Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах

1. Дисциплина: Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах

Антонов Андрей Анатольевич,
Доцент кафедры «Электрические станции»
НИУ «МЭИ»
E-mail: [email protected]

2. Структура курса (кратко)

1) Лекции – теория электромагнитных
переходных процессов, теория методик
расчета токов КЗ.
2) Практические занятия - расчет трехфазных и
несимметричных КЗ.
3) 2 лабораторные работы
4) 2 расчетных задания
5) 1 контрольная работа
6) 1 Тест

3. Общие сведения об электромагнитных переходных процессах (ЭМПП)

Лекция № 1

4.

Рекомендуемая литература:
1) Переходные процессы в электроэнергетических системах:
учебник для вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П.
Гусев, М.В. Пираторов; под ред. И.П. Крючкова. – М.:
Издательский дом МЭИ, 2009;
2) И.П. Крючков Электромагнитные переходные процессы в
электроэнергетических системах: учебное пособие для вузов.
М.: Издательство МЭИ, 2000 г.
3) Расчет трехфазных коротких замыканий : методические
указания / Н.Н. Волкова, М.А. Козинова. – М.: Издательство
МЭИ, 2017 г.
4) Расчет несимметричных коротких замыканий:
методические указания / Н.Н. Волкова, М.А. Козинова.
5) Короткие замыкания и несимметричные режимы
электроустановок: учебное пособие для студентов вузов /
И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пираторов. –
М.: Издательский дом МЭИ, 2011.

5.

Электроэнергетическая система (ЭЭС)- это
сложный комплекс различных взаимосвязанных
элементов (генераторов, трансформаторов, ЛЭП,
потребителей), объединенный единым
электрическим режимом.
Электрический режим – состояние ЭЭС в любой
момент времени, определяемое параметрами
режима.
Параметры режима - это следующие величины:
активная мощность P, напряжение в узлах сети U,
ток в различных элементах I, частота f и другие
величины.

6.

Частота сети f, Гц – параметр, единый для всей ЭЭС, частота
зависит от баланса активной мощности в ЭЭС.
Нормальное значение f – (50±0,2) Гц, предельное значение f –
(50±0,4) Гц.
При дефиците
активной мощности:
Pген < Рпотр. +
ΔPпотери
f снижается;
При избытке
активной мощности
- Pген > Рпотр. +
ΔPпотери
f возрастает.
Параметры ЭЭС России
www.so-ups.ru :

7.

Активная мощность P, МВт – параметр, единый для всей ЭЭС,
параметр зависит от приема активной мощности
потребителем.
Нормальный режим ЭЭС
должен обеспечивать
баланс активной
мощности:
Pген = Рпотр. + ΔPпотери
При возникновении
дефицита P:
Pген ↑ < Рпотр.
ΔPпотери
↓+
Параметры ЭЭС России www.so-ups.ru :

8.

Напряжение в узле U, кВ – параметр, локальный для
определенного узла ЭЭС.
Нормальное значение U – (Uном ± 5% от Uном), предельное
значение U – (Uном ± 10% от Uном).
При снижении U момент на валу асинхронного двигателя падает в
квадратичной зависимости: при U = 0,8 Uном → M = 0,64 Мном.
Падение напряжения вызывает нарушение нормальной работы замедление, останов двигателей, порча производственного
оборудования, брак, недовыпуск продукции производства, в том
числе нарушение работы собственных нужд электростанций
(насосы, вентиляторы – асинхронные двигатели).

9.

