предприятию, но уже при сильно пониженном напряжении. Типы подстанций ОПРЕДЕЛЕНИЕ 73 Подстанция глубокого ввода (ПГВ) – подстанция, на которую подается напряжение от 35 до 220 кВ, обычно она выполнена с применением упрощенных схем коммутации на стороне первичного напряжения, и получает питание или от энергетической системы напрямую, или от центрального распределительного пункта на самом предприятии. Типы подстанций ОПРЕДЕЛЕНИЕ 74 Трансформаторный пункт –это подстанция с первичным напряжением, равным 35 кВ, 10 кВ или 6 кВ, которая питает напряжением 230 и 400 В непосредственно приемники электроэнергии. Иначе эти подстанции, в электрических сетях промышленных объектов, именуют цеховыми подстанциями. Постановка задачи выбора числа и мощности трансформаторов на ТП 75 S ПС1  S1  S4  S5  S6  S7  S8 Тип, мощность, количество трансформаторов? Формула для предварительного выбора мощности трансформатора двухтрансформаторной ПС Sном  S Sт  cкв 2 S ПС1 1,5 В предыдущем семестре рассматривался выбор трансформаторов для цеховых ТП. Предварительно выбранная мощность при этом намеренно занижалась для поиска энергоэффективного решения. Пример Uном=110 кВ Uном=10 кВ S ПС 4  S4  S5  S6  S7  S8 S ПС 4  2  j1  2  j 2  1  j 0, 48  0,57  j 0,57  0,7  j 0,525  6, 27  j 4,575  МВА S ПС 4  6, 272  4,5752  7,76  МВА Sном  S ПС 4 7, 76   5, 2  МВА 1,5 1,5 76 77 Пример Uном=110 кВ Uном=10 кВ Sном  Напряжение обмотки, кВ S ПС 4 7, 76   5, 2  МВА 1,5 1,5 Потери, кВт Uк, % Тип Мощность кВ∙А ВН НН Рхх Ркз ВН-НН 1 2 3 5 6 7 9 11 ТМН-2500/110 У1 2500 110 6,6; 11 6,5 22 10,5 1,50 ТМН-6300/110 У1 6300 115 6,6; 11 11,5 48 10,5 0,80 ТДЦ-80000/110 У1 80000 121 6,3; 10,5 85,0 310 11,0 0,60 ТДЦ-125000/110 У1 125000 121 10,5 92,0 400 10,5 0,55 Ixх, % Проверка Проверка выбранного трансформатора трансформатора на перегрузочную на перегрузочную способность способность Некоторое время действовал стандарт ГОСТ 14209-97 (много ссылок в интернете). Но в настоящее время стандарт 97 года отменен и вновь вернули в силу ГОСТ 85 года 78 79 Проверка Проверка выбранного трансформатора трансформатора на перегрузочную на перегрузочную способность способность Суточный график S, кВА 250 200 150 100 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 К2  20 1 Sном 21  22 23  S h  h '2 p p p 80 Занятие окончено. Спасибо за внимание! Ваши вопросы