Глава 10

10.4. Оптимизация уровней токов короткого замыкания

Система электроснабжения является небольшой частью ЭЭС, где происходит формирование исходного при проектировании уровня мощности КЗ. Если собственных источников электрической энергии СЭС не содержит, то наибольшее значение мощности КЗ будет па границе раздела с питающей энергетической системой. При наличии собственных источников наибольшее значение мощности КЗ определяется их мощностью, мощностью КЗ, поступающей от ЭЭС, и электрической удаленностью источников электрической энергии друг от друга.

Уровни мощности КЗ в узлах нагрузки зависят от структуры СЭС, параметров ее сетей и состава электроприемников. При проектировании установление оптимального уровня мощности КЗ в каждом узле СЭС предусматривает анализ более широкого ряда показателей,

Рис. 10.15. Влияние мощности КЗ на условие сохранения остаточного напряжения 0,85Uном при реакторном (хр) пуске двигателя с сопротивлением xдв (a) и на подключение управляемых (б) и неуправляемых (в) вентильных преобразователей с коэффициентом расщепления обмоток трансформатора, равным 4 (кривые 1) и 0 (кривые 2)

к которым относятся технические и стоимостные показатели выпускаемого промышленностью электрооборудования, проводников и токоограничивающих устройств, категория бесперебойности электроснабжения и его надежность, устойчивость двигательной нагрузки, работоспособность релейной защиты, качество напряжения у потребителей, пуск и самозапуск мощных электродвигателей, потери мощности и энергии в сетях, ущерб от перерывов в электроснабжении.

Учет действия факторов, определяющих оптимальный уровень мощности КЗ, является противоречивым. С одной стороны, снижение наибольших значений мощности КЗ в узлах нагрузки позволяет устанавливать более простое и дешевое электрооборудование, уменьшить сечение проводников, применять простые решения по схемам распределения электрической энергии с использованием устройств системой автоматики АВР, АПВ и уменьшить ущерб от аварийного воздействия токов КЗ за счет их локализации. Однако при этом возрастают затраты на дополнительно устанавливаемые специальное оборудование и токоограничивающие устройства и ущерб от возможных перерывов в электроснабжении. С другой стороны, обеспечение уровня напряжения для пуска и самозапуска электродвигателей, ограничение колебаний и отклонений напряжения в узлах электроснабжения с резкопеременной ударной нагрузкой, ограничение несинусоидальности напряжения, снижение влияния несимметрии нагрузки, обеспечение надежности работы релейной защиты требуют сохранения больших значений мощности КЗ.

При самозапуске мощных электродвигателей остаточное напряжение в узлах нагрузки зависит от мощности КЗ и реактивного сопротивления сети (рис. 10.15, а). В случае резкопеременной ударной нагрузки уровень колебаний напряжения снижается с повышением мощности КЗ в узле (см. выражение (10.6)]. Для выполнения требования (10.4) допустимая мощность подключения вентильных преобразователей зависит от уровня мощности КЗ в узле нагрузки (рис. 10.15, б, в).

Таким образом, при проектировании СЭС может ставиться технико-экономическая задача снижения уровней мощности КЗ в конкретных узлах до оптимальных. Ее целевой функцией являются приведенные затраты

(10.29)

где - основные капитальные вложения в электрооборудование СЭС (трансформаторы, РУ, электрические аппараты, ЛЭП); - дополнительные вложения в специальное электрооборудование (надбавки за специальное исполнение трансформаторов и токоограничивающих коммутационных аппаратов; стоимость токоограничивающих и дугогасящих реакторов, различного вида токоограничивающих устройств, а также устройств, обеспечивающих нормированные значения показателей качества электрической энергии, пусковых устройств и средств АРВ мощных электродвигателей); , - суммарные коэффициенты отчислений от основных и дополнительных капитальных вложений в электрооборудование и его строительную часть; - суммарные эксплуатационные расходы по основному и специальному электрооборудованию и стоимость потерь электрической энергии; - суммарный ущерб при снижении уровней мощности КЗ от перерывов в электроснабжении, нарушений устойчивости двигателей нагрузки, снижения надежности электроснабжения и от ухудшения качества электрической энергии у потребителей.

Критерием оптимальных уровней мощности КЗ является минимум приведенных затрат (10.29). Для минимизации целевой функции приведенных затрат целесообразно использовать метод дискретной оптимизации [17]. Последний позволяет перейти от оптимизации функции многих дискретно изменяющихся переменных (10.29) к исследованию на экстремум функции при учете множества ограничений по различным параметрам дискретной шкалы мощностей электрооборудования, шкале номинальных напряжений, нормируемым показателям качества электрической энергии, допустимым потерям мощности и энергии, уровню перенапряжений, максимальной мощности КЗ и т. д.

Существование большого количества переменных и множества ограничений значительно сужает возможности поиска глобального минимума функции (10.29). Поэтому практически более приемлемы частные математические модели оптимизации уровней мощности КЗ. Они могут быть разработаны для конкретных узлов СЭС с выделением группы наиболее существенных переменных, зависящих от параметров режима КЗ.

Оптимальное значение расчетного тока КЗ в сетях промышленных предприятий должно определяться в основном с учетом двух факторов:

1) обеспечения возможности применения электрических аппаратов с более легкими параметрами и проводников возможно меньших сечений;

2) сохранения значений показателей качества электрической энергии в нормируемых пределах.

Для учета других факторов должны быть установлены функциональные зависимости между их количественными показателями и параметрами режима КЗ.