Рисунок1.2 – Схема электропередачи.
Автор: Германчук С. С.
Источник: Электронный ресурс
Устойчивость энергосистем – это способность сохранить синхронизм между электростанциями, или другими словами – возвращаться к установившемуся режиму после различного рода возмущений.
Статическая устойчивость – это способность энергосистемы сохранять синхронную параллельную работу генераторов при малых возмущениях и медленных изменениях параметров режима.
Рассмотрим схему электропередачи, состоящую из электростанции ЭС, генераторы которой через повышающий трансформатор Т и линию электропередач Л и шин приемной энергосистемы бесконечной мощности (рис. 1.2.).
Если постепенно увеличивать активную мощность P, передаваемую по линии Л, то при определенном значении произойдет нарушение устойчивости, и электростанция ЭС выйдет из синхронизма относительно энергосистемы.
Рисунок1.2 – Схема электропередачи.
Величина передаваемой мощности зависит от угла сдвига фаз между поперечной осью генератора и вектором напряжения приемной системы, эта зависимость называется угловой характеристикой электропередачи, имеет синусоидальный характер и равна
Амплитуда угловой характеристики соответствует пределу статической устойчивости передачи. Устойчивость параллельной работы генератора относительно системы определяется отношением электрической мощности и механической мощности турбины. При этом мощность первичного двигателя не зависит от угла δ и определяется только количеством энергоносителя, поступающего в турбину. Как показано на рис. 1.3., баланс этих двух мощностей возможен при двух значениях угла δ.
Рисунок 1.3 – Угловая характеристика мощности.
Точка 1 соответствует устойчивой работе передачи, точка 2 неустойчивой. Это можно пояснить следующим образом. В режиме, характеризующемся значением угла δ1, при некотором возмущении и последующем увеличении угла до значения δ1′, электрическая мощность становиться больше мощности механической, следовательно ротор генератора начинает тормозиться, стремясь вернуться в точку 1, к устойчивому режиму. Если же режим характеризуется углом δ2, то любое приращение угла приведет к ускорению роторов, в связи с недостатком электрической мощности, и, как следствие, к дальнейшему увеличению угла и выходу генератора из синхронизма. Из всего сказанного следует, что область устойчивой работы лежит в диапазоне углов от 0º до 90º. В области углов больших 90º устойчивая параллельная работа невозможна. Работа на предельной мощности не ведется, так как малые возмущения могут вызвать переход в неустойчивую область. Максимальное значение передаваемой мощности выбирается меньше предела статической устойчивости. Коэффициент запаса статической устойчивости рассчитывается следующим образом
В нормальном режиме коэффициент запаса статической устойчивости линии электропередачи, связывающей электростанцию с энергосистемой должен составлять не менее 20%. В кратковременном режиме допускается снижение коэффициента до 8%.
Динамическая устойчивость – способность системы сохранять синхронную параллельную работу генераторов при значительных внезапных возмущениях (КЗ, аварийные отключения оборудования и пр.). В качестве примера рассмотрим двухцепную ЛЭП, соединяющую электростанцию с приемной системой (рис.1.4.).
Рисунок 1.4 – Схема двухцепной электропередачи.
В начальный момент времени режим системы характеризуется точкой 1, на угловой характеристике I (рис.1.5.). При КЗ на одной из цепей передачи происходит сброс мощности на величину ΔР, который зависит от места КЗ и его вида. В предельном случае, при трехфазном КЗ происходит сброс мощности до нуля. Такой режим называется аварийным. Угловая характеристика переходит в положение II. Возникает избыток механической мощности, под действием которого роторы генераторов станции начинают ускоряться, что влечет за собой увеличение угла δ. Далее поврежденная линия отключается, действием РЗ, этому моменту соответствует точка 3. После отключения линии режим характеризуется точкой 4, на угловой характеристике III. За время работы в аварийном режиме роторами генераторов была накоплена дополнительная кинетическая энергия, пропорциональная площадке ускорения Sy, в связи с этим процесс торможения роторов происходит с увеличением угла. Угол δ будет увеличиваться до тех пор, пока вся запасенная кинетическая энергия не перейдет в потенциальную. Потенциальная энергия пропорциональна площадке торможения Sт. По истечении некоторой паузы, в точке 5, срабатывает устройство АПВ. Успешное АПВ возвращает систему к нормальному режиму работы, с исходной схемой. Увеличение угла будет происходить до тех пор, пока не достигнут равенства площадки ускорения и торможения (точка 7, на угловой характеристике). После этого имеет место избыток электрической мощности, поэтому процесс торможения продолжиться, уже с уменьшением угла, до достижения баланса между электрической и механической мощностью в точке устойчивого равновесия. Однако, если в ходе торможения с приращением угла, угол δ переходит некоторое критическое значение ?кр (точка 8). наблюдается лавинное увеличение угла, выпадение генераторов из синхронизма. Все перечисленные процессы показаны на рис.1.5.
