5. Мероприятия по повышению надежности, улучшению устойчивости и качества переходных процессов ээс

5.1. Постановка задачи

Часть элементов электроэнергетической системы, связанных между собой системой коммутации, является основной частью ЭЭС. К основной части ЭЭС относят такие элементы, как турбины, генераторы с системой возбуждения, трансформаторы, ЛЭП, синхронные компенсаторы и выключатели, необходимые для обеспечения выдачи мощности потребителю. Ряд элементов, предназначенных для повышения пропускной способности, улучшения условий эксплуатации и надежности работы основных элементов и всей системы в целом, называют дополнительными элементами. К ним относят такие, как переключательные пункты, установки, компенсирующие индуктивное сопротивление ЛЭП (то есть УПК), активные и индуктивные сопротивления, включаемые в нейтраль трансформаторов, активные сопротивления, включаемые последовательно или параллельно в цепь статора генератора, которые еще называют соответственно последовательным и параллельным электрическим торможением, используемым при сбросах нагрузки при КЗ, специальные устройства для синхронизации и ресинхронизации генераторов.

Условное деление также можно провести и в отношении мероприятий по улучшению устойчивости, увеличению надежности и качества переходных процессов. Их можно разделить:

− на основные мероприятия, которые нацелены на изменение параметров основных элементов;

− дополнительные мероприятия, которые заключаются в установке дополнительных устройств.

Дополнительные мероприятия и их эффективность должны учитывать-

ся при проектировании ЛЭП. Только тщательно взвесив технико - экономическую эффективность улучшения параметров основного оборудования и проведя сопоставление стоимости технических и эксплуатационных показателей дополнительных устройств, можно провести рациональное проектирование. Кроме того, все мероприятия разделяют как направленные на улучшение статической или динамической устойчивости. В особую группу можно выделить режимные мероприятия. С их помощью может быть улучшена устойчивость, повышена надежность работы или сокращено время ненормального режима.

При рассмотрении всех видов мероприятий не следует упускать из виду и то, что их влияние на режимы системы в целом, а также на отдельные переходные процессы в ряде случаев может быть противоречивым. Так, например, улучшение статической и динамической устойчивости за счет уменьшения индуктивного сопротивления ведет к увеличению тока КЗ, что является отрицательным с точки зрения этой проблемы. Этапы развития переходных процессов представлены в таблице.

5.2. Улучшение характеристик основных элементов электроэнергетической системы

1. Генераторы. В современных электрических системах, генераторы которых снабжены АРВПД, к числу параметров генераторов, оказывающих влияние на статическую и динамическую устойчивость, следует отнести переходное индуктивное сопротивление , которое, как известно, определяется рассеянием обмоток статора и ротора.

Влияние изменения сопротивлений на динамическую устойчивость электропередачи сводится к повышению амплитуды динамической характеристики. При этом эффект от уменьшенияочень сильно зависит от скоро-

сти отключения КЗ: чем медленнее оно отключается, тем больший эффект дает уменьшение реактивностей генератора. Поскольку переходное сопротивление является по существу сопротивлением рассеяния, его уменьшение связано с большими трудностями. Так, например, уменьшение вдвое переходного индуктивного сопротивления приводит к удорожанию машины более чем на 50 %.

Статические пределы мощности генераторов с регуляторами сильного действия от сопротивлений генераторов вообще не зависят. Однако, независимо от типа регулятора, сопротивления генераторов оказывают влияние на параметры системы АРВ, при которых обеспечивается устойчивая работа электроэнергетической системы в заданных пределах передаваемой мощности.

2. Существенным параметром генераторов с точки зрения динамической устойчивости является постоянная инерции ротора генератора .

Если обратиться к случаю работы станции на линии неизменного напряжения, то предельное значение угла отключения поврежденной цепи , определяемое равенством площадок ускорения и максимально возможной площадки торможения, не зависит от постоянной инерции. Однако определенное время отключенияпри данном предельном углеоказывается тем больше, чем больше постоянная инерции.

Следует также заметить, что ускорение обратно пропорционально. Увеличение постоянной инерции уменьшает относительное ускорение ротора генератора, а следовательно, увеличивает, в течение которого достигается предельный угол. Увеличениепри данномпозволяет отключить КЗ при меньших значениях угла ротора генератора, что увеличивает предельно допустимое значение передаваемой мощности. С другой стороны, увеличение постоянной инерции гидрогенератора вдвое по сравнению с ее нормальным значением повышает стоимость генератора лишь на 20 %.

