Лекция 6 Анормальные и аварийные режимы систем электроснабжения Физический характер анормальных режимов.

Лекция 6
Анормальные и аварийные режимы систем электроснабжения
Физический характер анормальных режимов.
Переходные процессы в элементах распределительной сети СЭС часто
сопровождаются отклонениями параметров электроэнергии от допустимых
значений параметров нормальных эксплуатационных режимов. Возникшие
анормальные режимы приводят к увеличению тока, понижению напряжения,
отклонению частоты. Наиболее частым анормальным режимом является
перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального
значения. Если ток, проходящий по оборудованию, превышает номинальное
значение, то за счет выделяемого им дополнительного тепла температура
токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит
допустимую величину, что приводит к быстрому износу изоляции и ее
повреждению. Для предупреждения повреждения оборудования при
перегрузке необходимо принять меры к разгрузке или отключению части
потребителей. Опасное для изоляции повышение напряжения может
возникнуть при одностороннем отключении или включении длинной линии с
большой емкостной проводимостью.
При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения
нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистем, аповышение
напряжения и тока угрожает возможными повреждениями оборудования и
линий.
Анормальные режимы часто являются предшественниками аварийных
режимов, которые, как следствие, приводят к значительным экономическим
потерям иущербам.
Для обеспечения нормальной работы ЭЭС необходимо как можно
быстреепроизводить выявление и отделение места повреждения от
неповрежденныхучастков, восстанавливая, таким образом, нормальные
условия работыраспределительной сети и потребителей. В этой связи
возникает необходимость в создании и применении эффективных
автоматических устройств, выполняющих определенные операции и
защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и
анормальных режимов. Ликвидацию аварийных режимов осуществляет
релейная защита (РЗ), которая тесно связана с устройствамиавтоматики,
предназначенными для быстрого восстановления нормального режима
и питания потребителей.
При отключении с помощью РЗ одного из элементов энергосистемы,
например, линии или силового трансформатора, часть потребителей
электроэнергии обесточивается. Восстановление питания таких потребителей
осуществляется, какправило, автоматически устройствами автоматического
повторного включения(АПВ) или автоматического включения резервного
питания и оборудования (АВР).
Поддержание заданного уровня напряжения обеспечивается воздействием,
на возбуждение установленных в системе синхронных машин (синхронных
генераторов, синхронных двигателей и синхронных компенсаторов),
изменением коэффициента трансформации понижающих силовых
трансформаторов, или включением и отключением секций батарей
конденсаторов. Регулирование напряжения в энергосистеме проводится в
основном автоматически, для чего синхронные машины оборудуются
устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), силовые
трансформаторы – устройствами автоматического регулирования
коэффициента трансформации, а батареи конденсаторов –
устройствами автоматического управления включением и отключением
секций этих батарей.
Появление дефицита активной мощности в энергосистеме вызывает
понижение частоты. При этом понижается производительность
электромеханического оборудования и нарушается работа тех агрегатов, для
которых имеет значение постоянство скорости вращения электродвигателей.
Наличие большого дефицита активной мощности может привести к
лавинообразному снижению частоты и развалу энергосистемы, в результате
чего может прекратиться электропитание всехпотребителей. Поэтому баланс
генерируемой и потребляемой активных мощностей в энергосистеме, при
отсутствии необходимых резервов, может быть восстановлен лишь путём
отключения части менее ответственных потребителей. Эта задача
решается с помощью устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР),
устанавливаемых на подстанциях. Отключённые устройствами АЧР
потребители, после ликвидации дефицита активной мощности и
восстановления нормального значения частоты в энергосистеме,
автоматически включаются в работу устройствами частотного АПВ (ЧАПВ).
Все перечисленные выше устройства относятся к устройствам локальной
автоматики, так как они воздействуют на отдельные элементы
энергосистемы по заранее заданному алгоритму вне зависимости от режима
работы других элементов энергосистемы. Существует также общесистемная
автоматика, поддерживающая в нормальном режиме работы энергосистемы,
требуемые значения частоты, напряжения в узлах энергосистемы, перетоков
активной и реактивной мощностей, а также автоматика, предотвращающая
развитие аварийных процессов вэнергосистеме – противоаварийная
автоматика (ПА).
Включение генераторов на параллельную работу.
Синхронные генераторы, как правило, работают параллельно с другими
генераторами или с энергосистемой, объединяющей весьма большое число
источников энергии. Для синхронной машины, установленной на
электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к
энергосистеме, типичнымявляется режим работы на сеть большой мощности,
по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень
малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что
генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т. е.
что напряжение сети Uc и ее частота fс являются постоянными, не
зависящими от нагрузки данного генератора. Объединение мощностей
сопровождается включением генераторов на параллельную работу.
Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети,
называют синхронизацией. Синхронизация должна сопровождаться
выполнением определённых условий, не соблюдение которых может
приводить к анормальным режимам распределительной сети. В момент
присоединения генератора к сети необходимо обеспечить возможно меньший
бросок тока. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка
генератора или перви
Включение может производиться методами точной,
или грубойсинхронизации. При этом необходимо обеспечить синфазность,
равенство скоростей вращения первичного двигателя,напряжения сети и
электродвижущей силы включаемого генератора по амплитудным значениям,
равенство частот. В таком случае в обмотке статоравключаемого генератора
не появятся дополнительные уравнительные токи, и генератор будет
продолжать работу, как и до включения, при холостом ходе.
