Расчет распределительных сетей

Т. В. КОМЯКОВА, И. А. КРЕМЛЕВ

ОМСК 2012

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_________________

Т. В. Комякова, И. А. Кремлев

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве

методических указаний к выполнению курсовой работы

по дисциплинам «Электрические сети и энергосистемы» и

«Электроэнергетические системы и сети»

Омск 2012

УДК 621.311.(075.8)

ББК 31.279я73

К63

Расчет распределительных сетей: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплинам «Электрические сети и энергосистемы» и «Электроэнергетические системы и сети». 2-е изд., перераб. и доп. /
Т. В. Комякова, И. А. Кремлев; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск,
2012. 36 с.

Методические указания содержат задание на курсовую работу и требования к ее оформлению, рекомендации по выбору схемы электрической сети при заданных нагрузке, размещении источников и потребителей, по расчету сечения проводов воздушных и кабельных линий, определению количества и мощности трансформаторов трансформаторной подстанции, потерь мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах, выбору рационального варианта питания сети после выполнения технико-экономического расчета.

Предназначены для студентов очной и заочной форм обучения специальности 190901 – «Системы обеспечения движения поездов» (специализация «Электроснабжение железных дорог») и направлений 140400 – «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроэнергетические системы и сети») и 140100 – «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Энергообеспечение предприятий»), могут быть полезными при проведении занятий со слушателями Института повышения квалификации и переподготовки кадров, а также инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами проектирования и эксплуатации электрических сетей.

Библиогр.: 5 назв. Табл. 11. Рис. 8.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Зажирко;

канд. техн. наук, доцент А. Д. Эрнст.

_______________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................... 5

1. Задание на курсовую работу....................................................................... 7

2. Электрический расчет распределительной сети напряжением 0,4 кВ....... 11

3. Выбор трансформаторов............................................................................ 15

3.1. Выбор количества и мощности трансформаторов подстанций.......... 15

3.2. Расчет потерь мощности в трансформаторах......................................... 17

4. Электрический расчет сети напряжением 10 кВ......................................... 18

4.1. Электрический расчет схемы одностороннего питания сети напряжением

10 кВ.......................................................................................................... 18

4.2. Электрический расчет схемы двухстороннего питания сети напряжением

10 кВ.......................................................................................................... 24

5. Расчет потерь электрической энергии в элементах сети............................. 28

5.1. Потери электроэнергии в сети напряжением 10 кВ системы одно- и

двухстороннего питания........................................................................... 28

5.2. Мероприятия по снижению потерь мощности и электроэнергии........... 29

6. Сравнительная эффективность вариантов развития электрической сети.. 31

7. Контрольные вопросы для выполнения и подготовки к защите курсовой

работы.......................................................................................................... 33

Библиографический список............................................................................. 34

Приложение 1. Характеристики многопроволочных проводов.................... 35

Приложение 2. Характеристики силовых масляных трансформаторов....... 35

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия является наиболее удобным и универсальным видом энергии, она легко преобразуется в другие виды энергии – механическую, тепловую и световую и поэтому стала основой развития промышленности, сельского хозяйства, транспорта.

Электрическими сетями называют совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящих из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных (ВЛ) и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории. Электр­и­ческая энергия подводится к потребителям с помощью питающих и распределительных сетей различного напряжения.

Распределительные сети предназначены для питания трансформаторных подстанций, отдельных электроприемников (двигателей, светильников) или их групп.

Распределительная сеть должна обеспечивать требуемую надежность электроснабжения нагрузок. Перерывы в электроснабжении приводят к убыткам, а для нагрузок первой категории они могут повлечь за собой несчастные случаи и другие тяжелые последствия. При проектировании электрической сети необходимо выбирать наиболее целесообразные мероприятия по обеспечению ее достаточной надежности.

Задача проектирования систем электроснабжения общего назначения состоит в расчете нескольких вариантов питания, равноценных по техническим аспектам, среди которых необходимо выбрать оптимальный. Этот вариант должен быть экономически обоснованным с одной стороны и достаточно надежным с другой.

При выполнении курсовой работы студент должен научиться выбирать схему электрической сети при заданных нагрузке, электропотреблении, размещении источников и потребителей, мощность и количество трансформаторов для трансформаторной подстанции; рассчитывать сечение проводов воздушных и кабельных линий; определять потери мощности и энергии в линиях и трансформаторах; выполнять технико-экономические расчеты при проектировании электрических сетей.

