Автоматическое регулирование экономически целесообразного режима работы трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции при изменении нагрузки

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Методические указания к лабораторным работам

для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика

Алматы 2008

СОСТАВИТЕЛИ: О.П. Живаева, К.М. Асанова. Электроснабжение. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. Алматы: АИЭС, 2008 - 40 с.

В описание включены четыре работы по основным разделам курса «Электроснабжение»: исследование графиков электрических нагрузок, целесообразный режим работы трансформаторных подстанций, компенсация реактивной мощности, исследование схем электроснабжения.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2008 г.

Введение

Дисциплина «Электроснабжение» включает в себя ряд разделов согласно типовой программе, которые изучаются студентами в курсе лекций и закрепляются лабораторными работами.

Одним из основных является раздел «Электрические нагрузки и графики электрических нагрузок», в нем изучаются расчетные величины и коэффициенты, встречающиеся в современных методах расчета нагрузок.

Важным элементом схем электроснабжения промышленных предприятий являются цеховые ТП, в трансформаторах которых теряется значительное количество электрической энергии, поэтому любое мероприятие по снижению потерь энергии в трансформаторах цеховых ТП является актуальным.

Самым распространенным силовым потребителем на промышленных предприятиях является асинхронный двигатель, при работе которого потребляется как активная, так и реактивная мощность. Установка батарей конденсаторов для индивидуальной компенсации реактивной мощности позволяет снизить передачу ее по питающей сети и увеличению коэффициента мощности в питающей сети.

В процессе обучения студенты должны изучить и правильно применять электрические аппараты в схемах электроснабжения, должны уметь составлять схемы главных подстанций предприятий и другие элементы систем электроснабжения.

Перечисленные четыре раздела курса «Электроснабжение» включены в настоящий сборник описаний лабораторных работ.

Лабораторная работа № 1

Исследование графиков электрических нагрузок промышленных предприятий

Цель работы

Ознакомление с различными видами графиков нагрузок и с методикой снятия суточных графиков активной и реактивной мощности, изучение методики построения годовых графиков нагрузок по продолжительности и исследование полученных графиков электрических нагрузок.

Перечень оборудования

На лабораторном стенде снимаются и исследуются графики электрических нагрузок цеха питаемого от трансформаторной подстанции.

На лицевой панели стенда смонтированы два однофазных счетчика, один из которых предназначен для измерения расхода активной энергии, другой - реактивной энергии. На панели имеются переключатели, которыми осуществляется включение активных и реактивных сопротивлений, имитирующих нагрузку цеха. Графики снимаются в ручном режиме для характерных зимних и летних суток; масштабы времени и мощности, а также программа включения переключателей задаются преподавателем.

Задание

По показаниям счетчиков активной и реактивной энергии необходимо построить суточные графики характерного зимнего и летнего дня. На зимнем графике выявить наиболее загруженную смену, и для этой смены определить: расход электроэнергии, среднюю нагрузку за смену Р_см, коэффициент использования К_и, расчетную мощность Р_р, коэффициент максимума К_м, коэффициент спроса К_с, коэффициент нагрузки К_н, число часов использования максимума нагрузки за смену Т_{м см}.

По суточным графикам активной нагрузки за зимний и летний дни построить годовой график активной нагрузки по продолжительности и определить: годовое потребление активной энергии W_г, среднегодовую нагрузку Р_сг, коэффициент сменности по энергоиспользованию за год a, годовое число часов использования максимума активной нагрузки Т_м и время максимальных потерь за год t.

Методические указания

1.4.1 Общие положения

Кривая изменения активной, реактивной и токовой нагрузки во времени называется графиком нагрузки соответственно по активной мощности, реактивной мощности или току. Графики нагрузок подразделяются на индивидуальные - для отдельных приемников электроэнергии и групповые - для групп приемников электроэнергии.

Наиболее близко соответствует действительности непрерывный график (рисунок 1.1.а), а наименее - ломаный (рисунок 1.1.б). Последнее объясняется тем, что отсчеты и нанесение отдельных точек на этот график являются совершенно случайными, одномоментными.

