Программный комплекс EnergyCS для проектирования электроэнергетических систем

Николай Ильичев,
Вячеслав Серов,
Анатолий Кулешов
к.т.н., доценты Ивановского государственного
энергетического университета
Ольга Михалева

 

Расчеты токов короткого замыкания

При проектировании развития и реконструкции электрических сетей требуется выполнять не только расчеты установившихся режимов, но и множество расчетов токов короткого замыкания и токов замыкания на землю. Причем расчеты токов короткого замыкания выполняются для разных целей: для выбора оборудования и его проверки по стойкости токам короткого замыкания; для выбора релейных защит и расчета их уставок. Как правило, эти задачи решаются разными подразделениями проектного института и зачастую с использованием различных программных средств. Это, естественно, приводит к тому, что в подразделениях проектной организации используются различные модели одной и той же сети, что является причиной ошибок и противоречит принципам автоматизированного проектирования. В программном комплексе EnergyCS задача расчета токов короткого замыкания решена в специальном модуле EnergyCS TKZ. Расчеты токов короткого замыкания выполняются на той же модели, что и расчеты установившихся режимов. 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 .

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. 6).

Для расчетов токов КЗ с целью определения уставок релейной защиты предусмотрен расчет токов, протекающих через заданную ветвь при коротких замыканиях в заданном множестве узлов.

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. 8.

Опыт применения

Программный комплекс EnergyCS и его отдельные модули успешно используются в ряде проектных и эксплуатирующих организаций. К настоящему времени имеется опыт применения программного комплекса EnergyCS для расчета установившихся режимов и потерь электроэнергии в энергосистеме, расчетная модель которой содержит более 16 000 узлов и свыше 17 500 ветвей. Эта модель включает схему с участками сети от шин 220 кВ системообразующей сети до шин 0,4 кВ трансформаторных подстанций распределительных сетей. Визуально вся расчетная модель разбита на системообразующую часть, где представлены подстанции с высшим напряжением 220–110–35 кВ, и множество распределительных сетей, отходящих от шин 6–10 кВ этих подстанций, каждая из которых изображена на отдельной подсхеме, но при этом остается частью единой системы и может работать в едином режиме.

Заключение

Применение программного комплекса EnergyCS на этапе проектирования электрических сетей различного назначения позволяет достаточно быстро сформировать расчетную модель – трудозатраты на создание модели с использованием объектного моделирования окупаются значительным сокращением времени проведения множества расчетов как установившихся режимов, так и токов короткого замыкания. Кроме того, расчетная модель может быть передана заказчику вместе с проектной документацией. В этом случае заказчик получает не только документы, обосновывающие проектные решения, но и готовую информационную модель проектируемой сети, которая может использоваться при решении задач эксплуатации. Например, при принятии решений о возможных последствиях оперативных переключений, анализе последствий аварийных повреждений, оперативном анализе потерь мощности и технических потерь электрической энергии. Такой подход в полной мере соответствует принципам, положенным в основу CALS-технологии.