Главная | Обратная связь

Продолжение прил. 1

Сапов, А.С.

С 194Производство и передача электроэнергии : метод. пособие по решению задач / А.С. Сапов, Д.М. Подлесный. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. – 51 с.: илл.

 

Методическое пособие соответствует ФГОС ВПО по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» для всех специализаций по дисциплине «Производство и передача электроэнергии».

Изложены основные теоретические положения по четырем разделам курса.

Рассмотрены основные методы выбора и проверки электрооборудования, обеспечивающего производство и передачу электроэнергии.

В приложениях представлен необходимый справочный материал, варианты задач и исходные данные для выполнения контрольной работы (студентам-заочникам).

Предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Производство и передача электроэнергии», может быть полезно студентам, обучающимся по специальности 190901 «Системы обеспечения движения поездов» (специализация «Электроснабжение железных дорог», дисциплина «Тяговые и трансформаторные подстанции»).

 

УДК 621.31 (075.8)

ББК З 2я73

© ФГБОУ ВПО ДВГУПС, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Электроэнергетика – ведущая составляющая часть энергетики, обеспечиваю­­щая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электроэнергии.

Электроэнергия занимает особое место в промышленности любой страны, это объясняется такими её преимуществами перед энергией других видов, как относительная лёгкость передачи на большие расстояния и распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). Отличительной особенностью электроэнергии является одновременность её генерирования и потребления.

Основная часть электроэнергии вырабатывается крупными электростанциями, которые объединены между собой и с потребителями высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП) и образуют электрические системы.

Электрическая станция – это совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории.

В методическом пособии кратко изложены основные методы выбора и проверки электрооборудования, обеспечивающего производство и передачу электроэнергии. В приложениях представлены необходимые справочные материалы. В теоретической части рассмотрены основные положения, включающие в себя ряд следующих вопросов: определение основных технико-экономических показателей по графику активных нагрузок; проверка шинных конструкций и изоляторов на электродинамическую стойкость; проверка токоведущих частей на нагрев в режиме короткого замыкания; выбор сечения шин открытого участка токопровода в цепи генератора по условию продолжительного режима работы.

Для закрепления теоретического материала, представлены практические задачи.

Кроме того, студенту-заочнику надлежит выполнить контрольную работу, состоящую из двух задач (см. прил. 4).

 

1. Определение основных технико-экономических показателей по графику активных нагрузок

1.1. Общие положения

Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а следовательно, и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электростанций в энергосистеме, непрерывно меняется. Принято отражать этот факт графиком нагрузки, т. е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени.

По виду фиксируемого параметра различают графики активной Р, реактивной Q, полной S мощностей и тока I электроустановки.

Как правило, графики отражают изменение нагрузки за определенный период времени. По этому признаку их подразделяют на суточные (24 ч), сезонные, годовые и др.

По месту изучения или элементу энергосистемы, к которому они отно­сятся, графики подразделяют на следующие группы:

– графики нагрузки потребителей, определяемые на шинах подстанций;

– сетевые графики нагрузки, определяемые на шинах районных и узловых подстанций;

– графики нагрузки энергосистемы, характеризующие результирующую нагрузку энергосистемы;

– графики нагрузки электростанций.

Графики электрических нагрузок позволяют правильно подойти к выбору основного оборудования подстанций – трансформаторов, компенсирующих устройств, кабелей и наметить наиболее экономичный режим их работы [1].

В условиях действующего предприятия графики электрических нагрузок помогают выявить основные показатели электрических нагрузок, которые необходимы для проектирования электроснабжения аналогичных производств.

Рассмотрим суточный и годовой графики нагрузок электростанций [2].

 

1.1.1. Суточный график нагрузки электростанций

Просуммировав графики нагрузки потребителей и потери распределения вэлектрических сетях в целом по энергосистеме, получают результирующий график нагрузки электростанций энергосистемы.

График нагрузки генераторов энергосистемы строят на основе графика мощности, отпускаемой с шин, учитывая при этом дополнительный расход электроэнергии на собственные нужды. При значительных колебаниях нагрузки электростанций необходимо учитывать переменный характер потребления собственных нужд [2]:

, (1.1)

где –мощность, отдаваемая с шин станции, МВт; – установленная мощность генераторов, МВт; – максимальный расход на собственные нужды, МВт; коэффициенты 0,4 и 0,6 приближенно характеризуют соответственно долю постоянной ипеременной части расхода на собственные нужды .

Нагрузка между отдельными электростанциями распределяется таким образом, чтобы обеспечить максимальную экономичность работы в целом по энергосистеме. Исходя из этих соображений, диспетчерская служба энергосистемы задает электростанциям суточные графики нагрузки.

В качестве примера на рис. 1.1 приведены суточные графики: подстанции с преимущественно осветительной нагрузкой (а); предприятия легкой промышленности с работой в две смены (б); нефтеперерабатывающего завода с работой в три смены (в).

