Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электромеханические переходные процессы в системах электроснабжения. Учебное пособие
.pdf
31
Рис. 29. Мощности (моменты), действующие на валу синхронной машины
В установившемся режиме мощности PM=P
Э
. Это условие выполняется в
точках а и б рис. 29. Если угол δ при работе системы в точке а получает приращение ∆δ, то мощность генератора PЭ изменится с тем же знаком на величину
∆PЭ, в то время как мощность турбины PM останется неизменной. При этом
нарушается равновесие моментов и на валу возникает при ∆δ>0 тормозящий
∆P<0, а при ∆δ<0 ускоряющий ∆P>0 момент. Под действием разности момен-
тов ∆P ротор генератора перемещается в сторону исходного режима в точке а.
Таким образом, точка а оказывается устойчивой. Точка б, где выполняется равенство PM=P
Э
, является неустойчивой. Действительно, в этой точке прираще-
ния угла ∆δ и мощности ∆P имеют противоположные знаки. Поэтому, например, при ∆δ>0 приращение ∆P=PM‒P
Э
<0 и возникает избыточный ускоряющий
момент, под действием которого угол δ возрастает. При этом мощность генератора PЭ продолжает падать, что увеличивает избыточный ускоряющий момент,
а значит, и угол δ.
Процесс имеет лавинообразный характер, в результате чего генератор
выпадает из синхронизма. При отрицательном ∆δ<0 появляется положительное
приращение мощности генератора ∆P>0, ротор тормозится, угол δ уменьшается
и ротор перемещается в сторону режима в точке а. В результате точка б оказывается неустойчивой.
Статическая устойчивость является необходимым условием существования установившегося режима работы системы, но не характеризует способность устойчивой работы при резких нарушениях режима (коротких замыкани-
ях, аварийных отключениях генераторов или линий и др.).
32
Малые возмущения из-за изменений нагрузки при эксплуатационных пе-
реключениях в электроэнергетической системе возникают постоянно. Их время
и место носят случайный характер. Различают три вида нарушений статической
устойчивости.
Апериодическое нарушение или сползание простейшей системы показано
на рис. 30.
Рис. 30. Характер переходного процесса при нарушении статической устойчи-
вости сползанием (1) и самораскачиванием (2)
Если мощность турбины увеличилась и стала равна максимальной, которая может быть передана от генератора в систему P
max
=EU/XƩ, в этом случае
установившийся режим возможен только в точке б (рис. 29). При возмущениях,
увеличивающих угол δ, прогрессирует увеличение избыточной механической
мощности и соответственно угла δ и генератор выпадает из синхронизма. При
этом угол изменяется без колебаний (апериодически), сначала медленно, а за-
тем ускоряясь, как бы сползая (кривая 1, рис. 30).
В настоящее время все генераторы и синхронные двигатели снабжаются
автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ). Гидравлические и паровые
турбины имеют автоматические регуляторы скорости (АРС).
При больших коэффициентах усиления АРВ в системе возбуждения могут возникнуть колебания, которые вызовут нарастающие колебания угла δ и
выпадение машины из синхронизма. Такие нарушения статической устойчиво-
сти (самораскачивание) происходят из-за неправильной настройки регуляторов
(кривая 2, рис. 30).
Генераторы, работающие на ненагруженную линию или сосредоточен-
ную ёмкость (на реактивность), могут самовозбуждаться. Этот режим неуправ-
ляемый. Напряжения в отдельных точках системы при самовозбуждении могут
превышать допустимые, вызывая пробой изоляции линий и трансформаторов.
Нарастание напряжения и тока при самовозбуждении может происходить апериодически (синхронное самовозбуждение) или колебательно (асинхронное самовозбуждение). Система АРВ не может подавить этот быстроразвивающийся
процесс.
Работа синхронной машины на ёмкость не всегда приводит к самовозбуждению, которое возникает при определённых соотношениях между генератором и ёмкостью.
33
Пусть турбогенератор работает на дальнюю передачу, отключённую на
приёмном конце (рис. 31).
а
б
Рис. 31. Схема электропередачи, отключённой на приёмном конце (а), и её век-
торная диаграмма (б)
Как видно из схемы замещения, ток статора машины протекает по ёмкост-
ному к активному сопротивлению:
Г
c
22
ээ
с
Э
,
()
arctg ,
d
d Э
E
I
R X X
XX
R
=
+−
−
=
(35)
где
ГТdd
X X X
=+
;
Гd
X
– переходное сопротивление генератора по продольной
оси;
T
X
‒ сопротивление трансформатора;
ЭЭ
,XR
– соответственно эквива-
лентные реактивное и активное сопротивления передачи. Самовозбуждение
возникает при условии
ЭГd
XX
.
