Реферат по теме выпускной работы
Введение
Короткое замыкание является аварийным режимом работы электрической установки, возникающим в результате нарушения изоляции токоведущих частей. Ток короткого замыкания обычно во много раз больше рабочего тока и может вызвать в токоведущих частях недопустимые динамические усилия и перегрев. Кроме того, при коротком замыкании возможно прекращение питания электроприемников, что является недопустимым в сетях собственных нужд электростанции.
1. Анализ прототипов
Главными преимуществами САПР в любой отрасли промышленности являются сокращение трудоемкости проектирования, уменьшение ошибок в проектах и уменьшение инвестиций в выполнение проектных разработок. На сегодняшний день есть много отечественных и зарубежных аналогов, позволяющих автоматизировать проектирование в разных отраслях. Еще в советские годы широкое распространение САПР получили в архитектуре и строительстве, а также механических систем в машиностроении, судостроении и авиакосмической промышленности. В электроэнергетике развитие САПР было сосредоточено на относительно простых объектах (небольших понизительный подстанциях) и применительно к несложным проектным процедурам. В таблице 1 приведен анализ наиболее используемых САПР в электроэнергетике. Н ней показана ценовая оценка некоторых программ САПР за 2013 г. Цены внушительные даже для больших корпораций, не говоря о местных проектных институтах и ВУЗах. Кроме того, ни одна из перечисленных программ не имеет полный набор проектных процедур, необходимый для выполнения всего объема проектных работ.[1]
2. Описание УСАПР (CAD_Electric_Education
)
В качестве платформы создания учебной САПР использован один из лучших графических редакторов AutoCAD, в среде которого создана графическая база данных образов основных элементов электрических схем напряжением выше 1 кВ. Программное обеспечение УСАПР построено на объектной модели AutoCAD и использовании внутренних алгоритмических языков программирования AutoLisp, VisualLisp, а также языка создания диалоговых окон DСL.[2]
| Название САПР | Разработчик | Базовая платформа | Стоимость САПР | Стоимость базовой платформы | Общая стоимость на 1 рабочее место |
|---|---|---|---|---|---|
| Project Studio CS Электрика v.5 | CSoft | AutoCAD | Одно рабочее место – 70 000 руб.; Ключ аппаратной защиты – 1 500 руб. | Одно рабочее место – 81 500 руб.; Ежегодное обновление – 14 000 руб. | 153 000 руб. + ежегодно 14 000 руб. |
| WinELSO | Русская промыш–ленная | Одно рабочее место – 62 500 руб. | 144 000 руб. + ежегодно 14 000 руб. | ||
| MagiCAD Электроснабжение | MagiCAD | Одно рабочее место – 190 000 руб. | 217 500 руб. + ежегодно 14 000 руб. | ||
| ЭЛЬФ | Лира сервис | Одно рабочее место – 24 200 руб. | 105 700 руб. + ежегодно 14 000 руб. | ||
| HTE | Компания ПОИНТ | Одно рабочее место – 110 000 руб.; Ежегодное обновление – 24 000 руб. | 191 500 руб. + ежегодно 38 000 руб. | ||
| nanoCAD Электро | Нанософт | Собствен–ное графи–ческое ядро | Одно рабочее место – 15 000 руб. | 15 000 руб. ежегодно | |
| CADprofi | CADprofi Germany GmbH | Bricscad | Одно рабочее место – 11 100 руб. | Одно рабочее место – 13 300 руб. | 24 4000 руб. |
Таблица 1.1 – Ценовая оценка программ САПР
Информационное обеспечение УСАПР построено на использовании электронных таблиц MC Exel. В него включена справочная информация по основным элементам электрических схем: генераторам, силовым трансформаторам и автотрансформаторам, выключателям и разъединителям, трансформаторам тока, а также по кабельной продукции и шинопроводам. Источниками информации явились последние разработки учебно–методической литературы стран СНГ, а также данные официальных сайтов ведущих производителей оборудования (ABB, Simens, Shneider Electrik, General Electric, Alstom Grid и др.).
