Электромагнитные переходные процессы в электрических системах
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 268
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1065-6
Артикул: 791386.01.99
Рассмотрен круг вопросов, связанных с причинами возникновения электромагнитных переходных процессов и их физической природой. Приведены теоретические основы анализа и методы расчета токов как симметричных, так и несимметричных коротких замыканий в электроэнергетических системах и системах электроснабжения.
Для студентов вузов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно аспирантам по научным специальностям «Электроэнергетика», «Энергетические системы и комплексы» и «Электротехнические комплексы и системы», слушателям центров подготовки и повышения квалификации инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. М. Ларин, Д. В. Полковниченко, И. Б. Гуляева ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022
УДК 621.311 ББК 31.27 Л25 Р е ц е н з е н т ы : доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горной электротехники и автоматики Донецкого национального технического университета Маренич Константин Николаевич; доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроэнергетики Луганского государственного университета им. В. Даля Захарчук Александр Сидорович Ларин, А. М. Л25 Электромагнитные переходные процессы в электрических системах : учебное пособие / А. М. Ларин, Д. В. Полковниченко, И. Б. Гуляе- ва. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 268 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1065-6 Рассмотрен круг вопросов, связанных с причинами возникновения электромагнитных переходных процессов и их физической природой. Приведены теоретические основы анализа и методы расчета токов как симметричных, так и несимметричных коротких замыканий в электроэнергетических системах и системах электроснабжения. Для студентов вузов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно аспирантам по научным специальностям «Электроэнергетика», «Энергетические системы и комплексы» и «Электротехнические комплексы и системы», слушателям центров подготовки и повышения квалификации инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем. УДК 621.311 ББК 31.27 ISBN 978-5-9729-1065-6 Ларин А. М., Полковниченко Д. В., Гуляева И. Б., 2022 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 2
СОДЕРЖАНИЕ Стр. ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………….………………………………… 7 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ……………………………… 9 ВВЕДЕНИЕ …………………………….……………………………………... 10 Тема 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ…….………………………………………... 12 1.1 Основные понятия и определения ...........………………………………. 12 1.2 Виды замыканий в электрических системах. Причины их возникновения и последствия …………..……………. 12 1.3 Назначение расчётов. Понятие о расчётных условиях. Основные допущения, принимаемые при расчётах коротких замыканий ……..... 17 Тема 2. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ И ВЫЧИСЛЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ………………………………..…… 20 2.1 Определение параметров схемы замещения в относительных единицах ……..……………………………………… 20 2.2 Составление схем замещения при наличии трансформаторных связей …..………………………………………….. 22 Тема 3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОСТЕЙШЕЙ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ………………………………... 31 3.1 Общие положения …..………………………………………………….. 31 3.2 Процессы в короткозамкнутом контуре ……………………….…...… 32 3.3 Процессы в контуре, который остается подключенным к источнику питания...…………………………………………………... 34 3.4 Ударный ток ………...……………………..……...……………………... 37 Тема 4. УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ……………………………... 40 4.1 Общие замечания …………………………………………….......……... 40 4.2 Физическая модель установившегося режима короткого замыкания …….…………………….……………………………...……. 40 4.3 Влияние и учёт нагрузки …………………………..…………..……… 44 4.4 Влияние автоматического регулирования возбуждения…………...….. 45 4.5 Практический расчёт тока установившегося КЗ в цепи, которая питается от генераторов без АРВ…..…………………………. 47 4.6 Расчёт тока КЗ в цепи, которая питается от генераторов с АРВ…..….. 48 Тема 5. НАЧАЛЬНЫЙ МОМЕНТ ВНЕЗАПНОГО ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖИМА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ……………..…………………….. 50 5.1 Принцип сохранения начального потокосцепления………………..…. 50 5.2 Физические процессы в начальный момент КЗ………………...…..…. 50 5.3 Переходные ЭДС и переходные индуктивные сопротивления…….…. 53 3
5.4 Схемы замещения и векторная диаграмма …………………………... 54 5.5 Сверхпереходные ЭДС и индуктивные сопротивления синхронных генераторов………………………………...………….….. 56 5.6 Практический расчёт начальных значений токов трёхфазных коротких замыканий …..………………………………….. 59 5.6.1 Расчёт действующего значения периодической составляющей тока при удалённых коротких замыканиях………………..……. 59 5.6.2 Расчёт начального действующего значения периодической составляющей тока короткого замыкания от синхронных машин ….…….………………………………….. 61 5.6.3 Влияние и учёт электродвигателей и нагрузок в начальный момент переходного процесса………..…………... 63 Тема 6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ НАРУШЕНИИ СИММЕТРИИ…………………………………...…... 69 6.1 Физические процессы и основные положения анализа несимметричных режимов ……...…......................................................... 70 6.1.1 Образование высших гармоник…………………………….……... 70 6.1.2 Применение метода симметричных составляющих к расчёту переходных процессов при нарушении симметрии…………….... 72 6.2 Сущность метода симметричных составляющих……………....…...…. 73 6.3 Параметры элементов электрической системы для токов обратной и нулевой последовательностей……..………………………………...... 76 6.4 Схемы замещения отдельных последовательностей…………….....…. 85 Тема 7. ОДНОКРАТНАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ НЕСИММЕТРИЯ……..….. 88 7.1 Основные математические соотношения для различных видов КЗ….. 88 7.1.1 Однофазное КЗ …………………………………………..……..…. 88 7.1.2 Двухфазное КЗ на землю ………………………………..……..…. 90 7.1.3 Двухфазное КЗ ………………………………..………………...…. 91 7.2 Векторные диаграммы токов и напряжений в месте КЗ ……….....….. 93 7.3 Правило эквивалентности прямой последовательности……………..... 95 7.4 Комплексные схемы замещения…...…………………………………..... 97 7.5 Распределение и трансформация токов и напряжений отдельных последовательностей…………...……………………………………..…. 97 7.6 Сравнение различных видов КЗ …………………………….…...……... 101 Тема 8. ОДНОКРАТНАЯ ПРОДОЛЬНАЯ НЕСИММЕТРИЯ……..……. 111 8.1 Основные математические соотношения для различных видов несимметрии ……………………...……....……………………………. 111 8.1.1 Разрыв одной фазы ……………………………………………….. 112 8.1.2 Разрыв двух фаз …………………………………………………… 113 8.1.3 Правило эквивалентности прямой последовательности при продольной несимметрии …………………………………… 115 8.2 Векторные диаграммы при продольной несимметрии …………..…... 115 4
8.3 Эпюры напряжений при продольной несимметрии ……..………….. 118 Тема 9. ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ …………………………………….. 121 9.1 Особенности распределительных сетей 6-35 кВ ……………………... 121 9.2 Простое однофазное замыкание на землю …………………………... 122 Тема 10. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В УСТАНОВКАХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В …………………………………………….. 130 10.1 Особенности методики расчёта ……………………………………… 130 10.2 Расчёт сопротивлений элементов электроустановки ………………. 132 10.3 Расчёт начальных значений периодической составляющей токов КЗ 136 10.4 Учёт синхронных и асинхронных электродвигателей ……..……….. 138 Тема 11. УРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ……………………...…………. 140 11.1 Общие замечания…………….…………….……………………...…… 140 11.2 Исходные уравнения………………..………………………………….. 141 11.3 Обобщённый (изображающий) вектор трёхфазной системы……..…. 144 11.4 Преобразование координат …………………...……………………..… 145 11.5 Уравнение Парка - Горева в дифференциальной форме…….…..….. 146 11.6 Уравнения переходного процесса в синхронной машине в операторной форме………..………………………………………... 149 Тема 12. ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ………………………………………………... 153 12.1 Методика использования уравнений СМ в операторной форме для анализа переходных процессов при КЗ на выводах СМ……...…... 153 12.2 Уравнение переходного процесса при трёхфазном КЗ на выводах синхронного генератора без демпферных обмоток ………………..... 154 12.3 Физические процессы при внезапном КЗ…………………..……...…. 157 12.4 Влияние и приближённый учёт демпферных обмоток …………..…. 162 Тема 13. ФОРСИРОВКА ВОЗБУЖДЕНИЯ И РАЗВОЗБУЖДЕНИЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ…………………... 165 13.1 Общие положения………………..…………………………………….. 165 13.2 Включение обмотки возбуждения на постоянное напряжение…..… 166 13.3 Влияние АРВ при внезапном трёхфазном коротком замыкании..….. 172 13.4 Гашение магнитного поля синхронного генератора…………...…….. 178 13.4.1 Гашение магнитного поля на постоянное активное сопротивление ………..………………………………………... 180 13.4.2 Гашение магнитного поля с помощью дугогасительной решетки ……………………………………... 182 13.5 Практический расчёт периодической составляющей токов коротких замыканий от электрических машин в произвольный момент времени……………………………………... 185 13.5.1 Расчёт периодической составляющей тока трёхфазного КЗ…. 186 13.5.2 Расчёт периодической составляющей токов несимметричных коротких замыканий ..................................... 192 5
13.5.3 Учёт асинхронных и синхронных электродвигателей в электроустановках до 1 кВ …………………………...……… 199 Тема 14. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ СЛОЖНЫХ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ………………………………. 202 14.1 Расчёт сложных видов повреждений по расчётным схемам замещения и граничным условиям………………………..………….. 202 14.1.1 Двойное КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью...... 202 14.1.2 Обрыв фазы с одновременным однофазным КЗ……….…...… 205 14.2 Комплексные расчётные схемы и их использование при анализе сложных несимметричных повреждений……..………... 208 Тема 15. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДЛИННЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА…………………………..…………………………. 214 15.1 Особенности дальних электропередач переменного тока……...……. 215 15.1.1 Схемы дальних электропередач………….…………………….. 216 15.1.2 Преимущества и недостатки передачи электроэнергии на дальние расстояния……….…………..…………………….. 218 15.1.3 Задачи исследований и методика их проведения…………….. 221 15.2 Теоретические положения анализа электромагнитных переходных процессов в длинных линиях электропередачи…..……. 222 15.2.1 Методы расчёта переходных процессов в длинных линиях … 222 15.2.2 Периодические свободные составляющие при коротких замыканиях в дальней электропередаче………... 223 15.3 Расчёт коротких замыканий в длинных линиях аналитическим методом………………………………………………... 224 15.3.1 Строгий подход к расчёту токов трёхфазных коротких замыканий..…………..………..………………..…… 224 15.3.2 Упрощённый подход к расчёту коротких замыканий………... 227 15.3.3 Анализ токов трёхфазных коротких замыканий с учётом распределённости параметров длинной линии…...... 230 15.3.4 Анализ токов коротких замыканий по упрощённой методике… 233 15.3.5 Расчёт путем численного решения системы дифференциальных уравнений, составленных по методу переменных состояния… 236 15.4 Моделирование переходных процессов при коротких замыканиях в дальних электропередачах в среде пакета MATLAB………...…… 240 Тема 16. СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КЗ……………………… 245 16.1 Постановка задачи……………………………………………………... 245 16.2 Оптимизация структуры сети (схемные решения)………………...…. 246 16.3 Стационарное или автоматическое разделение сети………………..... 247 16.4 Токоограничивающие устройства……………………………...……... 248 16.5 Оптимизация режима заземления нейтралей в электрических сетях… 256 16.6 Координация уровней токов КЗ……..………………………………… 257 ГЛОССАРИЙ………………………………………………………………….. 259 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………….………...... 265 6
ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Электромагнитные переходные процессы в электрических системах» читается на электротехническом факультете ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» студентам электроэнергетических специальностей по направлению подготовки 13.03.02 - «Электроэнергетика и электротехника» при подготовке бакалавров по трем профилям: «Электроэнергетические системы и сети», «Электрические станции» и «Электроснабжение». Учебное пособие разработано в полном соответствии с рабочими программами, утвержденными в ДОННТУ для указанных профилей подготовки. Целью изучения дисциплины является формирование у будущих специалистов знаний и умений по теоретическим основам, методам и алгоритмам расчетов переходных процессов, возникающих при изменении электромагнитного состояния элементов электроэнергетической системы, вызванного короткими замыканиями, обрывами проводов, сложными повреждениями, форсированием возбуждения генераторов и др. причинами, а также знакомство со способами и средствами, с помощью которых можно управлять переходными процессами, придавая им желаемый характер. Дисциплина базируется на знаниях и умениях, которые студент приобрёл при освоении предшествующих дисциплин: «Общая физика», «Теоретические основы электротехники», «Электрические машины», «Электрические системы и сети». Знания и умения, приобретённые при освоении данной дисциплины, необходимы при изучении последующих: «Электромеханические переходные процессы в электрических системах», «Основы релейной защиты и автоматизации энергосистем», «Электрическая часть станций и подстанций», «Эксплуатация электрических систем», «Специальные режимы электрических систем». В учебном пособии особое внимание уделено раскрытию физической сути возникающих электромагнитных процессов. В нём подробно изложены методы расчёта симметричных и несимметричных коротких замыканий и сложных повреждений, представляющих собой различные комбинации поперечной и продольной несимметрий. Даны многочисленные примеры решения практических задач. При подготовке данного пособия авторами были учтены руководящие указания государственных стандартов по расчёту коротких замыканий, как в высоковольтных установках, так и в установках напряжением ниже 1 кВ. Пособие в полном объёме соответствует специальности «Электроэнергетические системы и сети». Для профиля подготовки «Электрические станции» может быть исключена тема № 15, связанная с изучением коротких замыканий в дальних электропередачах. Для профиля «Электроснабжение» необязательным является изучение тем № 11, № 13 и № 15. 7
Авторами учтён опыт многолетнего преподавания дисциплины на кафедре «Электрические системы» ДОННТУ, включая проведение практических и лабораторных занятий, в основном проводимых с использованием разработанных авторами программ для ПЭВМ, реализующих изучаемые теоретические положения. Все рисунки, отражающие суть излагаемого теоретического материала, получены путём расчётов для конкретных параметров синхронных генераторов и элементов электрической системы. Это должно способствовать более четкому пониманию изучаемых явлений. Авторы стремились изложить материал компактно, логично, в той последовательности, в которой он преподаётся, в соответствии с учебнометодическими картами дисциплины. При этом учтено, что одновременно с изучением теоретических положений студенты проводят практические занятия и выполняют лабораторные работы. Итогом приобретения умений и навыков по расчёту коротких замыканий является выполнение расчётно-графической курсовой работы. При этом построение учебного пособия таково, что легко предусматривает возможность выборочного использования его материала во всех случаях, когда данная дисциплина по каким-либо причинам излагается в несколько изменённой или сокращенной форме. Настоящее пособие не ставит задачу дать обучающемуся полное руководство к алгоритмированию, программированию и проведению современных, достаточно сложных расчётов электромагнитных переходных процессов, осуществляемых, как правило, с помощью ПЭВМ. При изучении дисциплины студент должен, прежде всего, выработать понимание допущений и ограничений, связанных с физикой явлений и заложенных в основе расчётных методов, научиться практически подходить к инженерной оценке полученных результатов и возможности их использования. Для контроля степени усвоения изучаемого материала по всем темам разработаны контрольные вопросы для осуществления самопроверки. При подготовке настоящего учебного пособия авторы пользовались многочисленными работами по исследованию и расчёту электромагнитных переходных процессов. Учитывая его характер, соответствующие ссылки на первоисточники осуществлялись в тексте не всегда. Отметим также, что приведенный в пособии перечень использованных литературных источников не является полным и рассчитан в основном на возможности обучающихся. Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам: Мареничу Константину Николаевичу - д. т. н., профессору, заведующему кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» ГОУВПО «ДОННТУ» и Захарчуку Александру Сидоровичу - д. т. н., профессору, профессору кафедры «Электроэнергетика» ГОУВО ЛНР «ЛГУ им. В. Даля» за замечания и полезные советы, позволившие улучшить учебное пособие. 8
