Реферат
по теме магистерской работы
«Расчет токов короткого замыкания с использованием современного программного комплекса»
Содержание
Расчет токов короткого замыкания является одной из главных задач энергетики. Необходимость определения токов КЗ в процессе эксплуатации может возникнуть:
• при изменении схемы питания энергетического объекта для проверки электрооборудования на термическое и электродинамическое действие токов КЗ , пригодности существующих установок релейной защиты, средств грозозащиты и т.д.
• при частичной замене электрооборудования на электростанции или подстанции, если намеченные к установке машины и аппараты по своим паспортным данным отличаются от демонтируемых;
• вследствие изменения условий эксплуатации электрического объекта.
• при создании нового энергетического объекта. [1]
Расчетные схемы электрических станций большой мощности и систем электроснабжения промышленных предприятий могут достигать существенных размеров и иметь сложную топологию. Так, например, схема постоянного тока одного из энергоблоков мощностью 800 МВт имеет 105 узлов и 130 ветвей, имеет радиальные, кольцевые и шлейфовые участки.
В наиболее перспективных отечественных фирмах которые занимаются проектированием и сооружением электроэнергетических объектов для расчетов токов КЗ используются программы расчета на ПЭВМ. Но такие программы имеют большую стоимость.
В учебных заведениях промышленные программы расчетов, как правило, не могут быть использованы из-за их большой стоимости. С другой стороны программы расчетов имеют закрытую структуру и не могут быть эффективно использованы в учебном процессе.
Квалификационная работа магистра выполнялась на протяжении 2009-2010 гг. в соответствии с научным направлением кафедры «Электрические станции» Донецкого национального технического университета.
В связи с реконструкцией оборудования на электрических станциях появляется необходимость постоянного пересчета токов КЗ. В ряде случаев расчетные схемы являются достаточно сложными и возникает необходимость автоматизации процесса расчета в них токов КЗ. Целью работы является совершенствование программного обеспечения кафедры «Электрические станции» связанного с расчетом токов КЗ.
Расчет токов КЗ для схем электрических соединений с различными классами напряжения(до и выше 1 кВ) на переменном и на постоянном токе по единой компьютерной технологии с применением матричных методов узловых потенциалов.
Модернизация методов и алгоритмов программ расчета токов КЗ с целью повышения их функциональных возможностей и надежности расчетов.
Предметом исследования является программные продукты с открытым построением алгоритмов, реализация которых выполнена в пакете автоматизации математических расчетов MathCad
Методы и алгоритмы расчета токов КЗ в электрических схемах переменного и постоянного тока.
В данной работе используются следующие методы:
a. методы матричного анализа;
b. метод узловых потенциалов в классическом виде и с использованием матрицы узловых сопротивлений.
Научной новизной в данной работе является разработка универсального алгоритма расчета разнообразных электрических схем, а так же применение символьной нумерации узлов схем электрических соединений для повышения надежности расчетов токов КЗ.
Разработанные программы расчета токов КЗ будут использованы в курсовом и дипломном проектировании студентов направления «Электротехника и электротехнология»
Доклад по теме работы «Автоматизация расчетов токов КЗ в электроустановках переменного и постоянного тока» представлен на конференции ко "Дню науки-2010" ДонНТУ кафедры электрические станции. Донецк,ДонНТУ-2010.
Также был сделан доклад на Одесской интернет-конференции 2010 году.
Программа «Астра»
Программа «Астра» разработана на кафедре «Электрические станции» Антоненко Георгием Владиславовичем в 90-х годах. Предназначена для:
1. расчета токов КЗ;
2. расчета режимов работы двигательной нагрузки:
• самозапуски
• пуски
• групповые пуски.
«Астра» используется в проектном институте «ЮжНИИГипрогаз» с 1991 года.
Национальный университет "Львовская политехника", кафедра ЕСМ
Диалоговый Автоматизированный комплекс ДАКАР-2002 - НОВЫЙ УРОВЕНЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ электроэнергетических систем
"Скрипник А.И., Коновал В.С., 2008
Диалоговый автоматизированный комплекс ДАКАР-2002 был разработан на базе операционной системы Windows NT и предназначен для расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов электроэнергетических систем. В состав информационного обеспечения комплекса входит информационная база данных и программные средства работы с ней.
Разнообразие расчетных задач, которые решает динамическая модель ЕЭС, создает определенные трудности при формировании структуры данных. Задается и хранится вся информация как параметры физического оборудования. Для выполнения конкретных видов расчетов формируются расчетные схемы, используемые соответствующими моделированным модулями.
В подавляющем большинстве режимные расчеты осуществляются по электроэнергетических систем с довольно постоянной структурой и почти неизменным перечнем основного оборудования. Чаще выполняются операции по изменению некоторых параметров, состояний оборудования, коммутации, изменение коэффициентов трансформации трансформаторов, уставок регуляторов т.д. Учитывая это, вся основная режимная информация разделена на постоянную топологическую и переменную (оперативную). Отдельно выделена информация о вспомогательное оборудование (параметры различных регуляторов, автоматика, параметры линий с короной и т.п.), используется отдельными расчетными модулями сравнительно редко.
В основу концепции модели данных положены два описания данных:
• физическое описание данных - определяет, как данные организованы в базы данных с точки зрения программиста, то есть, как образуются и функционируют различные таблицы модели данных;
• описание данных пользователя - устанавливает, как данные представляются пользователю для обработки.
На физическом уровне все данные организованы в форме двумерных таблиц. Каждый объект, сформированный большим количеством элементов с одинаковыми атрибутами, определяет собственную таблицу.
В основу построения модели данных положены такие принципы:
• любой объект, кроме данных, сохраняет еще и методы и свойства их обработки. Исходными данными для формирования моделей являются параметры физического оборудования;
• все объекты (таблицы) определенным способом идентифицированы и доступны из любой программы;
• отсутствие избыточности или двойного ввода одной информации. Замена любых данных должна быть осуществлена лишь в одном месте;
• для облегчения работы с данными, они разделены на оперативные, топологические, оборудование и справочники.
Программное обеспечение позволяет решать следующие задачи:
• создание графической схемы сети и коммутационных схем подстанций с отображением на них результатов расчета ;
• расчет и анализ установившихся режимов; исследования статической и динамической устойчивости;
• анализ долговременных переходных процессов;
• анализ несимметричных, неполнофазних режимов и расчет токов короткого замыкания.
Для обеспечения взаимодействия комплекса с другими расчетными программами предусмотрен импорт и экспорт информации о схеме и устоявшийся режим в самые распространенные форматы данных , в частности в формат ЦДУ и формат UCTE DEF.
Несимметричные и неполнофазные режимы моделируются на основе метода симметричных координат. Реализована многократная несимметрия трех видов: поперечная несимметрия, продольная несимметрия (неповнофазнисть) и несимметрия (неповнофазнисть) шунтирующий реакторов.
Сохранение баланса. Во время еквивалентування сохраняется баланс активной мощности режимной схемы. Добавляются эквивалентные ветки между узлами примыкания. В узлы примыкания и эквивалентные узлы (при их построения) сносятся мощности генерирования и преобразуемой части схемы.
Выводы:
1. Сегодня программный комплекс ДАКАР-2002 является мощным комплексом в Украине для решения многих задач исследования и анализа различных процессов и режимов работы современных электроэнергетических систем.
2. Предложенная в ДАКАР-2002 концепция модели данных позволила подняться на новый уровень информационное обеспечение электроэнергетики Украины. [4]
Программный комплекс EnergyCS для проектирования электроэнергетических систем Ивановского государственного энергетического университета
В программном комплексе EnergyCS задача расчета токов короткого замыкания решена в специальном модуле EnergyCS TKZ. Модель, которая используется для расчета токов короткого замыкания, удовлетворяет самым жестким требованиям, предъявляемым к расчетам для выбора уставок релейных защит. Токи ветвей приводятся к своим номинальным напряжениям. При этом учитываются точные значения коэффициентов трансформации трансформаторов и изменения сопротивлений обмоток при переключении ответвлений РПН и ПБВ. Расчет узловых напряжений при коротких замыканиях производится методом Гаусса, по напряжениям узлов вычисляются токи в ветвях. Для расчета ЭДС в начальный момент короткого замыкания для системы, генераторов, синхронных и асинхронных двигателей в программе используются напряжения в установившемся режиме, предшествующем моменту возникновения короткого замыкания, – результаты расчета установившегося режима с учетом регуляторов напряжения и режима по активной и реактивной мощности (в строгом соответствии с требованиями ГОСТ). На самом деле полный расчет установившегося режима производится для каждого расчета токов короткого замыкания. Модуль EnergyCS TKZ не связан с модулем EnergyCS UR и может использоваться совершенно независимо. Для получения сопоставимых результатов можно включить режим программы, при котором ЭДС рассчитываются по номинальным параметрам – результаты будут соответствовать полученным иным способом (например, вручную или с использованием других программ). Однако при этом можно получить завышенные или заниженные значения токов короткого замыкания. На сегодня программный комплекс EnergyCS позволяет решать следующие задачи в рамках расчетов токов короткого замыкания:
• расчет начальных значений токов трехфазных коротких замыканий в сложнозамкнутых сетях;
• расчет начальных значений токов однофазных на землю коротких замыканий;
• расчет начальных значений токов двухфазных на землю коротких замыканий;
• расчет начальных значений токов двухфазных без земли коротких замыканий;
• расчет токов в тросах линий при коротких замыканиях на землю и оценка их термической стойкости;
• расчет емкостных токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью;
• расчет ударных токов коротких замыканий при трехфазных КЗ в соответствии с ГОСТ 27514-87[4];
• расчет значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ в заданный момент времени;
• расчет действующего значения тока трехфазного КЗ в момент отключения;
• расчет интеграла Джоуля на момент отключения, а также термически эквивалентного и эквивалентного односекундного токов короткого замыкания;
• построение векторных диаграмм токов и напряжений для произвольных узлов и произвольных ветвей сети.
Программа позволяет при заданной точке короткого замыкания рассмотреть распределение токов и напряжений по всем ветвям схемы, вывести в таблицу или на схему значения максимальных фазных значений токов КЗ, токов во всех фазах, токов по симметричным составляющим, а также построить векторную диаграмму токов для выбранной ветви и векторную диаграмму напряжений для выбранного узла.
Во время расчета несимметричного короткого замыкания в заданной точке схема нулевой последовательности формируется автоматически. Формирование схемы осуществляется на основе
топологической структуры расчетной схемы;
информации о схеме групп соединения обмоток трансформатора и режима его нейтрали;
информации о взаимном влияния ВЛ, проходящих в общих коридорах с учетом геометрии подвески проводов на опоре;
информации о наличии и способе заземления грозозащитных тросов.
Результаты расчетов могут быть выведены непосредственно на схему или в таблицы. Окончательные документы можно формировать с использованием MS Word на основе заранее заготовленных шаблонов.
В программе предусмотрено несколько вариантов представления результатов расчета ТКЗ.
При первом варианте расчетчик определяет узел, в котором следует рассмотреть возможность короткого замыкания. В результате получаются токи короткого замыкания в данном узле при трехфазном, двухфазном, однофазном и двухфазном КЗ на землю, а также значение ударного тока и постоянной времени затухания свободной составляющей. Для каждого вида КЗ во всех ветвях определяется распределение токов, а для всех узлов – остаточные напряжения (рис 7.1).
Рисунок 7.1–Результаты расчета токораспределения (ТКЗ) при коротком замыкании в одной точке
При втором варианте программа выполняет расчеты ТКЗ для множества указанных узловых точек схемы. В этом случае на схему могут быть выведены только значения токов в выделенных узлах, а в таблицу – токи во всех выделенных узлах и примыкающих к ним ветвях. Кроме начальных значений токов КЗ для всех видов повреждений, в таблицу выводятся режимные параметры для оценки теплового и динамического действия токов трехфазного КЗ, то есть для каждой примыкающей к узлу КЗ ветви выводятся результаты расчета ударного тока, интеграла Джоуля, термически эквивалентного и эквивалентного односекундного токов (рис 7.2).
Рисунок 7.2 - Результаты расчета ТКЗ при коротком замыкании в нескольких точках
Для расчетов токов КЗ с целью определения уставок релейной защиты предусмотрен расчет токов, протекающих через заданную ветвь при коротких замыканиях в заданном множестве узлов. Пример таблицы приведен на рис 7.3.
Рисунок 7.3 - Токи короткого замыкания в контрольной ветви
Расчеты токов замыкания на землю для сетей с изолированной нейтралью производятся топологическим методом в этом же модуле и могут быть выведены на схему или в таблицы наряду с результатами расчетов ТКЗ.
Пример расчета ТКЗ для системы собственных нужд тепловой электростанции показан на рис 7.4.
Рисунок 7.4 - Пример расчета ТКЗ для системы собственных нужд
[3]
На электрических станциях большой мощности и систем электроснабжения промышленных предприятий расчетные схемы могут достигать существенных размеров и иметь сложную топологию. На рисунке 8.1 приведена схема электроснабжения одной из шахт Донбасса.
Рисунок 8.1 – Схема электроснабжения одной из шахт Донбасса.
На рисунке 8.2 представлена упрощенная схема замещения.
Рисунок 8.2 – Топологическая схема замещения схемы электроснабжения одной из шахт Донбасса.
В данной работе предлагаются для рассмотрения программные продукты с открытым построением алгоритмов, реализация которых выполнена в пакете автоматизации математических расчетов MathCad.
Как и при ручных расчетах токов КЗ на первом домашинном этапе работ формируется расчетная электрическая схема и соответствующая ей эквивалентная схема замещения. Для ее элементов из справочной литературы или других источников подбираются необходимые входные данные.
На эквивалентной схеме замещения проводится нумерация при небольших схемах, или символьная идентификация узлов. Размечаются также направления токов в ветвях.
В программе расчета токов КЗ расчетная схема представляется входной матрицей описания ветвей V. Эта матрица имеет количество строк равно количеству ветвей расчетной схемы, и несколько столбцов. В первом и втором из них располагаются номера или обозначения узлов, из которых ток ветви выходит и в который этот ток входит. В следующем столбце располагаются сопротивления ветвей. При необходимости (в случае различных величин) еще в одном столбце располагаются ЭДС ветвей. Так, например, в схемах главных электрических соединений электростанций величина ЭДС генераторов может быть порядка 1.2, а ЭДС электродвигателей - 0.9.
Алгоритмы программ расчета токов КЗ построены на методе узловых напряжений в матричной форме записи
 |
(8.1) |
где Uu - вектор узловых напряжений, Yu - квадратная матрица узловых проводимостей, Iu - вектор узловых токов.
Матрица Yu находится по следующему
 |
(8.2) |
где P - матрица связей узлов с ветвями , Yv- диагональная матрица проводимостей ветвей, Zv - вектор сопротивлений, ветвей, который должен быть получен из входящей матрицы V.
Вектор Iu от ЭДС может быть найден как
 |
(8.3) |
где Ev - вектор ЭДС ветвей.
Матрица связей Р в случае числовой нумерации узлов может быть создана с помощью следующей функции пользователя FormP
 |
(8.4) |
В случае же символьной индексации узлов в приведенной функции FormP будут изменены условные операторы на следующие:
 |
(8.5) |
В операторах (5) используется функция Poz для определения номера узла по его символьном обозначению в векторе Uzl.
 |
(8.6) |
Вектор Uzl в случае одного уровня напряжения в узлах расчетной схемы, например в схемах переменного и постоянного тока напряжением менее 1 кВ, формируется автоматически из данных обозначений узлов матрицы описания ветвей V с помощью следующей функции FormUzl
Рисунок 8.3 - Функция FormUzl для создания вектора Uzl
(Анимация: объем - 5,2 КБ; размер - 302х294; количество кадров - 8; задердка между кадрами - 500 мс; Задержка между последним и первым кадрами - 500 мс; количество циклов повторения - 5)
При расчете схемы с несколькими степенями напряжения в качестве входного формируется матрица описания узлов Ub, в которой по столбцами располагаются: обозначение узла, величины средних базисных напряжений, собственные tвв и полные tпв сроки отключения выключателей и расчетный срок действия релейной защиты tрз.
СогласноГОСТ 27514-87. Короткое замыкание в электроустановках. [5] Расчеты суммарных значений периодических составляющих токов КЗ могут быть получены с использованием входных сопротивлений схем по отношению к соответствующей точки КЗ. Указанные сопротивления могут быть полученны в результате обращения матрицы узловых проводимостей расчетной схемы Yu.
 |
(8.7) |
Они находятся в соответствующих диагональных элементах матрицы Zu. Ток КЗ в і - том узле.
 |
(8.8) |
где C=1÷1.1; - эквивалентная ЭДС расчетной схемы, Iб- базисный ток, Uб- базисная напряжение.
По величине Zu может быть также найдена согласно [4] величина постоянной времени в каждом узле расчетной схемы как
 |
(8.19) |
где w0=314.15 - синхронная угловая частота сети
 |
(8.10) |
Ударное мгновенное значения тока КЗ.
 |
(8.11) |
Тепловой импульс тока КЗ.
 |
(8.12) |
В тех случаях, когда необходимо знать растекания токов КЗ по ветвям схемы, или когда величина ЭДС источников значительно отличаются между собой расчет токов КЗ в отдельном узле Nk выполняется в следующей последовательности: в узел КЗ вводится шунт КЗ с большим значением проводимостей, например
 |
(8.13) |
Затем находятся напряжение в узлах по (1) и токи КЗ ветвей, как
 |
(8.14) |
где Uv - вектор напряжений ветвей.
Суммарное значение периодической составляющей может быть получено, как
 |
(8.15) |
Расчет несимметричных КЗ согласно правилу Щедрина точка КЗ условно удаляется на величину шунта КЗ и за ним рассматривается симметричное КЗ. Величина шунта определяется результирующими сопротивлениями схем обратной и нулевой последовательности. Для нахождения этих сопротивлений формируются матрицы описания ветвей этих схем V2 и V0. Затем по ним формируются матрицы узловых проводимостей и сопротивлений , как показано выше для схемы прямой последовательности. В соответствующих диагональных элементах этих матриц находятся результирующие сопротивления схемы по отношению к соответствующим узлам. Ток несимметричного КЗ в і -том узле находится по следующему выражению.
 |
(8.16) |
где m - коэффициент пересчета между током прямой последовательности и током КЗ особенно фазы
Расчет токов КЗ в электроустановках переменного тока напряжением менее 1кв. Особенность этих расчетов заключается в
• учет активных сопротивлений всех элементов схемы;
• учет сопротивлений электрической дуги;
• выполнение расчетов в именованных единицах;
• обязательный расчет трехфазных и однофазных КЗ
• учет сопротивлений дополнительных элементов схемы: трансформаторов тока, контактных соединений, катушек расцепителя и другие.
В целом же алгоритм расчета существенно не отличается от описанного выше.[5]
В результате выполнения данной работы могут быть сделаны следующие основные выводы:
На основе разработанных методов машинного расчета токов КЗ модернизирована программа расчета на ПЭВМ в среде математического пакета MathCad, которая имеет следующие преимущества перед аналогами:
- возможность расчетов симметричных и несимметричных токов КЗ;
- введение индексной нумерации ветвей.
Выполненные сопоставления расчетов токов КЗ по разработанной программе с лучшими мировыми аналогами дали положительные результаты.
По данной программе были выполненные расчеты токов КЗ для некоторых электростанций Донецкого региона.
Программа внедрена в учебный процесс кафедры ЭС при выполнении курсового и дипломного проектирования.
- Беляева Е.Н. Как рассчитать ток короткого замыкания. Библиотека электромонтера. М.: Энергоатомиздат, 1983
- Скрипник О.І., Коновал В.С. Діалоговий автоматизований комплекс дакар-2002 – новий рівень інформаційного забезпечення електроенергетичних систем.: Журнал «Вісник» Національного університету "Львівська політехніка" № 460 2002 року
http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/VNULP/Elektroenerg/2008_615/
- Николай Ильичев, Вячеслав Серов, Анатолий Кулешов, Ольга Михалева Программный комплекс EnergyCS для проектирования электроэнергетических систем.: CADmaster #36/1.2007 (январь-март) // Электротехника)
- ГОСТ 27514-87. Короткое замыкание в електроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1кВ- М:.Издательство стандартов, 1988
- Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования. М.: Академия, 2006.
- Небрат И. Л. Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ: Учебное пособие. - Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов. Минэнерго РФ. 2001.
- Голубев М.Л. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35кВ. - 2-е издание переработанное и дополненное. - М.: Энергия, 1980.
- Мельников Н. А. Матричный метод анализа электрических цепей. Изд. 2-е, перераб. и доп., М., "Энергия", 1972.
- Беляева Е.Н. Как рассчитать ток короткого замыкания. 2-е изд., перераб.и доп. Издательство: М.: «Энергоатомиздат»Год издания: 1983
- ПУБЛИЧНАЯ БИБЛИОТЕКА>
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/B/''Biblioteka_elektromontera''/
При написании данного автореферата квалификационная работа магистра ещё не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010г. Полный текст работы и материалы по теме работе могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты
|
