Несимметричные переходные процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Переходные процессы в электроэнергетических системах»

Тема: «Несимметричные переходные процессы»

Атырау - 2023



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основная часть

1. Причины возникновения переходных процессов и их последствия

2. Переходные процессы при нарушении симметрии трехфазной цепи

3. Метод симметричных составляющих

4. Использование метода симметричных составляющих для анализа несимметричных коротких замыканий

5. Появление высших гармоник при несимметричных коротких замыканиях

Заключение

Список использованных источников



Введение

Переходные процессы возникают в электроэнергетических системах как при нормальной эксплуатации (включение/отключение нагрузок, источников питания, отдельных частей электроэнергетической системы), так и в аварийных условиях (короткое замыкание (КЗ), обрыв нагруженной цепи, выпадение электрических машин из синхронизма).

Переходные процессы в ЭЭС - процесс перехода от одного установившегося режима работы электроустановки к другому.

Все переходные процессы в ЭЭС существенно влияют на выбор

структуры схемы, выявление условий работы ЭЭС в аварийных режимах, выбор средств управления, регулирования, защиты и противоаварийной автоматики. нарушение симметрии трехфазная цепь

Электрооборудование, предназначенное для работы в электроустановках, выбирается в два этапа. Первый этап - по параметрам длительного режима, включая допустимые перегрузки. Второй этап -проверка выбранного оборудования по условиям его работы при электромагнитных переходных режимах, определяющими из которых являются короткие замыкания.

Целью изучения электромагнитных переходных процессов является:

- формирование необходимых знаний о причинах возникновения и физической сущности этих процессов;

- разработка практических методов их количественной оценки;

- предвидение опасных последствий и умение заранее их предотвратить.

При любом переходном процессе изменяется электромагнитное

состояние элементов системы и нарушается баланс между механическим моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом, то есть некоторые машины тормозятся, а некоторые ускоряются.

Из сказанного следует, что переходные процессы можно разделить на две составляющие:

- электромагнитный переходный процесс;

- электромеханический переходный процесс.

Они взаимосвязаны и представляют единое целое.

В силу большой инерции вращающихся частей машин начальная стадия ПП характеризуется преимущественно электромагнитными изменениями.

При относительно малых возмущениях (например, КЗ за большим сопротивлением или, как говорят, при большой удаленности КЗ) весь переходный процесс практически можно рассматривать только как электромагнитный, то есть в этом случае при большой электрической удаленности представляется возможным и целесообразным рассматривать только одну сторону переходного процесса, а именно явления электромагнитного характера. Электромагнитный переходный процесс характеризуется изменением значений только электромагнитных величин электроустановки (тока, напряжения, частоты и т. д.)

При возникновении переходного процесса в ЭЭС, он одновременно протекает в источниках питания, электрических сетях, нагрузках. При этом в источниках питания приходят в действие автоматические регулирующие устройства, например, автоматическое регулирование возбуждения (АРВ), и поэтому напряжения всех источников питания являются переменными величинами.



Основная часть

1. Причины возникновения переходных процессов и их последствия

Причинами переходных процессов в электроэнергетических системах являются:

- включения, отключения и переключения источников электрической энергии, трансформаторов, ЛЭП, электроприемников и других элементов;

- появление несимметрии токов и напряжений в результате обрывов фаз ЛЭП, отключения отдельных фаз, несимметричных изменений нагрузки;

- внезапные набросы и сбросы нагрузки;

- форсировка и расфорсировка возбуждения синхронных генераторов;

- асинхронный ход синхронных машин после выпадения из синхронизма;

- АПВ короткозамкнутых цепей;

- атмосферно-климатические воздействия на элементы электрической системы;

- основной причиной возникновения переходных процессов являются короткие замыкания.

Последние, в свою очередь, являются результатом нарушения изоляции электрического оборудования.

Причинами нарушения изоляции электрического оборудования являются:

- естественное старение изоляции и потеря ею своих свойств;

- механические повреждения изоляции при производстве работ;

- возникновение КЗ за счет перекрытия изоляции перенапряжениями, возникающими при атмосферно-климатических воздействиях;

- преднамеренные КЗ, вызываемые действием установленных короткозамыкателей (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или, наоборот, могут отражаться на всей системе.

Основные негативные последствия КЗ:

- снижение сопротивления электрической сети и увеличение тока до максимума, снижение напряжения в узлах электрической сети;

- динамическое воздействие (механические усилия) на токоведущие части электроустановок, генераторы, электрические аппараты, нагрузки и т. д.;

- термическое воздействие на токоведущие части, электрические машины, аппараты и их изоляцию;

- нарушение бесперебойного электроснабжения потребителей.

Существуют производства, которые вообще не допускают перерывов в подаче электроэнергии (1 категория);

- снижение электромагнитного момента на валу электродвигателей за счет снижения напряжения, что влечет снижение производительности машин и механизмов;

- нарушение параллельной работы генераторов энергосистемы;

- помехи в линиях связи, радио и телепомехи при несимметричных КЗ.

Если своевременно не отключить КЗ, может произойти нарушение устойчивости электрической системы, что является наиболее опасным последствием КЗ.



2. Переходные процессы при нарушении симметрии трехфазной цепи

2.1 Общие положения и допущения

Наряду с симметричными переходными процессами в электроэнергетических системах наблюдаются и несимметричные режимы, которые возникают вследствие несимметричных коротких замыканий или обрыва одной или двух фаз в сети. При КЗ проявляется поперечная несимметрия, а при обрыве фаз - продольная. Наибольшие увеличения токов происходят при КЗ, поэтому рассмотрим эти несимметричные процессы.

Согласно статистике в трехфазных сетях СЭС наиболее часто возникают следующие виды КЗ: двухфазное, однофазное, двойное и двухфазное на землю. Эти виды КЗ характеризуются несимметрией.

Несимметрией трехфазной электроустановки называют неравенство значений параметров элементов ее фаз.

Продольная несимметрия - несимметрия трехфазной электроустановки, обусловленная последовательно включенным в ее цепь несимметричным трехфазным элементом.

Поперечная несимметрия - несимметрия трехфазной электроустановки, обусловленная КЗ одной или двух фаз на землю или двух фаз между собой.

Однократная несимметрия - продольная или поперечная несимметрия, возникающая в одной точке СЭС.

Сложная несимметрия - несимметрия трехфазной электроустановки, представляющая собой комбинацию из продольных и поперечных несимметрий.

Токи в поврежденных фазах превосходят значения токов неповрежденных фаз, а в ряде случаев даже превышают трехфазные ТКЗ. При

несимметричных коротких замыканиях трехфазная система теряет симметричность, что приводит к необходимости проведения более сложных

расчетов для каждой фазы.

С целью упрощения вычислений токов и напряжений при несимметричных КЗ применяется метод симметричных составляющих. К известным допущениям и требованиям добавляются новые:

1) несимметрия возникает только в одном месте схемы, другая часть

остается симметричной;

2) анализируются и определяются только основные гармоники тока и напряжения;

3) в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше, а также 0,38-0,66 кВ рассматривают все виды КЗ.



3. Метод симметричных составляющих

При несимметрии режимов трехфазной электрической сети в электрических машинах возникает пульсирующее магнитное поле ротора, которое образует полный спектр высших гармонических составляющих тока.

В этих условиях математический анализ переходных процессов весьма затруднен. Однако для большинства практических расчетов возможно учитывать лишь основные гармоники токов или напряжений. При таком ограничении возможно использование метода симметричных составляющих,

который наиболее часто применяется для анализа несимметричных КЗ. Метод симметричных составляющих (МСС) основан на математической теории многофазных электрических систем при неодинаковых условиях работы фаз. Математическое обоснование метода было разработано К. Фортескью, которое затем Р. Эванс и К. Вагнер применили для решения задач, возникающих при анализе несимметричных КЗ. В России активную роль внедрения МСС в расчетную практику сыграли работы Н.Н. Щедрина и

С.А. Ульянова.

Основное положение МСС заключается в том, что любую несимметричную систему токов можно разложить па три симметричные составляющие системы прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Предполагается, что симметричные составляющие одновременно

циркулируют в рассматриваемой сети в несимметричном режиме.

Симметричные составляющие описываются тремя линейными уравнениями, которые допускают только одно решение.

Все соотношения для симметричных составляющих токов справедливы и для напряжений.

Рассматриваемая несимметричная система токов допускает только

одно разложение на симметричные составляющие.

Следовательно, в общем случае, трехфазная несимметричная система, представляется совокупностью трех векторов, в виде трех симметричных систем прямой, обратной и нулевой последовательностей (рис. 1.2.).

Рисунок 1.2. - Симметричные системы векторов

последовательностей: а - прямой; б - обратной; в - нулевой

Физические явления в фазах для каждой из этих систем подобны, поэтому можно воспользоваться однолинейными схемами этих последовательностей и осуществлять расчет для одной фазы. Любой из векторов прямой и обратной последовательности можно представить вектором другой фазы с помощью оператора поворота «a».

(1.1.)

Чтобы повернуть вектор в положительном против часовой стрелки

направлении на 120⁰ достаточно умножить его на оператор «а». Умножение

вектора на a² приводит к его повороту на 240⁰. Умножение на a³ не изменяет положения вектора.

В уравновешенной симметричной системе прямой последовательности (рис. 1.2., а) порядок чередования фаз А, В, С. Каждый из трех одинаковых по значению векторов сдвинут относительно друг друга на 120⁰ и может быть представлен следующим образом:

(1.2.)

где N - вектор тока или напряжения.
Векторы N тока или напряжения в этой системе в дальнейшем обозначаются индексом прямой последовательности «1».

Симметричная система токов обратной последовательности (рис.1.2., б) представляет собой три одинаковых по значению вектора, расположенных под углом 120° и вращающихся против часовой стрелки. Система обратной последовательности также является уравновешенной системой, но с другим порядком чередования фаз - А, С, В. Индекс векторов

обратной последовательности - «2».

Свойство уравновешенности векторов систем прямой и обратной последовательностей позволяет записать выражение:

(1.3.)

Симметричная система нулевой последовательности (рис. 1.2., в) существенно отличается от систем прямой и обратной последовательности.

Она представляет собой систему трех переменных векторов, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую амплитуду. Например, токи нулевой последовательности являются, по существу, разветвлением однофазного тока, для которого три провода трехфазной цепи составляют один прямой провод, а обратным служит земля или четвертый (нулевой) провод. Появление токов нулевой последовательности в сети означает возникновение в ней несимметричного замыкания на землю.

Векторы системы нулевой последовательности совпадают между собой по направлению и имеют индекс «0». Система является симметричной, но не уравновешенной:

(1.4.)

Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей позволяют анализировать и синтезировать любую несимметричную систему, используя выражения:

(1.5.)

При анализе процесса несимметричного КЗ выделяют одну из фаз, называемую особой, поскольку условия в ней отличаются от условий других фаз.

Особой фазой называется фаза трехфазной электроустановки, которая при возникновении продольной или поперечной несимметрии оказывается в условиях, отличающихся от условий для двух других фаз.

Пусть особой фазой будет фаза А, тогда систему уравнений (1.5) с учетом свойств оператора поворота можно записать в другом виде:

(1.6.)

Это система уравнений позволяет выделить из исходной несимметричной системы симметричные составляющие:

(1.7.)

Анализ (разложение) и синтез (объединение) несимметричной трехфазной системы с помощью векторных диаграмм и рассмотренных систем уравнений приведен на рис. 1.3. и 1.4.

Рисунок 1.3. - Анализ несимметричной системы токов

Рассмотрим разложение на составляющие несимметричной системы токов. На рис. 1.3. графически определены симметричные составляющие векторов I_А1, I_А2 и I_А0. С помощью геометрических построений, соответствующих выражениям (1.2.)-(1.4.), найдем токи нулевой, прямой и обратной последовательностей. Если сложить симметричные составляющие в соответствии с выражениями (1.5.)-(1.6.), то получим исходную систему.

Рисунок 1.4. - Синтез составляющих векторов N несимметричной трехфазной системы



4. Использование метода симметричных составляющих для анализа несимметричных коротких замыканий

Для облегчения математического анализа несимметричных переходных процессов считают, что:

- токи симметричных составляющих связаны с одноименными симметричными составляющими напряжений;

- токи и напряжения симметричных составляющих различных последовательностей не взаимодействуют друг с другом;

- каждый элемент СЭС обладает своим специфическим сопротивлением прохождению токов различных последовательностей.

В этом случае, если какой-либо элемент цепи симметричен и обладает по отношению к симметричным составляющим тока (например, для фазы А сети напряжением 110 кВ) прямой I_А1, обратной I_А2 и нулевой I_А0 последовательностей соответственно, то симметричные составляющие падения напряжения ДU в этом элементе будут определены согласно приведенным ниже соотношениям:

(1.8.)

где x₁, x₂ и x₀ - соответственно сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности.

Пусть в трехфазной симметричной цепи (рис. 1.5.) произошло замыкание на землю K(1). Возникший ТКЗ анализируется на схемах, представленных на рис. 1.6. ТКЗ протекает по элементам схемы под действием ЭДС генераторов G1 и G2. В точке однофазного КЗ создается несимметричная система напряжений (рис. 4.5, б), которую представим в разложенном на три симметричных составляющих виде (рис. 1.6., в). Тогда можно считать, что напряжения каждой из последовательности для каждой фазы приложены соответственно и в своей эквивалентной схеме. Выделив из этой системы симметричные составляющие особой фазы А и приложив каждую из них к схеме своей последовательности, получим три схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.

ЭДС симметричного трехфазного источника питания образуют симметричную уравновешенную систему векторов. При симметричной схеме короткозамкнутой цепи такая система ЭДС может вызвать только токи прямой последовательности, поскольку напряжения или ЭДС других последовательностей отсутствуют.

Рисунок 1.5. - Замыкание на землю фазы А в точке цепи, питаемой с двух сторон.



Рисунок 1.6. - Однофазное КЗ в трехфазной цепи: а - расчетная схема;

б - несимметричная система напряжений в месте КЗ;

в - разложение на симметричные составляющие;

Нарушение симметрии в системе вызывает появление несимметричных напряжений, связанных согласно (1.8) с несимметричной системой токов. Токи всех симметричных последовательностей образуют в генераторе источника питания соответствующие магнитные потоки, которые вызывают в обмотках ЭДС этих последовательностей. ЭДС обратной и нулевой последовательностей можно учесть значением падения напряжения в индуктивном сопротивлении генератора. Поэтому можно допустить, что при любом режиме внешнего несимметичного КЗ генератор вырабатывает ЭДС

только прямой последовательности. Тогда ЭДС обратной и нулевой последовательности генератора (источника питания) равны нулю.

Следовательно, несимметричные переходные процессы в системе можно анализировать по эквивалентным однолинейным схемам замещения прямой, обратной и нулевой последовательности. Протекание токов обратной и нулевой последовательностей следует рассматривать как результат возникновения в месте КЗ напряжений обратной последовательности U2 и нулевой последовательности U0. По мере продвижения по цепи от места КЗ к источнику питания напряжение прямой последовательности U1 возрастает до ЭДС источника, а U2 и U0 - уменьшаются до нуля.

По второму закону Кирхгофа можно записать выражения для определения симметричных составляющих напряжения в месте КЗ:

(1.9.)

В случае анализа переходного процесса продольной несимметрии при обрывах проводов фаз основные уравнения имеют аналогичную структуру, однако вместо U₁, U₂ и U₀ в них следует ввести разности фазных напряжений соответствующих последовательностей по концам местной несимметрии, а сопротивления x1, x2 и x0 должны быть эквивалентными, взятыми из соответствующих схем последовательностей.



5. Появление высших гармоник при несимметричных коротких замыканиях

При несимметричном КЗ по одной или двум фазам генератора, в зависимости от вида КЗ, протекает ток КЗ синхронной частоты. Эти токи создают ответную реакцию статора на ротор ДЦad. Эта реакция, вызванная несимметричными токами, является пульсирующей во времени и неподвижной в пространстве. Ее можно разложить на две составляющие, одна из которых вращается с той же угловой частотой, что и ротор, в том же направлении, а другая - в противоположном направлении (рис. 1.7.). Составляющая, которая вращается в том же направлении, что и ротор, никак на него не влияет, так как она по отношению к нему неподвижна. Вторая составляющая по отношению к ротору вращается с частотой 2щ и поэтому будет наводить в обмотке возбуждения ЭДС, изменяющуюся с двойной частотой.

Рис. 1.7.

ЭДС в обмотке ротора вызовет ток двойной частоты, который в свою очередь вызовет ответную пульсирующую реакцию ротора на статор двойной частоты ДЦр. Разложив последнюю на две составляющие, вращающиеся в противоположные стороны с угловой скоростью 2щ относительно ротора, легко убедиться, что составляющая, которая вращается с частотой 2щ против направления вращения ротора, по отношению к статору вращается с частотой щ и создает ответную реакцию на реакцию статора, стремясь ее компенсировать. Другая составляющая по отношению к статору вращается с частотой 3щ и в обмотке статора наводит ЭДС этой частоты. В результате в обмотке статора возникает ток этой частоты (3щ), который создает пульсирующую ответную реакцию статора на ротор тройной частоты. Продолжая подобные рассуждения, можно убедиться, что каждая нечетная гармоника тока статора вызывает четную гармонику тока в обмотке возбуждения, которая в свою очередь вызывает следующую по порядку нечетную гармонику тока статора.

Токи нулевой последовательности, протекая в обмотках фаз статора, сдвинутых в пространстве на 120⁰ и 240⁰, создают практически только магнитные потоки рассеяния, которые значительно меньше, чем при токах прямой и обратной последовательностей (рис. 1.8.).

Рис. 1.8.

Величина этих магнитных потоков зависит в основном от конструкции и типа генераторной обмотки. Результирующее магнитное поле, созданное токами нулевой последовательности, практически равно 0.



Заключение

Электромагнитные переходные процессы являются распространенным режимом электроэнергетических систем, в том числе и входящих в их состав систем электроснабжения. Электромагнитные переходные процессы происходят как при нормальных условиях эксплуатации - включении и отключении электрических нагрузок, источников питания, отдельных линий электропередачи, так и при авариях - коротких замыканиях, обрывах фаз, пусках крупных электрических машин и т.п.

Изучение электромагнитных переходных процессов необходимо для ясного представления причин возникновения и уяснения физической сущности этих процессов, приобретения навыков практических расчетов и исследования переходных процессов, формирования знаний, умений и навыков, позволяющих моделировать, прогнозировать и заранее предотвращать опасные последствия таких процессов. Важно не только уметь анализировать переходные процессы, но понимать и сознательно управлять ими.

В данной работе рассматриваются электромагнитные переходные процессы в электрических системах при несимметричных коротких замыканиях. Производится обзорный анализ электромагнитных переходных процессов, возникающих при нарушении симметрии электрической системы, возникающем при неравенстве фазных сопротивлений элементов системы. Чаще всего несимметрия вызывается обрывами одной или двух фаз, включением несимметричной нагрузки и несимметричными короткими замыканиями.



Список использованных источников

1. Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах / В. Г. Сазыкин, А. Г. Кудряков - Краснодар: КубГАУ., 2017. - 255 с.

2. Электромагнитные переходные процессы / В. А. Булат,

А. Г. Губанович, С. М. Силюк. - Минск: БНТУ, 2020. - 216 с.

3. Переходные процессы в электрических системах / Ю. А. Куликов. - Новосибирск: НГТУ, 2006.

4. Электроэнергетические системы и сети. Токи короткого замыкания. Учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б. В. Папков, В. Ю. Вуколов - Москва: Юрайт, 2017. - 353 с.

5. Переходные процессы в системах электроснабжения/

В. Н. Винославский, Г. Г. Пивняк, Л. И. Несен, А. Я. Рыбалко,

В. В. Прокопенко - Киев: «Выща школа», 1989. - 212 с.

Размещено на Allbest.ru

...