Особое внимание уделено оборудованию ветропарков, ввиду все большой актуальности вопроса альтернативной энергетики. Имеется символьная база данных ветрогенераторов и трансформаторов ветроэнергетических установок (ВЭУ), силовых кабелей, рекомендуемых для использования в системах и сетях с нетрадиционными источниками энергии. Предусмотрен режим редактирования информации (в электротехнике это особенно актуально в виду того, что постоянно производится новое оборудование, сымается с производства старое, модернизируются некоторые модели).[3]
Математическое обеспечение УСАПР включает методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений методом квадратных корней, использующего свойство симметричности матриц коэффициентов. Применен вариант метода для работы с разреженными матрицами, что обуславливает высокое быстродействие расчетных функций. В трассировке кабелей использован эффективный алгоритм Дейкстри для определения минимального расстояния между узлами направленного графа.
Научной новизной отличается созданный для проектных процедур исследования переходных режимов работы механизмов собственных нужд электростанций метод синтеза математической модели глубокопазных АД в виде его одноконтурной эквивалентной схемы замещения. Метод основан на минимизации отклонений исходных и расчетных значений токов статора и вращающих моментов в заданных точках скольжения путем решения систем нелинейных алгебраических уравнений.[4]
В стадии пилотного проекта CAD_Electric_Education имеет 4 проектные процедуры:
- расчета токов короткого замыкания в электроустановках напряжением выше 1 кВ и выбора основного силового оборудования;
- исследования режимов пуска и самозапуска электродвигателей системы собственных нужд ТЭС;
- трассировки кабелей на открытых распределительных устройствах высоковольтных подстанций;
- определения распределения мощности в кольцевых схемах выдачи мощности мощных современных ветровых электростанций.
К достоинствам УСАПР следует отнести использование в качестве выходных документов исходных расчетных схем, формируемых студентам на экране монитора. Эти выходные документы, а также таблицы исходных данных и результатов выполнения проектных процедур соответствуют применяемым на сегодня ГОСТ стран СНГ.[5]
3. Собственные нужды электростанций
Установки собственных нужд является важным элементом электростанций и подстанций. Повреждение в системе собственных нужд неоднократно приводили к возбуждению работы электростанций и к аварийному состоянию энергосистем.
Состав електроприемников собственных нужд зависят от типа электростанции (подстанции), от топлива, мощности агрегатов и другого. В таблице 1.1 приведенные ориентировочные значения максимального нагрузки собственных нужд Pв.п.макс , отнесенные установленной мощности электростанции Pест , а также затраты энергии на собственные нужды Wе.п., отнесенные энергии, которая была произведена электростанцией за год Wвир.%. Выбор схем электроустановок для собственных нужд проводят с учетом состава и характеристик електроприемников, мощности приводных механизмов, требований к надежности электроснабжения отдельных групп потребителей и другого. Распределение затрат электроэнергии по отдельным группам потребителей ТЕЦ и КЕС дано в таблице 1.2.[6]
Електроприемники собственных нужд за них влиянием на технологический режим электроустановки условно делят на ответственные и неответственные. К ответственным относят електроприемники, выход из порядка которых может привести к возбуждению нормальной работы или к аварии на электростанции или подстанции. Такиеелектроприемники нуждаются в особенно надежном питании. Основным поводом механизмов собственных нужд есть асинхронные короткозамкнутые электродвигатели разного выполнения с прямым пуском. Для тихоходных механизмов (пластовые мельницы), а также для очень мощных механизмов находят применение синхронные электродвигатели.
Для механизмов, которые нуждаются в регулировании частоты обращения в широких границах, применяют двигатели постоянного тока, а также асинхронные двигатели с тиристорным управлением. На электростанциях по обыкновению принимают две степени напряжения собственных нужд: высшая (3,6 или 10 кВ) – для питания мощных електроприемников и низшая (380/220 В с заземленной нейтралью) – для питания малых електроприемников. Принятие той или другой системы напряжений зависит от технико–экономических характеристик электродвигателей. При одной и той самой мощности асинхронные двигатели более низкого напряжения более дешевые, чем двигатели более высокого напряжения.
