Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

Хозяева проводят основную часть дня на работе, а пик потребления  электроэнергии припадает на утренние и вечерние часы. В этот момент могут  быть включены электроприборы суммарной  мощностью до   0,3 кВт.

Дом находится на возвышенности и есть открытое пространство,

вокруг  места установки  ветрогенератора.

Общественная электросеть  есть.

Необходимо полностью обеспечить 150 кВт*ч электроэнергии ежемесячно с пиковыми нагрузками до 300 Вт.

Чтобы понять как быстро должны заражаться аккумуляторы при расходе электроэнергии 150 кВт*ч в месяц: Скорость заряда аккумуляторных батарей генератором должна составить как минимум

350 Ватт в час.

Рассчитываем среднее ежечасное потребление

                        Wср.ч =( Wm ̸ N) ̸ n ,                                          (4.1)

где Wср.ч -среднее ежечасное  потребление, [ кВт ̸ ч ];

Wm  -среднемесячное потребление;

 N  -число дней в месяце;

               n  -число часов в сутках.

                                      Wср.ч =(150 ̸ 30) ̸ 24=0,208 (кВт ̸ ч)

Для того, чтобы обеспечить заряд аккумуляторных батарей генератором  при этих условиях со скоростью 208 Ватт в час, нужно взять генератор, номинальная мощность которого будет как минимум в три раза больше необходимой, т.к. генератор будет работать всего на 30-35% от номинальной мощности

        Pн= Wср.ч * 3,                                           (4.2)

где Pн- номинальная мощность, [ Вт ].

                                                 Pн= 208 * 3= 624 (Вт)

Для данной ветроустановки выбираем автогенератор Г 224 – 55А, Uн=14 В. Этот генератор имеет высокие техника – экономические показатели, лёгок в эксплуатации и легко доступен.

 

 

 

 

 

 

 

   Техническая характеристика генератора сведены в таблицу 4.1

Марка генератора	Выходное напряжение В	Коэффициент мощности (индуктивный)	Отдаваемый ток, А	Частота вращения ротора, об/мин (миним.)	КПД, % генератора	Режим работы	Отдаваемая мощность, кВ
Г 224-55А	14	0,95	55	600	60	длительный	0,77

 

          4.4 Расчёт скорости ветра

 

         В городе Ростов-на-Дону низкая среднегодовая скорость ветра, но открытое пространство и возвышение объекта позволит ветрогенератору работать как минимум на 30-40% от номинальной мощности. Для более точных показателей можно произвести замер скорости ветра в месте установки.

Как правило, оси пропеллерных ветроустановок находятся на высоте 5-50 метров. Для такой высоты можно  пользоваться упрощённой формулой нахождения скорости ветра, аппроксимирующей выражение:

                                               V10 (^b                                                         (4.3) 

где  Vh - скорость ветра  на высоте  h, [ м/ч ];

V10 - скорость ветра на  высоте 10м;

  h- высота, [ м ];

b = 0,14 - эмпирический коэффициент.

 

                                                                   0,14  

                                     Vh= 5 * ( 15/10 )    = 5,26 (м/с)

         На рисунке 4.2 показана зависимость передаваемая ветроустановкой энергия от рабочей скорости ветра 5 м/с.

      

Рисунок 4.2 Передаваемая энергия ветроустановкой в зависимости от                     скорости ветра 5 м/с.

          Как видно из приведенного  графика, функция вырабатываемой  энергии зависит от распределения  скоростей ветра и имеет явно  выраженный максимум. Это свойство  используется для системных ветроэнергетических  установок.      

 

         4.5 Аэродинамический расчёт ветроколеса

 

Конструкционная схема 3-лопостного ветроколеса дана на рисунке4.3., где L-длина лопасти, R-радиус окружности, D-ометаемая площадь ветроколеса.            

         

                               

 

 

Рисунок 4.3 – Схема ветроколеса.

 

Ветроколёса бывают одна лопастные, двух лопастные, трёх лопастные  и многолопастные.

Рабочая скорость ветра для  ветроэнергетических установок  пропеллерного типа на территории Ростовской области должна быть 6 м/с независимо от эквивалентной мощности потребителя. /8/, /9/

При изменении эквивалентной  мощности потребителя при сохранении требуемой надежности мощность ветроустановки изменяется пропорционально

= ,                                т                      (4.4)

где – мощность ветроустановки при исходной нагрузке, кВт            (Nву=0,77кВт);

   N – исходная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки, кВт (N = 0,2 кВт);

  Nвур – расчетная мощность ветроустановки при  другой нагрузке, кВт;

  Nр – расчетная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки, кВт.

 

 Из пропорции (4) следует:

Nвур = 2Nр                                                (4.5)

Размеры ветроколеса при  этом можно определить по формуле:

Dву = ,                                                    (4.6)

где Dву – расчетный диаметр ветроустановки, м;

Vр – текущее значение рабочей скорости ветра, м/с.

Отсюда:

Dву = = 2,87 ≈ 3 м

Исходя из полученных данных принимаем D= 3 м диаметр ветроколеса. Длина лопасти L=1,5 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

 

5.1 Цель расчёта токов К. З.

 

Коротким замыканием называется всякое непредусмотренное нормальными  условиями работы соединение двух точек  электрической цепи. В трёхфазных сетях переменного тока при расчётах учитывают трёхфазное и двухфазное КЗ, а в системах с заземлённой  нейтралью также однофазное КЗ на землю. Замыкание на землю в системах с изолированной нейтралью не являются коротким замыканием, а рассматривается как ненормальный режим работы электрической сети. Очевидно, что наибольший ток будет протекать по цепи при трёхфазном КЗ, а наименьший, соответственно, при однофазном. Чаще всего токи КЗ бывают значительно больше токов нагрузки, но могут быть соизмеримы с ними по значению. В этом и заключается одна из особенностей сельских электрических сетей, которая связана с их значительной протяжённостью и разветвлённостью. /12/

 

5.2 Виды К. З.

 

Короткое замыкание (КЗ) —  электрическое соединение двух точек  электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное  конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание  может возникать при нарушении  изоляции токоведущих элементов  или вследствие механического соприкосновения  элементов, работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление  нагрузки меньше внутреннего сопротивления  источника питания.

 

 

5.2.1 Виды коротких замыканий.

 

В трёхфазных электрических  сетях различают следующие виды коротких замыканий и время его действия.

Однофазное (замыкание фазы на землю) — K(1);

Двухфазное (замыкание двух фаз между собой) — K(2);

Двухфазное на землю (2 фазы между собой и одновременно на землю) — K(1,1);

Трёхфазное (3 фазы между  собой) — K(3).

В электрических машинах  возможны короткие замыкания:

Межвитковые — замыкание  между собой витков обмоток ротора или статора, замыкание обмотки  на металлический корпус.

Последствия короткого замыкания: при коротком замыкании резко  возрастает протекающая в цепи сила тока, что обычно приводит к механическому  или термическому повреждению устройства. В месте короткого замыкания  может возникнуть электрическая  дуга. Все это нередко становится причиной пожаров.

Короткое замыкание в  одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом — у других потребителей может снизиться питающее напряжение, при коротких замыканиях в трёхфазных сетях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые  системные аварии.

В случае повреждения проводов воздушных линий электропередачи  и замыкании их на землю, в окружающем пространстве может возникнуть сильное  электромагнитное поле, способное навести  в близко расположенном оборудовании ЭДС, опасную для аппаратуры и  работающих с ней людей.

Рядом с местом аварии происходит растекание потенциала по поверхности  земли, шаговое напряжение может  достигнуть опасного для человека значения.

 

5.2.2 Методы защиты

 

Для защиты от короткого  замыкания принимают специальные  меры, ограничивающие ток короткого замыкания:

-устанавливают токоограничивающие электрические реакторы;

-применяют распараллеливание электрических цепей то есть отключение секционных и шиносоединительных выключателей;

-используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения;

-используют отключающее оборудование — быстродействующее коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания то есть плавкие предохранители, автоматические выключатели;

-применяют устройства релейной защиты для отключения поврежденных участков цепи.

 

5.3 Расчёт токов К.З в сети 220 В.

 

Расчёт токов короткого  замыкания выполнен в соответствии с межгосударственным стандартом/12/.

Расчётная точка для определения токов короткого замыкания (КЗ) указаны на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Расчётная схема.

Резервное снабжение потребителя, осуществляется от ветрогенератора, через  контролер (А1) и инвертор (А2), тогда примем их полное сопротивление Z_р = r_р = 0,10 ом. Поэтому  начальное значение  периодической составляющей тока однофазного КЗ от генератора G1

          Iпо, кА в точке К, рассчитывают по формуле  

                                                I_по = ;                                             (5.7)

       где U_н – номинальное напряжение 220В;

               Z_{л –} полное сопротивление линии. 

                                Z_л ⁼                                                                      (5.8)

где r_л и x_л активное и индуктивное сопротивления линии прямой последовательности расчётной схемы. До точки КЗ выбираем провод марки ВВГНГ 6 2,5 длиной l=10м с удельным активным и реактивным сопротивлением_rл = 3,54 мОм; x_л = 0,1 мОм.

r_л = r_л0* l = 3,54 * 10=35,4мОм;             x_л = x_л0* l =0,1 * 10=1мОм.

                                      Z_л ⁼ =71 мОм.                                          

                                      Z_л +Z_р = 0,071+0,13=0,171 Ом.

                                                                         (К1)

                                       I_по=  = 1300 А. 

При питании от системы  и К.З в точке К2 сопротивлением системы можно принебреч и  тогда

                                                                         (К2)

                                       I_по=  = 3000 А. 

 

 

 

 

 

 

 

 6 ВЫБОР АПАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ

 

 Автоматический выключатель  – это контактный коммутационный аппарат (электротехническое или электроустановочное устройство), способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи, а также включать, проводить в течение определённого устанавливаемого времени и отключать токи в определённом аномальном состоянии цепи электрического тока. Автоматический выключатель предназначен для нечастых включений, а также для защиты кабелей и конечных потребителей от перегрузки и коротких  замыканий.

Автоматические выключатели  выбирают исходя из следующих условий. /4 /

(0,5…0,75) I пп;                                                   (6.1)