Переходные процессы в электроэнергетических
Системах
(Методические указания для заочников
по специальности 140211 «Электроснабжение»)
Нижнекамск 2009
Составители:
Профессор Амирова С. С.,
ст. пр. Чекунов Н. И.
ст. пр. Максимов С. А.
ст. пр. Файрушин Р. Р.
Рецензент:
д. т. н.профессор Кузнецов А. В.
В данном учебно-методическом изложены теоретические основы переходных процессов в электроэнергетических системах, задачи к практическим занятиям, задания к выполнению контрольных работ и курсовым работам.
Теоретические основы
Основным объектом, изучаемым в дисциплине «Переходные процессы в электрических системах», является электрическая система.
Под электрической системой (ЭС) понимается совокупность электрических станций, электрических сетей и узлов потребления, объединенных единым процессом производства» передачи и распределения электрической энергии.
В любой ЭС могут быть выделены:
- силовые элементы (синхронные генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, выпрямители и инверторы, электрические двигатели и т.д.);
- элементы управления (коммутирующая аппаратура, силовые выключатели, устройства автоматики: автоматические регуляторы возбуждения, автоматические регуляторы скорости и т.п.);
- элементы защиты: разрядники, реакторы, предохранители.
Поведение электрической системы определяется ее режимом - состоянием, характеризуемым значениями мощностей, напряжений, частоты и других физических величин - параметров режима.
Режимы ЭС можно разделить неустановившиес я, имеющие практически неизменные параметры, и переходные - с быстрыми изменениями параметров режима. Переходные режимы связаны с возникновением переходных процессов, при которых происходит изменение электрического состояния элементов системы, обусловленное как естественными причинами, так и работой устройств автоматики.
В переходных процессах происходит закономерное изменение во времени одного или нескольких параметров режима в результате действия определенных причин, называемых возмущающими воздействиями
Переходные процессы делятся на волновые, электромагнитные и электромеханические.
В волновых переходных процессах происходит локальное изменение электрического состояния системы, сопровождаемое резким увеличением электрического разряда в линиях электропередачи с повышением напряжения, связанного с атмосферными воздействиями. Они являются быстродействующими процессами: скорость изменения параметров -
10 -10 Гц. Опасность волновых переходных процессов заключается в появлении перенапряжений, приводящих к повреждению изоляции элементов ЭС и т.д.
Следует отметить, что при волновых переходных процессах не происходит изменения относительного положения роторов электрических машин и скорости их вращения.
Электромеханические переходные процессы являются низкочастотными. Скорость их протекания изменяется от 10 до 50 Гц. Происходит изменение как электрических, так и механических параметров режима.
Электромагнитные переходные процессы возникают:
- при включении и отключении двигательных и других агрегатов;
- в результате коротких замыканий (к.з.) и простых замыканий;
- при местной несимметрии;
- при работе форсировки возбуждения, регуляторов возбуждения, автоматов гашения поля и т.п.;
- несинхронного включения синхронных машин (СМ).
Электромагнитные переходные процессы сопровождаются изменением электромагнитного состояния элементов ЭС. Механические параметры режима остаются неизменными. Скорость протекания от 50 до 150 Гц.
Из всего многообразия электромагнитных переходных процессов наиболее распространенными являются процессы, вызванные к.з.
Большая часть к з - дуговые, как правило, самоликвидирующиеся, реже - металлические, при которых фазы электроустановки соединяются между собой или с землей. Последствия к.з проявляются:
- в резком увеличении токов в ветвях системы, особенно в месте кз,; в некоторых ветвях увеличение тока может быть небольшим,
- в значительном снижении напряжения в узлах ЭС; при трехфазном к.з. (К 3) напряжение в точке к.з. снижается до нуля; при несимметричных к.з. (двухфазное – К2 однофазное – К1, двухфазное на землю – К1.1) напряжение в точке к.з. частично сохраняется;
- в искажении симметрии напряжений и токов при несимметричных к з.. в результате которого увеличивается электромагнитное и электростатическое влияние линий электропередачи (ЛЭП) на линии связи и другие объекты,
- в тепловом действии токов к.з., приводящем к повреждению изоляции, спеканию контактов электроаппаратуры и т.д.;
- в динамическом действии токов к.з., в появлении механических усилий, повреждающих конструкции машин и аппаратов.
Необходимо отметить, что потребители (нагрузка) в ЭС очень чувствительны к снижению напряжения. Так, например, асинхронные двигатели (АД), составляющие до 50% нагрузки, при снижении напряжения затормаживаются, что приводит к увеличению тока нагрузки и дальнейшему снижению напряжения на ее зажимах. Появляется опасность нарушения устойчивости параллельной работы электрических машин (ЭМ) в системе, которая в этом случае распадается на части, работающие несинхронно В результате происходит длительное нарушение электроснабжения потребителей, приводящее к огромному материальному ушербу.
Подавляющее число к.з.(85%). происходящих в ЭС, связано с замыканием на землю Трехфазное к.з является очень редким (5%), но изучение процессов, происходящих при этом виде к.з., имеет первостепенное значение, поскольку последствия трехфазных к.з. являются самыми тяжелыми для ЭС
Кроме того, применение метода симметричных составляющих позволяет определить величины токов и напряжений прямой последовательности любого несимметричного к.з.
К 1 К 2 К 3 как соответственные величин: при некоторых условных трехфазных замыканиях.
Существующие методы расчета и анализа электромагнитных переходных процессов при трехфазных к.з. можно разбить на две группы: аналитические и практические
В основу аналитического метода расчета положен анализ электромагнитных процессов по уравнениям Парка-Горева. Он позволяет с высокой точностью определить величину тока при внезапном к.з. в начальный момент времени для простейшей системы, состоящей из одного синхронного генератора (СГ).
При переходе к схемам с несколькими генераторами задача точного расчета переходного процесса усложняется. Появляется необходимость учета возникающих качаний генераторов и поведения присоединенных нагрузок; изменения свободных токов в каждом из генераторов, связанных между собой При наличии автоматического регулирования возбуждения (АРВ) аналогичная связь имеется между приращениями вынужденных токов. Поэтому практическое применение аналитического метода весьма ограничено. Его можно рассматривать лишь как эталон для оценки других приближенных методов расчета. При решении многих практических задач не требуется знания точных результатов, поэтому возможно использование приближенных инженерных методов.
Все расчеты переходных процессов при к.з. базируются на решении дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы при временных изменениях параметров режима
Практический подход, применяемый для решения всех инженерных задач и использующий мгновенные значения параметров режима, позволяет перейти от дифференциальных уравнений к алгебраическим и тригонометрическим
При нахождении значений токов к з. в электрических системах необходимо выделять две различные ситуации:
- к.з. происходит в ЭС, имеющей мощные источники с режимом работы не зависящим от режима работы электрической системы (исключение составляет режим к.з вблизи источников);
- к.з. рассматривается в электрической системе, режим которой существенно влияет на режимы работы источников.
В первом случае источники имеют значительно большую мощность, нежели узлы потребления ими питаемые, или источники питания удалены от ЭС? в которой возникают различные виды к.з. (системы электроснабжения, распределительные сети и т.д.).
Во втором - источники и подключаемая к ним система имеют соизмеримые мощности или к.з. происходит в системообразующих сетях (вблизи шин электрических станций).
Несмотря на различие ситуаций подходы к расчету токов к.з. в обоих случаях имеют много общего, основываются на одних и тех же понятиях допущениях.
Гораздо более различны методы расчета симметричных К (3) и несимметричных (К(n), n=1; 1,1; 2) к.з. Последнее обстоятельство является определяющим при формировании структуры и методики изучения расчета и анализа электромагнитных переходных процессов в ЭС
На первом этапе выделяются основные, общие подходы, применяемые при расчетах всех видов к.з.
На втором - детально рассматриваются практические методы расчета симметричных трехфазных к.з.
И только затем - особенности расчета несимметричных кз.
Порядок расчета тока к.з. в аварийной ветви
Для сложных ЭС расчет тока трехфазного к.з. в аварийной ветви выполняется следующим образом:
- формулируются основные расчетные допущения, дающие возможность пользоваться упрошенными представлениями о переходных процессах,
- в соответствии с целевым назначением расчета определяются расчетные условия,
- в зависимости от принятых допущений составляется схема замещения ЭС и определяются параметры ее элементов,
- при необходимости исключаются «трансформаторные» связи между отдельными элементами, в частности, выполняется приведение параметров схемы замещения к одной ступени напряжения;
- схема замещения последовательными преобразованиями приводится к простейшему виду - неразветвленной цени;
- определяется периодическая составляющая тока к.з., значение эквивалентной постоянной времени апериодической составляющей тока к.з., предполагается, что начальное значение апериодической составляющей в одной из фаз аварийной ветви максимально;
- рассчитывается ударный ток к.з. в выделенной фазе аварийной ветви;
- при необходимости находится распределение тока к.з. в схеме замещения ЭС.