Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Передача и распределение электроэнергии: Учебное пособие

Голосов: 21

Учебное пособие соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 650900 - электроэнергетика (специальность 100400 - электроснабжение) и направлению подготовки бакалавров 551700. Содержание учебного пособия включает в себя основные сведения о параметрах, схемах, алгоритмах расчета установившихся режимов, регулировании напряжения и проектировании систем передачи и распределения электрической энергии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    молниезащиты линии. Коэффициент b учитывает возрастание затрат при
увеличении сечения проводов: увеличение расхода цветного металла,
удорожание опор (чем тяжелее провод, тем прочнее и, следовательно,
дороже опоры). Коэффициент с зависит от стоимости электроэнергии,
удельного сопротивления материала провода и числа часов использования
наибольшей нагрузки.
     Для определения минимума функции Z приравняем ее производную
от переменной F к нулю:
                                   2
                      dZ/dF=b–Iр c/F2=0,                                (9.5)

откуда

                                 b
                      Iр/F=jэ=     , А/мм2.                             (9.6)
                                 c

    Полученная плотность тока jэ называется экономической плотностью
тока. Это такая плотность тока, при которой передача нагрузки по линии
осуществляется при наименьших затратах.
    Значения jэ приведены в табл. 9.2 [1].
                                                           Таблица 9.2
                                     Экономическая плотность тока, А/мм2,
         Проводники                              при Тmax, ч
                                 1000...3000   3000...5000    более 5000
     Неизолированные
   алюминиевые провода
          и шины                       1,3         1,1            1,0
     Кабели с бумажной
    изоляцией с жилами:
         медными,                      1,0         2,5            2,0
      алюминиевыми                     1,6         1,4            1,2
   Кабели с резиновой и
 пластмассовой изоляцией с
          жилами:                      3,5         3,1            2,7
         медными,                      1,9         1,7            1,6
      алюминиевыми

    Выбор сечений проводов воздушных и кабельных линий по
экономической плотности тока выполняется следующим образом:
   • рассчитывается токовая нагрузка линии Iр в нормальном режиме
     работы; увеличение тока в послеаварийных и ремонтных режимах
     не учитывается;
   • по табл. 9.2 определяется экономическая плотность тока jэ;
   • рассчитывается       сечение     проводника,     соответствующее
     экономической плотности тока

                                  111


                                   Fэ=Iр/jэ;                                  (9.7)

   • полученное сечение Fэ округляется до ближайшего стандартного
     сечения.
    Шкала стандартных сечений проводов воздушных линий и жил
кабельных линий электропередачи составляет следующий ряд:
       6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300, 400, 500, … мм2.
    В [1] рекомендуется использовать метод экономической плотности
тока для выбора сечений проводов воздушных линий электропередачи
напряжением до 220 кВ включительно, жил кабельных линий
электропередачи напряжением до 35 кВ включительно.
    Выбор сечений проводов воздушных линий электропередачи
напряжением 330 кВ и выше, жил кабельных линий электропередачи
напряжением 110 кВ и выше должен производиться на основе технико-
экономических расчетов.
    Метод экономической плотности тока достаточно прост, поскольку
для выбора сечения используется простейшая формула (9.7). В этом
привлекательность метода. Однако этот метод не учитывает ряд факторов,
влияющих на выбор сечения. Это, в частности, материал опор,
напряжение и количество цепей линии, ее географическое расположение.
                                                                  Таблица 9.3
Uном, Опоры Число Район по              Предельная экономическая нагрузка на
 кВ         цепей гололеду                  одну цепь, А, при сечении, мм2
                                         70     120       240      300     400
 35      ж.б.       1        1-2          80    180
 35      ж.б.       1        3-4                180
 35       ст.       1        1-2         100    180
 35       ст.       1        3-4         75     180
 35      ж.б.       2        1-2         95     160
 35      ж.б.       2        3-4         80     160
 35       ст.       2        1-2         100    160
 35       ст.       2        3-4         75     160
 110     ж.б.       1        1-2         55     180       370
 110     ж.б.       1        3-4                175       370
 110      ст.       1        1-2          80    170       370
 110      ст.       1        3-4          50    160       370
 110     ж.б.       2        1-2          80    185       340
 110     ж.б.       2        3-4          65    175       340
 110      ст.       2        1-2          85    180       340
 110      ст.       2        3-4          65    170       340
 220    ж.б. ст.    1        1-4                          335                630
 220    ж.б. ст.    2        1-4                          340                630
 330    ж.б. ст.    1        1-4                          660               1300
 500    ж.б. ст.    1        2-4                                   1120     2000
                                        112


