УДК 622.012:658.261/262 Давыдов Федор Сергеевич студент группы ГЭ-1-М-10 Научный руководитель: Плащанский Леонид Александрович

УДК 622.012:658.261/262
Давыдов Федор Сергеевич
студент группы ГЭ-1-М-10
Научный руководитель: Плащанский Леонид Александрович
проф., к.т.н.
Московский государственный горный университет
ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ НАГРУЗКИ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ НА ГОРНЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
KNOTS INCREASING THE STABILITY OF LOAD POWER DEVICES
USING RELAY PROTECTION AND AUTOMATIC ON MINING
ENTERPRISES
Сооружение и эксплуатация систем электроснабжения связаны со
значительными затратами. Поэтому большое значение имеют повышение
надежности и экономичности систем электроснабжения в различных
режимах и условиях эксплуатации, к которым относятся аварийные и
послеаварийные режимы, характеризующиеся переходными процессами
изменения параметров систем и изменения показателей качества
электрической энергии у потребителей.
В тех случаях, когда изменение параметров режима,
характеризующее качество электрической энергий у потребителя выходит
за допустимые пределы, необходимо применения специальных
мероприятий, направленных на устранение определенного влияния
толчкообразной нагрузки на работу системы электроснабжения. Это
особенно важно при питании электродвигателей от источников,
соизмеримой с их мощностью, что характерно для горных предприятий.
Технологический процесс большинства горных предприятий
использует мощные асинхронные и синхронные электродвигатели, режим
работы которых серьезно влияет на устойчивость всей системы
электроснабжения.
В связи с этим исследования устойчивости режимов систем
электроснабжения и предложение мер по повышению устойчивости с
учетом характера возмущений нагрузки является актуальной научной
задачей.
Задачей поддержания требуемого режима СЭС является ограничение
изменений параметров узловых точек системы в таких пределах, при
которых сохраняется ее устойчивость, т. е. способность системы
восстанавливать исходный или близкий к нему режим после его
нарушения под воздействием различных возмущений.
21
Для предвидения характера переходного процесса и управления им
необходимо овладеть способами изменения соответствующего режима
СЭС в желательном направлении. Устойчивость системы определяется на
основании расчета и анализа электромеханических переходных процессов
с учетом нормального и послеаварийного установившихся режимов.
В ЭСС и СЭС различают три группы электромеханических
переходных процессов:
• при малых отклонениях мощности и небольших изменениях
частоты вращения;
• при больших отклонениях мощности и малых изменениях частоты
вращения;
• при больших отклонениях мощности и больших изменениях
частоты вращения.
Исследования переходных процессов первой группы позволяют
судить об устойчивости режима при малых возмущениях. К ним относятся
нормальные переходные процессы, сопровождающие эксплуатационные
режимы системы, которые связаны с изменениями нагрузки и с реакцией
регулирующих устройств. Эти процессы возникают при включениях и
отключениях генераторов, трансформаторов, линий, нагрузок и других
элементов СЭС. Малые возмущения не должны приводить к прогрессивно
возрастающему изменению параметров режима равновесия СЭС.
Восстановление исходного или весьма близкого к нему режима в
условиях малых возмущений сохраняет статическую устойчивость СЭС.
Исследования переходных процессов второй группы дают
возможность судить об устойчивости режима при больших возмущениях,
возникающих вследствие резких и существенных изменений режима
системы. Причинами таких изменений являются:
• КЗ в системе и последующие их отключения;
• изменения схемы соединения системы в результате отключений
агрегатов или ЛЭП со значительными нагрузками;
• нормальные включения или отключения ЛЭП с большой зарядной
мощностью;
Исследования переходных процессов третьей группы позволяют
определить, будет ли восстановлена синхронная работа части или всей
системы после выпадения из синхронизма. Способность' системы
восстанавливать исходное состояние после нарушения синхронной работы
и некоторого, допустимого по условиям эксплуатации, асинхронного хода
в
результате
большого
возмущения
позволяет
обеспечить
результирующую устойчивость СЭС.
Из определения устойчивости следует, что условием сохранения
устойчивости системы (критерием устойчивости) является соотношение:
W Wr d (Wr  W )
 0,

;
dП
П П
22
где W – потери энергии; П – потери производительности; Wr
– потери реактивной энергии.
Величину Wr  W  W
называют избыточной энергией. Эта
энергия положительна, если дополнительно генерируемая энергия,
появившаяся при возмущении, возрастает интенсивнее, чем нагрузка
системы с учетом потерь в ней. При этом условии критерий устойчивости
запишется в виде d (W ) / dП  0, т. е. режим устойчив, если производная
от избыточной энергии по определяющему параметру П отрицательна.
Устройства релейной защиты и автоматики позволяют весьма
эффективно влиять на устойчивость путем изменения режимов СЭС.
Уменьшение времени отключения КЗ. Сокращение времени
отключения КЗ приводит к уменьшению площади ускорения F y и
увеличению площади возможного торможения Ft (рис. 1, а). Поскольку
ротор генератора при КЗ ускоряется весьма интенсивно (рис. 1, б), даже
незначительное уменьшение времени отключения КЗ t приводит к
существенному уменьшению угла отключения 
Время отключения КЗ складывается из времени действия релейной
защиты и времени срабатывания выключателя: t откл  t з  t в .
Применяемые воздушные выключатели имеют собственное время
срабатывания t в  0,06  0,08 с. Для работы релейной защиты требуется
t з  0,02  0,04 с. Общее время отключения t откл  0,08  0,12 с. В
перспективе возможно сокращение времени отключения КЗ до 0,05—0,08
с.
Автоматическое повторное включение. Преобладающая часть
аварийных отключений ВЛ является следствием неустойчивых
повреждений, которые самоустраняются после снятия напряжения путем
отключения линии. Обычно подобные нарушения нормального режима
работы СЭС возникают при появлении дуги в результате грозовых
перенапряжений, набросах на провода, перекрытии изоляции и по другим
причинам.
Из опыта эксплуатации известно, что более 50 % всех КЗ
прекращаются после временного отключения линий электропередачи.
После повторной подачи напряжения путем АПВ на ЛЭП, в которой
произошло неустойчивое повреждение, нормальный режим ее работы
восстанавливается. В тех случаях, когда повторное включение оказывается
неуспешным, ЛЭП вновь отключается.
Автоматическое повторное включение электропередачи позволяет
быстро ликвидировать аварию и восстановить нормальную работу СЭС не
только после самоустраняющихся повреждений, но и при ложном
срабатывании средств релейной защиты, самопроизвольном отключении
выключателей или ошибочных действиях персонала.
23
а
б
Рис.1. Влияния продолжительности КЗ на устойчивость СЭС
Успешное АПВ увеличивает площадь возможного торможения Ft
(рис. 2), что способствует сохранению динамической устойчивости СЭС.
Номинальный режим, угловая характеристика мощности которого
соответствует кривой Ӏ, характеризуется параметрами
P  EqU / x ; x  xd  xтр  x л / 2 ,
24
xтр
где Eq – Э.Д.С. в статоре; xd – синхронное сопротивление статора;
– сопротивление трансформатора.
При аварийном режиме (кривая II)
P  E qU / x ; x  x d  x тр  x л / 2  ( x d  x тр ) x л . /(2 x к ) ;
В послеаварийном режиме (кривая III)
P  E qU / x ; x  x d  x тр  x л ;
В режиме, соответствующем успешному АПВ, кривая IV совпадает
с кривой I и характеризуется параметрами
PIV  E qU / x IV ; x IV  x d  x тр  x л / 2 ;
Рис. 2. Влияние АПВ на динамическую устойчивость СЭС.
Выводы:
• Установлено, что рационально выбранные устройства релейной
защиты и автоматики позволяют эффективно влиять на устойчивость
системы, а именно уменьшить время отключения короткого замыкания и
усиленно применить автоматическое повторное включение.
• Эффективность применения АПВ высока на ЛЭП с двусторонним
питанием, в особенности при мощных межсистемных связях, отключение
которых может привести к серьезной аварии в СЭС.
• Увеличение площади характеристики возможного торможения при
успешном
автоматическом
повторном
включении
способствует
сохранению динамической устойчивости системы электроснабжения.
25
Литература
1. Устойчивость нагрузки электрических систем / Ю. Е. Гуревич, Л.
Е. Либова, Э. А. Хачатрян. – М.: Энергоиздат, 1981.
2. Переходные процессы в системах электроснабжения / Под ред. В.
Н. Винославского и др. – Киев: Высшая школа, 1989.
3. Справочник по проектированию электроснабжения /Ю.Г.
Барыбина, Л.Е. Федорова, М.Г. Зименкова, А.Г. Смирнова – М.:
Энергоатомиздат, 1990.
4. Transients in electric power supply systems / G. Pivnyak, V.
Vinoslavskiy, A. Rybalka, L. Nesen, V. Prokopenko / Dnipropetrovsk National
Mining University, 2009.
Аннотация
В тематике статье рассматривается актуальность научной задачи,
связанной
с
исследованием
устойчивости
режимов
системы
электроснабжения и предложением мер по повышению устойчивости,
проблематичность которой связана с нарушением функциональности СЭС,
дополнительными затратами, изменением качества электрической энергии.
Описывается характер переходных процессов и управления ими,
устойчивость при малых и больших возмущениях, способность к
восстановлению синхронной работы. В качестве меры и способа решения
проблемы предлагается использование устройств релейной защиты для
влияния на устойчивость путем изменения режимов СЭС.
In the subject of the article explores the relevance of the scientific
problems associated with the study of the stability of modes of supply and
demand measures to enhance the stability, the difficulty is objectively related to
the violation of the functionality of the SPP, additional costs, changes in the
quality of electrical energy. In particular, the study describes the nature of
transition processes and management stability for small and large disturbances,
the ability to restore synchronous operation. As the measure and method of
solution is proposed the use of relay protection and automation effectively
influencing the stability of the regime by changing the SES.
Ключевые слова
система электроснабжения, устойчивость узлов, релейная защита,
короткое замыкание
power supply system, the stability of nodes, relay protection, short circuit
26