Булат КонспЛекцЭМПП

Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

“Переходные процессы в электро-

энергетических системах”. ч.1

Конспект лекций

для студентов специальностей 1-43 01 01 “Электрические станции” 1-43 01 03 “Электроснабжение”

Учебное электронное издание

Минск ◊ БНТУ ◊ 2010

1

УДК 621.311.018.782.3

Автор:

В.А. Булат Рецензенты:

Е.В. Калентионок, доцент, канд. техн. наук; А.Г. Губанович, доцент, канд. техн. наук

Конспект лекций по дисциплине “Переходные процессы в электроэнергетических системах” для студентов спец. 1-43 01 01 “Электрические станции” и 1-43 01 03 “Электроснабжение” дневной и заочной форм обучения. / В.А. Булат.- Мн.: БНТУ, 2010.-

Настоящий конспект лекций составлен в соответствии с программой дисциплины “Переходные процессы в электроэнергетических системах”.

Рассмотрены электромагнитные переходные процессы при трехфазных коротких замыканиях, несимметричных режимах и сложных повреждениях в электрических системах. Излагаются физические явления, обусловленные переходными процессами, приведены методы их анализа и расчета.

Конспект может быть использован также студентами других энергетических специальностей, магистрантами, аспирантами и инженерно-техническими работниками занятыми проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем.

Автор выражает благодарность студентам Энергетического факультета БНТУ гр. 106116 Алешкевичу Р.К. и Шляпику А.А. за техническую помощь в компьютерном наборе и оформлении настоящего пособия.

Белорусский национальный технический университет пр-т Независимости, 65, г. Минск, Республика Беларусь

Тел.(017) 292-71-63

Регистрационный №_________

БНТУ, 2010 Булат В.А., 2010

2

СОДЕРЖАНИЕ

1.Основные сведения и понятия……………………………….

2.Виды коротких замыканий…………………………………….

2.1. Распределение КЗ по видам повреждений, по данным аварийной статистики

3.Причины возникновения КЗ……………………………….

4.Причины возникновения переходных процессов……………..

5.Последствия коротких замыканий…………………………..

6.Необходимость расчетов токов короткого замыкания……..

7.Допущения при расчетах токов КЗ………………………..

8.Система относительных единиц…………………

9.Составление схемы замещения и приведение электрической схемы к одной ступени напряжения……………………………………

10.Составление схемы замещения и приведения электрической схемы к одной ступени напряжения……………………………………

11.Основные принципы расчета…………………………………..

12.Методы преобразования сложных схем……………………..

13.Метод эквивалентных ЭДС………………………………

14.Метод наложения или суперпозиции………………………..

15.Метод рассечения точки приложения ЭДС…………………..

16.Метод рассечения точки КЗ…………………………………..

17.Метод коэффициентов токораспределения………………….

18.Распределение токов КЗ в отдельных ветвях……………….

19.Определение остаточного напряжения……………………..

20.Установившийся режим 3-х фазного КЗ……………………

21.Основные характеристики синхронной машины (СМ) в установившемся режиме 3-х

фазного КЗ………………………………………………………………..

22.Аналитический расчет установившегося режима……………

22.1.Генератор без АРВ………………………………………………………………………

22.2.Генератор с АРВ……………………………………………

22.3 Условные эпюры напряжений для 3-х характерных режимов...

3

23.Расчет установившегося режима КЗ в сложных схемах (несколько генераторов с АРВ)………………………………………………..

24.Влияние и учет нагрузки при установившемся режиме 3-х фазного КЗ……

25.Внезапное 3-х фазное КЗ в простейшей электрической цепи….

26.Действующее значение тока КЗ……………………………….

27.Внезапное трехфазное КЗ цепи с трансформатором………….

28.Переходный процесс при включении трансформатора на холостой ход

29.Переходный процесс при внезапном КЗ в подвижных магнитосвязанных цепях

29.1.СМ без успокоительной обмотки…………………………….

29.2.СМ с успокоительной обмоткой ……………………………..

30.Параметры синхронной машины…………………………………

31.Переходной процесс в СМ без успокоительной обмотки………………

32.Переходный процесс в СМ с успокоительной обмоткой………………

33.Влияние и учет нагрузки при внезапном КЗ……………………….

