&_ИДО_СТУДЕНТАМ_(Эл. энерг. СиС)_2013г.) / PDF_Уч. пос._Мастерова / глава1,2(2009)

ВВЕДЕНИЕ

Современные, рационально выполненные системы электроснабжения промышленных предприятий, транспорта, городов и сельского хозяйства должны быть экономичными, безопасными и надежными в различных режимах и условиях их эксплуатации. Для систем электроснабжения (СЭС) характерны такие режимы, как установившийся (нормальный), нормальный переходный, аварийный и послеаварийный, причем аварийный режим является кратковременным режимом, а остальные продолжительными режимами.

При переходе от одного режима к другому возникают переходные процессы. Изучение переходных процессов, их влияния и последствий необходимо для выявления причин возникновения, физики процессов и разработки методов управления ими. Как известно, переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и электромеханических изменений в системе, которые взаимосвязаны и представляют собой единое целое. Однако рассмотрение всех процессов в их единстве значительно усложняет изучение,

идля упрощения переходный процесс делят на две стадии: электромагнитные

иэлектромеханические переходные процессы.

Из всего многообразия электромагнитных переходных процессов наиболее распространенными являются переходные процессы, вызванные короткими замыканиями (КЗ). Короткие замыкания сопровождаются увеличением токов в окрестности поврежденного участка и снижением напряжений. Освоение методики расчета параметров режима КЗ необходимо для определения условий работы потребителей в аварийных режимах, выбора и проверки электрооборудования, проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики, различных защитных устройств.

При изучении электромеханических переходных процессов в СЭС рассматриваются вопросы устойчивости систем электроснабжения, т. е. способности системы восстанавливать исходный (или близкий к нему) режим после определенных возмущений. В зависимости от вида возмущений различают статическую и динамическую устойчивость. Для специалистов, занимающихся электроснабжением различных отраслей хозяйства, наибольший интерес представляет исследование устойчивости нагрузки в различных режимах работы СЭС и при различных возмущениях, а также условия пуска и самозапуска двигателей.

6

ЧАСТЬ I

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

1. Общие сведения о переходных процессах

1.1. Основные понятия и определения

Электроэнергетическая система (ЭЭС) – это совокупность элек-

трической части электростанций и электросетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии при общем управлении этим режимом.

Часть электроэнергетической системы, непосредственно осуществляющая снабжение электрической энергией потребителей, называется системой электроснабжения. Она содержит питающие и распределительные сети, трансформаторы, компенсирующие устройства и приемники (потребители) электроэнергии [1].

Совокупность процессов производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии, характеризующих состояние электроэнергетической 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 системы – сопротивления, проводимости, коэффициенты трансформации, постоянные времени и т. д. – определяются физическими свойствами элементов.

Различают несколько видов режимов работы системы.

1.Установившийся (нормальный) режим – состояние системы, когда параметры режима изменяются в небольших пределах, что позволяет их считать условно постоянными.

2.Нормальные переходные режимы имеют место при нормальной эксплуатации системы (изменение нагрузки, коммутационные переключения

ит. д.).

3.Аварийные переходные режимы возникают при значительных возмущениях: короткие замыкания, внезапное отключение и включение мощных элементов, несинхронные включения синхронных машин (СМ) и т. д.

4.Послеаварийные установившиеся режимы наступают после от-

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

7

При переходе от одного режима к другому возникают переходные процессы. При этом изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическим и электромагнитным моментами на валах генераторов и двигателей. Это означает, что переходный процесс ха-

рактеризуется совокупностью электромагнитных и электромеханических

изменений в системе, которые взаимно связаны и представляют собой единое целое.

Условно этот процесс можно разделить на две стадии:

1-я стадия (от нескольких сотых до 0,1…0,2 с) – из-за большой инерции вращающихся машин в энергосистеме преобладают электромагнитные изменения. Эта стадия называется электромагнитным переходным процессом.

2-я стадия – стадия, когда проявляются механические свойства системы, оказывающие существенное влияние на переходные процессы. Эта стадия называется электромеханическим переходным процессом.

1.2. Причины возникновения переходных процессов и их последствия

Основными причинами возникновения переходных процессов в системе электроснабжения являются:

1)включение и отключение двигателей и других приемников электроэнергии;

2)короткие замыкания в системе, а также повторное включение и отключение короткозамкнутых цепей;

3)возникновение местной несимметрии в системе.

Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов является короткое замыкание.

Короткое замыкание (КЗ) – это не предусмотренное нормальными условиями эксплуатации замыкание между фазами или фазами и землей. При коротком замыкании токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (U ном 3;

6; 10; 35 кВ) замыкание одной фазы на землю называется простым.

В месте замыкания часто образуется дуга, сопротивление которой имеет нелинейный характер. Помимо этого в месте короткого замыкания возникает сопротивление, вызванное загрязнением, остатками изоляции и т. п. В случае,

8

когда переходное сопротивление и сопротивление дуги малы и ими пренебрегают, замыкание называется металлическим.

В системах, работающих с заземленной нейтралью (U ном 0,4; 110 кВ и

выше), различают четыре вида КЗ. Вероятность возникновения различных видов КЗ в сетях различных напряжений представлена в таблице 1.1 [3].

Несимметричные КЗ, а также несимметричные нагрузки образуют в системе поперечную несимметрию. Нарушение симметрии какого-либо промежуточного элемента трехфазной цепи ( например, отключение одной фазы линии электропередачи) вызывает продольную несимметрию.

Причины возникновения КЗ весьма разнообразны. Наиболее вероятными являются:

1)нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими повреждениями;

2)механические повреждения элементов электрических сетей;

3)преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей;

4)перекрытие токоведущих частей животными и птицами;

5)ошибки персонала подстанций при проведении переключений.

Прямым следствием коротких замыканий является снижение напряжения в узлах и увеличения токов, протекающих по элементам системы. Отсюда можно сделать вывод об основных последствиях коротких замыканий в системах электроснабжения:

9

1)термическое повреждение, связанное с его недопустимым нагревом токами КЗ;

2)механические повреждения электрооборудования, вызываемые воздействием больших электромагнитных сил между токоведущими частями;

3)ухудшение условий работы потребителей вследствие снижения напряжения;

4)наведение при несимметричных КЗ (из-за неуравновешенной системы токов) в соседних линиях и сигнализации ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих линий.

Наибольшая опасность при КЗ угрожает элементам системы, прилегающим к месту его возникновения. В зависимости от места и продолжительности КЗ его последствия могут иметь местный характер или отражаться на функционировании всей системы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое электрическая система?

2.Что такое система электроснабжения?

3.Дайте понятие режима.

4.Назовите основные виды режимов ЭС.

5.Какие параметры режима Вы знаете?

6.Какие параметры системы Вы знаете?

7.Перечислите виды КЗ в электрических системах с заземленной нейтралью.

8.Что такое металлическое КЗ?

9.Назовите основные причины возникновения коротких замыканий.

10.Каковы наиболее тяжелые последствия коротких замыканий?

10

2. Общие указания к расчетам токов КЗ

2.1. Назначение расчетов токов КЗ и требования к ним

Под расчетом электромагнитного переходного процесса обычно понимают вычисление токов и напряжений в рассматриваемой схеме при заданных условиях.

Расчеты токов КЗ в системах электроснабжении необходимы для достижения следующих целей:

1)определение условий работы потребителей в аварийных режимах;

2)выбор аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости;

3)проектирование и настройка устройств РЗ и А;

4)сопоставление, оценка и выбор схемы электрических соединений;

5)проектирование и проверка защитных устройств;

6)определение влияния линий электропередачи на линии связи.

При расчетах токов короткого замыкания обычно делается ряд допущений, который, не снижая достоверности, позволяет использовать более простые и экономные методы расчета:

1)сохранение симметрии трехфазной системы (она нарушается лишь в месте повреждения);

2)пренебрежение токами намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов;

3)отсутствие насыщения магнитных систем (т. е. линейность всех элементов схемы);

4)пренебрежение активными сопротивлениями (исключение – расчет токов КЗ в сетях, выполненных проводами низкого сечения, в сетях до 1000 В и при оценке постоянных времени);

5)пренебрежение емкостными проводимостями линий (исключение – расчет простых замыканий на землю);

6)учет нагрузок постоянными сопротивлениями;

7)отсутствие качаний синхронных машин.

2.2.Представление элементов СЭС при расчетах переходных процессов

На первом этапе расчета режима КЗ на основе принципиальной схемы СЭС составляется расчетная схема, соответствующая аварийному режиму. На ней в однолинейном изображении показываются источники питания, точки

11

КЗ и все силовые элементы, по которым возможно протекание тока КЗ или его составляющих.

В данном разделе рассматриваются способы представления различных элементов исходных расчетных схем, которые в общем случае необходимы для расчетов переходных процессов.

2.2.1. Синхронные машины (при t = 0)

Способы представления синхронной машины (СМ) зависят от целей расчета переходного процесса и его стадии, требований к точности расчета и влиянии данной машины на переходный процесс [1].

Наиболее полное представление синхронной машины можно осуществить с помощью уравнений Парка Горева. Однако наиболее часто в инженерных расчетах синхронные машины представляются схемой замещения, включающей ЭДС и реактивное сопротивление, соответствующее рассматриваемому режиму.

Для того, чтобы выяснить, какими ЭДС и реактивностями можно характеризовать СМ в начальный момент переходного процесса, рассмотрим баланс магнитных потоков синхронной машины в нагрузочном режиме и режиме КЗ (рис 1.1).

В нагрузочном режиме полный поток обмотки возбуждения Φf , состоит из полезного потока Φd и потока рассеяния Φσ f . Продольная составляющая тока статора Ιd создает поток реакции статора Фad Id xad , который прони-

зывает обмотку возбуждения. В соответствии с этим результирующий поток обмотки возбуждения в нагрузочном режиме определяется выражением

Согласно принципу Ленца при внезапном изменении режима магнитосвязанных контуров результирующее потокосцепление обмотки возбуждения f остается неизменным. Физически это означает, что в

га, составляя неизменным поток Фf , определяющий потокосцепление f .

12

Рис. 2.1. Баланс магнитных потоков в продольной оси ротора синхронной машины: Φf – суммарный поток обмотки возбуждения; Φσ f – поток рассеяния обмотки возбуждения; Φd – полезный поток, создаваемый обмоткой возбуждения;

Φa d – поток продольной реакции статора; Φσ d – продольной поток в воздушном зазоре; Φf ∑ – результирующий поток обмотки возбуждения

Полному потокосцеплению обмотки возбуждения f в синхронной машине без демпферных обмоток пропорциональна некоторая условная ЭДС, называемая переходной и вычисляемая по следующему выражению:

13

где x'd – переходное индуктивное сопротивление;

xσ – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

xσ f – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;

xa d – индуктивное сопротивление реакции статора.

Начальное значение E определяется выражением (2.2) по па-

q 0

раметрам Uq0 и Id 0 , с которыми работала машина до нарушения режи-

ма.

Данной структуре отвечает схема замещения, представленная на

Рис. 2.2. Схема замещения синхронной машины по продольной оси в начальный момент возмущения

Постоянство E'q является очень важным свойством, позволяющим представить синхронную машину с помощью ЭДС, рассчитанной в предшествующем режиме и не меняющейся в первый момент переходного процесса.

Мощные синхронные машины имеют специальные демпферные обмотки на роторе и при внезапном изменении режима и приращении потока Фad в качестве ответной реакции ротора возникает не только приращение

потока обмотки возбуждения, но и приращение потока продольной демпферной обмотки. Таким образом компенсация реакции статора в продольной оси СМ обеспечивается токами не только в обмотке возбуждения, но и в демпферных обмотках.

Проводя рассуждения аналогично случаю СМ без демпферных обмоток, можно прийти к выводу, что в случае СМ с демпферными обмотками связь предшествующего режима с переходным осуществляется через сверх-

переходную ЭДС E и синхронная машина может быть введена в расчет

q

этой ЭДС и сверхпереходным сопротивлением x (рис. 2.3), которое опреде-

d

ляется следующим образом:

14

где x 1d – индуктивное сопротивление рассеяния продольной демпферной обмотки.

Рис. 2.3. Схема замещения синхронной машины с демпферными обмотками по продольной оси в начальный момент возмущения

Изложенное выше полностью относится, как к синхронным генераторам, так и синхронным двигателям. Различие определяется особенностями предшествующего режима работы.

Синхронный компенсатор или перевозбужденный синхронный двигатель при снижении напряжения автоматически переходит в режим генерации. Режим недовозбужденного синхронного двигателя зависит от соотношения его сверхпереходной ЭДС и нового напряжения и может проходить как при

параметрам нормального режима, предшествующего КЗ:

где U0 , I0 , 0 – параметры нормального режима СМ.

15