Как составить схему замещения электростанции

Перед
расчетом переходного режима электрической
системы на
основе ее принципиальной схемы составляют
расчетную схему, которая
отличается от принципиальной тем, что
на ней в одно­линейном
изображении показываются только те
элементы, по которым
возможно протекание аварийных токов
или их составля­ющих. При наличии в
расчетной схеме трансформаторов
целесо­образно
имеющиеся в ней магнитно-связанные цепи
представить одной
эквивалентной электрически связанной
цепью. Схема заме­щения
сложной электрической системы является
соединением схем
замещения отдельных ее элементов (см.
таблицу на с. 55). В ней
элементы соединены так же, как на
расчетной схеме.

После
составления схемы замещения рассчитываются
ее параметры
в именованных или относительных единицах,
затем полученные
значения приводятся к основной ступени
напряжения.

3.2.1. Система относительных единиц

Выражение
электрических величин в относительных
единицах широко
применяется в теории электрических
машин. Это обуслов­лено тем, что
представление любой величины не в
именованных, а относительных
единицах существенно упрощает
теоретические выкладки и придает
результатам расчета большую наглядность.

Под относительным
значением какой-либо величины следует
понимать ее отношение к другой одноименной
величине, принятой за базисную.
Следовательно, перед тем как представить
какие-либо

величины
в относительных единицах, надо выбрать
базисные единицы.

За
базисный ток и базисное линейное
напряжение примем некоторые
произвольные величины I₆,
U_б.
Тогда базисная мощ­ность трехфазной
цепи будет определяться формулой

а базисное
сопротивление – формулой

Отсюда
вытекает, что только две базисные
величины могут быть выбраны произвольно,
а остальные являются связанными.
Следо­вательно,
параметры электрической системы в
относительных базисных
единицах будут вычисляться по формулам

U_*б
= U/U₆, (3.1)

I_*б
= I/I_б, (3.2)

S_*
б
= S/S
_б, (3.3)

Z

_*б
= Z/Z
_б. (3.4)

Здесь
U,
I,
S,
Z
– параметры
в именованных единицах (В, А, ВА, Ом);
индексы означают следующее: * – величина
выражена в относительных
единицах; б – величина приведена к
базисным условиям.

Относительное
сопротивление можно определить иначе:

Z

_*б
= Z/Z
_б=(3.5)

Частным
случаем относительных базисных единиц
являются относительные
номинальные единицы, когда за базисные
приняты номинальные
единицы какого-либо элемента – U_HOM,
I_HOM,
S_HOM.
В
относительных
номинальных единицах выражаются
параметры генераторов,
двигателей, трансформаторов, реакторов.
В этом случае
пересчет к базисным условиям производится
следующим

(3.6)

3.2.2.
Приведение
параметров схемы к
основной ступени напряжения

При
наличии в расчетной схеме трансформаторов
возникает необходимость
приведения сопротивлений и ЭДС схемы,
находящихся
на разных ступенях трансформации, к
одной ступени, принятой
за основную. Приведение базируется на
известной теории
трансформатора, дающей для приведенных
параметров следующие
соотношения:

Ē=
(k₁k₂…k_n)E, (3.7)

Ū
=(k₁k₂…k_n)U, (3.8)

(3.9)

=(k₁k₂…k_n)²Z.

Здесь
под коэффициентом трансформации k
трансформатора
или
автотрансформатора понимается отношение
междуфазного напряжения холостого хода
его обмотки, обращенной в сторону
основной ступени напряжения, к аналогичному
напряжению его обмотки,
находящейся ближе к ступени, элементы
которой подлежат
приведению.

Приведение
в именованных единицах. Все
сопротивления элементов
схемы в этом случае должны быть выражены
в омах. Для
элементов, сопротивления которых
приведены в относи­тельных
номинальных единицах (генераторов,
трансформаторов и др.), выражения
сопротивлений будут следующими:

Сопротивления
некоторых элементов схемы ЭС, показанной
на рис. 3.2 (за основную принята ступень
220 кВ), определяются так: генератора
G

линии
L4

(3.10)

трансформатора
Т-4

(3.11)

Токи
и напряжения, рассчитываемые в схеме,
элементы кото­рой
приведены указанным образом, реальны
только для ее основ­ной
ступени. Истинные токи и напряжения на
других ступенях схемы
находятся пересчетом по выражениям
(3.8) и (3.9). Приведение
в относительных базисных единицах.
Выраже­ния
для сопротивлений некоторых элементов
схемы (приведенных к
ступени 220 кВ), показанной на рис. 3.2, в
относительных базис­ных
единицах имеют вид:

генератора
G

(3.12)

линии
L4

(3.13)

трансформатора
Т-4

(3.14)

Введем
коэффициенты трансформации из формул
(3.12) –(3.14) в базисное напряжение.
Полученные выражения имеют тот же
вид, что и (3.6):

где

U_б2=
U_б1(1/k₁)
U_б3=
U_б1(1/k₁k₂)
(3-15)

и
представляют собой базисные напряжения
на той ступени, где находится
приводимое сопротивление. Следовательно,
для расчета параметров
схемы в относительных базисных единицах
необходи­мо
выбрать базисные единицы для одной из
ступеней схемы, а затем
по
формулам
(3.15) определить базисные напряжения для
других
ступеней. При этом базисные токи на
каждой ступени рассчитываются следующим
образом:

Затем
в относительных базисных единицах
рассчитываются все величины
по выражениям (3.1) – (3.6), причем в каждом
из указанных
выражений под U_б,
I_б,
z₆
следует понимать базисные параметры
той ступени трансформации, на которой
находятся подлежащие
приведению величины.

В
рассмотренном приведении участвуют
действительные коэф­фициенты
трансформации, заданные в качестве
исходных величин. «Такое
приведение называется точным. В
практических расчетах применяется
приближенное приведение, позволяющее
упростить выражения, уменьшить объем
вычислений. Приближенное приведение
заключается в том, |что
для каждой ступени трансформации
устанавливают среднее
номинальное
напряжение U_cp
из
следующей шкалы напряжений:

515, 340, 230, 154, 115, 37,
24, 20, 18, 15.75, 13.8, 10.5, 6.3, 3.15, 0.69, 0.4, 0.23, 0.127 кВ.

При
этом принимается, что номинальные
напряжения всех эле­ментов, кроме
реакторов, находящихся на одной ступени,
одинако­вы
и равны £/_ср.
Коэффициент трансформации каждого
трансфор­матора
в этом случае равен отношению U_cp.B
/
U_cp.H(средненоминальных
напряжений высшей и низшей обмоток).
Коэффициент трансформации
каскада трансформаторов будет определяться
как отношение
средненоминальных напряжений крайних
ступеней, что упрощает
приведение.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Расчетная схема
При расчетах токов к. з. в установках высокого напряжения в расчетную схему вводятся все участвующие в питании к. з. генераторы и все элементы (трансформаторы, автотрансформаторы, воздушные и кабельные линии, реакторы) с учетом их связей как с местом к. з., так и между собой. Для удаленных станций, схемы которых неизвестны, следует принимать схему блока генератор — трансформатор, считая мощность такого блока равной мощности всей станции. Очень крупные источники (например, системы, смежные с рассматриваемой) можно вводить в схему как источники неограниченной мощности, т. е. можно считать, что напряжения в точках их присоединения к схеме остаются неизменными в течение всего процесса к. з. Так же без заметной погрешности могут быть введены в схему и менее мощные источники, если точка к. з. достаточно удалена от них.
Мелкие заводские и коммунальные электростанции, работающие параллельно с другими станциями системы, синхронные компенсаторы и крупные синхронные двигатели (мощностью 1 000 кВА и более) следует учитывать в качестве дополнительных источников питания только в тех случаях, когда они мало электрически удалены от точки к. з. и, следовательно, их участие существенно.
Нагрузки можно объединять в достаточно крупные группы (нагрузка района сети, нагрузка всей подстанции, нагрузка секции шин станции и т. п.). Учет асинхронных двигателей как дополнительных источников питания к. з. (см. раздел) производится только в тех случаях, когда они присоединены в непосредственной близости от места трехфазного к. з.

Исходные данные для составления схемы замещения
При составлении схемы замещения для вычисления токов трехфазного к. з. для отдельных элементов расчетной схемы должны быть известны:

1. Для генераторов, синхронных компенсаторов и двигателей — номинальные мощности (MBА), э. д. с. и индуктивные сопротивления. При вычислении начального тока к. з. или использовании расчетных кривых в схему замещения вводят сверхпереходные сопротивления . Средние значения , отнесенные к
номинальной мощности машины Sн:
Турбогенераторы 2,5-6 МВт ………………………………………………….0,11
Турбогенераторы 12-60 МВт ………………………………………………….0,14
Турбогенераторы 100-300 МВт ……………………………………………….0,19
Турбогенераторы 500 МВт ……………………………………………………..0,24
Турбогенераторы 800 МВт ……………………………………………………..0,31
Гидрогенераторы до 100 МВт с успокоительными обмотками ……….0,2
Гидрогенераторы до 100 МВт без успокоительных обмоток …………..0,27
Гидрогенераторы 225 МВт ……………………………………………………. 0,24
Гидрогенераторы 300-500 МВт ………………………………………………..0,31
Синхронные компенсаторы, синхронные и асинхронные двигатели….0,2

2. Для трансформаторов — номинальные трехфазные мощности и напряжения к. з. Uк %.
Пренебрегая активной составляющей падения напряжения в трансформаторе, следует принимать



Для трехобмоточных трансформаторов схема замещения имеет вид трехлучевой звезды, в которой сопротивления отдельных лучей определяют по формулам:

где и т. д. взяты по каталожным данным.
Для автотрансформаторов обычно задаются напряжением к. з. между обмотками высшего и среднего напряжений , отнесенное к номинальной мощности автотрансформатора Sн и напряжения к. з. между обмотками высшего и низшего напряжений и среднего и низшего напряжений , отнесенные к типовой мощности автотрансформатора Sт.

где α — коэффициент типовой мощности автотрансформатора; — коэффициент трансформации автотрансформатора.
Заданные напряжения короткого замыкания необходимо привести к номинальной мощности:

Далее может быть составлена трехлучевая схема замещения, как для обычного трехобмоточного трансформатора.

3. Для воздушных линий и кабелей: n — число параллельных цепей; x — индуктивное сопротивление каждой цепи при длине 1 км; l — длина линии, км.
Средние значения x составляют:
Для одноцепной воздушной линии
6-220 кВ ………………………………………………………………… х = 0,40 Ом/км
Для одноцепной воздушной линии 220-500 кВ при расщеплении на два провода в фазе:
индуктивное сопротивление ………………………………………. х = 0,32 Ом/км
емкостная проводимость …………………………………………. См/км
Для одноцепной воздушной линии 220-500 кВ при расщеплении на три провода в фазе:
индуктивное сопротивление ………………………………………. х = 0,28 Ом/км
емкостная проводимость …………………………………………. См/км
Для трехжильного кабеля 6-10 кВ ……………………………….. х = 0,08 Ом/км
Для трехжильного кабеля 35 кВ ………………………………… х = 0,12 Ом/км
Для одножильного маслонаполненного кабеля 110 кВ:
индуктивное сопротивление ……………………………………… х = 0,18 Ом/км
емкостная проводимость …………………………………………. См/км
При определении токов короткого замыкания в точках, находящихся за достаточно протяженными участками сети, когда , помимо индуктивных сопротивлений, следует учитывать также активные сопротивления этих участков.

