Тема 1. Энергосистема и ее элементы

ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Формирование у студентов систематизированных знаний и представлений, в области электрических сетей и систем, питающих системы электроснабжения. У студентов, должны быть сформированы знания и навыки, таких учебных компонентов как: энергосистема и ее элементы, принципы построениясхем электрических сетей, выбор сечений линий электропередачи, определение параметров и построение схем замещения воздушных линий, аварийные режимы работы электрических систем, механический расчет воздушных линий, выбор проектируемого варианта схемы развития сети.

Эти знания позволяют студентам успешно решать поставленные задачи в профессиональной деятельности, связанной с проектированием электрических сетей и их функционированием.

В задачи дисциплины входит:

· изучение научных основ проектирования сетей электрических систем, методов расчета и анализа их установившихся режимов;

· рассмотрение студентами методов проектирования и алгоритма расчета по выбору электрических аппаратов электроэнергетических систем;

· усвоение знаний в сфере электроснабжения, освоение принципов регулирования напряжения и частоты;

· изучение условий работы нагрузки и источников электрической энергии в нормальных и ава­рийных установившихся режимах, условий выбора основного оборудования электрических систем;

· овладение методами технических и экономических расчетов, на основе которых выбираются схемы, параметры, а также конструктивные и режимные решения для источников питания и электрических сетей;

· формирование у студентов профессиональных навыков по проектированию и разработке электрических сетей и систем.

 

МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина «Электрические сети и системы» изучается по выбору студента и входит в профессиональный цикл дисциплин.

Для изучения данной учебной дисциплины необходимы следующие знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами:

2.1. Из курса «Математика»:

Знать: основные математические и статистические методы обработки данных, полученных при решении основных профессиональных задач.

Уметь: получать, обрабатывать и интерпретировать данные исследований с помощью математического аппарата.

Владеть: навыками использования в профессиональной деятельности базовых математических знаний и применять их в области естествознания, информатики, современных информационных технологий, использования ресурсов Интернета.

2.2. Из курса «Физика»:

Знать:основные физические законы, явления и процессы на которых основаны принципы действия объектов профессиональной деятельности, средств контроля и измерения.

Уметь: использовать различные методики физических измерений и обработки экспериментальных данных;использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа к решению конкретных естественнонаучных и технических проблем.

Владеть: использованием основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях; методами физического моделирования в инженерной практике.

2.3. Из курса «Информатика»:

Знать: назначение и принципы основных программных комплексов: текстовых и графических редакторов, операционных оболочек, электронных таблиц, баз данных; базовые технологии создания, хранения и переработки различных видов информации: текстовой, графической, числовой.

Уметь: пользоваться текстовым редактором, электронной таблицей, базой данных, архиватором и антивирусными пакетами.

Владеть: рациональными приемами использования компьютерных программ в исследовательской и учебной работе.

2.4. Из курса «Теоретические основы электротехники»:

Знать: основные электротехнические понятия и термины;принципы построения электрических систем, с использованием микропроцессорной техники и компьютеров; интерфейсы компьютерных приборов;принципы действия электротехнических устройств и области их применения.

Уметь:читать электрические схемы;выполнять теоретические расчеты схем с источниками постоянного и переменного тока, анализировать полученные результаты, оценивать их достоверность.

Владеть: наиболее распространенными методами расчета электрических цепей, анализа и оценки результатов;методиками измерений и построением измерительных схем.

2.5. Из курса «Электротехническое и конструкционное материаловедение»:

Знать:основные электротехнические и конструкционные материалы, используемые в оборудовании электрических станций и подстанций, конструктивное выполнение воздушных и кабельных линий электропередачи.

Уметь:выбирать схемы замещения элементов электрической сети;выбирать сечений проводов и кабелей и аппаратов защиты.

Владеть: навыками построения и конструктивного выполнения воздушных и кабельных линий электропередачи;методами расчета, проектирования и конструирования электроэнергетического и электротехнического оборудования;навыками работы со справочной литературой, стандартами и другиминормативными материалами.

Дисциплина «Электрические сети и системы» играет важную роль в формировании технических умений бакалавра профессионального обучения и логически взаимосвязана с родственными дисциплинами, такими как: «Электрические машины и электропривод» (5, 6 семестр), «Электрические и электронные аппараты» (5 семестр). Эти дисциплины тесно связаны между собой и изучаются студентами параллельно на третьем курсе обучения.

Перечень последующих учебных дисциплин, для которых необходимы знания, умения и владения, формируемые данной учебной дисциплиной:

· «Электроснабжение потребителей и режимы»;

· «Энергосберегающие технологии».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы.

КОМПЕТЕНЦИИ СТУДЕНТА, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Изучение данной учебной дисциплины направлено на формирование у обучающихся следующих общекультурных (ОК), профессиональных (ПК) и профессионально-специализированных компетенций:

общекультурные компетенции:

· осознание ключевых ценностей профессионально-педагогической деятельности (демонстрация глубокого знания всех ключевых ценностей профессии), проявление понимания их смыслов и значений, свободная интерпретация всех ключевых ценностей профессии, высказывание своих отношений к каждой ключевой ценности профессии, демонстрация системности, целостности представлений о ценностных отношениях к человеку (обучающемуся) (ОК-2);

· готовность к самопознанию, самодеятельности, освоению культурного богатства как фактора гармонизации личностных и межличностных отношений (ОК-6);

· готовность к самооценке, ценностному социокультурному самоопределению и саморазвитию (ОК-7);

· готовность к позитивному, доброжелательному стилю общения (ОК-8);

· владение технологией научного исследования (ОК-19);

· способность осуществлять письменную и устную коммуникацию на государственном языке осознавать необходимость знания второго языка (ОК-20);

· готовность к практическому анализу логики различного рода рассуждений, владение навыками публичной речи, аргументации, ведения дискуссий, полемики и др. (ОК-21);

· способность самостоятельно работать на компьютере (элементарные навыки) (ОК-23);

· способность к когнитивной деятельности (ОК-24);

· владение процессом творчества (поиск идей, рефлексия, моделирование и др.) (ОК-28).

профессиональные компетенции:

· способность развивать профессионально важные и значимые качества личности будущего рабочего (специалиста) (ПК-2);

· готовность к анализу и организации экономической, хозяйственно-правовой деятельности в учебно-производственных мастерских и на предприятиях (ПК-26).

профильно-специализированные компетенции:

· готовность участвовать в обслуживании технологического оборудования (ПСК-4).

Знать:

· основные принципы построения электрических систем, технические, структурные и экономические особенности их развития;

· функциональное назначение подсистем и объектов энергосистемы постоянного и переменного тока;

· основные технико-экономические проблемы электрических систем и пути их решения;

· основные типы электростанций, принципы их работы, особенности электростанций различного вида и перспективы их развития в России;

· конструкцию современных воздушных и кабельных линий, конструкцию СИП, их основные конструктивные элементы, особенности условий работы, внешние воздействующие факторы и особенности расчета проводов на механическую прочность;

· методы расчета технико-экономических параметров элементов электрических сетей и систем;

· действующие нормативные документы и правила.

Уметь:

· определять параметры элементов и режимов работы электрических сетей;

· выполнять расчеты по выбору конструктивных элементов электрических сетей;

· применять технические средства регулирования режимов работы электрических сетей;

· производить расчеты, анализировать, разрабатывать мероприятия по экономии электроэнергии и ее рациональному использованию в системах электроснабжения.

Владеть / быть в состоянии продемонстрировать:

· методами проектирования надежных и экономичных электроэнергетических систем и их элементов;

· методами расчета нормальных и аварийных установившихся режимов электрических сетей и систем.

СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Общая трудоемкость составляет 6 зачетных единиц.

Общая трудоемкость составляет 216 часов: аудиторная нагрузка - 106 часов; самостоятельная работа - 110 часов.

 

4.1. Объем дисциплины и виды учебной работы

Таблица 1

Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего зачетных единиц (часов)	Форма обучения
Очная	Заочная	Заочная ДОТ
4 года	3 года	5 лет	3,5 года	5 лет	3,5 года
5-й, 6-й	4-й, 5-й	6-й, 7-й	4-й, 5-й	6-й, 7-й	4-й, 5-й
Общая трудоемкость дисциплины	6 (216)	6 (216)	6 (216)	6 (216)	6 (216)	6 (216)	6 (216)
Аудиторные занятия (всего)
В том числе: 1.Лекции (Л) (консультации) 2. Практические занятия (ПЗ), Семинары (С) 3. Лабораторные работы (ЛР) 4. Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа студента (СРС) (всего)
В том числе: 1. изучение теорет-го курса 2. курсовой проект 3. домашние задания 4. контрольная.работа 5. подготовка к экзамену
Вид промежуточного контроля	зачет экзамен	зачет экзамен	зачет экзамен	зачет экзамен	зачет экзамен	зачет экзамен	зачет экзамен

 

4.2. Содержание и тематическое планирование дисциплины

Таблица 2

Содержание и тематическое планирование дисциплины

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Семестр	Виды учебной деятельности и трудоемкость (в часах)	Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)
Л	ПЗ	ЛР	К	СРС
	Энергосистема и ее элементы	V						Тест 1
	Принципы построения электрических систем	V						Тест 2, защита практического задания
	Выбор сечения линий электропередач	V						Тест 3, защита практического задания, защита рефератов
	Схемы замещения воздушных линий и трансформаторов	V						Тест 4, защита практического задания, защита рефератов
	Графики нагрузок. Потери мощности и энергии	V						Тест 5, защита практического задания
	Итого по видам занятий в семестре:							зачет
	Методы расчета режимов электрических сетей	VI						Тест 6, защита лабораторных работ
	Качество электрической энергии и его обеспечение	VI						Тест 7, защита рефератов
	Проектирование развития электрических сетей	VI						Тест 8, защита практического задания
	Аварийные режимы работы электрических систем	VI						Тест 9
	Электрическая часть станций и подстанций	VI						Тест 10, защита рефератов
	Механический расчет воздушных линий, эксплуатация и экология	VI						Тест 11, защита контрольной работы
	Итого по видам занятий в семестре:							экзамен
	Итого

4.3. Содержание тем дисциплин

Лабораторные работы

Лабораторная работа № 1.Исследование влияния компенсации реактивной мощности на потери мощности в линии (Тема 7.Качество электрической энергии и его обеспечение).

Лабораторная работа № 2.Измерение перенапряжений при дуговых замыканиях на землю (Тема 9.Аварийные работы электрических систем).

4.5. Курсовой проект на тему «Проектирование развития электрической сети»

Основная цель выполнения курсового проекта по дисциплине «Электрические сети и системы» заключается в понимании и усвоении принципов проектирования сетей электрических систем, методов расчета и анализа их установившихся режимов. Особо следует отметить раздел дисциплины, связанный с механическим расчетом воздушных линий электропередачи, их эксплуатацией и экологией.

Перед выполнением курсового проекта следует тщательно изучить основные разделы общей теории расчета установившихся режимов, принципы проектирования электрических сетей.

Студенты должны уметь выполнять расчеты установившихся режимов, их анализ, правильно проектировать новые сетевые районы, опираясь на экономические критерии, использовать программное обеспечение для сложных электрических систем и правильно представлять результаты расчета.

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям) в программе данной дисциплины предусмотрено использование в учебном процессе образовательные технологии: лекции, практические занятия, лабораторные работы, самостоятельная работа студентов.

Лекционные занятия проводятся как в традиционной форме, так и в форме лекций с использованием компьютерных технологий: презентаций MicrosoftPowerPoint, видеоматериалов, графических схем, чертежей, демонстраций и иллюстраций; организуется встреча с ведущими специалистами предприятий и организаций.

Практические занятия проводятся в традиционной форме в виде рассмотрения и обсуждения решения типовых практических задач.

Лабораторные работы выполняются в специальной лаборатории на конкретных лабораторных установках, стендах или компьютерах.

Самостоятельная работа включает в себя подготовку к тестам, опросам и контрольным работам, выполнение рефератов, домашних работ и курсового проекта и подготовка к его защите, подготовку к зачету и экзамену.

ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ По ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, практические задания, контрольные работы, устный опрос, защита курсового проекта. Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен. Оценки за освоение дисциплины в каждом семестре определяются как оценки на экзамене. В приложение к диплому вносится оценка за последний семестр изучения дисциплины.

Содержание контрольной работы

Произвести механический расчет линии, идущей к потребителю первой категории наибольшей мощности. При выполнении этого раздела задания следует:

- рассчитать единичные и удельные механические нагрузки на провод;

- определить критические пролеты и условия появления наибольших напряжений для заданного пролета;

- найти напряжения в материале провода в следующих расчетных режимах: , , , , ; выразить их в процентах от соответствующих допустимых значений;

- используя понятие критической температуры, определить, при каких условиях наблюдается наибольшая стрела провеса , рассчитать наименьшую стрелу провеса ;

- выбрать тип и число подвесных изоляторов в поддерживающих гирляндах, полагая, что весовой пролет не превышает 1,25 длины заданного пролета;

- определить минимально допустимую высоту расположения нижней траверсы опоры;

- рассчитать длину провода в пролете в режиме максимальной температуры ;

- изобразить графически кривые провисания провода в заданном пролете на горизонтальной местности в условиях появления и ; на графике указать точки установки опор, крепления проводов к гирляндам и гирлянд к траверсам;

- рассчитать тяжение провода и стрелу провеса при обрыве провода во втором пролете после анкерной опоры. Обрывы происходят в режиме, в котором наблюдалась наибольшая стрела провеса провода при нормальной эксплуатации. Уточнить тип и высоту выбранных опор;

- построить шаблон для расстановки опор по профилю трассы.

Оформление контрольной работы

При оформлении контрольной работы необходимо учесть следующие основные требования:

1. Контрольная работа выполняется на бумаге формата А4.

2. Контрольная работа включает: титульный лист, содержание, введение, основную часть, заключение, список использованных источников.

3. Задание, для выполнения контрольной работы, приводится полностью, без сокращений.

4. Указываются все формулы, применяемые при решении; приводится словесное описание этих формул и единицы измерения физических величин; разъясняются буквенные обозначения формул.

5. Расчеты выполняются в развернутом виде с требуемой для каждого случая степенью точности.

6. Контрольная работа должна содержать необходимые схемы, графики и пояснения.

7. При использовании данных из учебников или справочной литературы в тексте контрольной работы необходимо привести соответствующие ссылки и в конце работы поместить список использованной литературы.

Контрольные работы, выполненные не в соответствии с заданием и без соблюдения указанных выше требований, не принимаются к проверке.

6.3.3. Выбор вариантов заданий на выполнение контрольной работы

Вариант задания и дополнительные исходные данные для выполнения контрольной работы задаются преподавателем. Расположение потребителей и источника питания (балансирующего узла) для всех вариантов указаны на рисунке 1, мощности нагрузок и номера узлов электрической сети – в таблице 3, дополнительные данные в таблице 4. Выбор источника питания (балансирующего узла 1¹, 1², 1³) осуществляется студентом самостоятельно.

В качестве дополнительных исходных данных (в случае необходимости) рекомендуется принять следующие значения:

- = 0,9 – для всех нагрузок;

- потребители узла, имеющего меньшую мощность из всех заданных, являются потребителями III категории надежности; в остальных узлах состав потребителей по надежности одинаков: I категории - 30%, II - 30%, III - 40%;

- номинальное напряжение потребителей, кВ;

- час.;

- масштаб 1 см: 8 км;

- номер района по гололеду;

- номер ветрового района;

- характер местности;

- минимальная температура ;

- максимальная температура ;

- эксплуатационная температура ;

- длина пролета.

Таблица 3

Вариантызадания контрольной работы

Номер варианта

Мощность нагрузок, МВт

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

--

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Таблица 4

Исходныерасчетные условия к выполнению контрольной работы

Номер варианта	Район по гололеду	Ветровой район	,   °С	,   °С	,   °С	Длина пролета, м	Характер местности
			-32				труднодоступная
			-35				ненаселенная
			-48				населенная
			-46				труднодоступная
			-55				ненаселенная
			-47				населенная
			-30				ненаселенная
			-25				труднодоступная
			-37				населенная
			-40				ненаселенная
			-46				населенная
			-36				труднодоступная
			-31				ненаселенная
			-28				населенная
			-26				ненаселенная
			-29				населенная
			-30				ненаселенная
			-35				труднодоступная
			-42				населенная
			-40				ненаселенная
			-37				ненаселенная
			-25				населенная
			-28				труднодоступная
			-29				населенная
			-35				ненаселенная
			-20				ненаселенная
			-40				ненаселенная
			-35				труднодоступная
			-32				населенная
			-40				труднодоступная
			-35				ненаселенная
			-30				труднодоступная
			-20				труднодоступная
			-42				ненаселенная
			-28				населенная

 

 

Рисунок 1 – План-схема расположения проектируемых узлов

Уравнение состояния провода

Провод, закрепленный в двух точках на одинаковой высоте и испытывающий равномерно распределенную нагрузку, можно рассматривать как гибкую нить, принявшуюформуцепнойлинии. Напряжениевлюбойточке такойнити будет обусловлено толькорастяжением инаправлено по касательнойккривой максимального провеса провода.

1. Расстояние по горизонтали между точками подвеса А и Б называется пролетом(L).

2. Расстояние по вертикали в середине пролета между проводом и прямой А-Б, соединяющей точки провеса, называется стрелой провеса ().

3. Сила, действующая в любой точке провода, называется тяжением (Т). Тяжение в низшей точке кривой провисания, направленное горизонтально, обозначается буквой Н.

4. Сила, действующая на единицу сечения провода, называется напряжением(s).

Тяжение по проводу при любых условиях работы и в каждой его точке направлено по касательной к кривой провисания провода и определяется выражением

(14)

где F – полное поперечное сечение провода, мм²;s – напряжение, Н/ мм².

При закреплении в натяжных гирляндах на опорах анкерного типа тяжение провода передается на опоры, вызывая в опорах силу (реакцию), равную по величине, но противоположную по направлению.

Напряжение не должно превосходить допускаемое ПУЭ [1]. Напряжение в точках крепления А и Б не должно превосходить 105 % допускаемого напряжения для алюминиевых и 110 % для сталеалюминевых проводов.

При равной высоте точек подвеса

(15)

где – напряжение в низшей точке провисания провода, Н/мм²;¦– стрела провеса провода при удельной нагрузке , м.

Комбинированные, в том числе сталеалюминевые провода, рассчитываются по полному тяжению, действующему по проводу, по суммарному сечению алюминиевой и стальной части, по модулю упругости, температурному коэффициенту линейного расширения и допускаемому напряжению провода в целом.

При расчете проводов следует принимать такие сочетания климатических условий, которые дают наиболее невыгодные по механическим нагрузкам значения напряжения в проводе в одних случаях и максимальные величины стрел его провеса в других случаях.

Расчет ВЛ по нормальному режиму работы необходимо производить для сочетания следующих условий:

1. Высшая температура , ветер и гололед отсутствуют (формула 1).

2. Низшая температура , ветер и гололед отсутствуют (формула 1).

3. Среднегодовая температура , ветер и гололед отсутствуют (формула 1).

4. Провода и тросы покрыты гололедом (формула 3), температура при гололеде минус 5°С, ветер отсутствует.

5. Ветер (формула 9), температура при минус 5°С, гололед отсутствует.

6. Провода и тросы покрыты гололедом, ветер при гололеде на провода (формула 10), температура при гололеде минус5°С.

7. Расчетная нагрузка от тяжения проводов определяется при расчетных ветровых (формула 10) и гололедных (формула 3) нагрузках, умноженных накоэффициент надежности понагрузке от тяжения .

Расчет ВЛ по аварийному режиму необходимо производить для сочетания следующих условий:

1. Низшая температура , ветер и гололед отсутствуют (формула 1).

2. Среднегодовая температура , ветер и гололед отсутствуют (формула 1).

3. Провода и тросы покрыты гололедом (формула 3), температура при гололеде минус 5°С, ветер отсутствует.

4. Расчетная нагрузка от тяжения проводов определяется при расчетных ветровых (формула 10) и гололедных (формула 3) нагрузках, умноженных на коэффициент надежности по нагрузке от тяжения .

Для решения этих задач зависимость напряжений от нагрузки и температуры выражают в виде уравнения, которое называется уравнением состояния провода.

Для вывода уравнения состояния рассмотрим провод в изолированном анкерном пролете с точками подвеса на одной высоте. Для начального состояния вводятся следующие обозначения: – длина пролета, м; – удельная нагрузка, Н/(м×мм²); – температура окружающей среды, °С; – напряжение в низшей точке провода, Н/мм².

Для искомого состояния принимаются те же обозначения, но без индексов.

В результате алгебраических преобразований с учетом относительного упругого удлинения провода получено уравнение состояния в виде

(16)

где Е – модуль упругости материала провода, Па,(10³ Н/мм²);a – температурный коэффициент линейного расширения, 10^-6 ºС^-1.

С помощью этого уравнения можно найти напряжения в проводе в любых требуемых условиях на основании известных напряжений, нагрузок и тем