Проектирование районной электрической сети

Электроэнергетика РФ некоторое время назад была реформирована. Это было следствием новых тенденций развития во всех отраслях.

Основными целями реформирования электроэнергетики РФ являются:

1. Ресурсное и инфраструктурное обеспечение экономического роста, с одновременным повышением эффективности электроэнергетики;

2. Обеспечение энергетической безопасности государства, предотвращение возможного энергетического кризиса;

3. Повышение конкурентоспособности российской экономики на внешнем рынке.

Основными задачами реформирования электроэнергетики РФ являются:

1. Создание конкурентных рынков электроэнергии во всех регионах России, в которых организация таких рынков технически возможна;

2. Создание эффективного механизма снижения издержек в сфере производства (генерации), передачи и распределения электроэнергии и улучшение финансового состояния организаций отрасли;

3. Стимулирование энергосбережения во всех сферах экономики;

4. Создание благоприятных условий для строительства и эксплуатации новых мощностей по производству (генерации) и передаче электроэнергии;

5. Поэтапная ликвидация перекрестного субсидирования различных регионов страны и групп потребителей электроэнергии;

6. Создание системы поддержки малообеспеченных слоев населения;

7. Сохранение и развитие единой инфраструктуры электроэнергетики, включающей в себя магистральные сети и диспетчерское управление;

8. Демонополизация рынка топлива для тепловых электростанций;

9. Создание нормативной правовой базы реформирования отрасли, регулирующей ее функционирование в новых экономических условиях;

10. Реформирование системы государственного регулирования, управления и надзора в электроэнергетике.

На Дальнем Востоке после реформирования разделение произошло по видам бизнеса: выделились генерация, передача и сбытовая деятельность в отдельные компании. При чём передачей электрической мощности на напряжении 220 кВ и выше занимается ОАО «ФСК», а на напряжении 110 кВ и ниже ОАО «ДРСК». Таким образом при проектировании уровень напряжения (место подключения) будет определять организацию, у которой в дальнейшем нужно будет запрашивать технические условия на подключение.

Целью данного КП является проектирование районной электрической сети для надёжного электроснабжения потребителей приведённых в задании на проектирование

Выполнение цели требует выполнения следующих задач:

· Формирование вариантов сети

· Выбор оптимальной схемы сети

· Выбор распределительных устройств ВН и НН

· Расчёт экономического сравнения вариантов сети

· Расчёт электрических режимов

1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

1.1 Анализ источников питания

В качестве источников питания (ИП) в задании заданы: ТЭС и УРП.

В Хабаровском крае основными ИП являются тепловые электрические станции. Непосредственно в г. Хабаровске находятся Хабаровская ТЭЦ -1 и ТЭЦ -3, а на севере Хабаровского края имеется ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, Майская ГРЭС (МГРЭС), Амурская ТЭЦ. Все обозначенные ТЭЦ имеют шины 110 кВ, а ХТЭЦ-3 имеет и шины 220 кВ. МГРЭС работает только на шины 35 кВ

В г. Хабаровске ХТЭЦ-1 - более «старая» (ввод большей части турбоагрегатов – 60-е – 70-е годы прошлого столетия) расположена в южной части города, в Индустриальном районе, ХТЭЦ-3 – в Северном округе, недалеко от ХНПЗ.

Хабаровская ТЭЦ-3 – новая ТЭЦ имеет наиболее высокие технико-экономические показатели среди ТЭЦ энергосистемы и ОЭС Востока. Четвёртый агрегат ТЭЦ (Т-180) был введён в эксплуатацию в декабре 2006г., после чего установленная мощность электростанции достигла величины 720 МВт.

В качестве УРП можно принять одну из ПС 220/110 кВ или крупную ПС 110/35 кВ, в зависимости от рациональных напряжения для выбранного варианта сети. К ПС 220/110 кВ в Хабаровском крае относятся: ПС «Хехцир», ПС «РЦ», ПС «Князеволклнка», ПС «Ургал», ПС «Старт», ПС «Парус» и т.д.

Условно примем, что в качестве ТЭС будет принята Хабаровская ТЭЦ-3, а в качестве УРП – ПС «Хехцир».

ОРУ 110 кВ ХТЭЦ-3 выполнена по схеме две рабочие систем шин с обходной и секционным выключателем, а на ПС «Хехцир» - одна рабочая секционированная система шин с обходной.

1.2 Характеристика потребителей

В Хабаровском крае наибольшая часть потребителей сосредоточена в крупных городах. Поэтому при вычислении вероятностных характеристик с помощью программы «Расчёт сети» принято соотношение потребителей, приведённое в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Характеристика структуры потребителей на проектируемых ПС

1.3 Характеристика климатических и географических условий

Хабаровский край - один из самых крупных регионов Российской Федерации. Его площадь - 788,6 тысяч квадратных километров, что составляет 4,5 процента территории России и 12,7 процента - Дальневосточного экономического района. Территория Хабаровского края расположена в виде узкой полосы на восточной окраине Азии. На западе граница начинается от Амура и сильно извиваясь, идет в северном направлении сначала по западным отрогам Буреинского хребта, затем по западным отрогам хребта Турана, хребтов Эзоя и Ям-Алиня, по хребтам Джагды и Джуг - Дыр. Далее граница, пересекая Становой хребет, идет по верхнему бассейну рек Мая и Учур, на северо-западе – по хребтам Кет-Кап и Олега-Итабыт, на северо-востоке по хребту Сунтар-Хаят.

Преобладающая часть территории имеет горный рельеф. Равнинные пространства занимают значительно меньшую часть и простираются главным образом вдоль бассейнов рек Амура, Тугура, Уды, Амгуни.

Климат умеренно-муссонный, с холодной малоснежной зимой и жарким влажным летом. Средняя температура января: от -22^оС на юге, до -40 градусов на севере, на морском побережье от -15 до -25^оС; июля: от +11^оС - в приморской части, до +21^оС во внутренних и южных районах. Осадков в год выпадает от 400 мм на севере до 800 мм на юге и 1000 мм на восточных склонах Сихотэ-Алиня. Вегетационный период на юге края 170-180 дней. На севере широко распространены многолетнемерзлые породы.

Хабаровский край относится к III району по гололёду

2. РАСЧЁТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В данном разделе производится расчёт вероятностных характеристик, необходимых для выбора основного оборудования проектируемой сети и расчёта потерь мощности и энергии.

В качестве исходных данных используется информация об установленной мощности ПС и типовые графики нагрузок характерных потребителей электрической энергии.

2.1 Порядок расчёта вероятностных характеристик

Расчёт вероятностных характеристик производится с помощью программы «Расчёт сети». Этот программный комплекс упрощает задачу по нахождению необходимых для расчёта характеристик. Задавая в качестве исходных данных только максимальную активную мощность, тип потребителей и их процентное соотношение на ПС мы получаем необходимые вероятностные характеристики. Принятые типы потребителей электроэнергииприведены в таблице 1.1.

Алгоритм расчёта покажем качественно. Для примера воспользуемся данными по ПС А.

Определение средней мощности ПС на текущий период времени

Расчёт для лета аналогичен расчёту для зимы, поэтому покажем расчёт только по зиме.

,(2.1)

где , – величина нагрузки в i час суток летом и зимой соответственно;

 – количество часов использования данной нагрузки на ПС

Из «Расчёта сети» получаем для ПС А  МВт.  МВАр.

Определение эффективной мощности ПС на текущий период времени

(2.2)

По ПС А получим

 МВт,  МВАр

Определение средней прогнозируемой мощности

По формуле сложных процентов определяем среднюю прогнозируемую мощность.

 МВт,(2.3)

где  - средняя мощность за текущий год;

 - относительный прирост электрической нагрузки (Для АО =3,2 %);

 - год, на который определяется электрическая нагрузка;

 - год начала отсчёта (первый в рассматриваемом промежутке).

Определение максимальной прогнозируемой мощности ПС

,(2.4)

где  - средняя мощность ПС;

 - коэффициент Стьюдента;

 - коэффициент формы.

(2.5)

Коэффициент формы для текущего и прогнозируемого графика останется тем же, так как величины вероятностных характеристик изменяются пропорционально.

Таким образом, мы получили установленную прогнозируемую мощность ПС. Далее, используя «Расчёт сети» получаем все остальные вероятностные характеристики.

Необходимо обратить внимание на тот факт, что установленная максимальная мощность всей в «расчёте сети» иногда получается больше, чем мы её задали. что физически не возможно. Это объясняется тем, что при написании программы «Расчёт сети», коэффициент Стьюдента  был принят 1,96. Это соответствует большему количеству потребителей, чего мы не имеем.

Анализ полученных вероятностных характеристик

По данным из «Расчёта сети» получим активные мощности интересующих нас узлов. По указанным в задании на КП коэффициентам реактивной определим реактивную мощность в каждом узле

(2.6)

Результатом расчётов по этому разделу является расчёт необходимых прогнозируемых вероятностных характеристик, которые сведены в Приложении А. Для сравнения все необходимые вероятностные характеристики активной мощности сведены в таблицу 2.1. Для дальнейших расчетов используются только прогнозируемые вероятностные характеристики. Реактивные мощности рассчитаны на основании формулы (2.6) и отражены в приложении А.

Таблица 2.1 – Необходимые для расчёта вероятностные характеристики

3. РАЗРАБОТКА ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ СХЕМЫ И ИХ АНАЛИЗ

Целью раздела является сравнение и отбор наиболее экономически целесообразных вариантов электрической сети заданного района потребителей. Эти варианты необходимо обосновать, подчеркнуть их достоинства и недостатки, проверить на практическую осуществимость. Если все они могут быть реализованы, то, в конечном счёте, выбирается два варианта, один из которых имеет минимальную суммарную длину линий в одноцепном исполнении, а другой минимальным количеством выключателей.

3.1Разработка возможных вариантов конфигураций электрической сети и отбор конкурентно способных

Принципы построения сетей

Схемы электрических сетей должны с наименьшими затратами обеспечить необходимую надёжность электроснабжения, требуемое качество энергии у приёмников, удобство и безопасность эксплуатации сети, возможность её дальнейшего развития и подключения новых потребителей. Электрическая сеть должна обладать также необходимой экономичностью и гибкостью./3, с. 37/.

В проектной практике для построения рациональной конфигурации сети применяют повариантный метод, согласно которому для заданного расположения потребителей намечается несколько вариантов, и из них на основе технико-экономического сравнения выбирается лучший. Намечаемые варианты не должны быть случайными – каждый основывается на ведущем принципе построения сети (радиальная сеть, кольцевая и т.д.) /3, с. 37/.

При разработке конфигурации вариантов сети используют следующие принципы:

1 Нагрузки I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, по не менее двум независимым линиям и перерыв в их электроснабжении допускается лишь на период автоматического включения резервного питания /3, п. 1.2.18/.

2 Для потребителей II категории в большинстве случаев также предусматривают питание по двум отдельным линиям либо по двухцепной линии

3 Для электроприемника III категории достаточно питания по однойлинии.

4 Исключение обратных потоков мощности в разомкнутых сетях

5 Разветвление электрической сети целесообразно осуществлять в узле нагрузки

6 В кольцевых сетях должен быть один уровень номинального напряжения.

7 Применение простых электрических схем распределительных устройств с минимальным количеством трансформации.

8 Вариант сети должен предусматривать обеспечение требуемого уровня надёжности электроснабжения

9 Магистральные сети имеют по сравнению с кольцевыми имеют большую протяжённость ВЛ в одноцепном исполнении, менее сложные схемы РУ меньшую стоимость потерь электроэнергии; кольцевые сети более надёжны и удобны при оперативном использовании

10 Необходимо предусмотреть развитие электрических нагрузок в пунктах потребления

11 Вариант электрической сети должен быть технически осуществим, т. е. должны существовать трансформаторы, выполненные на рассматриваемую нагрузку и сечения линий на рассматриваемое напряжение.

Разработка, сравнение и отбор вариантов конфигураций сети

Расчёт сравнительных показателей предложенных вариантов сети приведен в приложении Б.

Замечание: для удобства работы в расчётных программах буквенные обозначения ПС заменены соответственными цифровыми.

Учитывая расположение ПС, их мощности предложено четыре варианта подключения потребителей к ИП.

В первом вариант питание трёх ПС осуществляется от ТЭС по кольцевой схеме. Четвёртая ПС Г(4) питается от ТЭС и УРП. Достоинством варианта является надёжность всех потребителей, поскольку все ПС в данном варианте будут иметь два независимых источника питания. Кроме того схема удобна для диспетчерского управления (все ПС транзитные, что облегчает вывод в ремонт и позволяет быстро резервировать потребителей).

Рисунок 1 – Вариант 1

Для снижение тока в ПА режиме (при отключении одного из головных участков) в кольце ПС 1, 2, 3 предложен вариант 2, где ПС 2 и 3 работают в кольце, а ПС 1 питается по двухцепной ВЛ. Рисунок 2.

электрическая сеть напряжение затрата

Рисунок 2– Вариант 2

Для усиления связи между рассматриваемыми центрами питания приведён вариант 3, в котором ПС 3 и 4 питаются от ТЭС и УРП. Данный вариант уступает первым двум про протяжённости ВЛ, однако имеет место увеличение надёжности схемы электроснабжения потребителей ПС В(3). Рисунок 3.

Рисунок 3– Вариант 3

В варианте № 4 самый мощный потребитель ПС 4, выделен на отдельное питание по двухцепной ВЛ от ТЭС. В данном случае связь между ТЭС и УРП менее удачна, однако ПС Г(4) работает независимо от остальных ПС. Рисунок 4.

Рисунок 4– Вариант 4

Для полноценного сравнения необходимо учитывать напряжения по рекомендуемым вариантам сети.

По формуле Илларионова определим рациональные уровни напряжений для всех рассматриваемых головных участков и радиальных ВЛ:

,(3.1)

где  – длина участка, на котором определяется напряжение;

 – поток мощности, передаваемый по этому участку.

Для определения напряжения в кольце необходимо определить рациональное напряжение на головных участках. Для этого определяются потоки максимальной активной мощности на головных участках, при этом используется допущение об отсутствии потерь мощности на участках. В общем виде:

,(3.2)

,(3.3)

где P_i- максимальная прогнозируемая мощность нагрузки i-го узла;

l<sub>i0`</sub> , l<sub>i0``</sub> -длины линий от i-й точки сети до соответствующего конца (0` или 0``) развернутой схемы замещения кольцевой сети при ее разрезании в точке источника питания;

l_0`-0``- суммарная длина всех участков кольцевой сети. /4, с 110/

Таким образом, получаем напряжения для интересующих нас участках схем, расчёт которых отражён в приложении Б. Для всех рассматриваемых участков расчётное рациональное напряжение равно 110 кВ.

Сравнение вариантов приводится в таблице 3.1

Таблица 3.1 – Параметры вариантов сети

По итогам предварительного сравнения выбираем для дальнейшего рассмотрения варианты 1 и 2.

3.2 Детальный анализ конкурентно способных вариантов

В данном подпункте необходимо оценить количество оборудования, которое необходимо для надёжного и качественного электроснабжения потребителей: трансформаторы, сечения ЛЭП, мощность компенсирующих устройств, схемы распределительных устройств. Кроме того на данном этапе оценивается техническая возможность (целесообразность) реализации предложенных вариантов.

Выбор количества и мощности компенсирующих устройств

Компенсация реактивной мощности - целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Мероприятия по компенсации реактивной мощности на ПС позволяют:

· уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы;

· уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения;

· улучшить качество электроэнергии у электроприемников;

· уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях;

· снизить расходы на электроэнергию.

Для каждой отдельно взятой ПС предварительная величина мощности КУ определяется по формуле:

,(3.4)

 - максимальная реактивная мощность узла нагрузки, МВАр;

 - максимальная активная мощность узла нагрузки, МВт;

 - коэффициент реактивной мощности определяемый приказом Минпромэнерго № 49 (для сетей 6-10 кВ =0,4)/8/;

Далее производится подбор количества КУ по секциям шин для равномерной компенсации реактивной мощности и определение фактической величины КРМ.

 (3.5)

 - фактическая мощность КУ, МВАр;

 - номинальная мощность КУ из стандартного ряда предлагаемого заводами изготовителями, МВАр;

 – количество устройств.

Определение величины некомпенсированной мощности, которая будет протекать через трансформаторы определяется по выражению:

 (3.6)

 - некомпенсированная зимняя (прогнозируемая) реактивная мощность ПС;

Тип и количество принятых КУ сведено в таблицу 3.2. Подробный расчёт приводится в приложении Б.

Так как это курсовой проект, то типы конденсаторных установок приняты аналогичные (с разъеденителем во вводной ячейке - 56 и левым расположением вводной ячейки - УКЛ)

Таблица 3.2 – Типы применённых КУ на ПС проектируемой сети.

Выбор проводов по экономическим токовым интервалам.

Суммарное сечение проводников ВЛ принимается по табл. 43.4, 43.5 /6, с.241-242/ в зависимости от расчетного тока , номинального напряжения линии, материала и количества цепей опор, района по гололеду и региона страны.

Расчетными для выбора экономического сечения проводов являются: для линий основной сети – расчетные длительные потоки мощности; для линий распределительной сети – совмещенный максимум нагрузки подстанций, присоединенных к данной линии, при прохождении максимума энергосистемы.

При определении расчетного тока не следует учитывать увеличения тока при авариях или ремонтах в каких-либо элементах сети. Значение  определяется по выражению

(3.7)

где  - ток линии на пятом году ее эксплуатации;

 - коэффициент, учитывающий изменение тока по годам эксплуатации;

 - коэффициент, учитывающий число часов использования максимальной нагрузки линии T_м и ее значение в максимуме ЭЭС (определяется коэффициентом К_M).

Введение коэффициента  учитывает фактор разновременности затрат в технико-экономических расчетах. Для ВЛ 110—220 кВ принимается =1,05, что соответствует математическому ожиданию указанного значения в зоне наиболее часто встречающихся темпов роста нагрузки.

Значение К_м принимается равным отношению нагрузки линии в час максимума нагрузки энергосистемы к собственному максимуму нагрузки линии. Усредненные значения коэффициента α_Т принимаются по данным табл. 43.6. /6, с. 243/.

Для определения тока на 5 год эксплуатации мы изначально при проектировании спрогнозировали нагрузки в разделе 3. Таким образом, мы уже оперируем прогнозируемыми нагрузками. Тогда для нахождения тока на пятом году эксплуатации нам необходимо

,(3.8)

где  - максимальная зимняя(прогнозируемая) активная мощность ПС;

 - нескомпенсированная зимняя (прогнозируемая) реактивная мощность ПС;

 - номинальное напряжение линии;

 - количество цепей в линии.

Для Хабаровского края принимается III район по гололёду.

Для двух вариантов сети расчётные сечения на всех участках приведены в таблице 3.3. По длительно допустимым токам производится проверка по условию нагрева проводов. То есть, если ток в линии в послеаварийном режиме меньше, чем длительно допустимый, то данное сечение провода можно выбрать для данной линии.

Таблица 3.3 – Сечения проводов в варианте 1