Создание систем автоматизации позволяет снизить трудозатраты на проектирование, повысить его качество и эффективность.
До сих пор системы автоматизации проектирования в практику проектирования электроэнергетических объектов практически не внедряются из-за их сложности и дороговизны.
Электрические системы, в том числе и электрические станции, могут работать в нескольких режимах: нормальный режим, режим короткого замыкания, перегрузка.
Определение токов короткого замыкания необходимо для выбора электрических аппаратов и токопроводов, расчета релейной защиты элементов схемы электрических соединений электростанции и расчета заземляющих устройств. Разработанная модель может реализовывать данные режимы работы.
На начальной ступени развития автоматизированного проектирования ЭВМ используется для решения отдельных, не связанных между собой инженерных задач. При проектировании электрической части электростанции ЭВМ применяется для расчетов токов короткого замыкания, успешности самозапуска электродвигателей механизмов собственных нужд электростанций, заземляющих устройств и т. д.
Данные программы расчета на ЭВМ имеют четко выраженный расчетный характер. В программах реализуются хорошо отработанные методы, которые используются и при ручных расчетах без применения ЭВМ.
Обзор существующих исследований и разработок
Одним из примеров служит разработка уральского САПРа, в который входит пакет прикладных программ "Выбор кабелей и
автоматических выключателей в сети 0,4 кВ собственных нужд АЭС".
Пакет прикладных программ (ППП) состоит из четырех
групп файлов, три из которых являются обязательными, а четвертая — может образовываться в процессе расчета.
1. ФАЙЛЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ
1.1. DVIG00.BAS — расчет двигателей, питающихся от распределительного устройства собственных нужд РУСН.
1.2. DVIG11.BAS — расчет вторичных силовых сборок с подключенными к ним двигателями.
1.3. RTZO.BAS — расчет сборок РТЗО.
1.4. MG-SB.BAS — расчет сбоpок, питающихся по магистрали кабелей.
1.5. TRSN.BAS — расчет защит трансформатора собственных нужд.
1.6. CORRECT.BAS — удаление присоединений из промежуточного расширяемого файла.
Файлы п.п. 1.1 — 1.6 содержат тексты программ на языке BASIC, предназначенных для работы в среде интерпретатора, записанного в файле GWBASIC.EXE.
2. ФАЙЛЫ С ПАРАМЕТРАМИ ОБОРУДОВАНИЯ
Указанные файлы имеют цифровое расширение имени файла. Номер расширения идентифицирует участие соответствующего элемента в схеме и расчете и не должен изменяться.
3. ФАЙЛЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗОЙ ДАННЫХ
Файлы, содержащие программу и архив для просмотра и редактирования содержания файлов с параметрами оборудования (см. п. 2) — EDT.EXE (пpогpамма), EDTABL.0T1, EDTABL.HLP, EDTABL.xxx.
Авторское право принадлежит другой организации.
Пакет прикладных программ САПР системы собственных нужд схематически изображен на рисунке1.
Рисунок 1. — Структурная схема САПР системы с. н. 0,4 кВ АЭС.
Перечень решаемых в работе задач
Научная новизна работы заключается в разработке моделей электрических частей электростанций, имеющих различную технологическую схему выработки электроэнергии. Модели формируются исходя из информации об отдельных компонентах и взаимосвязей между ними. Практическая ценность работы заключается в разработке программ расчета, позволяющих выполнять основные проекты процедуры по формированию схем главных электрических соединений и систем собственных нужд напряжением 6 кВ. Апробация работы. Отдельные компоненты работы в виде расчета токов короткого замыкания, выбора оборудования, проверки трансформаторов по условиям самозапуска электродвигателей апробированы в учебном процессе кафедры ЭС при выполнении курсовых и дипломных проектов. Внедрение работы. Предусматривается внедрение результатов работы в виде программных модулей в отделе проектирования ОАО "Сервис-инвест" и "Востокэнерго".
