Расчёт токов короткого замыкания в сети внешнего и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий

Расчёт токов короткого замыкания в сети внешнего и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ХАКАССКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра электроэнергетики

Курсовая работа

«Расчёт токов короткого замыкания в сети внешнего и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий»

Руководитель Латушкина Л.Л

Студент Куркучеков К.

Абакан 2015

Введение

Сооружение и эксплуатация систем электроснабжения(СЭС)связаны с необходимостью выполнения предъявляемых к ним требований по передаче, распределению и потреблению электроэнергии. Критериями исполнения требований являются надежность, качество и экономичность. Их соблюдение требует постоянного использования материальных, трудовых и финансовых ресурсов, величина которых зависит от различных режимов, к которым относят аварийные и послеаварийные, связанные с возникновением переходных процессов в СЭС.

Для эффективного управления эксплуатацией СЭС необходима информация, которая может быть получена на основе сбора данных о состоянии системы в текущий момент времени путем предварительного анализа нормальных режимов и переходных процессов. Вопросы изучения физических процессов, не являющихся нормальными, относятся к дисциплине «Переходные процессы в электроэнергетических системах».

Курсовая работа предназначена для освоения методов практических расчетов токов симметричного и несимметричного короткого замыкания, построения векторных диаграмм и определения параметров по ним.

Исходные данные

Таблица 1- Данные генераторов, нагрузки, автоматов 0,4 кВ

МВт

о.е.о.е.

о.е.Uном, кВМВт

о.е.о.е.

о.е.Uном,

Таблица 2- Данные трансформаторов и системы

кВ∙А

%

кВ/кВ

кВ∙А

%

кВ/кВ

кВ∙А

%

кВ/кВ

кВ∙А

%

кВ/кВ

кВт

Таблица 3- Данные воздушных линий

Ом/км

км

Ом/км

км

Ом/км

км

Ом/км

км

Ом/км

км

Ом/км

Таблица 4- Данные кабельных линий внутренней схемы СЭС(6-10 кВ)

Ом/км

Ом/км

км

Ом/км

Ом/км

км

Ом/км

Ом/км

км

Ом/км

Ом/км

км

Ом/км

Ом/км

Таблица 5- Данные кабельных линий и шинопроводов напряжением до 1 кВ

Ом/км

Ом/км

кма,

мм

Ом/км

Ом/км

кма,

мм

Ом/км

Ом/км

кма,

мм

Ом/км

Ом/км

кма,

Таблица 6- Данные синхронных и асинхронных двигателей 6-10кВ

МВт

о.е.

о.е.

о.е.

МВт

о.е.

о.е.

о.е.

МВт

о.е.

о.е.

МВт

о.е.

Расчет токов КЗ в сетях напряжением выше 1000 В

.1 Определение сопротивления внешней цепи

Схема замещения системы электроснабжения (рис.2) представляет собой совокупность схем замещения ее отдельных элементов (в основном в виде индуктивных сопротивлений), соединенных между собой в той же последовательности, что и на расчетной схеме (рис.1). Так как обобщенная электрическая нагрузка находится на достаточно большой электрической удаленности от места КЗ (конец W12), то, поскольку она непосредственно не связана с местом КЗ, её можно не учитывать. Источники питания (синхронные генераторы и электрическая система) во внешней схеме электроснабжения кроме собственных реактивностей, имеют также и ЭДС (см. рис.2).

Рисунок 1 - Схема электроснабжения

Все вычисления будем проводить согласно [1].

В качестве базисных величин произвольно выбираем базисную мощность SБ соизмеримую с мощностью электрической системы: S 100МВА и базисное напряжение, приравниваемое к среднему номинальному: UБ Uср 10,5кВ.

Рисунок 2 - Схема замещения

Определим параметры схемы замещения в соответствии с [1],табл.1. Электрическая система:

ХG =  о.е; ЕG=1 о.е.

Линии электропередачи:

Хл

Трансформаторы:

;

Генераторы:

EG1=1,18 о.е; ЕG2=1,08 о.е.

Кабельные линии:

;

;

;

Двигатели:

ЕСД2=1,1 о.е; ЕАД2=0,9 о.е.

Перейдем непосредственно к преобразованиям.

Преобразуем треугольник в звезду, параллельные и последовательные соединения сопротивлений:

Преобразованная схема представлена на рис.3.

