Физические процессы, протекающие в электрических системах и их анализ

    Теоретические основы энергосистем 
 
 

    Лекция  №2 «Физические процессы, протекающие в электрических системах и их анализ» 
 

    Цель: Ознакомить слушателей с особенностями физическими процессов, протекающих в электрических системах 
 

    1.Параметры режимов, систем и процессов 

    1.1. Параметры системы 

    Известно, что любая электрическая система, характеризующаяся рядом параметров, которые в теории систем называются просто параметрами системы (Пс).

    Здесь под Пс понимаются, количественно  определяющиеся физическими свойствами элементов системы, схемой их соединения и рядом допущений расчетного характера.

    К параметров системы относятся значения: полных сопротивлений (комплексов полных сопротивлений); активных и реактивных сопротивлений (комплексы индуктивных  и емкостных сопротивлений); проводимостей  элементов (активных, емкостных, индуктивных, реактивных); собственных и взаимных сопротивлений (комплексов собственных и взаимных сопротивлений); коэффициенты трансформации; постоянные времени; коэффициенты передачи и усиления и т.д. 

    1.2. Режимы электрических систем  и их параметры 

    Принято считать, что состояние системы, определяющееся множеством различных  процессов и зависящее от схемы  соединения  элементов системы, называется режимом системы.

    Режим характеризуется показателями, количественно определяющими условия работы системы, которые называются параметрами режима (Пр).

    К параметрам режима относят значения: активной, реактивной и полной мощности; напряжения и падения напряжения: активной и реактивной составляющей; активного, реактивного и полного тока (комплексы токов); углов сдвига фаз между напряжением и током, между напряжениями и между токами; углов сдвига фаз между векторами ЭДС, напряжений, токов, частот и т.д. Считается, что параметры режима связаны между собой соотношениями, в которые входят параметры системы. 

    1.3. Виды режимов 

    Различают установившиеся и неустановившиеся (переходные) режимы систем, при этом в установившемся режиме реальной ЭС параметры режима не постоянны: они  непрерывно изменяются, но эти изменения, происходящие около некоторого среднего значения, могут быть настолько малыми, что режим практически допустимо считать установившимся.

    Наиболее  распространенными видами режимов  электрических систем считают:

    - нормальные установившиеся режимы, применительно к которым проектируется ЭС и определяются основные технико-экономические характеристики; нормальные переходные режимы, во время которых ЭС переходит из одного рабочего состояния к другому;

    - аварийные установившиеся и переходные режимы, для которых определяются технические характеристики, связанные с необходимостью ликвидации аварии и выяснения условий дальнейшей работы ЭС;

    - послеаварийные установившиеся режимы вызывают в общем случае изменение нормальной схемы системы, поэтому считается, что ЭС может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с нормальным режимом.

    В любых переходных режимах происходят закономерные последовательности изменения параметров режима системы, вызываемых какими-либо причинами, называемы возмущающими воздействиями, создающими начальные отклонения параметров режима – возмущения режима.  

    1.4. Процессы, происходящие в системах 

    Принято считать, что режим ЭС не является чем-то единым, а состоит из множества  различных процессов. Здесь под процессом понимается последовательная смена каких-либо явлений. Выделенная группа параметров режима, характеризующая данный процесс, называется параметрами процесса (Пп).

    Переходные  процессы в ЭС можно классифицировать по условиям протекания, по причинам возникновения, по допущениям, сделанным при составлении математической модели ЭС, по скорости протекания, по структуре и т.п.

    Причинами переходных процессов в ЭС могут  быть: гроза, отключение линий нагрузок, работа выключателей, изменения электромагнитного  режима, короткие замыкания, работа регуляторов возбуждения, изменение электрических нагрузок, изменение электромеханического режима генератора, работа регуляторов скорости, регуляторы частоты, автоматическая разгрузка, изменение режима котлов, данные системы, работа регуляторов котлов. 

    1.5. Проявления переходных процессов 

    Протекание  переходных процессов сопровождается перенапряжениями (внешними и внутренними), перенапряжениями (резонансными, самовозбуждение, динамические), сверхтоки и уменьшение напряжения, качания генераторов, ресинхронизация, нарушение синхронизма генератора, асинхронная работа генераторов, самораскачивание генераторов, лавины напряжения и частоты, экономическое регулирование, при этом можно выделить следующие группы процессов: волновые, электромагнитные, резонансные электромагнитные, электромеханические, динамические резонансы, статическая и динамическая устойчивость, результирующая устойчивость, устойчивость нагрузки, теплоэнергитические процессы, процессы распределения и перераспределения нагрузок.

    Глубина переходных процессов определяется расчетами, при этом наиболее характерными из них являются расчеты: перенапряжений, типов короткого замыкания, устойчивости, выбора АРВ, АПВ, АРС и АВР, режимов.

    Время протекания переходных процессов зависит от свойств элементов системы: если ЭС составлена только из электрических параметров, то время переходного процесса находится в диапазоне микросекунд, если ЭС составлена из электромагнитных элементов, то время переходных процессов измеряется в миллисекундах, а если в структуре ЭС имеются электромеханические элементы, то время переходных процессов может достигать десятков секунд.