Результаты выполнения курсовой работы оформляются в виде расчетно-пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка к курсовой работе должна включать в себя титульный лист, задание, реферат, содержание, введение, основную часть, заключение, библиографический список. Пояснительную записку следует оформлять как самостоятельный документ на листах бумаги формата А4. Графическая часть курсовой работы представляет собой поясняющие схемы, чертежи и должна быть оформлена в виде рисунков, которые располагаются в пояснительной записке после первого упоминания о них. Рисунки рекомендуется выполнять на листах бумаги формата А4. Небольшие рисунки можно располагать непосредственно в тексте. Большие по размеру рисунки допускается выполнять на листах, больших формата А4, но кратных ему (ГОСТ 2.301), или на нескольких листах формата А4.

При оформлении пояснительной записки и графической части следует соблюдать требования ГОСТов и действующих стандартов предприятия по правилам оформления составных частей документа – СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов; СТП ОмГУПС-1.5-02. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Правила оформления схем электрических принципиальных. Рекомендуемый объем пояснительной записки – 25 – 30 листов.

При написании данных методических указаний использованы положения, содержащиеся в методических указаниях [1].

изменены исходные данные для определения мощностей трансформаторных подстанций;

скорректированы цены на силовые трансформаторы и провода;

введены приложения, содержащие параметры проводов и силовых трансформаторов;

обновлен библиографический список.

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Каждому студенту выдается индивидуальное задание, определяющее объем курсовой работы. Студенты принимают исходные данные для задания в соответствии с присвоенным им шифром по табл. 1, 2.

Таблица 1

Исходные данные для электрического расчета сети напряжением 10 кВ

Исходные данные	Последняя цифра шифра
Продолжительность использования максимума активной нагрузки в год, ч
Отклонение нап­ряжения на шинах питающей подстанции ГПП, %, при нагрузке: максимальной минимальной			–1	–1	–2		–1			–1
Мощность активной нагрузки на шинах высшего напряжения ТП, кВт: ТП1 ТП2
Средний коэффициент мощности ТП: ТП1 ТП2	0,85 0,80	0,80 0,85	0,82 0,83	0,84 0,81	0,85 0,82	0,83 0,85	0,81 0,84	0,84 0,82	0,85 0,83	0,80 0,81
Длина участка, км: l1 l2 l3	2,0 3,0 2,5	2,8 3,4 2,2	1,5 3,6 2,7	1,8 4,0 2,6	1,4 3,5 1,9	2,2 3,8 2,4	2,4 3,5 2,0	2,7 3,9 3,0	3,0 2,6 2,8	2,5 3,8 1,7

Таблица 2

Исходные данные для электрического расчета сети напряжением 0,4 кВ

Исходные данные	Предпоследняя цифра шифра
Мощность активной нагрузки на шинах 0,4 кВ ТП3, кВт: А Б В Г
Средний коэффициент реактивной мощности на шинах 0,4 кВ ТП3: А Б В Г	0,73 0,47 0,85 0,60	0,80 0,60 0,73 0,88	0,47 0,73 0,60 0,82	0,47 0,78 0,88 0,60	0,80 0,88 0,47 0,73	0,73 0,82 0,60 0,88	0,60 0,73 0,47 0,82	0,47 0,60 0,73 0,88	0,85 0,88 0,60 0,47	0,47 0,78 0,88 0,60
	Цифра шифра, обозначающая сотни
Длина участка сети 0,4 кВ, м: К Л М Н Р О
Мощность активной нагрузки прочих потребителей ТП3, кВт
Средний коэффициент мощности прочих потребителей ТП3	0,81	0,80	0,79	0,83	0,84	0,81	0,85	0,82	0,79	0,78

Схемы, необходимые для расчета электрических сетей напряжением 10 и 0,4 кВ, представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

Рис. 1. Схема распределительной сети напряжением 10 кВ:

ГПП – главная понизительная подстанция; ТП1 и ТП2 – трансформаторные подстанции, от которых питаются электроприемники второй и третьей категории; ТП3 – трансформаторная подстанция, от которой получают питание электроприемники первой, второй и третьей категории; l₁ – l₃ – участки

электрической сети

Рис. 2. Схема распределительной сети напряжением 0,4 кВ:

А, Б, В, Г – предприятия – электроприемники третьей категории с односторонним питанием по магистральной сети; P_пр – прочие потребители – электроприемники первой и второй категории; К, Л, М, Н, Р, О – участки

электрической сети

Протяженность участков электрической сети l₁ – l₃ указана в табл. 1, при-

нимается она по последней цифре шифра.

