Калейніков Г.Є., Розен В.П. Електротехнічні системи електропостачання (укр) - файл n5.doc

Калейніков Г.Є., Розен В.П. Електротехнічні системи електропостачання (укр)
скачать (1739 kb.)
Доступные файлы (6):
n1.doc1853kb.18.09.2009 09:31скачать
n2.doc638kb.16.03.2009 12:00скачать
n3.doc1388kb.20.09.2007 11:52скачать
n4.doc101kb.24.09.2009 19:40скачать
n5.doc982kb.15.04.2009 16:25скачать
n6.doc432kb.15.04.2009 16:32скачать

n5.doc

  1   2   3


Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний технологічний університет


Затверджено

на засідання кафедри

електротехнічних систем

протокол № 13 від 10.02. 2009 р.

Тираж 100


Вимогам, що ставляться до

навчально-методичних видань,

відповідає


Зав. кафедри ЕТС О.О.Ситник


Методичні вказівки до виконання курсової роботи

з дисципліни „Перехідні процеси в системах електропостачання”

для студентів спеціальності 7.090603

“Електротехнічні системи електроспоживання”


Весь цифровий і фактичний матеріал та бібліографічні

відомості перевірено. Зауваження рецензента враховано

Зав. кафедри ЕТС Ситник О.О.

Укладачі:

Самойлик О.В.

Ситник О.О.

Семко І.Б.

Відповідальний редактор

Рецензент доцент Левандовський О.П.
Черкаси 2009

ЗМІСТ


Вступ




1 Загальні відомості про електромагнітні перехідні процеси при

коротких замиканнях.......................................................................................







1.1 Види, причини та наслідки коротких замикань……………………







1.2 Призначення розрахунків електромагнітних

перехідних процесів...........................................................................







1.3 Особливості перехідних процесів при трифазних

коротких замиканнях……………………..........................................




2 Загальні вказівки до виконання розрахунків коротких замикань







2.1 Порядок розрахунку …………………………..................................







2.2 Складання принципової схеми………………………………..........







2.3 Розрахункові умови…………………………………………............







2.4 Початкові положення до розрахунку струмів

короткого замикання...........................................................................







2.5 Складання розрахункової схеми .......................................................







2.6 Схема заміщення та способи визначення показників

її елементів...........................................................................................










2.6.1 Точне зведення в іменованих одиницях.................................










2.6.2 Точне зведення у відносних одиницях...................................




3 Розрахунок струмів короткого замикання..................................................







3.1 Приклад розрахунків струмів КЗ аналітичним методом.................










3.1.1 Розрахунок параметрів еквівалентів елементів

методом точного зведення в абсолютних

(іменованих) одиницях.............................................................









3.1.2 Розрахунок параметрів еквівалентів елементів

методом точного зведення у відносних одиницях.................










3.1.3 Розрахунок початкового значення періодичної

складової струму при трифазному КЗ.....................................










3.1.4 Розрахунок ударного струму короткого замикання..............




Література.........................................................................................................






.

АНОТАЦІЯ
У виданні вміщено необхідні теоретичні відомості та практичні рекомендації до виконання курсової роботи з дисципліни „Перехідні процеси в системах електропостачання”. Зокрема, подано загальні вказівки і приклади розрахунків струмів короткого замикання.

Для студентів спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”.
ВСТУП
Підприємства промисловості, транспорту, будівництва, агропромислового комплексу – основні споживачі електричної енергії й обумовлюють високу щільність електричного навантаження з її перетворенням на інші види енергії за різних значень напруги і струму. Їхні системи електропостачання (СЕП) характеризуються багаторівневими ступенями розподілу електроенергії;

великими вузлами навантаження з різними видами перетворення параметрів електромагнітної енергії, складом електроприймачів; джерелами живлення від електроенергетичної системи, місцевих теплових електростанцій, синхронних компенсаторів, джерел реактивної потужності, а в аварійних режимах – від двигунів, що перейшли на генераторний режим; значною розгалуженістю розподільних електричних мереж; зворотним впливом електротехнологічних процесів та великих електроприймачів на функціонування СЕП в аварійних режимах. У зв’язку з цим до СЕП, їхніх режимів роботи і якості електроенергії, що можна оцінити на основі досліджень перехідних процесів, ставляться підвищені вимоги.

