книги / Электромагнитные переходные процессы в электрических системах

Ги) и дискретного действия (цифровые машины) в зна­ чительной мере расширили возможности очень эффек­ тивного математического моделирования.

Расчетные модели, где все элементы системы (вклю­ чая генераторы) представлены схемами замещения, уже свыше 35 лет широко используют для решения многих задач. В зависимости от их конструкции они позволяют получить решение в соответствии с принятым методом

расчета, почти	полностью освобождая	от утомительной
и трудоемкой	вычислительной работы,	что также очень

ценно.

По вопросам переходных процессов в электрических системах, их моделированию и практическим методам их расчета написано много книг. Лишь некоторые из них указаны в данном учебнике.

Раздел первый

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И УКАЗАНИЯ

Г л а в а п е р в а я

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

1*1. Основные определения

Из всего многообразия электромагнитных переход­ ных процессов в электрической системе наиболее рас­ пространенными являются процессы, вызванные:

а) включением и отключением двигателей и других приемников электроэнергии;

б) коротким замыканием в системе, а также повтор­ ным включением и отключением (одновременным или каскадным) короткозамкнутой цепи;

в) возникновением местной несимметрии в системе (например, отключение одной фазы линии передачи);

г) действием форсировки возбуждения синхронных

машин, а также их развозбуждением (т. е. гашением	их
магнитного поля);
д) несинхронным включением синхронных машин.	не
К о р о т к и м з а м ы к а н и е м называют всякое

предусмотренное нормальными условиями работы замы­ кание между фазами, а в системах с заземленными ней­ тралями (или четырехпроводных) — также замыкание одной или нескольких фаз на землю (или на нулевой провод).

В системах с незаземленными нейтралями или с ней­ тралями, заземленными через специальные компенси­ рующие устройства, замыкание одной из фаз на землю называют п р о с т ым з а м ы к а н и е м . При этом виде повреждения прохождение тока обусловлено главным образом емкостью фаз относительно земли.

12

При возникновении короткого замыканий в электри­ ческой системе сопротивление цепи уменьшается (сте­ пень уменьшения зависит от положения точки короткого замыкания в системе), что приводит к увеличению токов в отдельных ветвях системы по сравнению с токами нор­ мального режима. В свою очередь это вызывает сниже­ ние напряжений в системе, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.

Обычно в месте замыкания образуется некоторое переходное сопротивление, состоящее из сопротивления

возникшей электрической

дуги

и

сопротивлений

ом ГС

I

на

прочих

элементов

пути

/

тока от одной фазы к

2

другой или от фазы на

Ш

0,ь

землю. Электрическая ду­

/

■г д

га возникает или с само­

го начала происшедшего

гоо

повреждения

как,

напри­

/7,2

мер, при

перекрытии или

пробое изоляции,

или че­

м

рез

некоторое

время,

когда

перегорит

элемент,

0,5

сея

1,0

вызвавший

замыкание.

Рис. 1-1. Кривые изменения во

При

замыканиях

между

фазами

переходное

со­

времени

тока и

сопротивления

самопогасающей открытой дуги на

противление

определяет­

линии

110 кв

с деревянными опо­

ся главным

образом

со­

рами.

противлением

электриче­

/,

2 — номера

опытов.

ской

дуги.

(сотни ампер и более),

Когда токи достаточно велики

сопротивление дуги

приблизительно

постоянно

и по

своему характеру почти чисто активное. С уменьшением тока и увеличением длины дуги, что имеет место в тече­ ние переходного процесса, ее сопротивление возрастает. Наглядной иллюстрацией такого изменения могут слу­ жить графики (рис. 1-1), полученные экспериментально при возникновении самопогасающих дуг на линиях 110 /се с деревянными опорами.

В ряде случаев переходные сопротивления могут быть столь малы, что практически ими можно пренебречь. Такие замыкания называют м е т а л л и ч е с к и м и .

Естественно, при прочих равных условиях ток при металлическом замыкании больше, чем при наличии

13

переходного сопротивления. Поэтому, когда требуется найти возможные наибольшие величины токов, исходят из наиболее тяжелых условий, считая, что в месте за­ мыкания отсутствуют какие-либо переходные сопротив­ ления *.

В трехфазных системах с заземленной нейтралью раз­ личают следующие основные виды коротких замыканий в одной точке:

а) трехфазное; б) двухфазное; в) однофазное;

г) двухфазное на землю, т. е. замыкание между дву­ мя фазами с одновременным замыканием той же точки на землю.

Трехфазное короткое замыкание является симметрич­ ным, так как при нем все фазы остаются в одинаковых условиях12. Напротив, все остальные виды коротких за­ мыканий являются несимметричными, поскольку при каждом из них фазы находятся уже в неодинаковых условиях; поэтому системы токов и напряжений при этих видах короткого замыкания в той или иной мере искажены.

Многолетняя аварийная статистика по союзным и за­ рубежным системам показывает, что при глухозаземленной нейтрали относительная вероятность различных основных видов короткого замыкания характеризуется примерными данными табл. 1-1. В той же таблице пока­ заны рекомендуемые сокращенные обозначения каждого вида короткого замыкания.

Как видно из этой таблицы, подавляющее число ко­ ротких замыканий связано с замыканием на землю, в то время как трехфазное короткое замыкание является очень редким. Однако отсюда было бы неправильным делать вывод, что трехфазное короткое замыкание мож­ но вообще оставить без внимания. Поскольку оно все же возможно, с ним следует считаться, тем более что оно иногда может быть решающим для окончательного суждения относительно возможности работы в условиях короткого замыкания. Само изучение процесса трехфаз-

1 Учет переходных сопротивлений и контактных соединений пря выполнении расчетов коротких замыканий для установок напряже­ нием до 1 000 в имеет особое значение (§ 17-5).

2 При наличии переходных сопротивлений симметрия сохраняет­ ся лишь при равенстве этих сопротивлений.

14

			Т а б л и ц а		1-1
Относительная	вероятность и	сокращенные обозначения
основны х видов короткого			замы кания
			Буквенное	Относительная
Виды короткого			обозначение
	Принципиальная схема		на схемах	вероятность
замыкания			места и вида	короткого за­
			короткого за­	мыкания,	%
			мыкания
Трехфазное			К ( 3)	5
Двухфазное	>■	Т -	KW	10
Однофазное	^ ------------------- i f -		KW	65
Двухфазное на зем­			Д(М)	20
лю

ного короткого замыкания особенно важно в связи с тем, что применение метода симметричных составляющих по­ зволяет величины токов и напряжений прямой последо­ вательности любого несимметричного замыкания опре­ делять как соответственные величины при некоторых условных трехфазных замыканиях.

Здесь нелишне также отметить, что процесс включе­ ния любого трехфазного приемника или невозбужденно­ го синхронного генератора или двигателя по существу можно рассматривать как трехфазное короткое замыка­ ние за некоторым сопротивлением.

Иногда в процессе развития аварии первоначальный вид короткого замыкания переходит в другой вид корот­ кого замыкания. Так, например, в кабельных сетях (с трехжильными кабелями) несимметричные короткие замыкания часто переходят в трехфазные короткие за­ мыкания, так как образовавшаяся при повреждении в кабеле электрическая дуга быстро разрушает изоля­ цию между его жилами.

15

Несимметричные короткие замыкания, а также не­ симметричные нагрузки по существу представляют раз­

личные виды п о п е р е ч н о й	н е с и м м е т р и и .
Нарушение симметрии какого-либо промежуточного
элемента трехфазной цепи	(например, отключение одной

фазы линии передачи и т. п.) называют п р о д о л ь н о й н е с и м м е т р и е й .

Возможны случаи, когда одновременно возникает не­ сколько несимметрий одинакового или различного вида. Так, например, при обрыве провода воздушной линии один его конец, расположенный близко к точке подвеса, остается изолированным, а другой, упав на землю, обра­ зует однофазное короткое замыкание. Здесь одновремен­ но возникают продольная и поперечная несимметрии. В качестве другого примера, когда возникают несимме­ трии одного вида, может служить так называемое д в о й ­ н о е з а м ы к а н и е на з е млю, т. е. одновременное замыкание на землю разных фаз в различных точках сети, работающей с изолированной нейтралью.

