Введение. Цель и задачи изучения курса

Переходные процессы в электроэнергетических системах (ЭЭС) оказывают существенное влияние на выбор структуры ЭЭС, выявление условий работы их при аварийных режимах, выбор средств управления, регулирования, защиты и противоаварийной автоматики. Поэтому изучение переходных процессов является неотъемлемой частью фундаментальной подготовки инженеров-электриков.

ЭЭС является совокупностью устройств, связанных одновременностью процесса производства, распределения и потребления электрической энергии. Это налагает на все режимы работы ЭЭС и персонал особую ответственность по качественному управлению ЭЭС для бесперебойного энергоснабжения потребителей в нормальных (установившихся) и переходных режимах работы.

Переходные процессы возникают в ЭЭС как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузок, источников питания, отдельных частей ЭЭС), так и в аварийных условиях (обрыв нагруженной цепи или отдельной ее фазы, короткое замыкание (КЗ), выпадение машины из синхронизма и т. д.).

Целью изучения переходных процессов является формирование необходимых знаний о причинах возникновения и физической сущности этих процессов, а также разработка практических методов их количественной оценки, с тем, чтобы можно было предвидеть и заранее предотвратить опасные последствия таких процессов.

При любом переходном процессе происходит изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса между моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом, в результате чего изменяется частота вращения машин, т. е. некоторые генераторы испытывают торможение, в то время как другие – ускорение. Из сказанного следует, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных изменений в ЭЭС, которые взаимосвязаны и представляют единое целое.

Тем не менее, вследствие довольно большой механической инерции вращающихся машин начальная стадия переходного процесса характеризуется преимущественно электромагнитными изменениями. Например, при пуске асинхронного двигателя с момента включения его в сеть и до момента разворота имеет место только электромагнитный переходный процесс, который при развороте ротора дополняется механическим переходным процессом.

При относительно малых возмущениях (например, при КЗ за большим сопротивлением или, как говорят, при большой электрической удаленности КЗ) весь переходный процесс практически можно рассматривать только как электромагнитный.

Рассмотрим в качестве примера систему электроснабжения (СЭС), представленную на рис. 1.1. Допустим, в точке К5 произошло внезапное КЗ.

Расчетом можно показать, что в установке напряжением 380 В ток КЗ величиной 6000 А(6 кА)после его приведения к стороне генераторного напряжения составляет 1,0…2,0% номинального тока генератора. Естественно, такое малое увеличение тока не вызывает заметного нарушения равновесия рабочего состояния генератора.

Рис. 1.1. Система электроснабжения

Таким образом, при большой электрической удаленности КЗ представляется возможным и целесообразным рассматривать только одну сторону переходного процесса, а именно – явления электромагнитного характера.

Если в ТОЭ изучались переходные процессы в цепях с сосредоточенными или распределенными параметрами при питании от источника с заранее известным напряжением (как по величине, так и по закону его изменения), то в данном курсе рассматриваются более сложные задачи. Когда переходный процесс возникает в ЭЭС, он одновременно протекает в источниках питания, в электрических сетях и нагрузках. При этом в источниках питания – генераторах приходят в действие автоматические регулирующие устройства (АРВ), которые стремятся поддержать уровень напряжения на шинах генераторов в заданных заранее пределах и, поэтому, напряжения всех источников питания являются переменными величинами.

Курс «Электромагнитные переходные процессы» использует материал, изученный в курсах высшей математики, физики, ТОЭ, электрических машин (синхронные, асинхронные машины и трансформаторы), электрических систем и сетей.

Материал изучаемого курса используется при прохождении специальных курсов: электрических систем и их устойчивости, электрооборудования станций и подстанций, релейной защиты и автоматики, электроснабжения отраслей промышленности.

Практические задачи, при решении которых инженер-электрик сталкивается с необходимостью количественной оценки тех или иных величин во время электромагнитного переходного процесса, разнообразны и многочисленны. Однако все они объединены целью обеспечить надежность работы отдельных элементов и всей ЭЭС в целом.

Теоретические разработки и практические методы расчета всегда требуют экспериментальной проверки, которую проводят, как правило, в натурных условиях.

Большую помощь в экспериментах и проверке новых теоретических разработок, схем и автоматических устройств оказывает физическое и математическое моделирование ЭЭС. Применение аналоговых и персональных вычислительных машин значительно расширяет возможности математического моделирования и позволяет сократить трудоемкую вычислительную работу по расчету переходных процессов в ЭЭС, существенно повысив точность расчетов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные причины возникновения переходных процессов в ЭЭС.

2. Назовите цель изучения курса «Электромагнитные переходные процессы».

3. Когда возможен расчет только электромагнитных переходных процессов?

2. Общие сведения об электромагнитных
переходных процессах

Основные понятия и определения

Предметом изучения курса «Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения» является изучение процессов, возникающих в ЭЭС при изменении условий их работы.

ЭЭС представляет собой совокупность устройств, которые можно разбить на две группы:

1. Силовые элементы – вырабатывающие электроэнергию (генераторы), преобразующие (трансформаторы, выпрямители, инверторы), передающие и распределяющие (линии электропередачи, сети) и потребляющие (нагрузки) электроэнергию.

2. Элементы управления – регулирующие и изменяющие состояние ЭЭС (регуляторы возбуждения синхронных машин, выключатели и т. п.).

Состояние ЭЭС характеризуется параметрами режима и параметрами ЭЭС.

Параметры режима – мощности, напряжения, токи, углы сдвига векторов токов, напряжений, частота и т. д.

Параметры ЭЭС определяются физическими свойствами элементов ЭЭС, схемой, допущениями. (Полные, активные и реактивные сопротивления, проводимости, коэффициенты трансформации и т. д.).

Параметры режима и параметры ЭЭС входят в уравнения, определяющие состояние (режим) ЭЭС.

Система электроснабжения (СЭС) –это часть ЭЭС, которая включает в себя питающие и распределительные сети, трансформаторы, компенсирующие устройства и нагрузки.

Если режимные и системные параметры постоянны, то режим ЭЭС называют установившимся. Если же происходят значительные изменения параметров режима и системы, то возникают переходные процессы.

Различают нормальные и аварийные переходные процессы.

Нормальныепереходные процессы сопровождают текущую эксплуатацию ЭЭС, так как возникают при обычных эксплуатационных операциях – включении и отключении трансформаторов и отдельных ЛЭП, нормальных эксплуатационных изменениях схемы системы, включении и отключении отдельных генераторов и нагрузок или изменениях их мощности.

Аварийные переходные процессы возникают вследствие резких и существенных изменений параметров системы или режима – при КЗ и их отключении, при аварийном изменении схемы соединения ЭЭС, аварийном отключении генераторов, ЛЭП и т. д.

Таким образом, наиболее часто встречающимися причинами возникновения переходных процессов являются:

1. Включение и отключение двигателей и других крупных приемников электроэнергии, ЛЭП, трансформаторов, автотрансформаторов и др.

2. КЗ в системе.

3. Отключение или обрыв одной или двух фаз.

4. Несинхронные включения синхронных машин.

Наиболее тяжелые нарушения нормальной работы ЭЭС вызываются короткими замыканиями.

Коротким замыканием называют не предусмотренное нормальными условиями работы замыкание между фазами, а в системах с заземленными нейтралями (или четырехпроводных) – также замыкание одной или нескольких фаз на землю (или на нулевой провод).

2.2. Системы тока и номинальные напряжения
электроустановок

Различные мощность и удаленность приемников электроэнергии от ее источников обуславливают необходимость использовать для выработки, передачи и распределения электроэнергии различные величины напряжений. Чем дальше находится потребитель от электрических генераторов и чем выше его мощность, тем целесообразнее передавать ему электроэнергию при более высоком напряжении.

Обычно электроэнергия вырабатывается на одном напряжении, преобразуется в энергию более высокого напряжения, передается по электрическим сетям к СЭС, где напряжение понижается до необходимого уровня.

Такое преобразование наиболее просто и экономично осуществлять на переменном токе с помощью трансформаторов. В связи с этим во многих странах производство и распределение электроэнергии осуществляется по системе трехфазного переменного тока частотой 50 Гц.

В ряде отраслей народного хозяйства наряду с системой трехфазного тока применяют систему постоянного (выпрямленного) тока (цветная металлургия, химическая промышленность, электрифицированный транспорт и т. д.).

Одним из основных параметров любой электроустановки является ее номинальное напряжение, т. е. напряжение, при котором она предназначена для нормальной работы.

В таблице 2.1 приведены принятые в нашей стране стандартные номинальные напряжения для стационарных электроустановок сильного тока (ГОСТ 6962 – 75).

Для электроустановок постоянного (выпрямленного) и переменного тока напряжением до 1,0 кВ приняты следующие номинальные напряжения, В:

постоянный ток 110, 220, 440, 660, 750,1000;

трехфазный переменный ток 220/127, 380/220,660/380.

Напряжение 380/220В широко применяют для питания силовой и осветительной нагрузок. Эти сети выполняют четырехпроводными (три фазы и нулевой провод) с заземленной нейтралью, что обеспечивает автоматическое отключение поврежденной фазы при замыкании ее на землю и, следовательно, повышает безопасность обслуживания этих сетей.

Напряжение 660/380 В используют для питания мощных (до 400 кВт) электродвигателей.

Напряжение 6,10 кВ используют в промышленных, городских, сельскохозяйственных распределительных сетях, а также для питания двигателей мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт.

На напряжении 11-27 кВ производят электроэнергию генераторы электростанций.

Таблица 2.1

Величины напряжений, применяемых в ЭЭС

Напряжения 35, 110, 220 кВ применяют в питающих и распределительных сетях, а также для питания мощных распределительных подстанций в городах и на крупных промышленных предприятиях, а напряжения 220, 330, 500, 750, 1150 кВ – при выполнении межсистемных линий электропередачи и передаче электроэнергии от электростанций к крупным потребителям, удаленным на большие расстояния.