Однако за конструктивным и режимным (уровень токов к.з., условия самозапуска) соображением увеличения мощности двигателей приводит к необходимости увеличения их номинального напряжения. Сейчас промышленность выпускает электродвигатели 380 В мощностью до 400 кВт, а электродвигатели 3 – 6 кВ, начиная с мощности 160 – 200 кВт. Двигатели 10 кВ могут иметь составные технико–экономические показатели, только начиная с мощности 630 кВт. На КЕС, ТЕЦ, а также АЭС высшее напряжение системы собственных нужд, как правило, принимается равной 6 кВ. На КЕС с агрегатами мощностью 800 – 1200 Мвт и соответственно с крупными механизмами собственных нужд целесообразно применения напряжения 10 кВ. На ГЭС электродвигатели основных механизмов питаются от сети 380/220 В, а электродвигатели крупных механизмов – от сети 6(10) кВ.
На подстанциях в системе собственных нужд принимается напряжение 380/220 В. Предельная мощность трансформаторов собственных нужд 3 – 10/0,4 кВ принимается 1000 кВа при напряжению короткого замыкания 8 %. Предельная мощность в основном лимитируется коммутационной способностью автоматов 0,4 кВ.
| Тип электроустановки |  |
 |
|---|---|---|
| ТЕЦ: | ||
| пылеугольная | 8–14 | 8–10 |
| газомазутная | 5–7 | 4–6 |
| КЕС: | ||
| пылеугольная | 6–8 | 5–7 |
| газомазутная | 3–5 | 3–4 |
| АЭС: | ||
| с газовым теплоносителем | 5–14 | 3–12 |
| с водным теплоносителем | 5–8 | 4–6 |
| ГЭС: | ||
| малой и средней мощности | 3–2 | 2–1,5 |
| большой мощности | 1–0,5 | 0,5–0,2 |
| ПОДСТАНЦИЯ: | ||
| районная | 50 – 200 кВт | – |
| узловая | 200 – 500 кВт | – |
Таблица 2.1 – Затраты энергии на собственные нужды
3.1 Особенности собственных нужд тепловых электростанций
Состав собственных нужд ТЭС зависит от используемого цикла (ПТУ, ГТУ, ПГУ), от вида сжигаемого топлива и от наличия теплофикации. Ориентировочно мощность электродвигателей СН по отношению к мощности генератора составляет: 8–14 % для пылеугольной ТЭЦ; 5–7 % для газомазутной ТЭЦ; 6–8 % для пылеугольной КЭС; 3–5 % для газомазутной КЭС. В подавляющем большинстве случаев приводом механизмов СН являются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, работающие на напряжении 6,3 кВ (мощностью более 200 кВт) и 0,4 кВ (мощностью менее 200 кВт). Реже приводом механизма является синхронный двигатель переменного тока, двигатель постоянного тока, отдельная паровая турбина небольшой мощности. Синхронные электродвигатели применяются на пылеугольных ТЭС для привода мельниц. К таким двигателям не предъявляются требования по обеспечению успешного самозапуска в случае кратковременных перерывов питания, как к АЭД. Это связано с наличием промежуточного бункера угольной пыли, который по своей конструкции напоминает сужающуюся воронку. Во время останова мельницы угольная пыль, постепенно оседая в бункере, будет продолжать поступать в топку котла. Электродвигатели постоянного тока применяются в том случае, если исполнительный механизм достаточно ответственный, подвержен регулированию в широком диапазоне, относительно маломощный. Это такие механизмы как маслонасосы уплотнений вала генератора, маслонасосы смазки подшипников турбины и генератора, механизмы СУЗ ядерного реактора. Турбопривод применяется для вращения питательных и бустерных насосов мощных энергоблоков. Питательные насосы имеют наибольшее удельное потребление мощности среди остальных механизмов СН. Так, например, на блоке ТЭС мощностью 200 МВт суммарная мощность механизмов СН равна 27 МВт, в том числе мощность двух питательных электронасосов 2 • 4 = 8 МВт, что составляет около 30 % от нагрузки СН блока. Турбопривод позволяет существенно снизить электрическую нагрузку собственных нужд, создавать высокие скорости вращения, регулировать производительность механизма. Особо следует подчеркнуть специфику цикла ГТУ, где отсутствует большинство механизмов, имеющихся в цикле ПТУ. Напомним, что в цикле ГТУ единственный механизм (компрессор), имеющий аналог в цикле ПТУ (дутьевой вентилятор), вращается не за счёт электропривода, а за счёт газовой турбины. Поэтому электрическая мощность механизмов СН в цикле ГТУ гораздо меньше, чем в цикле ПТУ в удельном соотношении к мощности блока.[7]