Для сохранения динамической устойчивости необходимым условием является выполнение условий статической устойчивости. Запас динамической устойчивости оценивается коэффициентом
Если этот коэффициент больше единицы, режим устойчив, если меньше, происходит нарушение устойчивости. [4]
Рисунок 1.5 – Угловые характеристики мощности, при изменениях режима.
Нарушение параллельной работы генераторов ведет к значительному ущербу в экономике. Возникновение аварийных ситуаций имеет постоянный характер, поэтому обеспечение необходимого уровня устойчивости является первоочередной задачей.
Важной задачей противоаварийной автоматики является также предотвращение недопустимых отклонений напряжения и частоты. Эти параметры являются важнейшими показателями качества электроэнергии, а их существенное изменение может повлечь за собой серьезные нарушения в работе системы.
Частота переменного тока непосредственно связана с частотой вращения агрегатов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Изменение частоты вращения, даже небольшое, существенно влияет на режим работы вращающихся механизмов. Снижение частоты приводит к падению производительности насосов и других механизмов. Причем частота при снижении активной мощности генерации снижается лавинообразно. Снижение частоты ведет к еще более глубокому снижению частоты. Другим опасным явлением при снижении частоты является возможность развития лавины напряжения, приводящий к массовому отключению потребителей. Эти два процесса взаимосвязаны: при снижении частоты резко увеличивается потребление реактивной мощности, которое приводит к снижению напряжения в узлах потребления.
При значительном повышении частоты в энергосистеме, что может быть, например, в случае уменьшения (сброса) нагрузки, возможно повреждение оборудования.
Снижение напряжения в сети энергосистемы может явиться причиной массового останова асинхронных двигателей, а также привести к возникновению тяжелой системной аварии.
Увеличение напряжения на зажимах асинхронных двигателей неблагоприятно сказывается на условиях их работы. Существенно увеличивается их ток, что вызывает перегрузку обмотки статора. Может заметно возрасти потребление реактивной мощности двигателями.
1.Стандарт ОАО СО ЕЭС
Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем.
Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования
Москва 2011, введён 19.04.2011 (обозначение стандарта: СТО 59012820.29.240.001-2011);
2. Методические указания по устойчивости энергосистем. Утверждены приказом Минэнерго России от 30.06.2003 №277;
3. Методические рекомендации по проектированию развития энергосистем. Утверждены приказом Минэнерго России от 30.06.2003 №281;
4. М.А. Беркович, В.А. Гладышев, В.А. Семенов Автоматика энергосистем
, второе издание, Москва, Энергоиздат 1981;
5. В.И Галанов, Л.А Кощеев Автоматическое противоаварийное управление в электроэнергетических системах. Ленинградское отделение энергоатомиздата 1992.
6. Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин Электрооборудование станций и подстанций. Москва Энергия
1980.
7. В.И. Идельчик Электрические системы и сети. Москва Энергоатомиздат
1989.
8. Основы переходных процессов в электроэнергетических системах: Конспект лекций. Часть III. Сост. А.Н.Беляев, Г.А.Першиков, И.Е.Рындина, С.В.Смоловик.
– СПб.: СПбГПУ, 2004. 1989.
9. Основы переходных процессов в электроэнергетических системах: Конспект лекций. Часть II. Сост. А.Н.Беляев, Г.А.Першиков, И.Е.Рындина, С.В.Смоловик. – СПб.: СПбГПУ, 2004.
10. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л. Файбисовича. Издание 2-е переработанное и дополненное. Москва 2006 1989.