Отметим, что ЭДС обмотки статора регулируется током возбуждения, а её
частота –скоростью вращения турбины, приводящей в движение ротор. Если
условие жёсткого равенства напряжения сети и ЭДС генератора выполнить
относительно несложно, то равенство частот необходимо соблюдать с
погрешностью не более ± (0,5 - 0,1) %. Несовпадение частот сети и
генератора сопровождается биениями
напряжений, которые не должны вызывать срабатывание защитных
устройств.
Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают
номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное
равенство частот, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства
напряжения Uc = Ur.
Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора
контролируется специальными приборами – синхроноскопами.
Синхронизация на станциях осуществляется с помощью устройств
автоматической синхронизации (АС), устройств точной синхронизации
(УТС) и др.
Включение способом точной синхронизации требует довольно
значительного времени (до 5-10 мин) из-за необходимости осуществления
довольно тонких по точности операций, связанных с частотой вращения и
обеспечения синфазности напряжения сети и ЭДС генератора.
Для ускорения включения на параллельную работу генераторов небольшой
мощности может использоваться способ самосинхронизации. Его принцип
состоит в том, что сначала частота вращения ротора устанавливается в
пределах диапазона ± (1- 4) %, отличающейся от частоты, определяемой
сетью, после этого с малыми интервалами времени подаётся напряжение на
обмотку возбуждения генератора от возбудителя. Затем обмотка генератора
присоединяется к сетевому напряжению.
Далее в генераторе начинается переходный процесс, связанный с
нарастанием токов обмотки возбуждения и обмотки статора. В результате их
взаимодействия появляется электромагнитный момент, под действием
которого ротор «втягивается» в синхронную работу (в синхронизм) с сетью.
Метод самосинхронизации можно использовать при достаточной
мощности сети. Основной его недостаток – значительные переходные токи
(до 8 значений номинального тока генератора) и вызванные ими
электромагнитные силы, которые могут привести к деформациям обмотки
статора. Устройства защиты от к.з. различных объектов СЭС не должны
срабатывать в вышеописанных режимах.
Бесперебойное электроснабжение потребителей возможно лишь в том
случае, если энергосистема в целом и её отдельные элементы сохраняют
устойчивую работу во всех нормальных, аварийных и послеаварийных
режимах. Под устойчивой работой генераторов понимают бесперебойную и
надёжную параллельную работу генераторов при медленных изменениях
нагрузки или внезапных нарушениях режима работы, вызванных КЗ в сети,
включением или отключением большой нагрузки и т.п. Нарушение
устойчивости параллельной работы синхронных генераторов выражается
обычно в том, что они выпадают из синхронизма.
Различают статическую и динамическую устойчивость работы
энергосистем.
Первая соответствует медленным, вторая – быстрым изменениям режима
работы.
Самозапуск асинхронных двигателей.
Асинхронные двигатели, составляющие основную часть промышленной
нагрузки, работают с малым скольжением s = 2-5 %. Для практических
расчетов можно считать, что они работают с синхронным числом оборотов.
С учетом этого в начальный момент КЗ асинхронный двигатель (АД) можно
рассматривать как недовозбужденный синхронный двигатель.
Существенно значимый по величине ток КЗ генерируют только асинхронные
двигатели, непосредственно связанные с точкой КЗ или находящиеся в зоне
малой удаленности от нее, т.е. те, у которых сверхпереходные ЭДС
превышают напряжение сети в точке присоединения двигателей. Этот ток
обусловлен электромагнитной энергией, запасенной в обмотках АД до
возникновения КЗ. Ротор АД в начальный момент КЗ продолжает по инерции
вращаться. В цепи ротора протекает остаточный ток, а соответствующий ему
поток пронизывает обмотку статора, и, вследствие его изменения в ней
наводится ЭДС. Так как цепь обмотки статора замкнута, ток протекает к
точке КЗ. После затухания свободного тока ротора (из-за активного
сопротивления цепи ротора) генерирование тока АД прекращается. Исходя
из неизменности потокосцепления с обмоткой ротора в начальный момент
КЗ, для АД можно установить его сверхпереходные ЭДС и сопротивление.
Схема замещения АД для определения сверхпереходных параметров
сопротивление АД по существу является сопротивлением КЗ (т.е. когда АД
заторможен), относительную величину которого можно определить из
выражения x*АД = 1/kпуск, где kпуск – кратность пускового тока.
Сверхпереходная ЭДС определяется из условий предшествующего режима.
Для ориентировочных расчетов она приближенно может быть принята
равной Е*АД = 0,9. Активные сопротивления обмоток статора и ротора АД
обуславливают относительно быстрое затухание апериодической и
периодической составляющих генерируемого АД тока. На рис. 6.2
представлена характерная кривая тока, генерируемого АД в начальный
момент времени после возникновения КЗ.
Рисунок 6.6. Кривая тока, генерируемого асинхронным двигателем