Рисунок 3-Преобразование схемы замещения

Преобразуем параллельные и последовательные соединения сопротивлений:

Рисунок 4 - Преобразование схемы замещения

Преобразуем параллельные ветви с источниками ЭДС:

Рисунок5-Преобразование схемы замещения

Рисунок 6-Схема замещения

Заменим ветви с реактивными сопротивлениями, комплексными

Рисунок 7-Преобразование схемы замещения

Рисунок 8-Преобразование схемы замещения

Преобразуем параллельные ветви с источниками ЭДС:

Ерез о.е.;

 о.е;

rк=0,0356; xк=1,0186;

φк=88о=1,5359 рад.

Рисунок 9-Преобразование схемы замещения

.2 Расчет сверхпереходного тока КЗ

Базисный ток, соответствующий той ступени напряжения, где произошло КЗ:

 кА.

Найдем начальное значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ в точке КЗ:

 кА.

Ток в ветви генератора и системы:

I”вн кА.

Ток двигателей:

”ад кА;

 кА.

Ток от внешней сети составляет:

 %.

Ток синхронного двигателя составляет:

 %.

Ток асинхронного двигателя составляет:

 %.

.3 Определение мгновенного значения ударного тока КЗ

Рассчитаем Та:

 с.

Найдем ударный коэффициент:

.

Рассчитаем ударный ток:

 кА.

Периодическая составляющая:

.

Определим начальное линейное значение апериодической составляющей тока КЗ:

 кА.

Мгновенное значение тока:

Рассчитаем ток КЗ, задавая различное время. Результаты сведем в табл. 1. График зависимости трехфазного тока КЗ и его составляющих от времени изобразим на рис. 10.

Рисунок 10- Зависимость тока трехфазного КЗ и его составляющих от времени

цепь ток ударный напряжение

2. Расчет трехфазного КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ

Ввиду большой электрической удаленности электроустановок до 1кВ. от генераторов и электрической системы в качестве источника питания принимают шины высокого напряжения понижающего трансформатора 6-10/0,4 кВ.

В схему замещения цепи тока КЗ вводят сопротивления всех силовых элементов сети, участков сборных шин и шинопроводов; сопротивления автоматических выключателей, обмоток трансформаторов тока и дуги в месте КЗ.

В качестве основной ступени напряжения выбираем ступень пониженного напряжения, т.е. НН.

.1 Определение параметров короткозамкнутой цепи и расчет тока в сети 0,4 кВ без учета внешнего сопротивления

Обратимся к исходной схеме (рис.1). С её помощью составим схему замещения (рис.11), отображающую сопротивления всех элементов до точки КЗ (у Ш2).

Рисунок 11 -Схема замещения сети 0,4кВ.

Активное и индуктивное сопротивления понижающего трансформатора, приведенные к ступени НН, рассчитывают по формулам:

где SH номинальная мощность трансформатора; UHH номинальное линейное напряжение обмотки НН трансформатора; P потери КЗ в трансформаторе; UK напряжение КЗ трансформатора.

Рассчитаем параметры шинопровода:

мОм;

мОм.

Рассчитаем параметры кабельной линии:

мОм;

мОм.

Рассчитаем переходное сопротивление:

Свернем схему (рис. 12) и определим результирующие сопротивления.

Рисунок 12 - Результирующая схема замещения

Эквивалентные активное и реактивное сопротивления:

 мОм;

 мОм.

Рассчитаем ток КЗ:

 кА.

.2 Расчет тока КЗ в сети 0,4 кВ с учетом внешнего сопротивления

Рассчитаем ток короткого замыкания с учетом сопротивления внешней сети. К итоговой схеме замещения добавится сопротивление внешней сети (рис.13), которое необходимо привести к напряжению точки КЗ, то есть 0,4 кВ.

Рисунок 13 - Схема замещения для учета внешней сети

Сопротивления внешней сети:

 о.е;

 о.е.

Приведенное сопротивление внешней сети:

 мОм;

 мОм.

Эквивалентные активное и реактивное сопротивления:

 мОм;

 мОм.

Рассчитаем ток КЗ с учетом внешнего сопротивления:

 кА.

незначительно отличается от  из чего видно, что сеть низкого напряжения удалена от внешних источников и расчет без особой погрешности можно вести без учета внешнего сопротивления, так как для практических расчетов допустима погрешность 10-15 %.

.3 Определение ударного ток КЗ

Сначала определим постоянную времени:

 с,

и ударный коэффициент:

.

Ударный ток КЗ будет равен:

 кА.

3. Расчет несимметричного КЗ

.1 Преобразование схемы прямой последовательности и определение её параметров

Расчет будем производить в относительных единицах при базисных условиях п.1. В качестве основных допущений принимаем те, которыми руководствовались при расчете трехфазного КЗ (см. [1]).

Для вычисления несимметричных токов КЗ составим схемы прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Схема прямой последовательности (рис.14) идентична схеме, которая составлена ранее (см. рис.2) для расчета трехфазного КЗ.

Значения параметров элементов схемы замещения обратной последовательности принципиально не отличаются от значений параметров прямой последовательности. Поэтому в практических расчетах несимметричных КЗ для всех элементов сети значения параметров схемы обратной последовательности можно считать равными значениям параметров схемы прямой последовательности.

Рисунок 14-Схема замещения прямой последовательности

Схему удобнее начать преобразовывать, начиная со схемы (рис.4), в которой имеет место несимметричное к.з. ВН Т3(рис.14).

Рисунок 15- Преобразование семы прямой последовательности

Параметры схемы замещения берём из п.1.

Преобразуем последовательные и параллельные соединения сопротивлений:

Рисунок 16- Преобразование семы прямой последовательности

.2 Преобразование схемы нулевой последовательности и определение её параметров

Схема нулевой последовательности принципиально отличается от предыдущей, так как её конфигурация определяется протеканием токов нулевой последовательности. Зона их протекания в схеме (рис.1), если прослеживать путь протекания от точки КЗ непосредственно к элементам СЭС, будет ограничиваться обмотками трансформаторов и автотрансформаторов, обмотки НН которых соединены в треугольник. На основании этого составим схему замещения нулевой последовательности (рис.19).

При определении параметров схемы замещения нулевой последовательности следует принимать во внимание наличие взаимоиндукции между фазами элементов электрической сети. К таким элементам относятся линии электропередачи, синхронные машины, обобщенную нагрузку, трансформаторы и автотрансформаторы.

Выбираем тип двухцепной линии (W3) - с хорошо проводящими тросами. Для всех остальных (одноцепных) - линии со стальными тросами. В обоих случаях сопротивление нулевой последовательности в 3 раза превышает сопротивление прямой последовательности, поэтому сопротивления всех линий вводим в схему замещения в виде утроенной величины по отношению к сопротивлениям линий, рассчитанным в п.1:

Сопротивления трансформаторов такие же, как и в п.1.

Рисунок 18 - Схема замещения нулевой последовательности

Перейдем непосредственно к преобразованиям. Преобразуем треугольник в звезду, параллельные и последовательные соединения сопротивлений:

Х1=ХG+ о.е;

Х2 о.е;

Х3 о.е;

Х4 о.е;

Х5 о.е.

Преобразованная схема представлена на рис.19.

Рисунок 19 -Преобразование схемы замещения нулевой последовательности

Преобразуем параллельные соединения сопротивлений:

Рисунок 20 -Преобразование схемы замещения нулевой последовательности

Рисунок 21- Преобразование схемы замещения нулевой последовательности

Рисунок 22- Преобразование схемы замещения нулевой последовательности

3.3 Определение действующего значения периодической слагающей тока КЗ для заданного вида КЗ

Дополнительное сопротивление, для двухфазного КЗ на землю:

Рассчитываем ток прямой последовательности в фазе А для двухфазного КЗ:

.

Базисный ток, соответствующий той ступени напряжения, где произошло КЗ:

 кА.

Поскольку исходные параметры были выражены в о. е., значение тока в кА получают по формуле:

Коэффициент взаимосвязи токов, для двухфазного КЗ на землю:

Рассчитываем модуль тока поврежденной фазы:

Расчет составляющих токов в месте КЗ:

 о.е;

 о.е;

Расчет составляющих напряжений в месте КЗ:

.4 Построение векторных диаграмм тока и напряжения

Принимаем масштаб тока: mI=0,2 о.е/см;

Рисунок 23 - Векторная диаграмма токов;

Принимаем масштаб напряжения: mU=0,1 о.е/см;

Рисунок 24 - Векторная диаграмма напряжений

;

4. Определение действующего значения периодической слагающей тока трехфазного КЗ для заданного момента времени с помощью типовых кривых

Метод типовых кривых основан на использовании специальных кривых:

семейств основных кривых:

 при разных удаленностях точки КЗ ,

и семейства дополнительных кривых:

при

где - действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания от генератора (синхронного компенсатора, электродвигателя) в произвольный момент времени t;  - начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания от генератора; - номинальный ток источника;  - коэффициент;  - начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания от всех источников, то есть ток в месте КЗ;  - периодическая составляющая тока КЗ в момент времени t, создаваемая всеми источниками.

