Основные вопросы проектирования и расчетов СЭС
Исходные материалы и общие задачи проектирования. Общими исходными сведениями являются: район осуществления СЭС того или иного объекта, его климатические и геолого-географические условия; источники питания электроэнергией (ПС ЭЭС, ТЭЦ, ДЭС и т.п.).
Технические исходные сведения состоят из: генерального плана объекта электроснабжения, включающего схему-план застройки территории объекта, технологические характеристики всех цехов промышленного или сельскохозяйственного предприятия, зданий жилого района, населенных пунктов сельскохозяйственного региона, типа ПС электрического транспорта и т.п.; состав и установленные мощности всех ЭП, включая сведения о требованиях к надежности их питания, пожаро- или взрывобезопасности сырья и продукции, охраны экологической среды, см [5.6] и т.п.
Расчетные электрические нагрузки потребителей электроэнергии и электрических сетей. Понятие расчетной электрической нагрузки подразумевает то наибольшее значение мощности (кВт, квар, кВ · А), которое может потреблять конкретная группа ЭП или ПЭ в целом с учетом реальных технологических процессов и их взаимозависимостей. Расчетные электрические нагрузки линий и трансформаторов подстанций определяются аналогичными условиями комплексов однородных или неоднородных ПЭ, питаемых по этим элементам электрических сетей.
Приводимые в нормах расчетные электрические нагрузки указываются для наибольших их суточных значений длительностью 30 мин, что соответствует установившейся температуре нагрева проводников под действием протекающего тока.
В нормах проектирования СЭС приводятся расчетные нагрузки в виде потребления активной мощности характерными группами ЭП (металлорежущие станки, квартиры, животноводческие помещения и т.п.). Нормативные расчетные (активные) нагрузки устанавливаются на основе массовых их измерений в периоды и часы их наибольших значений (например, в декабре в рабочие дни с 16 до 20 ч). Полученные комплексы измеренных нагрузок обрабатываются с применением методов математической статистики, на основе чего определяются для групп однородных ЭП:
среднестатистическое значение активной нагрузки 
σ(Рi) — среднеквадратическое отклонение измеренных нагрузок
от ;
где i - та или иная группа ЭП.
Расчетная активная нагрузка, кВт:
PP.i=+ β[σ(Рi)]
=где β = 2—3 — мера рассеяния, обеспечивающая интегральную вероятность того, что реальные нагрузки не превзойдут ее расчетное значение в 97,5—99,9 % случаях.
Расчетные реактивные нагрузки в большинстве случаев определяются по расчетным активным нагрузкам и эмпирическим средним значениям коэффициентов реактивной мощности (tg φ). Подробнее см. [5.2, 5.11, 5.12, 5.13].
Для снижения потерь электроэнергии и потерь напряжения применяется выработка реактивной мощности непосредственно в узлах ее потребления в электрической сети — компенсация реактивных нагрузок. С этой целью применяются установки конденсаторов 0,4—10 кВ, статические тиристорные компенсирующие установки, а также выработка реактивной мощности синхронными двигателями, работающими в режиме перевозбуждения. В последнем случае используются лишь электродвигатели, необходимые по технологическим соображениям. Такое использование синхронных двигателей оправдано при их большой мощности (десятки и сотни киловатт) с высокой частотой вращения (более 150—200 об/мин) и загруженных по активной мощности не более 0,7—0,8 номинальной. Соотношение реактивной мощности, компенсируемой синхронными двигателями и установками конденсаторов, устанавливается специальными расчетами.
Компенсация реактивных нагрузокостро актуальна для СЭС промышленности, где большую часть электроэнергии потребляют асинхронные двигатели и потому «естественный» коэффициент мощности составляет 0,7—0,75. В СЭС коммунально-бытовых ПЭ, как правило, установка компенсирующих устройств не требуется, так как в периоды наибольших
нагрузок коэффициенты мощности на шинах 6—10 кВ понижающих ПС не менее 0,90—0,92.