У неявнополюсных машин (турбогенераторов, асинхронных двигателей)
синхронного самовозбуждения не возникает. Но имеется зона асинхронного
самовозбуждения I, которая в плоскости XЭ, RЭ ограничена полуплоскостью с
радиусом
( ) / 2
dd
XX
−
(рис. 32, а).
Этой области соответствуют неравенства
Эdd
X X X
;
э
2
dd
XX
R
−
.
При
эГd
XX
появляется вторая зона асинхронного самовозбуждения II.
Процесс изменения тока при асинхронном самовозбуждении показан на рис.
32, б.
Динамическая устойчивость. Динамической устойчивостью называют
способность системы восстанавливать после больших возмущений исходный
режим или режим, близкий к исходному. Различают два вида динамической
устойчивости – синхронную и результирующую.
34
а
б
Рис. 32. Зоны (а) и токи (б) самовозбуждения
Синхронная динамическая устойчивость – способность системы после
большого возмущения сохранять синхронную работу всех генераторов и стан-
ций системы.
Результирующая динамическая устойчивость – способность системы
восстанавливать синхронную работу после большого возмущения и кратковре-
менного асинхронного хода отдельных генераторов или частей системы.
Для узлов нагрузки с синхронными двигателями используют аналогичные
определения. Под синхронной динамической устойчивостью синхронных двигателей понимают их способность возвращаться в исходный режим или близкий к нему после больших возмущений без выпадения из синхронизма. Под результирующей динамической устойчивостью синхронных двигателей узла
нагрузки понимают их способность восстанавливать синхронную работу после
кратковременного асинхронного хода. Если результирующая устойчивость узла
нагрузки обеспечена, то это означает, что обеспечен успешный самозапуск дви-
гателей.
Возникновение динамической неустойчивости рассмотрим на примере
системы, показанной на рис. 33.
Изменения электромагнитной мощности генератора во время переходных
процессов описываются угловыми характеристиками мощности в нормальном,
аварийном и послеаварийном (после отключения повреждённой цепи) режимах.
Схемы замещения для этих режимов получим заменой генератора с АРВ-ПТ
переходной ЭДС
E
за переходным сопротивлением
d
X
.
Определим амплитуды характеристик мощности для каждого режима.
Исходный режим
C1
max T1 T2
, где .
2
I I d
I
E U X
P X X X X
X
= = + + +
(36)
35
а
б
Рис. 33. Схема электрической системы при КЗ на ВЛ (а), схема замещения си-
стемы (б)
Аварийный режим
C1
max II II T1 T2
II
, где ,
2
d
E U X
P X X X X X
X
= = + + + +
(37)
где
Л T2
T
()
Δ
( ) ,
2
d
n
XX
X X X
X
= = +
()n
X
– дополнительное сопротивление при
несимметричном КЗ. Оно определяется в соответствии с правилом эквивалент-
ности тока прямой последовательности.
В режиме КЗ P
max II
является полезной активной мощностью, которая со-
здаёт на валу машины электрический момент. Мощность образуется за счёт
протекания тока прямой последовательности от генератора в систему. Этот ток
определяется взаимным сопротивлением схемы замещения прямой последовательности режима КЗ XII, определяемого формулой
л
II T1 T2
.
2
s
X
X X X X X
= + + + +
В послеаварийном режиме
C
max III
III
,
EU
P
X
=
где
III T1 Л T2d
X X X X X
= + + +
. При этом
I III II
P P P
.
Для этого случая изменение электромагнитной мощности генератора при
переходах от одного режима к другому показано на рис. 34.
В момент, соответствующий началу КЗ, происходит переход из точки
нормального режима а в точку б, соответствующую характеристике аварийного
режима, так как вследствие инерции ротора угол δ мгновенно измениться не
может. В результате на валу агрегата турбина‒генератор возникает избыточный
ускоряющий момент, обусловленный разностью моментов (мощностей) турбины Р
т
и генератора Р
г
. Мощность турбины принимается неизменной во все вре-
мя переходного процесса: Р = Р
0
, так как регуляторы скорости не успевают за
это время изменить мощность, развиваемую турбиной (при отсутствии аварий-
ных устройств управления мощностью турбины).
