Методика выполнения курсового проекта по проектированию электрических сетей 110 кВ

Курсовой проект по проектированию электрических сетей 110 кВ — это комплексная задача, имитирующая реальную работу инженера-проектировщика. Ее главная цель — научить студента принимать технически и экономически обоснованные решения при создании систем электроснабжения. Сети напряжением 110 кВ являются важнейшим звеном энергосистемы, обеспечивая передачу электроэнергии на значительные расстояния к крупным населенным пунктам и промышленным объектам. Успешное выполнение проекта, пояснительная записка к которому обычно составляет от 30 до 60 страниц, требует не просто точных расчетов, а глубокого понимания логики каждого этапа. Основой для всех проектных решений служат нормативные документы, в первую очередь — Правила устройства электроустановок (ПУЭ). В этом руководстве мы последовательно разберем все шаги, от анализа задания до финальной проверки работоспособности спроектированной сети.

Глава 1. Как правильно проанализировать исходные данные вашего проекта

Любой проект начинается с внимательного изучения задания. Этот этап — фундамент, на котором строятся все последующие расчеты, и ошибки здесь могут привести к полной переделке работы. Типовые исходные данные включают план местности, где обозначены потребители (нагрузки) и возможное расположение источника питания (энергосистемы). Ключевыми параметрами для каждой нагрузки являются ее установленная и расчетная мощность. Установленная мощность — это сумма номинальных мощностей всех электроприемников, а расчетная — та, которую сеть должна выдерживать в реальности, с учетом их неодновременной работы.

Для перехода от установленной мощности к расчетной используются специальные коэффициенты:

• Коэффициент спроса (Кс): Показывает долю от общей установленной мощности, которая будет потребляться одновременно. Он всегда меньше единицы.
• Коэффициент мощности (cos φ): Характеризует долю активной мощности в полной. Чем он ниже, тем больше реактивная мощность, которая не совершает полезной работы, но нагружает линии и трансформаторы.

Ваша первая задача — тщательно проанализировать эти данные. Определите характер нагрузок (промышленные, жилые), их категорийность по надежности и географическое расположение. Это позволит уже на начальном этапе предположить, какие участки сети будут наиболее загруженными и где могут потребоваться особые решения по обеспечению бесперебойного питания.

Глава 2. Разработка вариантов схемы как основа для будущего выбора

После анализа нагрузок наступает творческий этап — разработка нескольких принципиально разных, но технически жизнеспособных вариантов схемы электроснабжения. В проектировании почти никогда не бывает единственно верного решения «с порога». Цель этого этапа — предложить 2-3 альтернативы, которые затем будут объективно сравнены по экономическим и техническим показателям. Основными типами схем являются:

• Радиальная схема: Простейший и самый дешевый вариант. Линии электропередачи идут от источника питания к каждой подстанции «лучами», не соединяясь между собой. Основной недостаток — низкая надежность: обрыв одной линии приводит к полному отключению потребителя.
• Магистральная схема: Разновидность радиальной, где несколько подстанций последовательно подключаются к одной протяженной линии (магистрали). Это экономит средства на строительстве ЛЭП, но еще больше снижает надежность, так как повреждение в начале магистрали отключает всех последующих потребителей.
• Кольцевая схема: Наиболее надежный, но и самый дорогой вариант. Линии образуют замкнутое кольцо, и каждая подстанция получает питание с двух сторон. При аварии на одном из участков кольца питание продолжает поступать по оставшейся части, обеспечивая бесперебойную работу.

Часто на практике применяются и комбинированные, радиально-магистральные или радиально-кольцевые схемы. Важно, чтобы предложенные вами варианты были действительно разными, позволяя в дальнейшем провести полноценное сравнение преимуществ и недостатков каждого подхода.

Глава 3. Приступаем к расчетам и выбираем силовые трансформаторы

Когда контуры будущих схем намечены, их нужно наполнить конкретным оборудованием, и начинать следует с «сердца» любой подстанции — силового трансформатора. Выбор их мощности и количества — ключевой расчет, определяющий пропускную способность всей системы. Алгоритм действий следующий:

1. Определение приведенных нагрузок: Для каждой подстанции в каждом варианте схемы суммируются расчетные нагрузки всех подключенных к ней потребителей. Полученное значение и есть та мощность, которую должен обеспечивать трансформатор.
2. Учет категорийности потребителей: Если к подстанции подключены потребители I или II категории надежности, которые не допускают длительных перерывов в питании, необходимо устанавливать два трансформатора. Каждый из них должен быть способен в послеаварийном режиме выдержать суммарную нагрузку подстанции. Для потребителей III категории достаточно одного трансформатора.
3. Выбор по каталогу: На основе расчетной мощности и требуемого количества подбирается трансформатор из стандартного ряда номинальных мощностей (например, 10, 16, 25, 40 МВА). Выбирают ближайший больший стандартный номинал.

Правильный выбор трансформаторов гарантирует, что подстанции смогут справиться со своей нагрузкой как в нормальном, так и в аварийном режиме, обеспечивая требуемую надежность электроснабжения.

Глава 4. Метод выбора сечений для линий электропередачи

После выбора трансформаторов мы знаем, какую мощность должна передавать каждая линия электропередачи. Следующий шаг — определить «толщину» проводов, то есть площадь их поперечного сечения. Слишком тонкий провод перегреется и не пропустит нужную мощность, слишком толстый — приведет к неоправданному удорожанию проекта. Поэтому выбор сечения — это всегда поиск баланса.

Основным методом является выбор по экономической плотности тока. Этот подход определяет такое сечение, при котором сумма годовых затрат на потери электроэнергии и отчислений от капитальных вложений в линию будет минимальной. Однако экономически выбранное сечение обязательно должно пройти серию технических проверок:

1. Проверка по допустимому нагреву: Сечение должно быть достаточным, чтобы провод не перегревался выше допустимой температуры при протекании по нему максимального рабочего тока.
2. Проверка по условиям короны: Для воздушных линий (ВЛ) напряжением 110 кВ и выше необходимо убедиться, что диаметр провода достаточно велик, чтобы избежать возникновения коронного разряда — ионизации воздуха вокруг провода, которая ведет к дополнительным потерям энергии.

Важно помнить, что для разных схем расчет токов в линиях выполняется по-разному. В радиальных схемах ток однозначно течет от источника к потребителю. В кольцевых схемах сначала необходимо выполнить расчет токораспределения, чтобы определить, какая часть мощности потечет по каждому плечу кольца, и только потом подбирать сечения.

Глава 5. Технико-экономическое сопоставление, которое определит лучший вариант

Это кульминационный этап проектирования, на котором все разработанные варианты сравниваются между собой для выявления одного, наиболее эффективного. Сравнение проводится не на качественном уровне («этот надежнее, а этот дешевле»), а на основе строгого финансового показателя — приведенных затрат. Этот показатель учитывает как единовременные, так и ежегодные расходы. Формула для расчета выглядит так:

З = И + Ен × К

Где:

• З — годовые приведенные затраты, главный критерий для сравнения.
• К — общие капитальные вложения (стоимость строительства всех ЛЭП и подстанций в данном варианте).
• И — годовые эксплуатационные издержки (включают амортизацию, расходы на ремонт и обслуживание, а главное — стоимость потерь электроэнергии).
• Ен — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (задается в задании).

Для курсового проекта капитальные вложения и издержки обычно рассчитываются по укрупненным показателям стоимости (например, цена 1 км ЛЭП определенного сечения или стоимость одной трансформаторной ячейки). Рассчитав приведенные затраты для каждого из 2-3 вариантов, их сводят в итоговую таблицу для наглядного сопоставления. Вариант с наименьшими приведенными затратами при условии соблюдения всех технических требований (по надежности, качеству напряжения) и признается оптимальным.

Пример сравнительной таблицы вариантов

Показатель	Вариант 1 (Радиальный)	Вариант 2 (Кольцевой)
Капитальные вложения (К), тыс. руб.	120 000	180 000
Годовые издержки (И), тыс. руб./год	15 000	11 000
Приведенные затраты (З), тыс. руб./год	27 000	25 400

Глава 6. Обоснование выбора и переход к детальному анализу

На основе сравнительной таблицы из предыдущей главы формулируется четкий и аргументированный вывод. Этот раздел должен быть коротким и по существу. Вы не просто констатируете факт, а защищаете свое решение. Например, вывод может звучать так: «На основании выполненного технико-экономического сопоставления для дальнейшей разработки принимается Вариант №2 (кольцевой). Несмотря на более высокие капитальные вложения, данный вариант обладает наименьшими годовыми приведенными затратами (25 400 тыс. руб./год) за счет значительно меньшей стоимости годовых потерь электроэнергии, а также обеспечивает требуемую степень надежности электроснабжения всех потребителей». Важно подчеркнуть, что все сравниваемые варианты обеспечивают одинаковый полезный отпуск электроэнергии, что делает их сопоставимыми.

Глава 7. Проводим стресс-тест для выбранной схемы через расчет режимов

Выбор оптимального варианта еще не означает завершение работы. Теперь необходимо доказать, что он работоспособен в реальных условиях эксплуатации. Для этого проводится так называемый «стресс-тест» — расчет установившихся режимов. Цель — определить потоки мощности, потери и, самое главное, уровни напряжения во всех точках сети при разных условиях. Для этого используются различные численные методы, например, метод узловых потенциалов.

Расчет выполняется как минимум для двух сценариев:

1. Расчет нормального режима: Моделируется работа сети в режиме максимальных нагрузок, когда все элементы (линии, трансформаторы) находятся в работе. Проверяется, нет ли где-то перегрузок оборудования и в каких пределах находятся уровни напряжения у потребителей.
2. Расчет послеаварийного режима: Моделируется наиболее тяжелая вероятная авария, например, отключение одной из линий в кольцевой схеме или одного из трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции. Повторный расчет показывает, как перераспределится мощность и сможет ли оставшееся в работе оборудование справиться с возросшей нагрузкой, не выйдя за рамки допустимых напряжений и токов.

Успешное прохождение этих тестов доказывает, что спроектированная сеть является не только экономичной, но и надежной.

Глава 8. Как обеспечить качество электроэнергии через регулирование напряжения

Результаты расчетов режимов показывают реальные уровни напряжения в узлах сети, и они практически никогда не бывают идеально равными номинальному. Из-за потерь в линиях напряжение по мере удаленности от источника питания снижается. Задача этого этапа — убедиться, что отклонения напряжения у всех потребителей находятся в пределах, установленных ГОСТ (обычно ±5% в нормальном режиме и до ±10% в послеаварийном).

Если расчеты показали, что напряжение в каких-то точках выходит за допустимые рамки, необходимо предусмотреть средства его регулирования. В сетях 110 кВ основным инструментом для этого являются силовые трансформаторы с устройством регулирования под нагрузкой (РПН). Это устройство позволяет изменять коэффициент трансформации, не отключая трансформатор от сети, тем самым повышая или понижая напряжение на стороне потребителя. В проекте необходимо выбрать уставки (положения переключателя РПН) для нормального и послеаварийного режимов, чтобы гарантировать требуемое качество электроэнергии для всех потребителей.

Заключение и выводы

Проделанная работа представляет собой законченный инженерный проект, в ходе которого были пройдены все ключевые стадии проектирования районной электрической сети. Подводя итог, можно сформулировать основные результаты:

1. Проанализированы исходные данные и определены расчетные нагрузки потребителей.
2. Разработано и рассмотрено несколько принципиальных вариантов схемы электроснабжения (например, радиальный и кольцевой).
3. На основе детального технико-экономического сравнения по критерию минимальных приведенных затрат был выбран оптимальный вариант схемы.
4. Проверена работоспособность выбранной схемы путем расчета нормального и послеаварийного режимов, что подтвердило ее надежность.
5. Решены вопросы обеспечения качества электроэнергии через выбор уставок для регулирования напряжения на подстанциях.

Таким образом, спроектированная электрическая сеть 110 кВ полностью соответствует техническому заданию, является экономически эффективной и обеспечивает надежное снабжение потребителей электроэнергией требуемого качества. Стоит отметить, что в реальном проектировании для подобных сложных расчетов широко применяются специализированные программные комплексы, такие как ETAP или DIgSILENT PowerFactory.

Список использованной литературы

1. Правила устройства электроустановок, 6-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1987
2. Боровиков В. А., Косарев В. К., Ходот Г. А. Электрические сети энергетических систем. – Л.: Энергия, 1977
3. Капустина А. Г. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Электрические сети энергетических систем». – Иваново: ВЗЭК, 2001
4. Орлова Л. М. Методические указания по применению государственных стандартов Единой системы конструкторской документации в курсовом и дипломном проектах. – Иваново: ВЗЭК, 2000
5. Рокотян С. С., Шапиро И. М. – М.: Энергоатомиздат, 1985