Переходные процессы в электроэнергетике

Министерство образования и науки Республики Казахстан Некоммерческое АО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» Институт Электроэнергетики и электротехники Кафедра электроэнергетических систем ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика 1 Лекция. Общие сведения о переходных процессах Алматы 2021 1 Дисциплина «Переходные процессы в электроэнергетике» является одной из профилирующих для электроэнергетических специальностей. Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузок, источников питания, отдельных цепей и пр.), так и в аварийных условиях (обрыв нагруженной цепи или отдельной ее фазы, короткое замыкание, выпадение машины из синхронизма и т.д.). Изучение переходных процессов необходимо прежде всего для ясного представления причин возникновения и физической сущности этих процессов, а также для разработки практических критериев и методов их количественной оценки, с тем чтобы можно было предвидеть и заранее предотвратить опасные последствия таких процессов. Важно понимать переходные процессы, но еще важнее уметь сознательно управлять ими. При любом переходном процессе происходит 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 этого нарушения соответственно изменяются скорости вращения машин, т.е. некоторые машины испытывают торможение, в то время как другие – ускорение. Такое положение существует до тех пор, пока регулирующие устройства не восстановят нормальное состояние, если это вообще осуществимо при изменившихся условиях. Из этого следует, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе. Последние взаимно связаны и, по существу, представляют единое целое. 2 1 Лекция. Общие сведения о переходных процессах Содержание лекции: режимы работы электрических систем; короткие замыкания, причины их возникновения, последствия коротких замыканий. Цель лекции: ознакомление с режимами работы системы, причинами возникновения коротких замыканий и их последствиями. 1.1 Основные понятия и определения Электрическая система – это условно выделенная часть электроэнергетической системы, в которой осуществляется выработка, преобразование, передача и потребление электрической энергии. В результате аварийных ситуаций в системе возникают переходные процессы, в течение которых происходит переход от одного режима к другому. Режим работы системы – это совокупность процессов, характеризующих работу электрической системы и ее состояние в любой момент времени. Параметры режима: напряжения, мощности, токи и т.п. – связаны между собой параметрами системы. Параметры системы: сопротивления, проводимости, коэффициенты трансформации, постоянные времени и т.п. – определяются физическими свойствами элементов. Различают несколько видов режимов электрических систем. 1. Установившийся нормальный режим – состояние системы, когда параметры режима изменяются в небольших пределах, позволяющих считать эти параметры неизменными. 2. Нормальные переходные режимы возникают при нормальной эксплуатации системы (включение и отключение каких–либо элементов системы, изменение нагрузки, несинхронное включение синхронных машин и т.п.). 3. Аварийные переходные режимы возникают в электрических системах при таких возмущениях (авариях), как: короткие замыкания, внезапные отключения элементов системы, повторные включения этих элементов, несинхронные включения синхронных машин и т.п. 4. Послеаварийные установившиеся режимы наступают после отключения поврежденных элементов электрической системы. При этом параметры послеаварийного режима могут быть как близкими к параметрам нормального (исходного) режима, так и значительно отличными от них. 3 При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическими и электромагнитными и электромагнитными моментами на валах генераторов и двигателей. Это означает, что переходные 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 системе 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. Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов является короткое замыкание. Короткое замыкание – 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 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. Расчет максимально возможных токов проводится для металлических КЗ. В электрических системах, работающих с заземленной нейтралью, различают четыре вида КЗ (см. рисунок 1): а) трехфазное; б) двухфазное; в) двухфазное на землю, т.е. замыкание между двумя фазами с одновременным замыканием той же точки на землю; г) однофазное. Трехфазное короткое замыкание являются симметричным, так как при нем все фазы остаются в одинаковых условиях. Все остальные виды коротких замыканий являются несимметричными, поскольку при каждом из них фазы находятся уже не в одинаковых условиях, поэтому системы токов и 4 напряжений при этих видах короткого замыкания в той или иной мере искажены. Рисунок 1 - Виды КЗ 1.2 Природа возникновения коротких замыканий Из многих причин возникновения коротких замыканий 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, падение опоры и т.п.); 3) перекрытие токоведущих частей птицами и животными; 4) ошибки оперативного 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. 1.3 Последствия коротких замыканий Можно выделить следующие последствия КЗ: 5 1) Системная авария, вызванная нарушением устойчивости системы. Это наиболее опасное последствие коротких замыканий, оно приводит к значительным технико-экономическим ущербам. 2) Термическое повреждение электрооборудования, связанное с его недопустимым нагревом токами КЗ; 3) Механическое повреждение электрооборудования, вызываемое воздействием больших электродинамических сил между токоведущими частями. 4) Ухудшение условий работы потребителей. При понижении напряжения, например, до 60-70% от номинального, в течение 1с и более возможен останов двигателей промышленных предприятий, что, в свою очередь, может вызвать нарушение технологического процесса, приводящее к экономическому ущербу. 5) Наведение при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС, опасных для обслуживающего персонала. Наибольшая опасность при коротком замыкании угрожает элементам системы, прилегающим к месту его возникновения. В зависимости от места и продолжительности КЗ его последствия могут иметь местный характер (удаленное от источников питания КЗ) или отражаться на функционировании всей системы. 1.4 Назначение расчетов коротких замыканий При проектировании и эксплуатации электроустановок и систем для решения многих технических вопросов и задач требуется предварительно произвести ряд расчетов, среди которых заметное место занимают расчеты электромагнитных переходных процессов и, в частности, процессов при внезапном коротком замыкании. Под расчетом электромагнитного переходного процесса обычно понимают вычисление токов и напряжений в рассматриваемой схеме при заданных условиях. В зависимости от назначения такого расчета находят указанные величины для заданного момента времени или находят их изменения в течение всего переходного процесса. Расчеты токов КЗ необходимы для: 1) определения условий работы потребителей в аварийных режимах; 6 2) выбора аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости; 3) проектирования и настройки 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 связи; 7) определения числа заземленных нейтралей и их размещения в ЭС; 8) анализа аварий. Особенностью расчетов при решении задач, встречающихся в эксплуатации, является необходимость учета конкретных условий рассматриваемого переходного процесса. При проектировании часто ограничиваются приближенными данными. Поэтому в первом случае требуется большая точность. 7