3. Коэффициент мощности. Коэффициент мощности генераторов выбирается с учетом следующего. Во-первых, уменьшение номинального коэффициента мощности при данной активной мощности машины

увеличивает ее номинальную мощность . Связанное с этим увеличение размеров генератора позволяет уменьшать действительное значение индуктивных сопротивлений генератора. В некоторой мере возрастает также постоянная инерции генератора. С этой точки зрения следует отдать предпочтение низким значениям. Вообще режимы работы генераторов при сниженных значенияхследует считать более предпочтительными, т.к. это повышает устойчивость.

4. Демпферные обмотки. Влияние демпферных обмоток (ДО) на устойчивость довольно многообразно, и общую точку зрения о целесообразности их применения сформулировать трудно, поскольку влияние демпферных обмоток в некоторых отношениях положительно, а в других – отрицательно.

Как известно, именьше переходныхи. Это обстоятельство приводит к увеличению тока КЗ за счет появления быстрозатухающей его составляющей. Возникающие в демпферной обмотке токи вместе с токами в обмотке возбуждения создают магнитный поток, который при вращении ротора пересекает обмотку статора и наводит в ней не только поперечную, но и продольную составляющую ЭДС. Изменения ЭДС машины, связанные с токами в демпферной обмотке, быстро затухают, однако они оказывают некоторое влияние на характеристику мощности машины.

Токи демпферной обмотки, появляющиеся в момент КЗ, для повышения устойчивости генераторов существенной роли не играют.

Положительные результаты проявляются в дальнейших циклах качаний, после отключения КЗ. Обусловливаемое демпферной обмоткой постепенное уменьшение амплитуды в каждом полупериоде качаний способствует быстрому затуханию качаний и переходу к новому установившемуся режиму (рис. 5.1).

Эффективность демпферной обмотки как успокоителя колебаний зависит от ее активного сопротивления. В этой связи целесообразно применять

демпферные обмотки с низким сопротивлением.

Рис. 5.1. Сопоставление процессов качаний

5. Форсировка возбуждения (ФВ) синхронных машин – способ воздействия на электромеханические процессы в системе, осуществляемый с помощью возбуждения синхронной машины.

Так как эти процессы протекают при большой скорости и имеется значительная электромагнитная инерционность обмотки возбуждения, возбудитель должен очень быстро изменять свое выходное напряжение до форсированных значений. Поэтому возбудители современных СМ (генераторов и мощных двигателей) обладают малой инерционностью и высокой форсировочной способностью. На ФВ возложены задачи обеспечения устойчивости синхронной параллельной работы СМ в первый период качаний и демпфирования значительных электромеханических колебаний в системе (рис. 5.2.).

Рис. 5.2. Соотношение энергий (площадок) ускорения

и торможения ротора при фазовом воздействии:

–нормальный режим; – послеаварийный режим с форсировкой возбуждения; – послеаварийный режим без форсировки возбуждения; – аварийный режим с форсировкой возбуждения ; – аварийный режим без форсировки возбуждения

Выполнение этих задач возможно как с помощью специальных устройств управления форсировкой и расфорсировкой возбуждения, так и с помощью современных АРВ (главным образом АРВ сильного действия). Их малая инерционность, большие коэффициенты усиления и законы управления обеспечивают при существенных возмущениях и электромеханических процессах в системе получение форсированных напряжений возбуждения, необходимых для решения указанных задач.

6. Потолочное напряжение возбудителя. Быстродействующие возбудители должны иметь высокий потолок возбуждения (т. е. максимальное значение напряжения). Так, при потолочном напряжении возбудителя и зависимость предела передаваемой мощности получается

близкой к зависимости при и, т. е. увеличение потолочного напряжения возбудителя с 2 до 5 дает примерно такой же эффект, как и уменьшение сопротивлениягенераторов в 1,5 раза. Весьма существенно и

понижение (постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя). Так, при переходе сс кс при времени отключения короткого замыкания около 0,1 с позволяет увеличить передаваемую мощность примерно на 10 %.

Повышение предельно передаваемой по условиям динамической устойчивости мощности с ростом потолка возбуждения тем заметнее, чем меньше постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя.

Для наиболее эффективного улучшения динамической устойчивости система регулирования должна обеспечивать высокую скорость подъема возбуждения. Относительная величина _ср у быстроотзывчивых систем возбуждения доходит до 6–8, составляя 2 000–3 000 вольт в секунду. Быстрый подъем возбуждения обеспечивается только при значительном повышении напряжения возбудителя. Желательно повышать напряжение возбуждения до значений 4–5 кратного нормального (высокий потолок). Обычные значения потолка 1,5–1,8.

Для улучшения статической устойчивости и обеспечения работы при углах больших необходимы отсутствие зоны нечувствительности и непрерывное действие регулятора возбуждения.

Для обеспечения устойчивой работы до предела по линии необходимо осуществить регулирование не только по отклонению регулируемой величины, но и по ее производным: первой, второй, а иногда и третьей.

Для лучшего успокоения возникающих больших колебаний необходимо

иметь возможность не только форсировать возбуждение, но и быстро умень-

шать его.

Для облегчения процесса ресинхронизации необходимо, чтобы в системе возбуждения при появлении асинхронного хода снимался ток возбуждения, т. е. происходило гашение поля.

Правильный выбор системы возбуждения позволяет улучшить использование генератора с данными параметрами и характеристиками.

7. Регуляторы возбуждения. Применение регуляторов возбуждения увеличивает максимум характеристики мощности, а следовательно, эффек-тивно с точки зрения статической устойчивости.

Применение регуляторов возбуждения пропорционального типа и регуляторов сильного действия обеспечивает устойчивость режима при углах, отвечающих максимуму характеристики мощности при исоответственно. То есть регуляторы возбуждения пропорционального и сильного действия в большей степени расширили область значения углов δ, при которых возможна устойчивая работа генераторов.

8. Быстродействующие выключатели. Быстрое отключение коротких замыканий имеет решающее значение для улучшения динамической устойчивости. Уменьшение длительности КЗ обеспечивает снижение продолжительности периода ускорения генераторов. Это выражается в уменьшении площадки ускорения и соответственно увеличении площадки возможного торможения.

Уменьшение времени отключения также резко повышает допустимое значение передаваемой мощности, особенно при наиболее тяжелых КЗ – трехфазных и двухфазных на землю. Кроме перечисленных факторов, необходимо иметь в виду, что возникающая при однофазном замыкании электрическая дуга нередко перебрасывается на неповрежденные фазы и вызывает трехфазное или двухфазное КЗ на землю. То есть быстрое отключение позволяет предотвратить развитие аварии и уменьшает также разрушения, вызываемые электрической дугой в точке КЗ.

Это и обусловливает применение в современных электрических системах быстродействующих выключателей и релейной защиты. Собственное время срабатывания выключателя складывается из двух промежутков времени: времени действия привода с момента подачи импульса релейной защитой на отключение до момента разделения контактов и времени горения дуги.

Увеличение быстроты действия привода не встретило больших затруднений, и дальнейшее развитие выключателей пошло по пути сокращения длительности горения дуги. Современные выключатели способны обеспечивать отключение КЗ со временем не превышающим 0,05 с.

9. Линии электропередачи. Напряжение ЛЭП существенным образом влияет на ее пропускную способность. Зависимость передаваемой мощности от величины номинального напряжения электропередачи при обычных пара-

метрах генераторов и трансформаторов выглядит, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зависимость передаваемой мощности от ЛЭП

Как видно из рис. 5.3, при длине электропередачи 200 км повышение напря-

жения до 220 кВ приводит к значительному увеличению . Дальнейшее повышение напряжения уже мало эффективно, поскольку в области достаточно больших значенийотносительное сопротивление линии становится малым по сравнению с сопротивлениями генератора и трансформаторов, значения которых почти полностью определяют предел мощности. При больших длинах (800 км) оказывается эффективным большее увеличение напряжения ЛЭП.

Другим фактором, влияющим на предел мощности, является снижение индуктивного сопротивления линии. В настоящее время принят только один

путь уменьшения – применение расщепленных проводов. Этот путь особенно эффективен при дальних электропередачах, где даже при весьма высоких на­пряжениях пропускная способность электропередач была бы недостаточной.

Статическая и динамическая устойчивость зависят от количества переключательных пунктов. С ростом их числа (n>2) эффективность переключательных пунктов уменьшается.

Значительного уменьшения индуктивного сопротивления электропере-

дачи можно достичь за счет последовательного включения в линию конденсаторов (продольная компенсация), что позволяет увеличивать P_пр благодаря компенсации индуктивности линии и сводит к минимуму падения напряжения; , где − эффективность компенсации.

ЛЭП должны также выполняться с устройствами поперечной компенсации, которые обеспечивают высокую пропускную способность электропередачи и улучшают качество электроснабжения.