Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект.pdf
Скачиваний:
255
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
1.86 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Украины Приазовский государственный технический университет Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Нестерович В.В.

Конспект лекций по дисциплине "ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ" для студентов направления 0906 «Электротехника» дневной и заочной форм обучения

Часть 1

Мариуполь 2007

УДК 621.318.1(083)

Конспект лекций по дисциплине "Электромагнитные переходные процессы" для студентов направления 0906 «Электротехника» дневной и заочной форм обучения. Часть 1 / В. В. Нестерович. – Мариуполь: ПГТУ, 2007. - 71 c.

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Составил:

В.В. Нестерович,

 

к.т.н., доцент,

Ответственный за выпуск:

Ю.Л. Саенко,

 

зам. зав. кафедрой ЭПП,

 

доктор техн. наук, профессор

Рецензент:

Т.К. Бараненко,

 

к.т.н., доцент

Утверждено на заседании кафедры электроснабжения промышленных предприятий. Протокол № 4 от 27.11.07 г.

©Нестерович В.В., 2007

©Приазовский государственный технический университет, 2007

3

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение …………….………..……….……………………………….………

5

1. Основные сведения об электромагнитных переходных процессах ..…...

6

1.1. Основные определения. Причины возникновения электромагнитных

 

переходных процессов. Причины возникновения коротких замыканий

 

(КЗ) и их следствия ……….………………………………………………..…

6

1.2.Назначение расчетов переходных процессов и предъявляемые к ним требования. Понятие о расчетных условиях ……………………………….. 12

1.3.Основные допущения, принимаемые при расчетах электромагнитных переходных процессов ……………………………………………………….. 15 2. Система относительных единиц. Составление схем замещения ……….. 16

2.1.Преимущества системы относительных единиц, определение понятия относительной величины, выбор базисных условий ………………………. 16

2.2.Составление схем замещения при расчетах электромагнитных пере-

ходных процессов ……………………………………………………………. 19

2.3.Приведение ЭДС и сопротивлений элементов схемы к выбранным базисным условиям. Точное и приближенное приведение в именованных и относительных единицах ………………………………………………….. 20

2.3.1.Точное приведение в именованных единицах ………………………. 20

2.3.2. Приближенное приведение в именованных единицах ……………… 21

2.3.3.Точное приведение в относительных единицах ……………………... 22

2.3.4.Приближенное приведение в относительных единицах …………….. 23

2.4.Преобразование схем замещения ………………………………………. 23

2.5. Применение принципа наложения ………………………………………

25

3. Переходные процессы в трехфазных электрических цепях, подключен-

 

ных к источнику синусоидального напряжения ……………………………

27

3.1.Процесс трехфазного КЗ в неразветвленной цепи. Кривая изменения тока и ее слагающие. Условия, определяющие максимальное значение апериодической слагающей тока ……………………………………………. 27

3.2.Условия возникновения максимума мгновенного значения полного тока. Ударный ток и ударный коэффициент ……………………………….. 33

3.3.Определение эквивалентной постоянной времени апериодической составляющей тока в разветвленной схеме ..……………………………….. 35

3.4.Действующие значения полных величин токов КЗ и их отдельных слагающих ……………………………………………………………………. 37

3.5.Мощность короткого замыкания ……………………………………….. 37

3.6.Переходный процесс при включении в сеть трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой …………………………………………….. 38

3.7.Переходный процесс при коротком замыкании за трансформатором .. 41 4. Уравнения электромагнитного переходного процесса в машине пере-

менного тока ……………………………………………………………….…. 44

4.1. Основные допущения …………………………………………………… 44

4

4.2. Потокосцепления, собственные индуктивности и взаимные индуктивности обмоток синхронных машин ……………………………………… 44

4.3.Исходные дифференциальные уравнения переходного процесса в синхронной машине ………………………………………………………….. 47

4.4.Линейные преобразования уравнений ………………………………….. 48

4.5.Линейные преобразования исходных дифференциальных уравнений

переходного процесса в синхронной машине к осям ротора ………………

54

5. Расчет начального значения периодической составляющей тока

 

трехфазного короткого замыкания от электрических машин ……………...

