Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Режимы работы электроэнергетических систем. Учебное пособие для бакалавров и магистров направления «Электроэнергетика».pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
А. В. Кобелев, С. В. Кочергин, Е. А. Печагин
РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для бакалавров и магистров
направления «Электроэнергетика»
Учебное электронное издание комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2015
1
УДК 621.31(075.8)
ББК Á27-016я73
К55
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор
Д. Ю. Муромцев
Кандидат технических наук,
директор филиала ОАО «ТКС» «Тамбовэлектросетьсервис»
Ю. Н. Дёмин
К55 Режимы работы электроэнергетических систем [Электронный
за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта
запрещено.
ISBN 978-5-8265-1411-5
2
Кобелев, А. В.
ресурс] : учебное пособие для бакалавров и магистров направления
«Электроэнергетика» / А. В. Кобелев, С. В. Кочергин, Е. А. Печагин. –
Тамбов : Изд-во ФГБО У ВПО «ТГТУ», 2015. – 1 электрон. опт.
диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса
Pentium II ; CD-ROM-дисковод
мышь. – Загл. с эк
Содержит краткий теоретический материал по различным режимам работы электроэнергетических систем с точки зрения электромагнитных
явлений, обуславливающих возможность получения, передачи и потребления электрической энергии, но и механических явлений в её элементах:
в первичных двигателях, их электрических регуляторах, генераторах, двигателях нагрузки, где электрическая энергия вновь преобразуется в механическую. Очень важным для будущего электрика будет правильное понимание и умение рассчитывать такие сложные аварийные режимы в электрических сетях, как короткие замыкания.
Предназначено для практических занятий и самостоятельной работы по
основным профилирующим дисциплинам подготовки бакалавров и магистров направления «Электроэнергетика».
рана. – ISBN 978-5-8265-1411-5.
37,0 Mb RAM ; Windows 95/98/XP ;
УДК 621.31(075.8)
ББК Á27-016я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2015
Системы электроснабжения создаются для обеспечения питания
электроэнергией приёмников электрической энергии. По мере развития
электропотребления усложняются и системы электроснабжения. Развитие
и усложнение структуры систем электроснабжения, возрастающие требования к экономичности и надёжности их работы в сочетании с изменяющейся структурой и характером потребителей электроэнергии, широкое
внедрение устройств управления распределением и потреблением электро
энергии на базе современной вычислительной техники ставят проблему
подготовки высококвалифицированных специалистов в этой области.
С помощью электрической энергии приводятся в движение миллионы
станков и механизмов, освещение помещений, осуществляется автоматическое управление технологическими процессами и др. Существуют технологии, где электроэнергия является единственным энергоносителем.
Энергетическая политика страны предусматривает дальнейшее развитие
энергосберегающей программы. Экон
должна осуществляться путём: перехода на энергосберегающие технологии производства; совершенствования энергетического оборудования,
реконструкции устаревшего оборудования; сокращения всех видов энергетических потерь и повышения уровня использования вторичных энергетических ресурсов. Предусматривается также замещение органического
топлива другими энергоносителями, в первую очередь ядерной и гидравлической энергией. Кроме прямого энерго- и ресу
вует целый ряд актуальных задач, решение которых в конечном итоге
приводит к тому же эффекту в самих производственных установках,
в производстве в целом. Сюда, в первую очередь, относится повышение
надёжности электроснабжения, так как внезапное, иногда даже весьма
кратковременное прекращение подачи электропитания может привести
к большим убыткам в производстве. Но по
с увеличением стоимости системы электроснабжения, поэтому важной
ВВЕДЕНИЕ
омия энергетических ресурсов
рсосбережения сущест-
вышение надёжности связано
3
задачей должно считаться определение оптимальных показателей надёжности, выбор оптимальной по надёжности структуры системы электроснабжения.
Также важной задачей является обеспечение требуемого качества
электроэнергии. Низкое качество электроэнергии приводит помимо прочих нежелательных явлений к увеличению потерь электроэнергии как в
электроприёмниках, так и в сети. От надёжного и бесперебойного электроснабжения зависят: раб
ота промышленных предприятий любых отраслей, полученная прибыль, зависящая от объёмов выпуска продукции, соблюдения условий хранения скоропортящейся продукции, особенно актуально это звучит для предприятий пищевой промышленности. Для эффективного функционирования предприятия схема электроснабжения должна
обеспечивать должный уровень надёжности и безопасности. Развитие частного предпринимательства предполагает использование новых подходов в ор
ганизации распределения и учёта электроэнергии. В частности,
это касается наличия нескольких предприятий на территории одной производственной зоны (участка), принадлежащих разным собственникам.
Наличие разных технологических цепочек, плюс экономически оправданная система электроснабжения, учёта электроэнергии, налагает определённые (специфические) требования к проектированию данных предприятий. В этой связи очень важным являет
ся рассмотрение различных аварийных режимов работы электроснабжающих сетей для того, чтобы научиться понимать происходящие физические явления в любом переходном
режиме систем электроснабжения, рассчитывать его, управлять им так,
чтобы облегчить возможные последствия и не допустить, чтобы они привели к технической и социально-экономической катастрофе.
Данное учебное пособие способствует развитию у буд
ущих специалистов следующих навыков: знать основы теории вопросов, связанных с
изменением параметров аварийных режимов работы электрических сетей
в результате электромеханических и электромагнитных переходных процессов при эксплуатации электрооборудования; уметь использовать технические средства для измерения основных параметров электроэнергетических объектов и систем и происходящих в них процессов в з
ависимости
от режима работы; владеть готовностью осуществлять оперативные изменения схем в зависимости от режимов работы энергообъектов. Материалы
пособия могут быть использованы при изучении следующих дисциплин
направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»: «Режимы
работы электрических сетей», «Переходные процессы в системах электроснабжения», «Управление режимами городских электрических сетей»,
«Методы расчёта устойчивости энергосистем» и др.
4
1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
Электроэнергетическая (электрическая) система – система, в которой
теплота и различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию, передаваемую на расстоянии, распределяемую по потребителям, где
она вновь преобразуется.
Режим системы – состояние, которое характеризуется показателями,
количественно определяющими её работу. Параметры режима – мощность, напряжение, ток, угол сдвига ветров, ЭДС, частота и т.д.
Параметры си
стемы – показатели, количественно определяющие физические свойства системы как материального сооружения: сопротивление, проводимость, коэффициент и т.д.
Режимы работы систем электроснабжения в свою очередь делятся на
следующие виды: нормальные установившиеся, нормальные переходные,
аварийные и послеаварийные установившиеся.
Классификация основных аварийных и нормальных переходных режимов работы электроэнергетических систем, вызванных различными
возмущающими факт
орами, показана на рис. 1.1.
2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ,
СВЯЗАННЫЕ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПЕРЕХОДНЫМИ
ПРОЦЕССАМИ
2.1. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ И ПОСЛЕДСТВИЯ
Короткие замыкания – всякое непредусмотренное нормальными
условиями работы соединение между фазами или между фазами и землёй.
Причины коротких замыканий: нарушение изоляции (старение); перенапряжения; ошибки персонала; механические повреждения (земляные
работы, падения деревьев и т.д.).
Последствия коротких замыканий: термические; электродинамические; снижение напряжения.
Причина большого тока короткого замыкания
I
=
н
Rн >> Rл, Rт; Xн >> Xл, Xт,
т.е.
I =
=
н
I
=
к.з
E
Е
2
XR
+
н
+++++
Е
2
Z
н
н
Е
+++
, (2.1)
2
)()( XXXRRR
тлнтлн
; (2.2)
. (2.3)
2
)()( XXRR
лтлт
5
–
7
–
5
4
5
л
р
р
н
р
р
р
ж
я
л
р
р
р
р
л
р
р
у
р
б
л
р
у
А
изм. режима
р
л
р
л
р
р
6
котлов
абота регу
ирования
котлов
егу
экономическое
ежимов и их
аспределения и пере-распределения нагрузок
теплоэнергетические
оптимизация
10
10
ирование
ование
зки
и
егу
азгр
деление
изм. частоты
абота ген.
ежима ген.
изм. эл. механ.
частоты
системы
скорости
авт.
нарушение
авина
частоты
ота ген.
а
асинхронная
синхронизма ген.
ющая
езультир
статическая
устойчивость
устойчивость
РВ, АПВ, АРС, АВР
устойчивости
эл. мех.
процессы
устойчивость
нагрузки
1
изм.
нагрузок
кз
абота ген.
возбуждения
ежима
изм. эл. маг.
авина
напряжений
самораскачивание
качания
генератора
яжения,
перенап-
ген.
самовоз-
буждение
ени
сверхтоки
и изм.
напря-
динамическая
устойчивость
токов кз
эл. маг.
езонансы
динамические
10
иний и
откл.
абота
нагрузки
выкл
гроза
Причины
появления
переходных
режимов
Проявление
перенапряжения
переходных
режимов
сные
езона
эл. магнитные
Рис. 1.1. Классификация переходных режимов в электроэнергетической системе
волновые
Группы
процессов
переходных
режимов
перенапряжений
Расчёты
10
время
протекания
Виды короткого замыкания:
– металлическое (малое переходное сопротивление в месте корот-
1)
кого замыкания);
– дуговое (выше 1 кВ падение на дуге от 50…200 В);
– трёхфазное (симметричное) → 5%;
2)
– двухфазное 10%;
– двухфазное на землю (несимметричное) 20%;
– двойное (сложное повреждение) – и если ещё вдобавок обрыв;
– однофазное на землю
→ 65%.
В сетях с изолированной нейтралью – замыкания одной из фаз на
землю (простое замыкание) – ток около 100 А.
U
U
КЗ
U
U
L1
РП
L2
U
УР
ст
К2
ст
ст
ст
2′
3
3′
1
2
U
РП
К1
РП
U
ТП
ТП
U
ТП
Рис. 2.1. Влияние места расположения короткого замыкания
на снижение напряжения:
УРП – узловая районная подстанция; РП – распределённая подстанция;
ТП – трансформаторная подстанция; U
U
– напряжения на шинах понижающей трансформаторной подстанции;
ТП
– напряжения на шинах распределительной подстанции; 1 – нормальный режим;
U
РП
– напряжения питающей станции;
ст
2 – короткое замыкание в точке К1; 3 – короткое замыкание в точке К2; 2, 3 – система
неограниченной (бесконечной) мощности (генератор с автоматическим регулированием
возбуждения, большая мощность электрических станций; протяжённость
питающих линий УРП невелика); 2′, 3′ – система ограниченной мощности
7
Меры снижения последствия токов короткого замыкания:
– релейная защита (выключатели, предохранители);
– реактирование линий (установка, схемные решения, увеличи-
вающие сопротивление цепи, раздельная работа питающих линий и
трансформаторов).
Рассмотрим влияние места расположения короткого замыкания на
снижение напряжения для потребителей, питающихся от узловой районной подстанции систем ограниченной и неограниченной (бесконечной)
мощности (рис. 2.1).
Если энергос
истема с мощными электростанциями, генераторы которых снабжены АРВ и небольшой протяжённостью питающих линий, то
напряжение на линиях УРП практически меняться не будет – РП-сеть питается от системы бесконечной мощности.
Если потери в линиях энергосистемы велики, мощность электрических станций недостаточно велика, чтобы за счёт регулировочной способности генераторов стабилизировать напр
яжение – энергосистема ведёт
себя как источник питания с ограниченной мощностью.
2.2. ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ
На рисунке 2.2 показано изменение основных параметров при трёхфазном коротком замыкании в цепи, питающейся от системы ограниченной мощности.
В СИММЕТРИЧНОЙ ТРЁХФАЗНОЙ ЦЕПИ
Рис. 2.2. Изменение основных параметров
при трёхфазном коротком замыкании
8
В нормальном режиме работы номинальный ток в системе энерго-
−
ψ
ϕ−ψ
ϕ
−
ψ
=
ψ
=
снабжения
J+=
н
после короткого замыкания
зк.
где i
– мгновенное значение тока короткого замыкания; iсв – свободная
к. з
U
)3(
JJ ==
п
iк = iсв + iпр, (2.6)
составляющая мгновенного значения тока короткого замыкания; i
; (2.4)
)(3
ZZ
нрез
U
; (2.5)
3Z
рез
пр
принужденная периодическая составляющая тока короткого замыкания.
Апериодическая составляющая тока по первому закону после мутации:
iа(0) = iн(0) = iп(0) = 2Jн sin (
iпр = iп = 2 Jн sin (ωt +
X
где
L
рез
T
a
R
рез
Составляющая
arctg
=ϕ
к
Х
==
ω
рез
;
γ
рез
рез
– постоянное время цепи.
R
рез
)0(ai будет максимальным при
Aeii
== ;
acв
) – 2Jн sin (
ϕ
к
ψ
), (2.8)
к
t
−
T
a
– начальная фаза;
); (2.7)
к
; т.е.
0
–
ϕ−ϕ= sin2sin2)0(
JJi
.
нкнa
Наиболее тяжёлый (расчётный) случай, когда линии до короткого
0
замыкания на холостом ходу, т.е. при
J ;
н
)0(2sin2)0(
JJi =ϕ=
.
нкнa
Кривая iк изображает ток к. з., фактически протекающий по цепи,
или полный ток к. з. (рис. 2.3).
Часть процесса, которая характеризуется изменением амплитудных
значений тока к. з., принято называть неустановившимся процессом.
В установившемся режиме амплитуды тока к. з. постоянны.
В зависимости от того, изменяется ЭДС источника во время к. з., или
нет, протекание процесса к. з. и длительность п
ерехода к установившему-
ся режиму будут различными.
Рассмотрим трёхфазное к. з. для следующих случаев питания сети: от
генератора без АРВ, от генератора с АРВ и от энергосистемы (см. рис. 2.3).
9
а)
б)
в)
Рис. 2.3. Трёхфазное короткое замыкание:
а – в цепи синхронного генератора без APB; б – в цепи синхронного генератора
с АРВ; в – в цепи, питающейся от энергосистемы
10