Рекомендовані навчально-методичні матеріали закріплюють основні теоретичні положення, полегшують виконання курсової роботи з дисципліни “Перехідні процеси в системах електропостачання”. Значна увага приділяється роз’ясненню термінології у сфері нестаціонарних режимів СЕП, розкриттю фізичної суті електромагнітних перехідних процесів, формуванню практичних навичок застосування основних методів розрахунку коротких замикань (КЗ) електроустановок напругою вище 1000 В, рекомендованих стандартом [1].

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМИКАННЯХ
Перехідні процеси в СЕП – результат зміни режимів, спричинених експлуатаційними умовами або наслідками пошкодження ізоляції чи струмоведучих частин електроустановок.

Причинами виникнення перехідних процесів можуть бути впливи на елементи системи:

– вмикання, вимикання чи перемикання джерел електричної енергії, трансформаторів, ліній електропередач (ЛЕП), електроприймачів та інших елементів;

– поява несиметрії фазних струмів і напруг через вимикання окремих фаз, несиметричних змін навантаження, обривів фаз тощо;

– короткі замикання в елементах СЕП;

– прискорення збудження синхронних машин та гасіння їх магнітного поля;

– раптові накиди та скиди навантаження;

– асинхронний пуск двигунів та синхронних компенсаторів;

– реверсування асинхронних двигунів;

– асинхронний хід синхронних машин після їх випадання із синхронізму;

– кліматичні впливи на елементи СЕП;

– повторні вмикання та вимикання короткозамкнених ланцюгів мереж.

Перехідні процеси, викликані комутаційними перемиканнями елементів системи, виконанням випробувань і регулюванням режимів, належать до умов нормальної експлуатації, а КЗ, обриви фаз, повторні вмикання та вимикання короткозамкнених ланцюгів, випадання генераторів із синхронізму та інші порушення нормальних режимів – з розряду аварійних ситуацій.

Граничні значення параметрів режиму електроустановок при перехідних процесах у нормальних режимах експлуатації звичайно враховуються під час виготовлення електричного устаткування, проектування та спорудження СЕП, а також обґрунтування експлуатаційних режимів.

Перехідні процеси в системах електропостачання вивчають після одержання необхідних знань із загальноосвітніх та спеціальних дисциплін, у яких розглядаються окремі елементи СЕП. Перехідні процеси в СЕП аналізують з урахуванням зв'язків між елементами системи і поточних змін параметрів режиму.

Мета досліджень і розрахунків перехідних процесів полягає в тому, щоб,. з'ясувавши особливості роботи та якісно нові властивості при кількісних змінах у СЕП, навчитися передбачати перебіг перехідних процесів і керувати ними. Для цього треба вміти їх розраховувати, прогнозувати за зміною параметрів системи. зміни режимів і через регулювальні пристрої впливати на перехідний процес.

Дослідження та розрахунки перехідних процесів – необхідні умови вирішення багатьох завдань, що виникають при проектуванні та експлуатації СЕП. Зокрема, для вибору принципів дії і настроювання автоматичних пристроїв протиаварійного керування, аналізу електромеханічних перехідних процесів з метою визначення умов стійкості електричного навантаження та розробки заходів для забезпечення безперервної роботи промислових підприємств у різних режимах СЕП.

На основі досліджень і розрахунків перехідних процесів вирішуються найважливіші питання проектування, спорудження та експлуатації СЕП:

– обґрунтування економічно доцільних систем передачі, розподілу і споживання електричної енергії;

– забезпечення належного режиму після перехідних процесів у системі;

– виконання вимог щодо якісних показників перехідних процесів;

– випробування апаратів та СЕП у перехідних режимах.

За результатами досліджень і розрахунків перехідних процесів варто проектувати такі СЕП, перехідні процеси в яких закінчувалися б припустимим усталеним режимом. При цьому перехідні процеси слід розглядати з двох позицій:

– надійності СЕП;

– поведінки системи та її окремих елементів при зміні умов роботи.

З урахуванням перехідного процесу повинні бути забезпечені зміни параметрів режиму СЕП, за якими якісні показники електропостачання споживачів істотно б не знижувалися. Тому таке важливе значення має зменшення тривалості перехідного процесу, вилучення можливості виникнення нових перехідних процесів, завершення перебігу перехідного процесу достатньо надійним режимом.

При аналітичних дослідженнях перехідних процесів використовують метод перетворення координат, комплексні величини для опису миттєвих значень змінних, метод симетричних складових, схеми заміщення для різних режимів СЕП та ін. Застосовують також графоаналітичний метод аналізу перехідних процесів. Для розв'язання складних завдань та здійснення традиційних розрахунків перехідних процесів широко використовують обчислювальну техніку.