34.Учет системы бесконечной мощности………………………………

35.Практические методы расчета токов КЗ………………………….

36.Метод расчетных кривых………………………………………..

37.Расчет по общему изменению. Порядок расчета.………………

38.Расчет по индивидуальному изменению…………………………

39.Метод расчета токов КЗ по методу типовых кривых…………..

40.Расчет переходных процессов при несимметричных КЗ……….

41.Магнитное поле генератора при несимметричном КЗ………..

42.Особенности несимметричных КЗ……………………………..

43.Образование высших гармоник………………………………..

44.Электрические параметры схем обратной и нулевой последовательностей

45.1 Сопротивление отдельных последовательностей для СМ……

43.2Обобщенная нагрузка

43.3Реакторы

43.4Сопротивление нулевой последовательности для воздушных ЛЭП

43.5Кабельные линии

4

43.6Сопротивление нулевой последовательности двухобмоточных трансформаторов

43.7Сопротивление нулевой последовательности трехобмоточных трансформаторов 44. Влияние конструкции трансформаторов на токи нулевой последовательности 45.Учет сопротивления заземления нейтрали в схемах нулевой последовательности 46. Составление схем замещения для различных последовательнотей

47.Примеры составления схемы замещения нулевой последовательности

48.Однократная поперечная несимметрия. Токи и напряжения при различных видах КЗ

48.1.Двухфазное короткое замыкание

48.2.Однофазное короткое замыкание

48.3.Двухфазное КЗ на землю

49.Соотношения между токами 3-х фазного и несимметричного КЗ

50.Учет переходных сопротивлений в месте повреждения при несимметричных КЗ

51.Правило эквивалентности прямой последовательности (правило Щедрина) и его применение в расчетах

52.Аналитический расчет несимметричного КЗ

53.Расчет несимметричных КЗ по расчетным кривым

54.Распределение и трансформация токов и напряжений различных последовательностей при несимметричном КЗ

55.Комплексные схемы замещения для исследования несимметричных КЗ

56.Расчет переходного процесса при продольной несимметрии

57.Разрыв в одной фазе

58.Обрыв в двух фазах

59.Порядок расчета однократной продольной несимметрии

60.Общий порядок расчета сложных видов повреждений

61.Простое замыкание в сети с изолированной нейтралью

62.Расчет токов КЗ в установках до 1 кВ

63.Расчет переходного процесса с учетом качания синхронных машин

5

1.Основные сведения и понятия

В энергетических системах различают нормальный и ненормальный режимы работы. Ненормальные режимы работы вызваны преимущественно короткими замыканиями (КЗ). В электрической системе совпадают моменты выработки и потребления электрической энергии. При нормальном режиме существует баланс между потребляемой и производимой энергиями. Нормальный режим электрической системы характеризуется неизменностью параметров системы или медленным их изменением. Параметры энергосистем такие как : мощность, напряжение, ток, лежат в диапазоне заранее заданных значений(U±5%, f±0,2%Гц). Отклонение от нормального режима связано с ухудшением качества энергии и с большими экономическими потерями. С резким изменением заданных параметров связаны аварийные режимы работы, их причиной, как правило, яв-

ляются КЗ.

КЗ - это всякое непредусмотренное нормальными условиями работы замыкание между фазами, а в системах с заземленными нейтралями (4-ех проводных) так же замыкание одной или несколько фаз на землю (или на нулевой провод). В системе с незаземленной нейтралью или с нейтралями заземленными через компенсирующее устрой-

ство, замыкание одной из фаз на землю называется “простым замыканием”. При этом виде повреждения прохождение тока обусловлено главным образом емкостью фаз о т- носительно земли.

Сеть с незаземленной нейтралью.

Рис. 1. Простое замыкание на землю. (К - точка простого замыкания)

6

При возникновении короткого замыкания в электрической системе сопротивление цепи уменьшается (степень уменьшения сопротивления зависит от положения точи КЗ в системе), что приводит к увеличению токов в отдельных ветвях системы по сравнению с токами нормального режима. В свою очередь это вызывает снижение напряже-

ний в системе, которое особенно велико вблизи места КЗ.

Обычно в месте замыкания на землю образуется некоторое переходное сопротивление, состоящее из сопротивлений возникшей электрической дуги и сопротивления прочих элементов пути тока КЗ от одной фазы к другой или от фазы на землю.

В некоторых случаях переходные сопротивления могут быть столь малы, что ими можно пренебречь, такие КЗ называют - металлическими.

Токи КЗ могут вызвать разрушение конструкции токоведущих частей и аппаратов, входящих в распределительные устройства. Кроме того, короткие замыкания вызывают снижение напряжения в точках близких к точкам КЗ.

Максимальное мгновенное значение тока КЗ наступает примерно через 0,01 с. по-

сле начала КЗ, этот ток называют ударным током КЗ(iу), он имеет наибольшую величину, затем затухает амплитудами и достигает установившегося значения (I∞).

Рис. 2. Изменение во времени тока КЗ.

От момента возникновения КЗ и до установившегося тока протекает нестационарный (переходной) процесс

7

При установившемся режиме мы имеем минимальное напряжение в точке КЗ. Максимальное мгновенное значение токов КЗ на зажимах генератора может превышать амплитуду номинального тока генератора примерно в 15 раз. При несинхронном включении генератора в сеть, этот ток может превышать номинальный ток примерно в 30 раз.

Надежный способ ликвидации аварии, это отключение поврежденного участка от электрической системы. Отключение происходит с помощью высоковольтных выключателей, которые срабатывают с помощью устройств релейной защиты и автоматики.

2.Виды коротких замыканий

–3-х фазное КЗ. Схема трехфазного КЗ в электрической сети имеет вид:

или, например, на выводах электрической машины

Трехфазное КЗ является симметричным, так как сопротивления в трех фазах короткозамкнутой цепи будут одинаковыми.

– 2-х фазное КЗ.

Является несимметричным КЗ. Возникает между 2-мя фазами сети

8

– Однофазное КЗ.

Однофазное КЗ, может происходить в сети с глухо-заземленной нейтралью (сети до 1 кВ) и с эффективно-заземленной нейтралью (сети 110 кВ и выше), когда один из проводов замкнут на землю.

– 2-х фазное КЗ на землю Это замыкание, когда два провода соединены между собой и замкнуты на землю.

2.1.Распределение КЗ по видам повреждений, по данным аварийной статистики.

–на однофазное КЗ приходится 65% повреждений;

–на 2-х фазное КЗ на землю – 20%;

–на 2-х фазное КЗ – 10%;

–на 3-х фазное КЗ – 5%.

Виды повреждения, которые сопровождаются многократной несимметрией (замы-

кание различных фаз в различных точках одновременно) называются сложными видами повреждений.

Все виды рассмотренных КЗ называют поперечной несимметрией.

9

3. Причины возникновения КЗ.

Основной причиной возникновения КЗ является нарушение изоляции линий, электрических аппаратов и др. электрооборудования.

Причинами нарушения изоляции являются:

1)перенапряжения в электрических сетях и установках, вызванные прямыми ударами молний или же вызванные коммутацией;

2)нарушение правил эксплуатации;

3)замыкания при неквалифицированных действиях обслуживающего персонала;

4)механические повреждения элементов электрической сети;

5)перекрытие токоведущих частей животными.

4.Причины возникновения переходных процессов.

Переходные процессы в электрических системах являются следствием изменения режимов обусловленых эксплуатационными условиями или результатом повреждения изоляции и токоведущих частей электроустановок. Причинами возникновения П.П. мо-

гут быть многочисленные воздействия на элементы системы:

1)включение, отключение и переключение источников электроэнергии, трансформаторов, ЛЭП, электроприемников и др. элементов;

2)появление несимметрии токов и напряжений в результате отключения отдельных фаз, обрывов фаз и т.д.;

3)короткие замыкания в элементах системы;

4)форсировка возбуждения синхронной машины и гашение магнитного поля;

5)внезапные набросы и сбросы нагрузки;

6)синхронный пуск двигателей и синхронных компенсаторов;

7)асинхронный ход синхронных машины после выпадения их из синхрониз-

ма;

8) атмосферно-климатические воздействия на элементы электрической систе-

мы;

9)повторные включения и отключения короткозамкнутых цепей.

5.Последствия коротких замыканий.

10