Устойчивость узлов нагрузки в электрической системе

7. УСТОЙЧИВОСТЬ УЗЛОВ НАГРУЗКИ

В электрической системе должно сохраняться устойчивое равновесие в выработке и потреблении активной и реактивной мощностей.

При коротких замыканиях, отключениях мощных агрегатов и резких изменениях мощности нагрузок в системе это равновесие нарушается. Возникающие при этом переходные процессы могут привести к значительному возрастанию углов между э.д.с. работающих генераторов и напряжением сети, а также к резкому изменению напряжения в основных узлах системы. В результате отдельные генераторы и даже целые электростанции могут выпасть из синхронизма. Восстановление нормального режима работы системы в таких случаях связано с длительным перерывом питания большей части потребителей.

Различают статическую и динамическую устойчивость электрической системы.

Статической устойчивостью называется способность системы самопроизвольно восстанавливать исходный режим после малого или медленно изменяющегося во времени возмущения. Возникающие при этом переходные процессы быстро затухают, и равновесие в системе поддерживается действием регуляторов параметров, работающих в пределах установок.

Динамической устойчивостью называется способность системы после внезапного и резкого изменения режима возвратиться к нормальному установившемуся режиму.

Таким образом, статическая и динамическая устойчивости являются важнейшими условиями надежности системы, обеспечивающей бесперебойное питание потребителей электроэнергией подлежащего качества.

В практических условиях общей задачей является исследование критериев устойчивости узлов нагрузки, содержащих асинхронные и синхронные двигатели, а также и другие виды электроприемников.

Для узлов нагрузки наибольшее распространение получили критерии устойчивости, найденные из анализа статических характеристик нагрузки: Р=f(U ) и Q=f(U) (рис. 7.1.).

Р

Q

                                              U_НОМ                 U

Рис. 7.1. Статические характеристики нагрузки.

На основе этих характеристик получил широкое применение критерий устойчивости dE/dU>0, который определяет устойчивость узла нагрузки при малых отклонениях величин E и U, где Е – э.д.с. эквивалентного генератора, замещающего электрическую систему; U – напряжение на зажимах потребителя.

Для определения устойчивости узла нагрузки с помощью этого критерия требуется наличие статических характеристик узла нагрузок или закономерностей их изменения для отдельных видов электроприемников.

Для приближенной оценки устойчивости узлов нагрузки пользуются типовыми характеристиками сходных по составу электроприемников (рис. 7.1.). В случае уменьшения в узле нагрузки напряжения потребление активной мощности снижается линейно и относительно незначительно; при этом потребление реактивной мощности в начале снижается, а затем быстро нарастает. Такое нарастание объясняется возрастанием скольжения асинхронных двигателей в связи со снижением напряжения сети. Если питание узла нагрузки происходит непосредственно от шин неизменного напряжения, то точка в на рис. 7.1. при dQ/dU=¥ соответствует моменту торможения асинхронных двигателей. Следовательно, признаком неустойчивости узла нагрузок, содержащего в своем составе асинхронные двигатели и питающегося от шин неизменного напряжения, является условие dQ/dU=¥.

Если узел нагрузки питается от шин неизменного напряжения по линии с сопротивление Х_С (рис. 7.2.), то признаком неустойчивости узла нагрузок в этом случае будет условие dQ/dE=¥, где Е – э.д.с. «эквивалентного» генератора системы соизмеримой мощности с двигателями общей нагрузки.

Рис. 7.2. Схема замещения питания узла нагрузки.

Пренебрегая поперечной составляющей падения напряжения для цепи, приведенной на рис. 7.2., получим

U_C=E-Q·X_C / E                                                                                                 (7.1.)

В результате дифференцирования уравнения (7.1.) получим

.                                                                                 (7.2.)

Для критической точки (рис. 7.1.) при условии dQ/dE=¥ из (7.2.) будем иметь dU/dE= -¥ или dE/dU=0. Следовательно, dE/dU >0 – область устойчивости и dE/dU <0  - область неустойчивости. Выражение dE/dU <0 является также критерием неустойчивости узла нагрузки, характеризующим точку  опрокидывания асинхронных двигателей.

При исследовании устойчивости по критерию dE/dU >0 задаются различными значениями напряжения на зажимах нагрузки и определяют по статическим характеристикам соответствующие этому напряжению величины активной и реактивной мощностей нагрузки, а по ним  - э.д.с. и напряжение системы. Минимум характеристики E=f(U) дает критическое значение э.д.с. системы и напряжения нагрузки, при которых происходит опрокидывание асинхронных двигателей (рис. 7.3.).