Великі можливості щодо дослідження та розрахунків перехідних процесів мають методи моделювання й експериментального дослідження реальних СЕП.


    1. Види, причини та наслідки коротких замикань


Випадкове або навмисне, не передбачене нормальним режимом роботи, електричне з'єднання фаз (полюсів) струмоведучих кіл електроустановки між собою або з землею, при якому струми різко зростають, перевищуючи найбільш допустимий струм усталеного режиму, в колах, що примикають до місця виникнення цього з'єднання, називається коротким замиканням чи замиканням у випадках з'єднання із землею однієї фази (полюса) електроустановки, елементи якої працюють з ізольованою або резонансно заземленою нейтраллю.

В умовах експлуатації СЕП основними причинами виникнення перехідних процесів є переважно короткі замикання, які суттєво порушують нормальний режим роботи електроустановок. Тому при проектуванні СЕП короткі замикання розглядають як характерні збурення, що зумовлюють перехідні електромагнітні процеси.

В електроустановках залежно від класифікаційних ознак електричних мереж (напруга, вид струму, кількість фаз чи полюсів, стан нейтралі або середньої точки тощо) необхідно розрізняти такі види коротких замикань:

– трифазне КЗ – між трьома фазами в трифазній електричній мережі

змінного струму;

– трифазне КЗ на землю – на землю або нульовий провід у трифазній електричній мережі змінного струму з глухозаземленими або ефективно заземленими централями силових елементів, коли з'єднуються між собою та із землею три фази:

– трифазне КЗ із землею виникає в трифазній мережі змінного струму з ізольованими або резонансно заземленими нейтралями силових елементів, коли місце замикання трьох фаз контактує із землею:

– двофазне КЗ – замикання між двома фазами в трифазній електричній мережі змінного струму;

– двофазне КЗ на землю виникає між двома фазами, коли фази з'єднуються із землею, в трифазній електричній мережі з глухозаземленими та ефективно заземленими нейтралями силових елементів, у двофазній тяговій мережі змінного струму, де одна фаза ввімкнена до контактної мережі, а інша заземлена до рейкового кола;

– двофазне КЗ із землею – це замикання двох фаз у трифазній електричній мережі змінного струму з ізольованими або резонансно заземленими нейтралями силових елементів, що має зв'язок із землею;

– однофазне КЗ на землю – це замикання однієї фази із землею чи заземленим нульовим проводом у три- або однофазній електричній мережі змінного струму з глухозаземленими (ефективно заземленими) нейтралями силових елементів;

– однофазне КЗ – це замикання фази з нульовим проводом в однофазній електричній мережі змінного струму з ізольованою або резонансно заземленою нейтраллю (виводом);

– однофазне замикання з землею – це з'єднання фази із землею в три- або однофазній (з нульовим проводом) електричній мережі змінного струму з ізольованими чи резонансно заземленими нейтралями (виводами) силових елементів;

– двополюсне КЗ на землю виникає в мережі постійного (випрямленого) струму з заземленою середньою точкою джерела струму, коли місце замикання полюсів з'єднується із землею;

– двополюсне КЗ – це замикання полюсів у мережі постійного (випрямленого) струму з ізольованою середньою точкою джерела струму;

– однополюсне КЗ на землю – це замикання ізольованого полюса на землю в мережі постійного (випрямленого) струму із заземленою середньою точкою джерела струму;

– однополюсне замикання із землею має місце в мережі постійного струму з ізольованою середньою точкою, коли один з полюсів з'єднується із землею;

– подвійне КЗ на землю в електроустановці – це сукупність двох однофазних коротких замикань на землю в різних, але електрично пов'язаних частинах електроустановки;

– подвійне замикання із землею в електроустановці – це сукупність двох однофазних (однополюсних) замикань на землю в різних, але електрично пов'язаних частинах електроустановки.

За характером проходження КЗ поділяють на симетричні та несиметричні, стійкі та нестійкі, видозмінні. При симетричному КЗ усі три фази електроустановки перебувають в однакових умовах. Якщо при КЗ хоч одна з фаз різнитиметься від умов інших фаз, то його називають несиметричним КЗ. До стійких КЗ в електроустановках зараховують такі, які зберігаються і після безструмової паузи комутаційного апарата. До нестійких КЗ належать такі з них, поява яких самоліквідовується за безструмової паузи комутаційного електричного апарата, який розмикає коло перебігу струму КЗ. Видозмінним КЗ називають замикання в електроустановці з переходом одного виду КЗ в інший.

