Нарушение динамической устойчивости происходит при резких нарушениях балансов активных и реактивных мощностей

Например: при внезапном отключении одной из двухцепных (рис.14) или кольцевых электропередач или из-за аварийного отключения генерирующей мощности в энергосистеме.

При работе синхронного генератора параллельно с сетью положение его ротора относительно поля статора зависит от величины нагрузки (угол δ). Если в энергосистеме резко возник дефицит мощности, то это приведёт к снижению частоты тока, тогда турбины электростанции, под воздействием регуляторов скорости, начнут разгонять роторы генераторов, что приведёт увеличению угла δ между э.д.с генераторов электростанции Ег и напряжением сети Uс. Если угол δ станет больше δкр, то генераторы выйдут из синхронизма.

 

Понятие о динамической устойчивости

энергосистемы.

 

Под динамической устойчивостью понимается способность энергосистемы сохранять параллельную работу синхронных генераторов при значительных внезапных возмущениях, возникающих в энергосистеме (КЗ, аварийное отключение генераторов, линий, трансформаторов).

В качестве примера рассмотрим режим работы двухцепной электропередачи, связывающей электростанцию с энергосистемой, при КЗ на одной из линий с отключением этой линии и её успешным АПВ (рис.14).

       

 

Рис. 14. Пример режима работы двухцепной электропередачи.

 

Исходный режим электропередачи характеризуется точкой 1 на угловой характеристике I (Рэс=Рт), которая соответствует исходной схеме электропередачи (рис.15).

Как видно из формулы генерируемая электростанцией мощность Рэс

зависит от напряжения Uс в сети, э.д.с. электростанции Ег и результирующего сопротивления Хрез между энергосистемой и электростанцией.

где  , 

Хст-сопротивление электростанции,

Хтр-сопротивление повышающих трансформаторов электростанции,

Х_W1-cопротивление линии W1,

Х_W2-cопротивление линии W2,

Хс-сопротивление энергосистемы.

Рис. 15. Исходная угловая характеристика электропередачи до отключения линии электропередачи

Рmax

δ

Режим двигателя

δ1

Рэс

00

1800

900

δ кр

Рт турбин

Режим генератора

Кз.ст (запас устойчивости)

I

1

В исходном режиме электропередача работала с запасом устойчивости Кз.ст в нормальном режиме при параллельной работе обеих линий электропередач и Рэс=Рт.    

При КЗ в точке К1 на линии W2 (рис.16) произошло резкое снижение напряжения Uс, согласно формуле:

т.е. произошёл сброс мощности Рэс электростанции на величину ∆Р от точки 1 до точки 2 и график угловой характеристики I опустился до графика II.

После КЗ на линии W2 мощности турбин Рт электростанции не изменятся, так как зависят от подачи энергоносителя (вода, пар).

Выдаваемая электростанцией в линию мощность Рэс уменьшится до точки 2 на угловой характеристике II (рис.16) и станет меньше мощности турбин Рт электростанции Рэс<Рт, тогда под действием избытка механической мощности турбин роторы генераторов электростанции будут ускоряться, и угол δ будет увеличиваться.

 

Если линию W2 с КЗ не отключать, то при разгоне роторов генераторов угол δ будет увеличиваться и когда он превысит 90⁰, то мощность генераторов электростанции уменьшится, а при δ>180 ⁰ они перейдут в режим двигателя, начнётся асинхронный режим, т.е. электростанция выйдет из синхронизма. 

Электростанция будет работать с частотой отличной от частоты энергосистемы, а в линиях электропередач будут проходить перетоки мощности с периодичностью меняющие свой знак. Такой режим недопустим и считается аварийным.

после КЗ налинии W2

2

1

II

I

∆Р

Рт

δ1

Рис. 16. Угловая характеристика II при понижении напряжения в сети из-за КЗ в линии W2.

Рэс

00

1800

900

δкр

генераторный режим

режим двигателя

Для того чтобы не допустить аварийный режим, нужно, как можно быстрее отключить КЗ на линии W2 (рис. 16). Время отключения КЗ   tоткл зависит от времени действия релейной защиты и противоаварийной автоматики. За время tоткл роторы генераторов разгоняясь приобретут кинетическую энергию и угол δ будет увеличивается. Очень важно не допустить увеличение угла δ>δкр=90⁰.

 

Допустим, что отключение линии W2 произошло в точке 3 угловой характеристики II (рис.17), тогда напряжение на шинах электростанции увеличится и угловая характеристика примет вид III, но не восстановится до характеристики I. Это объясняется увеличением результирующего сопротивления Хрез, так как в работе осталась одна линия W1 и .

При угле δ₃ мощность Рэс выдаваемая в линию W1 увеличится до точки 4 на угловой характеристике III и станет больше мощности турбин электростанции и будет их тормозить.

 

после КЗ налинии W2

после отключения КЗ наW2

Рис. 17. Угловая характеристика III после  отключения линии W2.

Энергия, приобретённая турбинами электростанции за время ускорения роторов генераторов от угла δ₁ до угла δ₃ обозначена на графике как заштрихованная площадка Sу, называемая площадкой ускорения. А заштрихованная область выше мощности турбин Рт до верха угловой характеристики III послеаварийного режима называется площадкой торможения  Sт. При увеличении угла δ больше угла δ₃ в точке 4 начинается процесс торможения роторов генераторов, так как вырабатываемая генераторами электростанции мощность Рэс стала больше мощности турбин Рт.

Если запас энергии площадки торможения Sт больше энергии площадки ускорения Sу, то турбины будут тормозится и угол δ станет уменьшаться. Когда угол δ станет меньше угла δ₃, то энергия ускорения (площадки Sу) станет больше энергии торможения (площадки Sт), таким образом в течении некоторого времени будут происходить качания роторов генераторов. Процесс этот затухающий и он остановится, когда мощность турбин Рт и выдаваемая мощность Рэс уравняются, т.е. Рт=Рэс.

Если же запас энергии площадки торможения Sт меньше энергии площадки ускорения Sу, то турбины будут продолжать ускоряться, и угол δ увеличится так, что генераторы выйдут из синхронизма.

Для этого нужно быстро устранить КЗ на линии W2 и включить её в работу. Это может быть достигнуто при помощи АПВ (автоматического повторного включения линии в точке 6, рис.17). Тогда, если КЗ самоустранилось, то восстановится прежний нормальный режим до КЗ и угловая характеристика восстановится до характеристики I и тормозная площадка Sт увеличится за счёт площадки  от точки 6 до точки 7. В точке 7 наступит равенство площадок Sт и Sу и ротора генераторов после некоторых качаний вернутся к углу δ1 (точка 1).

Подведём итоги:

- при КЗ на одной из параллельных линий мощность электростанции Рэс значительно уменьшилась из-за понижения напряжения и стала меньше суммарной мощности турбин при этом электростанция, если не отключать КЗ, может выйти из синхронизма;

- при отключении линии с КЗ генераторы электростанции не выйдут из синхронизма, если энергия площадки торможения Sт больше энергии площадки ускорения Sу;

- если энергия площадки торможения Sт меньше энергии площадки ускорения Sу, то предотвратить выход генераторов электростанции из синхронизма может АПВ на отключённой линии W2.

       

Запас динамической устойчивости оценивается коэффициентом равным отношению площадки торможения к площадке ускорения. 

  

При Кз.дин>1 режим устойчив, при Кз.дин<1 происходит нарушение устойчивости.

   Вывод:

- кардинальным средством повышения динамической устойчивости при КЗ является снижение его длительности применением более быстродействующих защит и выключателей;

- быстрое отключение повреждённой линии и АПВ в значительной мере повышают устойчивость энергосистемы в послеаварийном режиме.