Переходные процессы в электроэнергетических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородское высшее военно-инженерное командное училище

Кафедра электроснабжения

Лекция

Введение

Кстово - 2008

Введение

электрический замыкание цепь

Учебные и воспитательные цели:

ознакомить курсантов с целями, задачами и общим содержанием дисциплины, порядком прохождения тем, проведения текущего контроля и промежуточной аттестации (экзамена);

иметь представление о режимах работы электроэнергетических систем, знать основные понятия и определения по теории переходных процессов в электроэнергетических системах;

на прикладных примерах воспитывать заинтересованность в добросовестном изучении материала дисциплины.

Первые конструкции электрических машин отвечали только требованиям нормальной длительной работы и не рассчитывались на аварийные режимы. Это приводило к их серьезным повреждениям, например, при коротких замыканиях в питающей или распределительной сети.

Современная электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных элементов - генераторов, трансформаторов, ЛЭП, электродвигателей и т.д. Ее отдельные элементы и система в целом должны обладать высокой степенью надежности и экономичности, чтобы обеспечить электроснабжение районов страны, промышленных предприятий, военных объектов, коммунальных и сельскохозяйственных потребителей, транспорта. Надежность работы ЭЭС (даже при высокой надежности ее элементов) в большой степени зависит от того, насколько полно и правильно учтены возможные опасные проявления в них переходных процессов.

Однако исследование переходных процессов не является самоцелью. Познание их необходимо инженеру, чтобы в ряде случаев предотвратить их возникновение или, по крайней мере, облегчить условия протекания и разработать эффективные меры борьбы с их последствиями. Поэтому чем глубже знания переходных процессов, тем больше возможность управления ими. (Знать, чтобы управлять!).

Учебные цели сегодняшней лекции - ознакомить курсантов с целями, задачами и общим содержанием дисциплины, порядком прохождения тем, проведения текущего контроля и промежуточной аттестации (экзамена), а также уяснить основные понятия и определения по теории переходных процессов в электроэнергетических системах.

1. Цели, задачи, предмет изучения дисциплины

Дисциплина «Переходные процессы в электроэнергетических системах» относится к блоку специальных дисциплин и имеет целью подготовить инженера, знающего сущность физических явлений, происходящих в электроэнергетических системах при возмущениях нормального режима и способного реализовать полученные знания, умения и навыки в практической деятельности при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения военных объектов.

В результате изучения дисциплины обучаемые должны:

- иметь представление: об основных режимах электроэнергетических систем; о классификации переходных процессов в электроэнергетической системе;

- знать: причины возникновения, основные виды и особенности переходных процессов, характеристики их протекания и влияние на работу электрической системы и отдельных ее элементов; сущность физических явлений при протекании электромагнитных переходных процессов в электрических системах; особенности электромеханических переходных процессов, их влияние на функционирование и устойчивость электроэнергетических систем, устойчивость нагрузки при переходных процессах;

- уметь: применять положения теории переходных процессов для выполнения практических расчетов при выборе электрических аппаратов и элементов систем электроснабжения и для оценки устойчивости электрических систем; использовать нормативную, научно-техническую документацию и справочную литературу для решения практических задач по расчету и анализу характеристик переходных процессов;

- владеть: методами инженерного расчета и анализа токов короткого замыкания в трехфазных цепях, расчета токов несимметричных коротких замыканий; методикой проверки аппаратов и токоведущих устройств в электрических установках по условиям токов короткого замыкания.

- иметь опыт: использования прикладных программ для расчета переходных процессов в электроэнергетических системах.

Дисциплина изучается в тесной взаимосвязи с естественно-научными, общепрофессиональными и специальными дисциплинами.

Обеспечивающими дисциплинами являются: “Математика”, “Физика”, “Электромеханика”, “Теоретические основы электротехники”, “Электроэнергетика”, “Электропитающие системы и электрические сети”.

Для настоящей дисциплины существенно, прежде всего, то, что переходные процессы, происходящие в отдельных элементах электрических систем, изучаются в “Электромеханике” и “ТОЭ”, а в настоящей дисциплине - в их взаимосвязи. Здесь при постановке теоретических проблем и практических задач реализуется системный подход, т.е. учитывается множество связей между элементами системы, составляющими в совокупности подсистемы, и отдельными процессами, в них происходящими.

Можно, следовательно, сказать, что выявлению особенностей и качественно новых свойств, появляющихся при количественном изменении (объединении большого числа отдельных элементов в единую электрическую систему) и обучению понимания возникающих явлений посвящена данная дисциплина.

В свою очередь дисциплина “Переходные процессы в электроэнергетических системах” выступает основой для изучения дисциплин: “Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения”, “Электроэнергетика”, “Надежность электроснабжения”, “Системы электроснабжения”.

Предметом изучения дисциплины являются переходные взаимосвязанные электромагнитные и механические процессы в электрических системах и установившиеся режимы, как предшествовавшие переходным процессам, так и заканчивающие их.

Научной основой дисциплины являются: фундаментальные положения теории систем, теории управления, теории электрических цепей, их понятийный и аналитический аппарат, необходимый для качественно-количественного описания электромагнитных и электромеханических процессов в электроэнергетических системах и системах электроснабжения.

Назначение дисциплины состоит также в том, чтобы дать необходимые теоретические основы для решения практических задач, связанных с повышением надежности работы электрических систем. К числу этих задач, прежде всего, относятся:

Выбор электрических аппаратов, проводников и проверка их по условиям работы при коротких замыканиях.

Выявление условий работы потребителей при аварийных режимах.

Проектирование и настройка устройств релейной защиты и автоматики (РЗА).

Проектирование заземляющих устройств: определение числа заземленных нейтралей трансформаторов и расположение их в системе.

Анализ аварий в электрических системах.

Выбор систем возбуждения синхронных машин.

Обеспечение всех видов устойчивости электрических систем и узлов нагрузок.

Оценка допустимости и разработка методик проведения различных испытаний.

Решения, принимаемые по указанным вопросам, существенно влияют и на экономическую сторону принятия решений, в силу чего требуют достаточных экономических обоснований.

Структура и содержание дисциплины

Дисциплина состоит из введения, двух разделов (раздел 1 “Электромагнитные переходные процессы” общим объемом 52 часа занятий под руководством преподавателя; раздел 2 “Электромеханические переходные процессы” - 28 часов) и заключения. Учебным планом на самостоятельную работу курсантам по дисциплине предусмотрено 70 часов.

Раздел 1 включает две темы. В теме 1 «Короткие замыкания в трехфазных цепях» рассматриваются общие вопросы теории переходных процессов с реализацией уровня усвоения учебного материала - «знать» (во введении и на занятиях 1.1 - 1.4). Материал темы 1 (занятия 1.5 - 1.8) и темы 2 «Несимметричные короткие замыкания» содержит специальные вопросы теории электромагнитных переходных процессов с реализацией уровней обучения “знать”, “уметь” и “владеть”, достигаемых в ходе проведения лекций, семинарских, практических, лабораторных занятий и выполнения расчетного контрольного задания № 1. Раздел 2 включает темы 3 «Статическая и динамическая устойчивость электрических систем» и 4 «Переходные процессы в узлах нагрузки», отражающие сущность электромеханических переходных процессов в электроэнергетических системах с реализацией уровней обучения “знать” и “уметь”.

Основными видами учебных занятий по дисциплине являются лекции, семинары, лабораторные и практические занятия. Лекционные занятия раскрывают наиболее сложные, узловые теоретические вопросы учебного материала. Данный вид занятий позволяет логически стройно, последовательно изложить вопросы дисциплины, создавая основу для их продуктивной проработки на семинарских, лабораторных и практических занятиях. Семинарские занятия призваны развивать творческое мышление, закрепить и углубить знания, полученные на лекциях, привить навыки поиска, обобщения и устного изложения учебной информации.

Содержание практических и лабораторных занятий тесно увязано с потребностью знаний, умений и навыков при проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем. Практические занятия проводятся в составе учебной группы, а лабораторные занятия - в составе расчета из двух курсантов на ПЭВМ.

Основными видами текущего контроля знаний по дисциплине являются:

фронтальный или выборочный опрос в ходе всех видов занятий;

тестовый контроль на семинарах и лабораторных занятиях;

проведение письменных летучек на практических занятиях;

выполнение контрольной работы по разделу 1;

выполнение индивидуального контрольного задания по расчету токов несимметричных коротких замыканий.

Промежуточная аттестация по дисциплине осуществляется в форме экзамена. К экзамену допускаются обучаемые, защитившие отчеты по лабораторным работам и получившие положительные оценки по контрольной работе №1 и контрольному заданию № 1.

Выводы:

Цель настоящей дисциплины - научить будущего военного инженера понимать происходящие физические явления в любом переходном режиме, рассчитывать его и управлять им так, чтобы облегчить возможные последствия и тем более не допустить, чтобы они привели к технической и социально-экономической катастрофе.

Системный подход является особенностью изучения переходных процессов в настоящей дисциплине.

2. Общие сведения о переходных процессах в электроэнергетических системах

Прежде чем перейти к сути изучаемых явлений и методов, представляется необходимым ввести ряд определений и понятий. Любая техническая дисциплина имеет свою терминологию, которой следует придерживаться при исследованиях и практической реализации полученных результатов. Естественно, что часть этой терминологии пересекается с другими родственными дисциплинами электроэнергетических специальностей, а часть является самостоятельной. Основным объектом, изучаемым в дисциплине «Переходные процессы в электрических системах», является электроэнергетическая система (ЭЭС).

Энергосистема - совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей, вспомогательного оборудования и сооружений, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии.

ЭЭС - условно выделенная часть энергосистемы, в которой генерируется, преобразуется, передается и потребляется электрическая энергия (см. рисунок 1). Часть электрической системы, непосредственно осуществляющая снабжение электрической энергией потребителей, называется системой электроснабжения.

Рисунок 1. ЭЭС и ее элементы

Элементы ЭЭС можно разделить на две условные группы:

1. Силовые элементы - вырабатывающие (генераторы), преобразующие (трансформаторы, выпрямители, инверторы), передающие и распределяющие (линии электропередачи, сети) и потребляющие (потребители, нагрузки, электроприемники) электрическую энергию.

2. Элементы управления - реагирующие на возмущения и изменяющие состояние системы (регуляторы возбуждения, частоты, скорости вращения роторов синхронных машин, выключатели, устройства релейной защиты и автоматики).

Поведение электроэнергетической системы определяется ее режимом. Режим -- состояние системы, которое характеризуется показателями, количественно определяющими ее работу. Следует различать параметры режима и параметры системы.

Режим ЭЭС - некоторое ее состояние, определяемое значениями мощностей, напряжений, токов, частоты, схемой соединения элементов системы и другими физическими переменными величинами, характеризующими процесс функционирования системы. Относя термин «режим» к некоторому интервалу времени, обычно указывают величину или другие признаки этого интервала: предшествующий режим - режим работы электроустановки непосредственно перед моментом возникновения короткого замыкания; режим после отключения короткого замыкания; режим до срабатывания релейной защиты и т.п.

Параметры режима - показатели, определяющие работу системы. К ним относятся: значения мощности, напряжения, тока, частоты, углов сдвига векторов ЭДС и напряжений () и т.д.

Параметры системы - показатели, количественно определяющиеся физическими свойствами элементов системы, схемой их соединения и рядом допущений расчетного характера. К ним относятся: значения активных, реактивных и полных сопротивлений, собственных и взаимных проводимостей, коэффициентов трансформации, постоянных времени и т.п. Параметры режима связаны между собой соотношениями, в которые входят параметры системы. Например: I=U/R, где I, U - параметры режима, R - параметр системы.

Любые переходные режимы возникают в результате изменения параметров системы, вызванных какими-либо причинами. Эти причины называются возмущающими воздействиями.

Ряд параметров системы может нелинейно зависеть от параметров режима. Такая система называется нелинейной. Известно, что вследствие нагрева активное сопротивление проводника изменяется. Однако во многих практических задачах параметры этой системы можно полагать неизменяющимися, считая систему линейной. Другой вид нелинейности, который уже приходится учитывать, обусловлен характером соотношений между параметрами режима системы.

,

где R, х_C - параметры системы; Р, U, д - параметры режима.

Режим электрической системы может быть установившимся или переходным (неустановившимся). Различают следующие основные режимы электроэнергетических систем.

Нормальные установившиеся режимы, при которых значения параметров режима остаются неизменными или изменяются медленно и нерегулярно, в пределах, соответствующих нормальной работе элементов системы с оптимальными технико-экономическими характеристиками. Применительно к ним проектируется электрическая система, и определяются ее основные технико-экономические показатели.

Переходные режимы имеют место при переходе от одного установившегося режима к другому и характеризуются относительно быстрым и резким изменением параметров режима.

Нормальные переходные режимы возникают при нормальной эксплуатации электрической системы и связаны с переходом из одного нормального установившегося режима к другому; параметры в этих режимах близки к нормальным, хотя могут изменяться во времени достаточно быстро (включение и отключение каких-либо элементов системы, изменение нагрузки, несинхронные включения синхронных машин и т.п.).

Аварийные установившиеся и переходные режимы протекают в аварийных условиях (короткие замыкания, внезапные отключения, повторные включения и отключения, обрывы нагруженных фаз, выпадение из синхронизма синхронных машин и несинхронные включения их, нарушение устойчивой работы двигательной нагрузки и т.п.); аварийные переходные режимы характеризуются значительными изменениями параметров режима, выходящими за пределы допустимых значений. Для них определяются технические характеристики, связанные с длительностью ликвидации аварии и выясняются условия дальнейшей работы системы. Длительное существование аварийного переходного режима невозможно: электрическая система в этих условиях не может полностью или частично выполнять свои функции.

Послеаварийные установившиеся режимы наступают после аварийного отключения одного или нескольких элементов системы с целью ликвидации аварии и сопровождаются изменением структуры системы. Параметры этого режима могут существенно отличаться от параметров нормального режима. В послеаварийном режиме система может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с доаварийным режимом.

Для электроустановок характерны 4 режима: нормальный, аварийный, послеаварийный, ремонтный. Из них аварийный режим является кратковременным, остальные - продолжительными. Электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных, определяющим из которых является режим короткого замыкания. По режиму короткого замыкания электрооборудование проверяется на электродинамическую и термическую стойкость, а коммутационные аппараты - на коммутационную способность.

Режим короткого замыкания - режим работы электроустановки при наличии в ней короткого замыкания.

Переходные режимы связаны с возникновением переходных процессов, при которых происходит изменение электрического состояния элементов системы, обусловленное как естественными причинами, так и работой устройств автоматики.

Процесс - последовательная смена состояний, стадий развития; совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата.

Переходный процесс в ЭЭС - явление, возникающее при переходе от одного режима системы к другому, отличающемуся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров, структурой системы.

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.

Электромагнитный переходный процесс - процесс изменения во времени только электромагнитных параметров режима электроустановки без учета влияния на них изменения частоты вращения синхронных генераторов электрической системы. Длительность их протекания от сотых долей до 0,1...0,2 с. с частотой 50-150 Гц.

Электромеханический переходный процесс - переходный процесс, характеризуемый одновременным изменением значений электромагнитных и механических величин, определяющих состояние электроустановки. Скорость их протекания изменяется от 10 до 50 Гц.

Переходный процесс, начавшийся в момент возмущения режима в линейной системе, теоретически длится бесконечно долго. Поэтому практически считают, что переходный процесс закончился и наступил установившийся режим, если характеризующие его параметры отличаются от своих установившихся значений на некоторую конечную величину, значение которой относительно невелико.

В любых переходных процессах происходят закономерные последовательные изменения параметров режима системы, вызванные какими-либо причинами, называемыми возмущающими воздействиями. Они создают начальные отклонения параметров режима - возмущения режима.

Как уже отмечалось, нормальные переходные процессы сопровождают текущую эксплуатацию системы. Они связаны в основном с изменениями нагрузки системы, реакцией на это регулирующих устройств и возникают при обычных эксплуатационных операциях: включении и отключении отдельных элементов системы или изменениях их мощности. При нормальной эксплуатации даже в установившемся режиме реальной электрической системы всегда имеются малые возмущающие воздействия, вызывающие малые возмущения режима (изменение нагрузки). Следовательно, действия регулирующих устройств происходят непрерывно. Это означает, что строго неизменного режима в системе не существует, и, говоря об установившемся режиме, всегда имеют в виду режим малых возмущений (см. рисунки 2-4). При этом предполагают, что отклонения параметров режима, связанные с этими возмущениями, происходят около некоторого условно принятого среднего исходного состояния. Поэтому при малых колебаниях параметров режим допустимо считать установившимся.

Малые возмущения не должны вызывать нарушения устойчивости системы, то есть не должны приводить к утяжелению режима -- прогрессивно возрастающему изменению параметров ее исходного режима. Иначе говоря, электрическая система должна обладать статической устойчивостью.

Статическая устойчивость - это способность системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или режим, весьма близкий к исходному, если возмущающее воздействие не снято. Для увеличения статической устойчивости необходим учет действия регуляторов возбуждения, особенно так называемых «сильного действия» с высоким «потолком возбуждения» и регулированием по отклонению нескольких параметров режима и скорости их изменения (по производным).

Нормальные и аварийные переходные процессы при больших возмущениях в электрической системе возникают вследствие резких и существенных изменений параметров режима: при коротких замыканиях и последующем их отключении; при изменении схемы соединения системы; при нормальном включении или отключении линий электропередачи; при включении генераторов или крупных электродвигателей методом самосинхронизации и в некоторых Других случаях. Все это приводит к значительным отклонениям параметров Режима от их исходного состояния, при которых необходимо учитывать нелинейности системы. По отношению к большим возмущениям вводят понятие динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость - способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное состояние или близкое к исходному, допустимому по условиям эксплуатации системы. Для повышения динамической устойчивости требуется форсировка возбуждения генераторов, быстрое отключение аварийных участков, применение специальных тормозящих устройств, отключение части генераторов и части нагрузки устройствами автоматической разгрузки по частоте (АЧР). Уменьшение передаваемой мощности будет способствовать сохранению в работе основной части системы.

Если после большого возмущения синхронная работа частей объединенной системы нарушается, а затем, после некоторого, допустимого по условиям эксплуатации перерыва, восстанавливается, то система считается имеющей результирующую (синхронную динамическую) устойчивость. Увеличение результирующей устойчивости обычно рассматривается как повышение живучести системы. Это достигается в первую очередь регулированием мощности, выдаваемой генераторами и автоматическим отключением части потребителей.

Рисунок 2. Изменения параметров нормального режима системы:

U - напряжение на шинах подстанций, питающей нагрузку;

Р_н - поток мощности, потребляемой нагрузкой Н; f- частота в системе. Индекс 0 означает номинальное (нормальное) значение

Рисунок 3. Изменение параметров при нормальных переходных режимах в системе:

а - схема системы; б--отключение линии электропередачи Л₁, питающей подстанцию от генератора Г₁; U₁ - напряжение на шинах подстанции П₁, Р₁- поток мощности от генератора, в - включение мощного генератора Г₂ и набор им нагрузки; U - напряжение на шинах подстанции П₂, -- поток мощности от генератора Г₂, (индекс 0 - начальное значение, 1, 2- установившееся)

Рисунок 4. Переходный аварийный режим в системе. (Короткое замыкание в точке К на одной из линий электропередач вблизи шин питающей подстанции 1 и последующее отключение этой линии. Система остается устойчивой. U1,U2 - напряжение на шинах подстанций 1 и 2; Р₁ - поток мощности от генератора; f₁ - частота в системе.)

Выводы:

Переходные процессы обусловлены переходом ЭЭС из одного установившегося режима к другому.

Любые переходные процессы возникают в результате изменения параметров системы, вызванного какими-либо причинами. Эти причины называются возмущающими воздействиями.

Наиболее тяжелыми являются аварийные переходные процессы, обусловленные короткими замыканиями в элементах ЭЭС.

В аварийном переходном процессе можно выделить 2 стадии:

электромагнитный переходный процесс - процесс изменения во времени только электромагнитных параметров режима электроустановки без учета изменения частоты вращения роторов синхронных генераторов;

электромеханический переходный процесс - характеризуется одновременным изменением значений электромагнитных и механических величин, определяющих состояние электроустановки.

Расчет токов начального режима короткого замыкания является главной задачей на стадии электромагнитного переходного процесса, а на стадии электромеханического - оценка устойчивости системы.

Устойчивость системы бывает статической, динамической и результирующей.

Заключение

Рассмотренные на лекции цели, предмет и задачи дисциплины «Переходные процессы в электроэнергетических системах», основные понятия и определения являются основой для правильного понимания теоретических положений решения практических задач по анализу систем электроснабжения и проектированию электроустановок.

Вопросы для контроля пройденного материала:

Какие задачи решаются при изучении переходных процессов?

Каковы отличия изучения переходных процессов в ЭЭС от переходных процессов, изучаемых в ТОЭ?

Какие задачи решаются на стадии электромагнитного переходного процесса?

Что такое результирующая устойчивость системы?

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал лекции по конспекту.

2. То же по рекомендованной литературе: [1], с. 9-10. [3], с. 8, 10. [5], с. 4-10.

Литература

1. Папков Б.В. Токи короткого замыкания в электрических системах: Учеб. пособие. - Н. Новгород: НГТУ, 2005. - С. 10-22.

2. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: Учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - С. 9-10.

3. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев, В.А. Старшинов и др.; Под ред. И.П. Крючкова и В.А. Старшинова. - М.: Изд. центр «Академия», 2005. - С. 8, 10.

4. Электротехнический справочник в 4-х томах. Т.З. Производство, передача и распределение электрической энергии. Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - 8 изд. перераб. и доп. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - С. 6-7.

5. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учебник для электроэнергетических спец. вузов. - М.: высш. шк., 1985 - С. 9-20.

6. Крючков И.П. Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах: Учебное пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2000. С. 4-6.

Размещено на Allbest.ru