Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


http://tamada69.com/ тамада и ведущий на свадьбу в твери.

Системные аварии. Устойчивость энергосистемы

Под системными понимают аварии, связанные с прекращением энергоснабжения значительной части потребителей энергосистемы, а также, связанные с нарушением параллельной работы электростанций, т.е. такие, как нарушение устойчивости системы, разделение энергосистемы на части, вызывающее отключение потребителей более 5 % мощности системы, работа с частотой ниже допустимой. Системная авария обычно связана с аварией в электрических сетях, но может вызываться и станционными повреждениями.

Устойчивость режима энергосистемы - это ее способность сохранять нормальные значения параметров в узловых точках сети при внезапных случайных возмущениях режима.

Различают статическую и динамическую устойчивость. Проще говоря, первая - это устойчивость при малых возмущениях, вторая - при больших.


Электродвижущая сила генератора в рассматриваемом случае в нормальном режиме работы определяется выражением

Рассмотрим случай, когда генератор с исходной ЭДС Е подключен через сдвоенную линию электропередачи к сети большой мощности (в 8-10 раз превышающей мощность генератора) [23]. Эта сеть, как это часто делается в электротехнике, представлена на рис. 3.9 одним эквивалентным генератором с напряжением U и нагрузкой N - у'0с. Множитель j используется в электротехнике для выделения на диаграммах реактивных сопротивлений или мощностей, направленных под углом 90° к активным.

Из векторной диаграммы, построенной для рассматриваемого случая (рис. 3.10), после преобразований получают величину передаваемой мощности:

На диаграмме виден угол сдвига 5 между E и U, обусловливающий передачу мощности в приемную систему.

Действительно, синхронное вращение нашего генератора и системы означает только вращение с одинаковой скоростью.

Чтобы передавать электрическую мощность, ЭДС на клеммах генератора должна быть несколько выше, чем напряжение у потребителя. А поскольку напряжение меняется по синусоидальному закону, то график изменения напряжения у генератора должен опережать аналогичный график у потребителя на некоторый угол 5. И чем больше передаваемая мощность, тем больше угол сдвига (рис. 3.12). Максимальная передаваемая мощность достигается при 5 = 90°.

Однако величина 5 не должна превышать 90°. Только в этом случае параллельная работа системы и генератора будет устойчивой. Действительно, как уже упоминалось, на ротор любого турбогенератора действуют два момента: ускоряющий - турбины и тормозящий - генератора. Эти моменты в каждом турбо- и гидрогенераторе при нормальном режиме работы энергосистемы равны, что обеспечивает вращение роторов всех турбоагрегатов с одинаковой (синхронной) частотой вращения. Любой дисбаланс между моментами на каком-либо генераторе приводит к ускорению или замедлению вращения его ротора. Поддержание одинаковой частоты вращения всех генераторов, т.е. сохранение их синхронной работы, обеспечивается в энергосистеме наличием электрических линий связи между всеми генераторами, электростанциями.

Если ротор одного из генераторов ускорит свое вращение и сдвинется по отношению к роторам других генераторов на некоторый угол А5 (рис. 3.12), электрическая мощность этого генератора увеличится на AN. С ее увеличением увеличится и тормозящий, электрический момент генератора, и его ротор будет тормозиться. А электрическая нагрузка остальных генераторов будет снижена, что увеличит частоту вращения их роторов. Таким образом, частоты вращения роторов всех генераторов выравниваются.

Электрические связи между электростанциями в энергосистеме подобны пружинным связям, которые допускают сдвиг роторов на некоторый угол, но не допускают полного проворота роторов относительно друг друга. Однако это справедливо только для восходящей ветви синусоиды, для нисходящей ветви (точка В на рис. 3.12) - картина обратная: при увеличении угла 5 турбогенератор будет сбрасывать мощность.

Повторимся. Устойчивая синхронная работа электростанции с энергосистемой возможна только при 5 < 90°. Всякое ускорение вращения роторов генераторов электростанции в этом случае приведет к увеличению передаваемой мощности в энергосистему и соответственно к увеличению тормозящего момента генераторов. За счет этого произойдет подтормаживание генераторов электростанции и прекратится дальнейшее увеличение угла. При работе с 5 = 90°, т.е. на пределе передаваемой мощности, всякое увеличение угла (ускорение ротора) приведет не к увеличению, а к снижению передаваемой в энергосистему мощности, и на генераторах снизится тормозящий момент. Появится избыточный ускоряющий момент турбины. Под его воздействием роторы генераторов электростанции будут продолжать ускоряться с дальнейшим снижением электрической мощности. В результате этого процесса роторы генераторов данной станции будут проворачиваться по отношению к роторам других станций энергосистемы и наступит нарушение синхронной работы этой электростанции по отношению к системе. Рассмотренный случай - пример нарушения статической устойчивости.

Статическая устойчивость системы характеризуется коэффициентом запаса статической устойчивости:

В современных передачах он обычно составляет 0,15-0,20, что соответствует углу сдвига между ЭДС генератора и напряжением системы порядка 55-60°.

Большие возмущения в системе могут быть связаны с короткими замыканиями, отключением линий электропередачи или генераторов и т.п. В этих случаях должна обеспечиваться динамическая устойчивость системы. Рассмотрим этот вопрос на примере отключения одной из параллельных линий передачи, представленной на схеме рис. 3.9.

Как известно, инерция у механических процессов в турбине больше, чем у электромагнитных процессов в генераторе. Поэтому мы в праве считать, что электрическая мощность изменяется мгновенно, механическая же в течение 0,2-0,3 с остается неизменной.

Сопротивление системы после отключения одной из параллельных линий увеличится:

Пусть до отключения линии электропередача имела мощность N0 и работала с углом 50, т. е. ее режим характеризовался точкой а. В первый момент после отключения линии угол б из-за инерции ротора остается неизменным, а электрическая мощность генератора уменьшается до N'0. Новый режим работы определяется точкой b характеристики 2. Так как мощность турбины при этом остается неизменной (N0), то возникает избыточный момент вращения, под влиянием которого ротор генератора начинает ускоряться, а угол б - увеличиваться. С увеличением угла растет и электрическая (тормозная) мощность генератора по характеристике 2. В точке с наступает равенство моментов, однако в силу инерции ротор генератора продолжает относительное движение вперед, замедляя свою скорость под влиянием избыточного тормозного момента.

Кинетическая энергия, запасенная ротором в процессе ускорения на участке Ьс, пропорциональна площади abca. Если эта энергия полностью расходуется на участке cd, в связи с чем относительная скорость ротора в точке d, определяемой равенством площадей abca и cdec, становится равной нулю, то это означает, что в этой точке ротор передающей станции вращается синхронно с системой с опережающим углом бмакс. Поскольку в этой точке мощность генератора больше мощности турбины, то под влиянием избыточного тормозного момента скорость вращения и угол выбега ротора будут снижаться. На характеристике мощности этот процесс протекает в обратном направлении, т.е. к точке с.

Если бы станция работала с меньшим коэффициентом запаса статической устойчивости, то площадка ускорения abca оказалась бы больше возможной площади торможения cdkec и угол 8 в процессе ускорения ротора достиг бы значения выше критического 8кр. Так как при значениях угла больше критического мощность турбины больше мощности генератора, то угол будет продолжать увеличиваться и машина выпадает из синхронизма.

Такой характер нарушения устойчивости называется динамическим. Основной причиной динамических нарушений устойчивости являются обычно короткие замыкания (к.з.).

При к.з. вследствие резкой посадки напряжения генераторы сбрасывают электрическую мощность и ускоряются, причем максимальное ускорение получают генераторы, близко расположенные к месту к.з. Неравномерное ускорение генераторов может привести к такому увеличению углов между роторами генераторов, при котором наступит нарушение устойчивости работы энергосистемы. При быстром отключении к.з. нарушение устойчивости в энергосистемах, как правило, не происходит, так как за короткий промежуток времени генераторы не успевают получит значительного ускорения, а при отключении к.з. ускорение генераторов прекращается.

Нарушение статической или динамической устойчивости может привести к возникновению в энергосистеме, ОЭС, ЕЭС асинхронного режима (асинхронного хода) отдельных электростанций, частей энергосистемы по отношению к другим частям, отдельных энергосистем в объединении по отношению к другим энергосистемам.

Асинхронный ход характеризуется возникновением разных частот в несинхронно работающих частях энергосистемы, хотя электрическая связь по линиям электропередачи между ними не нарушается. Мощность по линиям электропередачи, связывающим не синхронно работающие энергосистемы, каждый полупериод меняет свой знак и в целом за период равна нулю, если не учитывать потери мощности, возникающие при асинхронном ходе. Поэтому в энергосистемах, их частях, которые до возникновения асинхронного хода получали мощность по линиям связи, при асинхронном ходе возникает дефицит мощности с понижением частоты, а в частях, энергосистемах, работающих с избытком мощности до аварии, частота повышается.

Асинхронный режим сопровождается большими колебаниями токов, активной и реактивной мощности на генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и большими колебаниями напряжения со снижением его почти до нуля в точках, близких к так называемому центру качания. В ряде случаев асинхронный ход, возникший в результате нарушения динамической устойчивости, после устранения причин (например, отключения к.з.) может прекратиться.

Эксплуатация АЭС. Ч. 1 Работа АЭС в энергосистемах. Ч. II. Обращение с радиоактивными отходами: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.

Экспертиза

на главную