36
Рис. 34. Угловые характеристики мощности при несимметричном КЗ
Ускоряющий момент изменяет положение относительно вектора напря-
жения приёмной системы, угол δ увеличивается. Процессу соответствует движение ротора из точки б в точку в. После отключения КЗ электромагнитная
мощность становится больше механической и на валу агрегата появляется избыточный тормозящий момент (точка г). Но ротор ещё некоторое время будет
перемещаться в сторону увеличения угла δ, пока не израсходуется запасённая
им во время КЗ кинетическая энергия (точка д). Когда, по достижению ротором
генератора критического угла
кр
, кинетическая энергия будет израсходована,
под действием избыточного электрического момента ротор начнёт перемещаться в обратном направлении и после нескольких колебаний перейдёт в новый
установившийся режим с углом
0
. Если же ротор пройдёт угол
кр
, избыточ-
ный момент вновь станет ускоряющим, генератор выйдет из синхронизма. В
первом случае система обладает синхронной динамической устойчивостью, во
втором – нет.
Выпадение генератора из синхронизма сопровождается повышением скорости вращения ротора, так как в начале процесса на ротор действует большой
ускоряющий избыточный момент, равный разности момента турбины MT и син-
хронного момента генератора MЭ (рис. 35, а).
Дальнейшее повышение скорости ротора определяется разностью между
моментом турбины и асинхронным моментом, обусловленным скольжением ро-
тора генератора относительно поля статора. Под действием регулятора скорости момент турбины снижается и при равенстве асинхронного момента и момента турбины устанавливается скорость вращения агрегата ꞷ
уст
(рис. 35, б).
Синхронный момент при этом не оказывает на процесс существенного влияния,
37
так как его среднее значение за один поворот ротора (цикл асинхронного хода)
равно нулю.
а
б
Рис. 35. Изменение моментов агрегата генератор – турбина:
а – при выпадении из синхронизма; б – при асинхронном ходе
Однако синхронный момент генератора создаёт колебания скорости, ам-
плитуда которых зависит от ЭДС генератора. Поэтому при возникновении
асинхронного хода скорость вращения ротора периодически становится равной
синхронной. Но при значительной разнице между установившейся и синхронной скоростями генератор не может синхронизироваться. Для приближения
установившейся скорости ꞷ
уст
к синхронной ꞷ0 агрегат разгружают путём сни-
жения подачи энергоносителя в турбину. Возникающий при этом избыточный
тормозящий момент ротора постепенно снижает скорость. При разности скоро-
стей в 1…2 % генератор втянется в синхронизм. Затем набирается нужная
нагрузка. В этом случае считают, что система обладает результирующей устой-
чивостью.
Аналогично протекает процесс при выпадении из синхронизма двигателя.
Но его ресинхронизацию обычно производят изменением режима и параметров
возбуждения без снижения нагрузки двигателя.
При выпадении из синхронизма возбуждение отключается, а обмотка
возбуждения замыкается на активное сопротивление. Это обеспечивает необходимую подсинхронную скорость двигателя и при подключении возбуждения
двигатель втягивается в синхронизм. В этом случае считается, что произошёл
успешный самозапуск синхронного двигателя.
Расчёт статической устойчивости электроэнергетической системы
Расчёты устойчивости обычно производятся при анализе схем развития
систем и узлов нагрузки, а также выборе мероприятий по обеспечению их
устойчивой работы.
38
Расчёты статической устойчивости заключаются в определении запасов
устойчивости систем и узлов нагрузки, а также в выборе параметров настройки
регулирующих устройств генераторов и синхронных двигателей. Запас количественно характеризуется коэффициентами запаса по активной мощности (в се-
чении) и коэффициентами запаса по напряжению (для узлов нагрузки).
Для определения запаса устойчивости или коэффициента запаса необхо-
димо знать следующее:
• в сечении – предельную передаваемую активную мощность в рассмат-
риваемом сечении Pпр, которая для простейшей электрической системы равна
;
EU
X
• для узла нагрузки – критическое напряжение в узле нагрузки Uкр, кото-
рое соответствует границе статической устойчивости узла.
Коэффициенты запаса статической устойчивости определяются:
в сечении (по активной мощности)
пр 0
з
пр
100,
PP
K
P
−
=
(38)
для узла нагрузки (по напряжению)
0 кр
з
0
100,
UU
K
U
−
=
(39)
где P0 – переток мощности в сечении и нормальном режиме (в простейшей
энергосистеме это мощность по линии электропередачи в нормальном режиме);
U0 – среднее эксплуатационное напряжение в узле нагрузки.
Методическими указаниями установлены минимальные запасы статиче-
ской устойчивости, %:
• в нормальном режиме 20 (по активной мощности) и 15 (по напряже-
нию);
• в послеаварийном режиме 8 (по активной мощности) и 10 (по напряже-
нию).
Под нормальным режимом понимается работа электрической системы с
полным составом элементов до возникновения аварийного возмущения.
Послеаварийный режим наступает после ликвидации аварии, когда по-
вреждённый элемент системы отключается, выводится из работы. Длитель-
ность послеаварийного режима определяется временем, необходимым диспетчеру для восстановления условий нормального режима, как правило не более 20
мин. Поэтому в этот непродолжительный отрезок времени допускается сниже-
ние запасов устойчивости для того, чтобы не ограничивать потребителей в получении электроэнергии.
Зная запас статической устойчивости по мощности, можно определить,
насколько рассматриваемый режим по передаче далёк от границы устойчивости, т. е. от того режима, когда синхронные генераторы начинают выпадать из
синхронизма. Знание коэффициента запаса по напряжению позволяет судить о
39
том, насколько глубоко может снижаться напряжение в узле нагрузки без
нарушения работы электроприемников.
Свойства нагрузки влияют на устойчивость параллельной работы элек-
трических станций и узлов нагрузки.
В энергосистемах существуют режимы, при которых нарушение устойчивости параллельной работы генераторов не приводит к нарушению работы
электроприемников, и режимы, при которых в случаях затяжных КЗ в распределительной сети нарушается работа больших групп двигателей нагрузки при
сохранении параллельной работы генераторов. При локальных нарушениях режимов работы требуется раздельное рассмотрение условий устойчивости системы и узлов нагрузки, а при системных авариях нарушения устойчивости ге-
нераторов и двигателей взаимосвязаны.
Предел передаваемой мощности Pпр и критическое напряжение нагрузки
Uкр определяются с помощью практических критериев устойчивости, а параметры настройки регулирующих устройств синхронных машин рассчитываются методом малых колебаний.
Практический критерий статической устойчивости простейшей энергоси-
стемы. Под практическим критерием устойчивости понимают признаки
устойчивой параллельной работы генераторов или узлов нагрузки. Они исклю-
чают возможности самораскачивания или самовозбуждения.
Для простейшей электрической системы критерием статической устойчи-
вости (при малых возмущениях) является условие
0.
dP
d
(40)
С помощью практического критерия (40) определяется предел передавае-
мой мощности.
При
0
dP
d
=
, δ = 90 градусов
пр
.
EU
P
X
=
(41)
По величине Pпр определяется коэффициент запаса статической устойчивости системы.
Практические критерии статической устойчивости двигательной нагрузки. Статическая устойчивость узла нагрузки зависит прежде всего от свойств
двигательной нагрузки, т.е. от свойств синхронных и асинхронных двигателей.
Статическая нагрузка (освещение, преобразователи, электрические печи, электросварка и т.п.) после устранения возмущения обычно восстанавливает свой
исходный нормальный режим работы. Двигательная нагрузка в ряде случаев
восстановить исходный режим без специальных мер не может.
Для синхронного двигателя используется тот же критерий устойчивости,
что и для эквивалентного генератора
0
dP
d=
.
Для получения практического критерия статической устойчивости асин-
хронной нагрузки рассмотрим условия её работы.
40
В агрегате асинхронный двигатель-механизм электромагнитный, вращающий момент которого PАД создаётся двигателем, а механический момент сопротивления PМ – приводимым в движение механизмом.
Пусть момент сопротивления механизма не зависит от скорости вращения
двигателя, а значит, и скольжения. Тогда характеристика приводимого механизма будет изображаться линией, параллельной оси абсцисс (рис. 36).
Рис. 36. Установившиеся режимы агрегата двигатель-механизм
Точки пересечения характеристик двигателя и механизма соответствуют
равенству электромагнитного момента двигателя и механического момента механизма PАД-PМ. Если при работе агрегата в точке а двигатель притормозился
(произошло небольшое увеличение скольжения), электромагнитная мощность
возрастёт и при исчезновении возмущения двигатель ускорится. При этом
скольжение уменьшится до величины Sа и двигатель перейдёт в устойчивый
режим (точка а).
В точке б малое возмущение вызовет уход режима либо в сторону торможения, а затем к остановке, либо переход в устойчивый режим (точка а).
Поэтому все режимы с рабочими точками на восходящей части характе-
ристики устойчивы, на нисходящей части – неустойчивы и критерием устойчивой работы двигателя является
0.
dP
dS
(42)
Этот признак устойчивости работы асинхронного двигателя называется прак-
тическим критерием. Граница устойчивости соответствует
0.
dP
dS
=
(43)
Рассмотрим режим работы двигателей на границе устойчивости. Ранее
установлено, что при равенстве максимальной мощности двигателя P
max
и мощ-
ности механизма PM происходит опрокидывание двигателя, т. е. нарушение его
устойчивой работы. Напряжение на зажимах двигателя при этом называют кри-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]