Все виды повреждений, сопровождающихся много­ кратной несимметрией, называют с л о жн ыми . К ним, очевидно, относится также любое несимметричное корот­ кое замыкание в сети, работающей в неполнофазном ре­ жиме.

Практикой эксплуатации электрических систем уста­ новлено, что большая часть возникающих повреждений, особенно на воздушных линиях, имеет проходящий ха­ рактер, т. е. повреждения самоустраняются после отклю­ чения поврежденного участка и не возникают вновь при обратном включении его. Примером такого самоустра­ няющегося повреждения может служить обычное пере­ крытие по поверхности гирлянды изоляторов линии, вы­ званное грозовым разрядом. После отключения линии электрическая прочность воздушного промежутка восста­ навливается в течение небольшого отрезка времени, не­ обходимого для деионизации воздуха в месте перекры­ тия.

В соответствии с этим широкое применение нашло автоматическое повторное включение (АПВ) цепей и особенно воздушных линий. Поскольку на последних преобладают замыкания одной фазы, у них производят иногда отключение только поврежденной фазы с после­ дующим однофазным автоматическим повторным вклю­ чением (ОАПВ). Наконец, помимо однократного зыпол-

16

няют также многократное автоматическое повторное включение с соответствующими интервалами времени его действия.

Наглядной иллюстрацией эффективности автоматиче­ ского повторного включения служат данные табл. 1-2, представляющие показатели работы устройств автомати­ ческого повторного включения по всем союзным энерго­ системам за пятилетие 1962—1966 гг. [Л. 14].

Т а б л и ц а 1-2

	Показатели работы				автоматического			повторного
	вклю чения по всем				энергосистемам Союза				за
			1962—1966 гг. (в			процентах)
					Трехфазное АПВ				Однофазное
					однократного		многократно­		АПВ	одно­
									кратного дей­
Место установки			АПВ		действия		го действия		ствия
					успеш-	неус­	успеш­	неус­	успеш­	неус­
					но	пешно	но	пешно	но	пешно
В озд уш ны е		линии	2 — 10	к в	5 3 ,5	4 6 ,5	5 6 ,2	4 3 ,8	__	__
То	ж е	20— 35		к в	6 9 ,5	3 0 ,5	7 8 ,1	2 1 ,9
»	,	110— 154		кв	7 5 ,0	2 5 ,0	8 0 ,5	1 9 ,5	7 3 ,2	2 6 ,8
, .		2 2 0 - 330		к в	7 6 ,5	2 3 ,5	7 7 ,2	2 2 ,8	8 0 ,7	1 9 ,3
,	„	400— 500		кв	6 7 ,0	3 3 ,0	—	—	5 9 ,5	4 0 ,5
С меш анны е		л и н и и	....................		5 6 ,2	4 3 ,8	6 8 ,3	3 1 ,7	__	__
К абельн ы е		линии	всех	на-
п р я ж е н и й ........................					4 5 ,3	5 4 ,7	4 3 ,0	5 7 ,0	—	—
Ш и н ы .............................................					6 4 ,8	2 5 ,2	—	__	__	__
Трансф орм аторы .........................					6 0 ,0	4 0 ,0	—	—	—	—
С редние по		всем АПВ д ан -
ного	исполнения		....................		5 8 ,2	4 1 ,8	6 9 ,2	3 0 ,8	7 3 ,0	2 7 ,0

Как видно, на воздушных линиях относительное число самоустраняющихся повреждений, которому соответству­ ет успешная работа автоматического повторного вклю­ чения, составляет значительное большинство (преимуще­ ственно у линий 20—330 кв) всех повреждений на них, причем успешная работа АПВ многократного действия несколько выше, чем однократного действия. Последнее указывает на то, что для самоустранения повреждения иногда требуется больше времени, чем интервал до пер­ вого повторного включения.

В кабельных линиях, как и следовало ожидать, число

самоустраняющихся повреждений заметно меньше,	чем
2-2498	17

в воздушных. Оно составляет примерно половину общего числа повреждений в кабелях.

Интересно отметить, что даже у трансформаторов больше половины всех повреждений являются само­ устраняющимися.

При неуспешном автоматическом повторном включе­ нии, т. е. когда возникшее повреждение в цепи сохрани­ лось, переходный процесс состоит из нескольких этапов. Первый из них наступает в момент возникновения корот­ кого замыкания и продолжается до отключения повре­ жденного участка. Вторым этапом является пауза (по­ рядка 0,5 сек и более) до момента повторного включе­ ния, с которого наступает третий этап, продолжающийся до нового отключения того же участка. При многократ­ ном автоматическом повторном включении число этапов соответственно возрастает1. При применении однофаз­ ного автоматического повторного включения в течение паузы перед повторным включением в системе сохра­ няется местная продольная несимметрия (отключена одна фаза).

Когда повреждение происходит в узле, связывающем несколько цепей, или на участке с двусторонним пита­ нием, переходный процесс дополнительно усложняется Тем, что отключение этих цепей или соответственно уча­ стка с его обоих концов обычно происходит неодновре­ менно (каскадное отключение).

Каждый из указанных этапов наступает, когда пере­ ходный процесс предшествующего этапа еще не закон­ чен. Иными словами, процесс короткого замыкания при неуспешном автоматическом повторном включении со­

стоит из неоднократно сменяющихся	переходных	про­
цессов.	синхронных	ма­
Ф о р с и р о в к а в о з б у ж д е н и я

шин, которую обеспечивают специальные устройства а в т о м а т и ч е с к о г о р е г у л и р о в а н и я в о з б у ж ­ д е н и я (АРВ), происходит при снижении напряжения; обычно оно вызвано каким-либо нарушением нормально­ го режима машины. Следовательно, здесь также на воз­ никший переходный процесс накладывается дополни­ тельный переходный процесс нарастания возбуждения машины.

1 Пауза перед вторым повторным включением значительно боль­ ше, чем перед первым таким включением. Она определяется характе­ ристиками самого выключателя.

18

При повреждении обмоток синхронной машийы пб* мимо отключения последней от сети производят быстрое ее развозбуждение путем г а ш е н и я м а г н и т н о г о

Рис. 1-2. Осциллограммы токов		при внезапном корот­
а — при отсутствии	ком замыкании
	автоматического	регулирования возбужде­
ния, б —	при наличии такого регулирования

поля . Процесс такого гашения имеет свои особенности и, чтобы обеспечить сохранность машины, на него на­ кладывают определенные ограничения.

Для иллюстрации процесса короткого замыкания на рис 1-2 приведены типичные осциллограммы тока корот­ кого замыкания при отсутствии автоматического регули­ рования возбуждения (рис. 1 -2,а) и при наличии его

2*

19

(рис. 1-2,6). Ё начальной стадии обе осциллограммы практически одинаковы. Это объясняется тем, что здесь их характер определяется главным образом затуханием возникших свободных токов, а нарастание тока возбуж­ дения от действия АРВ благодаря магнитной инерции еще очень мало. В дальнейшем, как видно, при отсут-

Рис. 1-3. Осциллограммы токов в фазе статова (/), обмот­ ке возбуждения (2) и продольной демпферной обмотке (3) синхронного генератора при трехфазном коротком замыка­ нии на его выводах.

ствии АРВ кривая постепенно переходит в синусоиду но­ вого установившегося режима. При наличии АРВ амплитуда кривой тока, достигнув некоторого наимень­ шего значения, вновь возрастает, стремясь к установив­ шемуся значению, которое, естественно, больше, чем при отсутствии АРВ. Возрастающий характер кривой тока при наличии АРВ обычно получается при заметной уда­ ленности короткого замыкания относительно генератора.

Для дополнительной иллюстрации характерных пере­ ходных процессов приведем еще несколько осцилло­ грамм. На рис. 1-3 показаны осциллограммы токов в фа­ зе статора, обмотке возбуждения и продольной демпфер­ ной обмотке синхронного генератора мощностью 50 Мет при внезапном трехфазном коротком замыкании на его выводах. До короткого замыкания генератор работал на холостом ходу и его АРВ было отключено. На рис. 1-4 приведены осциллограммы тока фазы статора асинхрон-

20