За місцем виникнення в елементах СЕП розрізняють:

– міжвіткове КЗ – між вітками обмотки однієї фази;

– міжкотушкове або міжсекційне КЗ – між котушками або секціями обмотки однієї фази;

– міжвиткове КЗ – між різними витками однієї котушки, обмотки трансформатора, електричної машини.

Щоб забезпечити безперебійне електропостачання всіх споживачів, необхідно проектувати та споруджувати СЕП з урахуванням можливих КЗ, суворо дотримуючись правил експлуатації електроустановок, безперервно підвищуючи технічний рівень і якість виготовлення електроустаткування.

У СЕП для вилучення небезпечних наслідків від КЗ та забезпечення стійкості режиму роботи навантаження вводять швидкодіючі релейні захисти важливих елементів, застосовують спеціальні схеми автоматичного вмикання резерву джерел живлення, передбачають розподіл у часі процесів самозапуску різних груп двигунів, встановлюють регулювальні пристрої збудження синхронних машин.
1.2 Призначення розрахунків електромагнітних перехідних процесів
Розрахунок електромагнітних перехідних процесів у СЕП при коротких замиканнях, як найбільш характерних збудженнях, має важливе значення для проектування та експлуатації. Такий розрахунок передбачає знаходження значень напруг, струму та інших параметрів режиму КЗ у точці виникнення КЗ або в інших точках СЕП чи вітках мережі при заданих умовах. Розрахунки режиму КЗ необхідні для вирішення таких завдань:

– виявлення умов роботи споживачів енергії при можливих КЗ та допустимості того чи іншого режиму;

– вибір та перевірка електроустаткування за умов КЗ;

– проектування і налагодження засобів релейного захисту та системної автоматики, вибір запобіжних пристроїв автоматичних комутаційних апаратів;

– зіставлення, оцінка та вибір схем електричних з'єднань СЕП;

– координація і оптимізація значень струмів та потужності КЗ;

– оцінка стійкості режиму СЕП та її вузлів навантаження;

– проектування заземлювальних пристроїв;

– визначення впливу струмів КЗ на лінії зв'язку;

– вибір розрядників для захисту електроустановок від перенапруги;

– аналіз аварій в електроустановках;

– проведення різних випробувань у СЕП.
1.3 Особливості перехідних процесів при трифазних коротких замиканнях
Розглянемо найпростішу радіальну мережу (без трансформаторних зв’язків), яка живиться від джерела зі сталою напругою. Таке джерело називають джерелом необмеженої потужності; його граничне значення потужності теоретично не залежить від впливу зовнішніх умов (змін навантаження, кількості ввімкнених споживачів тощо). Практично це можливо при живленні СЕП від потужних електроенергетичних систем і якщо КЗ виникає в малопотужних електроустановках або віддалених мережах.



Рисунок 1
На рисунку 1 зображено радіальну мережу (нерозгалужене трифазне симетричне активно-індуктивне коло), в якій раптово сталося трифазне КЗ, та її трифазну схему заміщення із зосередженими опорами мережі і навантаження.

Мережа живиться від джерела необмеженої потужності синусоїдної напруги зі сталою амплітудою .

Миттєві значення ЕРС фаз :
,
де – кут, що характеризує значення ЕРС у момент КЗ.

У доаварійному режимі в колі протікає струм
,
де – амплітудне значення струму доаварійного режиму;

– аргумент повного опору кола.

У момент виникнення трифазного КЗ мережа практично розпадається на дві частини: права шунтується від джерела точкою КЗ і залишається без зовнішнього живлення (рисунок 1, в), а ліва продовжує живитися від джерела необмеженої потужності зі сталою напругою ( рисунок 1, б).

Для визначення струму перехідного процесу необхідно записати та розв’язати систему диференціальних рівнянь стану електричного кола. Оскільки коло симетричне, то досить розглянути одну з фаз, наприклад фазу А. Диференціальне рівняння рівноваги напруг, записане для однієї фази схеми, що на рисунку 1, б, має вигляд

. (1.1)
Рівняння (1.1) лінійне з постійними коефіцієнтами. Згідно з принципом накладання розв’язок рівняння відносно невідомого струму запишемо як
, (1.2)
де – вимушена, або періодична, складова перехідного струму;

– вільна аперіодична складова струму.

Вимушену складову струму отримуємо в результаті часткового розв’язання рівняння (1.1) способом підставлення:
, (1.3)
де – амплітудне значення періодичної складової струму;

– аргумент повного опору кола.