 

 

Рис. 1.1. Суточные графики потребителей электроэнергии: а – подстанция
с преимущественно осветительной нагрузкой; б – предприятие легкой промышленности
с работой в две смены; в – нефтеперерабатывающий завод с работой в три смены

 

Графики электрических нагрузок предприятий различных отраслей промышленности, городов, рабочих поселков позволяют прогнозировать ожидаемые максимальные нагрузки, режим и размеры потребления электроэнергии, обоснованно проектировать развитие системы. Чем равномернее графики нагрузки потребителей, тем равномернее и график нагрузки электрической системы в целом, тем легче обеспечить экономичную работу электростанций [3].

 

1.1.2. Годовой график продолжительности нагрузок

Цель годового графика продолжительности нагрузок – показать длительность работы установки в течение года с различными нагрузками. По оси ординат откладывают нагрузки в соответствующем масштабе, по оси абсцисс – часы года от 0 до 8760. Нагрузки на графике располагают в порядке их убывания от Р_maxдо Р_min(рис. 1.2).

 

 

Рис. 1.2. Годовой график продолжительности нагрузок

 

Построение годового графика продолжительности нагрузок производится на основании известных суточных графиков.

На рис. 1.3 показан способ построения графика при наличии двух суточных графиков нагрузки – зимнего (183 дня) и летнего (182 дня).

Для наиболее распространенных потребителей электроэнергии в справочниках приводятся типовые графики активной и реактивной нагрузок по продолжительности [2].

 

 

Рис. 1.3. Способ построения годового графика продолжительности нагрузок

 

Графики активных нагрузок для определения основных технико-эконо­ми­чес­ких показателей установки служат для расчетов потерь электроэнергии, оценки использования оборудования в течение года и т. д. [1].

1.2. Технико-экономические показатели,
определяемые на основании графиков нагрузки

Площадь, ограниченная кривой графика активной нагрузки (рис. 1.3), численно равна произведенной или потребленной электроустановкой электроэнергии за рассматриваемый период, МВт·ч:

 

, (1.2)

 

где – мощность i-й ступени графика, МВт; – продолжительность i-й ступени, ч.

Средняя нагрузка электроустановки за рассматриваемый период, МВт, определяется по формуле:

, (1.3)

 

где – электроэнергия за рассматриваемый период, МВт·ч; –длительность рассматриваемого периода, ч.

Степень неравномерности графика работы установки оценивают коэффициен­том заполнения по формуле:

(1.4)

Коэффициент заполнения графика нагрузки показывает, во сколько раз выработанное (потребленное) количество электроэнергии за рассматри­ваемый период (сутки, год) меньше того количества энергии, которое было бы выработано (потреблено) за то же время, если бы нагрузка установки все время была максимальной. Разумеется, что чем равномернее график, тем ближе значение к единице.

Для характеристики графика нагрузки электроустановки можно воспользовать­ся также условной продолжительностью максимальной нагрузки:

 

(1.5)

 

Величина показывает, сколько часов за рассматриваемый период Т (обычно год) установка должна была бы работать с неизменной макси­мальной нагрузкой, чтобы выработать (потребить) действительное количе­ство электроэнергии за этот период времени. Определение величины проиллюстрировано на рис. 1.2.

На практике применяют также коэффициент использования установленной мощности:

(1.6)

В формуле (1.6) под следует понимать суммарную установленную мощность всех агрегатов, включая резервные.

Коэффициент использования характеризует степень использования установленной мощности агрегатов.

 

1.3. Пример 1. Определение технико-экономических показателей
по графику активных нагрузок

Исходные данные для расчета:

На рис. 1.4 изображены суточные графики нагрузок P = f(t) потребителей подстанции (зимний – сплошной, летний пунктирной линией). Мощность представлена в относительных единицах. Максимальная активная мощность . Количество зимних и летних дней: n_З = 165 дней, n_Л = 200 дней.

Требуется:

§ построить зимний и летний графики нагрузок в именованных единицах;

§ построить годовой график продолжительности нагрузок подстанции;

§ определить основные технико-экономические показатели.

Решение:

1. Построение графика по продолжительности начинается с максимальной нагрузки подстанции , длительность которой в течение года определяется по летнему суточному графику.

, где – длительность действия первой (максимальной) нагрузки подстанции (для первой нагрузки ч).

 

 

Аналогичным образом производится расчет для характерных участков (рис. 1.4).

 

 

Рис. 1.4. Суточный график активных нагрузок в относительных единицах:
– зимний график (165 дней); – летний график (200 дней)

 

Далее строим график в именованных единицах (рис. 1.5).

 

 

Рис. 1.5. Суточный график активных нагрузок в именованных единицах:
– зимний график (165 дней); – летний график (200 дней)

 

Полученные данные сводим в табл. 1.1.

Таблица 1.1

 

Определение величин Т1, для построения годового графика нагрузок
по продолжительности и расчет энергии, отпущенной с подстанции за год

Нагрузка	Продолжительность действия нагрузки, ч	Продолжительность ступени	Электроэнергия , МВт·ч
Проц.	МВт	зимней (tЗ)	летней (tЛ)
		–		8·200 = 1600	70·1600 = 112000
		–		4·200 = 800	63·800 = 50400
				12·165 + 4·200 = 2780	56·2780 = 155680
				4·165 + 8·200 = 2260	42·2260 = 94920
			–	8·165 = 1320	35·1320 = 46200
Итого:

 

На основании данных табл. 1.1 строим годовой график продолжительности нагрузок (рис. 1.6).

2. На основании годового графика продолжительности нагрузок определяются основные технико-экономические показатели:

§ площадь графика, численно равная энергии, МВт·ч, потребленной за год:

 

= 459200;

 

§ средняя нагрузка за год, рассчитываемая по формуле (1.3)

 

;

§ коэффициент заполнения, определяемый по формуле (1.4):

 

;

 

§ условная продолжительность использования максимальной нагрузки, ч:

 

ч.

 

 

Рис. 1.6. Годовой график продолжительности нагрузок

 

Вывод

По заданному суточному графику активных потребителей подстанции были построены зимний и летний графики нагрузок в именованных единицах, а также годовой график продолжительности нагрузок, на основании которого определены основные технико-экономические показатели.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Каково назначение графиков нагрузки? Их виды.

2. Каков принцип построения годового графика продолжительности нагрузок?

3. Как по графику активных нагрузок можно определить основные технико-экономические показатели?

4. В каком порядке осуществляется расчет условной продолжительности использования максимальной нагрузки?

2. ПРОВЕРКА ШИННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ

2.1. Общие положения

Под электродинамической стойкостью шинной конструкции следует понимать свойство конструкции выдерживать без повреждения механические воздействия, создаваемые токами короткого замыкания (КЗ) [4].

Расчет электродинамической стойкости шинных конструкций следует проводить с учетом расчетной механической схемы.

Необходимо различать следующие системы [5]:

· статические, обладающие высокой жесткостью системы, у которых шины и изоляторы при КЗ остаются неподвижными;

· динамические системы с жесткими опорами, у которых при КЗ шины колеблются, а изоляторы можно считать неподвижными;

· динамические системы с гибкими проводами.

Расчетные схемы шинных конструкций различных типов, обладающих высокой жесткостью, имеют вид многопролетной балки, лежащей или закрепленной на жестких опорах и подвергающейся воздействию равномерно распределенной нагрузки. Различают следующие основные типы шинных конструкций и соответствующие им расчетные схемы [5, 6]:

1. Шинные конструкции с разрезными шинами, длина цельных (или сварных) участков которых равна длине пролета. Расчетной схемой пролета таких конструкций служит балка с шарнирным опиранием на обоих опорах пролета. Обычно такой расчетной схеме отвечают шинные конструкции 110 кВ и выше.

2. Шинные конструкции с разрезными шинами, длина которых равна длине двух пролетов. Расчетная схема пролета такой конструкции представляет собой балку с жестким опиранием (защемлением) на одной и шарнирным опиранием на другой опоре пролета. Эта конструкция иногда находит применение в распределительном устройстве (РУ) 110…220 кВ, реже – до 35 кВ.

3. Многопролетные конструкции с неразрезанными (цельными или сварными) шинами. Средние пролеты ошиновки отвечают расчетной схеме балки с жестким опиранием (защемлением) на обеих опорах пролета. Конструкции широко используются в РУ до 35 кВ.

4. Шинные конструкции с разрезанными шинами, длина которых равна двум, трем и более пролетам, без жесткого крепления на промежуточных опорах.

перечисленные выше расчетные схемы шинных конструкций представлены в табл. 2.1 [5].

 

Таблица 2.1

Расчетные схемы шинных конструкций

Номер схемы	Расчетная схема	Тип балки и опоры	Коэффициенты
λ	β	r1
		Однопролетная: А и В – изолятор-опоры			3,14
		Однопролетная: А – защемленная шина; В – изолятор-опора		1,25	3,93
		А и В – защемленная шина на жестких опорах			4,73
		Балка с двумя пролетами		1,25	3,93
		Балка с тремя и более пролетами	*10 **12	1,13	4,73

Примечание: * – для крайних пролетов; ** – для средних пролетов.

 

Опоры шин (т. е. изоляторы и основания, на которых они крепятся) в расчетах принимаются упругоподатливыми или абсолютно жесткими. Как правило, опоры можно считать абсолютно жесткими (не учитывающими в колебаниях при КЗ) в РУ напряжением до 35 кВ включительно. В РУ напряжением 110 кВ и выше расчет электродинамической стойкости шинных конструкций следует проводить с учетом упругой податливости опор (изоляторов).

 

2.2. Условия электродинамической стойкости изоляторов и шин

Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость при КЗ [5, 7] заключается: 1) в расчете максимального механического напряжения в материале ( ); 2) в максимальной нагрузке на изоляторы ( ); 3) и в сравнении полученных значений указанных величин с допустимыми значениями.

Шинная конструкция обладает электродинамической стойкостью, если выполняются условия:

, (2.1)

 

. (2.2)

 

Допустимое напряжение в материале жестких шин ( ), Па, следует принимать равным 70 % от временного сопротивления разрыву материала шин [ ]. Допустимую нагрузку на изолятор ( ), Н, следует принимать равной 60 % от минимальной разрушающей нагрузки , приложенной к вершине изолятора при изгибе или разрыве:

, (2.3)

 

. (2.4)

 

Справочные данные для определения допустимого механического напряжения в материале шин ( ) и допустимую нагрузку на изоляторы ( ) рекомендуется определять по табл. IV и XI прил. 1.

При проверке на электродинамическую стойкость шинной конструкции, обладающей высокой жесткостью, шину в любом пролете между изоляторами, кроме крайних, следует рассматривать как стержень (балку) с защемленными концами (табл. 2.1). Наличие ответвлений допускается не учитывать, поскольку они снижают расчетные напряжения в материале шин и нагрузки в изоляторах.

 

2.3. Порядок расчета электродинамической стойкости
шинных конструкций с жесткими опорами

Расчет изоляторов и шин, расположенных в одной плоскости (рис. 2.1), проводится в следующей последовательности [4, 5].

2.3.1. Расчет первой (основной) частоты собственных колебаний шины, Гц:

Рис. 2.1. Шины, расположенные в одной плоскости

, (2.5)

 

где – параметр основной частоты собственных колебаний шины (табл. 2.1);
– длина пролета между опорными изоляторами, м; – модуль упругости материала шин (для алюминия и его сплавов Е ≈ 7·10¹⁰ Па; для меди Е ≈
≈ 10·10¹⁰ Па); j – момент инерции поперечного сечения шины, м⁴ (табл. 2.2);
m – масса шины на единицу длины, кг/м (см. табл. прил. 1).

 

Таблица 2.2

Формулы для определения момента инерции j
и момента сопротивления W поперечных сечений шин

Сечения шин	Расчетные формулы
J, м4	W, м3

 

2.3.2. Определение динамического коэффициента η, характеризующего увеличение напряжения в материале шин при учете динамического воздействия.

Если основная частота собственных колебаний шины f₁ > 200 Гц, то динамичес­кий коэффициент принимают равным 1. Если частота f₁ < 200 Гц, то динамический коэффициент находят по кривой (рис. 2.2) в зависимости от отношения f₁/f_c, где f_c = 50 Гц – частота тока в сети.

2.3.3. Определение наибольших (расчетных) удельных электродинамических нагрузок , Н/м, при трехфазном КЗ:

 

, (2.6)

 

где а – расстояние между фазами, м; – ударный ток трехфазного КЗ, А.

определим ударный ток трехфазного короткого замыкания ( ) по формуле:

 

, (2.7)

 

где – начальный сверхпереходной ток КЗ, кА (действующее значение периодической составляющей тока КЗ в начальный период); – ударный коэффициент, определяемый по формуле

. (2.8)

 

Рис. 2.2. Зависимость динамического коэффициента для изоляторов и шин
от частоты собственных колебаний шины: кривая 1 – при К_уд ³ 1,60;
кривая 2 – при К_уд ³ 1,40; кривая 3 – при К_уд ³ 1,25; кривая 4 –
при К_уд ³ 1,10; кривая 5 – при К_уд ³ 1,00

 

2.3.4. Определение максимального напряжения в материале шины , Па:

 

, (2.9)

 

где – параметр (см. табл. 2.1); W – момент сопротивления поперечного сечения шины, м³ (см. табл. 1.2); – коэффициент формы (рис. 2.3).

Для того чтобы определить коэффициент формы ( ) для заданной марки шины, необходимо найти отношения и . Далее по кривой, соответствующей отношению , и ординате, соответствующей отношению , определяют коэффициент формы [4, 5].

Рис. 2.3. Диаграмма для определения коэффициента

формы шин прямоугольного сечения

 

После определения проверяют выполнение условия по формуле (2.1).

2.3.5. Определение максимальной нагрузки на изоляторы

Максимальные нагрузки на изоляторы, Н, определяют по формуле

 

, (2.10)

 

где – коэффициент, определяемый по табл. 1.1.

После определения максимальной нагрузки проверяют выполнение
условия по формуле (2.2).

 

2.4. Пример 2. Проверка шинной конструкции
на электродинамическую стойкость

Исходные данные для расчета:

Имеется двухпролетная трехфазная система жестких шин, материал шин – медь, расстояние между осями проводников отдельных фаз составляет а = 1,1 м; длина пролета между опорными изоляторами L = 0,8 м, сверхпереходной ток I¢¢ = 28 кА; шины расположены в одной плоскости, имеют прямоугольное сечение 80/10 мм.

Требуется:

§ проверить шинную конструкцию на электродинамическую стойкость в режиме короткого замыкания для крепления шины «плашмя»;

§ определить соответствие условиям электродинамической стойкости марки материала шин МГМ и изоляторов типа ОНСУ-350 УХЛ, Т1, из которых собрана данная шинная конструкция.

Решение:

1. Составляется расчетная схема.

Рис. 2.4. Расчетная схема шинной конструкции

При проверке на электродинамическую стойкость шинной конструкции, обла­дающей высокой жесткостью, шину в любом пролете между изоляторами, кроме крайних, следует рассматривать как стержень (балку) с защемленными концами. Принимаем расчетную схему балки с жестким опиранием на обеих опорах пролета (рис. 2.4) в соответствии с подразд. 2.1.

2. Для того чтобы рассчитать основную частоту собственных колебаний шины, необходимо найти момент инерции, м⁴, по формуле [см. табл. 2.2 и расчетную схему (рис. 2.4)]:

 

 

§ для соответствующей шинной конструкции необходимо определить массу. Для медной шины размером 80×10 масса на единицу длины: m = 7,12 кг/м
(см. прил. 1, табл. I);

§ r₁ = 4,73 (см. табл. 2.1);

§ модуль упругости материала (меди) Е = 10·10¹⁰ Па.

Тогда основная частота собственных колебаний шины:

 

.

 

 

3. Для того чтобы определить динамический коэффициент η, необходимо
определить зависимость:

 

Ударный коэффициент определяется по формуле (2.8) при Т_а = 0,05:

 

 

Динамический коэффициент определяется по графику (рис. 2.2):

 

η = 1,8.

 

4. Далее по формуле (2.7) находится ударный ток трехфазного КЗ, кА:

 

.

 

5. Затем определяется наибольшая электродинамическая нагрузка, Н/м:

 

.

 

6. Для того чтобы вычислить максимальное напряжение в материале шин, необходимо рассчитать:

а) момент сопротивления шин поперечного сечения, м³,

 

б) коэффициент формы:

 

 

В соответствии с рис. 2.3 k_ф = 1.

Затем определяется максимальное напряжение в материале шин, МПа:

 

 

7. Рассчитывается максимальная нагрузка на изоляторы, Н:

 

 

при β = 1 (см. табл. 2.1).

Вывод

В соответствии с руководящими указаниями [5] допустимое напряжение материала медных шин марки МГМ (см. табл. I, прил. 1) составляет =
= 171,8…178 Мпа. Из условия электродинамической стойкости следует, что .

Поскольку 59 МПа < 171 МПа, следовательно, первое условие электродинамической стойкости выполняется.

Затем определяется минимальная механическая разрушающая сила на изгиб для изолятора ОНСУ-350 УХЛ, Т1 (равная 3,5 кН) по табл. XI прил. 1.

Из уравнения (2.4) следует, что

 

; ,

 

следовательно, второе условие выполняется

Поскольку оба условия выполняются, то шинная конструкция при креплении шины «плашмя» удовлетворяет требованиям электродинамической стойкости.

 

Контрольные вопросы

1. Что понимается под электродинамической стойкостью, расчетными видами КЗ и в чем их физический смысл?

2. Какие существуют способы увеличения электродинамической стойкости?

3. Какие существуют виды расчетных схем шинной конструкции?

4. Как влияет схема взаимного расположения шин на электродинамическую стойкость?

5. Какими условиями определяется электродинамическая стойкость шинной конструкции?

 

 

3. НАГРЕВ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ
ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

3.1. Общие положения

При протекании тока короткого замыкания (КЗ) температура проводников и токоведущих частей электрических аппаратов повышается. Поскольку ток КЗ значительно превышает ток рабочего режима, то нагрев может достигать опасных значений, превышающих наибольшие допустимые температуры. Критерием термической стойкости проводников является допустимая температура его нагрева токами КЗ.

Предельные значения допустимых температур нагрева при КЗ устанавливаются с учетом снижения механических свойств проводниковых материалов, изолирующих свойств изоляционных материалов, а также надежности работы контактных систем при повышении их температуры. Значительное повышение температуры влияет на снижение временного сопротивления разрыву проводников материалов и пробивного напряжения изоляции, а также на интенсивное окисление контактов аппаратов и контактных (особенно болтовых) соединений проводников. Длительное повышение температуры сокращает срок службы изоляции, приводит к её плавлению или обугливанию [1, 8].

 

3.2. Условия проверки

Для проверки проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ предварительно должны быть выбраны не только исходная расчетная схема и расчетная точка КЗ, но и расчетный вид КЗ и расчетная продолжительность КЗ.

Расчетным видом КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов электроустановок напряжением 110 кВ и выше является трех- или однофазное КЗ, в электроустановках свыше 1 кВ – вплоть до 35 кВ (трехфазное КЗ), а в электроустановках генераторного напряжения электростанций – трехфазное или двухфазное КЗ в зависимости от того, какое из них приводит к бóльшему термическому воздействию.

Расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ следует определять сложением времени действия основной релейной защиты, в зону действия которой входят проверяемые проводники и аппараты, и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость – сложением времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения соответствующего выключателя.

Проверка проводников на термическую стойкость при коротком замыкании заключается в определении их температуры нагрева к моменту отключения КЗ и сравнении этой температуры с предельно допустимой температурой нагрева при КЗ.

Проводник удовлетворяет условию термической стойкости, если температура нагрева проводника к моменту отключения КЗ не превышает предельно допустимую температуру нагрева соответствующего проводника при КЗ , т. е., если выполняется условие [5]:

 

. (3.1)

 

Исходя из этого условия, для проверки сборных шин жесткой конструкции на термическую стойкость при коротких замыканиях необходимо:

· выбрать по наибольшему длительному току сборные шины жесткой конструкции;

· проверить по условию термической стойкости в режиме короткого замыкания сборные шины жесткой конструкции.

3.3. Порядок расчета термической стойкости
сборных шин жесткой конструкции

Расчет термической стойкости сборных шин проводится в следующей последовательности [1, 5]:

3.3.1. По заданному длительному току нагрузки ( ) необходимо принять сечение прямоугольных сборных шин S, мм².

Допустимые токовые нагрузки на голые шины стандартных сечений приведены в табл. I–IV прил. 1 при температуре окружающей среды +25 °С. При отклонении температуры окружающей среды от нормативной +25 °С необходимо произвести перерасчет допустимого тока , А, для шин стандартного сечения по формуле:

, (3.2)

 

где – допустимый ток на шину при температуре окружающей сре-
ды = 25 °С. При расположении шин поперечного сечения «плашмя» то-
ки , приведенные в табл. I прил. 1, должны быть уменьшены на 5 % для шин с шириной полос до 60 мм и на 8 % – для шин шириной полос более 60 мм; – действительная температура окружающей среды; – длительно допустимая температура нагрева шин [7, 9].

Длительно допустимые и предельно допустимые температуры нагрева различных проводников приведены в табл. VII прил. 1.

По найденному длительно допустимому току определяются размеры шинной конструкции.

3.3.2. Определяется тепловой импульс (интеграл Джоуля), А²·с, для шинной конструкции по формуле:

, (3.3)

 

где t_к– расчетная продолжительность КЗ, с, определяемая по формуле

 

, (3.4)

 

где – полное время отключения выключателя, с; – время срабатывания основной защиты, с.

Бывают случаи, когда по условию задачи время отключения выключателя не дается, тогда необходимо расчетную продолжительность КЗ приравнять к времени срабатывания защиты.

3.3.3. По кривым, характеризующим зависимость температуры нагрева проводника, в режиме короткого замыкания ( ) от теплового параметра (рис. 3.1) необходимо найти нагрев принятого сечения сборных шин [2] в режиме КЗ, используя формулу:

, (3.5)

 

где – сечение прямоугольных шин принятое по длительному току нагрузки, мм²; – тепловой параметр, А²с/мм⁴.

Параметр необходимо принимать по кривым рис. 3.1 для длительно допустимой температуры нагрева проводника перед моментом возникновения короткого замыкания ( ).

 

 

Рис. 3.1. Кривые для определения нагрева
токоведущих частей электрических аппаратов

 

Температуру, до которой нагрета шина перед моментом КЗ ( ), необходимо найти по формуле [4]:

, (3.6)

 

где – начальная температура проводника в момент возникновения режима КЗ, °С (рис. 3.2); – температура окружающей среды, °С; – допустимая температура нагрева проводника максимальным рабочим током, °С; – рабочий ток, протекающий по проводнику перед возникновением КЗ, кА; – максимально допустимый ток рабочего режима, кА.

 

 

Рис. 3.2. Диаграмма изменения температуры проводника
при нагреве его током КЗ

 

Из диаграммы (рис. 3.2) следует, что надежная работа проводников электроустановки в нормальном режиме может быть обеспечена только при условии , т. е. при .

После найденного значения по рис. 3.1 определяется параметр .

Формула (3.5) позволяет найти конечное значение теплового параметра ( ) для шинной конструкции, выполненной из известного материала.

Следующим шагом является обратная операция определения температуры по известному тепловому параметру (см. рис. 3.1), а также сравнение предельно допустимой температуры нагрева проводника с температурой, определенной в ходе расчетов.

При невыполнении условия необходимо увеличить принятое сечение до значения, удовлетворяющего указанному выше условию, для чего необходимо воспользоваться упрощенной методикой определения сечения проводника и произвести расчет в следующей последовательности:

§ определить минимально допустимое по условию термической устойчивости при коротком замыкании сечение шины, мм², по следующей формуле [5]:

 

, (3.7)

 

где параметр С (А·с^1/2/мм²) принимать для заданного материала шин по исходным данным и по табл. VIII прил. 1;

§ с учетом расчетного параметра принимается ближайшее бóльшее стандартное сечение шины , мм², и допустимый ток для этого сечения , А;

§ для принятого сечения находится начальная, перед коротким замыканием, температура нагрева шины по формуле (3.6);

§ по формуле (3.5) и графику (рис. 3.1) для начальной температуры нагрева шины сечением и находится температура нагрева вновь принятого сечения шины током короткого замыкания, которая затем сравнивается с допустимой .

 

3.4. Пример 3. Проверка шинной конструкции
на термическую стойкость

Исходные данные для расчета:

Допустимый расчетный ток – I_дл = 1200 А.

Сверхпереходной ток КЗ –I¢¢ = 45 кА.

Время действия основной защиты – t_з = 0,9 с.

Температура окружающей среды – °С.

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока трехфазного КЗ – Т_а = 0,05 с.

Положение шин – шины установлены на ребро.

Материал шины – медь.

Требуется:

§ выбрать по наибольшему допустимому току шинную конструкцию, выполненную из меди;

§ проверить по термической стойкости сборные шины жесткой конструкции в режиме короткого замыкания.

Решение:

1. Выбор шин.

Допустимые длительные токи для медных шин приняты из расчета длительно допустимой температуры их нагрева: , при температуре воздуха

В соответствии с этим уточняется значение допустимого расчетного тока для шин, А, по формуле (3.2):

.

 

Согласно [9] (см. табл. I, прил. 1) выбираются медные шины сечением S =
= 60×6 = 360 мм², с длительно допустимым током I_доп = 1125 А.

2. Далее определяется тепловой импульс для шинной конструкции.

Для определения теплового импульса необходимо знать расчетную продолжительность КЗ.

В качестве коммутационного аппарата принят вакуумный выключатель BB/TEL-10-20/1600 У2 (выключатель вакуумный напряжением 10 кВ; номинальный ток – 1600 А; полное время отключения не более 55 мс, t_отк = 0,055 с).

Расчетная продолжительность КЗ, с, находится по формуле (3.4):

 

t_к = 0,055 + 0,9 = 0,955.

 

Тогда тепловой импульс, А²·с,

 

.

 

Для определения начальной температуры шины, °С, при токовой нагрузке 1058,25 А используется формула (3.6):

 

.

 

3. По кривым рис. 3.1 определяется параметр А_н; для начальной температуры нагрева шин = 65,96 °С, который для медных шин, А²·с/мм⁴, составляет .

4. Далее по формуле (3.5) находится температура нагрева проводника к моменту отключения КЗ, А²·с/мм⁴:

 

 

По кривым рис. 3.1 определяется температура нагрева проводника к моменту отключения КЗ, которая при данных условиях составляет 110 °С.

По табл. VII прил. 1 определяется предельно допустимая температура нагрева медной шины при коротких замыканиях (для меди она равна 300 °С):

 

.

 

Вывод

По наибольшему допустимому току была подобрана шина прямоугольного сечения, размером S = 60×6 = 360 мм².

Расчет показал, что конечная температура нагрева шин меньше предельно допустимой, следовательно, данная шинная конструкция удовлетворяет условию термической стойкости.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем заключается физический смысл термического действия токов короткого замыкания?

2. Как влияют параметры короткого замыкания на термическую стойкость оборудования?

3. Какими способами можно увеличить термическую стойкость электрических аппаратов и проводников?

4. В каком порядке осуществляется проверка шинной конструкции на термическую стойкость?

 

 

4. Выбор сечения шин открытого участка токопровода в цепи генератора по условию продолжительного режима работы

4.1. Общие положения

Электрооборудование выбирают по условиям продолжительных режимов и проверяют по условиям кратковременных режимов (КЗ различных видов, обрывы проводов, нарушение устойчивости параллельной работы и т. д.), определяющим из которых, как правило, является режим КЗ. При этом необходимо располагать расчетными условиями, параметрами и технико-экономическими характеристиками выпускаемого и осваиваемого перспективного электрооборудования. Под расчетными понимается наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия, в которых может оказаться электрический аппарат или проводник при различных режимах работы в электроустановках.

Выбор сечения шин и токоведущих частей – важная задача на этапе проектирования объектов электроэнергетики, поскольку от сечения шин и токопроводов напрямую зависят приведенные затраты. При малых значениях сечения в процессе эксплуатации материал токопровода будет перегреваться, что приведет к ускоренному износу (даже повреждениями) и, как следствие, увеличению эксплуатационных расходов. Большие значения сечения требуют соответствующих капитальных вложений, т. к. увеличивается расход материала. Среднее значение площади сечения, при котором наблюдается минимум приведенных затрат, называется экономической площадью сечения [4].

 

4.2. Порядок расчета сечения шин открытого участка токопровода
в цепи генератора

Порядок расчёта необходимо произвести в следующей последовательности [1, 4].

4.2.1. Определение экономической площади сечения производится на основе параметров длительного рабочего режима и экономической плотности тока:

, (4.1)

 

где – максимальный рабочий ток генератора, А; – экономическая плотность тока, А/мм².

4.2.2. Утяжеленный режим работы у генераторов практически отсутствует, так как продолжительная перегрузка по току не превышает 5 %:

 

, (4.2)

 

где – номинальный рабочий ток генератора, А.

Номинальный рабочий ток рассчитывается с использованием паспортных данных генератора [4]:

, (4.3)

 

где – номинальная активная мощность генератора, Вт; – номинальное напряжение генератора, В; – коэффициент мощности.

Экономическая плотность тока не зависит от параметров режима работы и определяется в зависимости от времени действия наибольшей нагрузки за год.

4.2.3. Время наибольшей нагрузки, ч, определяется по заданному суточному графику нагрузки:

(4.4)

 

где – неизменное значение потребляемой активной мощности на интервале времени в зимний и летний период соответственно, Вт; – количество дней зимнего и летнего периода, шт.

4.2.4. Из справочных данных (см. табл. IX прил. 1) выбирается значение экономической плотности тока.

4.2.5.Из справочных данных (табл. I–III прил. 1) по рассчитанному сечению подбираем ближайшее из номинального ряда значений сечение, вид и материал шин. Для подбора необходимого сечения возможно использование параллельного соединения нескольких секций на фазу так, чтобы суммарное сечение было как можно ближе к расчетному.

4.2.6. Выбранную шинную конструкцию необходимо проверить по длительно допустимому току по условию:

 

, (4.5)

 

где – допустимый ток, А; – количество секций шин, работающих в парал­лель.

Если шина не удовлетворяет условию длительно допустимого тока, то необходимо увеличить количество шин.

 

4.3. Пример 4. Выбор сечения шин открытого участка токопровода
в цепи генератора по условию продолжительного режима работы

Требуется подобрать сечение, материал и тип шины открытого участка токопровода в цепи генератора ТГВ-500 – 4У3, используя суточный график нагрузки (рис. 4.2).

 

 

Рис. 4.2. Суточный график нагрузки: – зимний
график (200 дней); – летний график (165 дней)

 

Исходные данные для расчета:

Суточный график нагрузки.

По табл. X прил. 1 определяются следующие паспортные данные генерато-
ра ТГВ-500 – 4У3, необходимые для расчета:

§ номинальная активная мощность генератора ;

§ номинальное напряжение ;

§ коэффициент мощности .

Требуется:

Подобрать сечение, материал и тип шины открытого участка токопровода в цепи генератора ТГВ-500 – 4У3.

Решение:

1. Расчетный ток генератора в нормальном режиме, А, определяется по формуле:

 

.

2. Максимальный рабочий ток, А:

 

.

 

3. Время наибольшей нагрузки определяется по суточному графику, ч:

 

.

 

По табл. IX прил. 1 для алюминиевой шины выбирается значение экономической плотности тока: = 1,3 а/мм².

4. Экономическая площадь сечения, мм²:

 

.

 

По табл. III прил. 1 выбирается алюминиевая четырехполосная шина с расположением полос по сторонам квадрата сечением 4800 мм². Для добора необходимого сечения следует принять 3 секции шин в параллельную работу на одну фазу, мм² ( ):

.

 

Основные характеристики выбранных алюминиевых четырехполосных шин представлены на рис. 4.3 и в табл. 4.1.

 

 

Рис. 4.3. Расположение четырехполосных шин в цепи генератора

 

Таблица 4.1

Основные характеристики выбранных шин

Размеры, мм	Поперечное сечение четырехполосной шины, мм2	Допустимый ток, А
h	b	h1	H	алюминий

 

5. Выбранную шину проверяем по длительно допустимому току, А:

 

; .

Вывод

По условию продолжительного режима работы было определено экономическое сечение шины в цепи генератора ТГВ-500 – 4У3, которое составило 13715 мм². В соответствии с расчетным сечением подобрана алюминиевая четырехполосная шина с расположением полос по сторонам квадрата.

Для выполнения условий минимального сечения и длительно допустимого тока необходимо принять 3 секции шин в параллельную работу на одну фазу.

 

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности продолжительного режима работы?

2. В чем суть практического значения экономического сечения?

3. Каков принцип расположения шин в цепях генератора?

4. Каков порядок выбора сечения открытого участка токопровода в цепи генератора?

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный в методическом пособии материал дисциплины «Производство и передача электроэнергии» охватывает вопросы, связанные: с определением основных технико-экономических показателей по графику активных нагрузок; проверкой шинных конструкций и изоляторов на электродинамическую стойкость; проверкой токоведущих частей на нагрев в режиме короткого замыкания; выбором сечения шин открытого участка токопровода в цепи генератора по условию продолжительного режима работы.

Знания, при­обре­тен­ные сту­ден­тами дневной и заочной формы обучения, по дисциплине «Производство и передача электроэнергии» необ­хо­димы при по­сле­дую­щем изу­чении смежных дис­цип­лин, а также в прак­тиче­ской ин­же­нер­ной дея­тель­ности при подборе элементов элек­три­че­ских стан­ций с обес­пéче­нием необ­хо­ди­мых пока­зате­лей на­деж­ности и эко­но­мич­ности.

Наличие в каждом разделе пособия практических задач и контрольных вопросов даст возможность студентам наиболее полно усвоить теоретический и пра