Б.В. Соколов Переходные процессы в электроэнергетических системах

1

Введение

Электрической системой (ЭС) называют условно выделенную часть электроэнергетической системы (ЭЭС), в которой осуществляется выработка, преобразование, передача и потребление электрической энергии. В результате аварийных ситуаций в ЭС возникают переходные процессы, которые приводят к изменению режимов ее работы (и параметров элементов).

Режим работы системы – это совокупность параметров, характеризующих работу электрической системы и ее состояние в любой момент времени. Количественными показателями (параметрами) режима являются значения мощности, напряжения, тока и других величин, которые связаны между собой через соответствующие параметры элементов системы.

Параметрами элементов системы являются: сопротивления (проводимости), коэффициенты трансформации, постоянные времени и другие параметры, значения которых определяются физическими свойствами и схемами соединения (топологией) элементов, а также расчетными условиями (данными).

Различают следующие основные режимы работы ЭС: нормальный (установившийся), нормальный переходный, аварийный переходный и послеаварийный установившийся. При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы. Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов является короткое замыкание (КЗ).

Задача исследования и расчета переходных процессов, возникающих в системе электроснабжения (СЭС), заключается в выявлении особенностей работы электрической системы и новых свойств, приобретаемых ею при количественных изменениях в СЭС.

Целью изучения дисциплины является формирование базовых знаний в области теории электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах. Предметом изучения дисциплины являются переходные и установившиеся режимы электрической системы

вцелом и ее подсистем электроснабжения.

Врезультате изучения дисциплины студент должен знать:

-основные параметры полного тока короткого замыкания (КЗ) и его составляющих при различных видах КЗ;

-особенности прохождения переходного процесса и установив-

2

шегося режима в простейших и сложных сетях;

-основные положения по расчету электромагнитных переходных процессов при симметричных и несимметричных видах КЗ;

-особенности прохождения электромеханических переходных

процессов в электроэнергетических системах.

Врезультате изучения дисциплины студент должен уметь:

-производить расчет электромагнитных переходных процессов в системах электроснабжения (СЭС) при различных видах КЗ;

-производить преобразования сложных схем замещения СЭС и представлять их в виде простейших генерирующих ветвей;

-осуществлять количественную оценку параметров установившегося режима и переходного процесса в СЭС.

Впроцессе изучения дисциплины студенты выполняют две контрольных и курсовую работы. Приводимый в них графический материал должен соответствовать существующим нормативным документам. Расчетная часть должна содержать описание используемых элементов (объектов) и приводимых расчетов с краткими комментариями каждой операции.

Задания на выполнение контрольных работ (по вариантам) приведены ниже, а курсовой работы – в отдельной методической разработ-

ке [8].

Тема курсовой работы: «Расчет токов короткого замыкания в системе электроснабжения».

Содержание курсовой работы:

1.Выбор базисных условий и составление исходной схемы замещения.

2.Преобразование исходной схемы замещения (приведение ее к простейшему виду).

3.Расчет сверхпереходного и ударного токов аналитическим способом.

4.Расчет периодической составляющей полного тока КЗ в заданные моменты времени (0; 0,2 с) методом расчетных (типовых) кривых.

5.Расчет параметров тока КЗ при несимметричном КЗ.

3

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА Основная литература

1.Винославский В.Н. Переходные процессы в системах электроснабжения. − Киев: Вища шк., 1989. − 422 с.

2.Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в элек-

трических системах. − М.: Высш. шк., 1970. − 520 с.

Дополнительная литература

3.Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. − М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. − 132 с.

4.Ульянов С.А. Сборник задач по электромагнитным переходным

процессам в электрических системах. − М.: Энергия, 1968. − 456 с.

5.Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. − М.: Высш. шк., 1985. − 536 с.

6.Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. Т. 1.

Электроснабжение / Под общ. ред. А.А. Федорова. − М.: Энергоатомиз-

дат, 1986. − 568 с.

7.Беляева Н.Н. Как рассчитать ток короткого замыкания. − М.:

Энергия, 1964. − 120 с.

8.Курехин В.В. Переходные процессы в системах электроснабжения. Расчет токов короткого замыкания. Метод. указания и задания к

курсовой работе / В.В.Курехин, Б.В.Соколов. − Кемерово: КузГТУ, 2000. − 32 с.

9.Курехин В.В. Токи короткого замыкания и их расчет / В.В. Курехин, М.П. Латышев, Б.В. Соколов. − Кемерово: КузГТУ, 2002. − 145с.

10.Куликов В.В. Переходные процессы в электроэнергетических

системах. − Новосибирск: НГТУ, 1999. − 80 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

Тема 1. Основные сведения об электромагнитных переходных процессах

Особенности протекания электромагнитных переходных процессов (ПП). Назначение и цели расчетов ПП, требования, предъявляемые

4

к ним. Основные допущения, принимаемые при расчетах. Понятия о расчетных условиях. Система относительных единиц.

Методические указания

При изучении данной темы следует обратить внимание на причины возникновения коротких замыканий (КЗ) и возможные их последствия. Для упрощения анализа ПП рассматривают сначала трехфазное симметричное КЗ, вероятность возникновения которого мала по сравнению с другими видами КЗ.

Нормальные эксплуатационные режимы работы электрических сетей определяются нагрузками их потребителей, а режимы КЗ – параметрами, связывающими источники питания с местом КЗ, а также процессами, происходящими в источниках питания, и действием их устройств автоматического регулирования (АРВ).

Для упрощения расчетов токов КЗ принимают ряд допущений, одним из которых является пренебрежение активной составляющей полного сопротивления.

Контрольные вопросы

1.Основные виды КЗ и вероятности их возникновения.

2.Преимущества проведения расчетов при использовании системы относительных величин.

3.Основные соотношения между абсолютными и относительными значениями величин.

4.Основные допущения, применяемые при расчетах токов КЗ в сетях с напряжением более и менее 1 кВ.

5.Зависимость точности результатов расчета ПП от выбора вида единиц и базисных условий.

6.От чего зависит точность результатов расчета режима КЗ?

7.Электрическая удаленность точки КЗ от источника питания.

Тема 2. Переходный процесс в простейшей трехфазной цепи

Трехфазное КЗ в простейшей (неразветвленной) цепи. Изменение полного тока КЗ и его составляющих во времени. Ударный ток КЗ и условия его возникновения. Методы определения периодической состав-

5

ляющей тока и эквивалентной постоянной времени.

Действующее значение полного тока КЗ и его составляющих в произвольный момент времени.

Методические указания

Токи переходного процесса определяются всей совокупностью сопровождающих его факторов. В целях упрощения физических представлений и выполнения практических расчетов переходный процесс (ПП) представляют как результат наложения нескольких слагающих. В цепи с одним генератором выделяют следующие составляющие ПП: периодическую (вынужденную) и апериодическую (свободную). При этом ПП рассматривают в следующих фазах: сверхпереходной, переходной и установившейся.

Вынужденная составляющая полного тока КЗ обусловлена действием напряжения (ЭДС) и системы автоматической регулировки возбуждения (АРВ). Действие АРВ проявляется в увеличении амплитуды периодической составляющей тока КЗ.

Обычно полагают, что цепь статора является чисто индуктивной, а ротор генератора – симметричным. Это упрощает анализ переходного процесса, так как синхронную машину рассматривают только в продольной оси.

Для определения постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ необходимо определить активное сопротивление короткозамкнутой цепи статора машины, которое обычно находят приближенно.

При изучении этой темы следует уяснить характер изменения составляющих полного тока КЗ и получить достаточно четкое представление о балансе потокосцеплений в машине, переходной и сверхпереходной ЭДС и ее соответствующих сопротивлениях.

Контрольные вопросы

1.Какие ЭДС и индуктивные сопротивления синхронной машины называются переходными и сверхпереходными?

2.Как зависит постоянная времени затухания свободного переходного процесса в цепи синхронного генератора от величин внешнего реактивного сопротивления?

6

3.Как изменяются полный ток КЗ и его составляющие при трехфазном КЗ на зажимах генератора без АРВ?

4.Как влияет АРВ генератора на изменение тока при трехфазном

КЗ?

5.Ударный ток и условия его возникновения.

6.От каких параметров зависит ударный коэффициент?

7.Какое различие между переходным и сверхпереходным токами

КЗ?

8.Как определить ток КЗ в произвольный момент времени ПП и в установившемся режиме?

Тема 3. Установившийся режим короткого замыкания

Особенности установившегося режима короткого замыкания. Основные характеристики и параметры синхронных машин при симметричном установившемся режиме. Влияние и учет нагрузки на режим КЗ. Расчет токов КЗ при отсутствии и наличии АРВ.

Схемы замещения и параметры генераторов при внезапном нарушении режима. Приведение параметров цепи ротора к статору.

Методические указания

Принято считать, что переходный процесс заканчивается к моменту времени, когда свободный (апериодический) ток уменьшается до величины, близкой к нулю. При этом вынужденный (периодический) ток практически по амплитуде остается неизменным. Это позволяет рассматривать апериодическую составляющую переходного процесса независимо от периодической и накладывать ее на последнюю.

При изучении этой темы следует уяснить связь между отношением короткого замыкания синхронной машины с реактивным сопротивлением ее по продольной оси.

При рассмотрении векторной диаграммы синхронной машины, работающей с отстающим током, целесообразно произвести разложение вектора тока на составляющие по продольной и поперечной осям прямоугольной системы координат, а также на активную и реактивную составляющие токов. Такой подход обеспечивает простое представление вектора поперечной составляющей ЭДС машины с помощью вектора напряжения на шинах генератора и внутреннего сопротивления

7

машины по продольной оси.

Контрольные вопросы

1.Основные параметры и характеристики синхронной машины.

2.Взаимосвязь между отношением короткого замыкания синхронной машины и ее реактивностью по продольной оси.

3.Схема замещения синхронной машины и ее векторная диаграмма токов и напряжений при работе с отстающим током.

4.Взаимная согласованная система относительных единиц для приведения параметров цепи ротора к цепи статора.

Тема 4. Начальный момент нарушения режима

Переходные и сверхпереходные ЭДС и реактивности синхронной машины. Расчет переходного, сверхпереходного и ударного токов.

Методические указания

Переходные параметры (ЭДС и реактивности) характеризуют синхронную машину, в которой отсутствуют демпферные обмотки. При наличии таких обмоток синхронную машину представляют сверхпереходными параметрами (ЭДС и сопротивлениями).

Практическая ценность сверхпереходных (переходных) параметров заключается в том, что они позволяют с достаточной для практики точностью характеризовать параметры схемы замещения синхронной машины в начальный момент времени нарушения режима работы сети. При этом они позволяют учитывать также режим работы, предшествующий моменту возникновения короткого замыкания.

Контрольные вопросы

1.Схема замещения синхронной машины (с демпферными обмотками и без них).

2.Переходное и сверхпереходное сопротивление синхронной ма-

шины.

3.Переходная и сверхпереходная ЭДС синхронной машины.

8

Тема 5. Электромагнитный переходной процесс в синхронной машине

Дифференциальные уравнения переходного процесса синхронной машины в фазных координатах. Уравнения Парка-Горева. Взаимная система относительных единиц.

Методические указания

Аналитическое исследование электромагнитного переходного процесса в синхронной машине (СМ) с учетом всех влияющих на него факторов представляет собой довольно сложную задачу. Для решения ее вводят ряд допущений (упрощений), свойственных идеализированной СМ. При изучении этой темы следует уточнить эти допущения и разобраться в сущности этих упрощений.

Всоответствии со вторым законом Кирхгофа следует составить дифференциальные уравнения для ЭДС и напряжений в фазных координатах, а также уяснить собственные и взаимные индуктивности, которые выступают в качестве коэффициентов пропорциональности в системе уравнений.

Врезультате сравнительно простых преобразований следует от исходной системы дифференциальных уравнений перейти к системе уравнений Парка-Горева с постоянными коэффициентами в двуосной системе координат.

Контрольные вопросы

1.Определение индуктивностей фазных обмоток и взаимных индуктивностей синхронной машины в зависимости от положения ротора СМ в пространстве.

2.Понятие об обобщенном векторе.

3.Этапы преобразования исходной системы дифференциальных уравнений (в фазных координатах) в уравнения Парка-Горева.

Тема 6. Внезапное короткое замыкание в синхронной машине

Внезапное КЗ в синхронной машине без демпферных обмоток. Влияние и учет демпферных обмоток при внезапном КЗ синхронной

9

машины. Методика расчета переходного процесса при каскадном отключении и повторном включении на короткое замыкание.

Методические указания

При внезапном КЗ в синхронной машине ее представляют своими переходными либо сверхпереходными параметрами (ЭДС и сопротивлениями по продольной и поперечной осям).

При практических расчетах за счет допущения о симметрии ротора синхронной машины ее представляют своими параметрами по одной из осей (обычно по продольной). Это снижает несколько точность расчетов переходного (сверхпереходного) тока. При этом вносимая погрешность расчетов находится в пределах допустимых норм.

Контрольные вопросы

1.Определение переходного тока с помощью переходных параметров синхронной машины и с учетом сопротивления ее внешней цепи.

2.Определение сверхпереходного тока с помощью сверхпереходных параметров синхронной машины и с учетом сопротивления ее внешней цепи.

3.Определение составляющих переходного и сверхпереходного токов по продольной и поперечной осям.

Тема 7. Практические методы расчета токов КЗ при симметричном (трехфазном) КЗ

Расчет токов в начальный момент нарушения режима. Начальный ток КЗ от группы асинхронных и синхронных двигателей, от обобщенной (комплексной) нагрузки. Методика расчета начальных токов КЗ с учетом влияния системы. Алгоритм расчета токов КЗ для выбора выключателей по отключающей способности. Практические методы расчета токов КЗ в сложной электрической системе для произвольного момента времени. Методы расчетных и типовых кривых.