59

5.1.Предшествующий установившийся режим синхронного генератора ... 59

5.2.Синхронный генератор без демпферных контуров в начальный момент короткого замыкания ……………………………………………….. 61

5.3.Синхронный генератор с демпферными контурами в начальный момент короткого замыкания ……………………………………………….. 65

5.4.Электродвигатели и нагрузки в начальный момент короткого замыкания …………………………………………………………………….. 69 Рекомендуемая литература ……..……………….…………………………... 70

5

ВВЕДЕНИЕ

Данное пособие может быть использовано при изучении дисциплин «Электромагнитные переходные процессы» и «Электромагнитные и электромеханические переходные процессы» студентами, обучающимися по направлению 6.090600 «Электротехника».

Целью изучения дисциплины является освоение теоретических основ, методов и алгоритмов расчета электромагнитных переходных процессов, возникающих при коротких замыканиях и других нарушениях нормального режима работы электроэнергетической системы, а также приобретение навыков расчета токов короткого замыкания.

Изучение электромагнитных переходных процессов основывается на знаниях, полученных в предыдущих общеобразовательных курсах: высшей математике, ТОЭ и ряде специальных курсов: электрических машинах, электрических системах и сетях, математических задачах энергетики и других.

Данная дисциплина является основой таких специальных курсов как релейная защита и автоматика, электромеханические переходные процессы, электрическая часть станций и подстанций, электроснабжение промышленных предприятий и ряда других.

В результате изучения курса студент должен:

знать: причины возникновения электромагнитных переходных процессов и их физическую природу; влияние переходных процессов на работу электроэнергетических систем; основы теории электромагнитных переходных процессов; математические модели основных силовых элементов энергосистем; методы расчета электромагнитных переходных процессов; особенности протекания электромагнитных переходных процессов в синхронных генераторах, трансформаторах, линиях и других элементах энергосистем и методы их анализа с использованием современного математического аппарата; методы и алгоритмы расчета токов короткого замыкания в разветвленных высоковольтных сетях, в распределительных сетях и системах электроснабжения; алгоритмы расчета в фазных и симметричных координатах несимметричных коротких замыканий и сложных видов повреждений;

уметь: формировать математические модели элементов энергосистемы и строить на их основе соответствующие схемы замещения в фазных и симметричных координатах; определять параметры элементов схемы; выбирать методы расчета, адекватные поставленной задаче; рассчитывать электромагнитные переходные процессы, в первую очередь токи короткого замыкания с использованием ЭВМ; анализировать полученные результаты и давать им соответствующую физическую интерпретацию; строить векторные диаграммы, кривые изменения токов короткого замыкания и эпюры напряжений; оценивать, к каким погрешностям могут привести те или иные допущения.

Необходимо отметить, что в процессе обучения студент не должен ограничиваться данным конспектом лекций, а также обязательно прорабатывать соответствующие разделы учебников [1-2], использовать

6

методические указания к практическим занятиям, программу и методические указания к самостоятельной работе по дисциплине, уделив особое внимание вопросам для самопроверки.

Воснову конспекта положен материал учебников и учебных пособий [1- 3], [8], [10-11], а также действующих нормативных документов [4-7]. Учитывая учебный характер пособия, подробные ссылки на указанные источники в тексте не приводятся.

Впервую часть конспекта входит материал лекций первой половины курса (темы 1-5). Во вторую часть планируется включить материал тем 6-11.

1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

1.1.Основные определения. Причины возникновения электромагнитных переходных процессов. Причины возникновения ко-

ротких замыканий и их следствия

Вспомните значения известных Вам из курса «Электрические системы и сети» терминов: «энергетическая система», «электроэнергетическая система», «электрическая система».

Состояние электрической системы называется ее режимом.

Различают установившиеся и переходные, нормальные, аварийные, послеаварийные режимы электрической системы:

-нормальные установившиеся – длительные режимы, примени-

тельно к которым при проектировании электрической системы определяются ее основные технико-экономические характеристики, значения параметров изменяются в пределах, соответствующих нормальной работе потребителей;

-аварийные установившиеся и переходные режимы, возни-

кающие во время какой-либо аварии в системе;

-послеаварийные установившиеся – режимы, возникающие по-

сле ликвидации аварии и характеризующиеся изменением нормальной схемы системы (например, отключением какого-либо элемента в процессе ликвидации аварии);

-нормальные переходные – режимы, во время которых система переходит от одного рабочего состояния к другому, соответствуют обычным эксплуатационным изменениям в системе.

Вустановившихся режимах параметры режима являются неизменными или изменяются медленно в незначительных пределах, переходные режимы характеризуются быстрыми изменениями этих параметров.

Каждый режим состоит из множества процессов. (Процесс – это последовательная смена каких-либо явлений).

7

Любой переходный процесс вызывает в той или иной мере изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса между моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом, в результате чего происходит изменение скорости вращения машин. Таким образом, переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в электрической системе, однако, при определенных условиях можно ограничиться рассмотрением только одной стороны переходного процесса – явлений электромагнитного характера. Это вытекает из того, что:

из-за большой механической инерции вращающихся машин начальная стадия переходного процесса характеризуется преимущественно электромагнитными изменениями;

при относительно малых возмущениях весь переходный процесс практически можно рассматривать только как электромагнитный.

Вкурсе «Теоретические основы электротехники» студенты изучают способы расчета переходных процессов в электрических цепях. При этом обычно рассматриваются только однофазные цепи и считается, что цепи питаются от источников с заранее известными законами изменения электродвижущей силы (ЭДС). В данной дисциплине рассматриваются многофазные цепи, и учитывается влияние переходных процессов на законы изменения ЭДС источников, а также возможная неполнота исходной информации о параметрах элементов электрической сети и ее режиме.

Изучение электромагнитных переходных процессов необходимо для обеспечения надежной работы отдельных элементов и электрической системы в целом. Важность правильного расчета электромагнитных переходных процессов привела к необходимости стандартизации соответствующих методик расчета, что нашло свое отражение в ряде государственных и межгосударственных стандартов [4-7].

Основными причинами переходных процессов в электрических системах являются:

1)включение и отключение двигателей и других приемников электрической энергии;

2)короткие замыкания, работа устройств автоматического повторного включения (АПВ);

3)возникновение местной несимметрии в системе (например, отключение одной фазы воздушной линии);

4)действие форсировки возбуждения синхронных машин, а также их развозбуждение;

5)несинхронное включение синхронных машин.

Под форсировкой возбуждения понимают процесс быстрого увеличения тока возбуждения синхронной машины за счет работы устройства автомати-

ческого регулирования возбуждения (АРВ).

8

Замыканием называют всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или землей. Коротким замыканием (КЗ) называется замыкание, при котором токи в ветвях, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Вместе замыкания образуется некоторое переходное сопротивление, состоящее из сопротивления электрической дуги и сопротивлений прочих элементов пути тока от одной фазы к другой или от фазы на землю. Сопротивление электрической дуги при больших токах носит почти чисто активный характер и практически постоянно (в широком диапазоне изменения токов).

Если переходное сопротивление мало или им можно пренебречь, то замыкание называют металлическим. При этом ток КЗ будет больше, чем при наличии переходного сопротивления. Поэтому, когда требуется найти наибольший возможный ток КЗ, обычно принимают переходное сопротивление равным нулю.

Вспомните известные Вам из курса «Электрические системы и сети» режимы нейтрали электрических сетей, в частности, значения терминов «сеть с глухозаземленной нейтралью», «сеть с изолированной нейтралью», «сеть с компенсированной нейтралью», «сеть с эффективно заземленной нейтралью», «сеть с резонансно-заземленной нейтралью».

Втрехфазных сетях с глухозаземленной или эффективно заземленной нейтралью различают следующие основные виды КЗ в одной точке (табл.1.1):

трехфазное КЗ – КЗ между тремя фазами; трехфазное КЗ на землю – КЗ на землю, при котором с землей соединя-

ются три фазы; двухфазное КЗ – КЗ между двумя фазами;

двухфазное КЗ на землю – КЗ на землю, при котором с землей соединяются две фазы;

однофазное КЗ – КЗ на землю, при котором с землей соединяется только одна фаза;

двойное КЗ на землю – совокупность двух однофазных КЗ на землю в различных, но электрически связанных частях электрической сети.

Втрехфазных сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью основными видами замыканий будут:

трехфазное КЗ; трехфазное КЗ с землей – трехфазное КЗ, сопровождающееся контакти-

рованием точки КЗ с землей; двухфазное КЗ;

двухфазное КЗ с землей - двухфазное КЗ, сопровождающееся контактированием точки КЗ с землей;

однофазное замыкание на землю – замыкание одной фазы с землей;