Максимальная мощность активной нагрузки предприятий А, Б, В, Г выбирается по предпоследней цифре шифра (табл. 2), а максимальная мощность активной нагрузки прочих потребителей – по цифре шифра, обозначающей сотни. При выполнении курсовой работы рекомендуется принять минимальную нагрузку равной 30 % от максимальной.

Длина каждого участка (см. рис. 2) указана в табл. 2, выбирается она по цифре шифра, обозначающей сотни.

Цена двухобмоточных масляных трансформаторов различной мощности напряжением 10 кВ для комплектации трансформаторных подстанций приведена в табл. 3, укрупненные показатели стоимости линий электропередач – в
табл. 4 (цены указаны на 01.01.2012).

Таблица 3

Цена трансформаторов

Тип трансформатора	Цена, тыс. р.	Тип трансформатора	Цена, тыс. р.
ТМ-25/10	58,4	ТМ-320/10	166,7
ТМ-40/10	66,2	ТМ-400/10	193,8
ТМ-63/10	77,0	ТМ-630/10	230,5
ТМ-100/10	89,0	ТМ-1000/10	396,2
ТМ-160/10	119,2	ТМ-1600/10	658,2
ТМ-250/10	142,2	ТМ-2500/10	1025,0

Таблица 4

Укрупненные показатели стоимости линий электропередачи

Площадь сечения провода, мм2	Общая стоимость линии (одноцепной/двухцепной), тыс. р./ км, при опорах
деревянных	железобетонных	стальных
	82,8 / –	69,0 / 119,6	57,5 / 92,0
	87,4 / –	73,6 / 128,8	64,4 / 98,9
	92,0 / –	78,2 / 138,0	69,0 / 108,1
	98,9 / –	87,4 / 154,0	73,6 / 115,0
	108,1 / –	98,9 / 172,5	82,8 / 128,8
	121,9 / –	108,1 / 190,9	98,9 / 154,1
	131,1 / –	121,9 / 216,2	108,1 / 167,9

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 кВ

В электрических расчетах распределительных сетей напряжени­ем до 35 кВ могут быть допущены некоторые упрощения, не ока­зывающие существенного влияния на точность расчетов, например емкостную и активную проводимость ли­нии принимают рав ными нулю. Следовательно, можно считать, что схемы замещения ли­ний распределительных сетей состоят из последовательно соединенных активных и индуктивных сопротивлений.

Рассмотрим схему замещения трехфазной линии, питающей симметричную на­грузку (рис. 3, а). При этом достаточно рассмотреть только одну фазу линии, так как в остальных фазах ток и напряжение имеют те же значения, но со сдвигом на 120°.

Геометрическую разность векторов фазных напряже­ний U_1ф и U_2ф в начале и конце линии (отрезок ае) называют вектором падения напряжения в линии (рис. 3, б).

Продольная составляющая падения напряжения в линии на­п­равлена вдоль вектора напряжения U_2ф, а поперечная – перпендикулярно к вектору напряжения U_2ф.

Арифметическую разность значений модулей напряжений в на­чале и конце называют потерей напряжения в линии. Для того чтобы найти ее графически (см. рис. 3, б), проведем дугу радиусом ое, равным вектору напряжения U_1ф в начале линии, до пересечения с направлением вектора U_2ф. Потери напряжения в линии отличают­ся от продольной составляющей падения напряжения на длину отрезка гд и не превышают 0,125 % от номинального напряжения [1], что значительно меньше погрешности электрических расчетов. Поэтому в распределительных сетях потери напряжения принимают равными продольной составляющей падения напряжения.

Электрический расчет распределительной сети напряжением 0,4 кВ следует начать с составления расчетной схемы в соответствии с рис. 2. Схему необходимо привести в расчетно-пояснительной записке на листе формата А4 в масштабе. На расчетной схеме указываются длина участков, мощность активных и реактивных нагрузок всех потребителей, а также мощность, передаваемая по всем участкам магистрали ТП3 – Г и ответвлениям Б и В (см. рис. 2).