Вільну складову струму визначаємо, розв’язуючи однорідне рівняння
, (1.4)

яке отримуємо з рівняння (1.1), прирівнюючи ліву частину до нуля.

Характеристичне рівняння має один корінь .

Отже, розв’язання (1.4) має вигляд

де постійна часу затухання вільної складової;

– постійна інтегрування, яка визначається з початкових умов .

Початкове значення струму доаварійного режиму знаходимо через параметри схеми цього режиму для часу :
.
Початкове значення перехідного струму визначаємо за (1.2) для часу :

.
Підставляючи одержані значення струмів у початкові умови, шукаємо постійну інтегрування:
.
Отже,

. ( 1.5)
Струми фаз В, С відрізняються від струму фази А тільки зсувом синусоїд на кути та .

У загальному випадку можна записати:
. (1.6)
Коло (рисунок 1, в) пасивне. Під час перехідного процесу в ньому протікає струм за рахунок нагромадженої в індуктивностях електромагнітної енергії. Струм тече до того часу, поки ця енергія не перетвориться в теплову і виділиться на активних опорах .

Диференціальне рівняння рівноваги напруг, записане для одної фази схеми (рисунок 1, в) має вигляд
. (1.7)
Це рівняння – однорідне лінійне з постійними коефіцієнтами. Його розв’язок є експоненціальною функцією часу
, (1.8)

де – постійна інтегрування, яка визначається з початкових умов;

– корінь характеристичного рівняння.

Таким чином,
, (1.9)
де – постійна часу затухання вільної складової струму.

Струми фаз відрізняються від струму фази за рахунок різних початкових умов.

У загальному випадку
. (1.10)
Отже, струм даного кола має тільки вільну складову, яка в усталеному режимі прямує до нуля. У загальному випадку вільні складові струмів фаз різні, оскільки різні постійні інтегрування. Постійна часу їх затухання спільна.

Максимальне значення перехідного струму залежить від параметрів схеми та початкових умом – кута і струму доаварійного режиму. Практично максимальне значення струму КЗ для кола визначаємо за таких умов:

– струм доаварійного режиму дорівнює нулю;

– у момент КЗ напруга джерела проходить через нуль.

Даний струм називають ударним струмом . У колі, де , ударний струм настає через півперіоду з моменту виникнення КЗ, що при частоті 50 Гц становить 0,01 с .

При цьому
, (1.11)
де ударний коефіцієнт.

Значення ударного коефіцієнта залежить від співвідношення кола і може змінюватися у межах При нескінченно малій індуктивності кола постійна часу близька до нуля, а ударний коефіцієнт дорівнює одиниці. У такому колі струм у момент КЗ змінюється стрибком, тобто перехідний процес не виникає. При нескінченно малому значенні активного опору кола постійна часу прямує до нескінченності, а ударний коефіцієнт – до двох. У таких колах вільна складова, що виникає в момент КЗ, не затухає. Реальні значення ударного коефіцієнта містяться між цими двома екстремальними значеннями. Вплив аперіодичної складової проявляється тільки в початковій стадії перехідного процесу.

В розгалужених мережах точне визначення постійних часу потребує значних обчислень. При наявності в мережі кількох контурів результуюча аперіодична складова струму КЗ дорівнює сумі їх аперіодичних струмів. Вільний струм у будь-якій вітці такої схеми можна визначити шляхом розкладання струму КЗ, вираженого в операторній формі. Оскільки такий спосіб визначення постійних часу навіть для порівняно нескладної схеми викликає значні ускладнення, користуються наближеним вирішенням. Припускають, що аперіодична складова струму КЗ затухає за експонентним законом з еквівалентною постійною часу:
,
де – результуючий індуктивний опір схеми відносно точки КЗ, обчислений за умови, що всі активні опори дорівнюють нулю;

– результуючий активний опір, обчислений для всіх індуктивних опорів, якщо .

При такому визначенні спостерігається еквівалентність кількості електрики в дійсних та зведених умовах. Таким чином, аперіодичний струм КЗ складної схеми подається однією еквівалентною експонентою
.
Співвідношення індуктивних та активних складових опорів для елементів електричної мережі мають такі значення:

Елемент

Відношення

Турбогенератори

15–150

Гідрогенератори

40–90

Трансформатори

7–50

Реактори 6–10 кВ

15–80

Повітряні

2–8

Кабельні лінії 6–10 кВ

0,2–0,8

Узагальнене навантаження

2,5

Наведені відношення
  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации