Материал: Переходные процессы в электрических системах

Электромагнитные переходные процессы, которые рассматриваются без влияния на них механического состояния системы, в которых они происходят. Например, электромагнитные переходные процессы в синхронных генераторах рассматриваются при условии постоянства скорости вращения роторов генераторов wp=пост. Время протекания таких процессов находится в пределах tэм=2 (10-2¸10-3) сек.

Третий вид переходных процессов - это электромеханические переходные процессы. На эти процессы изменения скоростей вращения генераторов, турбин, двигателей влияют существенным образом. Мы будем рассматривать одновременно и электромагнитную и механическое состояние системы, т.е. будем изучать их совместно с учетом их взаимовлияния. Отсюда и происходят содержание и название данного курса.

Время протекания этих переходных процессов значительно больше времени распространения физических величин в пространстве, которые характеризуют эти процессы (U, I и т.д.) и находятся в пределах tэмех= 0,02¸10 сек.и более.

. Понятия о параметрах режима и состояния электрической системы и связь между ними

Параметры режима. В перечень параметров режима входят те параметры, которые определяют количественное состояние систем: Р, Q, U, I, f и, очевидно, что они меняются с изменением режима системы.

Параметры системы. Сюда входят различные сопротивления, проводимости, коэффициенты элементов системы ХГ , ХТ, rГ, rТ, Хл,, КТ, ХР, и т.д. Параметры системы, вообще говоря, нелинейны, но при изучении данного курса мы будем принимать их как постоянные величины.

Режим в электрических системах может быть установившимся или же неустановившимся - переходным. Соответственно различают нормальные или аварийные режимы. Переходные процессы разделяют на нормальные и аварийные.

Основной задачей электроэнергетики является бесперебойное, устойчивое обеспечение потребителя электрической энергией. Необходимо определить, при каких условиях возможно обеспечение устойчивой работы генераторов, какую величину мощности можно передать по линии электропередачи, от каких факторов зависит обеспечение устойчивости, почему нарушается устойчивая, параллельная работа синхронных генераторов, находящихся в нормальной работе. Приступим к рассмотрению этих вопросов.

Рис 1. Простейшая схема электрической системы

Для представленной схемы электропередачи в предыдущем разделе было получено выражение электрической мощности в зависимости от угла между векторами э.д.с. Eq и напряжения приемных шин U, которое называют угловой характеристикой:

 (4)

При заданных величинах Eq, U, Xdå мощность генератора является функцией угла, причем эта зависимость нелинейна - синусоидальна. Для полноты на этом же графике рисуют характеристику мощности турбины PТ, а так как она не зависит от угла d, ее представляют прямой линией.

Рис. 2. Угловая характеристика простейшей электрической системы

Баланс мощностей на валу генератора, т.е. синхронная работа обеспечивается при Pг=PT , т.е. при равенстве вращающей механической мощности (момента) турбины и тормозной электромагнитной мощности (момента) генератора. Данное утверждение вытекает и из дифференциального уравнения относительного движения ротора синхронной машины, рассмотренного в предыдущем параграфе

при Pг=PT,d=пост. (5)

Как видно из графика рис 2, условие PГ = PT выполняется в двух точках 1 и 2, которым соответствует углы d1 и d2 . Необходимо определить в какой из этих точек генератор будет работать устойчиво.

Предположим, что в результате какого-то воздействия угол в точке 1 отклонился на малую величину Dd. При этом электромагнитная мощность генератора и передаваемая по линии электропередачи мощность увеличивались на величину DP1, в то время как механическая мощность турбины не изменилась вследствие инерционности. Нарушилось условие баланса мощностей (моментов) на валу, так как (Pг1 + DP1)>PT, причем на валу преобладает тормозной момент, под действием которого ротор генератора тормозится. В результате угол начинает уменьшаться и Dd®0 и ротор возвращается в точку 1, где обеспечивается равновесие моментов. Аналогичный процесс - возвращение в точку 1 происходит, если угол в этой точке уменьшиться на Dd.

Если такой же рост угла на величину Dd происходит в точке 2, то возникающий на валу избыточный момент будет ускоряющим, так как (Pг2 - DP2)<PT и скорость вращения ротора увеличится, что приводит к дальнейшему возрастанию угла, а это, в свою очередь повышает на валу избыточный ускоряющий момент и т.д. В результате ротор и, следовательно, режим не возвращается в точку 2. Аналогичный процесс будет наблюдаться и при уменьшении угла и процесс в этой точке закончится возвращением ротора в точку 1.

Следовательно, из двух точек 1 и 2 режим в точке 1 является устойчивым, так как ротор при малых отклонениях возвращается в исходную точку. Следовательно, признаком устойчивости работы синхронного генератора является возвращение в исходный режим. Необходимо помнить, что восстановление первоначального режима или же близкого к нему является основным показателем устойчивой работы синхронного генератора и соответственно электрической системы.

По мере возрастания мощности турбины и, соответственно, мощности передаваемой по линии согласно графика, увеличивается также и величина угла d, приближаясь к точке 3. Эта точка, с одной стороны, показывает максимальную активную мощность генератора, которую можно передать при dm=900 :

 , (6)

где Pm= - максимальная мощность. С другой стороны, точка является граничной, разделяющей устойчивую и неустойчивую области работы генератора.

Необходимо помнить, что пределы изменения угла:

d = 0¸900 является зоной устойчивой работы синхронного генератора;

d>900 область не устойчивой работы синхронного генератора.

Максимальную мощность Pm= называют идеальным статическим пределом передаваемой мощности, соответствующей постоянству напряжения U, что не всегда выполняется.

В практических расчетах, в целях количественной оценки уровня статической устойчивости (устойчивости при малых отклонениях) вводят понятие коэффициента запаса статической устойчивости, определяемой соотношением:

 (7)

Величина Kc устанавливается в пределах не менее:

20% в нормальных режимах,

8% в послеаварийных режимах.

Было установлено, что устойчивая работа синхронного генератора обеспечивается, если знаки приращений угла Dd и мощности DP= PT ± Pг совпадают. Тогда для отклонений можно написать:

 или, переходя к производной:

 , так как PT=пост.

Таким образом, статическая устойчивость будет обеспечена при выполнении условия

. (8)

Это условие является математическим критерием статической устойчивости синхронной машины. Проблема и сущность устойчивости при малых возмущениях сводятся к принятию мер, при которых это условие будет выполнено. Они будут рассмотрены далее.

Необходимо отметить еще раз, что возможность передачи активной мощности по линии электропередачи связано именно с наличием угла сдвига d между векторами э.д.с. Eq и напряжения приемной системы U, другими словами, угла сдвига между векторами напряжений по концам передачи. Таким образом, изменение впуска энергоносителя (пара или воды) в турбины передающей станции и их механической мощности отражается на электрическом режиме передачи изменением угла d, который является величиной, характеризующей и устойчивость передачи, и ее предельный режим.

Литература

Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 528 с., ил.

Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 440 с., ил.

Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.

Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.