Причины возникновения и последствия переходных процессов

Date: 2015-10-07; view: 480.

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.

Основной причиной возникновения переходных процессов являются КЗ, которые, в свою очередь, являются результатом нарушения изоляции электрооборудования. Нарушения изоляции вызываются:

1. Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями).

2. Прямыми ударами молнии.

3. Старением изоляции.

4. Механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов.

5. Неудовлетворительным уходом за оборудованием.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

При осуществлении упрощенных схем соединений понижающих подстанций используют специальные аппараты – короткозамыкатели, которые создают преднамеренные КЗ с целью быстрых отключений возникших повреждений. Таким образом, наряду с КЗ случайного характера, в СЭС имеют место также преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей.

При возникновении КЗ в СЭС ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек СЭС, которое особенно велико вблизи места КЗ.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей СЭС.

При большой удаленности КЗ величина тока КЗ может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов, и возникновение такого КЗ воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места КЗ, в то время как в других точках СЭС это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия КЗ проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях СЭС.

Ток КЗ, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло КЗ. Поэтому и при кратковременном протекании тока КЗ он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.

Токи КЗ вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса КЗ, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.

Внезапное глубокое снижение напряжения при КЗ отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40 % они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время, и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.

При малой удаленности и достаточной длительности КЗ возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т. е. нарушение нормальной работы всей ЭЭС, что является самым опасным последствием КЗ.

Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы токов способны создать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей.

Таким образом, последствия КЗ следующие:

1. Механические и термические повреждения электрооборудования.

2. Возгорания в электроустановках.

3. Снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.

4. Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей ЭЭС и возникновение аварий, включая системные аварии.

5. Электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т. п.