Переходные процессы

1. ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа систематизирует, расширяет и углубляет теоретические знания студентов, знакомит их с новейшими достижениями в области проектирования и расчетов предполагаемых токов короткого замыкания на оборудовании электрических сетей.

Темы курсовых работ должны соответствовать современному уровню проектирования, объему теоретических знаний и практических навыков, полученных за время обучения, и включать вопросы, с которыми студенты могут встретиться в своей практической деятельности. Тематику курсовой работы необходимо максимально приблизить к реальным условиям производства, при этом в достаточной мере должна быть учтена специфика учебного проектирования.

В задание на курсовую работу входят следующие элементы:

−тема проекта;

−исходные данные, необходимые для выполнения проекта;

−перечень вопросов, подлежащих разработке при проектировании;

−перечень рекомендуемой для выполнения проекта литературы.

Курсовая работа по дисциплине «Переходные процессы в системах электроснабжения» позволяет сформировать следующие компетенции по ФГОС направления «Электроэнергетика и электротехника»:

−способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения;

−способность к письменной и устной коммуникации на государственном языке: умением логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь;

−способность в условиях развития науки и изменяющейся социальной практики к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей, готовностью приобретать новые знания, использовать различные средства и технологии обучения;

−готовность к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции;

−способность и готовность владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, использовать компьютер как средство работы с информацией;

−способность и готовность использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики в своей предметной области;

−способность демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовностью использовать основные законы

впрофессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

3

−готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат;

−способность и готовность анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования;

−способность формировать законченное представление о принятых решениях и полученных результатах в виде отчета с его публикацией;

– готовность работать над проектами электроэнергетических и электротехнических систем и их компонентов;

−способность разрабатывать простые конструкции электроэнергетических

иэлектротехнических объектов;

−готовность использовать информационные технологии в своей предметной области;

−способность использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных электрических цепей постоянного и переменного тока;

−способность графически отображать геометрические образы изделий и объектов электрооборудования, схем и систем;

−готовность обосновывать принятие конкретного технического решения при создании электроэнергетического и электротехнического оборудования;

−способность рассчитывать схемы и элементы основного оборудования, вторичных цепей, устройств защиты и автоматики электроэнергетических объектов;

−способность рассчитывать режимы работы электроэнергетических установок различного назначения, определять состав оборудования и его параметры, схемы электроэнергетических объектов;

−готовность разрабатывать технологические узлы электроэнергетического оборудования;

−способность использовать технические средства для измерения основных параметров электроэнергетических и электротехнических объектов и систем и происходящих в них процессов

−готовность определять и обеспечивать эффективные режимы технологического процесса по заданной методике;

−способность контролировать режимы работы оборудования объектов электроэнергетики;

−готовность участвовать в исследовании объектов и систем электроэнергетики и электротехники;

−способность выполнять экспериментальные исследования по заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов;

−готовность использовать технические средства испытаний технологических процессов и изделий.

4

2. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

Графическая часть проекта иллюстрирует текст расчетно-пояснительной записки. Также работа над этой частью проекта позволяет выявить способности студента к конструированию и графическому оформлению технической документации. Все чертежи должны выполняться в соответствии с ЕСКД на листах стандартного формата 24 (А1) размер 59,4х84,1 см. Общее число листов курсовой работы 2–3. Содержание текста и надписей в чертежах должны быть краткими и точными. В них не должно быть сокращений, за исключением общепринятых, а также указанных в обязательном приложении к ГОСТ. Масштабы и степень детализации выбираются по условиям целесообразности. Не допускается выполнять схемы в неестественно крупном масштабе.

В соответствии с ГОСТ 2.701-84 шифры электрических схем состоят из буквы Э (электрическая), определяющей вид схемы, и цифры, определяющей тип схемы: 1 – структурная, 2 – функциональная, 3 – принципиальная, 4 – соединений, 5 – подключений, 6 – общая, 7 – расположения. В нижнем правом углу чертежа помещают основную надпись, графы которой заполняются в соответствии с ГОСТ 2.701-84, например принципиальная схема будет иметь шифр Э3, схема расположения шифр Э7.

Электрические схемы должны выполняться в соответствии с правилами, установленными ГОСТ 2.702-75, ГОСТ 2.708-81, ГОСТ 2.709-81, ГОСТ 2.71081, ГОСТ 2.721-74, ГОСТ 2.756-76. При выполнении электрических схем на планах помещений, на территориях и т. п. электротехническую часть вычерчивают более толстыми линиями, чем другие элементы чертежа. Коммутационные устройства на схемах изображают в таком положении, в котором они находятся при отсутствии напряжения и внешних принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты.

Все элементы, принадлежащие одному и тому же устройству или аппарату, например, катушки и вспомогательные контакты реле, главные контакты и вспомогательные контакты выключателя и т. д., снабжаются одинаковыми буквенно-цифровыми позиционными обозначениями, состоящими из буквенного обозначения и порядкового номера, например реле К1, К2, К3, плавкий предохраните FU1, FU2 и т.д. Если в схеме лишь один аппарат или устройство данного типа, то порядковый номер не ставится.

5

3.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТОКАХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Вэлектрических системах наиболее распространенными являются электромагнитные переходные процессы, вызванные коротким замыканием в системах.

Коротким замыканием (далее К.З.) называют всякое 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).

Всистемах с незаземленными нейтралями или с нейтралями, заземленными через специальные компенсирующие устройства, замыкание одной из фаз на землю называют простым замыканием. При этом виде повреждения прохождение тока обусловлено главным образом емкостью фаз относительно земли.

При возникновении К.З. в электрической системе сопротивление цепи уменьшается (степень уменьшения зависит от положения точки К.З. в системе), что приводит к увеличению токов в отдельных ветвях системы по сравнению с токами нормального режима. Это в свою очередь вызывает снижение напряжения в системе, которое особенно велико вблизи места К.З.

Как правило, в месте К.З. образуется какое-то переходное сопротивление, состоящее из сопротивления возникшей электрической дуги и сопротивлений других элементов пути тока от одной фазы к другой или от фазы на землю. Электрическая дуга образуется или с самого начала происшедшего повреждения или через некоторое время, когда перегорит элемент, вызвавший замыкание. В случае замыкания между фазами переходное сопротивление определяется главным образом сопротивлением электрической дуги.

Когда токи достигают сотни ампер и более, сопротивление дуги приблизительно остается постоянным и по своему характеру практически чисто активным. С уменьшением тока и увеличением длины дуги, что имеет место в течение переходного процесса, ее сопротивление возрастает. В случаях когда переходные сопротивления могут быть совсем малы и ими можно пренебречь. Такие замыкания называются металлическими.

При металлическом замыкании ток К.З. больше, чем при наличии переходного сопротивления. Поэтому, когда требуется найти возможные наибольшие величины токов К.З., исходят из наиболее тяжелых условий, т. е. считают, что в месте замыкания отсутствуют какие-либо переходные сопротивления.

Втрехфазных системах с заземленной нейтралью различают следующие основные виды коротких замыканий в одной точке:

− трехфазное; − двухфазное; − однофазное;

− двухфазное на землю, т. е. замыкание между двумя фазами с одновременным замыканием той же точки на землю.

6

Трехфазное К.З. является симметричным, так как при нем все фазы остаются в одинаковых условиях. А остальные виды К.З. являются несимметричными, так как при каждом из них фазы находятся уже в неодинаковых условиях и поэтому системы токов и напряжений в той или иной мере искажаются.

Статистика повреждений показывает, что для сетей с глухозаземленной

нейтралью вероятность различных К.З. распределяется следующим образом: трехфазное (К(3)) – 5 %; двухфазное (К(2)) – 10 %; однофазное (К(1)) – 65 %; двухфазное на землю (К(1,1)) – 20 %. Очень часто в процессе развития аварии

первоначальный вид К.З. переходит в другой вид короткого замыкания. Так, например, в кабельных сетях несимметричные К.З. в течение какого-то времени переходят в трехфазные К.З., так как образовавшаяся при повреждении в кабеле электрическая дуга быстро разрушает изоляцию между жил.

Несимметричные К.З., а также несимметричные нагрузки представляют различные виды поперечной несимметрии.

Случаи нарушения симметрии какого-либо промежуточного элемента трехфазной цепи (например, отключение одной фазы линий передачи и т. п.) называют продольной несимметрией.