 750     ст.       1      2-4                             1620    >1620

    Институтом «Энергосетьпроект» для выбора сечений разработан
метод экономических интервалов [4]. В соответствии с этим методом для
каждого сечения устанавливается интервал тока (мощности), в пределах
которого экономически целесообразно использовать данное сечение.
    Экономические интервалы токовых нагрузок для выбора сечений
проводов ВЛ напряжением 35...750 кВ приводятся в справочной
литературе [4].
    В качестве примера в табл. 9.3 приведены экономические интервалы
токовых нагрузок для сталеалюминиевых проводов ВЛ. Для ВЛ
напряжением 330, 500 и 750 кВ в табл. 9.3 указано сечение одного провода
в расщепленной фазе. В табл. 9.4 приведены экономические мощности,
МВт, кабельных линий напряжением 6...35 кВ, выполненных кабелями с
бумажной пропитанной изоляцией.
    Приведенные в табл. 9.3 данные следует понимать таким образом:
для одноцепной ВЛ с проводами сечением 240 мм2, напряжением 110 кВ,
на железобетонных опорах, в 3 районе по гололеду экономически
целесообразная токовая нагрузка составляет 175…370 А.
                                                         Таблица 9.4
               2
Сечение, мм             Медные жилы            Алюминиевые жилы
                       Напряжение, кВ            Напряжение, кВ
                     6      10       35      6        10         35
       10          0,24      -        -      -         -          -
       16           0,4     0,7       -      -         -          -
       25           0,6     1,0       -      -         -          -
       35           0,9     1,4       -      -         -          -
       50          1,2      2,0       -     0,7       1,1         -
       70           1,7     2,9     10,0    1,0       1,6       5,6
       95           2,3     3,9     13,8    1,3       2,2       7,6
       120          2,9     4,9     17,2    1,6       2,8       9,6
       150          3,7     6,1     21,5    2,1       3,4       12,0
       185          5,5     7,5     26,5    2,5       4,2       14,8
       240          5,9     9,8     34,3    3,3       5,5       19,2

    Приведенные в табл. 9.4 данные следует понимать следующим
образом: для кабеля напряжением 10 кВ с алюминиевыми жилами
сечением 150 мм2 экономически целесообразная передаваемая мощность
составляет 2,8 … 3,4 МВт.




                                  113


   9.3. Учет технических ограничений при выборе сечений
    Выбранные по экономическому критерию сечения проводов должны
удовлетворять ряду технических требований, при которых обеспечивается
нормальная эксплуатация линии электропередачи. Окончательный выбор
сечения можно сделать только после проверки выполнения этих
технических требований,
    Проверка по механической прочности. Провода воздушных линий
электропередачи подвергаются внешним механическим воздействиям.
Это, главным образом, ветровые и гололедные нагрузки. С целью
обеспечения надежной работы проводов воздушных линий в условиях
внешних механических воздействий устанавливаются минимальные
допустимые сечения проводов Fmin мех по механической прочности,
приведенные в табл. 9.5 [1].
                                                      Таблица 9.5
  Район по        Минимально допустимое сечение проводов, мм2
  гололеду      алюминиевых    сталеалюминиевых       стальных
     до II          70                 35                 35
    III-IV          95                 50                 35
  V и более          -                 70                 35

    Сечение провода, выбранное по экономическим критериям, должно
быть проверено по условию

                         Fэ>Fmin мех.                            (9.8)

    Проверка по условиям короны. Явление общей короны возникает при
высокой напряженности электрического поля на поверхности провода и
сопровождается характерным потрескиванием и видимым свечением.
Процессы ионизации воздуха вокруг коронирующего провода приводят к
потерям активной мощности. Уменьшение напряженности на поверхности
провода достигается увеличением радиуса (сечения) провода.
    Минимальные сечения проводов Fmin кор по условию ограничения
потерь на корону приведены в табл. 9.6.
                                                      Таблица 9.6
       Uном, кВ          110     150    220   330   500   750    750
Кол-во проводов в фазе    1       1      1     2     3     4      5
        Fmin кор         70      120    240   240   300   400    240


                               114


    Проверка сечений проводов по условиям короны выполняется для ВЛ
напряжением 110 кВ и выше. Сечение провода, выбранное по
экономическим критериям, должно быть проверено по условию

                         Fэ>Fmin кор.                            (9.9)

     Проверка по допустимому нагреву. В соответствии с [1] все
проводники должны удовлетворять требованиям допустимого нагрева в
длительных режимах работы. Под этими режимами понимаются, как
правило, послеаварийные и ремонтные режимы работы электрической
сети.
     Допустимый нагрев проводника характеризуется длительно
допустимой температурой Θд. Осуществлять температурный контроль
проводника в процессе эксплуатации затруднительно, проще
контролировать ток, вызывающий нагревание проводника. Поэтому в
справочных данных [1] приводятся значения допустимого длительного
тока для проводников из различного материала, различных сечений и
конструкций. В качестве примера в табл. 9.7 приведены допустимые
длительные токи для сталеалюминиевых проводов.
                                                        Таблица 9.7
        2
 F, мм      10    16      25          35    50    70      95    120
  Iд, А     84    111     142         175   210   265    330    390
        2
 F, мм      150   185     240         300   400   500     600   700
  Iд, А     450   510     610         690   825   945    1050   1180

    Сечение провода ВЛ, выбранное по экономическим критериям,
должно быть проверено по условию

                           Imax≤Iд,                             (9.10)

где Imax – максимальный ток длительного режима.
     Для кабелей напряжением до 10 кВ включительно на период
ликвидации послеаварийного режима допускается перегрузка по
отношению к длительно допустимому току Iд. Перегрузка кабелей
напряжением 20 кВ и выше не допускается.
     Для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией допускается
перегрузка на 30%, для кабелей с изоляцией из полиэтилена и
поливинилхлорида на 15%, для кабелей с изоляцией из резины и
вулканизированного (сшитого) полиэтилена на 18% [8].
     Для всех кабелей перегрузки допускаются продолжительностью не
более 6 ч в сутки в течение 5 суток, но не более 100 ч в год, если в
остальные периоды этих суток нагрузка не превышает длительно
допустимой.
     Для всех кабелей, находящихся в эксплуатации более 15 лет,
перегрузки должны быть снижены до 10%.

                                115


    Сечение кабеля, выбранное по экономическим критериям, должно
быть проверено по условию (9.10) с учетом его допустимой перегрузки.
    Рассмотрим два типичных случая проверки сечений по условиям
допустимого нагрева. На рис. 9.3,а,б приведены две схемы электрических
сетей: радиально-магистральная и кольцевая. В каждой из схем выбраны
напряжения и сечения проводников.




                   Рис. 9.3. Схемы электрических сетей

    Допустим, что та и другая сеть выполнены воздушными линиями
электропередачи. В первой схеме (рис. 9.3,а) при отключении одной
линии головного участка U1 или одной линии участка 12 ток оставшейся в
работе линии увеличивается в два раза. Для каждого из этих случаев
проверяется условие

                          Imax=2Iр≤Iд,                          (9.11)

где Iр – расчетный ток линии.
     Условия проверки сечений по допустимому нагреву можно записать
через заданные мощности нагрузок. Для участка U1 схемы рис. 9.3,а

                  Imax=(S1+S2+S3)/ 3 Uном≤Iд,                   (9.12)

для участка 12

                      Imax=S2/ 3 Uном≤Iд.                       (9.13)

    Сечение одиночной линии 13 по допустимому нагреву в
послеаварийном режиме не проверяется.
    В кольцевой схеме рис. 9.3,б наиболее тяжелыми режимами будут
отключения головных участков сети. По этим режимам и выполняется
проверка сечений по допустимому нагреву.
    При отключении головного участка U1 проверяются условия:

                 ImaxU3=(S1+S2+S3)/ 3 Uном≤Iд,                  (9.14)

                   Imax32=(S1+S2)/ 3 Uном≤Iд,                   (9.15)

                      Imax21=S1/ 3 Uном≤Iд.                     (9.16)

    При отключении головного участка U3 проверяются условия:

                                 116


                 I maxU1=(S1+S2+S3)/ 3 Uном≤Iд,                 (9.17)

                   Imax12=(S2+S3)/ 3 Uном≤Iд,                   (9.18)

                     Imax23=S3/ 3 Uном≤Iд,                      (9.19)

    Если для какого-то участка сети условие проверки по допустимому
нагреву не выполняется, сечение на этом участке следует увеличить до
значения, при котором это условие будет выполнено.
    Для случая выполнения электрических сетей (рис. 9.3) кабельными
линиями условия (9.11)…(9.19) проверяются с учетом допустимой
перегрузки кабелей.
    Проверка по термической стойкости. При протекании по сети
аварийных токов коротких замыканий (к.з.) происходит интенсивное
нагревание токоведущих элементов линий электропередачи. В [1]
установлены предельные допустимые температуры Θпр для кабелей.
    Условие проверки сечения кабеля на термическую стойкость имеет
вид

                           Θmax≤Θпр,                            (9.20)

где Θmax – максимальная температура, до которой нагреется проводник за
время протекания тока к.з.
    Проверка условия (9.20) требует достаточно сложного расчета
температуры Θmax, поэтому в практических расчетах сечение кабеля,
выбранное по экономическим критериям, проверяется по условию

                           Fэ>Fmin тс,                          (9.21)

где Fmin тс – минимальное термически стойкое сечение кабеля,
определяемое величиной тока к.з. и временем его отключения.
    Проверка по допустимой потере напряжения. Для местных
распределительных сетей рассчитывается максимальная суммарная потеря
напряжения ∆UmaхΣ от центра питания до наиболее электрически
удаленного потребителя (см. п. 4.6). Выбранные по экономическому
критерию сечения линий местной распределительной сети должны
проверяться по условию

                         ∆UmaxΣ≤∆Uд,                            (9.22)

где ∆Uд – допустимая потеря напряжения в местной сети.
     При невыполнении любого из технических требований, сечения
проводников, выбранные по экономическому критерию, увеличиваются
до значения, удовлетворяющего этому требованию.



                                 117


   9.4. Выбор сечений по допустимой потере напряжения в
              местной распределительной сети
    Выбор сечений воздушных и кабельных линий местных
распределительных сетей выполняется, как правило, по экономической
плотности тока jэ. Выбранные сечения должны удовлетворять ряду
технических условий, в том числе и условию допустимой потери
напряжения (9.22). При выполнении этого условия сечения Fэ, выбранные
по экономической плотности тока jэ, не изменяются. При невыполнении
условия (9.22) следует изменить экономические сечения Fэ до значений F,
удовлетворяющих этому условию.
    Рассмотрим      сначала   простейший    случай,   когда     местная
распределительная сеть состоит из одной линии длиной L, связывающей
центр питания ЦП и нагрузку S=Р+jQ. Потеря напряжения в этой линии
составляет

                    ∆U=(Pr0 L+Qx0L)/Uном.                          (9.23)

    Представим выражение (9.23) в виде двух составляющих

            ∆U=(Pr0L/Uном)+(Qx0L/Uном)=∆Uа+∆Uр,                    (9.24)

где ∆Uа, ∆Uр – потеря напряжения соответственно в активном и
реактивном сопротивлениях линии.
    Рассмотрим зависимости погонных активных и реактивных
сопротивлений воздушных и кабельных линий от сечения F. Эти
зависимости приведены на рис. 9.4.




  Рис. 9.4. Зависимости активных и реактивных сопротивлений воздушных и
                        кабельных линий от их сечения

    Из этого рисунка видно, что реактивные сопротивления линий слабо
зависят от сечения и составляют х0≅0,4 Ом/км и х0≅0,08 Ом/км
соответственно для ВЛ и КЛ. Активное сопротивление не зависит от
конструкции линии и уменьшается с увеличением сечения.

                                118


     С учетом практической независимости сопротивления х0 от сечения F
потерю напряжения в реактивном сопротивлении ∆Uр можно
приближенно определить до выбора сечения, приняв для ВЛ х0≅0,4 Ом/км
и для КЛ х0≅0,08 Ом/км.

                            ∆Uр=Qx0L/Uном.                                    (9.25)

    Полагая ∆Uр известной величиной, здесь и ниже выбор сечения будем
выполнять по допустимой потере напряжения в активном сопротивлении

                            ∆Uaд=∆Uд–∆Uр.                                     (9.26)

    Условие выбора сечения по допустимой потере напряжения в
активном сопротивлении будет иметь вид

                      ∆Uад=Pr0L/Uном=PρL/FUном,                               (9.27)

а искомое сечение

                           F=PρL/∆UaдUном.                                    (9.28)

       Полученное сечение округляется до ближайшего стандартного
значения. Для стандартного сечения по справочным данным находятся
погонные параметры х0 и r0. По выражению (9.23) рассчитывается потеря
напряжения и проверяется условие (9.22). Если это условие не
выполняется, сечение линии увеличивается до такого значения, при
котором условие (9.22) выполнится.
       Для радиальной распределительной сети сечения каждой линии
выбираются аналогично.
       Рассмотрим магистральную распределительную сеть, состоящую из
n последовательных участков (рис. 9.5). Потокораспределение в сети S1,
S2, ... Si, ... Sn определяется нагрузками узлов Sн1, Sн2, ... Sнi, ... Sнn без учета
потерь мощности.




        Рис. 9.5. Магистральная схема местной распределительной сети

    Для магистральной сети по аналогии с выражением (9.27) можно
записать допустимую величину потерь напряжения в активных
сопротивлениях
                                n
                        ∆Uад= ∑ Pi ρLi / FiU ном .                            (9.29)
                               i=1



                                      119


    В выражении (9.29) имеется n неизвестных сечений Fi (i=1, 2, ... n).
Решить это уравнение относительно переменных Fi можно при введении
некоторого дополнительного условия, в косвенной мере отражающего
условие экономичности сети. Рассмотрим эти дополнительные
экономические условия.
    Условие равенства сечений на всех участках сети. Это условие
используется при выборе сечений проводов и кабелей в городских
распределительных сетях при большом количестве нагрузок, достаточно
близко расположенных друг к другу. Равенство сечений обеспечивает
наиболее удобные условия монтажа и эксплуатации городской
распределительной сети.
    При принятом условии Fi=F=const выражение (9.29) примет вид

                                        ρ           n
                      ∆U ад =                       ∑ PL ,        (9.30)
                                      FU                i i
                                           ном i = 1

откуда

                               ρ                    n
                      F=                          ∑ PL .          (9.31)
                            ∆U U                        i i
                                      ад   ном i = 1

    Полученное сечение округляется до стандартного, для стандартного
сечения по справочным данным находятся погонные параметры х0 и r0,
определяется суммарная потеря напряжения в магистральной сети:
                           n                  n
                ∆UΣ= (r0 ∑ Pi Li + x0 ∑ Qi Li ) / U ном ,         (9.32)
                          i =1               i =1

и проверяется условие (9.22). Если это условие не выполняется, сечения
всех линий увеличиваются до такого значения, при котором условие (9.22)
выполнится.
     Условие минимального расхода цветного металла. Это условие
используется при выборе сечений проводов в сельскохозяйственных
распределительных сетях. При относительно малой загрузке и большой
протяженности этих сетей экономия цветного металла имеет важное
значение.
     Задача минимизации суммарного объема цветного металла V в
магистральной сети
                                  n
                         V= ∑ L F → min                           (9.33)
                               i i
                                 i =1




                                            120



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика