Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

При всех изменениях в электрической цепи: включении, выключении, коротком замыкании, колебаниях величины какого-либо параметра и т.п. – в ней возникают переходные процессы, которые не могут протекать мгновенно, так как невозможно мгновенное изменение энергии, запасенной в электромагнитном поле цепи. Таким образом, переходный процесс обусловлен несоответствием величины запасенной энергии в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора ее значению для нового состояния цепи.

При переходных процессах могут возникать большие перенапряжения, сверхтоки, электромагнитные колебания, которые могут нарушить работу устройства вплоть до выхода его из строя. С другой стороны, переходные процессы находят полезное практическое применение, например, в различного рода электронных генераторах. Все это обусловливает необходимость изучения методов анализа нестационарных режимов работы цепи.

1. Актуальность темы

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.

2. Цель и задачи разработок и исследований

3. Обзор исследований и разработок по теме

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:

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:

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 1).

Результаты расчета токораспределения (ТКЗ) при коротком замыкании в одной точке

Рисунок 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 2).

Результаты расчета ТКЗ при коротком замыкании в нескольких точках

Рисунок 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 3.

Токи короткого замыкания в контрольной ветви

Рисунок 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 4.

Пример расчета ТКЗ для системы собственных нужд

Рисунок 4 – Пример расчета ТКЗ для системы собственных нужд [2]

4. Математическая модель для анализа переходных процессов в системе собственных нужд

На рис. 5 изображена принципиальная схема электрической системы с асинхронными и синхронными электродвигателями.

Исходная принципиальная схема электрической системы

Рисунок 5 – Исходная принципиальная схема электрической системы (анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 80 килобайт)

Расчетную схему составляют на основе заданной принципиальной схемы электрической системы и схем замещения ее отдельных элементов, которые с некоторыми упрощениями используются в данной работе.

Расчетная схема замещения представлена сопротивлениями (активным, индуктивным) и ЭДС системы, сопротивлениями выключателей, шунта КЗ, заземлителя и сопротивлениями статора асинхронного и синхронного электродвигателей мощностью 4000 и 6000 КВт соответственно.

Математическая модель, которая создана на основе полных дифференциальных уравнений, позволяет исследовать переходные процессы в системе собственных нужд ТЭС намного точнее, чем методики, основанные на простейших алгебраических уравнениях.

Данная работа направлена на устранение недостатков упрощенных методов расчета и для усовершенствования реализации математических моделей.

Математическая модель данной схемы состоит из дифференциальных уравнений для ее основных элементов.

Для описания асинхронного двигателя (АД) будем использовать его двухконтурную схему замещения, которая позволяет достаточно точно учесть явление вытеснения тока в роторе [3]. Будем использовать известный метод получения параметров двухконтурной схемы замещения на основе каталожных данных.

Дифференциальные уравнения, описывающие поведение АД в переходном режиме, в неподвижной системе координат можно представить как:

где:

– результирующие векторы напряжения, токов и потокосцеплений статора и ротора;

– вращающий момент двигателя и момент сопротивления механизма;

Tj – постоянная времени агрегата;

w – частота вращения ротора.

Явнополюсные синхронные двигатели, с целью возможности обеспечения асинхронного пуска снабжаются пусковой обмоткой, стержни которой закладываются в полюсные башмаки ротора и электрически соединяются между собой, а также со стержнями соседних полюсных башмаков. В результате образуется так называемая полная пусковая обмотка в осях d и q и обмотка возбуждения по оси d.

Определение параметров схем замещения синхронной машины по каталожным данным.

Схема замещения явнополюсного синхронного двигателя по оси d

Рисунок 6 – Схема замещения явнополюсного синхронного двигателя по оси d [2]

Схема замещения явнополюсного синхронного двигателя по оси q

Рисунок 7 – Схема замещения явнополюсного синхронного двигателя по оси q [2]

Параметры обмотки возбуждения:

где:

Математическое моделирование переходных процессов производится для мгновенных значений токов и напряжений. Для этой цели воспользуемся законами Ома и Кирхгофа, в соответствии с которыми требуется составить дифференциальные уравнения для токов и напряжений ветвей и узлов заданной схемы. Алгоритмы расчетов составим на основе матричных методов.

5. Основное содержание работы

На электрических станциях большой мощности и систем электроснабжения промышленных предприятий расчетные схемы могут достигать существенных размеров и иметь сложную топологию. На рис. 8 приведена схема электроснабжения одной из шахт Донбасса.

Схема электроснабжения одной из шахт Донбасса

Рисунок 8 – Схема электроснабжения одной из шахт Донбасса

На рис. 9 представлена упрощенная схема замещения.

Топологическая схема замещения схемы электроснабжения одной из шахт Донбасса

Рисунок 9 – 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

(1)

где Uu – вектор узловых напряжений, Yu – квадратная матрица узловых проводимостей, Iu – вектор узловых токов.

Матрица Yu находится по следующему

(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

(3)

где Ev – вектор ЭДС ветвей.

Матрица связей Р в случае числовой нумерации узлов может быть создана с помощью следующей функции пользователя FormP

(4)

В случае же символьной индексации узлов в приведенной функции FormP будут изменены условные операторы на следующие:

(5)

В операторах (5) используется функция Poz для определения номера узла по его символьном обозначению в векторе Uzl.

(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

Функция FormUzl для создания вектора Uzl

Рисунок 10 – Функция FormUzl для создания вектора Uzl

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.

Согласно ГОСТ 27514-87 Короткое замыкание в электроустановках [4] 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.

(7)

Они находятся в соответствующих диагональных элементах матрицы Zu. Ток КЗ в і-том узле.

(8)

где C=1÷1.1; – эквивалентная ЭДС расчетной схемы, Iб – базисный ток, Uб – базисная напряжение.

По величине Zu может быть также найдена согласно [1] величина постоянной времени в каждом узле расчетной схемы как

(9)

где w0 = 314.15 – синхронная угловая частота сети

(10)

Ударное мгновенное значения тока КЗ.

(11)

Тепловой импульс тока КЗ.

(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

(13)

Затем находятся напряжение в узлах по (1) и токи КЗ ветвей, как

(14)

где Uv – вектор напряжений ветвей.

Суммарное значение периодической составляющей может быть получено, как

(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.

(16)

где m – коэффициент пересчета между током прямой последовательности и током КЗ особенно фазы Расчет токов КЗ в электроустановках переменного тока напряжением менее 1 кв. Особенность этих расчетов заключается в:

В целом же алгоритм расчета существенно не отличается от описанного выше [4].

Выводы

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:

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.


*При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя в январе 2016 года.

Список источников

  1. ГОСТ 27514-87. Короткое замыкание в електроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1кВ – М:.Издательство стандартов, 1988
  2. Николай Ильичев, Вячеслав Серов, Анатолий Кулешов, Ольга Михалева Программный комплекс EnergyCS для проектирования электроэнергетических систем.: CADmaster #36/1.2007 (январь-март) // Электротехника
  3. 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
  4. Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования. М.: Академия, 2006.