Подробнее технически и экономически важная тема источников реактивной мощности изложена в [5.2, 5.7, 5.12].
Условия выбора параметров электрооборудования СЭС.Методы выбора параметров электроустановок изложены в [5.2, 5.11, 5.12, 5.27].
Отмечаются также возможности перегрузок (сверх нормативных) кабелей до 1 кВ и 6—20 кВ как систематических в нормальных режимах схем электрических сетей, так и кратковременных (1,15—1,3) при послеаварийных состояниях схемы [5.19]. Данные возможности обусловлены недоизносом теплового и изолирующего ресурса изоляции, связанного с неравномерностью суточных графиков активной и реактивной мощности ПЭ. Существуют аналогичные возможности перегрузок трансформаторов 6—20/0,4 кВ, особенно ощутимые для трансформаторных подстанций коммунально-бытовых и сельских ПЭ.
Задачи расчетов режимов электрических сетей.Расчеты режимов электрических сетей СЭС основываются на общих положениях теории электрических сетей. Основной задачей расчетов является выбор номинальных параметров основного электрооборудования СЭС (проводов, кабелей, трансформаторов, компенсирующих устройств), определение потоков мощностей во всех элементах сетей и рабочих напряжений при нормальных и аварийных состояниях схем в режимах наибольших и наименьших нагрузок ПЭ.
Особенностью расчетов режимов сетей до 1 кВ и 6—20 кВ является не учет активных и реактивных проводимостей линий. При кабельных линиях до 20 кВ допускается не учитывать реактивные сопротивления при сечениях жил до 70—95 мм2 трёх- и четырехжильных кабелей.
Второй центральной задачей расчетов режимов рассматриваемых электросетей является определение рабочих напряжений на шинах' ПС 6—20/0,38—0,66 кВ и в узлах подключений ЭП. Конечная цель данных расчетов — определение рабочих отклонений напряжения на зажимах ЭП (во всех расчетных режимах) и сопоставление их с допустимыми нормативными. Сложности могут заключаться в подборе рабочих ответвлений трансформаторов типа ПБВ 6—20/0,38—0,66 кВ, при которых соблюдаются допустимые отклонения напряжения во всех режимах при одном и том же рабочем ответвлении трансформатора.
При наличии резкопеременных нагрузок и при пусковых режимах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором необходим расчет размаха изменений (колебаний) напряжения и сопоставление результатов данных расчетов с допустимыми значений колебаний. Для СЭС, содержащих выпрямительные установки, а также при резкопеременных перегрузках, необходима проверка соблюдения допустимых характеристик несинусоидальности напряжения. При крупных однофазных ЭП проводится расчет несимметрии фазных напряжений. Расчеты качества напряжения коммунально-бытовых ПЭ, в которых основная часть ЭП — однофазные, на стадии проектирования могут выполняться в предположении симметричности нагрузок фаз на вводах в здание.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте структуры современных систем электроснабжения (крупные промышленные предприятия, населенные пункты, сельскохозяйственные районы и т.п.).
2.Назовите основные группы потребителей электроэнергии и характерные для этих групп составы электроприемников.
3. Каково назначение (в составе систем электроснабжения) электрических сетей, выполненных при номинальных напряжениях: 35— 110-—220 кВ; 6—10—20 кВ; 380/127—660/380 В?
4. Изобразите принципиальные схемы распределительных сетей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии, в составе которых имеются электроприемники, относящиеся (по требованиям надежности электроснабжения) к I категории; только II и IIIкатегории; только IIIкатегории.
5. По каким причинам нейтрали распределительных электрических сетей выполняются: до 1 кВ — эффективно («глухо») заземленными; 6—20 кВ заземленными через дугогасящие реакторы?
6. С учетом каких основных влияющих факторов определяются расчетные электрические нагрузки групп электроприемников (цехов, жилых и общественных зданий и т.п.) на основе известной их установленной мощности?
7.С какими техническими экономическими целями осуществляется на промышленных предприятиях установка устройств компенсирующих реактивные нагрузки?
8. Каковы современные тенденции конструкций трансформаторных подстанций 6— 10—20/0,38 кВ, осуществляющих электроснабжение цехов промышленных предприятий, жилых районов городов, сельскохозяйственных населенных пунктов и производств?
9. Назовите области применения воздушных и кабельных линий 0,38—20 кВ.
10. Сформулируйте основные требования, которым должно отвечать проектирование современного электроснабжения производственных и гражданских объектов.
Литература для самостоятельного изучения
5.1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 1991.
5.2. Будзко И.А., Лещинская Т.Б., Сукманов В.И. Электроснабжение сельского хозяйства. М.: Колос, 2000.
5.3. ГОСТ 13109—97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998.
Электроснабжение и электрооборудование цехов / В.И. Григорьев. Э.А. Киреева, В.А. Миронов и др. М.: Энергоатомиздат, 2003.
5.5. Электроснабжение и электрооборудование жилых и общественных зданий В.И. Григорьев, Э.А. Киреева, А.П. Минтюков и др. М: Энергоатомиздат, 2003.
5.6. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 2003.
5.7. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М: Энергоатомиздат, 1985.
5.8. Загайнов НА., Финкельштейн B.C., Кривов Л.Л. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. М.: Транспорт, 1988.
5.9. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский. Р.Г. Шамо-нов и др. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
5.10. Карпов Ф.Ф., Солдаткина Л.А. Регулирование напряжения ч электросетях промышленных предприятий. М.: Энергия, 1970.
5.11.Козлов В.А. Городские распределительные электрические сети. Л.: Энергоиздат, 1982.
5.12. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М.: Мастерство, 2001.
5.13. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1995.
5.14. Левин М.С., Мурадян А.Е., Сырых Н.Н. Качество электроэнергии в сетях сельских районов. М.: Энергия, 1975.
5.15. Лещинская Т.Б. Методы многокритериальной оптимизации систем электроснабжения сельских районов в условиях неопределенности исходной информации. М.: Агроконсолот, 1998.
5.16. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М: Высшая школа, 1990.
5.17. Маркушевич Н.С., Солдаткина Л.А. Качество напряжения в городских электрических сетях. М.: Энергия, 1975.
5.18. Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1973.
5.19. Правила устройства электроустановок. Министерство топлива и энергетики Российской Федерации. — 6-е изд., перераб. и доп. с изменениями. М.: ЗАО «Энергосервис», 2000.
5.20. Слепцов М.А., Савина Т.А. Электроснабжение электрического транспорта. М.: Издательство МЭИ, 2001.
5.21. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисо-вича. М.: Издаетльство НЦ ЭНАС, 2005.
5.22. Тульчин И.К., Нудлер Г.И. Электрические сети жилых и общественных зданий. М.: Энергоатомиздат, 1990.
5.23. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. М.: Энергоиздат, 1981.
5.24. Электротехнологические промышленные установки / под ред. А.Л. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1982.
5.25. Экономика промышленности: учебное пособие для вузов. В трех томах. Т. 2. Экономика и управление энергообъектами. Кн. 2. РАО «ЕЭС России». Электростанции. Электрические сети / Н.Н. Кожевников, Т.Ф. Басова, Н.С. Чинокаева и др.; под ред. А.И. Барановского, Н.Н. Кожевникова, Н.В. Пирадовой. М.: Издательство МЭИ, 1998.
5.26. Электротехнический справочник. — 8-е изд. исправл. и доп. Т. 3. М.: Издательство МЭИ, 2002.
5.27 Электрические системы. Электрические сети / В.А. Веников, А.А. Глазунов, Л.А. Жуков и др.; под ред. В.А. Веникова, В.А. Строева. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1998.
5.28. Глазунов А.А., Строев В.А., Шаров Ю.В. Системы электроснабжения — подсистемы электроэнергетических систем // Электричество. 2007. № 9. С. 5—8.
Глава шестая