Электромагнитные переходные процессы

Предисловие

Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации, так и в аварийных условиях.

Изучение самих переходных процессов и их влияния и последствий необходимо для выявления причин возникновения, физики процессов и разработки методов управления ими.

Желательно рассмотрение процессов в их единстве, в пространстве т.е. взаимовлияние источника питания, системы передач и нагрузки, и времени, т.е. связи электромагнитных и электромеханических процессов. К сожалению, такой подход увеличивает объем и усложняет освоение учащимися материала.

Предназначая пособие студентам заочного факультета автор счел необходимым обратить основное внимание на объяснение физики протекающих процессов для облегчения понимания приводимых в литературе методик расчетов, которое с каждым годом становятся все более сложными. Сохраняя связность изложения авторы постарались уделить особое внимание разделам, которые вызывают наибольшее затруднение при самостоятельном изучении заочниками.

Повышение внимания к переходным процессам необходимо еще и потому, что проводимая в течение полувека политика экономии дефицитных материалов в энергетике при росте единичной мощности агрегатов электрических станций и еще большем росте по отношению к генерирующим мощностям нагрузки привела к существенному увеличению уровней токов короткого замыкания. Соответственно возросли и последствия аварий.

После короткого замыкания на выводах обмотка статора турбогенератора 100 МВт, выполненная медной шиной толщиной в руку, была вырвана из пазов и исковеркана. При аналогичной аварии на Волгоградской ТЭЦ турбогенератор 60 МВт буквально вылетел из корпуса через крышу, убив при этом человека. В США после аналогичной аварии турбогенератора 500 МВт станция была полностью разрушена.

Выигрыш, полученный на генераторах, во много раз перекрыт перерасходом на более дорогие быстродействующие выключатели и аппараты ограничения токов короткого замыкания.

Глава первая

Общие сведения о переходных процессах

1.1. Основные определения, допущения и понятия

Электромагнитные переходные процессы возникают как при нормальной эксплуатации, так и в аварийных условиях. В отличие от электромеханических переходных процессов предполагается сохранение постоянства скорости.

К наиболее тяжелым процессам можно отнести короткие замыкания, т.е. не предусмотренными нормальными условиями замыкание фаз на землю или между собой.

При таком событии уменьшается сопротивление цепи, что приводит к увеличению токов в системе, следствием чего является понижение напряжения в системе.

В месте короткого замыкания образуется переходное сопротивление, определяемое главным образом сопротивлением дуги, которое носит активный характер. В предельном случае наибольшие токи будут при так называемом “металлическом” замыкании когда переходное сопротивление может быть принято равным нулю. В трехфазных системах можно выделить следующие виды коротких замыканий:

а) трехфазное (K ) - симметричное короткое замыкание с вероятностью возникновения около 0,05.

б) двухфазное (K ), часто переходящее в двухфазное на землю (K )- несимметричные короткие замыкания с вероятностями 0,1 и 0,2 соответственно.

в) однофазное (K ) - наиболее часто встречающийся вид коротких замыканий (вероятность 0,65).

Изучение процесса простейшего трехфазного короткого замыкания позволяет в дальнейшем распространить методику на другие виды повреждений. В более широком смысле вышеуказанные повреждения могут быть отнесены к видам поперечной несимметрии. Обрыв провода или отключение одной фазы называется продольной несимметрией.

Поскольку большая часть повреждений на воздушных линиях носит проходящий характер (перекрытие по поверхности гирлянды при грозовом разряде), то очень эффективно применение автоматического повторного включения (АПВ), особенно многократного, что позволяет сократить число отключений в 3-4 раза.

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

а). Принимая, что магнитные системы ненасыщены, мы сводим расчеты к линейным.

б). Пренебрежение токами намагничивания трансформаторов позволяет использовать стационарную модель трансформатора.

в). Сохранение симметрии трехфазной системы, если это преднамеренно не нарушается.

г). Пренебрежение емкостными проводимостями.

д). Учет нагрузок приближенно, чаще всего постоянным сопротивлением.

е). Пренебрежение активными сопротивлениями цепи, которые обычно в 10-20 раз меньше реактивных сопротивлений.

Применение относительных (безразмерных) единиц позволяет быстро сопоставить результаты вычислений для различных точек системы. Подобная система единиц может применяться как в относительно номинальном варианте, где за основу принимаются параметры наиболее ответственного элемента (генератор, трансформатор), так и в относительно базисном варианте. В этом случае за основу принимаются две базисные единицы, остальные получаются из принятых. Приняв базисное междуфазное напряжение U и базисную мощность трехфазной системы S , через обычные соотношения получим:

, (1-1) ; (1-2)

тогда:

. (1-3 )

Студентов почему- то пугает одна из условностей системы относительных единиц

, но и ; ; ; ; .

При переходе от относительно номинальных к относительно базисным единицам

, (1-4) , (1-5)

Выбор опорных базисных величин следует делать так, чтобы вычислительная работа были бы возможно проще, т.е. базисную мощность выражать круглым числом, а базисное напряжение принимать равным номинальному.

При работе с системой относительных единиц студенты часто забывают, что это всего лишь удобный прием для облегчения расчетов и , какие бы ни были приняты опорные величины, это не изменяет ни соотношений между элементами системы, ни конечного результата расчета.

Не следует забывать, что при наличии магнитосвязанных цепей (трансформаторы) они заменяются электрически связанными. В этом случае истинные величины пересчитываются столько раз, сколько имеется трансформаторов между приводимой цепью и принятой основной ступенью.

, (1-6)

, (1-7)

, (1-8)

Система относительных единиц может быть распространена и на неэлектрические величины, такие как время, скорость и т.д.

В практических расчетах применяют среднее номинальное напряжение для каждой ступени трансформации. Тогда результирующий коэффициент трансформации определится отношением средних напряжений крайних ступеней.

, (1-9)

, (1-10)

Полученная схема замещения электрической системы обычно содержит несколько источников и контуров, поэтому путем последовательных преобразований она приводится к простейшему виду, желательно к последовательной цепи “источник-место повреждения”.

Глава вторая

Электромагнитные переходные процессы при

сохранении симметрии трехфазной цепи