В расчетах по определению мощности, передаваемой по участ­ку распределительной сети напряжением 0,4 кВ, можно не учитывать потери в транс­форматорах потребителей и самой сети. Тогда передаваемая мощность равна сумме нагрузок потребителей, питаемых по рассматриваемому участку.

а

D

D U²ф

D U¢ф

б

Рис. 3. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) фазы линии

распределительной сети

После составления расчетной схемы необходимо рассчитать сечение провода электрической сети по допустимым потерям напряжения и сделать проверку его по нагреву.

Как известно, потери напряжения имеют две составляющие – активную и реактивную, которые определяются соответственно активными и реактивными сопротивлениями токопроводящих элементов. Индуктивное сопротивление фазы линии электропередачи, в отличие от активного, зависит незначительно от площади поперечного сечения провода, поэтому расчет по допустимым потерям напряжения обычно начинают, используя среднее значение этого сопротивления, которое выбирают в зависимости от номинального напряжения сети. Это обусловлено тем, что уровень напряжения определяет расстояние между проводами, которое в свою очередь сказывается на индуктивном сопротивлении фазы линии. При напряжении до 1000 В среднее значение индуктивного сопротивления для воздушных линий x′₀ принимается равным 0,34 Ом/км (среднегеометрическое расстояние между проводами D_ср = 500 мм).

Задавшись индуктивной составляющей сопротивления проводов воздушной линии x′₀, предварительно определяют реактивную составляющую падения напряжения в основной магистрали ТП3 – Г по выражению [1], В:

, (1)

где Q_i – реактивная мощность, протекающая по i-му участку сети, квар;

l_i – длина i-го участка, км.

Допустимые потери напряжения определяются по выражению, В:

, (2)

где U_ном – номинальное напряжение сети, принимаемое равным 380 В;

ΔU_доп% – допустимые потери напряжения, %.

Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) в нормальных режимах наибольшие допустимые потери напряжения в распределительных сетях напряжением до 1000 В задаются в следующих пределах: при питании силовой нагрузки – от 5,5 до 7,5 %, из них в магистралях допускаются потери 4 – 5 %, а в ответвлениях – 1,5 – 2 %; для осветительной нагрузки – 2 – 3 % в магистралях, 1 – 2 % в ответвлениях. При выполнении курсовой работы рекомендуется принять ΔU_доп% равным 7 %.

Допустимое значение активной составляющей падения напряжения определяют по формуле, В:

. (3)

Искомая площадь сечения провода, мм²,

, (4)

где P_i – активная мощность, протекающая по i-му участку, кВт;

γ – удельная проводимость проводника, м/(Ом·мм²), для алюминия γ = 32 м/(Ом·мм²);

l_i – длина i-го участка, м.

Рассчитывается площадь поперечного сечения провода для магистрали ТП3-Г, и полученное значение округляется до ближайшего большего стандартного. При выполнении курсовой работы на основании расчета рекомендуется выбрать алюминиевые или сталеалюминиевые провода из справочных материалов [2, 3], каталогов или из прил. 1 и привести их параметры в расчетно-пояснительной записке.

Так как фактические (действительные) потери напряжения в проводах не должны превышать допустимых, необходимо осуществить проверку выбранного провода в соответствии с условием:

. (5)

Фактические потери напряжения на участке ТП3-Г от протекания по нему полной мощности определяют по формуле, В:

, (6)

где l_i – длина i-го участка, км;

r₀, х₀ – соответственно активное и индуктивное сопротивление выбранного провода, Ом/км.

Расчет сечения провода для ответвлений Б и В аналогичен расчету для магистральной линии и осуществляется по формулам (1) – (6). Отличие заключается лишь в том, что для ответвлений от магистральной линии расчетными являются потери, определяемые разностью допустимых потерь и потерь напряжения в магистрали до места ответвления. Допустимые потери для ответвлений Б и В составят разность допустимых потерь напряжения, рассчитанных по формуле (2) и действительных потерь на участках ТП3-1 и ТП3-2, которые определяются по формуле (6).

Далее необходимо проверить выбранный провод по наибольшим рабочим токам (проверка по нагреву), т. е. должно выполняться условие:

, (7)

где I_доп – допустимый ток, указанный в справочных данных для данного сечения провода, А.

Проверка производится для головного участка основной магистрали, а также для ответвлений Б и В. Если условие (7) для какого-либо участка сети напряжением 0,4 кВ не выполняется, то необходимо выбрать провод большего сечения и повторить проверку.

3. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