9

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Деление режимов электрической цепи на установившиеся и переходные процессы условно. В установившемся режиме реальной системы её параметры постоянно меняются, что связано со следующими факторами Л.5, с.169:

• изменение нагрузки и реакцией на эти изменения регулирующих устройств;

• нормальными эксплуатационными изменениями схемы коммутации системы;

• включением и отключением отдельных генераторов или изменением их мощности.

Таким образом., в установившихся режимах в системе всегда возможны малые возмущения параметров её режима, при которых система должна оставаться устойчивой.

Статическая устойчивость – это способность системы восстанавливать исходный (или близкий к исходному) режим после малого его возмущения.

Динамическая устойчивость – это способность системы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после большого возмущения (аварийные режимы в электрической системе – КЗ, аварийные отключения или включения нагруженных агрегатов или линий, генераторов, транс-ров и т.п.), при этом возникают резкие изменения режима.

Исходя из определения статической устойчивости системы следует, что существует такой режим, при котором очень малое возмущение вызывает нарушение его устойчивости. Такой режим называется предельным, а нагрузки системы – максимальными или предельными нагрузками по условиям статической устойчивости.

Считается, что качество переходного процесса хорошее, если наблюдается быстрое его затухание и монотонность. Наибольшая величина отклонения параметра, при которой система ещё сохраняет устойчивость, определяет запас устойчивости, выражаемый коэффициентом запаса. Например, запас по напряжению и по мощности вычисляются по формулам:

, .

Запас устойчивости электропередачи, связывающей станцию с шинами энергосистемы, должен быть не менее 20% в нормальном режиме и 8% в кратковременном послеаварийном Л.5, с. 177.

Задачи анализа статической устойчивости.

1. Расчёт параметров предельных режимов (предельной передаваемой мощности по линиям, критического напряжения узловых точек системы, питающих нагрузку, и т.д.).

2. Определение значений коэффициентов запаса. Вместе с коэффициентами запаса по напряжению и мощности могут вычисляться коэффициенты запаса по настроечным параметрам АРВ:

,

где К_max и К_min – максимальное и минимальное значения настроечных параметров, соответствующих границе области статической устойчивости.

3. Выбор мероприятий по повышению статической устойчивости энергосистем или обеспечению заданной пропускной способности передачи.

4. Разработка требований, направленных на улучшение устойчивости систем. Выбирается настройка АРВ, обеспечивающая требуемую точность поддержания напряжения.

Задачи анализа динамической устойчивости.

Эти задачи связаны с переходом системы от одного установившегося режима к другому.

Результатами расчёта динамической устойчивости являются:

1. Предельное время отключения расчётного вида КЗ в наиболее опасных точках системы.

2. Паузы систем АПВ, установленных на различных элементах электрич. системы.

3. Параметры систем автоматического ввода резерва (АВР).

1. Переходные процессы в системах электроснабжения (узлах нагрузки) электрич. Систем при малых возмущениях л.14.

Часть электроэнергетической системы, непосредственно осуществляющая снабжение электрической энергией потребителей, называется системой электроснабжения. Система электроснабжения содержит питающие и распределительные сети, трансформаторы, компенсирующие устройства (конденсаторы, синхронные компенсаторы) и устройства, в которых электрическая энергия используется в производственных и бытовых целях (приёмники электрической энергии, нагрузки, потребители). Места подключения отдельных систем электроснабжения к высоковольтным сетям электрических систем называют узлами нагрузок (шины, к которым подключена группа сосредоточенных приёмников и компенсирующих устройств - АД и СД, нагревательные приборы и т. д.).

В системах электроснабжения при их нормальной работе и во время различных пусков и остановок оборудования происходят нормальные переходные процессы. Отключения отдельных элементов, КЗ в них приводят к аварийным переходным процессам.

В нормальных режимах, при малых возмущениях необходима проверка статической устойчивости синхронных двигателей (СД), синхронных компенсаторов (СК) и больших групп асинхронных двигателей (АД). Имея мощность, соизмеримую с мощностью питающих их генераторов эти потребители могут оказаться неустойчивыми, причём эта неустойчивость проявляется в виде специфического явления, называемого лавиной напряжения.

Пуски двигателей, резкие колебания момента на их валу и т.д., приводят к изменениям величины и фазы напряжения в узлах нагрузки. Эти отклонения не должны выходить за допустимые пределы. Влияние резких изменений режима двигателей обычно заметно проявляется в распределительных сетях в виде колебаний напряжения.

Нарушения режима (КЗ в элементах питательных сетей, отключения и повторные включения СД, сомозапуск АД после перерывов питания) могут весьма существенно сказываться на режиме всей системы электроснабжения. Поэтому переходные процессы в её элементах рассматриваются не только с точки зрения обеспечения их надёжности и устойчивости, но и с точки зрения обеспечения надёжности всей системы электроснабжения.

Таким образом, изучение вопросов, относящихся к переходным процессам в системах электроснабжения, выполняется в два этапа: в начале рассматриваются методы расчётов коротких замыканий, а затем рассматриваются вопросы устойчивости, физика электромеханических процессов и основы расчёта этих процессов.

Если принять напряжение U на шинах (напряжение узла нагрузки) не зависящим от режима работы электроприёмников, то проверка статической и динамической устойчивости производится независимо для каждого электроприёмника с учётом основных критериев статической устойчивости.

Практический критерий устойчивости: устойчивыми будут те режимы, в которых при возмущении факторы, стремящиеся нарушить режим, изменяются менее интенсивно, чем факторы, противодействующие этому нарушению.

Характеристики асинхронной нагрузки (АД).

Активная мощность АД и электромагнитный вращающий момент АД:

^; ; ^.Здесь^: ,.

В нормальных условиях двигатель работает на устойчивой части своей механической характеристики (область, лежащая между синхронной скоростью и критическим скольжением). При снижении напряжения или увеличении механического момента двигатель может оказаться в критическом режиме. При данной механической нагрузке Р_мех у каждого двигателя есть определённый критический режим. Напряжение U_кр и скольжение s_кр , при которых этот режим наступает, называется критическим. При U < U_кр и увеличении механического момента рабочей машины двигатель окажется в критическом режиме – двигатель начнёт тормозиться, ток и реактивная мощность резко возрастут, а затем АД остановится – “опрокинется”.

Обычно АД работают со значительным запасом устойчивости (запас устойчивости – отношение ). Рабочее скольжение значительно меньше критического, максимальный вращающий момент много больше рабочего. В этих условиях колебания напряжения не опасны с точки зрения устойчивости двигателей, и только очень большие снижения напряжения на их шинах (порядка 20 – 40%) приводят к опрокидыванию.

Характеристики синхронной нагрузки (CД).

При изменении напряжения, подведённого к двигателю, его мощность и вращающий момент изменяются (без учёта потерь в статоре) пропорционально величине напряжения:

; .

Величина момента, если не учитывать насыщение, пропорциональна току ротора. Синхронный двигатель обычно работает при угле  = 25  30 и обладает значительной перегрузочной способностью К_п = M_max/M_ном = 2  2,5 (у специальных машин К_п = 3  4).

Для СГ запас статической устойчивости определится:

Запас устойчивости электропередачи, связывающей станцию с шинами энергосистемы, д. б. не менее 20% в нормальном режиме и 8% в кратковременном послеаварийном.

СД как и АД имеют большие запасы устойчивости и поэтому обеспечение статической устойчивости отдельных двигателей, входящих в нагрузку, не вызывает затруднений. Если запас устойчивости характеризовать отношением максимального вращающего момента к рабочему, то коэффициент запаса составит для АД и СД соответственно 1,5 –1,7 или 2 –2,5.

Таким образом, небольшие снижения напряжения на шинах двигателей не могут привести к нарушению их устойчивости. Однако всё сказанное относится к единичному двигателю или группе двигателей, питаемых от шин напряжения, величина которого не зависит от режима двигателя.

Если двигатель (или группа двигателей) питается от генератора соизмеримой с ним мощности, то напряжение на шинах двигателя зависит от режима двигателя. Условия нарушения устойчивости (опрокидывания) двигателя получаются в этом случае существенно иными. В этом случае качественные изменения условий устойчивости обусловлены изменением количества двигателей, подключенных к узлу нагрузки.

Критическое скольжение двигателя оказывается много меньше, чем в случае подключенного к шинам неизменного напряжения (U = Сonst). Запас устойчивости двигателя с учётом внешнего сопротивления значительно снижается. При больших внешних сопротивлениях возможны такие режимы, когда небольшое понижение напряжения на шинах (в допустимых пределах) может привести к нарушению статической устойчивости двигателя.

Условия работы двигателей в системе будут существенно иные, чем те, что были бы при питании от шин неизменного напряжения (U=Const).

Опрокидывание двигателя (или группы двигателей), питающихся от генератора соизмеримой мощности, может произойти при сравнительно небольших изменениях скольжения и небольших снижениях ЭДС, питающих эквивалентный двигатель, и тем более при небольших изменениях напряжения U (зависящего от режима двигателя).

Определение критических условий в этом случае следует проводить, исходя не из напряжения на зажимах двигателя, которое не является независимой переменной, а исходя из ЭДС генератора E, которую можно считать не зависящей от изменения режима.

Для двигателей, вблизи режима опрокидывания, процесс прогрессирующего снижения напряжения оказывается очень заметным. Персонал станции и системы не может судить непосредственно о росте токов роторов, статоров и скольжений двигателей, входящих в состав комплексной нагрузки в то время, когда они приближаются к опрокидыванию, но наблюдает резкое, лавинообразное снижение напряжения. Процесс этот получил название лавины напряжения. Появлению лавины напряжения обычно предшествуют режимы при недостаточно высоком возбуждении генераторов или при увеличении реактивных сопротивлений связи. Получающееся при этом снижение реактивной мощности, приходящей к потребителю, заставляет персонал систем считать причиной лавины напряжения так называемый “дефицит реактивной мощности” (генерируемая реактивная мощность в системе меньше той, которая соответствует желаемому уровню напряжения).

Обычно двигатели, подключенные к шинам напряжения, независящего от их режима, работают с весьма большим запасом устойчивости. Их рабочее скольжение значительно меньше критического, а максимальный вращающий момент много больше рабочего (1,5  1,7 М_н). Небольшие отклонения напряжения на шинах единичного двигателя не опасны с точки зрения устойчивости двигателя и только очень большие снижения напряжения на их шинах (порядка 20-30%) приводят к опрокидыванию. При питании группы двигателей от источника соизмеримой мощности в результате лавины напряжения может произойти опрокидывание и при малых (2-3%) отклонениях напряжения.

Компенсация реактивной мощности нагрузки батареями статических конденсаторов может иногда приводить к существенному снижению запасов устойчивости асинхронных двигателей, а при высокой степени компенсации – даже к “лавине напряжения”.

Длительные медленные снижения напряжения в распределительных и питающих сетях приводят к ряду явлений, с которыми приходится считаться при анализе переходных процессов в системах электроснабжения. Так понижение напряжения от U₀ до U₁ ведёт к снижению запаса статической устойчивости двигателей Л.3, с.199:

Коэффициент запаса по активной мощности определяется как

.

Коэффициент запаса по напряжению в узле нагрузки определяется по формуле:

,

где U – напряжение узла нагрузки в исходном режиме; U_кр – критическое напряжение узла, значение которого принимается не менее 0,7 U_ном и 0,75 U_норм (U_норм – напряжение в узле в нормальном режиме).