3.2 Особенности собственных нужд атомных электростанций
Собственные нужды АЭС отличаются от СН КЭС наличием дополнительных механизмов реакторной установки, важнейшим из которых является главный циркуляционный насос (ГЦН), подающий теплоноситель в ядерный реактор. Блоки с реакторами БН имеют дополнительную нагрузку электрообогрева натриевых контуров. Ориентировочно мощность электродвигателей СН по отношению к мощности генератора составляет 5–8 %. С точки зрения надёжности электроснабжения, к собственным нуждам АЭС предъявляются более жёсткие требования, чем в случае остальных электростанций. В соответствии с потребители СН АЭС делятся на 3 группы. Первая группа – потребители постоянного и переменного тока, не допускающие по условиям безопасности или сохранности основного оборудования перерывы питания больше, чем на доли секунды во всех режимах, включая режим полного исчезновения переменно напряжения от рабочих и резервных трансформаторов СН, и требующие обязательного наличия питания после срабатывания аварийной защиты (АЗ) реактора. Потребители первой группы питаются от систем аварийного электроснабжения. В нормальном и аварийном режиме эти потребители получают питание от агрегатов бесперебойного питания. К первой группе относятся контрольно–измерительные приборы и автоматика защиты реактора, аварийные маслонасосы смазки подшипников турбоагрегата и уплотнения вала генератора, ГЦН с малой инерционной массой, приводы СУЗ и т. п. Вторая группа – потребители переменного тока, допускающие перерывы питания на время, определяемое условиями безопасности или сохранности основного оборудования и требующие обязательного наличия питания после срабатывания АЗ реактора. Потребители второй группы подключены к системе надёжного питания. В нормальном режиме эти потребители получают питание от рабочих и резервных трансформаторов собственных нужд, в аварийном – от автономных дизель–генераторов (или реже от ГЭС, ГТУ). Ко второй группе относятся механизмы расхолаживания реактора и локализации аварии в различных режимах, включая максимальную проектную аварию, аварийные питательные насосы, противопожарные насосы, ГЦН натриевых контуров реакторов БН. Третья группа – потребители переменного тока, допускающие перерыва питания на время автоматического ввода резерва, и не требующие обязательного наличия питания после срабатывания АЗ реактора. Потребители третьей группы подключены к системе нормальной эксплуатации. В нормальном режиме эти потребители получают питание от рабочих и резервных трансформаторов собственных нужд, в аварийном режиме происходит обесточивание данных потребителей. К третьей группе относятся ГЦН с большой инерционной массой, а также большинство механизмов цикла ПТУ. Собственные нужды ТЭС соответствуют по надёжности собственным нуждам третьей группы АЭС. Если для ТЭС источниками питания собственных нужд являются ТСН, РТСН и аккумуляторная батарея, то для АЭС это ТСН, РТСН, дизель–генераторы и агрегаты бесперебойного питания. Из соображений надежности количество и мощность рабочих и резервных ТСН превышает аналогичные показатели по ТЭС. Дизель–генераторы запускаются относительно долго – минимум за 10–15 с, но после этого длительно вырабатывают необходимую мощность. Агрегаты бесперебойного питания при исчезновении напряжения от энергосистемы переключают питание на резервный источник – аккумуляторную батарею. Причём это переключение происходит мгновенно, без разрыва синусоиды тока. Емкость аккумуляторной батареи ограничена несколькими десятками минут.
3.3 Особенности собственных нужд гидравлических электростанций
Ввиду простоты технологического процесса производства электроэнергии на ГЭС, расход на собственные нужды значительно меньше, чем на ТЭС и АЭС, и составляет 0,5–3% от установленной мощности. Меньшие значения относятся к агрегатам большей мощности ГЭС. Для ГЭС характерна большая доля общестанционной нагрузки по сравнению с агрегатной. Последняя составляет не более 30% от суммарного потребления на собственные нужды. Потребители агрегатных СН располагаются в непосредственной близости от агрегата и питаются на напряжении 0,4 кВ и реже 6,3 кВ. Потребителями агрегатных СН являются: насосы технического водоснабжения агрегатов – водяная смазка турбинных подшипников, маслоохладители подпятника и подшипников гидрогенератора, воздухоохладители гидрогенератора; маслонасосы и компрессоры зарядки маслонапорной установки (МНУ) и системы регулирования гидротурбины; насосы откачки воды с крышки турбины из–за протечек в проточной части гидроагрегата; вентиляторы и насосы системы охлаждения трансформаторов; вспомогательные устройства системы возбуждения. Потребители общестанционных СН относятся ко всем станции в целом и питаются на напряжении 0,4 кВ.
4. Методика и алгоритм расчета токов КЗ
На первом этапе графический образ расчетной схемы, созданный пользователем на экране монитора (см. рис. 4.1)
Рисунок 4.1 – Схема тепловой электростанции
превращается в математическую модель в виде направленного графа. Последний идентифицируется списком ветвей схемы spe. Затем из списка spe формируются правая треугольная матрица узловых проводимостей и вектор задающих токов узлов от ЭДС. Для расчета симметричных трехфазных КЗ в матрицу Ybu устанавливается шунт КЗ (Ykz) с большой проводимость (0.0 –100000.0). Шунт включается параллельно другим ветвям, связанным с узлом КЗ. Программно это реализовано в операторе присваивания setq на рисунке 4.2
Рисунок 4.2 – Фрагмент программы установки шунта КЗ в матрицуYu
После этого определяются напряжения в узлах расчетной схемы путем решения основного векторно–матричного уравнения метода узловых напряжений (см. формулу 4.1). По известным напряжениям определяются токи КЗ в активных ветвях и суммарный ток КЗ в шунте КЗ.
К особенностям алгоритма следует отнести нахождение величин постоянных времени затухания апериодических составляющих токов КЗ Та, используемых при расчете ударного тока КЗ, его апериодической составляющей и теплового импульса тока КЗ. Для определения Та все расчеты выполняются с комплексными сопротивлениями. Последнее потребовало разработки отсутствующих в AutoLisp функций работы с комплексными числами.
Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ определяется по активной и реактивной составляющим комплексного значения тока КЗ.
Формула 4.1
По известным зависимостям определяются все остальные составляющие тока КЗ, а также его тепловой импульс. Апериодическая составляющая тока КЗ к моменту отключения выключателя :
Формула 4.2
Мгновенное значение ударного тока КЗ:
Формула 4.3
И тепловой импульс тока КЗ:
Формула 4.4
где: Tpac=Tpz+Tnv– расчетное время отключения КЗ,Тpz – время действия основной небыстродействующей защиты; Tnv – полное время отключения выключателя.
5. Вывод
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: март 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Учебная САПР электрической части станций и подстанций. [учебное пособие] / Павлюков В.А., Ткаченко С.Н., Коваленко А.В. – Харьков: ФЛП Панов А.Н., 2016. – 124с.
- Официальный сайт АББ в России[Электронный ресурс].
- Миллер Р. Теория переключательных схем / Р. Миллер. – М.: Наука, 1971. – Том 2: Последовательностные схемы и машины. – 304 с.
- Зуев, С. А. САПР на базе AutoCAD – как это делается / С. А.Зуев, Н. Н. Полещук – СПб.: БХВ–Петербург, 2004. – 1168 с.
- Полещук, Н. Н. AutoCAD разработка приложений, настройка и адаптация / Н. Н. Полещук. – СПб.: БХВ–Петербург, 2006. – 992 с.
- Короткие замыкания и выбор оборудования : учеб. пособие для вузов / И. П. Крючков, В. А. Старшинов, Ю. П. Гусев [и др.] ; под ред. И. П. Крючкова, В. А. Старщинова – М.: Изд. дом МЭИ, 2012. – 568 с.
- Баков, Ю. В. Проектирование электрической части электростанций с применением ЭВМ: учеб. пособие для вузов / Ю.В. Баков. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 272 с.