Проектирование районной электрической сети 220/110 кВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет — Электроэнергетический институт Направление — Электроэнергетика и электротехника Кафедра — Электрические сети и электротехника ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАЙОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 220/110 КВ Курсовой проект по курсу «Электроэнергетические системы и сети»

Томск — 2014

Задание

1. Расположение потребителей и источника питания на координатной плоскости, масштаб 15 км/см Радиальная сеть Кольцевая сеть

2. Характеристики потребителей электроэнергии и источника питания

Дата выдачи задания__________________________________________

Дата сдачи готового проекта____________________________________

Руководитель проекта_________________________________________

Задание к выполнению принял __________________________________

Студент группы______________________________________(Подпись) Содержание Введение РАЗДЕЛ 1. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

1.1 Формирование исходных данных

1.2 Построение вариантов схемы электрической сети

1.3. Предварительные расчеты

1.4. Предварительный расчет потоков мощности

1.5. Выбор номинального напряжения

1.5.1 Выбор номинальных напряжений для кольцевой сети

1.6 Выбор сечения проводов

1.7 Проверка сечений по техническим ограничениям

1.8 Определение сопротивлений и проводимостей линий электропередачи РАЗДЕЛ 2. ТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕЖИМОВ

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Составление полных схем электрических соединений

1.1 Составление сводной сметной стоимости строительства

1.2 Технико-экономическое расчет

1.3 Анализ технико-экономических показателей

Заключение

Литература Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Энергосистема — совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом. Совокупность электрического оборудования объектов энергосистемы представляет собой ее электрическую часть.

Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторного оборудования подстанций, их распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории. Таким образом, электрическая сеть как элемент электроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, её передачу на расстояние, преобразование параметров электроэнергии на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.

С точки зрения конфигурации различают разомкнутые и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиально-магистральными линиями, осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания, причем каждый потребитель получает питание с одного направления. К числу замкнутых относятся сети, которые обеспечивают питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная (кольцевая) сеть.

В данном проекте будут рассчитаны оба варианта выполнения сети. Выбор той или иной конфигурации определяется техническими и экономическими критериями.

Поскольку проект предусматривает потребителей I и II категории, поэтому радиальная сеть будет полностью выполнена двухцепными линиями электропередачи. Так как при повреждении линии, особенно в ее начале, прекращается электроснабжение всех потребителей, присоединенных к ней. К достоинствам можно отнести то, что при сооружении радиальных сетей требуется наименьший расход средств и материалов.

Кольцевые сети имеют повышенную надежность электроснабжения потребителей, меньшие потери мощности, к недостаткам — сложность эксплуатации, удорожание за счет дополнительных линий.

Раздел 1. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

1.1 Формирование исходных данных

Таблица 1- Сводная таблица исходных данных по варианту КРИДК

1.2 Построение вариантов схемы электрической сети

При построение схем необходимо придерживаться следующих правил:

1) При разработке возможных вариантов схемы необходимо разделить всех потребителей на категории по надежности электроснабжения.

2) В качестве критерия для выбора оптимального варианта схемы служит минимум затрат на ее сооружение и эксплуатацию. Величина затрат зависит в том числе от количества и протяженности ЛЭП.

3) В качестве узловой ПС лучше выбрать подстанцию с наибольшей нагрузкой.

На рисунке 1 изображен вариант радиальной электрической сети.

Рис. 1. Вариант электрической сети радиальной конфигурации Анализ полученного варианта:

— коэффициент Kk, % для всех ПС больше нуля, это означает, что ЭП либо первой либо второй категорий, поэтому все ЛЭП выполнены в двухцепном исполнении;

— следуя третьему правилу построения схемы, в качестве узловой ПС следовало бы выбрать ПС № 1 (70 МВт), но ЛЭП 0−1 оказалась бы длинней, чем ЛЭП 0−3, а это значит, что затраты на её сооружение были бы гораздо больше, поэтому в качестве узловой следует оставить ПС № 3.

На рисунке 2 изображен вариант электрической сети замкнутой конфигурации.

Рис. 2. Вариант электрической сети замкнутой конфигурации На рисунке 2 подстанции № 1, 2, 3 и 4 соединены в кольцо одноцепными ЛЭП, что не нарушает требований надежности и бесперебойности электроснабжения ЭП первой и второй категорий, так как при отключении одного из головных участков кольца (3−2 или 3−4), электроснабжение ПС будет осуществляться по оставшемуся в работе участку. ЛЭП, идущая от узла, обозначенного как РЭС до узловой ПС № 3 остается в двухцепном исполнении.

1.3 Предварительные расчеты

Определение длин всех участков:

Длину любой ЛЭП li-j можно определить путем умножения расстояния между соответствующими подстанциями aij на масштаб m, приведенный в таблице 1:

(1)

где

Все вычисления по длинам ЛЭП сводятся в таблицу 2.

Таблица 2-Длины ЛЭП

Для проведения дальнейших расчетов требуется определить значения полной мощности и реактивной мощности

(2)

(3)

тогда комплексное значение полной мощности можно представить в виде

(4)

Результаты расчетов мощностей для всех ПС сведены в таблицу 3.

Таблица 3-Мощности подстанций в режиме максимальных нагрузок

1.4 Предварительный расчет потоков мощности

Рассмотрим расчет потоков мощностей отдельно для каждой схемы.

Для радиальной схемы (рисунок 1) потоки мощностей S3−1, S3−1, S3−4 равны мощностям нагрузок ПС Smax3, Smax1, Smax4 соответственно, а поток мощности, идущий от шин РЭС до узловой ПС № 3-S0−3, равен согласно первому закону Кирхгофа сумме мощностей нагрузок, то есть можно записать:

S0−3=Smax1+Smax2+Smax3+Smax4=

70+20+26+10+j (50,679+15,522+18,148+8,023)=126+j92,572, МВА Результаты подсчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4-Потоки мощности для радиальной сети

На рисунке 2 представлена кольцевая сеть. Головные участки сети 3−2 и 3−4 подключены к узловой ПС№ 3. Предварительное потокораспределение в кольце рассчитаем по правилу моментов. Считая сеть однородной

x0/r0=const, при расчете вместо сопротивлений используем длины линий для определения потоков мощности. Результаты подсчета приведены в табл.5

МВА

МВА Проверка правильности расчетов (баланс мощностей) рассчитывается как:

S3−2 + S3−4= Smax1 + Smax2 + Smax4;

53,57 + j39,79 + 46,43 + j34,43 = 70 + j50,68+ 20 + j15,52 + 10 + j8,02;

100 + j74,2= 100 + j74,2, МВА Проверка выполняется, таким образом, потоки мощности на головных участках найдены верно.

После определения мощностей, протекающих по головным участкам электрической сети, можно найти мощности на внутренних участках, используя первый закон Кирхгофа:

Узел 1 — предварительно является точкой потокораздела Баланс мощностей в точке потокораздела:

Таблица5-Потоки мощности для замкнутой сети

1.5 Выбор номинального напряжения

Номинальные напряжения сети выбираются в зависимости от передаваемой мощности и дальности передачи.

Для определения номинальных напряжений на всех участках электрической сети воспользуемся формулой Илларионова [2]:

где l — длина линии, км;

Р — передаваемая активная мощность, МВт.

1.5.1 Выбор номинальных напряжений для кольцевой сети

Головные и внутренние участки кольцевой сети принимаем равным напряжению 220 кВ. Результаты расчета радиальной и кольцевой сети сведены в таблицу 6.

Таблица 6-Значения напряжений для схем

1.6 Выбор сечения проводов

Сечение проводов ЛЭП, согласно [1], выбираем по экономической плотности тока. Расчетный ток определяется по формуле:

(5)

где — коэффициент, учитывающий изменение нагрузки по годам эксплуатации, для ЛЭП 110−220 кВ [2];

— коэффициент, учитывающий число часов использования максимальной нагрузки линии Тmax и коэффициент ее попадания в максимум энергосистемы kM.

— ток в линии на пятый год ее эксплуатации в нормальном режиме, определяется по формуле:

(6)

Экономическому сечение проводов проектируемой ВЛ:

(7)

где — экономическая плотность тока, определяется по таблице 1.3.36.

Полученное в расчете сечение округляется до ближайшего стандартного.

Результаты расчета приведены в таблице 7.

Таблица 7-Сводная таблица выбранных проводов ВЛ

1.7 Проверка сечений по техническим ограничениям

Сечения проводов, выбранных по экономической плотности тока, проверяются на соответствие ряду технических требований. Окончательный выбор сечения можно сделать только после проверки выполнения этих требований.

Проверка по допустимой токовой нагрузке (по нагреву).

Например, сечение провода, выбранное по экономическому критерию должно быть проверено по условию

где — допустимый длительный ток для проводника, определяемый согласно [2,табл.3.15.] для выбранного сечения;

— наибольшее значение тока в длительных режимах, под которыми обычно подразумеваются послеаварийные и ремонтные режимы электрической сети. Для радиальной принимается режим отключения одной цепи. Для кольцевой сети за такой режим принимается отключение одного из головных участков. Согласно рисунку 3 определяется ток при поочередном отключении головных участков.

а) б) Рис. 3.Проверка сечений по нагреву при отключении головных участков 3−4(а) и 3- 2 (б) Отключение участка 3 — 4 (рис.3а) Проверка соблюдается.

Отключение участка 3 — 2 (рис.3б) Проверка соблюдается.

Результаты расчета сводятся в таблицу 8.

Таблица 8-Результаты проверки проводов по техническим ограничениям

1.8 Определение сопротивлений и проводимостей линий электропередачи

Расчет проводится согласно данным таблиц 3.8 и 3.9. Рассчитанные значения, представленные в таблице 9.

Пример расчета для участка 0 — 3:

Таблица 9. Расчетные данные установленных проводов

1.9 Выбор трансформаторов на подстанциях

Для потребителей первой и второй категорий на подстанциях предусматривается установка не менее двух трансформаторов.

Мощность трансформаторов определяется по формуле:

(8)

где kI — II — коэффициент участия потребителей I и II категории, равен 1

— допустимый коэффициент перегрузки трансформаторов в аварийном случае, это зависит от того в течение которого времени он будет перегружен.

Определяется согласно [3]: для автотрансформаторов -1,2; для трансформаторов — 1,4

n — число параллельно включенных трансформаторов Выбор мощности автотрансформаторов на ПС 3 (радиальная схема) Принимается автотрансформатор АТДЦТН 125 000/220/110 [2, табл. 5.22]

Выбранный автотрансформатор необходимо проверить по загрузке обмоток.

Типовая мощность автотрансформатора:

Допустимый ток общей обмотки:

Допустимый ток последовательной обмотки:

Нагрузочный ток в общей обмотке где Sсн=25,32+12,82=38,137, МВА — мощность, на которую загружается обмотка СН автотрансформатора

Sвн = Sсн+ Sнн=38,137+31,71=88,731, МВА — мощность, проходящая через обмотку ВН автотрансформатора

Iобщ=41< =283, А. Условие нагрузки обмоток выполняется Нагрузочный ток в общей обмотке Проверка допустимости загрузки обмотки НН

SнагрНН=31,707, МВА

Режим работы АТ допустим. К установке принимается АТДЦТН 125 000/220/110.

Выбор мощности трансформаторов на ПС 1 (радиальная схема) К установке принимается трансформатор ТРДЦН 125 000/220

Аналогично трансформаторы выбираются для остальных подстанций, результаты выбора трансформаторов и их характеристики представлены в таблице 10 и 11.

Таблица 10-Выбранные трансформаторы на подстанциях

Таблица 11-Характеристики выбранных трансформаторов

1.10 Определение сопротивлений и проводимостей трансформаторов

По справочным данным трансформаторов и АТ определены их активные и реактивные проводимости:

Например, для трансформатора на ПС1 радиальной схемы:

1.11 Подготовка расчётной схемы и выполнение электрического расчёта режима максимальных нагрузок с помощью ПК RastrWin3

ПК RastrWin3 предназначен для решения задач по расчету, анализу и оптимизации установившихся режимов электрических сетей и систем.

Перед проведением расчетов c помощью ПК необходимо подготовить исходные данные по схеме и нагрузкам электрической сети в форме, понятной «RastrWin3» (Приложение 1. рис. 1 и рис.2)

РАЗДЕЛ 2. ТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА

В программном обеспечении RastrWin3 был произведен электрический расчет радиальной и кольцевой сети.

· Режим максимальных нагрузок.

· Ремонтный режим. Производится для отрегулированного режима максимальных нагрузок после отключения одной цепи ВЛ.

· Режим минимальных нагрузок. Напряжение источника питания составляет 108% от номинального напряжения сети U=237 кВ и Pmin=50%.

Расчетные данные режимов приведены в приложении 2 (табл.1; табл.3; табл.5; табл.7; табл.9; табл.11.)

Согласно [7], напряжение на шинах НН подстанций должно поддерживаться на 5% выше номинального напряжения электроприемников. С помощью устройств РПН было отрегулировано напряжения на шинах НН ПС до уровня регламентированного.

В ходе расчета радиальной сети, последовательно с АТ устанавливается регулировочный трансформатор ЛТДН 40 000/10 с диапазоном регулирования ±10×1,5% [2], так как на автотрансформаторе регулирование напряжения производится на шинах СН. Результаты расчетов режимов представлены в табл.12.

Токовые загрузки всех режимов ЛЭП прошли проверку по нагреву и не превышают допустимых токов.

(Приложение 2-табл.2; табл.4; табл.6; табл.8; табл.10; табл.12)

Таблица 12. Результаты расчетов режимов.

Заключение

по разделу: В ходе проектирования на основе технических требований и было выбрано основное оборудование сетей: провода, трансформаторы и компенсирующие устройства. С помощью программного продукта RastrWin3 произведен электрический расчет радиальной и кольцевой сети: рассчитаны потери напряжения в сети, отрегулировано напряжение на шинах подстанций. Этот раздел создал условия для производства технико-экономического расчета и сравнения вариантов.

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

3.1 Составление полных схем электрических соединений

Полные схемы электрических соединений включают схему выдачи мощности РЭС, схемы соединения линий, схемы присоединения понижающих подстанций к сети, схемы устройств низкого напряжения. Выбор схемы выдачи мощности РЭС и схем присоединения подстанций к сети выполняем с учетом принятой конфигурации варианта и категории потребителей по степени надежности. Схемы распределительных устройств и рекомендации по их применению находятся в [1],[2] и.

Для узловой подстанции принята схема 12-Н для обоих вариантов. Это связано с тем, что от работы узловой подстанции зависит работа остальных подстанций, между тем схема 12-Н обладает высокой надежностью выдачи электроэнергии. Остальные подстанции в зависимости от схемы (кольцевая либо радиальная) имеют свое назначение, следовательно, и свою схему. Так для радиальной схемы эти подстанции тупиковые, а для кольцевойпроходные. Для обеспечения электроэнергией местных потребителей на подстанциях используется РУ 10(6) кВ.

Схемы электрических соединений представлены в приложении 5.

3.2 Составление сводной сметной стоимости строительства

Размер необходимых средств на капитальное строительство определяется проектно-сметной документацией.

Сметная стоимость строительства — это сумма денежных средств, определяемая сметными документами в соответствии с проектной документацией. Сметная стоимость является основой для финансирования строительства, расчетов за выполнение строительно-монтажных работ.

Сметы для строительства составляются отдельно для линий электропередач и подстанций для каждого варианта. Сводный сметный расчет для двух вариантов представлены в приложении 3 табл.13, 14, 15 и 16. Все таблицы составлены согласно [5],.

Суммарные капиталовложения для радиальной сети:

КУ=Клэп+Кпс=5 692 242+2839619=8 531 861 тыс. руб.

Суммарные капиталовложения для кольцевой сети:

КУ=Клэп+Кпс=7 585 429+2718908=10 304 337 тыс. руб

3.3 Технико-экономическое расчет

В данном курсовом проекте технико-экономический расчет производится для сравнения двух типов сетей. Для этого необходимо определить экономическую эффективность строительства электросетевого района, и исходя из этого, выбрать наиболее перспективный вариант строительства. В качестве сравнения применяются показатели: дисконтированный срок окупаемости и индекс рентабельности.

Алгоритм действий:

1. Определение сроков окончания строительства.

Строительство ПС и ЛЭП для каждой из сетей производится поочередно, следовательно, срок строительства будет суммироваться из наибольших сроков строительства ПС и ЛЭП. Согласно рекомендациям в этом случае:

ТУстр=Тстр.ВЛ+Тстр.ПС = 8+16=24 мес.

2.

3. Расчетный период: 25 лет

4. Количество инвесторов и процентная ставка кредитования.

Строительство предполагается произвести на заемные средства от двух инвесторов под 16 и 14,76% годовых.

5. Определение количества передаваемой по линии мощности и потерь активной мощности (из расчета режима максимальных нагрузок в ПК RastrWin3):

Радиальная сеть:

Замкнутая сеть:

6. Количество передаваемой за год энергии:

7. Годовые потери электроэнергии:

Для трансформаторов:

Для линий электропередач:

Суммарные потери в радиальной сети:

Аналогично производится расчет для замкнутой сети.

Технико-экономический расчет производится согласно рекомендациям в приложении MS Office Excel. Исходные данные к расчету приведены в таблице 13. Расчеты представлены в приложении 4 табл.17 и 18. Графики сроков окупаемости представлены на рисунках 11 и 12.

Таблица 13-Исходные данные для проведения ТЭР

3.4 Анализ технико-экономических показателей

Экономическая эффективность оценивается по показателям:

? Чистый дисконтированный доход: для радиальной сети (рис.3) приобретает положительное значение на 5 год (4 года и 4 месяца) с начала строительства: инвестор вернет вложенный капитал, но с меньшим процентом, нежели он положил бы в банк.

Для кольцевой (рис.4) — на 5-й год (4 года и 7 месяцев).

? Дисконтированный срок окупаемости: определяется по графику изменения ЧДД по годам как точка пересечения графика ЧДД с осью времени:

Рис. 3. График срока окупаемости радиальной сети Рис. 4. График срока окупаемости замкнутой сети

? Индекс рентабельности инвестиций (доходности) определяется как а) для радиальной сети:

б) для кольцевой:

Это означает, что оба варианта абсолютно эффективны. Сравнительный анализ приведен в таблице 14.

Таблица 14- Сравнительный анализ кольцевой и радиальной сети

Заключение

по разделу 3

Из анализа технико-экономических показателей, видно, что индекс доходности для двух случаев больше единицы, это говорит о том, что обе сети являются экономически эффективными. Однако, капиталовложения в сети разной конфигурации различны. Строительство радиальной сети требует меньше затрат, нежели строительство кольцевой сети. Это связано с тем, что для первого варианта более рационально подобрана схема сети.

Заключение

В результате выполненного курсового проекта была спроектирована энергосистема 110−220 кВ, обеспечивающая электрической энергией четырех потребителей.

Для расчета были отобраны два варианта схем энергоснабжения: радиальная и кольцевая. Исходя из условий надежности электроснабжения потребителей 1 и 2 категории, для кольцевой электрической сети были выбраны одноцепные ЛЭП; для радиальной сети все линии приняты двухцепными. Принимая, что цепь является однородной, на первом этапе были рассчитаны потоки мощности на всех участках цепей с использованием правила моментов и 1-го закона Кирхгофа. Для каждой схемы были выбраны оптимальные значения номинальных напряжений согласно расчетам, производимым по формуле Илларионова. Был произведен выбор сечений проводов ВЛ по экономической плотности тока. Полученные сечения были подвергнуты проверке по нагреву. В ходе проверки было установлено, что все выбранные сечения удовлетворяют необходимым требованиям. По выбранным сечениям были рассчитаны сопротивления и проводимости ВЛ.

Исходя из условий надежности электроснабжения потребителей 1 и 2 категории (не менее двух трансформаторов на подстанции) был произведен выбор трансформаторов и автотрансформаторов.

Для радиальной и кольцевой схем составлены полные схемы электрических соединений.

В ходе технико-экономического расчета для каждой сети был произведен расчет сводной сметной стоимости строительства. Определены сроки окончания строительства. В результате технико-экономического сравнения вариантов схем была выбрана радиальная схема электрической сети. Данная схема имеет меньшие капиталовложения.

Литература

1. Правила устройства электроустановок. М: ЭНАС, 2011. — 704 с

2. Справочник по проектированию электрических сетей/под ред. Д. Л. Файбисовича. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.:ЭНАС, 2012. — 376 с.

3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. — М: Омега — Л, 2012. 256 с

4. Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35−750 кВ. Типовые решения. — ОАО «ФСК ЕЭС», 2007. — 132 с.

5. Сборник «Укрупненные стоимостные показатели линий электропередач и подстанций напряжений 35−1150 кВ «324 тм — т1для электросетевых объектов ОАО «ФСК ЕЭС», — ОАО «ФСК ЕЭС», 2012, — 33с.

6. Сроки работ по проектированию, строительству и реконструкции подстанций и линий электропередач 35−1150 кВ. — ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. — 27 с.

7. ГОСТ 13 109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М: Изд-во стандартов, 2002;33 с.