Типовые кривые синхронных генераторов приведены на рис. 25.

Рисунок 25 - Типовые кривые: а - основные; б - дополнительные

Рассматриваемая точка КЗ - конец W12. Относительно этой точки необходимо определить величину действующего значения периодической слагающей тока трехфазного КЗ для заданного момента времени с помощью типовых кривых.

Составим расчетную схему на основании предыдущих расчетов и схем (рис. 26).

Рисунок 26 - Схема замещения для расчета тока КЗ в заданный момент времени

;

Х8 о.е;

Х9 о.е;

Х10 о.е.

Рисунок 27 - Схема замещения для расчета тока КЗ в заданный момент времени

Начальное значение периодической составляющей тока КЗ:

I”г кА;

Номинальный ток генератора:

Определим соотношения:

Поскольку удаленность точки КЗ меньше двух, это значит, что коэффициент  близок к единице и нет необходимости пользоваться типовыми кривыми в данном случае. Периодическую составляющую тока трехфазного КЗ для момента времени t = 0,2 с определим по выражению:

Очевидно, что коэффициент  Тогда

Найдем периодическую составляющую тока трехфазного КЗ в заданный момент времени для двигателей. Номинальный ток двигателей:

Определим соотношения:

 <0,5;

 <0,5;

По кривым рис. 25 находим для t = 0,2 с γпt сд = 0,59; γпt ад = 0,72, тогда

кА.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы достигнуты следующие результаты. При трёхфазном коротком замыкании в схеме внутреннего электроснабжения предприятия рассчитаны:

сопротивление внешней цепи;

сверхпереходный ток со стороны внешнего электроснабжения;

подпитывающее влияние двигателей в начальный момент переходного процесса;

суммарный сверхпереходный ток в точке КЗ и мгновенное значение ударного тока КЗ.

оценено влияние нагрузки на начальное значение тока КЗ и ударный ток, если она непосредственно присоединена к точке КЗ.

Построена зависимость полного трехфазного тока КЗ и его составляющих от времени.

Вычислено в сети 380/220 В:

начальное действующее значение периодической слагающей тока трехфазного КЗ с учетом и без учета внешнего сопротивления;

оценено влияние сопротивления внешней цепи на значение сверхпереходного тока;

определен ударный ток КЗ.

При несимметричном КЗ в схеме внешнего электроснабжения:

определено действующее значение периодической слагающей тока для заданного вида КЗ;

построены векторные диаграммы токов и напряжений в точке КЗ, и определить по ним токи и напряжения фаз.

Определено действующее значение периодической слагающей тока трехфазного КЗ сети 6-10 кВ в произвольный момент времени по типовым кривым в заданной точке.

Список использованных источников

1. Расчёт токов короткого замыкания в сети внешнего и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий: метод. указания к курсовой работе для студентов специальности 100400 - «Электроснабжение» / сост. Л. Л. Латушкина - Красноярск : КГТУ, 2004. - 34 с.

. Винославский, В. Н. Переходные процессы в системах электроснабжения: учебник / В. Н. Винославский, Г. Г. Пивняк, Л. И. Несен; ред. В. Н. Винославский. - Киев : Выща шк.,1989. - 422 с.

. Куликов, Ю. А. Переходные процессы в электрических системах : учеб. пособие / Ю. А. Куликов. - Новосибирск: НГТУ, Мир: АСТ, 2006. - 284 с.

. Расчёт токов короткого замыкания в сети внешнего и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий : метод. указания к курсовой работе для студентов специальности 1004 - «Электроснабжение» / сост. А. С. Дулесов ; ХПИ при КГТУ. - Красноярск, 1994. -28 с.

. Исследование характера протекания переходного процесса при коротком замыкании : метод. указания к лабораторной работе № 1 для студентов специальности 100400 - «Электроснабжение» / Л. Л. Латушкина. - Красноярск : КГТУ, 2002. - 11 с.

. Расчёт симметричного короткого замыкания электрической системы : метод. указания по лабораторной работе для студентов специальности 100400 - «Электроснабжение» / сост. Л. Л. Латушкина. - Красноярск : КГТУ, 2003. - 26 c.

. Исследование несимметричных коротких замыканий в электрических сетях : метод. указания к лабораторной работе № 4 для студентов специальности 100400 - «Электроснабжение» / сост. Л. Л. Латушкина. - Красноярск : КГТУ, 2003. - 16 с.