Основные сведения об электромагнитных переходных процессах 1 страница

Электрическая система – это часть электроэнергетической системы, которая предназначена для выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Она состоит из силовых элементов и элементов (устройств) регулирования.

Система электроснабжения (СЭС) – это часть электроэнергетической системы, которая непосредственно осуществляет снабжение потребителей электроэнергией. Она содержит питающие и распределительные сети, трансформаторы, синхронные компенсаторы (СК), приемники электроэнергии.

Узел нагрузки – место подключения отдельных СЭС к высоковольтным сетям.

Режим системы – состояние электрической системы, которое количественно характеризуется некоторыми показателями, называемыми параметрами режима (U, I, f, s).

Параметры системы – показатели, которые количественно характеризуют физические свойства отдельных элементов системы (например, для синхронного генератора (СГ): x _d, x _q...).

Цель изучения курса:

– понимание физических явлений, происходящих при изменении режима системы;

– изучение методов количественной оценки переходных процессов (ПП);

– ознакомление с мероприятиями и способами управления ПП с целью придания им желаемого характера.

2. Общие сведения о коротких замыканиях в системах электроснабжения

В СЭС могут иметь место установившиеся и переходные режимы. Первые характеризуются медленными незначительными изменениями параметров режима в пределах допустимых значений. Вторые - быстрыми изменениями параметров режима.

ПП могут быть нормальными и аварийными. Нормальные отвечают обычным эксплуатационным изменениям параметров режима в электрических системах.

Причины возникновения переходных процессов:

1. Включение или отключение источников, потребителей и других элементов системы.

2. Короткое замыкание (КЗ) в СЭС.

3. Пуск и самозапуск электродвигателей.

4. Внезапные набросы и сбросы нагрузки.

5. Форсировка возбуждения синхронной машины (СМ) и гашение магнитного поля.

6. Обрыв фаз (проводов).

Все ПП можно условно разделить на электромагнитные и электромеханические.

Электромагнитные ПП протекают без изменения скорости вращения СГ.

Электромеханические ПП протекают при изменении скорости вращения СГ.

Короткое замыкание – это всякое, не предусмотренное нормальными условиями работы, замыкание фаз между собой, а в сети с заземленной нейтралью замыкание одной или нескольких фаз на землю.

Замыкание одной фазы на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью (т.е. заземление через специальное компенсирующее устройство) называют простым замыканием.

Если сопротивление в месте замыкания отсутствует, то такое КЗ называют металлическим.

В СЭС возникают повреждения, связанные с продольной несимметрией (частный случай – обрыв одной или двух фаз).

Имеют место также сложные повреждения, т.е. комбинации простых повреждений (например, обрыв фазного провода линии электропередачи (ЛЭП)) и падение на землю; встречается также двойное замыкание, т.е. замыкание различных фаз на землю в различных точках систем.

Таблица 1

Вид КЗ	Относительная частота КЗ (%) в сетях с напряжением, кВ
6–20
К^(1)
К^(2)
К^(1,1)
К^(3)

Таблица 2 – Виды коротких замыканий и простых замыканий

Схема замыкания	Режим нейтрали
заземлена	изолирована
наименование	обознач.	наименование	обознач.
	Трехфазное КЗ	К^(3)	Трехфазное КЗ	К^(3)
	Трехфазное КЗ на землю	К^(1,1,1)	Трехфазное КЗ с землей	К^(3,3)
	Двухфазное КЗ	К^(2)	Двухфазное КЗ	К^(2)
	Двухфазное КЗ на землю	К^(1,1)	Двухфазное КЗ с землей	К^(2,^з^)
	Однофазное КЗ	К^(1)	Простое замыкание на землю	З^(1)
	Двойное КЗ на землю	К^(1+1)	Двойное замыкание на землю	З^(1+1)

Причины возникновения коротких замыканий:

1. Нарушение изоляции электроустановки (старение, загрязнение, перенапряжение, механические повреждения).

2. Ошибочные действия оперативного персонала.

3. Преднамеренные КЗ.

Последствия коротких замыканий:

1. Термический перегрев и повреждение оборудования.

2. Чрезмерные механические усилия и повреждение оборудования.

3. Снижение напряжения и искажение его формы (снижение и т.д.).

4. Нарушение устойчивости параллельной работы отдельных СГ или СЭС в целом.

5. Электромагнитное влияние на линии связи (наведение опасных потенциалов для оборудования и обслуживающего персонала).

3. Назначение расчетов. Понятие о расчетных условиях. Основные допущения, которые принимаются при расчетах.

Назначение расчетов токов короткого замыкания.

1. Выбор электрических аппаратов.

2. Проектирование и настройка устройств релейной защиты и автоматики.

3. Выбора и оценки вариантов схем электроснабжения.

4. Выбор заземляющих устройств.

5. Выявление условий работы потребителей во время КЗ.

6. Определение влияния КЗ на линии связи.

7. Анализ аварий в системах.

8. Проведения различных испытаний в электрических системах.

9. Оценка стойкости электрических систем и ее узлов нагрузки.

В зависимости от цели расчета должны приниматься те или иные расчетные условия, которые могут быть самыми различными, в т.ч. и противоречивыми.

Так, например, для выбора выключателя по усло­виям его работы при коротком замыкании должны быть определены соответствующие возможные наибольшие величины тока короткого замыкания. С этой целью исхо­дят из предположения, что короткое замыкание происхо­дит в то время, когда включено наибольшее число генераторов, что вид короткого замыкания такой, при кото­ром ток достигает наибольшей величины, что короткое замыкание металлическое, и, что оно произошло непо­средственно у выводов самого выключателя.

Для выбора трубчатого разрядника требуется знать не только наибольшую, но и возможную наименьшую величину тока короткого замыкания, для определения которой, разумеется, должны быть приняты совсем иные расчетные условия.

Допущения, которые принимаются во время расчетов.

1. Считаем, что все элементы системы симметричные.

2. Пренебрегаем насыщением магнитных цепей элементов системы.

3. Пренебрегаем токами намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов, за исключением таких случаев, когда трехфазные трансформаторы, обмотки которых соединены по схеме Y-0/Y, включено на напряжение нулевой последовательности.

4. Пренебрегаем емкостными проводимостями линии за исключением линий напряжением 110...220 кВ, длина которых свыше 200 км, и линий напряжением 330 кВ и выше длиной свыше 150 км. Емкостные проводимости следует учитывать во время расчета тока замыкания на землю в сетях с изолированными нейтралями трансформаторов.

5. Пренебрегаем активными проводимостями линий.

6. Во время расчета периодической составляющей тока КЗ пренебрегаем активными сопротивлениями элементов схемы, если результирующее активное сопротивление схемы не превышает трети ее результирующего реатансу. Погрешность расчета при этом не превышает 5%.

7. Предполагаем, что угол сдвига между электродвижущими силами (ЭДС) генераторов системы во время переходного процесса не изменяется.

8. Нагрузку учитываем приближенно, представляя ее постоянными индуктивными сопротивлениями в зависимости от стадии переходного процесса (начальный или установившийся режим).

9. Пренебрегаем разностью в значениях и .

Тема №2:

«Составление расчетных схем и вычисление их параметров»

План:

1. Определение параметров схемы в относительных единицах.

2. Составление схемы замещения с трансформаторными связями.

Литература: Л1 – с. 28-46, Л2 – с. 24-41, Л3 – с. 7-21.

1. Определение параметров схемы в относительных единицах

Сопротивления элементов, ЭДС источников питания, а также токи ветвей и напряжения в любых точках схемы замещения могут быть выражены в именованных или относительных единицах. Представление любых физических величин не в именованных, а в относительных единицах позволяет существенно упростить математические выкладки, придать результатам расчета большую наглядность и быстрее ориентироваться в порядке определяемых величин.

Под относительным значением какой-либо физической величины понимают ее отношение к одноименной физической величине, принятой за единицу измерения (базисные условия).

– относительная величина;

– в базисных условиях.

; ; ; .

Из четырех указанных значений произвольно можно выбрать две. Чаще всего это мощность и напряжение: , .

Тогда две другие величины рассчитываются:

; .

Выбранные базисные условия используются как для определения полных величин, так и для их составляющих:

; .

Базисные фазные и междуфазные напряжения связаны известным соотношением:

.

.

.

Это выражение позволяет рассчитать относительное сопротивление, если известно исходное именованное сопротивление.

Если для каких-либо элементов уже известны относительные сопротивления, то они приведены к номинальным условиям.

; .

Но непосредственно использовать эти относительные сопротивления в расчетах нельзя. Их необходимо предварительно привести к базисным условиям.

;

.

Принимают ; тогда относительная угловая скорость:

; .

В соответствии с этим в качестве базисных величин принимают:

- для индуктивности ;

- для потокосцепления ; (т.е. потокосцепление, индуктирующее при базисной угловой скорости базисное напряжение).

Следовательно:

;

;

.

(т.е. при таких условиях индуктивное сопротивление численно равно индуктивности, а потокосцепление – численно равно ЭДС).

2. Составление схем замещения при наличии трансформаторной связи

Для выполнения расчетов в схемах с трансформаторной связью необходимо составить схему замещения, в которой магнитные связи заменяют электрическими.

Для составления таких схем необходимо ЭДС источников и сопротивления элементов схемы привести к одной ступени напряжения (основной).

Это приведение осуществляют по соотношениям, известным из общей теории трансформаторов.

Рисунок 2.1

; ; .

– коэффициент трансформации определяется в направлении от выбранной основной к той ступени, элементы которой подлежат приведению.

Если приводимая ступень отделена от основной несколькими последовательными трасформациями, то под коэффициентом трансформации следует понимать произведение отдельных коэффициентов.

Рисунок 2.2

; .

Если нам известна именованная величина сопротивления, можно определить относительное сопротивление:

;

;

.

Однако на практике поступают иным способом. Если на основной ступени принято базисное напряжение, то соответствующая ему базисная величина напряжения на другой ступени будет связана с помощью коэффициента трансформации. Следовательно, базисные напряжения на других ступенях можно определить по напряжению на основной ступени и коэффициенту трансформации.

;

;

;

.

Значит, расчет сопротивлений ведут в такой последовательности:

1. Задавшись основной ступенью, принимают для нее базисные условия.

2. Рассчитывают базисные напряжения и токи на остальных ступенях трансформации.

3. По общим выражениям определяют относительные сопротивления, подставляя в них базисные значения напряжений и токов той ступени, на которой находится приводимый элемент.

Использование действительных значений коэффициентов трансформации соответствует точному приведению.

Метод приближенного приведения (для упрощения используется в практических расчетах).

При приближенном приведении номинальные напряжения всех элементов (кроме реактора), которые находятся на одной ступени трансформации (в т.ч. трансформатора), принимаются одинаковыми и равными средним номинальным напряжениям в соответствии со следующей шкалой:

1150; 750; 515; 340; 230; 154; 115; 37; 24; 20; 18; 15,75; 13,8; 10,5; 6,3; 3,15; 0,69; 0,4; 0,23; 0,127 кВ.

В этом случае коэффициенты трансформации трансформаторов будут определяться как отношения средних напряжений крайних ступеней:

;

.

Рисунок 2.3

Если на основной ступени в качестве базисного напряжения принять напряжение в соответствии с рекомендованной шкалой средних напряжений, то базисные напряжения на других ступенях также окажутся равными соответствующим средним напряжениям.

.

В этом случае упрощаются расчетные формулы:

; .

Для реактора:

.

СГ – ; ;

трансформатор – ;

реактор – .

Приведение схем замещения позволяет отказаться от трансформаторных связей. В этом случае токи и напряжения оказываются также приведенными к основной ступени, а это значит, что пересчет в именованных единицах с использованием базисных условий основной ступени дает действительные значения токов и напряжений только для основной ступени. Для того, чтобы определить истинное значение токов и напряжений на других ступенях, необходимо соответствующим образом использовать коэффициенты трансформации.

Пример.

Рисунок 2.4

G1: МВА; 6 кВ; .

G2: МВА; 6,3 кВ; .

LR: кВ; А; .

Т1: 25 МВА; 121/6,6 кВ; .

Т2: 25 МВА; 117/11 кВ; .

М: МВА; 6 кВ; .

Н: МВА; 10 кВ; .

Рисунок 2.5 - Схема замещения

Расчет ведем в относительных единицах методом точного приведения.

Задаемся базисными условиями:

МВА;

кВ;

кВ;

кВ;

;

;

;

кА;

;

;

;

;

;

.

Метод приближенного приведения

МВА; кВ; кВ;

;

;

кА;

;

;

;

;

;

;

.

о.е.

;

;

.

Тема №3:

«Переходный процесс в простейшей трехфазной сети»

План:

1. Исходные уравнения и их решения

2. Построение графических зависимостей

3. Ударный ток

4. Действующее значение тока

Литература: Л1 – с. 58-73, Л2 – с. 57-61, Л3 – с. 48-55.

1. Исходные уравнения и их решения

Под простейшей трехфазной цепью понимают цепь с сосредоточенными параметрами, в которой отсутствуют трансформаторные связи и которая питается от источника напряжения бесконечной мощности.

Под источником напряжения бесконечной мощности понимают такой источник, напряжение на шинах которого, изменяясь с постоянной частотой, имеет неизменную амплитуду и собственное сопротивление которого равно нулю.

Рассмотрим цепь (рис. 3.1).

Рисунок 3.1

Напряжение, например, в фазе А изменяется по синусоидальному закону

.

Параметр представляет собою фазу включения..

Задача состоит в определении законов изменения токов в фазах А, В, С после включения выключателя В, за которым установленная закоротка.

После включения выключателя схема делится на два независимых одна от другой цепи. Одна из них (левая с сопротивлениями ) остается подключенной к источнику напряжения, вторая представляет собой короткозамкнутый контур ().

Рассмотрим сначала процессы, которые протекают в короткозамкнутом контуре.

Для каждой фазы этого участка справедливо выражение

. (3.1)

Решение этого уравнения имеет вид

. (3.2)

Оно показывает, что в этом короткозамкнутом контуре протекает только свободный (апериодический) ток, который затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени

, с. (3.3)

Физически это означает, что ток в короткозамкнутом контуре будет поддерживаться на протяжении времени, которое необходимо для того, чтобы энергия магнитного поля, которая накоплена в индуктивности L ₁, не превратилась в тепло, выделенное на активном сопротивлении r ₁. Величина предыдущего мгновенного значения тока определяет начальное значение свободного тока в каждой фазе зашунтированного участка цепи в момент включения выключателя, поскольку в цепях с индуктивностью скачкообразного изменения тока быть не может.

Рассмотрим векторную диаграмму (рис.3.2).

Вращающиеся векторы , , , , , характеризуют предшествующий режим. Вертикаль tt является неподвижной линией времени. Мгновенные значения отдельных величин определяются как проекции на эту линию соответствующих векторов. Момент возникновения КЗ будем фиксировать значением угла , (т.е. фазой включения) между вектором напряжения фазы А и горизонталью.

Дата добавления: 2014-11-16