В системах электроснабжения

Общие сведения об электромагнитных процессах

в системах электроснабжения

 

Система электроснабжения – часть электрической системы, которая представляет собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. В свою очередь, электрическая система – совокупность электрических станций и электрических сетей энергосистемы. В состав электрической системы входят синхронные генераторы электростанций, трансформаторы повышающих и понижающих подстанций, линии электропередачи (ЛЭП), потребители электрической энергии. В любой момент времени или на интервале времени в системе протекают процессы, совокупность которых называется режимом системы и характеризуется параметрами, определяющими условия работы системы. Это значения напряжений в различных точках системы, углов сдвига фаз между эдс генераторов и напряжением на шинах приемников, токов и мощностей.

Режимы системы могут быть установившимися и неустановившимися (переходными). Переходные режимы (процессы) возникают в электрической системе при изменении условий ее работы, которые происходят как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузки (Н), пуск асинхронных двигателей (АД), отключение одной цепи ЛЭП и т. д.), так и в аварийных ситуациях (короткое замыкание (к. з.), обрыв цепи ЛЭП, автоматическое регулирование, возбуждения (АРВ) генераторов и др.)

В общем случае переходный процесс сопровождается нарушением первоначального электромагнитного состояния элементов системы и скорости вращения электрических машин, т. е. процесс характеризуется взаимосвязанными между собой волновыми, электромагнитными и электромеханическими изменениями. В схемах сельского электроснабжения допустимо рассматривать переходный процесс только как электромагнитный.

Изучение переходных режимов необходимо для того, чтобы уметь оценивать значения параметров режима и тем самым заранее предотвращать опасные последствия таких режимов.

Наиболее распространенными и опасными повреждениями в электрической системе являются короткие замыкания. Продолжительность к. з. часто составляет доли секунды или секунды. Однако их последствия иногда бывают весьма тяжелыми. Так, следствием к. з. могут быть: понижение напряжения в значительной части электроэнергетической системы, приводящее к нарушению нормальной работы потребителей электроэнергии и браку продукции; разрушение поврежденного оборудования под действием электрической дуги; разрушение электрооборудования в результате электродинамического и термического действия токов к. з.; нарушение устойчивости электроэнергетической системы.

Коротким замыканием называется всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы замыкание между фазами, а в системах с заземленной нейтралью (или четырехпроводных) также замыкание одной или нескольких фаз на землю (или на нулевой провод). При этом токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту замыкания, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима. Виды коротких замыканий представлены в таблице 1.

Короткое замыкание на землю в электроустановке обусловлено соединением с землей одной, двух или трех фаз какого-либо ее элемента, а короткое замыкание с землей сопровождается контактированием точки к. з. с землей.

Т а б л и ц а 1

Поясняющая схема	Сети глухозаземленные (0,38 кВ, 330 кВ и выше) или эффективно заземленные (110 кВ; 220 кВ)	Сети незаземленные (с изолированной нейтралью) или резонансно-заземленные (6; 10; 20; 35 кВ)
Термин	Условное обозначение	Термин	Условное обозначение
	Трехфазное к. з.	К(3)	Трехфазное к. з.	К(3)
	Трехфазное к. з. на землю.	К(1,1,1)	Трехфазное к. з. с землей	К(3з)
	Двухфазное к. з.	К(2)	Двухфазное к. з.	К(2)
	Двухфазное к. з. на землю	К(1,1)	Двухфазное к. з. с землей	К(2з)
	Однофазное к. з. на землю (или однофазное к. з.)	К(1)	Однофазное замыкание на землю	З(1)
	Двойное к. з. на землю	К(1+1)	Двойное замыкание на землю	З(1+1)

Трехфазное к. з. является симметричным, при котором все фазы электроустановки находятся в одинаковых условиях. Все остальные виды к. з. являются несимметричными, поскольку при каждом из них фазы находятся в неодинаковых условиях.

Короткие замыкания могут быть:

металлическими, при которых переходным сопротивлением в месте повреждения можно пренебречь из-за его малого значения;

дуговыми, когда в месте к. з. возникает электрическая дуга;

устойчивыми, условия возникновения которых сохраняются после отключения поврежденного элемента и последующего включения;

неустойчивыми, условия возникновения которых самоликвидируются во время бестоковой паузы при отключении поврежденного элемента.

По данным многолетней аварийной статистики в количественном отношении к. з. распределяются так: К⁽³⁾ и К^(1,1,1) ≈ 5 %; К⁽²⁾ и К^(1,1) ≈ 10 %; К⁽¹⁺¹⁾ и З⁽¹⁺¹⁾ ≈ 20 %; К⁽¹⁾ и З⁽¹⁾ ≈ 65 %.

Если в процессе аварии один вид к. з. переходит в другой, то он называется видоизменяющимся.

Основные причины возникновения к. з.:

нарушение изоляции электрооборудования, вследствие старения, механических повреждений, перенапряжений и прямых ударов молнии;

перекрытие токоведущих частей птицами и животными;

неправильные действия эксплуатационного персонала.

Исследования переходных процессов при к. з. необходимы для решения ряда задач, например:

выбор аппаратуры электроустановок и проверка ее по условиям работы при к. з. (проверка на термическую и электродинамическую стойкость);

проектирование и настройка устройств релейной защиты и автоматики;

оценка влияния токов нулевой последовательности ЛЭП на линии связи;

проектирование заземляющих устройств;

сопоставление, оценка и выбор схем станций, подстанций, системы;

анализ аварий и т. д.

Требуемая точность расчетов во многом определяет возможность принятия тех или иных допущений, упрощающих задачу и выбор методов ее решения.

Основные допущения:

сохранение симметрии трехфазной системы (за исключением места к. з.);

отсутствие сдвига по фазе между эдс генераторов;

пренебрежение токами намагничивания трансформаторов;

линейность всех элементов схемы (отсутствие насыщения электрических машин);

пренебрежение активными сопротивлениями элементов схемы. Если результирующее эквивалентное активное сопротивление относительно точки к. з. не превышает 30 % результирующего эквивалентного индуктивного сопротивления (r_экв ≤ 1/3 х _экв);

пренебрежение поперечной емкостью воздушных ЛЭП 110…220 кВ, если их длина не превышает 200 км, и ЛЭП 330…500 кВ при их длине менее 150 км;

отсутствие качаний синхронных машин, если продолжительность к. з. не превышает 0,5 с;

приближенный учет комплексных нагрузок в виде постоянного индуктивного сопротивления.

В зависимости от сложности расчетной схемы и целей расчета токи к. з. определяют следующими способами:

путем решения соответствующей системы дифференциальных уравнений переходных процессов с использованием ЭВМ;

аналитическим способом с использованием эквивалентных схем замещения;

с применением аналоговых расчетных моделей переменного и постоянного тока;

с использованием специальных расчетных кривых.