Имеют место случаи, когда одновременно возникает несколько несиммметрий одинакового или различного вида. Так, например, при обрыве провода воздушной линии один его конец, расположенный близко к точке подвеса, остается изолированным, а другой, упав на землю, образует однофазное К.З. В этом случае одновременно возникают продольная и поперечная несимметрии. Другим примером, когда возникают несимметрмии одного вида, может служить так называемое двойное замыкание на землю, т. е. одновременное замыкание на землю разных фаз в различных точках сети, работающей с изолированной нейтралью.

К.З. являются основной причиной возникновения электромагнитных переходных процессов и в свою очередь возникают в результате нарушения изоляции электрического оборудования, вызванного старением изоляционных материалов, перенапряжениями, недостаточно тщательным уходом за оборудованием, а также непосредственным механическим повреждением (например, повреждением кабеля при выполнении земляных работ и т. п.). На практике имели случаи, когда К.З. возникали от перекрытия токоведущих частей животными и птицами.

При осуществлении упрощенных схем электрических соединений понижающих подстанций часто используют специальные аппараты – короткозамыкатели; последние создают преднамеренные К.З. с целью быстрых отключений ранее возникших повреждений.

Таким образом, наряду с К.З. случайного характера в системе имеют место также преднамеренные К.З., вызываемые действием установленных короткозамыкателей.

7

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

Так, например, при коротком замыкании в удаленной точке сети величина тока К. З. составляет лишь незначительную долю номинального тока питающих генераторов и возникновение такого К.З. воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается вблизи места трехфазного К.З., в то время как в других точках системы наблюдается едва заметное снижение напряжения. Поэтому, при рассматриваемых условиях опасные последствия К.З. проявляются лишь в ближайших к месту К.З. частях системы.

Ток К.З. даже в тех случаях, когда он мал по сравнению с номинальным током генератора, как правило во много раз превышает номинальный ток аварийной ветви. Поэтому и при кратковременном прохождении тока К. З. он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.

Кроме теплового действия, токи К.З. вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начальной стадии процесса К.З., когда ток достигает максимума. Если прочность проводников и их креплений обеспечивается недостаточно, то они могут быть разрушены при К.З. Также это относится к электрическим аппаратам и машинам , надежность которых может быть обеспечена при учете всех проявлений К.З.

Поэтому при проектировании и эксплуатации электрических установок и систем для решения многих технических вопросов и задач требуется предварительно произвести ряд расчетов, среди которых важное место занимают расчеты электромагнитных процессов при внезапном К.З

8

4. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Расчет электромагнитного переходного процесса в современной электрической системе с учетом всех имеющих место условий и факторов очень сложен и практически невыполним. Поэтому, чтобы упростить задачу и сделать ее решение практически возможным, вводят ряд допущений.

К числу таких допущений относятся:

−отсутствие насыщения магнитных систем. При этом все схемы оказываются линейными, расчет которых значительно проще; в частности, здесь могут быть использованы любые формы принципа наложения;

−пренебрежение токами намагничивания трансформаторов. Единственным исключением из этого допущения является случай, когда трехстержневой

трансформатор с соединением обмоток 0/ 0 включен на напряжение нулевой последовательности;

−сохранение симметрии трехфазной системы;

−пренебрежение емкостными проводимостями;

−приближенный учет нагрузок. В зависимости от стадии переходного процесса нагрузку приближенно характеризуют некоторым постоянным сопротивлением, обычно чисто индуктивным;

−отсутствие активных сопротивлений;

−все источники, участвующие в питании рассматриваемой точки К.З., работают одновременно с номинальной нагрузкой;

−К.З. наступает в такой момент времени, при котором ток К.З, имеет наибольшее значение;

−электродвижущие силы всех источников питания совпадают по фазе;

−расчетное напряжение каждой ступени принимают на 5 % выше номинального напряжения сети;

−необходимо учитывать влияние на токи К.З. присоединенных к данной сети синхронных компенсаторов, синхронных и асинхронных электродвигателей. Влияние асинхронных электродвигателей на токи К.З. не учитывают при мощности электродвигателей до 100 кВт в единице, если электродвигатели отделены от места К.З. одной ступенью трансформации, а также при любой мощности, если они отделены от места К.З. двумя или более ступенями трансформации или если ток от них может поступать к месту К.З. только через те элементы, через которые проходит основной ток К. З. от сети и которые имеют существенное сопротивление (линии, трансформаторы и т. п.);

−в электроустановках напряжением выше 1000 В следует учитывать индуктивные сопротивления электрических машин, силовых трансформаторов, реакторов, воздушных линий и кабельных линий. Активное сопротивление следует учитывать только для воздушных линий с проводами малых сечений и стальными проводами, а также для протяженных кабельных сетей малых площадей сечений с большим активным сопротивлением.

9

5. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ СИСТЕМЫ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ И

ИМЕНОВАННЫХ ЕДИНИЦ

Расчетная схема для определения токов К.З. представляет собой схему в однолинейном исполнении, в которую введены генераторы, компенсаторы, синхронные и асинхронные электродвигатели, оказывающие влияние на ток К.З., а также элементы системы электроснабжения (линии, трансформаторы, реакторы, связывающие источники электроэнергии с местом К.З. При составлении расчетной схемы для выбора электрических аппаратов и проводников и определения при этом токов К.З. следует исходить из предусматриваемых для данной электроустановки условий длительной ее работы. При этом не нужно учитывать кратковременные видоизменения схемы этой электроустановки, например при переключениях. Ремонтные и послеаварийные режимы работы электроустановки к кратковременным изменениям схемы не относятся.

По расчетной схеме составляют схему замещения, в которой трансформаторные связи заменяют электрическими. Элементы системы электроснабжения, связывающие источники электроэнергии с местом К.З., вводят в схему замещения сопротивлениями, а источники энергии – ЭДС и сопротивлениями. Сопротивления и ЭДС схемы замещения должны быть приведены к одной ступени напряжения (основная ступень). При практических расчетах за основную удобно принимать ступень, где определяются токи К.З. Параметры элементов схемы замещения можно выражать в именованных или относительных единицах.

Приведение к основной ступени ЭДС, напряжений, токов и сопротивлений схемы замещения, составляемой в именованных единицах, выполняют по следующим формулам:

где Е*, *, I*, Х*, r*, Z* − ЭДС, напряжение, ток, реактивное, активное и полное сопротивления, приведенные к основной ступени напряжения;

Е, , I, Х, r, Z – действительные значения тех же величин на той ступени напряжения, где они известны;

1, 2 … – действительные коэффициенты трансформации трансформаторов, включенных между основной ступенью напряжения и ступенью, на которой известны значения приводимых величин ( 1 = 2 1,

2 = 3 2).

10

Рассмотренное приведение по действительным коэффициентам трансформации называют точным приведением. В практических расчетах часто пользуются приближенным приведением, при котором принимают средние номинальные напряжения, а именно: 0,4; 0,69; 3,15; 6,3; 10.5; 15,75; 18; 20; 37; 115; 154; 230; 340; 550 кВ и т.д. Приближенное приведение выполняют по

где ср.осн. − среднее номинальное напряжение основной ступени;ср. – среднее номинальное напряжение ступени, с которой производится

пересчет.

При составлении схемы замещения в относительных единицах значения ЭДС и сопротивлений схемы выражают в долях выбранных значений базовых величин. Для расчета в относительных единицах сначала выбирают базовые величины или условия: мощность б, напряжение б, ток б и сопротивление Хб

или б.

Обычно задаются двумя величинами – базовыми мощностью и напряжением, остальные две – ток и сопротивление получают из уравнений мощности и закона Ома:

Формула (5.10) может применяться только для чисто индуктивных цепей. За базовое напряжение обычно принимается среднее расчетное ср

напряжение какойлибо ступени трансформации.

При выборе базовой мощности руководствуются тем, чтобы порядок относительных значений, полученных при расчете, был удобен. Чаще всего базовую мощность принимают равной 100 МВ ∙ А или 1000 МВ ∙ А, но иногда останавливаются на номинальной мощности какого-либо элемента, если она несколько раз повторяется в схеме.

Относительные величины выражаются следующим образом:

Индекс « » указывает на то , что речь идет об относительной величине, а индекс «б»говорит о том, что она приведена к базовым условиям.

11