Переходные процессы в электроэнергетических системах

 

Содержание
1. Введение	3
2. Аналитический расчет токов установившегося и сверхпереходного  режи-     мов в аварийной цепи при трехфазном КЗ	4
3. Расчёт по расчётным кривым токов сверхпереходного и установившегося     режимов в аварийной цепи при симметричном и несимметричном  КЗ	21
4. Построение векторных   диаграмм токов и напряжений в именованных      единицах в точке К при несимметричном режиме	38
5. Аналитический расчет токов КЗ в аварийной цепи 0,4 кВ	41
6. Литература	44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Надежность работы электрической  системы и её отдельных элементов  в значительной степени зависит  от того, насколько правильно и  полно при её проектировании учтены опасные проявления переходных процессов. Под переходными понимают процессы перехода от одного режима работы электрической цепи к другому, отличающемуся от предыдущего (например, амплитудой и фазой тока, частотой, значениями параметров схемы). Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации, так и в аварийных условиях (короткое замыкание, обрыв одной или двух фаз и др.). Возникновение переходного процесса связано, с одной стороны, с изменением электромагнитного равновесия  электрической системы, с другой – с нарушением баланса между электромагнитным моментом и моментом на валу электрической машины. Исследование переходных процессов для многих задач можно в какой-то степени идеализировать, учитывая то обстоятельство, что благодаря довольно большой постоянной инерции электрических машин скорость протекания электромагнитных и электромеханических процессов различна. Это позволяет в принципе единые по природе переходные процессы условно разделить на электромагнитные и электромеханические.

Замыканием называется всякое случайное  или преднамеренное соединение между  собой двух или более различных  точек электрической цепи или  сети. В системе с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю называется “простым замыканием”. Основной причиной КЗ является нарушение изоляции электрического оборудования. Эти нарушения вызываются: перенапряжением, прямыми ударами молнии, старением изоляционных материалов, недостаточно тщательным уходом за оборудованием и механическими повреждениями. К КЗ могут приводить ошибочные действия эксплуатирующего персонала и перекрытия токоведущих частей животными и птицами. Чаще всего КЗ происходит через переходное сопротивление электрической дуги, возникающей в месте повреждения изоляции. Иногда возникают металлические КЗ без переходного сопротивления.

В трехфазной системе возможны следующие  виды КЗ: трехфазное - ;  двухфазное- ; однофазное - ; двухфазное на землю - . Чаще всего встречаются однофазные КЗ(около 65%) и значительно реже - трехфазные КЗ (около 5%). Трехфазное КЗ является симметричным, т. к. при нем все фазы остаются в одинаковых условиях, и симметрия токов (периодических составляющих) и напряжений не нарушается. Остальные виды КЗ являются несимметричными.

Последствиями КЗ являются резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в электрической цепи и снижение напряжения в электрической  сети, особенно в близи места повреждения. Увеличение тока приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие  части и изоляторы, на обмотки  электрических машин. Прохождение  больших токов вызывает повышенный нагрев токоведущих частей и изоляции, что может привести к дальнейшему  развитию аварии. Резкое снижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и к системной аварии с большим народнохозяйственным убытком. Величина тока КЗ зависит от мощности генерирующих источников от места КЗ, вида КЗ, времени с момента возникновения КЗ. Для уменьшения последствий КЗ необходимо как можно быстрее отключить поврежденный участок, что достигается применением быстродействующих выключателей и релейной защиты с минимальной выдержкой времени.               

Немаловажную роль играют автоматическое регулирование и форсировка возбуждения  генераторов, позволяющие поддерживать напряжение в аварийном режиме на необходимом уровне. Все электрические  аппараты и токоведущие части  электрических станций должны быть выбраны таким образом, чтобы  исключалось их разрушение при прохождении  по ним наибольших возможных токов  КЗ, в связи с чем возникает  необходимость расчета этих величин.

 

 

 

2. Аналитический расчет токов установившегося и сверхпе-реходного режимов в аварийной цепи при трехфазном КЗ

 

Исходная схема электрической  системы:

 

Рис. 2.1.

 

Исходные данные параметров элементов  системы:

 

C	G1(ГГ)	G2(ТГ)	G4(ТГ)		G5(ТГ)
Sкз = 3000 МВ·А X*2 = 0,6 X*0 = 0,78	PН = 300 МВт cosφ = 0,85 KC = 1,15 X”d = 0,213 I*Н = 0,9	PН = 50 МВт cosφ = 0,8 KC = 0,76 X”d = 0,13 I*f = 2,7	PН = 600 МВт cosφ = 0,85 KC = 0,57 X”d = 0,21 I*f = 2,5		PН = 250 МВт cosφ = 0,8 KC = 0,57 X”d = 0,137 I*f = 2,3
AT1	T2	T5	T6		XN2
SH = 125 МВ·А UКВН-СН = 10% UКВН-НН = 32% UКСН-НН = 21,5% SНН = 0,5·SН	SH = 400 МВ·А UК = 10,5%	SH = 375 МВ·А UК = 11%	SH = 40 МВ·А UКВН-НН = 10,5% UКНН1-НН2 = 14% SКНН1 = SНН2 = 0,5		XN* = 0,3
H1	H2	H3	H5		H6
SH = 20 МВ·А	SH = 180 МВ·А	SH = 20 МВ·А	SH = 115 МВ·А		SH = 50 МВ·А
W1	W2	W34	W5	W6	W78
l = 50 км	l = 90 км	l = 185 км	l = 120 км	l = 90 км	l = 335 км

 

 

 

Аналитический расчет токов установившегося режима в аварийной цепи при трехфазном КЗ

 

2.1.  В качестве базисных принимаем следующие величины:

 

 

 

 

2.2. Определение параметров схемы  замещения в относительных единицах  при принятых в п. 2.1 базисных  условиях:

 

- системы С:

 

 

- генераторов:

  - :

 

 

 

  - :

 

 

 

  - :

 

 

 

  - :

 

 

 

 

- автотрансформатора АТ₁:

 

 

 

 

 

 

- трансформаторов:

  - Т₂:

 

  - Т₅:

 

  - Т₆:

 

 

 

- линии электропередач ():

  - W₁:

 

  - W₂:

 

  - W₃+W₄:

 

  - W₅:

 

  - W₆:

 

  - W₇+W₈:

 

 

 

- нагрузки ():

  - Н₁:

 

  - Н₂:

 

  - Н₃:

 

  - Н₅:

 

  - Н₆:

 

 

Схема замещения для  расчетов токов короткого замыкания  в установившемся режиме представлена на рисунке 2.2:

 

 

Рис 2.2. Схема замещения энергосистемы при аналитическом расчете токов установившегося режима при трехфазном КЗ

 

2.3. Преобразование схемы замещения энергосистемы к простейшему виду:

 

 

 

 

 

 

В результате получим схему:

 

Рис. 2.2. Схема замещения энергосистемы после первого преобразования

 

Ветви E_*1, X_*26 и E_*2, X_*27 и сопротивление X_*5 преобразуем в ветвь E_*11, X_*31:

 

 

Ветви E_*4, X_*28 и E_*5, X_*29 и сопротивление X_*16 преобразуем в ветвь E_*12, X_*32:

 

 

Ветви E_*8, X_*18 и E_*9, X_*19 и сопротивление X_*30 преобразуем в ветвь E_*13, X_*33:

 

 

Ветви E_*7, X_*12 и E_*10, X_*13 и сопротивление X_*11 преобразуем в ветвь E_*14, X_*34:

 

 

В результате получим схему:

 

 

Рис. 2.3. Схема замещения энергосистемы после второго преобразования

 

Ветви E_*3, X_*14 и E_*12, X_*32 и E_*13, X_*33 преобразуем в ветвь E_*15, X_*35:

 

 

Ветви E_*6, X_*10 и E_*14, X_*34 преобразуем в ветвь E_*16, X_*36:

 

 

В результате получим схему:

 

 

Рис. 2.4. Схема замещения энергосистемы после третьего преобразования

 

Преобразуем Y(8,9,36) в Δ(37,38,39):

 

 

 

В результате получим схему:

 

 

Рис. 2.4. Схема замещения энергосистемы  после третьего преобразования

 

Воспользуемся методом рассечения точки приложения ЭДС. Генерирующий источник с ЭДС E_*16 находится в узле схемы, поэтому разрезаем схему в вершине (точка А на рис. 2.4), где приложена ЭДС E_*16, сохранив эту ЭДС на свободных концах ветвей (E’_*16 = E’’_*16 = E_*16):

Рис. 2.5. Схема замещения энергосистемы после рассечения точки приложения ЭДС E_*16

 

Преобразуем Δ(6,7,37) в Y(40,41,42):

 

 

 

 

В результате получим схему:

 

 

Рис. 2.5. Схема замещения энергосистемы после преобразования Δ(6,7,37) в Y(40,41,42)

 

Преобразуем X_*31 и X_*40 в X_*43:

 

Ветви E_*15, X_*35 и E’’_*16, X_*38 и сопротивление X_*41 преобразуем в ветвь E_*17, X_*44:

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.6

Ветви E_*11, X_*43 и E_*17, X_*44 и сопротивление X_*42 преобразуем в ветвь E_*18, X_*45:

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.7

Ветви E_*18, X_*45 и E’_*16, X_*39 преобразуем в ветвь E_*экв, X_*рез:

 

 

Получим итоговую схему:

Рис. 2.8

2.4. По эквивалентному ЭДС E_*экв и сопротивлению относительно места повреждения X_*рез определяем ток КЗ в относительных единицах:

 

2.5. Установившийся ток трехфазного КЗ в именованных единицах:

 

 

Аналитический расчет токов сверхпереходного режима в аварийной цепи при трехфазном КЗ

 

2.6. Определение параметров схемы замещения в относительных единицах при принятых в п. 2.1 базисных условиях:

 

- генераторов:

 

  - :

 

 

  - :

 

 

  - :

 

 

  - :

 

 

 

Схема замещения для расчетов токов  короткого замыкания в сверхпереходном  режиме представлена ни рисунке 2.9.

 

 

 

 

 

 Рис 2.9. Схема замещения энергосистемы при аналитическом расчете токов сверхпереходного режима при трехфазном КЗ

2.7. Преобразование схемы замещения энергосистемы к простейшему виду:

 

 

 

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.10

 

Ветви E_*2, X_*21 и E_*3, X_*22 и сопротивление X_*12 преобразуем в ветвь E_*6, X_*25:

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.11

 

Ветви E_*6, X_*25 и E_*4, X_*23 преобразуем в ветвь E_*7, X_*26:

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.12

 

Преобразуем Y(5,7,24) в Δ(27,28,29):

 

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.13

Воспользуемся методом рассечения точки приложения ЭДС. Генерирующий источник с ЭДС E_*5 находится в узле схемы, поэтому разрезаем схему в вершине (точка А на рис. 2.4), где приложена ЭДС E_*5, сохранив эту ЭДС на свободных концах ветвей (E’_*5 = E’’_*5 = E_*5):

Рис. 2.14

 

Преобразуем Δ(4,6,27) в Y(30,31,32):

 

 

 

В результате получим схему:

Рис. 2.15

 

 

 

Ветви E’’_*5, X_*28 и E_*7, X_*26 и сопротивление X_*31 преобразуем в ветвь E_*8, X_*33:

 

 

Преобразуем X_*20 и X_*30 в X_*34:

 

В результате получим схему:

Рис. 2.16

 

Ветви E_*1, X_*34 и E_*8, X_*33 и сопротивление X_*32 преобразуем в ветвь E_*9, X_*35:

 

 

В результате получим схему:

 

Рис. 2.17

 

Ветви E_*9, X_*35 и E’_*5, X_*29 преобразуем в ветвь E_*экв, X_*рез:

 

 

Получим итоговую схему:

Рис. 2.18

 

 

2.8. По эквивалентному сверхпереходному ЭДС E_*экв и сопротивлению относительно места повреждения X_*рез определяем ток КЗ от генераторов в сверхпереходном режиме в относительных единицах:

 

 

2.9. Сверхпереходной ток трехфазного КЗ в именованных единицах:

 

 

2.10. Значение ударного тока:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчёт по расчётным кривым токов сверхпереходного и установившегося режимов в аварийной цепи при симметричном и несимметричном  КЗ

 

Расчёт по расчётным кривым токов  сверхпереходного и установившегося  режимов в аварийной цепи при  симметричном КЗ

3.1. Схема замещения энергосистемы