    Данное  обстоятельство подчеркивает тот факт, что если система состоит из всех перечисленных элементов, то любая (по полноте) ее математическая модель должна состоять не менее чем из трех уравнений. 
 
 
 

    2. Параметры нормального режима 

    Применительно к электрической системе нормальный установившийся режим характеризуется  длительно допустимыми значениями частоты, токов, напряжений, нормальными запасами устойчивости в данной схеме сети, устойчивым переходом к любым послеаварийным режимам, которые могут возникнуть в результате нормативных возмущений, и установившимся послеаварийным режимом, обладающим не менее чем нормативными запасами устойчивости.

    В качестве обобщенной характеристики нормальных режимов в соответствии с « Руководящими указаниями по устойчивости энергосистем» используют максимально допустимые перетоки активной мощности в контролируемых сечениях, при этом основными параметрами режима являются:

1. коэффициент запаса по активной мощности в любом сечении для данной схемы сети, определяемой по формуле

                                      (1.2)

где Р_пр – предельный переток активной мощности; Р_нк – амплитуда нерегулярных колебаний мощности в сечении сети; Р_т – текущее значение перетока мощности.

2. Коэффициент запаса по напряжению во всех узлах энергосистемы, оцениваемый неравенством

                                          (1.3)

где и - текущее и критическое напряжение в рассматриваемом узле.

3. Нагрузка любого элемента электрической сети не должна превышать допустимых значений, т.е. коэффициент перегрузки, равный

                                              (1.4)

где Р_нн и Р_нд – мощность номинальной и допустимой нагрузки; к_н, к_пдоп – коэффициенты перегрузки и перегрузки допустимой соответственно.

4. Переток мощности в любом сечении в рассматриваемом режиме не должен превышать предельный по динамической устойчивости переток в том же сечении при всех нормативных возмущениях:

                                                   (1.5)

где – наименьший предел динамической устойчивости.

5. Коэффициент запаса по активной мощности в любом из установившихся послеаварийных режимов, возникших в результате нормативных возмущений, не должен быть менее 8 %, т.е.

                               (1.6)

6. Коэффициент запаса по напряжению в каждом узле и в каждом из нормативных послеаварийных режимов должен быть не менее 10 %, т.е.

                                  (1.6)

где  индекс «р» означает расчетное значение.

7. Нагрузка любого элемента электрической сети в любом нормативном послеаварийном режиме не должна превышать допустимых значений в течение 20 минут.

 

    3. Особенности и сущность нормального  режима 

    3.1.Особенности  нормального режима 

    В нормальном режиме ЭС должны быть обеспечены:

    1. Качество – электроснабжение  потребителей электроэнергией, показатели которой отвечают требованиям ГОСТ 13109-97;

    2. Надежность – электроснабжение  потребителей электрической энергией беспрерывно, при этом надежность ЭС обеспечивается безотказность, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью элементов системы, причем надежная ЭС должна длительно сохранять эксплуатационные показатели: производительность, экономичность и рентабельность.

    3. Живучесть – способность противостоять воздействиям внешних сил и длительное время сохранять это состояние, при этом под живучестью понимают способность ЭС так противостоять любым возмущениям, чтобы они не вызывали каскадного развития аварии с массовым нарушением питания потребителей.

    4. Экономичность – надежное электроснабжение  потребителей электроэнергией заданного качества при возможно меньших затратах средств на ее производство и передачу. 

    3.2. Условия существования режима 

    Принято считать, что для существования исходного режима, предшествующего переходному, и режима, который должен установиться после возмущения, необходим баланс мощности в ЭС.

    Активная  мощность, вырабатываемая генератором  Рг, должна быть равна мощности, поглощаемой в нагрузках Рн и рассеиваемой во всех элементах системы Р:

                                             (1.8)

    В системах переменного тока существует аналогичное условие и для  реактивной мощности

                                           (1.9)

    При этом полная мощность

                                           (1.10)

    Уравнения (1.8) и (1.9) связаны между собой и  математически (1.10) и физически, причем из сущности физической связи известно:

1. Изменение активной мощности, вырабатываемой генератором, главным образом влияет на изменение частоты в ЭС, оказывая незначительное влияние на напряжение;
2. Изменение реактиной мощности, выдаваемого устройствами, ее генерирующими, влияет главным образом на изменение напряжения в ЭС.

    Математически данные условия можно записать следующим образом:

                                        (1.11)

    Из  анализа (1.11) следует, что для осуществления  заданного режима или введения ЭС в режим необходимо воздействовать на баланс активных и реактивных мощностей. 

    3.3. Характеристика активной мощности  генератора 

    Рассмотрим  характеристику активной мощности генератора при изменении структуры схемы электропередачи, которая содержит трансформатор и собственно линию электропередачи и шины неизменного напряжения.

    Отметим, что шины неизменного напряжения или шины бесконечной мощности (ШБМ) образуются в случае, если мощность ЭС не менее чем в 5 раз превышает мощность электропередачи.