Для реализации математических моделей используются программы, написанные в среде МаthCAD, на основании того, что там успешно используется стандартный встроенный пакет математических методов и функций. А также мы с легкостью прослеживаем ход работы алгоритма (т.е. алгоритм — нагляден и прозрачен). Плюс не требует у проектировщика знания языков программирования высшего уровня, для понимания работы алгоритма.
Имеет смысл выполнение отдельных "фрагментов проектирования" в отдельных программах, которые будут взаимосвязаны между собой (также обеспечивается пакетом МаthCAD) для дальнейшего расчета.
Это более удобно для экономии времени при возникновении необходимости расчета одного фрагмента, например, проверки трансформатора собственных нужд или расчета токов кроткого замыкания для выбора электрооборудования при уже известной схеме (рисунок 2) и т.д.
Рисунок 2 — Упрощенная схема электрических связей ЭС для расчетов токов короткого замыкания.
ПРИМЕЧАНИЕ. Рисунок анимирован (при наведении мыши появляется анимированный рисунок, при отводе курсора с рисунка вновь изображается статический рисунок).
Также целью работы есть получение динамической модели АД в среде МаthLab, в фазных координатах одновременно рассчитывающая параметры двигателя по минимально заданным каталожным данным применяя при этом двухконтурную схему замещения (была предложена профессором Сивокобыленко В.Ф.), которая отражает нелинейную зависимость сопротивления ротора от скольжения, при этом мы имеем дело с алгебраическими уравнениями. Такая необходимость возникла в результате того, что методика расчета параметров двигателя по одноконтурной схеме замещения, используемая нашими остальными кафедрами и также предложенная в книге по МаthLab, дает 25% ошибку параметров в номинальном режиме, что очень существенно для такого режима, и еще большую ошибку при пуске. Что ограничивает использование таких моделей только в учебных целях. Предметом автоматизации проектирования является формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, а также способы построения технических средств, языков, программ, банков данных и вопросы их объединения в единую проектирующую систему [3].
Основная часть
Общие положения
Расчет токов короткого замыкания является составной частью таких технологических задач как проектирование заземляющих устройств, выбора схемы соединений и оборудования, оценка термической и динамической стойкости оборудования, при анализе аварий или выборе уставок защит.
В зависимости от цели расчета предъявляются соответствующие требования по точности: — при проектировании электрических систем имеются только приближенные данные и следовательно используются приближенные расчеты.
— при анализе аварий или выборе уставок релейной защиты используются более точные методы расчета.
То есть видим, что общим для задач проектирования есть ограниченность и погрешность исходной информации для расчетов.
При выборе аппаратуры расчетным считается максимальный режим, при котором токи короткого замыкания имеют максимальные значения.
Этот же режим учитывается при расчетах пуска и самозапуска электродвигателей с целью обеспечения несрабатывания защит в сети. При проверке чувствительности защит расчетным является минимальный режим, при котором токи короткого замыкания имеют минимальные значения. Этот же режим используется для проверки возможности пуска и самозапуска электродвигателей.
Особенности расчетов токов короткого замыкания.
Порядок расчета токов короткого замыкания в электроустановках следующий: составляется расчетная схема, намечаются места расположения расчетных точек короткого замыкания, определяются расчетные виды и расчетное время короткого замыкания, производится непосредственно расчет токов короткого замыкания.
В расчетную схему вводятся все источники токов короткого замыкания (ЭДС), все связи между ними и элементы, за которыми также необходимо найти значения токов короткого замыкания. Схема должна учитывать перспективу развития сетей и генерирующих источников.
На расчетной схеме указываются точки короткого замыкания, для которых определяются токи короткого замыкания. Если в расчетной схеме имеются замкнутые контуры, то токи короткого замыкания рассчитываются и для режима разомкнутого контура, так как именно в таком режиме через некоторые аппараты и токопроводы могут протекать наибольшие токи короткого замыкания.
В электрических сетях напряжением 3 — 35 кВ вычисляются токи трехфазного короткого замыкания, а в сетях напряжением ПО кВ и выше — токи трехфазного и однофазного короткого замыкания. Токи двухфазного короткого замыкания определяются для проверки гибких токопроводов на схлестывание и на термическую стойкость аппаратов и токопроводов на генераторном напряжении.
В зависимости от цели расчета определяется расчетное время. Электродинамическая стойкость аппаратов и токопроводов оценивается при расчетном времени, равном 0,01 с. Для проверки высоковольтных выключателей по коммутационной способности расчетное время складывается из времени действия быстродействующей релейной защиты, равной 0,01 с., и собственного времени отключения выключателя tв.
Термическая стойкость требует проверки за расчетное время, равное tоткл и состоящее из времени действия основной релейной защиты tр (с учетом действия АПВ) и полного времени отключения выключателя tвоткл (включая время горения дуги) [2]. В зависимости от цели расчета учитываются разные расчетные режимы работы электрической схемы.
Особенности расчетов токов короткого замыкания в системе собственных нужд электростанций напряжением 0,4 кВ
Особенности расчета токов короткого замыкания в системе собственных нужд электростанций напряжением до 1 кВ состоят в необходимости учета активного и индуктивного сопротивления элементов цепи короткого замыкания, влияния дуги в месте замыкания и токов подпитки от электродвигателей напряжением 0,4 (0,66) кВ механизмов собственных нужд.
Основные положения метода расчета токов КЗ изложены в [4, 1]. Учитываются индуктивные и активные сопротивления питающей электрической сети, трансформаторов, реакторов, кабелей, шинопроводов, трансформаторов тока, катушек автоматических выключателей и электродвигателей.
Расчет ведется в комплексных числах и в именованных величинах (кВ, кА, мОм, кВА, кВт). Ток короткого замыкания в системе собственных нужд состоит из двух составляющих: тока короткого замыкания от системы и тока короткого замыкания от электродвигателей механизмов собственных нужд.
Особенности расчетов токов короткого замыкания для целей релейной защиты и автоматики также имеют ряд особенностей:
— использование упрощённых математических моделей и схем замещения элементов электрической сети.
Как правило, расчёт ведётся по реактивной схеме замещения, не учитывается наличие угла между ЭДС (следовательно, не учитывается ток нагрузки по транзитным линиям).
Эти упрощения отражаются на точности расчетов, но в самих методах выбора уставок защит обычно учитывают возможность некоторой ошибки при
определении токов замыканий за счёт введения ряда коэффициентов;
— рассчитываются величины, соответствующие начальному моменту короткого замыкания. Это объясняется использованием на станциях и в высоковольтных сетях быстродействующих защит.
— расчёты потокораспределения при несимметричных замыканиях выполняется на основе схем замещения отдельных последовательностей при упрощенном описании
взаимных магнитных связей между элементами.
В качестве расчетных точек короткого замыкания при проверке уставок защит присоединений, принимаются следующие точки:
— для электродвигателей →короткого замыкания на выводах;
— для сборок → короткого замыкания на конце кабеля;
— для шлейфовых сборок →короткого замыкания на самой отдаленной сборке.
Для анализа защит питающих элементов рассчитываются токи в максимальном и минимальном режимах при коротком замыкании в начале и в конце секции.
К нормальному режиму предъявлялись следующие требования:
— продолжительно — допустимый ток кабеля должен быть не менее тока нагрузки;
Номинальный ток расцепителя автомата должен быть не менее Iном двигателя или тока нагрузки сборки:
Iном.расц.≥Iнагр.
— ток отсечки автомата должен быть отстроен от номинального пускового тока двигателя (сборки) или от фактического пускового тока, вычисленного с учетом сопротивления питающей системы и кабелей, а также от апериодической составляющей пускового тока.
Для автоматов А 3700 Б Iотс.≥2·Iп.д.;
А 3700 С Iотс.≥1,43·Iп.д.;
АВМ Iотс.≥2·Iп.д. (неселективные);
Iотс.≥1,25·Iп.д. (селективные).
При не возможности одновременного восстановления от апериодической составляющей токов короткого замыкания и получения нормального коэффициента чувствительности при большой длине кабеля рекомендовалась замена неселективного автомата на селективный с использованием выдержки времени 0,1 сек. или 0,25 сек. для отстраивания от апериодической составляющей, которая затухает за ≈0,03 сек.
В аварийных ситуациях оборудование проверяется на термическую и динамическую стойкость токов короткого замыкания и чувствительность защитных элементов сравнивается с нормативной:
Кч(2),Кч(1)≥1,43 для автоматов серии А 3700;
Кч(2)≥1,5, Кч(1)≥1,25 для автоматов серии ВАМ;
Кч(1)=2для РЗ от замыканий на землю (РЗЗ).
Если не достигает номинальных значений, предлагаются рекомендации по их повышению:
— уменьшение уставок отсечек автоматов и защит;
— замена расцепителей автоматов на расцепители с меньшим номинальным током;
— замена автомата на автомат другого типа, который имеет меньшую величину отсечки или более широкий диапазон регулирования отсечки;
— замена кабеля или его части на кабель большего сечения.
Автоматизированный выбор электрических аппаратов и токопроводов
К моменту выбора электрических аппаратов и токопровод электростанции должны быть решены следующие вопросы: выбрана схема выдачи мощности станции, выбрана схема электроснабжения собственных нужд, выбраны схемы распределительного устройства повышенного напряжения, выполнен расчет токов короткого замыкания для начального момента времени.
В основу алгоритма автоматизированного выбора аппаратов и токопроводов заложен принцип выделения "присоединения" в схеме электрических соединений станции. "Присоединение" в полном объеме содержит выключатель, разъединитель, трансформатор тока, трансформатор напряжения, токоограничивающий реактор, токопровод, для выбора и проверки которых используются одинаковые расчетные условия:
напряжение, расчетный ток нормального и продолжительного режимов, начальное значение периодической составляющей токов короткого замыкания, ударный ток короткого замыкания, периодическая и апериодическая составляющие тока короткого замыкания, полный ток короткого замыкания для произвольного момента времени t и интеграл Джоуля [2].
Проверка оборудования по термической стойкости требует расчета теплового импульса.
При определении этого импульса при наличии разнотипных источников питания требуется раздельный учёт их влияния на значение показателя.
Если оборудование термически или динамически неустойчивое, то предлагается его замена.
Программа "Автоматизированный выбор электрических аппаратов и токопроводов", составленная по данному алгоритму, информационно согласуется с программой "Расчета токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения". Выходная матрица токов короткого замыкания без изменения используется в качестве входной матрицы в программе выбора аппаратов и токопроводов.
Расчетные параметры для выбора и проверки электрических аппаратов и токопроводов в "присоединениях" вычисляются по одним и тем же формулам:
Собственные разработки не доведены еще до того уровня, чтобы вывешивать их на обозрение читателей.
Экспериментальные исследования на предприятиях в данной магистерской работе не предусмотрены. Будут лишь получены результаты и графики по математическим моделям.
Проектирование электростанций занимает несколько лет и требует привлечения значительного количества различных специалистов. Требования к качеству проектов и срокам их выполнения становится все более жесткими по мере увеличения мощности электростанций. Простое увеличение численности проектировщиков не может удовлетворить эти требования, поэтому появление автоматизированного проектирования является требованием нашего времени. Перспективы дальнейшего исследования в этой области можно считать безграничными, так как самой недостигаемой вершиной проектирования является сверхсложная задача создания систем автоматического проектирования. А путь к этой цели может оказаться продолжительным и недоступным.
