ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ПО ВЫБОРУ СБОРНЫХ ШИН ПОВЫШЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В распределительных устройствах (РУ) напряжением 35 кВ и выше сборные шины обычно выполняются сталеалюминевыми проводами. При большой нагрузке или для предотвращения коронирования в каждой фазе могут быть использованы два и более провода. Сечение сборных шин выбирается, как известно, по длительно допустимому току [2]:

                                                                                                 (1)

Величина максимального рабочего тока определяется по максимально возможному перетоку мощности по сборным шинам:

                                                                                            (2)

где: U_ном - номинальное напряжение РУ, кВ.

Определение величины максимального перетока мощности в современных схемах РУ является достаточно сложной и трудоемкой задачей без применения вычислительной техники. Именно поэтому была разработана экспертная система по выбору сборных шин повышенных напряжений. Система реализована на алгоритмическом языке Visual Basic [1] и рассчитана на диалоговый режим работы. Для определения наибольшего перетока мощности необходимо рассмотреть нормальный и аварийные режимы в РУ. На Рисунке 1 показана схема замещения системы сборных шин, выполняемой по одной из линейных схем.

Рисунок 1. Расчетная схема замещения сборных шин (линейная схема)

На схеме все точки присоединения блочных трансформаторов, автотрансформаторов (АТ) или трансформаторов связи и линий электропередач (ЛЭП) пронумерованы цифрами в кружочках, и называются узлами. Сначала нумеруются узлы подключения автотрансформаторов или трансформаторов связи, затем блочных трансформаторов, а потом линий электропередач. Последний узел называется базисным и должен обязательно принадлежать ЛЭП. Нумерация ветвей (цифры в квадратах) производится произвольно. Узлы и ветви нумеруются подряд без пропусков, начиная с единицы. На схеме замещения обязательно указываются величины перетоков мощности по линиям, трансформаторам и автотрансформаторам. Причем, если переток направлен к сборным шинам, то он берется со знаком «+», а если от них, то со знаком «-».

Для расчета перетоков по ветвям схемы используется метод узловых напряжений. Перетоки мощности по ветвям при этом моделируются токами в ветвях, а источники мощности в узлах (трансформаторы, автотрансформаторы, линии электропередач) - источниками токов. Проводимости ветвей принимаются равными единице.

Из проводимостей ветвей формируется матрица узловых проводимостей, элементы которой являются коэффициентами при узловых напряжениях. Правой частью, в сформированной таким образом системе уравнений, являются источники тока, задаваемые в узлах. Причем, необходимо помнить, что источник тока - отходящая линия в базисном узле, не задается. В результате решения системы уравнений определяются напряжения в узлах схемы. Зная напряжения в узлах и величины проводимостей ветвей, легко определить токи в ветвях схемы:

                                      ,                                                 (3)

где: I_B - ток в ветви; G_B - проводимость ветви; E - значение напряжения в узлах схемы; k - номера узлов, обозначающие начала ветвей; j - номера узлов, обозначающие концы ветвей.

Так как токи в ветвях моделируют перетоки мощности по ветвям, то рассчитав по выражению (3) перетоки в ветвях схемы, легко выбрать наибольший переток мощности. Для этого рассматривают нормальный режим и ряд аварийных.

В аварийных режимах сначала попеременно отключают все автотрансформаторы (трансформаторы) связи, затем блочные трансформаторы, а затем линии электропередач. Причем, при отключении одной линии, оставшиеся в работе линии должны пропустить и мощность, передававшуюся по отключенной линии. При отключении одного из автотрансформаторов (трансформаторов) связи, если их два, второй берет на себя всю мощность, которая протекала по отключенному автотрансформатору (трансформатору) связи.

Если схема РУ имеет кольцевую структуру, например, схемы с тремя выключателями на два присоединения, с четырьмя выключателями на три присоединения, различные многоугольники и т.д., то вместе с выбором сечения сборных шин производится и выбор сечения ошиновки, соединяющей сборные шины с выключателями. В этом случае узлы и ветви в расчетной схеме замещения нумеруются следующим образом (Рисунок 2).

Рисунок 2. Расчетная схема замещения сборных шин (кольцевая схема)

Сначала нумеруются узлы подключения автотрансформаторов (трансформаторов) связи, затем блочных трансформаторов, затем ЛЭП. Причем, номер узла подключения последней линии электропередач, которому должен быть присвоен номер базисного узла, сначала пропускается, и номера узлов присваиваются точкам подключения к сборным шинам ошиновки ячеек выключателей. Когда все эти точки будут пронумерованы, тогда нумеруется базисный узел, к которому подключается последняя ЛЭП. Ветви также нумеруются специальным образом. Сначала нумеруются ветви, содержащие выключатели, а затем ветви, заключенные между узлами, в которых подключаются к сборным шинам ошиновка выключателей.

На Рисунке 3 приведена структурная блок-схема экспертной системы.

Рисунок 3.   Структурная блок – схема экспертной системы по выбору сборных шин повышенных напряжений

В программном плане экспертная система выбора сборных шин повышенных напряжений состоит из управляющей программы, архива данных и ряда подпрограмм. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

Блок архива данных содержит сведенья о технических характеристиках проводов [3], допустимых расстояниях между соседними фазами и между проводами в расщепленной фазе [4]:

• марка провода;

• сечение алюминиевой части провода, мм²;

• сечение стальной части провода, мм²;

• допустимый ток нагрузки вне помещения, А;

• допустимый ток нагрузки внутри помещения, А;

• диаметр провода, мм;

• масса единицы длины провода, кг/км;

• наименьшее допустимое расстояние между соседними фазами, см;

• расстояние между проводами в расщепленной фазе, см.

Архив данных представляет собой одномерный массив [5]. Первые шесть переменных архива расположены в порядке возрастания величины сечения провода - каждому значению индекса соответствует определенное сечение алюминиевой и стальной части провода, а так же соответствующие этому сечению величины допустимой токовой нагрузки вне и внутри помещений, диаметр провода и масса единицы его длины. Индексы следующих переменных соответствуют кодам напряжений, на которые выполняются сборные шины.

В подпрограмме ввода исходных данных в диалоговом режиме с клавиатуры дисплея вводятся следующие данные:

• число независимых узлов;

• число ветвей;

• число АТ (трансформаторов) связи, подключенных к РУ;

• число блочных трансформаторов, подключенных к РУ;

• число отходящих ЛЭП;

• cos φ генераторов;

• код типа установки (1 - вне помещения, 2 - внутри помещения);

• величина теплового импульса на сборных шинах РУ, кА²∙с (задается только для ЗРУ);

• начальное значение периодической составляющей тока трехфазного к.з. на сборных шинах, кА;

• величина напряжения РУ, кВ;

• код напряжения (1 - 35 кВ, 2 – 110 кВ, 3 - 220 кВ,

4 – 330 кВ, 5 - 550 кВ, 6 - 750кВ, 7 - 1150 кВ).

Далее задается топология схемы замещения:

• номера ветвей;

• номера узлов, обозначающие начала ветвей;

• номера узлов, обозначающие концы ветвей.

Затем задаются:

• код схемы РУ (1 - для линейных схем, 2 - для кольцевых схем);

• число выключателей (задается только для кольцевых схем);

• номер узла источника мощности;

• величина перетока мощности, подходящего к узлу или отходящего от узла.

В подпрограмме формирования матрицы узловых проводимостей из проводимостей ветвей логическим путем производится формирование матрицы узловых проводимостей. Затем эта матрица обращается и в дальнейших расчетах используется уже обратная матрица узловых проводимостей.

Узловые напряжения определяются путем перемножения обратной матрицы на столбец свободных членов, сформированный в отдельной подпрограмме. Каждому рассматриваемому режиму соответствует свой столбец свободных членов.

После выбора сечения провода он проверяется на электродинамическую и термическую стойкость, а также на корону. Проверка на термическую стойкость, согласно ПУЭ, производится только для закрытых РУ. Если провод не проходит по термической стойкости или по короне, то автоматически производится увеличение сечения провода (если это возможно) или же производится дальнейшее расщепление фазы.

Проверка шин на термическую стойкость сводится к определению минимального сечения q_min, при котором они будут нагреты до максимально допустимой температуры:

,                                                 (4)

где:  В_k - тепловой импульс, А²∙с; С = 91 - величина характеризующая для алюминиевых шин допустимое тепловое состояние проводника в конце короткого замыкания, А∙с/мм².

Гибкие провода ОРУ напряжением 35кВ и выше проверяются на корону. Условие проверки имеет вид:

,                                               (5)

где: Е - напряженность электрического поля около поверхности; E₀ - начальная критическая напряженность электрического поля, кВ/см.

,                                          (6)

m - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода; r₀ - радиус провода.

Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению:

,                                                   (7)

где: U - линейное напряжение, кВ; D_ср - среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см.

В случае необходимости предусмотрено расщепление фазы провода на 2, 3,...,8 частей. Напряженность электрического поля (максимальное значение) вокруг расщепленных проводов:

                                     ,                                                (8)

где: k - коэффициент, учитывающий число проводов n в фазе; r_эк - эквивалентный радиус расщепленных проводов.

После выбора провода, на печать выводятся исходные данные, рассчитываемого режима:

• наибольший переток мощности, МВт;

• наибольший ток, А;

• величина cos φ генераторов;

• величина тока трехфазного к.з., кА;

• класс напряжения РУ, кВ;

• число подключенных к РУ блочных трансформаторов;

• число подключенных к РУ автотрансформаторов или трансформаторов связи;

• число отходящих ЛЭП, подключенных к РУ.

Затем на печать выводятся справочные данные выбранного провода:

• марка выбранного провода;

• сечение алюминиевой части провода, мм²;

• сечение стальной части провода, мм²;

• длительно допустимый ток, А;

• наружный диаметр провода, мм;

• масса провода, кг/км;

• число проводов в расщепленной фазе.

Простота подготовки и ввода данных, небольшое время расчета (около 10 минут вместе с вводом данных и выводом результатов выбора) позволяет пользователю рассчитать не один вариант присоединения линий и трансформаторов, а путем перебора вариантов с различным порядком присоединения линий и трансформаторов произвести оптимизацию конструкции сборных шин.

Список литературы:

1. Воронин А.А., Одрузова В.А. Система автоматизированного выбора гибких сборных шин распределительных устройств. Электроэнергетика глазами молодежи: материалы VIII Международной научно-технической конференции, 02 – 06 октября 2017, Самара. − В 3 т. Т 1. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2017. – 436 с.
2. Костылев Б.И., Добросотских А.С. Электрические станции и подстанции: учеб.-метод. пособ. /– Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. – 167 с.
3. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. – СПб: БХВ–Петербург, 2013. – 608 с.
4. Правила устройства электроустановок. – М: ЮРАЙТ, 2007. – 400 c.
5. Visual Basic for Applications в MS Excel 2010: основы работы: методические указания к выполнению лабораторных работ по информатике для обучающихся по всем программам бакалавриата и специалитета дневной формы обучения / сост. Н. Д. Берман, Н. И. Шадрина. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. – 55 с.