Алматы 2007

СОСТАВИТЕЛИ: В.Н. Сажин, Н.А. Генбач. Электрические сети и системы. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050718 - Эллктроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2007. – 44 с.

В методической разработке рассмотрены расчеты рабочих режимов разомкнутых и простых замкнутых электрических сетей, расчеты сетей, имеющих сложную конфигурацию, режимы работы электроэнергетических систем, а также вопросы качества электроэнергии и регулирования напряжения в электрических сетях.

Введение

Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии. Она очень просто и экономично может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, механическую, световую и т.д. Электрическая энергия находит значительное применение в устройствах автоматики, электроники и т.п., без которых невозможны современные аппараты и технические сооружения. Поэтому в настоящее время электрическая энергия широко используется во всех отраслях хозяйственной деятельности нашей республики.

Вопросы составления энергетического баланса, определения перспектив развития отдельных районов и использования сырьевых ресурсов, выбора мощности и месторасположения электростанций, размещения крупных энергоемких предприятий, объединения энергосистем не могут быть решены без учета электрических сетей. При этом нельзя выбирать отдельно наивыгоднейшие параметры электростанций, электрических сетей и т.п. Эти вопросы необходимо решать комплексно с учетом взаимного влияния таким образом, чтобы было обеспечено наиболее эффективное и рациональное использование имеющихся энергетических ресурсов. Только после этого можно вести рабочее проектирование отдельных элементов электрических систем: электростанций, электрических сетей различных напряжений, устройств защиты и автоматики и т.п.

Дисциплина «Электрические сети и системы» - одна из базовых, в которых закладывается фундамент специальной подготовки студентов специальности 050718 – Электроэнергетика. Цель изучения дисциплины – формирование знаний в области теории расчетов и анализа режимов электрических сетей и систем, обеспечения при их проектировании и эксплуатации экономичности, надежности, а также качества электроэнергии.

Основные задачи дисциплины – научить основам расчета рабочих режимов электрических сетей различной конфигурации; научить основам проектирования электрических сетей и систем и методам повышения их экономичности, надежности и качества электроэнергии; ознакомить с режимами работы электроэнергетических систем; ознакомить с физической сущностью явлений, сопровождающих процесс производства, распределения и потребления электроэнергии.

Содержание дисциплины базируется на знаниях высшей математики, физики, теоретических основ электротехники, программирования на ЭВМ, электрических машин, математических задач энергетики.

Лекция 1. Расчеты режимов разомкнутых электрических сетей

Содержание лекции:

- расчеты сетей 110 – 220 кВ по данным начала и по данным конца.

Цели лекции:

- изучение методов расчета разомкнутых электрических сетей.

При расчете режима сетей 110 – 220 кВ можно выделить два характерных расчетных случая: расчет сети по заданному напряжению в конце линии (или расчет по данным конца) и расчет, в котором заданным является напряжение в начале линии (расчет по данным начала).

На рисунке 1.1 представлена расчетная схема разомкнутой сети с n нагрузками (а) и ее схема замещения (б).

Рисунок 1.1

Рассмотрим случай расчета по данным конца. Исходными данными являются: напряжение в конце линии, расчетные мощности нагрузок, а также параметры сети. Расчет ведется от конца линии. По известному напряжению определяются потери мощности на последнем участке линии n

(1.1)

Находим мощность в начале участка n

, (1.2)

где Q - зарядная мощность на участке n.

Мощность в конце участка (n-1) по балансу мощности в узле (n-1) определяется

. (1.3)

Падение напряжения на концевом участке n определяется

D= DU+ jdU= + j. (1.4)

По известному напряжению U и падению напряжения на участке n определяется напряжение в узле n-1 U

= + D= U+ DU+ jdU (1.5)

или модуль напряжения

U=. (1.6)

Определением напряжения закачивается расчет режима концевого участка сети. При этом оказываются известными все необходимые данные для расчета следующего участка. Расчет участка -1 выполняется по тем же формулам, что и для участка. Аналогично ведутся расчеты для всех остальных участков. Окончанием расчета является определение мощности и напряжения .

В расчетах сети по данным начала, в которых известной величиной является напряжение в точке питания , используется метод последовательных приближений, причем расчеты выполняются в два этапа.

В качестве первого приближения (на первом этапе расчета) принимается, что напряжения во всех узлах равны номинальному напряжению сети. При этом условии находится распределение мощностей в сети.

В соответствии с обозначениями на рисунке 1.1 расчет ведется в следующей последовательности. Определяются потери мощности на концевом участке сети

DP=,

DQ=. (1.7)

Далее определяется мощность в начале этого участка в соответствии с (1.2). По балансу мощности в узле (n-1) определяется мощность в конце участка n-1 по (1.3). Аналогично ведется расчет и для всех остальных участков сети. Расчет продолжается до тех пор, пока не определится .

На следующем этапе расчета определяются напряжения в узлах нагрузки во втором приближении. Исходными данными для расчета являются: напряжение и найденные в предыдущем этапе расчета мощности в конце каждого из участков. Для головного участка сети

= - D, (1.8)

где D - падение напряжения на головном участке сети.

= - DU - jdU (1.9)

или в раскрытой форме

= U - - . (1.10)

Модуль напряжения в точке 1

U = . (1.11)

Аналогично определяются напряжения в других узловых точках сети.

Лекция 2. Расчеты режимов кольцевых сетей

Содержание лекции:

- расчеты рабочих режимов кольцевых электрических сетей.

Цели лекции:

- знакомство с методами расчетов простых замкнутых сетей.

Наиболее простой замкнутой сетью является кольцевая сеть. Она имеет один замкнутый контур (рисунок 2.1а). В качестве питательного пункта может быть либо электростанция, либо шины подстанции системы. Если такую сеть разрезать по источнику питания и развернуть, то она будет иметь вид как линии с двусторонним питанием, у которой напряжения по концам равны по величине и по фазе (рисунок 2.1б).

Рисунок 2.1

Для расчета сети возьмем схему, приведенную на рисунке 2.2. Здесь мощности ,, - расчетные нагрузки подстанций. Направление потоков мощности на участках сети принято условно. Действительное направление определяется в результате расчета.

Рисунок 2.2

Исходными данными для расчета сети являются напряжение в центре питания, мощности нагрузок, параметры сети.

Так как напряжения в узлах нагрузки неизвестны, то расчет должен выполняться с помощью метода последовательных приближений.

Так же как и при расчете разомкнутых сетей принимают условие равенства напряжений вдоль линии. Это напряжение принимают равным номинальному. При этих допущениях ток на участках сети определяется

.

Условие равенства напряжений по концам линии означает равенство нулю падения напряжения в схеме (рисунок 2.2).

На основании второго закона Кирхгофа запишем

++-=0

или

++-=0 (2.1)

Выразим входящие в это уравнение мощности 2,3 и 4 участков линии через мощность и известные мощности нагрузок , ,.

При неучете потерь мощности можно записать

+=++,

откуда

=++-. (2.2)

На основании первого закона Кирхгофа

=-, (2.3)

=--. (2.4)

Подставим (2.2 – 2.4) в исходное уравнение (2.1) и после преобразований получим

(+++)-(++)-(+)-=0

откуда с учетом обозначений на схеме

== (2.5)

Аналогично можно получить

==. (2.6)

В общем случае при n нагрузках на кольцевой сети

(2.7)

где и - сопротивления от точки m, в которой включена некоторая промежуточная нагрузка , до точек питания А и В соответственно.

После определения мощностей, протекающих по головным участкам сети, определяются мощности на остальных участках с помощью закона Кирхгофа. На этом заканчивается первый этап расчета режима этой линии. На втором этапе определяются потери мощности и напряжения в узловых точках сети. Допустим, что в результате первого этапа расчета найдено распределение мощностей, как показано на рисунке 2.3а.

Рисунок 2.3

К точке 2 мощность поступает с двух сторон. Эта точка называется точкой потокораздела и на рисунке отличается зачерненным треугольником.

Для расчета напряжений в узловых точках условно разрежем схему (рисунок 2.3а) по точке потокораздела (рисунок 2.3б).

Получим схему, состоящую из двух независимых частей, каждая из которых характеризует разомкнутую сеть с заданными нагрузками и напряжениями U=U на шинах общего источника питания. Следовательно, дальнейший расчет кольцевой сети должен проводиться так же, как для разомкнутых сетей по данным начала. Для сетей 110-220 кВ учитываются потери мощности и определяются напряжения в узловых точках. Для сетей 35 кВ и ниже напряжения рассчитываются без учета потерь мощности.

В ряде случаев оказывается, что после первого этапа расчета могут быть две точки потокораздела: одна по активной, другая по реактивной мощности (рисунок 2.4а).

Рисунок 2.4

Точка 2 – точка потокораздела для активной мощности, а точка 3 – для реактивной мощности. В этом случае кольцевая сеть также условно разрезается по точкам потокораздела и представляется двумя разомкнутыми линиями (рисунок 2.4б).

В этом случае определяются потери мощности на участке между точками потокораздела

DР=,

DQ=.