Ток нагрузки ЛЭП I, А – параметр, локальный для
определенной ветви ЭЭС (ветви - ЛЭП, трансформаторы).
Нормальное значение I – длительно допустимый ток
оборудования по условиям отвода тепла, образующего при
протекании тока 3*I2R (дополнительные ограничивающие
элементы – шина (ошиновка), ТТ, выключатель,
разъединитель, ВЧ-заградитель)

10. Виды режимов работы электроэнергетических систем

Нормальный установившийся режим параметры режима остаются неизменными или
изменяются медленно и нерегулярно.
Послеаварийный установившийся режим – имеет
место после ликвидации аварии (после
аварийного отключения одного или нескольких
элементов энергосистемы и т.п.)
Переходный режим – возникает при переходе
от одного установившегося режима к другому и
характеризуется относительно быстрым и
резким изменением параметров режима
(делятся на нормальные и аварийные)

11. Нормальные переходные процессы (ПП)

Являются следствием различных операций,
требуемых условиями эксплуатации.
Это включение и выключение отдельных
ТР, ЛЭП и электродвигателей и изменение
нагрузки.
Для нормальных переходных процессов
характерны относительно малые и
медленные изменения параметров режима.

12. Аварийные переходные процессы

Возникают вследствие аварий в системе:
1) Отключение работающих загруженных
агрегатов электростанций,
2) Отключение ЛЭП, несущих значительные
нагрузки,
3) Короткие замыкания (КЗ) в различных
элементах системы.
При аварийных переходных процессах
параметры режимов изменяются быстро и
значительно.

13. Причины возникновения аварийных переходных процессов

Необнаружение и неустранение дефектов
электрооборудования;
Ошибки при проектировании электроустановок
(ЭУ);
Неудовлетворительный монтаж и эксплуатация
электростанции;
Продолжительность аварийных переходных
процессов часто составляет секунды, однако их
последствия могут быть очень тяжелыми.

14. Виды переходных процессов

Электромагнитные ПП (ЭМПП)
-это процессы, которые рассматриваются без учета
изменения скорости вращения синхронных машин
(τ ~ 10 – 200 мс).
Электромеханические ПП
-это процессы, которые рассматриваются с учетом
изменения скорости вращения синхронных машин:
ЭМПП + появляется уравнение моментов (τ ~ 200
мс и более).
Волновые ПП
-это процессы, вызванные атмосферными и
коммутационными перенапряжениями (гроза,
включение/отключение элементов) (τ ~ 0,1 – 100
мкс).

15. Определение электромагнитных процессов

Электромагнитные процессы- это
процессы изменения во времени
электромагнитных параметров режима
без учета влияния на них изменения
частоты вращения синхронных
генераторов электроэнергетической
системы.

16.

Электромагнитные
переходные
процессы
сопровождаются изменением электромагнитного
состояния
элементов
ЭЭС.
Механические
параметры режима остаются неизменными.
Скорость протекания — 50-150 Гц. Из всего
многообразия электромагнитных переходных
процессов
наиболее
распространенными
являются
процессы,
вызванные
короткими
замыканиями (КЗ).

17.

КЗ представляет собой случайные или
преднамеренные непредусмотренные
нормальным режимом работы ЭУ
электрические соединения различных ее
точек между собой или с землей, при
которых токи в ветвях, примыкающих к
месту их возникновения, резко возрастают
токи, превышая длительно допустимые токи
продолжительного режима.
Существуют специальные аппараты –
короткозамыкатели, которые создают
преднамеренные КЗ с целью быстрых
отключений возникших повреждений.

18. Следствия КЗ

Понижение напряжения в энергосистеме приводит к
нарушению нормальной работы потребителя и браку
продукции;
Разрушение поврежденного оборудования под действием
электрической дуги , обычно возникающей в месте нарушения
изоляции;
Разрушение электрооборудования в результате термического
и электродинамического воздействия токов КЗ.
Нарушение устойчивости электроэнергетической системы.
Во многих случаях именно переходные процессы
определяют важные параметры генераторов, электрических
аппаратов и других элементов электроустановок, являются
причиной использования различных специальных устройств
(Противоаварийная автоматика – ПА), предотвращающих
развитие аварий.

19. Для чего необходимы исследования переходных процессов при КЗ?

Для выбора электрооборудования по условиям термической
и электродинамической стойкости при КЗ, выбора
выключателей также по отключающей способности;
Для определения электродинамического и термического
воздействия токов КЗ на токоведущие части;
Для выбора средств ограничения токов КЗ;
Для выбора уставки, настройки и оценки возможностей
действия средств релейной защиты автоматики;
Для выбора оптимальных схем электрических соединений
элементов электроустановки;
Для выбора заземляющих устройств;
Для анализа аварий электроустановок.

20. Классификация КЗ

Симметричные
При симметричном КЗ все фазы
находятся в одинаковых
условиях. Они все замкнуты.
Несимметричные
При несимметричном КЗ одна
из фаз находится в условиях,
отличных от условий для двух
других фаз. Эта фаза
называется особой и мы
считаем, что это фаза А.

21.

КЗ могут и
видоизменять
ся: то есть
переходить
из одного
вида в
другой: К(1) >
К(2) > К(3).
Пример
К(2) > К(3):

22.

КЗ могут быть устойчивыми и неустойчивыми:
Устойчивое КЗ ( 20-30%) - короткое
замыкание в электроустановке, условия
возникновения которого сохраняются во
время бестоковой паузы коммутационного
электрического аппарата (используется АПВ).
Неустойчивое КЗ ( 70 – 80%) - короткое
замыкание в электроустановке, условия
возникновения которого самоликвидируются
во время бестоковой паузы коммутационного
электрического аппарата.

23. Виды электромагнитных ПП

ПП при форсировке возбуждения
синхронных машин
ПП при гашении магнитного поля
синхронных машин
ПП при включении в сеть ненагруженных
трансформаторов
ПП при коротких замыканиях

24. Переходный процесс при форсировке возбуждения синхронной машины

Форсировка возбуждения- подъем тока
возбуждения в аварийном режиме, нужна для
повышения U на собственных нуждах
электростанций
Осуществляется с помощью специального
устройства автоматического регулирования
возбуждения (АРВ). Производят, когда напряжение
генератора резко падает на (5-10)%.
Здесь также на возникший переходный процесс
накладывается дополнительный переходный
процесс нарастания возбуждения машины.

25. Зависимость напряжения возбуждения от времени

26.

Действительный закон изменения напряжения
от времени зависит от используемой в машине
системы возбуждения и обычно является
сложной функцией многих переменных.
Поэтому для упрощения это закон заменяют
экспоненциальным, подбирая постоянную
времени эквивалентной экспоненциальной
функции ( обычно называют постоянной
времени системы возбуждения) таким образом,
чтобы отклонения значений напряжения
возбуждения, получаемые с помощью
экспоненциальной функции, от реальных
значений были по возможности минимальными.

27. Гашение магнитного поля синхронных машин

Нередко возникают ситуации в процессе
эксплуатации синхронных машин, при
которых необходимо снять с них
возбуждение. В частности, при коротких
замыканиях внутри генератора либо на
выводах (шинах) генератора, так как такие
аварии не могут быть ликвидированы только
за счет отключения выключателя. Снятие
возбуждения производят посредством
гашения магнитного поля. Для этого системы
возбуждения синхронных машин снабжают
специальными устройствами- автоматами
гашения поля (АГП).

28. Схема включения АГП с гасительным резистором

LG – обмотка возбуждения СМ;
Rгаш – сопротивление гашения;
GE – возбудитель.
Rгаш – ускоряет затухание
тока возбуждения в обмотке
ротора
Последовательность операций при гашении
магнитного поля:
замыкание обмотки возбуждения машины LG на
гасительный резистор Rгаш (включение контакта 1);
небольшая пауза;
отключение возбудителя GE (отключение контакта 2).

29. Зависимость напряжения и тока в обмотке возбуждения от времени

Изменение тока и напряжения
при гашении МП СМ:
if – ток обмотки возбуждения СМ;
uf – напряжение на обмотке
возбуждения.
if(0), uf(0) – предшествующие
значения тока и напряжения
обмотки возбуждения
Идеальный случай гашения
МП СМ: Uf = const.
Чтобы приблизить Uf(t) к постоянной,
придумали АГП особой конструкции.
uf(t) ~ L