Основные виды и причины возникновения электромагнитных переходных процессов

Модуль 1. Основные виды и причины возникновения электромагнитных переходных процессов Цель лекции: Ознакомить с общими положениями по теме Переходные процессы в электроэнергетике. При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическим и электромагнитным моментами на валах генераторов и двигателей. Это означает, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе, которые взаимно связаны и представляют собой единое целое. Тем не менее очень часто переходный процесс делят на две стадии. На первой стадии из-за большой инерции вращающихся машин в ЭС преобладают электромагнитные изменения. Эта стадия длится от нескольких сотых до 0.1 ... 0.2 с и называется электромагнитным переходным процессом. На второй стадии проявляются механические свойства системы, которые оказывают существенное влияние на переходные процессы. Эта стадия называется электромеханическим переходным процессом. Из всего многообразия причин возникновения КЗ можно выделить несколько основных: 1) нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими повреждениями; 2) механические повреждения элементов электрической сети (обрыв провода линии электропередачи и т.п.); 3) преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей; 4) перекрытие токоведущих частей животными и птицами; 5) ошибки персонала подстанций при проведении переключений. Уменьшение количества КЗ в электрических системах связано со строгим соблюдением Правил технической эксплуатации электроустановок и повышением качества продукции электротехнической промышленности. Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов является короткое замыкание. Короткое замыкание (КЗ) - это не предусмотренное нормальными условиями эксплуатации замыкание между фазами или между фазами и землей. В системах с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю называется простым. В местах замыкания часто образуется электрическая дуга, сопротивление которой имеет нелинейный характер. Учет влияния дуги на ток КЗ представляет собой сложную задачу. Кроме сопротивления дуги в месте КЗ возникает переходное сопротивление, вызываемое загрязнением, наличием остатков изоляции и т.п. В случае, когда переходное сопротивление и сопротивление дуги малы, ими пренебрегают. Такое замыкание называют металлическим. Точность расчета КЗ зависит от его цели. Так, при выборе и проверке электрических аппаратов не требуется высокая точность расчета, потому что параметры аппаратов ступенчато изменяются в случае перехода от одного их типа к другому. При выборе устройств релейной защиты и автоматики точность расчета должна быть значительно выше Вопросы для самоконтроля: 1. Какими изменениями характеризуется начальная стадия переходного процесса 2. Что вызывает короткое замыкание в сети 3. Как характеризуется трехфазное короткое замыкание 4. В каком случае замыкание можно назвать металлическим 5. Что наблюдается при возникновении короткого замыкания 2. Система относительных единиц. Схемы замещения Цель лекции: Ознакомить с одним из часто используемых методов расчета переходных процессов Расчеты токов КЗ необходимы для достижения следующих целей: 1) определения условий работы потребителей в аварийных режимах; 2) выбора аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости; 3) проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики; 4) сопоставления, оценки и выбора схемы электрических соединений; 5) проектирования и проверки защитных устройств; 6) определения влияния линий электропередачи на линии ;вязи; 7) определения числа заземленных нейтралей и их размещения в ЭС; 8) выбора разрядников; 9)анализа аварий; 10) подготовки к проведению различных испытаний в ЭС. Расчет переходного процесса в сложной электрической системе (какой является любая районная электрическая система) с учетом всех влияющих факторов - сложная и трудоемкая задача. Чтобы ее упростить, вводят ряд допущений. Однако те из них, которые справедливы при решении одной задачи, могут быть совершенно неприемлемы для другой. Перед расчетом переходного режима электрической системы на основе ее принципиальной схемы составляют расчетную схему, которая отличается от принципиальной тем, что на ней в однолинейном изображении показываются только те элементы, по которым возможно протекание аварийных токов или их составляющих. При наличии в расчетной схеме трансформаторов целесообразно имеющиеся в ней магнитно-связанные цепи представить одной эквивалентной электрически связанной цепью. Схема замещения сложной электрической системы является соединением схем замещения отдельных ее элементов. В ней элементы соединены так же, как на расчетной схеме. После составления схемы замещения рассчитываются ее параметры в именованных или относительных единицах. Выражение электрических величин в относительных единицах широко применяется в теории электрических машин. Это обусловлено тем, что представление любой величины не в именованных, а относительных единицах существенно упрощает теоретические выкладки и придает результатам расчета большую наглядность. Целью преобразования схемы замещения является ее приведение к простейшему виду Преобразования, применяемые в расчетах обычных линейных электрических цепей, включают в себя нахождение эквивалентной ЭДС, последовательное и параллельное сложение сопротивлений, преобразование треугольника в звезду и обратно, многолучевой звезды в полный многоугольник. Вопросы для самоконтроля: 1. Преимущество метода расчета переходных процессов в относительных единицах по сравнению с расчетом в именованных единицах 2. Что такое относительное значение величины 3. Как выбирается базисная мощность при расчете переходных процессов в относительных единицах 4. Как выбирается базисное напряжение при расчете переходных процессов в относительных единицах 5. Формула для расчета сопротивления нагрузки в относительных единицах? 3. Сверхпереходные и переходные эдс и реактивности Цель лекции: Ознакомить с переходными и сверхпереходными параметрами Способы представления синхронной машины зависят от целей расчета переходного процесса и его стадии, требований к точности расчета и влияния данной машины на исследуемый процесс Синхронные машины, в которых переходные процессы существенно влияют на результаты расчетов, следует представлять уравнениями Парка - Горева, в остальных случаях- уравнениями Лебедева - Жданова либо ЭДС и сопротивлением, соответствующим рассматриваемому режиму. Режим работы синхронной машины может быть представлен векторами, изменяющимися во времени и перемещающимися в пространстве. Для трехфазной симметричной системы векторов напряжения или тока (три вектора сдвинуты на 120°) мгновенное значение тока или напряжения в каждой фазе получается как проекция соответствующего вектора на ось времени Вращение векторов с угловой скоростью и даст изменение мгновенных значений тока или напряжения во времени. Постоянные времени определяют затухание токов в различных обмотках машины при резком изменении ее режима. Синхронную машину характеризуют следующие постоянные времени (определяемые при номинальной частоте вращения ротора): - Td - постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора. Это время, в течение которого медленно изменяющаяся составляющая напряжения разомкнутой обмотки статора затухает до \/е = 0.368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины; - T'd — переходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого медленно изменяющаяся составляющая продольного тока статора затухает до 1/ е = 0.368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины; - T"d - сверхпереходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого быстро изменяющаяся составляющая продольного тока статора, наблюдаемая в течение нескольких первых периодов, затухает до 1/ е = 0.368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины; - Та - постоянная времени замкнутой накоротко обмотки статора. Это время, в течение которого апериодическая составляющая тока при замкнутой накоротко обмотке статора затухает до 1/ е = 0.368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины. В обмотке возбуждения в момент нарушения режима ток изменяется на меньшее значение, чем при отсутствии демпферной обмотки. При этом в демпферной обмотке также возникают токи, которые затухают значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения. По мере их затухания ток в обмотке возбуждения увеличивается на соответствующее значение. Происходит как бы переход тока из демпферной обмотки в обмотку возбуждения. Таким образом, неявнополюсная синхронная машина в первый момент нарушения режима характеризуется сверхпереходнымb сопротивлением и ЭДС. Вопросы для самоконтроля: 1. Как определяется сверхпереходная ЭДС по продольной оси 2. Что называется переходным током короткого замыкания 3. Что называется сверхпереходным током короткого замыкания 4. Какими переходными параметрами характеризуется электрическая машины 5. Для каких целей определяют переходные и сверхпереходные параметры переходного процесса 4. Переходной процесс в простейшей трехфазной цепи Цель лекции: Раскрыть основные моменты переходного процесса Характер электромагнитного переходного процесса при трехфазном КЗ зависит от степени удаленности точки КЗ от источников питания. Вначале рассмотрим короткое замыкание в точке, удаленной от станции и системы. На схеме электрической системы, изображенной на рис. 1, таковой является точка КЗ. Линия 35 кВ, на которой происходит короткое замыкание, находится на второй ступени трансформации от генераторов станции и системы. Рисунок 1 – Составляющая тока КЗ В практических расчетах максимальное мгновенное значение полного тока КЗ находят при наибольшей апериодической составляющей. Это наибольшее значение называется ударным током КЗ. Действующим значением тока в произвольный момент времени называют среднеквадратичное значение за один его период Т, в середине которого находится рассматриваемый момент времени t. Наибольшее действующее значение полного тока КЗ /у определится в первом периоде переходного процесса (t = 0.01 с) Установившимся режимом переходного процесса называется такой режим, при котором все возникшие в начальный момент КЗ свободные точки затухают и прекращается действие АРВ. Вопросы для самоконтроля: 1. Что называют ударным током к.з. 2. Что называют установившемся током к.з. 3. Какие составляющие суммируют ток короткого замыкания 4. Для каких целей служит ударный ток 5. Для каких целей служит установившийся ток к.з. 5. Методы расчета симметричных видов кз Цель лекции: Рассмотреть методы расчетов токов короткого замыкания при трехфазных замыканиях При известной расчётной схеме и выбранных расчётных условиях определение тока короткого замыкания начинают с составления схемы короткого замыкания, в которой все элементы расчётной схемы представлены ЭДС и сопротивлениями определённой величины. При этом нередко (особенно для высоковольтных сетей) учитывают только индуктивные сопротивления элементов, пренебрегая активными, вследствие их сравнительно небольшой величины. Использование этого допущения упрощает расчёт, не внося заметной погрешности в результат. Схема замещения составляется с учётом особенностей методов расчёта токов КЗ, вида короткого замыкания и стадии переходного процесса, о чём будет говориться ниже в соответствующих разделах. Однако в любом случае для определения тока КЗ необходимо вычислить значения ЭДС и сопротивлений элементов схемы. Реальные схемы, вследствие наличия в них трансформаторов, всегда имеют несколько ступеней напряжения, в связи с чем все ЭДС и сопротивления должны быть определены для какой-то одной ступени напряжения, называемой основной. Эта процедура называется приведением. Расчёт ЭДС и сопротивлений может быть выполнен как в именованных, так и в относительных единицах. Как правило, в электрических сетях напряжением >1000 В используют относительные единицы, а именованные – в сетях <1000 В. При выполнении расчёта в относительных единицах за базисное напряжение (Uб) рекомендуется принимать напряжение ступени короткого замыкания, которая должна быть выбрана в качестве основной. В зависимости от поставленной цели для определения токов КЗ применяются различные методы Основные и соответственно наиболее применяемые это: - метод эквивалентных ЭДС (МЭЭ); - метод расчётных кривых (МРК). В основе МЭЭ лежит расчёт с помощью аналитических выражений, в то время как в МРК ток КЗ находится с помощью специально построенных зависимостей, называемых расчётными кривыми. В основе МЭЭ лежит расчёт с помощью аналитических выражений, в то время как в МРК ток КЗ находится с помощью специально построенных зависимостей, называемых расчётными кривыми. Вопросы для самоконтроля: 1. В чем заключается метод эквивалентных ЭДС 2. В чем заключается метод расчётных кривых 3. Какое замыкание называют симметричным 4. Особенности трехфазного короткого замыкания 5. Какие минимальные исходные данные для расчета симметричного короткого замыкания Список литературы 1. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: учеб. пособие/Ю.А. Куликов. - Новосибирск: НГТУ; М.: Мир: АСТ, 2013. – 284 с. 2. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учебник для студ. вузов/ Ред. И.П. Крючков. - 2-е изд., стер. - М.: МЭИ, 2009. - 416 с. 3. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учебник/С.А. Ульянов. - М.: Энергия, 2000. - 519 с. 4. Цапенко Е.Ф. Расчёт переходных процессов в линейных электрических цепях: учебно-методическое издание/Е.Ф. Цапенко, В.А. Румянцева. - М.: МГГУ, 2004. – 44 с 5. Базуткин В.В. Расчёты переходных процессов и перенапряжений/В.В. Базуткин, Л.Ф. Дмоховская. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 328 с. 6. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учебник/В.А. Веников. - 3-е изд., пер. и доп. - М.: Высшая школа, 2008. - 416 с.: ил. 7. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учебник/В.А. Веников. - М.: Высшая школа, 1970. - 416 с.: ил. 8. Гамазин С.И. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой/С.И. Гамазин, В.А. Ставцев, С.А. Цырук. - М.: МЭИ, 2017. – 424 с.: ил. 9. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования/Ред. О. Д. Гольдберг. - М.: Высшая школа, 2011. – 512 с.