Курсовая работа «Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения»

Вид работы: Курсовая работа

Предмет: «Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения»

ВУЗ: «Тольяттинский государственный университет» (ТГУ)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 3

задание на курсовую работу.. 4

1. Расчет сверхпереходных и ударных токов трехфазного КЗ на сборных шинах ВН и НН подстанции.. 6

1.1 Составление схемы замещения и расчет ее параметров. 6

1.2 Расчет тока трехфазного короткого замыкания на ступени ВН.. 10

1.3 Расчет ударного тока короткого замыкания. 12

1.4 Расчет тока трехфазного КЗ на ступени НН.. 16

2. Расчет тока трехфазного КЗ на ступени 0,4 кВ.. 18
3. Расчет несимметричного короткого замыкания.. 20

3.1 Построение схем различных последовательностей. 20

3.2 Правило эквивалентности прямой последовательности. 23

3.3 Расчет практическим методом установившегося режима однофазного короткого замыкания. 23

3.4 Расчет коэффициентов тяжести аварий. 26

Заключение. 27

Список литературы.. 28

Введение

Короткие замыкания являются одним из видов аварийных режимов, возникающих в системах электроснабжения. Их возникновение способно приводить к резким возрастаниям токов в токоведущих частях, снижению напряжения и разрывам в схемах СЭС вследствие перегрева проводников.

При этом зачастую могут наблюдаться проявления таких явлений, как перегрев токоведущих частей, механические повреждения, возникновение помех в линиях связи, перерывы в электроснабжении потребителей, нарушения технологических режимов работы предприятий и как следствие – выпуск бракованной продукции.

«Причинами КЗ могут являться — старение изоляции, её повреждения, ошибки оперативного персонала, а также перенапряжения в схемах. Снижение числа коротких замыканий, их тяжести и продолжительности – важнейшая задача в обеспечении надежности электроснабжения потребителей»[1].

При проектировании схем электроснабжения необходимо производить расчет токов короткого замыкания в характерных точках схемы. После определения токов КЗ и их характеристик переходят к проектированию схем защит и релейной автоматики.

В данной курсовой работе будет проведен расчет сверхпереходных и ударных токов КЗ трехфазных на шинах ВН и НН, а также на стороне 0,4 кВ. Кроме того, будут рассмотрены несимметричные короткие замыкания на стороне ВН и рассчитаны коэффициенты тяжести аварий для соответствующих видов НКЗ.

Задание на курсовую работу

1.Рассчитать  сверхпереходные и ударные токи трехфазного КЗ на сборных шинах ВН и НН подстанции, построить график I_П=f(t) для КЗ на шинах ВН. Вид схемы выбирается по варианту D. Ударные коэффициенты взять приближённо из таблицы 7«Усредненные значения ударного коэффициента при коротком  замыкании в различных точках электрической системы» текста для учебника.

2.Рассчитать ток трёхфазного короткого замыкания  на стороне 0.4 кВ для выбора оборудования. Обмотки НН (10 кВ) трансформаторов Т2 считать источником постоянного напряжения. Достаточно рассмотреть одну из параллельных ветвей.

3.Рассчитать сверхпереходные токи несимметричных КЗ на стороне ВН. Группы соединений трансформаторов взять из методических указаний. Рассчитать ударные токи и коэффициенты тяжести аварии.

Примечания:

1. Доаварийным режимом короткого замыкания считать холостой ход;
2. Синхронные двигатели можно не учитывать.
3. Результаты расчетов свести в сводные таблицы в конце каждого пункта курсовой.

1. Расчет сверхпереходных и ударных токов трехфазного КЗ на сборных шинах ВН и НН подстанции

1.1 Составление схемы замещения и расчет ее параметров

Для составления схемы замещения на основе заданной схемы СЭС заменим все элементы схемы своими сверхпереходными параметрами.используем стандартные типовые формулы для соответствующих элементов цепи.

Для расчета базисную мощность S_б примем равной 1000 МВА.

 

Эквивалентную схему замещения, полученную в результате проведенных преобразований необходимо привести к более удобному виду. Для этого преобразуем в схеме все параллельные ветви в эквивалентные и найдем параметры новых ветвей.

Полученная в результате проведенных преобразований схема приведена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема замещения

Теперь, необходимо выполнить преобразование последовательно соединенных элементов на схеме в эквивалентные им сопротивления.

В результате проведенных преобразований получим схему, представленную на рис. 3.

Рис. 3. Полученная схема замещения

Как видим, на последней схеме (рис. 3) имеется пассивная звезда, которую на следующем этапе необходимо преобразовать в треугольник сопротивлений,не учитывая сопротивление между генератором и двигателем.

Приведем итоговую получившуюся схему замещения, которая представлена на рис. 4.

Рис. 4. Преобразованная схема замещения в виде трехлучевой звезды

Таким образом, в результате преобразований была получена схема замещения исходной СЭС в виде трелучевой звезды.

1.2 Расчеттокатрехфазного короткого замыкания на ступени ВН

Для расчета сверхпереходного тока от питающих элементов СЭС будем использовать закон Ома:

Значения для источников питания Е’’_G, Е’’_C и Е’’_СD взяты из Приложения 1:  Е’’_G = 1,0 (Х.Х.); Е’’_C = 1,0; Е’’_СD = 1,1.

Перейдем к определению полного тока в точке КЗ:

Тогда, базисный и полный ток в точке КЗ в именованых единицах будет равен:

I_б=;   I’’_{К, кА}= I’’_КI_б= 4.542.624

Для определения периодической слагающей тока КЗ во времени:

1. Ток от системы остается постояннымI_С=const=636, так как он не имеет зависимости от момента времени переходного процесса:
2. Подпитка КЗ со стороны синхронных двигателей мала (меньше 5 процентов суммы токов других ветвей), следовательно ею будем пренебрегать.
3. Ток от генераторов передающей станции, который находят по расчетным кривым.

При нахождении зависимости тока КЗ от генераторов передающей станции от времени будем использовать метод расчетных кривых [1-3]. Суть этого метода заключается в определении по графикам расчётных кривых (построенных для конкретного типа генератора) периодической составляющей тока КЗ в определенные моменты времени при конкретных значений Х_РАСЧ, определяемое по формуле:

X_РАСЧ=

По расчетным кривым [1,2] для гидрогенератора без автоматического регулирования возбуждения (АРВ) необходимо определить токи с пересчетом на “старый базис”.

t=0           I_г0’’=2,78*( 3_*Р_H/(Sб*cosφ_н))=2,78_*3_*100/(0,81_*1000)=1.03

t=0,1        I_г0,1’’=2,6*(3_*Р_H/(Sб*cosφ_н))=2,6_*3_*100/(0,81_*1000)=0.963

t=0,2        I_г0,2’’=2,5*(3_*Р_H/(Sб*cosφ_н))=2,5_*3_*100/(0,81_*1000)=0.926

t=          I_г∞’’=2,7*( 3_*Р_H/(Sб*cosφ_н))=2,7_*3_*100/(0,81_*1000)=1

Определим полный ток в точке КЗ:

I_K0’’= I_г0’’+I_C’’=1.03+3.636=4.666;

I_K0,1’’= I_г0,1’’+I_C’’=4.599;

I_K0,2’’= I_г0,2’’+I_C’’=4.562;

I_K∞’’= I_г∞’’+I_C’’=4.636.

Теперь можем определить полный ток в именованных единицах:

I_K0’’=4.666_*2.624=12.245 кА;

I_K0,1’’=4.599_*2.624=12.07 кА;

I_K0,2’’=4.562_*2.624=11.973 кА;

I_K∞’’=4.636_*2.624=12.167 кА.

Проведя расчет токов, построим график I_П=f(t) для КЗ на шинах ВН, используя полученные значения (рис. 5).

1.3 Расчет ударного тока короткого замыкания

С целью введения в схему СЭС необходимых активныхсопротивлений найдем из таблиц [1-2] средние отношения (Х/R)_СР из которых, в свою очередь находим R.

В результате преобразований получим эквивалентную активную схему замещения СЭС для нахождения ударного тока КЗ на рис. 6.

Рис. 6. Активная схема замещения СЭС для нахождения ударного тока КЗ

Далее, необходимо будет преобразовать полученную в результате преобразований схему (рис.6) аналогично эквивалентной схеме замещения, состоящей из реактивных сопротивлений.