4. Для простых реакторов — номинальное напряжение, номинальный ток, индуктивное сопротивление %.
На рис. 38-2 показаны условное обозначение (а) и схема замещения (б) сдвоенного реактора. На схеме обозначены (или ) — индуктивное сопротивление рассеяния ветви; задано в каталоге в процентах при номинальном токе одной ветви; k — коэффициент связи, учитывающий взаимную индукцию между ветвями.
При k=0,5 и одинаковой загрузке ветвей сквозная реактивность сдвоенного реактора равна ; реактивность расщепления .

5. Для нагрузки — номинальная мощность (MBА), индуктивное сопротивление обобщенной нагрузки, которое составляет — для начального момента к. з. (t=0); — для любого t>0.

Рис. 38-2. Сдвоенный реактор.

Схемы замещения трансформаторов и автотрансформаторов с расщепленными обмотками
При расщеплении обмотки низшего напряжения трансформатора или автотрансформатора на n обмоток (цепей) мощность каждой из них составляет 1/n номинальной мощности трансформатора. В формулах подсчета параметров схемы замещения, приведенных ниже, все сопротивления отнесены к номинальной мощности трехфазного трансформатора или группы однофазных трансформаторов.

1. Двухобмоточный трансформатор

Однофазный или трехфазный двухобмоточный трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения расщеплена на n цепей, показан на рис. 38-3, а.
При параллельной работе обмоток трансформатор характеризуют сквозным реактивным сопротивлением , равным (рис. 38-3,6), где — индуктивное сопротивление двухобмоточного трансформатора без расщепления обмотки.

Рис. 38-3. Двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой.

При раздельной работе обмоток схема замещения имеет вид, представленный на рис. 38-3, в, а параметры элементов схемы будут

Здесь — реактивное сопротивление расщепления, определяемое по напряжению к. з. между двумя цепями расщепленной обмотки, т. е.

Токоограничивающий эффект двухобмоточных трансформаторов с расщепленной обмоткой характеризуют коэффициентом расщепления

а) Однофазный двухобмоточный трансформатор
У этого трансформатора отдельные цепи расщепленной обмотки размещены на разных стержнях магнитопровода (рис. 38-4), поэтому они практически не имеют общих полей рассеяния.
Для однофазных трансформаторов союзного производства можно принимать

т. е. коэффициент расщепления равен

Рис. 38-4. Схема расположения обмоток однофазного трансформатора при расщеплении обмотки низшего напряжения на две цепи

Рис. 38-7. Схема замещения трехфазного трансформатора с расщепленной обмоткой низшего напряжения.

Тогда сопротивления элементов схемы замещения рис. 38-3, в будут

На рис. 38-5 представлены схемы замещения однофазного двухобмоточного трансформатора при расщеплении обмотки низшего напряжения на 2 и n цепей.

б) Трехфазный двухобмоточный трансформатор
В настоящее время изготовляют отечественные трехфазные трансформаторы классов напряжения 35, 110 и 220 кВ с расщеплением обмотки низшего напряжения на две цепи. Конструктивное расположение обмотки такого трансформатора показано на рис. 38-6. Цепи расщепленной обмотки низшего напряжения расположены на одном стержне магнитопровода и имеют общий магнитный поток рассеяния, не сцепленный с обмоткой высшего напряжения.
По данным испытаний трехфазные трансформаторы имеют коэффициент расщепления
Схема замещения трехфазного трансформатора при n=2 имеет вид трехлучевой звезды, как показано на рис. 38-7. Ее параметры можно получить из схемы рис. 38-3, в при и n = 2:

Рис. 38-5. Схемы замещения однофазного двухобмоточного трансформатора при расщеплении обмотки низшего напряжения на две (а) и n (б) цепей.

Рис. 38-6. Схема расположения обмоток трехфазного трансформатора при расщеплении обмотки низшего напряжения.

2. Трехобмоточный трансформатор и автотрансформатор

У трехобмоточных трансформаторов (рис. 38-8, а) обмотки высшего (В) и среднего (С) напряжений выполняют нерасщепленными, а обмотку низшего (Н) напряжения расщепляют на две цепи. Аналогично выполняют автотрансформаторы (рис. 38-8,б), у которых без расщепления выполнены последовательная и общая обмотки, а расщеплена третичная обмотка (обмотка низшего напряжения).
Схема замещения трехобмоточного трансформатора или автотрансформатора приведена на рис. 38-9. Сопротивления элементов схемы замещения определяют по выражениям:

В приведенных выражениях соответствуют напряжениям приводимым в каталоге для нерасщепленных трансформаторов. Обычно у автотрансформатора значения отнесены к типовой мощности; тогда следует привести их к номинальной мощности.

Рис. 38-8. Трехобмоточный трансформатор (а) и автотрансформатор (б) с расщепленной обмоткой низшего напряжения.

Рис. 38-9. Схема замещения трехобмоточного трансформатора или автотрансформатора с расщепленной обмоткой низшего напряжения

     Лекция 4.

       4. Представление  генераторов электроэнергии в схемах замещения

      Источниками электроэнергии в ЭЭС являются генераторы электричес-ких станций (ЭС), синхронные компенсаторы (СК), батареи статических кон-денсаторов (БСК).

      При расчетах установившихся режимов электрических сетей, генераторы представляются источником тока, подключенным  к шинам генераторного на-пряжения.   

                                                                                                                                   

При моделировании установившихся режимов, источники электроэнергии указываются в виде шин генераторного напряжения и характеризуют-ся параметрами: напряжением на шинах и мощ-ностью, передаваемой в сеть:

       В схемах замещения генераторные узлы могут задаваться следующим параметрами:

Рекомендуемые материалы

       а) постоянной мощностью

        P_Г = const; Q_Г = const

      Задание постоянной активной мощности соответствуют реальным усло-вииям роботы генератора с учетом действия системы регулирования частоты.

      Задание постоянной реактивной мощности не соответствует реальным условиям роботы так как генераторы не имеют устройств регулирования реак-тивной мощности.

       Неизвестными величинами при  такои задании являются напряжения  в узлах:

                               

         б) постоянная активная мощность и постоянный модуль напряжения

                              P_Г = const; U_Г = const

Переменные и неизвестные параметры –  реактивная мощность Q_Г  и  угол напряжения _г  в этом узле.

Если Q_Г = var и , то такое сочетание заданных параметров соот-ветствует генераторам электростанций. Если Q_Г = var и , то такое сочета-ние соответствует синхронному компенсатору (СК).

 СК – источник реактивной мощности (дополнительный), предназначенный для компенсации реактивных нагрузок с целью изменения потоков реактивной мощности в сети. Это позволяет влиять на уровни напряжения в узлах и на потери активной мощности в элементах сети.

Два режима роботы СК: 

а) режим перевозбуждения (генерация реактивной мощности);

б) режим недовозбуждения (потребление реактивной мощности).

  Узлы, в которых установлены регулируемые   источники реактивной мощ-ности являются балансирующими по реактивной мощности. С их помощью обеспечивается расчетный баланс реактивной мощности в сети.

   За счет регулирования  реактивной мощности в узле можно обеспечить фиксацию модуля напряжения в нём. Такие узлы называются узлами с  фиксацией модуля напряжения (узлы ФМ).

   Такие условия задания параметров в генераторном узле – постоянным напряжением при переменой реактивной мощности соответствуют реальным условиям роботы генератора или СК с регуляторами  напряжения(АРВ), поддерживающими  U_Г = const.

        в) задание постоянного модуля и угла напряжения

  U_Г = const;  .

    Переменные и неизвестные величины при этом – активная и реактивная мощность в узле  P_Г , Q_Г  –   var.

   Такие узлы, в которых зафиксирован вектор напряжения называются опорными по напряжению (узлы ФВ – с фиксацией вектора).

         Относительно напряжения этих узлов выполняются расчеты напряжения в остальных узлах сети. Таких уз-лов может быть в сети несколько, но не меньше одного. 

; 

Если задано значение U₀ , то можно определить напряжения в остальных узлах сети.

     Узлы в которых переменны P_Г  и  Q_Г  – это узлы балансирующее по мощности(БП). Их назначение – обеспечить расчетной баланс мощности в сети. Как правило, при расчетах выбирают один и тот же узел в качестве опорного по напряжению и балансирующего. Балансирующих узлов может быть в сети несколько, но не меньше одного.

     Использование балансирующих узлов обусловлено спецификой нели-нейных уравнений установившегося режима. В начале расчета и в ходе его не возможно задать значения параметров, при которых обеспечивается условие баланса мощности сети (баланс мощности – равенство генерируемой и потребляемой мощности в сети в любой момент времени). Возникает расчет-ный небаланс мощности, который устраняется по мере уточнения значений параметров в ходе итерационного расчета.

 Итоговая таблица: Способы задания исходных данных в узлах

Т.о. режим в узле характеризуя четырьмя основными параметрами:

активная мощность P;

реактивная мощность Q;

составляющие напряжения .

При расчетах, как правило, два из них заданы, остальные два – неизвестны.

2.  Коммутационные аппараты

Это устройства, с помощью которых осуществляется подключение под нагрузку или отключения элементов в электрической сети – генераторов, трансформаторов, ЛЭП, потребителей и др.

К ним относятся выключатели, разъединители.

Влияние коммутационных аппаратов на режим роботы электрической сети обусловливается их состоянием: включены или отключены. Это нужно учиты-вать при моделировании режимов. При отключении элементов сети, в част-ности ЛЭП, изменяются величины и направление потоков мощности, что влияет на режим цепи в целом.

Пример:

   При аварии на линии Л1 нужно включить секционный выключатель. Этим обеспечивается питание потребителя П1 от станции Г2.

   При расчетах обычно сопротивление коммутационных аппаратов прини-мается  равным    .

Пример составления  схемы замещения электрической сети

   Схема замещения электрической сети составляется на основе  исходной схемы электрических соединений из схем замещения её элементов, которые располагаются в последовательности их соединения в исходной схеме. Далее составляется расчетная схема сети, которая содержит всю исходную инфор-мацию о сети, необходимую для моделирования её режима.

    Исходная схема электрических соединений примера.

   Описание схемы:

          Схема разомкнута, включает элементы двух классов напряжений – 110кВ и 35кВ. Схема содержит три участка ЛЭП – 1 – 2, 2 – 3 и 3 – 4 и трансформи-рующий участок 4 – 5. Содержит пять узлов из которых три нагру-зочных(2,3,5), узел 1 является опорным по напряжению и балансирующий.

        Участки ЛЭП выполнены сталеалюминиевыми проводами марок АС -185,  АС -150 и  АС – 70, длины линий 70,50 и 60 км.

           Трансформатор мощностью 16000кВА, напряжение обмотки ВН – 110кВ.

       В узлах 2,3 и 5 – нагрузки мощностью 20+j15; 8+j7 и 12+j8 МВА.

Бесплатная лекция: “Неименованные каналы” также доступна.

       Схема замещения формируется из схем замещения элементов электри-ческой сети  и располагаются они в той же последовательности , что и эле-менты в схеме:

 

          Участки ЛЭП  1 – 2, 2 – 3 и 3 – 4  представляются  П – образными схема-ми замещения, трансформаторный участок 4 – 5 представляется Г – образной схемой. Так как участки ЛЭП – напряжением 110, то пренебрегаем активной составляющей их поперечной проводимости.

Далее нужно определить параметры элементов схемы замещения, используя справочные данные о марках проводов и типах трансформаторов.

      На основе схемы замещения составляется расчетная схема. Она содер-жит всю информацию о конфигурации электрической сети и параметрах схемы замещения, необходимую  для расчета её режима: