Электромагнитные переходные процессы в электрических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Энергетический институт

Направление - Электроэнергетика

Кафедра электроэнергетических сетей и систем

Курсовая работа

Электромагнитные переходные процессы в электрических системах

Исполнитель студент

группы 9А82:

Смородинов В.С.

Руководитель

доцент кафедры ЭСС:

Абеуов Р.Б.

Томск 2011

Введение

напряжение изоляция замыкание электрический

Целью работы является усвоение практических методов расчетов основных параметров тока и напряжений при симметричном и несимметричном КЗ. Под переходными процессами понимается неустановившиеся состояние, причиной которых является разнородные возмущения (КЗ, сбросы и набросы мощности, отключение ЛЭП, трансформаторов и т.д.).

КЗ в электрических системах вызываются повреждением фазовой и линейной изоляции токоведущих частей. Основными причинами нарушения изоляции являются: прямые удары молний в токоведущие части, перетирание изоляции при неправильных операциях с разъединителями, старение изоляции, механические повреждения кабелей и т.д.

КЗ сопровождаются понижением уровня напряжения и резким увеличением тока. Особенно вблизи места повреждения. Резкое понижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и к системной аварии.

КЗ сопровождается переходным процессом, при котором значение токов и напряжений, а также характер их изменения во времени зависит от соотношения мощностей и сопротивлений источников питания и цепи, в которой произошло повреждение. В связи с этим все виды КЗ можно условно разделить на 2 группы: КЗ в цепях питающихся от шин неизменного напряжения и КЗ вблизи генератора ограниченной мощности.

Шиной неизменного напряжения считают такой источник напряжения, на зажимах которого остается практически неизменным при любых изменениях тока в подключенной к нему цепи.

Ко второй группе относятся повреждения, происходящие на выводах генераторов или на таком удалении от них, что сопротивление цепи КЗ соизмеримо с сопротивлениями генераторов. В этом случае изменение параметров самого генератора при КЗ существенно влияет на ход процесса и им нельзя пренебречь.

1. Исходные данные

Рис. 1. Принципиальная схема электрической системы

1.1 Параметры оборудования

Таблица 1

Гидрогенераторы ГГ-1 - ГГ-4
Тип	SНОМ, МВА	UН, кВ	xd”, о.е.	IНОМ, кА	сosцн
ВГС-440/120-20	27.5	6,3	0,21	2,520	0,8

Таблица 2

Трансформаторы Т1, Т2 (с расщепленной обмоткой)
Тип	SНОМ, МВА	UВН, кВ	UНН1-НН2, кВ	UК, %
ТДН-4000/115	40	115	6,3	10,5

Таблица 3

Автотрансформаторы АТ4, АТ5
Тип	SНОМ, МВА	UВН, кВ	UСН, кВ	UНН, кВ	UКВ-С, %	UКВ-Н, %	UКС-Н, %
АТДЦТН-250000/230	250	230	121	11	11	32	20

Таблица 4

Трансформатор Т3
Тип	SНОМ, МВА	UВН, кВ	UНН, кВ	UК, %
ТДН-10000/115	10	115	11	10,5

Таблица 5

Синхронный двигатель СД-1
Тип	SНОМ, МВА	UН, кВ	IПУСК, о.е.	IНОМ, кА	сosцн
СТД-4000-2	4,5	6	6,7	0,438	0,89

Таблица 6

Асинхронный двигатель АД-2
Тип	SНОМ, МВА	UН, кВ	IПУСК, о.е.	IНОМ, кА	сosцн
АТД-5000	5,46	6	5,6	0,525	0,915

Таблица 7

Длина ЛЭП, км
Л1	Л2	Л3	Л4	Л5
45	45	30	70	15

Примечания к табл. 7

Все ЛЭП - 110 кВ выполнены проводом АС-240 (X = 0,4 Ом/км);

ЛЭП - 35 кВ выполнены проводом АС-120 (X = 0,4 Ом/км).

Исполнение линий: Л1, Л2, Л3 - одноцепные со стальным тросом,

Л4 - двухцепная с хорошо проводящим тросом,

Л5 - одноцепная без троса.

Таблица 8

Система
UС, кВ	SКЗ, МВА
226	2550

2. Расчет режима трехфазного короткого замыкания в сложной электрической системе

Для электрической системы, упрощенная принципиальная схема которой приведена на Рис. 1, выполнить расчет трехфазного к.з. в указанной точке.

При расчете определить:

I_П0, I_Пt - действующие значения периодической слагающей тока к.з. в точке к.з. и протекающего через выключатель с тем же номером, что и номер точки к.з., соответственно, для t = 0; 0,2 с;

I_у - ударные токи к.з., соответствующие I_П0;

i_аt, I_t, S_Kt - апериодическую слагающую, действующее значение полного тока к.з. и мощность к.з., протекающие через выключатель для t = 0,2 с;

распределение периодических слагаемых токов по ветвям схемы и остаточных линейных напряжений в ее узлах для начального момента времени.

2.1 Составление электрической схемы замещения, расчёт сопротивлений и ЭДС элементов системы

Расчет проведем в системе относительных единиц (о.е.) при приближенном учете коэффициентов трансформации.

Базисные условия:

S_Б = 1000 МВА;

U_Б1 = 6,3 кВ на ступенях схемы с U_Н = 6 кВ;

U_Б2 = 115 кВ на ступенях схемы с U_Н = 110 кВ;

U_Б3 = 230 кВ на ступенях схемы с U_Н = 220 кВ.

Определим базисные токи:



Схема замещения электрической сети приведена на Рис. 2.

Расчет параметров схемы замещения системы:

1) Гидрогенераторы ГГ-1 - ГГ-4

2) Трансформаторы Т1, Т2

3) Автотрансформаторы АТ4, АТ5



4) Трансформатор Т3

5) Синхронный двигатель СД-1

6) Асинхронный двигатель АД-2



7) ЛЭП Л1 - Л4

8) Система

2.2 Упрощение схемы замещения

Обмотки низкого напряжения X_*201 и X_*301 трансформаторов АТ4 и АТ5 работают на холостом ходу, поэтому будем учитывать их только в схеме замещения нулевой последовательности, во второй части курсовой работы.

а)



Рис. 2. Схема замещения электрической сети



б)

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям а)



в)

Рис. 4. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям б)

г)

Рис. 5. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям в)

д)

Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям г)



е)

Рис. 7. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям д)

ж)

Рис. 8. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая упрощениям е)

Периодическая составляющая тока к.з.:

2.3 Расчет коэффициентов токораспределения

Коэффициент токораспределения ветви С_i численно равен току, протекающему по этой ветви I_i при условии, что суммарный ток в месте к.з. принят за единицу, т.е.

а)

Рис. 9. К определению коэффициентов токораспределния

б)

Рис. 10. К определению коэффициентов токораспределния



Проверка:

в)

Рис. 11. К определению коэффициентов токораспределния

Проверка:

г)

Рис. 12. К определению коэффициентов токораспределния

Проверка:



д)

Рис. 13. К определению коэффициентов токораспределения

Проверка:



е)

Рис. 14. К определению коэффициентов токораспределения

Проверка:



Проверка:

ж)

Рис. 15. К определению коэффициентов токораспределния



Проверка:

2.4 Расчет параметров аварийного режима для начального момента времени t = 0 с

1. Параметры тока к.з в месте к.з.:

Периодическая составляющая тока к.з. (действующее значение):

Ударный ток к.з.:

,

где

- ударный коэффициент сборной шины 6-10 кВ станций с генераторами мощностью 30-60 МВт [1, табл. П 1.5, стр. 44]

Наибольшее действующее значение полного тока к.з.:

2. Параметры тока к.з., протекающего через генераторный выключатель:

Из значений коэффициентов токораспределения, видно, что максимальное значение тока, протекающего через выключатель, будет иметь место при к.з. на клеммах ГГ-1, т.е. когда через выключатель протекают токи всех источников, за исключением тока, собственно от ГГ-1.

Действующее значение периодической слагаемой тока к.з. протекающего через выключатель:



Ударный ток, действующий на выключатель:

3. Периодические слагаемые токов источников питания, приведенные к ступеням напряжения этих источников:

Периодическая слагаемая тока, приведенная к U_Бi в любой ветви (i) схемы, определяется по выражению:

ГГ-1:

ГГ-2:

ГГ-3:

ГГ-4:

СД-1:

АД-2:

Система:

2.5 Расчет остаточных напряжений в узлах схемы для времени t = 0 с

Узел 1:

Узел 2:



Узел 3:

2.6 Расчет токов короткого замыкания для времени t = 0,2 с

Для системы периодическая слагаемая во времени не изменяется. Для источников конечной мощности периодическая слагаемая тока с течением времени может затухать, что определяется их удаленностью от места к.з. Для расчета периодической составляющей тока к.з. в произвольный момент времени t используется метод типовых кривых, персональных для синхронных генераторов, синхронных двигателей и асинхронных двигателей.

Для каждого источника питания: СГ, СД и АД определяется отношение периодической составляющей тока к.з. источника в начальный момент времени к его номинальному току.

Эти отношения указывают на условную электрическую удаленность источника от точки к.з. Чем больше указанное отношение, тем ближе источник точке к.з.

Для генерирующих источников рассматриваемой схемы имеем:



По типовым кривым [1, рис. П1.8-П.1.11, стр. 50-52] для момента времени t = 0,2 с определяем г:

Действующее значение периодической слагаемой для t = 0,2 с в месте к.з.:

Действующее значение периодической слагающей тока к.з., протекающего через выключатель, для t = 0,2 c:

Значение апериодической составляющей тока к.з., протекающей через выключатель, при t = 0,2 c:

, где

- коэффициент для сборной шины 6-10 кВ станций с генераторами мощностью 30-60 МВт [1, табл. П 1.5, стр. 44]

Действующее значение полного тока к.з., протекающего через выключатель, при t = 0,2 с:

Мощность к.з., отключаемая выключателем, для t = 0,2 c:

3. Расчет режима несимметричного короткого замыкания в сложной электрической сети

Для электрической системы, исходная схема которой приведена на рис. 1, выполнить в заданной точке расчет несимметричного короткого замыкания.

При расчете для момента t=0 определить:

I^(п)_п0 - действующее значение периодической составляющей тока к.з.;

i_у - ударный ток к.з.;

фазные токи для ВЛ, связывающей точку к.з. с узлом схемы, обозначенного символом ;

построить векторные диаграммы токов (в точке к.з. и для ВЛ1) и напряжений (в точке к.з. и в точке остаточного напряжения );

3.1 Схема замещения прямой последовательности

а)

Рис. 16. Схема замещения прямой последовательности исходной схемы



б)

Рис. 17. Схема замещения прямой последовательности, соответствующая упрощениям а)

в)

Рис. 18. Схема замещения прямой последовательности, соответствующая упрощениям б)

г)

Рис. 19. Схема замещения прямой последовательности, соответствующая упрощениям в)

3.2 Схема замещения обратной последовательности

Схема обратной последовательности по структуре полностью совпадает со схемой прямой последовательности. Отличие схемы обратной последовательности состоит в том, что в ней ЭДС всех генерирующих источников питания принимаются равными нулю, а в месте короткого замыкания приложено напряжение обратной последовательности (U_К2). Кроме того, для генераторов сопротивление обратной последовательности x_2Г ? 1,22x”_d; для всех прочих элементов сопротивление обратной и прямой последовательности одинаковы. В практических расчетах можно принимать x_2Г ? x”_d. В силу этого допущения имеем

Рис. 20. Схема замещения обратной последовательности

3.3 Схема замещения нулевой последовательности

Схема нулевой последовательности существенно отличается от схемы прямой последовательности и в значительной мере определяется соединением обмоток трансформаторов. Началом схемы нулевой последовательности считают точку, в которой объединены ветви с нулевым потенциалом, а ее концом - место к.з., в которой приложено U_К0.

Для рассматриваемого примера схема нулевой последовательности представлена на рис. 21. В нее входят все ВЛ - 110 кВ, автотрансформаторы АТ4, АТ5 обмотками высокого и низкого напряжения, трансформаторы Т1 и Т2 и «система».

Для автотрансформаторов (АТ4, АТ5), трансформаторов (Т1, Т2, Т3) и «системы» сопротивления нулевой последовательности равны сопротивлениям прямой последовательности. Сопротивления нулевой последовательности ЛЭП существенно больше сопротивления прямой последовательности. В упрощенных практических расчетах сопротивление нулевой последовательности (x₀) ВЛ допускается определять через коэффициент k = x₀/x₁, значение которого зависит от конструктивного исполнения ЛЭП.

Для Л1-Л3 (одноцепные со стальным тросом) k = 3,0, для Л4 (двухцепная с хорошо проводящим тросом) k = 3,0 [1, табл. П2.1, стр. 58].

a)



Рис. 21. Схема замещения нулевой последовательности

б)



Рис. 22. Схема замещения нулевой последовательности, соответствующая упрощениям а)

в)

Рис. 23. Схема замещения нулевой последовательности, соответствующая упрощениям б)

г)



Рис. 24. Схема замещения нулевой последовательности, соответствующая упрощениям в)

д)

Рис. 25. Схема замещения нулевой последовательности, соответствующая упрощениям г)



е)

Рис. 26. Схема замещения нулевой последовательности, соответствующая упрощениям д)

3.4 Расчет параметров аварийного режима в точке к.з.

Согласно методу симметричных составляющих, расчет несимметричных к.з. приводит к правилу эквивалентности тока прямой последовательности, в соответствии с которым ток прямой последовательности любого несимметрично к.з. в реальной точке «К» числено равен току трехфазного к.з. в некоторой фиктивной точке, удаленной от реальной точки на дополнительной реактанс x_Д.

Рассчитываем составляющие I и U в месте двухфазного к.з. на землю для особой фазы «А» [1, табл. П2.3, стр. 64].

Ток прямой последовательности:

,

где

- определяется для двухфазного к.з. на землю [1, табл. П 2.2, стр. 62]:

Ток обратной последовательности:

Ток нулевой последовательности:

Модуль периодической слагаемой тока поврежденных фаз (B,C):

, где

- коэффициент пропорциональности [1, табл. П 2.2, стр. 62]

Ударный ток к.з.:

,

где

- ударный коэффициент системы, связанной с шинами, где рассматривается к.з. ВЛ с напряжением 110 кВ [1, табл. П 1.5, стр. 44]

3.5 Расчет фазных токов, протекающих в ЛЭП

Для Л1 (элемент схемы замещения Х6) коэффициенты токораспределения:

Тогда симметричные составляющие токов фазы «А» Л1 в расчете на одну цепь:

Фазные токи Л1:



Для построения векторной диаграммы токов по месту к.з. имеем симметричные составляющие токов:

3.6 Расчет остаточного напряжения в узле

Симметричные составляющие напряжения в месте к.з. особой фазы «А»

в относительных единицах:

в именованных единицах:



Остаточные фазные напряжения в точке к.з.:

Расчет остаточных напряжений в узле схемы.

Симметричные составляющие остаточного напряжения:

Фазные остаточные напряжения в узле :

Линейные остаточные напряжения в узле :

3.7 Векторные диаграммы

а)

m_I = 0,5 кА/см

I_КА1 = 1,624 кА

I_КА2 = -0,78 кА

I_КА0 = -0,844 кА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

m_U = 10 кВ/см

U_КА1 = j22,426 кВ

U_КА2 = j22,426 кВ

U_КА0 = j22,426 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 27. Векторная диаграмма токов (а) и напряжений (б) в точке К^(1,1)

а)

m_I = 0,4 кА/см

I_КА = 0,285 кА

I_КB = 1,386e^j(-108,513) кА

I_КC = 1,386e^j(108,513) кА

б)

m_U = 10 кВ/см

U_А = 65,278e^j(90) кВ

U_B = 28,046e^j(-57,52) кВ

U_C = 28,046e^j(-122,48) кВ

U_АB = 83,736e^j(106,4) кВ

U_CA = 83,736e^j(-106,4) кВ

U_BC = 47,286 кВ



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 28. Векторная диаграмма токов (а) в Л1 и напряжений (б) в узле ?

Заключение

В данной курсовой работе были произведены расчеты режимов трехфазного (симметричного) и двухфазного (несимметричного) коротких замыканий на землю.

Расчеты режимов КЗ трехфазных симметричных схем производятся на одну фазу вследствие подобия явлений, происходящих в каждой из фаз, и равенства значений одноименных величин. Расчет был произведен для момента времени, когда происходит КЗ (t = 0) и в момент отключения КЗ (t = 0,2 c), т.е. срабатывания релейной защиты. Таким образом, для первого из случаев был произведен аналитический расчет изменения тока, а для второго был применен метод типовых кривых. Номер кривой определяет условную удаленность источника питания от места КЗ.

При несимметрии в произвольной точке системы, которая может быть поперечной при коротком замыкании между фазами или между фазой и землей, или продольной - при неодинаковых сопротивлениях в фазах и обрывах, явления по фазам различны. Неодинаковы в том случае величины токов и напряжений, а также узлы сдвига между ними. Для нахождения токов и напряжения в любой фазе несимметричной системы необходимо составить трехфазную схему замещения и написать необходимое число уравнений с учетом взаимоиндукции, что сильно усложняет решение задачи, особенно для синхронных генераторов.

Сравнительно прост расчет несимметричных режимов в трехфазных схемах с помощью метода симметричных составляющих. Вычисление токов и напряжений при несимметричных КЗ сводится к вычислению этих величин при некотором фиктивном трехфазном КЗ. А это предоставляет возможность воспользоваться однолинейной схемой замещения и производить расчет на одну фазу. В этом состоит одно из достоинств метода симметричных составляющих.

Для двухфазного замыкания на землю будут являться граничными следующие условия:

Так для рассмотренного случая:

Из векторной диаграммы также видно, что для рассмотренного случая граничные условия выполняются.

Cписок используемой литературы

1. Готман В.И., Хрущёв Ю.В. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Учебное пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Электромагнитные переходные процессы в электрических системах», Томск: изд-во ТПУ, 2002, 68 с.

2. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: «Энергия», 1970, 420 с.

Размещено на Allbest.ru

...