Проблем переходных процессов

 

Первоначально конструкции электрических машин выполнялись с требованиями нормальной работы. Их мощности были малы, и они обладали естественным запасом устойчивости против механического и теплового действия токов короткого замыкания (далее КЗ). По мере роста мощности машин и осуществления их параллельной работы, размер повреждений при КЗ резко возрос, и вследствие этого стало необходимо рассчитывать аварийные условия работы. Серьезная разработка теории переходных процессов в электрических машинах началась в конце 20-х годов ХХ века. Наибольший вклад в теорию переходных процессов внесли Н.Н. Щедрин, С.А. Ульянов. В 1930−1935 годах Парком (США) и
А.А. Горевым (СССР) была разработана общая теория переходных процессов в синхронных машинах, послужившая основой создания практических методов расчета. В настоящее время разработана нормативная база определяющая методики расчетов токов КЗ [1−7,17].

Ниже рассмотрим основные определения курса.

Электрическая система (далее ЭС) − это условно выделенная часть электроэнергетической системы, в которой осуществляются выработка, преобразование, передача и потребление электрической энергии. В результате аварийных ситуаций в системе возникают переходные процессы, в течение которых происходит переход от одного энергетического состояния (режима) к другому.

Режим работы системы − это совокупность процессов, характеризующих работу электрической системы и ее состояние в любой момент времени. Параметры режима: напряжения, мощности и т.п. − связаны между собой параметрами системы. Параметры системы: сопротивления, проводимости, коэффициенты трансформации, постоянные времени и т.п. − определяются физическими свойствами элементов. Различают несколько видов режимов электрических систем.

Установившийся (нормальный) режим − состояниесистемы, когда параметры режима изменяются в небольших пределах, позволяющих считать эти параметры неизменными. Это основной расчетный режим, имеющий лучшие технико-экономические характеристики.

Нормальные переходные режимы возникают при нормальной эксплуатации системы (включение и отключение каких-либо элементов системы, изменение нагрузки, несинхронное включение синхронных машин (далее СМ) и т.п.).

Аварийные переходные режимы возникают в ЭС при таких возмущениях (авариях), как короткие замыкания, внезапные отключения элементов ЭС, повторные включения и отключения этих элементов, несинхронные включения СМ и т.п.

Послеаварийные установившиеся режимы наступают после отключения поврежденных элементов ЭС. При этом параметры послеаварийного режима могут быть как близкими к параметрам нормального (исходного) режима, так и значительно отличаться от них.

При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическим и электромагнитным моментами на валах генераторов и двигателей. Это означает, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе, которые взаимно связаны и представляют собой единое целое. Тем не менее очень часто переходный процесс делят на две стадии. На первой стадии из-за большой инерции вращающихся машин в ЭС преобладают электромагнитные изменения. Эта стадия длится от нескольких сотых до
0,1... 0,2 с и называется электромагнитным переходным процессом. На второй стадии проявляются механические свойства системы, которые оказывают существенное влияние на переходные процессы. Эта стадия называется электромеханическим переходным процессом. В настоящем курсе будут изучаться электромагнитные переходные процессы, протекающие при постоянной скорости вращения электрических машин ().

Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов является короткое замыкание.

Короткое замыкание − это не предусмотренное нормальными условиями эксплуатации замыкание между фазами или между фазами и землей. В системах с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю называется простым.

В местах замыкания часто образуется электрическая дуга, сопротивление которой имеет нелинейный характер. Учет влияния дуги на ток КЗ представляет собой сложную задачу и в настоящем курсе не рассматриваются. Учет дуги производится в сетях до 1000 В.

Кроме сопротивления дуги в месте КЗ возникает переходное сопротивление, вызываемое загрязнением, наличием остатков изоляции, окислов и т.п. В случае, когда переходное сопротивление и сопротивление дуги малы, ими пренебрегают. Такое замыкание называют металлическим. Расчет максимально возможных токов проводится для металлических КЗ. В электрических системах наиболее часто возникает однофазное замыкание. Его вероятность возрастает с увеличением напряжения сети. Это связано с увеличением междуфазного расстояния (в среднем с 0,7 м в сети 6... 10 кВ до 14 м в сети 500 кВ). Иногда в процессе развития аварии первоначальный вид короткого замыкания переходит в другой (например, однофазное КЗ переходит в двухфазное на землю и т.п.).

Несимметричные КЗ, а также несимметричные нагрузки образуют в системе поперечную несимметрию. Нарушение симметрии какого-либо промежуточного элемента трехфазной сети (например, отключение одной фазы линии электропередачи) вызывает продольную несимметрию. Повреждения, сопровождающиеся сочетанием разных видов несимметрии (например, обрыв фазы с ее коротким замыканием) либо одним видом несимметрии в разных точках системы, называются, сложными повреждениями и в настоящем курсе не рассматриваются.