Процессы в электрических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Состав, режимы электрических систем (ЭС). Причины возникновения переходных режимов, виды переходных процессов

Под электрической системой (ЭС) понимается совокупность электрических станций, электрических сетей и узлов потребления, объединенных единым процессом производства, передачи и распределения электрической энергии. В любой ЭС могут быть выделены: - силовые элементы (синхронные генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, выпрямители и инверторы, электрические двигатели и т.д.); - элементы управления (коммутирующая аппаратура, силовые выключатели, устройства автоматики: автоматические регуляторы возбуждения, автоматические регуляторы скорости и т.п.); - элементы защиты: разрядники, реакторы, предохранители. Поведение электрической системы определяется ее режимом - состоянием, характеризуемым значениями мощностей, напряжений, частоты и других физических величин - параметров режима. Режимы ЭС можно разделить на установившиеся, имеющие практически неизменные параметры, и переходные - с быстрыми изменениями параметров режима. Переходные режимы связаны с возникновением переходных процессов, при которых происходит изменение электрического состояния элементов системы, обусловленное как естественными причинами, так и работой устройств автоматики. Переходным процессом наз. процесс изменения режима работы эл. цепи, возникающий в результате изменений внутри самой системы или внешних воздействий на нее. В переходных процессах происходит закономерное изменение во времени одного или нескольких параметров режима в результате действия определенных причин, называемых возмущающими воздействиями. Переходные процессы делятся на волновые, электромагнитные и электромеханические. В волновых переходных процессах происходит локальное изменение электрического состояния системы, сопровождаемое резким увеличением электрического разряда в линиях электропередачи с повышением напряжения, связанного с атмосферными воздействиями. Они являются быстродействующими процессами: скорость изменения параметров - 103--108 Гц. Опасность волновых переходных процессов заключается в появлении перенапряжений, приводящих к повреждению изоляции элементов ЭС и т.д. Следует отметить, что при волновых переходных процессах не происходит изменения относительного положения роторов электрических машин и скорости их вращения. Электромеханические переходные процессы являются низкочастотными. Скорость их протекания изменяется от 10-1 до 50 Гц. Происходит изменение как электрических, так и механических параметров режима. Электромагнитные переходные процессы возникают: - при включении и отключении двигательных и других агрегатов; - в результате коротких замыканий (к.з.) и простых замыканий; - при местной несимметрии; - при работе форсировки возбуждения, регуляторов возбуждения, автоматов гашения поля и т.п.; - несинхронного включения синхронных машин (СМ). Электромагнитные переходные процессы сопровождаются изменением электромагнитного состояния элементов ЭС. Механические параметры режима остаются неизменными. Скорость протекания от 50 до 150 Гц.

2. Причины возникновения электромагнитных переходных процессов. Виды коротких замыканий. Последствия КЗ в ЭС

замыкание электромагнитный трансформатор токораспределение

Электромагнитные переходные процессы возникают: - при включении и отключении двигательных и других агрегатов; - в результате коротких замыканий (к.з.) и простых замыканий; - при местной несимметрии; - при работе форсировки возбуждения, регуляторов возбуждения, автоматов гашения поля и т.п.; - несинхронного включения синхронных машин (СМ). Электромагнитные переходные процессы сопровождаются изменением электромагнитного состояния элементов ЭС. Механические параметры режима остаются неизменными. Скорость протекания от 50 до 150 Гц. Из всего многообразия электромагнитных переходных процессов наиболее распространенными являются процессы, вызванные к.з. Большая часть к.з. - дуговые, как правило, самоликвидирующиеся: реже - металлические, при которых, фазы электроустановки соединяются между собой или с землей. Виды, причины и последствия коротких замыканий. Коротким замыканием (КЗ) называется нарушение нормальной работы электрической установки, вызванное замыканием фаз между собой, а также замыканием фаз на землю в сетях с глухозаземленными нейтралями. Причинами КЗ обычно являются нарушения изоляции, вызванные ее механическими повреждениями, старением, набросами посторонних тел на провода линий электропередачи, проездом под линиями негабаритных механизмов (кранов с поднятой стрелой и т.п.), прямыми ударами молнии, перенапряжениями, неудовлетворительным уходом за оборудованием. Часто причиной повреждений в электроустановках, сопровождающихся короткими замыканиями, являются неправильные действия обслуживающего персонала. Примерами таких действий являются ошибочные отключения разъединителем цепи с током, включения разъединителей на закоротку, ошибочные действия при переключениях в главных схемах и в схемах релейной защиты и автоматики. При КЗ токи в поврежденных фазах увеличиваются в несколько раз по сравнению с их нормальным значением, а напряжения снижаются, особенно вблизи места повреждения. Протекание больших токов КЗ вызывает повышенный нагрев проводников, а это ведет к увеличению потерь электроэнергии, ускоряет старение и разрушение изоляции, может привести к потере механической прочности токоведущих частей и электрических аппаратов. Снижение уровня напряжения при КЗ в сети ведет к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности и даже к полному останову. Резкое снижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов электростанций и частей электрической системы, возникновению системных аварий. Виды КЗ в трехфазной сети: трехфазное КЗ (К3); двухфазное КЗ (К2); двухфазное КЗ на землю (К1.1); однофазное КЗ (К1). Трехфазные и двухфазные КЗ возможны в любых трехфазных сетях. Для прохождения тока при однофазном или двухфазном КЗ на землю необходимо, чтобы на участке сети, где произошло повреждение, была хотя бы одна заземленная нулевая точка (нейтраль) трансформатора, электрически связанная с местом КЗ. Чем больше будет заземленных нейтралей, тем больше будет ток КЗ при этих видах повреждений. Важным фактором является относительная частота возникновения различных видов КЗ. По усредненным данным она составляет, %: трехфазные -- 5; двухфазные -- 10; однофазные -- 65; двухфазные КЗ на землю -- 20. Иногда один вид замыканий переходит в другой. Как правило, в месте КЗ возникает электрическая дуга, которая образует вместе с сопротивлениями элементов пути тока КЗ переходное сопротивление. Иногда возникают металлические КЗ без переходного сопротивления. Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при КЗ необходимо быстро отключать поврежденный участок, что достигается применением устройств релейной защиты с минимальными выдержками времени и быстродействующих отключающих аппаратов (выключателей). Немаловажную роль играют устройства АРВ и быстродействующей форсировки возбуждения (УБФ) синхронных генераторов, которые увеличивают ток возбуждения синхронных генераторов при коротких замыканиях, благодаря чему меньше понижается напряжение в различных звеньях сети, а после отключения КЗ напряжение быстрее восстанавливается до нормального. К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относятся: выбор рациональной схемы сети, правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств и т.п. Для осуществления указанных мероприятий необходимо уметь определять токи КЗ и учитывать характер их изменения во времени. Последствия к.з. проявляются: - в резком увеличении токов в ветвях системы, особенно в месте к.з.; в некоторых ветвях увеличение тока может быть небольшим; - в значительном снижении напряжения в узлах ЭС; при трехфазном к.з. (К(З)) напряжение в точке к.з. снижается до нуля; при несимметричных к.з. (двухфазное - К(2), однофазное - К(1), двухфазное на землю - К(1.1)) напряжение в точке к.з. частично сохраняется; - в искажении симметрии напряжений и токов при несимметричных к.з., в результате которого увеличивается электромагнитное и электростатическое влияние линий электропередачи (ЛЭП) на линии связи и другие объекты; - в тепловом действии токов к.з., приводящем к повреждению изоляции, спеканию контактов электроаппаратуры и т.д.; - в динамическом действии токов к.з., в появлении механических усилий, повреждающих конструкции машин и аппаратов. Необходимо отметить, что потребители (нагрузка) в ЭС очень чувствительны к снижению напряжения. Так, например, асинхронные двигатели (АД), составляющие до 50% нагрузки, при снижении напряжения затормаживаются, что приводит к увеличению тока нагрузки и дальнейшему снижению напряжения на ее зажимах. Появляется опасность нарушения устойчивости параллельной работы электрических машин (ЭМ) в системе, которая в этом случае распадается на части, работающие несинхронно. В результате происходит длительное нарушение электроснабжения потребителей, приводящее к огромному материальному ущербу. Подавляющее число к.з. (85%), происходящих в ЭС, связано с замыканием па землю. Трехфазное к.з. является очень редким (5%), но изучение процессов, происходящих при этом виде к.з., имеет первостепенное значение, поскольку последствия трехфазных к.з. являются самыми тяжелыми для ЭС.

3. Схемы замещения элементов электрической системы. Преобразование схемы замещения к простейшему виду

Расчет токов КЗ начинают с составления расчетной схемы, т.е. такой эл. схемы, при кот. данный элемент ЭУ в случае КЗ оказывается в наиболее тяжелых и достаточно вероятных условиях. Расчетная схема включает в себя все источники энергии (генераторы, синхронные компенсаторы, крупные асинхронные эл. двигатели) и все элементы, связывающие источники энергии с точкой КЗ (трансформаторы, воздушные и кабельные линии и т.д.); при этом сопротивление связи эквивалентного источника энергии с точкой КЗ минимально. Однако в некоторых частных случаях наиболее тяжелые условия при КЗ имеют место, когда отключены некоторые элементы ЭУ. В соответствии с расчетной схемой электроустановки составляется эквивалентная электрическая схема замещения прямой последовательности. Схемой замещения называют электрическую схему, соответствующую по исходным данным расчетной схеме, но в которой все магнитные (трансформаторные) связи заменены электрическими. Схемы замещения трансформаторов и сдвоенных реакторов. Каждому сопротивлению схемы замещения присваивается свой номер, который сохраняется за ним до конца расчета. На схеме замещения проставляются расчетные точки КЗ. При составлении схемы замещения на ней не указываются те элементы расчетной схемы, которые при протекании тока КЗ от источников питания к месту повреждения током КЗ не обтекаются.

4. Схемы замещения трансформаторов, автотрансформаторов и сдвоенных реакторов. Определение их индуктивных сопротивлений

Параметры СЗ ВЛ зависят от величины напряжения, при котором они работают в эл. системе. Как правило, не учитываются активные составляющие для линий, работающих на напряжение 220 кВ и выше. Для КЛ учет активного сопротивления обязателен. Далее необходимо определить величины всех сопротивлений схемы замещения. При этом надо иметь в виду, что в каталогах и заводских информационных материалах всегда приводятся номинальные параметры машин и аппаратов, определенные по отношению к их номинальной мощности и напряжению. В большинстве случаев расчетная схема содержит одну, а чаще -- несколько ступеней напряжения, поэтому, чтобы можно было вести расчеты с помощью эквивалентной схемы замещения, прежде всего все сопротивления схемы замещения надо привести к одним и тем же базовым условиям. Существуют два метода расчета сопротивлений схемы замещения: в относительных единицах (т.е. в долях от некоторой так называемой базовой величины) или в именованных единицах (в омах). Для расчета сопротивлений в относительных единицах необходимо задаться базовыми условиями: SБ -- базовой мощностью, MBА; UБ -- базовым напряжением, кВ. За базовую мощность принципиально можно принять любую величину. Чтобы порядок относительных величин сопротивлений при расчете был удобен, чаще всего принимают SБ= 1000 MBA. За базовое напряжение удобно принять среднее напряжение UБ = Ucp ступени, где рассчитывают короткое замыкание. Используя формулы, определяют величины сопротивлений всех элементов схемы замещения в относительных единицах, приведенных к базовым условиям.

5. Расчетные выражения для определения приведенных значений сопротивлений

Примечание. Sном - номинальные мощности элементов (генератора, трансформатора, энергосистемы), МВ•А; Sб - базовая мощность, МВ•А; Sк, - мощность КЗ энергосистемы, МВ•А; Iоткл.ном - номинальный ток отключения выключателя, кА; х*номС - относительное номинальное сопротивление энергосистемы; хт% - относительное сопротивление трансформатора, определяемое через напряжение КЗ трансформатора uк% (см. табл. 3.3); Iб - базовый ток, кА; Uср - среднее напряжение в месте установки данного элемента, кВ; худ - индуктивное сопротивление линии на 1 км длины, Ом/км; l - длина линии, км. Если расчет сопротивлений схемы замещения будет производиться в именованных единицах, необходимо задаться величиной базового напряжения UБ, кВ. За базовое напряжение принимают среднее напряжение UБ, равное Ucp какой-либо ступени напряжения, имеющейся в схеме замещения. Если расчет токов КЗ производится для выбора электрических аппаратов, то за базовое напряжение удобнее принять UБ = Ucp ступени, где рассматривается КЗ. Расчетные формулы для определения сопротивлений в омах. Полученные величины сопротивлений элементов схемы замещения указываются на схеме замещения в виде дроби (в числителе -- порядковый номер сопротивления, в знаменателе -- его величина в относительных единицах или в омах в зависимости от принятого метода расчета). Следует отметить, что расчет токов КЗ для выбора и проверки электрических аппаратов удобнее и проще вести с использованием системы относительных единиц, некоторые расчеты в области релейной защиты удобнее вести с использованием именованных единиц. При расчете сопротивлений схемы замещения в именованных единицах (омах) требуется дополнительное внимание, так как все сопротивления приводят к одному базовому напряжению (например, UБ1 = Ucp1), а в расчетной схеме существует несколько различных ступеней напряжений. В процессе расчетов часто возникает необходимость пересчета сопротивлений схемы замещения и токов КЗ с одной ступени напряжения (Ucp1) на другую (Ucp2).Этот пересчет производится с использованием коэффициентов трансформации между этими ступенями:

для сопротивлений, Ом,

для токов, кА,

где xUср1, IUср1 - соответственно сопротивление и ток, приведенные к UБ1 = Uср1; xUср2, IUср2 - они же, но приведенные к Uср2. После того как схема замещения составлена и определены сопротивления всех элементов, она преобразуется к простейшему виду. Преобразование идет от источников питания к месту короткого замыкания так, чтобы между источником и точкой КЗ осталось одно сопротивление. При этом используются известные правила последовательного и параллельного сложения сопротивлений, преобразования треугольника сопротивлений в звезду и обратно и т.п. Формулы для преобразования схем и определения токораспределения в исходной схеме. Если исходная расчетная схема (или какая-то ее часть) симметрична относительно некоторой точки, то при определении эквивалентного сопротивления этого участка соединяют точки, имеющие одинаковый потенциал, и исключают из схемы те элементы, которые при КЗ оказываются обесточенными. В процессе преобразования схемы замещения часто возникает необходимость объединения нескольких источников в одну группу (одну генерирующую ветвь). Это объединение должно осуществляться с учетом удаленности источников от места КЗ. В отдельную цепь выделяется генератор, на шинах которого произошло КЗ. Все генераторы (синхронные компенсаторы), значительно удаленные от места КЗ, и остальная часть энергосистемы заменяются одним источником с номинальной мощностью, равной суммарной мощности всех источников данной ветви, и неизменным напряжением. Электрическую удаленность расчетной точки КЗ от источника питания оценивают по отношению действующего значения периодической составляющей тока источника Iп0 в начальный момент КЗ к его номинальному току Iном.ист. КЗ считается близким, если отношение Iп0/Iном.ист ?2.Если имеется несколько однотипных генераторов, одинаково расположенных по отношению к месту КЗ, их целесообразно объединить в один эквивалентный источник. Подобные преобразования в сложной схеме зачастую связаны с большими вычислительными трудностями, поэтому вводятся дополнительные упрощающие допущения: - при выполнении расчетов не учитывается нагрузка, кроме двигательной, подключенной непосредственно к месту возникновения КЗ; - СГ, работающие на местную нагрузку, вводятся эквивалентной ЭДС, равной 1; нагрузка не учитывается. Основной задачей расчета переходного процесса при КЗ является нахождение тока в аварийной ветви. Желательно чтобы эта ветвь в преобразованиях не участвовала, сохраняя свои параметры неизменными.

6. Основные формулы для преобразования схем и определения токораспределения

При отсутствии данных о действительных коэффициентах трансформации трансформаторов и автотрансформаторов можно использовать приближенный способ их учета. Он состоит в замене действительных напряжений XX обмоток трансформаторов и автотрансформаторов, находящихся на одной ступени напряжения, а также номинальных напряжений других элементов расчетной схемы, включенных на той же ступени напряжения, одним средним номинальным напряжением. Это напряжение следует выбирать в соответствии со следующей шкалой средних номинальных напряжений: 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 24; 27,5; 37; 115; 157; 230; 345; 515 кВ. При определении параметров схемы замещения в именованных единицах путем приведения значений параметров различных элементов к основной (базисной) ступени напряжения следует использовать выражения.

Здесь и далее приняты следующие обозначения: Е и Z -- действительные значения ЭДС источника энергии и сопротивления какого-либо элемента; Е*(ном) и Z*(ном) - значения ЭДС и сопротивления в относительных единицах при номинальных условиях; n1, n2, …, nm, -- коэффициенты трансформации трансформаторов или автотрансформаторов, включенных каскадно между ступенью напряжения, где заданы Е и Z, и основной ступенью; Uср.осн. и Uср.N - средние номинальные напряжения соответственно основной и N-й ступени напряжения, на которой находится подлежащий приведению элемент. Следует отметить, что коэффициент трансформации каждого трансформатора должен быть определен в направлении основной ступени напряжения, т. е. как отношение напряжения XX обмотки, обращенной в сторону основной ступени напряжения, к напряжению XX обмотки, обращенной в противоположную сторону. При определении параметров схемы замещения в относительных единицах путем приведения действительных значений параметров к базисным условиям с учетом действительных коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов необходимо: а) задаться базисной мощностью Sб и для одной из ступеней напряжения, принимаемой за основную, выбрать базисное напряжение Uб.осн ; б) найти базисные напряжения других ступеней напряжения, используя для этой цели выражение:

в) используя формулы определить относительные значения ЭДС источников энергии и сопротивлений различных элементов.

При определении параметров схемы замещения в относительных единицах и приближенном учете коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов базисное напряжение любой ступени напряжения следует принимать равным среднему номинальному напряжению этой ступени. При этом расчетные формулы для определения параметров схемы замещения существенно упрощаются. При составлении схемы замещения необходимо иметь ввиду, что трехобмоточные трансформаторы, трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения, сдвоенные реакторы имеют особые схемы замещения. Преобразование схем замещения. СЗ путем преобразований упрощают и определяют эквивалентную ЭДС и эквивалентное сопротивление. При этом все ветви источников энергии, присоединенные к одному узлу, заменяют одной ветвью с эквивалентной ЭДС и эквивалентным сопротивлением. Для преобразования схем используют другие известные способы: преобразование треугольника в эквивалентную звезду или обратно, многолучевой звезды в многоугольник с диагоналями и т.д. Если СЗ симметрична относительно точки КЗ, то потенциалы некоторых узлов оказываются одинаковыми и эти узлы т.о. можно соединить между собой. Использование этого приема позволяет значительно упростить задачу преобразования схем.

7. Приведение параметров схем замещения к одной ступени напряжения

Приведение параметров схемы замещения к одной ступени напряжения, выбранной за основную, выполняется с целью облегчения расчетов за счет исключения трансформаторных связей. Существует два типа приведения: «точное» и по шкале средних напряжений. В первом случае используются точные значения коэффициентов трансформации, имеющихся в ЭС трансформаторов. Во втором - значения средних коэффициентов трансформации, рассчитанные по средним напряжениям ступеней. Рассмотрим на конкретном примере приведение параметров схемы замещения ЭС (рис. 1.3) к одной ступени напряжения, например, к ступени с напряжением U4.

Тогда при «точном» приведении «приведенное» значение величины ЭДС будет рассматриваться следующим образом:

- точные значения коэффициентов трансформации. При трансформации мощность на всех ступенях напряжения практически одинакова (потери мощности в трансформаторе малы, их можно не учитывать), поэтому при изменении напряжения в к раз, ток изменяется в 1/к раз. Приведенное значение тока определяется по ф-ле:

Сопротивление первой ступени изменится в к2:

Приближенное приведение по средним коэффициентам трансформации значительно сокращает время расчетов. В последнем случае «приведенные» значения ЭДС, тока и сопротивления -, рассчитываются по ф-лам:

В СЗ двухобмоточного тр-ра имеется идеальный трансформатор, отражающий наличие электромагнитной связи между двумя ступенями напряжения U1 и U2. Для исключения электромагнитной связи необходимо устранить идеальный тр-ор, т.е. привести элементы схемы к одной ступени напряжения. Последнее достигается пересчетом параметров вторичной ступени Z2 к первичной или пересчетом параметров первичной ступени Z1 к вторичной, осуществляемым через коэффициент трансформации, определяемый по ф-ле:

- действующие значения токов и напряжений первичной и вторичной ступеней (под напряжением вторичной ступени понимается низшее напряжение).

Приведение параметров тр-ра к одной ступени напряжения:

к вторичной

к первичной

Сопротивления тр-ра без учета намагничивающего тока в общем случае характеризуются сопротивлениями КЗ попарно взятых обмоток.

Размещено на Allbest.ru