&_ИДО_СТУДЕНТАМ_(Эл. энерг. СиС)_2013г.) / Готман_Укороченны (гл.1-10) - 08

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В. И. Готман

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140200.62 «Электроэнергетика» и специальностям 140204.65 «Электрические станции», 140205.62 «Электроэнергетические системы и сети», 140203.65 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», 140211.65 «электроснабжение»

Издательство Томского политехнического университета

2009

1

УДК 621.311.018(075.8)

ББК 31.27я73 Г 738

Готман В. И.

Г 738 Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учебное пособие / В.И. Готман; Томский политехнический университет – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 172 с.

В пособии рассматриваются вопросы анализа и расчета электромагнитных переходных процессов в электрических системах: обосновываются параметры силовых элементов энергосистемы и их схемы замещения; даны методы расчета режимов короткого замыкания и продольной несимметрии; обсуждаются технические мероприятия по ограничению токов короткого замыкания; приведены числовые примеры.

Предназначено для бакалавров и дипломированных специалистов по направлению 140200 «Электроэнергетика».

УДК 621.311.018(075.8)

ББК 31.27я73

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Электроэнергетические системы и электротехника Новосибирской академии водного транспорта

В. П. Горелов

Кандидат технических наук, доцент Директор Филиала ОАО «СО ЕЭС» ОДУ Сибири

А. В. Пахомов

ОГЛАВЛЕНИЕ

5.1.Учет питающей системы и коэффициенты токораспреде-

ления…………………………………………………………. 82

5.2.Расчет начальных параметров трехфазного короткого

Глава 7. Несимметричные короткие замыкания ……………… 116

7.8.Распределение и трансформация симметричных составляющих токов и напряжений в электрической системе…. 132

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие отражает содержание курса «Электромагнитные переходные процессы в электрических системах» и предназначено для бакалавров по направлению 140200 «Электроэнергетика» и дипломированных специалистов, обучающихся по специальностям «Электрические станции», «Электроэнергетические системы и сети», «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», «Электроснабжение».

Основная содержательная часть настоящего пособия представляет переработку ранее изданного пособия 2 , которая осуществлена с уче-

том многолетнего опыта преподавания указанной дисциплины автором в Томском политехническом университете. С одной стороны, произведено сокращение материала: исключен раздел по переходным процессам в трансформаторах и сокращен раздел по анализу переходных процессов в сети с синхронными генераторами; методика расчета периодической слагаемой тока короткого замыкания для произвольного момента времени по расчетным кривым, разработанным в 1940 г., сориентирована на типовые кривые 1975 г. Вместе с этим введен новый материал: сложные виды повреждений, замыкания в сетях с изолированной нейтралью и электроустановках до 1 кВ, средства ограничения токов короткого замыкания.

Автор стремится сделать изложение материала компактным, а последовательность его расположения логически взаимосвязанным. Все принципиальные вопросы и методы расчета проиллюстрированы необходимым количеством примеров с обсуждением хода решения и результатов.

Материал пособия разбит на десять глав. Дано описание причин возникновения коротких замыканий и их последствий, приведен перечень задач, основанных на расчетах режимов коротких замыканий. Рассмотрены электромагнитные переходные процессы в синхронных генераторах и простейших электрических системах, обоснованы параметры синхронных и асинхронных машин в переходном режиме, даны инженерные методы расчета основных параметров режима при симметричных и несимметричных коротких замыканиях и продольной несимметрии. Описаны подготовка схем замещения и расчет их параметров. Время, отведенное на данную дисциплину, не позволяет изложить весь материал пособия на лекциях. Так, материал гл. 2 «Общие указания к расчетам токов КЗ» в основном прорабатывается на практических занятиях; содержание разд. 4.5 «Уравнения переходного процесса

6

синхронной машины» носит рекомендательный характер и предназначено для общей эрудиции; вопросы, рассматриваемые в гл. 10 «Ограничение токов короткого замыкания», имеют описательный характер и, как правило, выносятся на самостоятельную проработку. Поскольку пособие предназначено для учебных целей, приведенный список литературы не является библиографическим и ориентирован в основном на интересы и возможности студентов.

Отметим, что материал дисциплины «Электромагнитные переходные процессы в электрических системах» имеет не только самостоятельное значение, но является основой и составной частью учебного курса «Электромеханические переходные процессы в электрических системах».

Автор выражает свою признательность студенту электротехнического института ТПУ Рюмину Д. за компьютерную верстку учебного пособия.

Автор.

7

ВВЕДЕНИЕ

Электроэнергетическая система является совокупностью устройств, связанных одновременностью процесса производства, распределения и потребления электрической энергии. Одновременность этих процессов налагает на персонал и системную автоматику особые требования по качественному управлению системой для перебойного энергоснабжения потребителей. Это относится как к нормальным (установившимся), так и переходным (неустановившимся) режимам работы электроэнергетических систем.

Под переходными режимами понимаются неустановившиеся состояния, причиной которых являются разного рода воздействия. Эти воздействия можно классифицировать на малые и кратковременные (толчки нагрузки) и сильные и длительные (короткие замыкания, сбросы и наборы мощности, отключение линий и трансформаторов и т. д.). Непрерывный рост электро- и энергопотребления, развитие электроэнергетических систем по единичной мощности агрегатов, увеличение напряжений и протяженности являются причинами повышения роли переходных процессов. В настоящее время управление переходными процессами в электрических системах представляется столь же важной задачей, как и управление нормальными режимами.

Наиболее сильными возмущающими воздействиями являются всевозможные виды коротких замыканий. Короткие замыкания в электрических системах вызываются повреждением фазовой или линейной изоляции токоведущих частей вследствие прямых ударов молнии, недопустимых ветровых и гололедных нагрузок, естественного старения изоляции, механических повреждений кабелей при земляных работах и т. д.

Короткие замыкания сопровождаются увеличением токов в окрестности поврежденного участка и снижением напряжений. Уменьшение напряжения приводит к расстройству нормальной работы электроприемников, перегрузке или остановке двигателей, а при коротких замыканиях в системообразующих связях – к нарушению устойчивости параллельной работы отдельных станций. В результате этого система распадается на группы несинхронно работающих станций, что представляет весьма тяжелую системную аварию. Возрастание величины токов короткого замыкания может приводить к значительным электродинамическим (механическим) усилиям и термическим повреждениям элементов электроустановок. В связи с этим при проектировании и экс-

8

плуатации электрических установок необходимо так выбрать оборудование и наладить режим работы установок, чтобы оно надежно работало не только в нормальных, но и в аварийных режимах. Решение этих задач связано с проведением теоретических исследований, натурных испытаний и практических расчетов, в числе которых значительное место занимают расчеты параметров режимов коротких замыканий.

Систематические разработки теории переходных процессов в электрических системах начались в конце 20-х гг. прошлого столетия. В 1929 г. Р. Парк и независимо от него в 1933 г. А. А. Горев разработали основы строгой теории переходных процессов синхронных машин в виде системы дифференциальных уравнений. В начале 30-х гг. Р. Эванс и К. Вагнер предложили использование метода симметричных составляющих для анализа несимметричных режимов. Эти работы послужили известным толчком к быстрому развитию исследований в области переходных процессов в электрических системах, как в России, так и за рубежом.

Наиболее существенный вклад в теорию и практику электромагнитных переходных процессов внесли как российские ученыеэнергетики (А. А. Горев, Н. Н. Щедрин, Н. Ф. Марголин, Л. Г. Мамиконянц, А. Б. Чернин, С. А. Ульянов), так и зарубежные (Р. Рюденберг, Р. Парк, К. Вагнер, Р. Эванс, Э. Кларк, Э. Кимбарк).

Определенные этапы можно отметить и в практике расчета режимов коротких замыканий в энергосистемах и проектных организациях. По мере развития энергетических систем и их объединений существенно усложнились и увеличились объемы вычислений. В 50–60-х гг. широкое применение для этих целей получили расчетные статические модели постоянного и переменного тока. С 70-х гг. в качестве основных средств для расчетов стали использоваться цифровые вычислительные машины и специализированное программное обеспечение.

В заключение хотелось бы отметить особую роль профессора Московского энергетического института Ульянова А. С. в становлении учебной дисциплины «Электромагнитные переходные процессы в электрических системах» в вузах России. Его первый учебник «Короткие замыкания в электрических системах» 1952 г. и особенно последние прижизненные издания [11, 4, 1] до сих пор пользуются читательским спросом.

9

Гл а в а 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Электрическая система – это условно выделенная часть электроэнергетической системы, в которой осуществляется процесс выработки, преобразования, передачи и потребления электрической энергии. Совокупность упомянутых процессов, характеризующих состояние электрической системы в любой момент времени принято называть режимом работы системы. Режим (состояние) характеризуется параметрами режима: напряжениями, токами, мощностями, фазовыми углами и т.д., которые связаны между собой параметрами системы. Параметры систе- мы–это сопротивления, проводимости, коэффициенты трансформации, постоянные времени и т.п. – определяются физическими свойствами элементов. Различают несколько видов режимов работы электрической системы (ЭС).

1.Установившийся (нормальный) режим – состояние системы,

когда параметры режима изменяются в небольших пределах, что позволяет их считать условно постоянными. По этой причине в энергетической литературе такой режим называют квазиустановившимся.

2.Нормальный переходный режим имеет место при нормальной эксплуатации системы (изменение нагрузки, коммутационные переключения и т.д.).

3.Аварийный переходный режим возникает при значительных возмущениях (авариях) в электрической системе, например, коротком замыкании , внезапном отключении или включении мощных элементов, несинхронном включении синхронных машин (СМ) и т.д.

4.Послеаварийный установившийся режим наступает после от-

ключения повреждѐнных элементов ЭС. При этом параметры послеаварийного режима могут быть как близкими к параметрам предшествующего (нормального) режима, так и значительно отличаться от них.

При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическими и электромагнитными моментами на валах генераторов

идвигателей. Это означает, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и электромеханических изменений в системе, которые взаимно связаны и представляют собой единое целое. Тем не менее, очень часто переходный процесс делят на две стадии. На

10