Итоговая схема замещения для нахождения ударного тока представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема замещения СЭС для нахождения ударного тока

По графику К_У [1-2] для соотношений Х/R определяем ударный коэффициент для питающих элементов системы:

Для генератора:

Для системы:

Для синхронного двигателя:

Используя рассчитанные ударные коэффициенты, значения токов от питающих элементов системы можем определить ударный ток от этих элементов:

Таким образом, полный ударный ток в точке КЗ определяется по формуле:

Теперь можем определить ударный ток в именованных единицах:

2. i_{y. кА}=i_Y*624=31.63 кА.

1.4 Расчет тока трехфазногоКЗ на ступени НН

Для получения расчетной схемы при определении тока трехфазного КЗ на ступени НН (10 кВ) следует применить эквивалентную схему замещения, параметры которой были найдены на стороне ВН. Переопределенные сопротивления обозначим двумя штрихами, чтобы отличать их от найденных ранее.

Далее, необходимо преобразовать пассивную «звезду» в «треугольник» (рис. 8, б).

Рис. 8. Схемы замещения СЭС для расчёта тока КЗ на стороне НН

Для нахождения значений токов от питающий элементов схемы воспользуемся законом Ома:

Теперь можем определить полный ток в точке КЗ:

Далее, найдем полный ток в точке КЗ в именованных единицах:

I_б= S_б/*U_{H, НН}=1000/*11=52.486 кА.

I_К[кА]’’= I_К’’*I_б=42.147 кА.

При нахождении ударного токабудем использовать стандартные формулы, учитывая, что ударные коэффициенты необходимо брать из расчета ступени ВН:

• Для синхронного двигателя К_У=1,82
• Для генератора К_У=1,74
• Для системы К_У=1,91

Полный ударный ток находится по формуле:

В именованных единицах:

i_{y [kA]}= i_y*I_б=2.113*52.486 =110.908 кА.

2. Расчет тока трехфазного КЗ на ступени 0,4 кВ

Прежде, чем приступить к расчету параметров схемы замещения на стороне 0,4 кВнеобходимо учесть, что в СЭС имеется две параллельные ветви, а подпитка места КЗ идет с двух сторон:

• со стороны шин 10 кВ
• со стороны асинхронного двигателя и нагрузки.

Параметры Е’’_ВН и х_ВН определяется свертыванием схемы замещения рассчитанной на стороне НН (10 кВ).

Рис. 9. Схемы замещения СЭС для расчёта тока КЗ на ступени 0,4 кВ

=1.249

Поскольку точка КЗ расположена  на ступени ниже 1000 В, то все расчёты будем вести в именованных единицах (U_б =0,4 кВ) и параметры рассчитываются по соответствующим типовым формулам.

Определим суммарное сопротивление со стороны питающей системы:

х_ВН = х_ВН * U²_б / S_б = 1.249· 0,4²/1000= 1.999∙10^-4 Ом

Найдем сопротивления кабельных линий:

х_КЛ1 = 1/2* х₀ * l_1*U²_б / U²_Н =  0,08∙0,25∙0.4²/(11²_*2) = 1.322∙10^-5 Ом

r_КЛ1 = 1/2*r₀ * l₁ * U²_б / U²_Н = 3.6∙0,25∙0,4²/(11² _*2)= 0.6∙10^-3 Ом

х_КЛ2 = х₀ * l_{2  *}U²_б / (U²_{Н *}2)= 0.08∙0,035∙0,4²/(0,4²_*2)= 0,001 Ом

r_КЛ2 = r₀ * l_{2   *}U²_б / (U²_Н*2)= 2,05∙0,035∙0,4²/(0,4²_*2) = 0.03588 Ом

Далее рассчитаем сопротивления трансформатора:

z_ТЗ = 1/2* [(u_КЗ/100)*(U_б²/S_н)] = 1/2 [(5.5/100)*(0,4²/2)] =2.2∙10^-3   Ом

r_ТЗ = 1/2(ΔP_КЗ*U_б²/S_н²) = 1/2(0.05*0,4²/2²) = 1*10 ^-3     Ом

х_ТЗ= =19.6*10^-4 Ом

Сопротивления автоматов, трансформаторов тока и контакторов зависят от класса напряжения:

х_А = 0,45*10^-4   Ом ,  r_А = 0,6*10^-4 Ом – сопротивление автоматов;

r_ТТ = 2*10^-4   Ом, x_ТТ = 3,5*10^-4   Ом – сопротивления трансформаторов тока;

r_К = 150*10^-4   Ом – сопротивление контакторов.

Суммарные сопротивления схемы:

х_сум=х_ВН+х_КЛ1+х_КЛ2+х_А+х_ТТ+х_Т3=0.004Ом

r_сум =r_КЛ1+r_КЛ2 + r_А + r_ТТ + r_Т3 +r_К=0.088Ом

z_сум= = 0.088  Ом

Ток подпитки КЗ со стороны системы:

I_Ксис = U_б/(* z_сум) =  0,4/(·0.088) = 2.621 кА

Найдем ток  от  асинхронных двигателей:

, где ,  — взяты из таблицы средних значений

кА

Определим ток  от  нагрузки:

, где ,  — взяты из таблицы средних значений [1,2]

кА

Тогда общий ток в точке КЗ:

I_ксум= I_Ксис + I’’_АД + I’’_н =2.621+9.17+7.011=18.802кА

Для отношения Х_сум / r_сум = 0.045         —  ударный коэффициент       k_усис = 1.

Теперь можем рассчитать ударный ток от элементов схемы:

i_Усис= К_Усис** I_Ксис =1**2.621=3.707 кА

i_УАД=К_У**I’’_АД=1.3**9.17=16.859кА

i_УН=К_У**I’’_н=1**7.011=9.915кА

Суммарный ударный ток в точке КЗ:

i_yсум = i_Усис + i_УАД + i_УН = 30.481kA

3. Расчет несимметричного короткого замыкания

3.1 Построение схем различных последовательностей

Схема прямой последовательности (рис.10)  соответствует схеме для расчета трехфазного КЗ в этой точке  на стороне ВН (U_н = 220 кВ).

Для дальнейшего расчета полученную схему (рис.10,а) необходимо преобразовать к виду (рис.10, б):

Схема обратной последовательности соответствует схеме (свернутой) прямой последовательности в которой отсутствуют все источники ЭДС.

Рис. 11. Схемы замещения обратной последовательности для расчёта тока НКЗ

Х_2Σ=Х” _1Σ=0.22

Составление схемы нулевой последовательности будем вести с учетом способа соединения фаз образующих ее элементов. Двухобмоточный  трансформатор должен включаться в схему замещения с учетом конструкции магнитопровода и группы соединения обмоток (в нашем случае – полностью всеми обмотками).

Включение в схему автотрансформатора и трехобмоточного трансформатораследует производить аналогично двухобмоточному, только одна из его обмоток всегда заземлена (в нашем случае – войдут только обмотки высокого и низкого напряжения). Параметры линии также определяются ее конструкцией (это моделируется  изменением коэффициента d). В нашем случаедвухцепная линия с грозозащитным тросом  имеет d₂= 4,7, а без него — d₁=5,5. Из-за способа соединения обмоток в схеме отсутствуют x_Г, x_СД, и x_ТС.

Рис.12. Схемы замещения нулевой последовательности для расчёта тока НКЗ

Найдем сопротивления нулевой последовательности:

Х_Л1(0)= d₂•Х_Л1=4.7•0.3616=1.699,

Х_Л2(0)= d₂•Х_Л2=4,7•0.241=1.133,

Х_Л3(0)= d₂•Х_Л3=4,7•0.1808=0.85,

Х_Т2=0.3,  Х_Т1=0,875; Х_ТВ=0.958, Х_ТН=0.875, Х_С=0,125

3.2 Правило эквивалентности прямой последовательности

Учитывая произведенные определения суммарных сопротивлений схем прямой, обратной и нулевой последовательностей необходимо приступить к расчету тока несимметричного КЗ. Токи и напряжения всех последовательностей пропорциональны току прямой последовательности в точке НКЗ.

Если не учитывать дугу в точке КЗ (металлическое КЗ), то согласно правилу эквивалентности прямой последовательноститок прямой последовательности (для особой фазы А) имеет вид:

где добавочные сопротивления (шунта) зависят от вида НКЗ):

• для однофазного КЗ: ∆X⁽¹⁾=∆X¹⁾=X_Σ2+X_Σ0=0.22+0.362=0.582;
• для двухфазного КЗ: ∆X⁽²⁾=∆X⁽²⁾=X _Σ2=0.22;
• для двухфазного КЗ на землю: .

Фазный ток в точке КЗ аварийной фазы принято находить путем умножения тока особой фазы А на фазный коэффициент m⁽ⁿ⁾ [1,2].

где фазный коэффициент определяют:

• для однофазного КЗ: m⁽¹⁾=3
• для двухфазного КЗ: m⁽²⁾=
• для двухфазного КЗ на землю:

3.3 Расчетпрактическим методом установившегосярежима однофазного короткого замыкания

Ток прямой последовательности для особой фазы А однофазного замыкания в первоначальный момент времени возникновения КЗ найдем по формуле:

Фазный ток сверхпереходного режима:

В именованных единицах:

Методика расчета несимметричных КЗ в установившемся режиме аналогична сверхпереходному, с той лишь разницей, что все элементы схемы должны быть замещены своими синхронными параметрами.

Схема прямой последовательности определяется на основании эквивалентной схемы замещения (для упрощения расчета влиянием АРВ пренебрегаем). Параметры схемы рассчитываются по стандартным формулам [1,2] для соответствующего элемента цепи. Все параметры синхронных машин замещаются своими синхронными параметрами:

х_г∞ =

Когда определены все параметры эквивалентной схемы замещения нужнопривести ее к виду более удобную для последующих расчетов:

Рис. 14. Схемы прямой последовательности установившегося режима НКЗ

При дальнейшем расчете этой схемыследует преобразовать ее к виду:

Поскольку, при составлении схем обратной и нулевой последовательностей, её элементы не зависят от момента времени переходного процесса, то  для них справедливы равенства:

Х_Σ2 =Х”_Σ1=0.22

Х_Σ0= 0,362

В этом случае сопротивление шунта остаётся таким же:

∆X⁽¹⁾=∆X⁽¹⁾=X_Σ2+X_Σ0=0.22+0.362=0.582

Поэтому для особой фазы А ток прямой последовательности

Определим фазный ток:

Таким образом, в именованных единицах:

Теперь можем определить ударный ток в точке КЗ (приближенная оценка k_у = 1.91)

i_у = k_уI⁽¹⁾ _кA = 1.91∙∙9.4 = 25.391 кA

3.4 Расчет коэффициентов тяжести аварий

Для определения того, какой из видов короткого замыкания наиболее опасен необходимо определить коэффициенты тяжести аварий, которые рассчитываются по формуле (для случая сверхпереходного режима):

После подстановки в это выражение найденные ранее значения имеем для первоначального момента возникновения НКЗ:

Для однофазного КЗ:

Для двухфазного КЗ:

Для двухфазного К.З. на землю:

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет сверхпереходных и ударных токов КЗ трехфазных на шинах ВН и НН, а также на стороне 0,4 кВ. Кроме того, были рассмотрены несимметричные короткие замыкания на стороне ВН и рассчитаны коэффициенты тяжести аварий для соответствующих видов НКЗ.

Результаты расчетов были оформлены в виде сводных таблиц по каждому из разделов. Как следует из полученных в результате расчетов данных, самым опасным НКЗ является двухфазное замыкание на землю, но ввиду того, что коэффициент тяжести для данного КЗ меньше единицы, то наиболее опасным осталось трехфазное КЗ. Следовательно именно его ударный ток остаётся для выбора оборудования СЭС на стороне ВН.

Выполнение данной курсовой работы позволило закрепить ранее полученные теоретические знания о системах электроснабжения и методике расчета коротких замыканий. Были получены практические навыки по расчету различных видов коротких замыканий: трехфазных, несимметричных КЗ и др.

Список литературы

1. Сенько В.В. Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения. Методические указания к курсовой работе. – Тольятти: ТГУ. – 40 с.
2. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. — М: Энергия, 1970, — 520 с.
3. Ульянов С.А. Сборник задач по электромагнитным переходным процессам в электрических системах. — М: Энергия, 1968, — 495 с.
4. Воробьев Г.В., Тепикина Г.М., Титова М.В., Володина Т.В., Пьянова Л.А., Феопентова Н.В. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Методические указания к курсовому проектированию. — Тольятти, 1983. — 75 с.

Прикрепленные файлы:

kommentarii_prepodavatelya

1_Gotovaya

Gotovaya

V_rabote

Алгоритм получения вариантов

Бланк задания на курсовую работу

Данные вариантов задания

Методические указания к КР ЭМЭМППЭЭС