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ АГП автомат гашения поля АРВ автоматическое регулирование возбуждения АРС автоматическое разделение сети ВЛЭП воздушная линия электропередачи ВН высшее напряжение ВТСП высокотемпературный сверхпроводник ДГР дугогасящая решетка ДО демпферная обмотка КЗ короткое замыкание КЛ - кабельная линия ЛЭП линия электропередачи МСС метод симметричных составляющих НН - низшее напряжение НП - нулевая последовательность ОВГ обмотка возбуждения генератора ОЗЗ однофазное замыкание на землю ОП обратная последовательность ПП прямая последовательность ПУЭ - правила устройства электроустановок СГ - синхронный генератор СК - синхронный компенсатор СМ синхронная машина СН - среднее напряжение СПИН сверхпроводящий индуктивный накопитель СРС стационарное разделение сети СЭС система электроснабжения ТТ трансформатор тока ТН трансформатор напряжения УПК - установка продольной компенсации ФВ форсирование возбуждения ШР шунтирующий реостат ЭДС - электродвижущая сила ЭЭС электроэнергетическая система 9
ВВЕДЕНИЕ Электроэнергетическая система (ЭЭС) является совокупностью устройств, связанных одновременностью процесса производства, распределения и потребления электрической энергии. Одновременность этих процессов налагает на персонал и системную автоматику особые требования по качественному управлению системой для бесперебойного энергоснабжения потребителей. Это относится как к нормальным (установившимся), так и к переходным (неустановившимся) режимам работы электроэнергетических систем. Под переходными режимами понимаются неустановившиеся состояния, причиной которых являются разного рода возмущения. Эти воздействия можно классифицировать на малые и кратковременные (толчки нагрузки) и сильные и длительные (короткие замыкания, сбросы и наборы мощности, отключения линий и трансформаторов и др.). Непрерывный рост электро- и энергопотребления, развитие электроэнергетических систем при использовании агрегатов большей единичной мощности, увеличение напряжений и длин ЛЭП являются причинами повышения роли переходных процессов. В то же время управление переходными процессами в электрических системах представляется настолько же важной задачей, как и управление нормальными установившимися режимами. Наиболее сильными возмущающими воздействиями являются различные виды коротких замыканий. Короткие замыкания в электрических системах вызываются повреждением фазной или линейной изоляции токоведущих частей в результате прямых ударов молнии, недопустимых ветровых нагрузок и гололеда, естественного старения изоляции, механических повреждений кабельных линий и др. Короткие замыкания сопровождаются увеличением токов в месте поврежденного участка и снижением напряжений в узлах электрической системы. Уменьшение напряжения может приводить к нарушению нормальной работы электроприемников, перегрузке или остановке двигателей, а при коротких замыканиях в системообразующих связях - к нарушению устойчивости параллельной работы отдельных электростанций. В результате этого система распадается на группы несинхронно работающих частей, что является достаточно тяжелой системной аварией. Рост величины токов короткого замыкания может приводить к значительным электродинамическим (механическим) усилиям и термическим повреждениям элементов электроустановок. В связи с этим при проектировании и эксплуатации электрических установок необходимо так выбрать оборудование и наладить режим работы установок, чтобы оно надежно работало не только в нормальных, но и в аварийных режимах. Решение этих задач связано с проведением теоретических исследований, натурных испытаний и практических расчетов, в числе которых значительное место занимают расчеты параметров режимов коротких замыканий. 10