Общие сведения о переходных процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения о переходных процессах

1. Основные понятия и определения

Электрическая система - это условно выделенная часть электроэнергетической системы, в которой осуществляются 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 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 (СМ) и т.п.).

3. Аварийные переходные режимы возникают в ЭС при таких возмущениях (авариях), как: короткие замыкания, внезапные отключения элементов ЭС, повторные включения и отключения этих элементов, несинхронные включения СМ и т.п.

4. Послеаварийные установившиеся режимы наступают после отключения поврежденных элементов ЭС. При этом параметры послеаварийного режима могут быть как близкими к параметрам нормального (исходного) режима, так и значительно отличными от них.

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.

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 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. Расчет максимально возможных токов проводится для металлических КЗ. В электрических системах, работающих с заземленной нейтралью, различают четыре вида КЗ (см. таблицу). Из них наиболее часто возникает однофазное. Его вероятность возрастает с увеличением напряжения сети. Это связано с увеличением междуфазного расстояния (в среднем с 0.7 м в сети 6… 10 кВ оно увеличивается до 14 м в сети 500 кВ). Иногда в процессе развития аварии первоначальный вид короткого замыкания переходит в другой (например, однофазное КЗ - в двухфазное на землю).

Несимметричные КЗ, а также несимметричные нагрузки образуют в системе поперечную несимметрию. Нарушение симметрии какого-либо промежуточного элемента трехфазной сети (например, отключение одной фазы линии электропередачи) вызывает продольную несимметрию. Повреждения, сопровождающиеся многократной несимметрией (например, обрыв фазы с ее коротким замыканием), называются сложными.

2. Природа возникновения коротких замыканий

Из всего многообразия причин возникновения КЗ можно выделить несколько основных:

нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее

старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими

повреждениями;

механические повреждения элементов электрической сети (обрыв провода линии электропередачи и т.п.);

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.

3. Последствия коротких замыканий

Можно выделить несколько последствий КЗ:

Системная авария, вызванная нарушением устойчивости системы. Это наиболее опасное последствие коротких замыканий, оно приводит к значительным технико-экономическим ущербам.

Термическое повреждение электрооборудования, связанное с его недопустимым нагревом токами КЗ.

Механическое повреждение электрооборудования, вызывае мое воздействием больших электромагнитных сил между токоведущими частями.

Ухудшение условий работы потребителей. При понижении напряжения, например до 60…70% от номинального, в течение 1 с и более возможен останов двигателей промышленных предприятий, что в свою очередь может вызвать нарушение технологического процесса, приводящее к экономическому ущербу.

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.

4. Назначение расчетов коротких замыканий

Расчеты токов КЗ необходимы для достижения следующих целей:

определения условий работы потребителей в аварийных режимах;

выбора аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости;

проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики;

сопоставления, оценки и выбора схемы электрических соединений;

проектирования и проверки защитных устройств;

определения влияния линий электропередачи на линии связи;

определения числа заземленных нейтралей и их размещения в ЭС;

выбора разрядников;

анализа аварий;

10) подготовки к проведению различных испытаний в ЭС.

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.

5. Составление схем замещения и расчет их параметров

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 (см. таблицу на с. 55). В ней элементы соединены так же, как на расчетной схеме.

После составления схемы замещения рассчитываются ее параметры в именованных или относительных единицах, затем полученные значения приводятся к основной ступени напряжения.

Система относительных единиц

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.

Под относительным значением какой-либо величины следует понимать ее отношение к другой одноименной величине, принятой за базисную. Следовательно, перед тем как представить какие-либо величины в относительных единицах, надо выбрать базисные единицы.

За базисный ток и базисное линейное напряжение примем некоторые произвольные величины I₆, U_б. Тогда базисная мощность трехфазной цепи будет определяться формулой

а базисное сопротивление - формулой

Отсюда вытекает, что только две базисные величины могут быть выбраны произвольно, а остальные являются связанными. Следовательно, параметры электрической системы в относительных базисных единицах будут вычисляться по формулам

U_*б = U/U₆,

I_*б = I/I_б,

S_{* б} = S/S _б,

Z _*б = Z/Z _б.

Здесь U, I, S, Z - параметры в именованных единицах (В, А, ВА, Ом); индексы означают следующее: * - величина выражена в относительных единицах; б - величина приведена к базисным условиям.

Относительное сопротивление можно определить иначе:

Z _*б = Z/Z _б=

Частным случаем относительных базисных единиц являются относительные номинальные единицы, когда за базисные приняты номинальные единицы какого-либо элемента - U_HOM, I_HOM, S_HOM. В относительных номинальных единицах выражаются параметры генераторов, двигателей, трансформаторов, реакторов. В этом случае пересчет к базисным условиям производится следующим

(3.6)

Приведение параметров схемы к основной ступени напряжения

При наличии в расчетной схеме трансформаторов возникает необходимость приведения сопротивлений и ЭДС схемы, находящихся на разных ступенях трансформации, к одной ступени, принятой за основную. Приведение базируется на известной теории трансформатора, дающей для приведенных параметров следующие соотношения:

З= (k₁k₂…k_n) E,

Ы =(k₁k₂…k_n) U,

=(k₁k₂…k_n)²Z.

Здесь под коэффициентом трансформации k трансформатора или автотрансформатора понимается отношение междуфазного напряжения холостого хода его обмотки, обращенной в сторону основной ступени напряжения, к аналогичному напряжению его обмотки, находящейся ближе к ступени, элементы которой подлежат приведению.

Приведение в именованных единицах. Все сопротивления элементов схемы в этом случае должны быть выражены в омах. Для элементов, сопротивления которых приведены в относительных номинальных единицах (генераторов, трансформаторов и др.), выражения сопротивлений будут следующими:

Сопротивления некоторых элементов схемы ЭС, показанной на рис. 3.2 (за основную принята ступень 220 кВ), определяются так: генератора G

линии L4

трансформатора Т-4

электрический схема замыкание

Токи и напряжения, рассчитываемые в схеме, элементы которой приведены указанным образом, реальны только для ее основной ступени. Истинные токи и напряжения на других ступенях схемы находятся пересчетом по выражениям (3.8) и (3.9). Приведение в относительных базисных единицах. Выражения для сопротивлений некоторых элементов схемы (приведенных к ступени 220 кВ), показанной на рис. 3.2, в относительных базисных единицах имеют вид: генератора G

линии L4

(3.13)

трансформатора Т-4

(3.14)

Введем коэффициенты трансформации из формул (3.12) - (3.14) в базисное напряжение. Полученные выражения имеют тот же вид, что и (3.6):

где

U_б2= U_б1(1/k₁) U_б3= U_б1(1/k₁k₂) (3-15)

и представляют собой базисные напряжения на той ступени, где находится приводимое сопротивление. Следовательно, для расчета параметров схемы в относительных базисных единицах необходимо выбрать базисные единицы для одной из ступеней схемы, а затем по формулам (3.15) определить базисные напряжения для других ступеней. При этом базисные токи на каждой ступени рассчитываются следующим образом:

Затем в относительных базисных единицах рассчитываются все величины по выражениям (3.1) - (3.6), причем в каждом из указанных выражений под U_б, I_б, z₆ следует понимать базисные параметры той ступени трансформации, на которой находятся подлежащие приведению величины.

В рассмотренном приведении участвуют действительные коэффициенты трансформации, заданные в качестве исходных величин. «Такое приведение называется точным. В практических расчетах применяется приближенное приведение, позволяющее упростить выражения, уменьшить объем вычислений. Приближенное приведение заключается в том, |что для каждой ступени трансформации устанавливают среднее номинальное напряжение U_cp из следующей шкалы напряжений: 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.

При этом принимается, что номинальные напряжения всех элементов, кроме реакторов, находящихся на одной ступени, одинаковы и равны Ј/_ср. Коэффициент трансформации каждого трансформатора в этом случае равен отношению U_cp.B / U_cp.H(средненоминальных напряжений высшей и низшей обмоток). Коэффициент трансформации каскада трансформаторов будет определяться как отношение средненоминальных напряжений крайних ступеней, что упрощает приведение.

Размещено на Allbest.ru