Степень соответствия графика, снятого по показаниям счетчика, зависит от интервалов осреднения нагрузки. Чем меньше этот интервал, тем точнее будет этот график.

Индивидуальные графики нагрузок необходимы для определения нагрузок отдельных мощных приемников электроэнергии с резкопеременным характером нагрузки (например, прокатные станы, электрические печи и т.д.).

При проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий в большинстве случаев используются групповые графики нагрузок (от графиков нагрузок группы, состоящей из нескольких приемников, до графиков нагрузок предприятия в целом). Графики нагрузок всего предприятия дают возможность определить потребление активной и реактивной энергии предприятием, правильно выбрать питающие источники тока и выполнить наиболее рациональную схему электроснабжения (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 – Различные способы записи графиков нагрузок:

а) с помощью самопишущих приборов;

б) визуальный отсчет показаний стрелочных приборов;

в) по показаниям счетчиков активной энергии.

Рисунок 1.2 – График нагрузки цеха (предприятия) за смену

1.4.2 Исследование графиков нагрузок

По графикам легко определить некоторые величины и коэффициенты, используемые в расчетах электрических нагрузок и при исследованиях режимов электропотребления предприятий. Для этого необходимо иметь характерные графики зимнего и летнего дня, а также годовой график по продолжительности. Основными для графика нагрузки величинами являются средняя, среднеквадратичная и максимальная нагрузки.

Средняя нагрузка всего графика за время Т является величиной, зависящей лишь от конфигурации самого графика и продолжительности цикла или периода наблюдений. Применительно к графикам активной и реактивной мощностей, площади которых определяют расход активной (W) и реактивной (V) энергии, можно написать

, (1.1)

. (1.2)

Средняя активная Р_см или реактивная Q_см мощность за наиболее загруженную смену является основной величиной при расчете нагрузок групп приемников.

Среднеквадратичная нагрузка за некоторый интервал времени определяется выражениями

, (1.3)

, (1.4)

(1.5)

где Т – рассматриваемый период времени.

Среднеквадратичная нагрузка характеризует эффект нагрева проводника током.

Среднеквадратичная реактивная мощность Q_cк имеет важное значение для оценки эффекта снижения потерь электроэнергии в сетях при повышении cos j.

Максимальные значения активной, реактивной, полной мощности или тока представляют собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени.

По продолжительности различают два вида максимальных нагрузок:

1. Максимальные длительные нагрузки, определяемые для выбора элементов системы электроснабжения по нагреву и расчета максимальных потерь мощности в них.

Под расчетной нагрузкой (Р_Р) по допускаемому нагреву понимается такая длительная неизменная нагрузка элемента системы электроснабжения (трансформатора, линии и т.д.), которая эквивалентна ожидаемой изменяющейся нагрузке по наиболее тяжелому тепловому действию: максимальной температуре нагрева проводника или тепловому износу его изоляции. Расчетную нагрузку по допустимому нагреву сокращенно называют расчетной нагрузкой. Согласно “Указанию по определению электрических нагрузок”, расчетная нагрузка условно принимается равной вероятному максимальному значению нагрузки за интервал времени 30мин., близкий к трем постоянным времени нагрева, так как за это время перегрев большинства проводников достигает примерно 95% установившегося значения.

2. Максимальные кратковременные нагрузки (пиковые) длительностью 1-2с., определяемые для проверки колебаний напряжения в сетях, проверки сетей по условиям самозапуска электродвигателей, выбора плавкой вставки предохранителя, расчета тока срабатывания максимальной токовой релейной защиты (Р_пик, S_пик, I_пик).

При исследовании и расчетах электрических нагрузок удобно пользоваться, кроме именованных значений физических величин - максимальной, средней и среднеквадратичной нагрузки, - также некоторыми относительными показателями (коэффициентами), характеризующими режим работы отдельных приемников и их групп.

