Влияние режима короткого замыкания в электрической системе на ее устойчивость

Режим короткого замыкания (к.з.) в электрической системе - режим при существовании в ней к.з. Он характеризуется, в частности, видом к.з. и его продолжительностью. Различают четыре основные вида к.з.: однофазное, двухфазное, двухфазное на землю и трехфазное. Продолжительность режима к.з. характеризуется временем, проходящим с момента возникновения к.з. до момента отключения участка электрической сети с к.з. Это время называется временем отключения tотк к.з.

Рассмотрим режим простейшей электрической системы (рис.2.1) при к.з. в точке К в начале одной из цепей ее линии электропередачи Л (рис.16.1). При этом будем считать: мощность приемной системы С бесконечно большая (Uc=const); отключены АРВ у генератора Г (Ег=const) и регулятор турбины (Мт=const); равны нулю активные сопротивления элементов электрической системы и зарядная мощность линии Л.

При возникновении к.з. в точке К в зависимости от его вида происходит шунтирование одной, двух или трех статорных обмоток генератора Г от ЭДС Ес фаз генератора Гс приемной системы. Это обуславливает уменьшение токов статорных обмоток генератора и определяемой ими индукции Вс магнитного поля (рис.2.8), что, в свою очередь, согласно закону Ампера приводит к уменьшению создаваемого генератором электромагнитного момента М, то есть к появлению на валу турбоагрегата избыточного ускоряющего момента DM=Mт-М, действие которого может привести к нарушению устойчивости генератора, а значит и электрической системы в целом. Уменьшение электромагнитного момента генератора происходит при любой развиваемой им активной мощности (любом угле d), что обуславливает расположение характеристики момента MII генератора при к.з. (в аварийном режиме) ниже аналогичной характеристики МI до к.з. (в нормальном режиме). Очевидно, что при трехфазном к.з. имеет место полное шунтирование статорных обмоток генератора от приемной системы и поэтому генератор не создает никакого электромагнитного момента и его характеристика МII(1)менее всего отличается от характеристики момента МII нормального режима (рис.16.2). Характеристики момента MII(2)и MII(1, 1)генератора соответственно при двухфазном и двухфазном на землю к.з. занимают промежуточные положения (рис.16.2).

Предположим, что в нормальном режиме момент турбины М0. Тогда вызванный к.з. переходный процесс в электрической системе будет аналогичен рассмотренному в разделе 6 пособия переходному процессу в ней при отключении одной цепи линии электропередачи Л и иметь два возможных следствия. Первое - установление нового режима с прежней синхронной скоростью вращения генератора, но с большим значением угла d1 (рис.16.3а), то есть сохранение устойчивости генератора. Второе - проворот ротора генератора относительно ротора генератора Гс приемной системы (увеличение угла d более чем на 2p), то есть нарушение его устойчивости (рис.16.3б). При этом первое следствие характерно для однофазного к.з., так как существующие нормы требуют обеспечения устойчивости электрической системы при однофазном к.з., а второе следствие может иметь место при любом другом виде к.з., например, двухфазном.

Изложенные выше рассуждения проведены в предположении, что время существования к.з. не ограничено. В действительности же режим к.з. сопряжен не только с возможностью потери устойчивости электрической системы, но и еще с рядом нежелательных последствий, например, тепловым действием токов к.з. Поэтому продолжительность этого режима, как правило, ограничивают и делают это путем отключения через время tотк участка электрической сети, где возникло к.з. В рассматриваемом случае отключают с двух сторон выключателями В цепь линии Л, на которой возникло к.з. (рис.16.1). В результате прекращается шунтирующее действие к.з. на статорные обмотки, но токи в них не восстанавливаются до значений, имевших место в исходном режиме, вследствие ограничения их большим индуктивным сопротивлением линии электропередачи, равным сопротивлению одной, а не двух параллельных цепей, как это было в исходном режиме. Поэтому характеристика мощности MIII генератора в режиме с отключенной цепью линии электропередачи (в послеаварийном режиме) располагается между характеристиками мощности MI и MII генератора соответственно в нормальном и аварийном режимах (рис.16.4).

В рассматриваемом случае при приведенном на рис.16.4 взаимном расположении характеристик моментов MI, MII< MIII генератора для различных режимов и момента Мт турбины в аварийном режиме (при к.з.) на валу турбоагрегата действует избыточный момент DM=Мт-MII под действием которого генератор ускоряется, что сопровождается прогрессирующим увеличением угла d (рис.16.4). В момент tотк (при d=dотк) отключения к.з. аварийный режим сменяется послеаварийным, в котором генератор в соответствии с характеристикой момента MIII создает больший, чем в аварийном режиме, электромагнитный момент и поэтому на валу турбоагрегата уже действует избыточный момент DM=Mт-MIII, под действием которого генератор тормозится, что сопровождается замедлением увеличения угла d. Если при торможении угол d, достигнув критического значения dкр, несколько превысит его, то характер избыточного момента сменится на ускоряющий, что вновь приведет к прогрессирующему увеличению угла d, превышению им значения 2p, означающему проворот ротора генератора Г относительно ротора генератора Гс приемной системы, то есть к потере устойчивости генератором Г (рис.16.4а). Если отключение к.з. осуществить быстрее, то есть уменьшить tотк, то при последующем торможении генератора скорость его вращения может снизиться до синхронной раньше, чем угол d достигнет критического значения dкр. Поэтому угол d, достигнув максимального значения dm в дальнейшем будет изменяться вокруг установившегося значения dуст и по завершении переходного процесса станет равным ему (рис.16.4б), то есть скорость вращения генератора восстановится до синхронной, что будет означать сохранение им устойчивости. Возможность обеспечения устойчивости генератора путем уменьшения времени отключения tотк к.з. обусловлена, с одной стороны, уменьшением в результате этого времени ускорения генератора, а потому и запасаемой им при этом дополнительной кинетической энергии и, с другой стороны, увеличением возможного времени торможения генератора (времени от момента отключения к.з. до достижения углом d критического значения dкр), в течение которого кинетическая энергия генератора уменьшается. Устойчивость генератора сохраняется в случае, когда запасенная генератором при ускорении дополнительная кинетическая энергия полностью выводится из него при торможении. Это условие осуществимо всегда, так как уменьшая время отключения tотк к.з. можно интервал ускорения генератора, а следовательно и дополнительно запасенную им кинетическую энергию сделать сколь угодно малыми. Поэтому всегда существует некоторое предельное время tпр отключения к.з., - такое, что при отключении к.з. ранее его (tотк< tпр) генератор устойчивость сохраняет (рис.16.4б), а при отключении позднее (tотк> tпр) - теряет (рис.16.4а). Предельное время tпр отключения к.з. является величиной, определяемой при расчете динамической устойчивости электрической системы. Динамической, потому, что к.з. приводит к большому возмущению режима этой системы.

Ранее было показано, что возможности генератора Г по созданию электромагнитного момента MII в аварийном режиме зависят от вида к.з. Причем эти возможности при однофазном к.з. больше чем при двухфазном к.з., при двухфазном к.з. больше чем при двухфазном на землю к.з., а при двухфазном на землю к.з. больше чем при трехфазном к.з. (рис.16.2). Поэтому быстрее всего генератор будет разгоняться при трехфазном к.з. и медленнее всего - при однофазном к.з., так как в первом случае ускоряющему моменту Мт турбины не будет никакого противодействия, а во втором случае ему будет противодействовать наибольший электромагнитный момент. Более быстрый разгон генератора означает и более быстрое увеличение его кинетической энергии. Возможности же уменьшения этой энергии после отключения к.з. любого вида одинаковы. Поэтому при трехфазном к.з. кинетическая энергия генератора быстрее достигнет предельного уровня и во избежание его превышения, то есть потери устойчивости генератора, оно должно быть отключено быстрее чем другие виды к.з. Аналогично рассуждая, приходим к выводу, что двухфазное на землю к.з. по критерию устойчивости генератора следует отключить раньше, чем двухфазное к.з., которое, в свою очередь, следует отключить раньше чем однофазное к.з.

Так как величина момента Мт турбины непосредственно определяет ускорение генератора в аварийном режиме, то есть скорость увеличения его кинетической энергии, то очевидно, что сохранение устойчивости более нагруженного активной мощностью генератора при к.з. в электрической системе, требует и более быстрого отключения к.з.

Возникновение к.з. в электрической системе (рис.16.1) может привести не только к потере устойчивости генератора Г, но также и нагрузки Н. Действительно, снимая допущение о постоянстве напряжения Uс на шинах приемной системы, а значит и нагрузки Н, можно заметить, что при к.з. в точке К электрической системы понижаются уровни напряжений в любых ее точках, в том числе, и на нагрузке Н. Снижение же напряжения на нагрузке, как это было показано ранее, может привести к опрокидыванию входящих в ее состав асинхронных двигателей, то есть к потере устойчивости нагрузки. Вероятность такого события возрастает при более близком к нагрузке возникновении к.з., вследствие большей посадки напряжения на ней.