Рассмотрим эти показатели и связи между ними:

1) Основным показателем режима работы одного или группы электроприемников служит коэффициент использования, выражающий отношение средней нагрузки к номинальной

(1.6)

где Р_н – номинальная активная мощность группы электроприемников;

Р_см – средняя нагрузка за максимально загруженную смену.

2) Важнейшим расчетным показателем группового графика нагрузок является коэффициент максимума по активной мощности

(1.7)

где Р_р – расчетная нагрузка;

Р_см – средняя нагрузка за максимально загруженную смену.

Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены.

Коэффициент максимума К_м зависит от эффективного числа приемников n_э и ряда коэффициентов, характеризующих режим потребления электроэнергии данной группой приемников, и является расчетной величиной.

3) Коэффициент спроса, как и коэффициент максимума, относится обычно к групповым графикам нагрузки. Коэффициентом спроса по активной мощности К_С называется отношение расчетной (в условиях проектирования) или потребляемой (в условиях эксплуатации) активной мощности к номинальной (установленной) активной мощности группы приемников

. (1.8)

Можно установить следующие зависимости

. (1.9)

4) Коэффициент заполнения (коэффициент нагрузки) группового графика

, (1.10)

. (1.11)

Коэффициент заполнения графика нагрузок играет большую роль для оценки суточных и годовых графиков нагрузок. Своего предельного значения, равного единице, этот показатель достигает при неизменяющейся во времени нагрузке, чего практически не бывает.

5) По графику максимально загруженной смены можно определить Т_м.см – число часов использования максимума нагрузки за эту смену

. (1.12)

1.4.3 Годовые графики нагрузок

Особенности годового режима работы электроустановок наглядно выявляются при помощи годовых графиков нагрузок. В практике чаще всего пользуются годовым графиком по продолжительности. Приближенно годовой график по продолжительности можно построить по двум характерным суточным графикам нагрузок электроустановки (за зимние и летние сутки). Количество зимних и летних суток для разных климатических зон различно (см. рисунок 1.3).

Построение начинают с максимума и выполняют в порядке постепенного снижения мощностей. Для этого через оба суточных графика проводят ряд горизонтальных линий, расстояние между которыми выбирают в соответствии с желаемой точностью построения.

Площадь годового графика по продолжительности в определенном масштабе дает расход электроэнергии в кВт×ч за год

. (1.13)

Средняя годовая нагрузка установки

(1.14)

где 8760 – число часов в году.

По годовому графику можно определить

а) (1.15)

где a – годовой коэффициент сменности по энергоиспользованию, этот коэффициент отображает неравномерность загрузки по сменам.

б) (1.16)

где Т_м – годовое число часов использования максимума активной мощности.

Рисунок 1.3 – Годовой график нагрузок по продолжительности

Годовые графики нагрузки по продолжительности используют в технико-экономических расчетах при определении наивыгоднейшего числа и мощности агрегатов установки, потерь электроэнергии в сетях и трансформаторах.

Техника безопасности

Включение стенда производится только в присутствии преподавателя.

Вопросы для подготовки

1 Дать определение графика нагрузок.

2 Какие графики нагрузок называются индивидуальными и где они применяются?

3 Какие графики называются групповыми и где они применяются?

4 Что такое Р_СМ, Р_СК, Р_М и показать их на графике?

5 Порядок построения годового графика нагрузки по продолжительности и его назначение.

6 Что такое число часов использования максимума нагрузки, как определить Т_М по графику?

7 Перечислить основные показатели графиков нагрузок.

8 Дать определение номинальной мощности.

9 Дать определение расчетной мощности.

10 Дать определение пиковой мощности.

Лабораторная работа № 2

Автоматическое регулирование экономически целесообразного режима работы трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции при изменении нагрузки

2.1 Цель работы

Изучить метод расчета и схему автоматического регулирования экономически целесообразного режима работы трансформаторов двух-трансформаторной подстанции при переменной нагрузке цеха.

Перечень оборудования

Лабораторный стенд выполнен в виде вертикальной панели, на которой с лицевой стороны смонтированы мнемоническая схема линий, трансформаторной подстанции с выключателями, аппаратура автоматики и измерений (рисунок 2.3 и 2.4).

Автомат, установленный с правой стороны панели, подает на стенд питание 220 вольт переменного трехфазного тока. Ключ SA1(избиратель управления) дает возможность осуществлять работу схемы как в ручном, так и в автоматическом режиме, а тумблер SA2 переключает автоматику на первый или второй трансформатор по выбору.

Ключи SA3 и SA4 управления выключателями трансформаторов расположены у выключателей QF1 и QF2, а кнопки включения и отключения автоматов ввода и секционного автомата на низком напряжении у выключателей QF3, QF4, QF5.

Выключатели QF1-QF5 на стенде выполнены магнитными пускателями и установлены с задней стороны панели.

Для сигнализации положения выключателей QF1-QF5 предназначена сигнальная арматура - лампы. Если горят красные лампы, то это означает, что выключатели включены, а зеленые – выключены. Реле KA1, KA2, KT1, KT2, KL1, KL2 составляют комплект схемы автоматики включения и отключения трансформаторов при изменении нагрузки. Нагрузка трансформаторов изменяется при помощи тумблеров, установленных на каждой секции шин 0,4 кВ.

Два трансформатора мощностью S _нт = 500 ВА напряжением 220/36 В являются моделями силовых трансформаторов со следующими параметрами (см. таблицу 2.1)

Задание

Для заданного преподавателем силового трансформатора по его паспортным параметрам, приведенным в таблице 2.1, рассчитать приведенные потери активной мощности DР¢_т. Построить графики потерь DP¢₁ и DP¢_1,2 в одном и двух трансформаторах, в зависимости от нагрузки S. Определить по кривым критическую нагрузку S_кр и ток I_кр, рассчитать уставки токовых реле, участвующих в схеме автоматики. Подсчитать потери энергии в трансформаторах за сутки для одного трансформатора (DW₁), для двух трансформаторов при их постоянном включении (DW_1,2), для оптимального режима (DW_опт) по заданному графику нагрузки (рисунок 2.2).

Изучить схему автоматического регулирования экономически целесообразного режима работы трансформаторов при изменении нагрузки (рисунок 2.3 и 2.4).

Методические указания

2.4.1 Расчет приведенных потерь активной мощности в трансформаторах

При изменяющейся нагрузке или частичной работе цеха во второй и третьей сменах цеховые трансформаторы в течение многих часов суток оказываются нагруженными всего на 20- 30%.

Работа трансформаторов с такой загрузкой неэкономична, и поэтому в целях экономии электроэнергии выгоднее вместо одного трансформатора, рассчитанного на полную мощность цеха или участка, устанавливать два трансформатора, при нагрузке меньше экономически целесообразно один из них отключать.

Таблица 2.1- Паспортные данные силовых трансформаторов

Сущность экономически целесообразного режима работы трансформатора определяется условием, обеспечивающим минимум потерь мощности в этих трансформаторах при работе их по заданному графику нагрузки.

Фактические потери активной и реактивной мощности в силовых трансформаторах равны

, (2.1)

(2.2)

где DP_хх – активные потери холостого хода (потери в стали), величина которых постоянна для данного трансформатора при работе с номинальным напряжением и не зависит от нагрузки, кВт;

DP_кз – активные потери короткого замыкания (потери в меди), зависящие от нагрузки трансформатора, кВт;

– реактивные потери холостого хода (потери в стали), величина которых постоянна для данного трансформатора при работе с номинальным напряжением и не зависит от нагрузки, квар;

– реактивные потери короткого замыкания (потери в меди), зависящие от нагрузки трансформатора, квар;

I_xx – ток холостого хода трансформатора, %;

U_кз – напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

– коэффициент загрузки трансформатора;

S_нагр. – фактическая нагрузка трансформатора, кВА;

S_нт – номинальная мощность трансформатора, кВА.

Значения DP_хх, DP_кз, I_хх, U_кз указаны в паспортных данных трансформаторов (таблица 2.1).

Для экономических расчетов вводится понятие приведенных потерь в трансформаторах.

Известно, что приведенные потери в трансформаторе, несущем нагрузку, определяются по уравнению

(2.3)

где и – приведенные потери холостого хода и короткого замыкания, учитывающие активные потери питающей сети, образующиеся при передаче мощности реактивных потерь, кВт

,

.

К_п – коэффициент повышения активных потерь в зависимости от удаленности потребителей от источника питания К_п=0,02-0,12 кВт/квар.

При наличии на подстанции двух однотипных трансформаторов, работающих параллельно, суммарные потери равны

. (2.4)

2.4.2 Построение кривых зависимости приведенных потерь в трансформаторах от нагрузки S.

Зная параметры установленных трансформаторов, можно определить их экономический режим работы и построить кривые зависимости потерь активной мощности от нагрузки (рисунок 2.1). Для расчета потерь использовать график изменения нагрузки, приведенный ниже (рисунок 2.2).

Из рисунка 2.1 видно, что при уменьшении величины нагрузки ниже критической (S_кр), для снижения потерь электроэнергии может оказаться целесообразным отключить один из работающих трансформаторов. При больших нагрузках (S_нагр > S_кр), когда DР_кз^’ велико и потери холостого хода мало влияют на общую величину потерь, целесообразно включить второй трансформатор и тем самым уменьшить потери короткого замыкания.

Рисунок 2.1 – Зависимость потерь в трансформаторах от мощности нагрузки

2.4.3 Расчет критической нагрузки S_кр и тока I_кр, определение уставок токовых реле

Величина критической нагрузки (S_нагр = S_кр), при которой целесообразно отключать или включать один из двух работающих трансформаторов, определится, если приравнять выражения (2.3) и (2.4), т.е.

и если вместо S_нагр подставить S_кр и , то после соответствующих преобразований получим

. (2.5)

Обычно величина критической нагрузки для трансформаторов составляет 60-80% их номинальной мощности.

Отключать и включать трансформаторы вручную при изменении нагрузки не всегда возможно, а путем применения несложной автоматики можно эти операции автоматизировать и тем самым значительно снизить потери электроэнергии за счет ограничения времени холостого хода трансформаторов и одновременно улучшить режим напряжения у потребителей.

По величине критической нагрузки можно определить критический ток

(2.6)

где U_вн – напряжение первичной обмотки высокого напряжения трансформаторов 6-10 кВ.

Токи уставок токовых реле, являющихся датчиками в схеме автоматического регулирования, определяются по формулам

, . (2.7)

где n_тт – коэффициент трансформации трансформаторов тока, приведенный в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Коэффициенты трансформации трансформаторов тока

2.4.4 Расчет потерь электроэнергии в трансформаторах

Для заданного суточного графика нагрузки (рисунок 2.2) с помощью построенных кривых зависимостей приведенных потерь в трансформаторах от нагрузки необходимо подсчитать потери электроэнергии за сутки при трех режимах: а) постоянной работе одного трансформатора (DW₁); б) постоянной работе двух трансформаторов (DW_1,2); в) при оптимальном режиме (DW_опт), который соответствует минимуму приведенных потерь по формулам:

, (2.8)

. (2.9)

DW_опт строится с использованием кривых зависимости потерь в трансформаторах от мощности нагрузки (см. рисунок 2.1).

Здесь , , ... и , , ¼ – приведенные активные потери в одном и двух трансформаторах при соответствующей ступени графика нагрузки.

Рисунок 2.2 - Суточный график нагрузки

2.4.5 Пояснения к работе схемы автоматического регулирования режимами трансформаторов

В эксплуатации применяются схемы автоматики двух типов: 1) программного управления, отключающие и включающие трансформаторы, согласно заданной программе в определенное время суток, дни недели; 2) реагирующие на величину тока нагрузки, проходящего по трансформатору.

Схему с программным управлением целесообразно применять в тех случаях, когда график нагрузки автоматизированной подстанции строго определен и мало изменяется в разные дни недели. Достоинством схемы с программным реле времени является ее простота, а недостатком - возможность погрешности при отклонениях графика нагрузки. Более эффективна схема с токовыми реле, включенными на сумму токов обоих трансформаторов, фиксирующими величину критической нагрузки - S_КР (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема двухтрансформаторной подстанции

Q1, QF2 – масляные выключатели 6-10 кВ, ТА1, ТА2 – трансформаторы тока, Т1, Т2 – силовые трансформаторы, QF3, QF4, QF5 – автоматические выключатели 0,4 кВ, РА – амперметр, КА1, КА2 - токовые реле.

Следует учесть, что на двухтрансформаторных подстанциях цеховые трансформаторы мощностью 630 - 1600 кВА в целях ограничения токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ работают раздельно, каждый на свою секцию шин, при этом нагрузка распределяется между ними поровну.

Рассмотрим схему автоматики (рисунок 2.4).

На двухтрансформаторной подстанции в автоматическом режиме при нагрузке менее критической (S_кр) включен только один трансформатор (допустим Т2 - включены QF2, QF4, QF5). Избиратель управления SA1 поставлен в положение “автоматика” (контакты SA1 1-2, 3-4, 5-6, 7-8 замкнуты). Переключатель SA2 поставлен в положение Т1. Реле KL3 под напряжением, и схема получает питание от секции 1 фаза - нуль(а₁, 0). Замыкающий контакт максимального токового реле КА1 разомкнут, а размыкающий контакт минимального токового реле КА2 замкнут.

При увеличении нагрузки выше S_кр срабатывает реле КА1 и замкнет свой контакт в цепи реле времени КТ1, которое с выдержкой времени включает KL1. Реле KL1 становится на подпитку и одновременно вторым контактором включает трансформатор Т1 (QF1, QF3 ), при этом секционный автомат QF5 отключается и трансформаторы работают раздельно.

При уменьшении нагрузки ниже S_кр сработает минимальное токовое реле КА2, замыкается контакт КТ2 и с выдержкой времени КТ2 последовательно отключает KL1, QF1. При этом трансформатор Т1 вновь отключается; отключается автомат QF3, а секционный автомат QF5 включается, и 1 секция получает питание через трансформатор Т2.

Переключив тумблер SA2, можно перевести в автоматический режим трансформатор Т2.

При мощности цеховых трансформаторов до 400 кВА вместо автоматов применяется упрощенная схема автоматики с контакторами.

Уставки выдержки времени выбирают из соображения, чтобы второй трансформатор не включался при пуске и самозапуске двигателей или коротких замыканиях в трансформаторе и не отключался при кратковременных сбросах нагрузки. Для этого выдержку времени реле КТ1 и КТ2 берут на несколько ступеней выше по сравнению с основной защитой трансформатора (приблизительно 5-10 с.).

Техника безопасности

Выставлять уставки токовых реле и производить включение стенда можно только в присутствии преподавателя.

Рисунок 2.4

SF1 – вводной автомат, SA1 – избиратель управления, SA2- переключатель трансформаторов в автоматический режим, SA3, SA4 - ключи управления выключателями QF1 и QF2, SB1 - SB6 – кнопки ручного включения и отключения автоматов QF3, QF4, QF5, QF1 - QF5 – катушки и контакты приводов выключателей, КL1 - KL3 – промежуточные реле, KT1, KT2 – реле времени, KA1, KA2 – контакты реле тока.

Вопросы для подготовки

1 В чем заключается целесообразность автоматического регулирования количества включенных трансформаторов при переменном характере нагрузки ?

2 Какие имеются потери в трансформаторах, как они определяются и от чего зависят?

3 Почему потери в трансформаторах старого выпуска выше потерь в новых?

4 Как влияет экономически целесообразный режим работы трансформаторов на величину потребления реактивной энергии и на режим напряжения у потребителей?

5 Допускают ли трансформаторы перегрузки в нормальном и аварийном режимах?

6 Что такое коэффициент повышения потерь - К_П и от чего он зависит?

7 Объясните работу схемы автоматики трансформаторов.

8 Из каких соображений выбираются уставки выдержки времени реле времени КТ1 КТ2?

Лабораторная работа № 3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: