 |
Программа работы (лабораторное задание)
|
|
|
|
Лабораторные работы
Ч а с т ь 1
У т в е р ж д е н о
Ученым советом института
Севастополь
2002
621.311.1.
П 901
УДК 621.311. 014.3.
Путилин К.П., Петерсон Н.А., Колосова М.К.
П 901 Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Учеб. пособие. – Севастополь: CНИЯЭиП. – 2002. – 80 с.: ил.
Содержится описание лабораторных работ по исследованию электромагнитных переходных процессов в электрических системах. Все работы проводятся на установках физического моделирования электрических систем. Тематика лабораторных работ включает режимы симметричных и несимметричных коротких замыканий, обрывов в электрических цепях и одного режима сложного вида несимметрии.
Предназначено для студентов электротехнического факультета СНИЯЭиП очной и заочной форм обучения.
621. 311. 1.
Рецензенты: Р.П. Просужих
Б.Г. Сиротенко
Л.Я. Патрикеев
Научный редактор К.П. Путилин
©Издание СНИЯЭиП, 2002
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс электромагнитных переходных процессов в электрических системах является обязательным практически для всех специальностей электроэнергетического и электротехнического профиля и должен включать, кроме лекционного материала, выполнение лабораторных работ.
Только при работе в лаборатории у студентов вырабатываются практические навыки самостоятельного проведения исследований сложных и важных вопросов переходных процессов в электрических системах, закрепляются теоретические знания о них, вырабатывается умение анализировать переходные процессы.
Очень важно, чтобы у студентов вырабатывался навык системного подхода, при котором студент представляет всю совокупность явлений в различных частях электрической системы и последствия этих явлений.
|
|
|
Основой для проведения лабораторных работ являются установки физического моделирования, в которых реальная электрическая система представлена физическими аналогами ее основных элементов: генераторами, трансформаторами, линиями электропередачи, статическими и асинхронными потребителями, коммутационными и защитными аппаратами. Такие установки разработаны в лаборатории электромеханики кафедры,,Эксплуатации электрических станций'' [1]. Установки позволяют моделировать простые и сложные электрические системы, процессы при различных видах коротких замыканий и обрывов трехфазных цепей, а также их комбинации.
В настоящем пособии приведены описания шести лабораторных работ, предусмотренных программой курса. Каждая работа предваряется краткими сведениями из теории. В конце описания каждой работы сформулированы контрольные вопросы, которые помогут студентам самостоятельно убедиться в правильности усвоения основных аспектов выполненной работы.
Перед проведением лабораторных работ программой предусмотрены занятия на материальной части [1].
Общие правила техники безопасности при работе с электрооборудованием студенты изучают до начала работы в лаборатории.
Студенты допускаются к работе после проверки преподавателем знаний теоретических положений, схемы установки и методики выполнения работы.
Отчет по выполненной работе составляется в соответствии с требованиями ЕСКД и включает тему и цель работы, описание экспериментальной установки и методики проведения работы, результаты измерений, их анализ и выводы.
Лабораторная работа № 1
Тема: Определение параметров основных элементов электрической системы.
Учебная цель: 1. Закрепление теоретических вопросов построения схем замещения электрических систем.
|
|
|
2. Опытное нахождение параметров генераторов, трансформаторов и линий передач, используемых
при построении схемы замещения электрической
системы.
1. Краткие сведения из теории
Любая электроэнергетическая система предполагает наличие источников электроэнергии, линий ее передачи и распределения, а также потребителей электрической энергии.
Источниками электроэнергии служат генераторные станции (электростанции).
Линии передачи и распределения включают преобразующие элементы – трансформаторы и автотрансформаторы, собственно линии электропередач (ЛЭП), распределительные подстанции, на которых происходит,,разветвление'' потоков мощности, компенсирующие устройства.
Система нагрузок включает разнообразные потребители электроэнергии, забираемой из системы распределения на нужды электроснабжения городов, промышленных узлов, железнодорожного электротранспорта и т.п. Подключение потребителей к системе распределения осуществляется на трансформаторных подстанциях.
Нормальный режим работы электроэнергетической системы характеризуется балансом вырабатываемой на электростанциях и потребляемой в узлах нагрузки мощности, за вычетом потерь мощности в линиях передачи. В нормальном режиме в электрической системе отсутствуют недопустимые перегрузки по току и напряжению, а качество электроэнергии соответствует требованиям на допустимые отклонения.
Любая электроэнергетическая система, в дальнейшем – электрическая система (ЭС), характеризуется параметрами, которые присущи системе (ее элементам) независимо от режима.
В процессе функционирования работа электрической системы характеризуется параметрами режима. К параметрам режима относят величины тока, напряжения, ЭДС, коэффициента мощности, активную и реактивную мощности, частоту, степень несимметрии, температуру нагрева и т. п.
Одни из параметров режима подлежат регулированию – потоки активной и реактивной мощности, коэффициент мощности; другие - поддерживаются в заданных пределах: напряжение, частота.
В процессе эксплуатации помимо нормальных режимов возможны и аварийные режимы. Причинами аварийных режимов являются короткие замыкания, обрывы цепей, перенапряжения, перегрузки по току.
|
|
|
При возникновении аварийных режимов возникают недопустимые увеличения тока, перенапряжения, нарушения симметрии; происходят,,несанкционированные'' перераспределения мощностей, теряется устойчивость параллельной работы генераторов системы; возникают,,провалы'' напряжения, снижается или увеличивается частота в системе. В аварийных режимах параметры системы могут существенно отклоняться от номинальных значений. Эти отклонения удобно выражать в относительных единицах, сравнивая фактические значения величин с номинальными значениями
Переход от одного состояния системы к другому называется переходным процессом. Переход от нормального режима к аварийному – аварийным переходным процессом. Аварийным режимом называется такой, при котором создается угроза выхода из строя оборудования, возникновения пожара или безопасности обслуживающего персонала, потери работоспособности системы.
Для анализа переходных процессов используют расчетные схемы и схемы замещения. Расчетная схема – часть общей электроэнергетической системы, включающей источники, распределительные цепи и потребители, которые обособлены от остальной части системы при условии, что процессы в выделенной части несущественно зависят от процессов в остальной части электроэнергетической системы. Без всяких условий можно рассматривать расчетные схемы автономных электрических систем.
На расчетной схеме показываются основные элементы и параметры ЭС, схема связи между элементами. Расчетная схема является основой для построения схем замещения.
Схема замещения – электрическая схема, состоящая из элементов электрических цепей: источников ЭДС или тока, сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Схема замещения является электрической моделью (в терминах теории электрических цепей) расчетной схемы.
Для того, чтобы схема замещения могла отображать энергетические процессы в конкретной расчетной схеме, параметры схемы замещения должны быть соответствующим образом рассчитаны. Расчет параметров схемы замещения производится при некоторых условиях (допущениях). Допущения принимаются в зависимости от целей и задач, которые ставятся при анализе переходного процесса по схеме замещения. Назначение допущений – не усложнять решение задач. Само решение производится уже методами, базирующимися на законах электротехники и теории цепей.
|
|
|
Главной особенностью ЭС является наличие в ней участков с различными уровнями (ступенями) напряжения. Для построения схем замещения расчетная схема должна быть приведена к одному напряжению. Такое приведение равнозначно замене всех повышающих и понижающих трансформаторов разделительными (то есть не изменяющими напряжения). После приведения уровень напряжения на всех участках будет один и тот же, равный напряжению базисной ступени принимаемой за основную. Приведение напряжения к одному уровню не изменяет энергетические соотношения, но упрощает расчеты.
Приведенная расчетная схема принципиально уже может быть представлена схемой замещения.
Генератор на схеме замещения изображается в виде источника ЭДС Е за некоторым внутренним сопротивлением Х d; трансформаторы и линии электропередач – в виде комплексного сопротивления Z = R + jX, где Х –индуктивное сопротивление, которое для этих элементов больше активного сопротивления, то есть Х > R.
Потребители (нагрузка), по величине потребляемой ими активной и реактивной мощности, также представляются на схеме замещения комплексными сопротивлениями Z н = R н + jX н при значительном (как правило) преобладании активной составляющей, то есть при R н >Хн. Особенности нагрузки таковы, что величина эквивалентного сопротивления Z н представляет некоторую функцию напряжения и частоты, то есть Z н = f (U, f).
На рис. 1.1. приведена расчетная схема автономной электрической системы, а на рис. 1.2 – ее схема замещения.
Рис. 1.1
Все параметры режима: Е 1, Е 2, I 1, I 2, S 1, S 2, I 3, S 3, U г1, U г2 – комплексные величины. Параметры элементов системы: j X d1, Z T1, Z T2, Z T3, j X d2, Z н, Z л – также в общем случае комплексные величины.
Комплексные параметры – векторы на комплексной плоскости, изображаемые комплексными числами и имеющие снизу черту. Однако, для упрощения записи обозначения параметров на схемах замещения принято изображать без подчеркивания.
Рис.1.2.
Все параметры сопротивлений и токов даются в схеме замещения для отдельно взятой фазы (линейной цепи), напряжение, или ЭДС – между линейными цепями, мощности – для всех трех линейных цепей одновременно. Эти условия необходимо учитывать, если расчет режима (или переходного процесса) осуществляется для схемы замещения, представленной в именованных единицах (ватт, ампер, ом, вольт), то есть если схема замещения строится по расчетной схеме, приведенной к одному напряжению.
|
|
|
Существует эффективный прием проведения расчетов в относительных единицах (о.е.). В относительных единицах представляются как параметры элементов ЭС, так и параметры режима. По виду схемы замещения ЭС в относительных и в именованных единицах полностью совпадают. Однако, для расчета параметров схемы замещения в о.е. нет необходимости в предварительном приведении параметров режима к одной ступени напряжения.
Расчеты установившихся и переходных процессов как в именованных единицах (приведенных к основной базисной ступени напряжения), так и в относительных единицах завершаются пересчетом результатов к именованным значениям для каждой ступени напряжения.
Параметры отдельных элементов системы могут быть определены опытным путем (экспериментально). Например, сопротивления определяются из опыта короткого замыкания. Эти сопротивления находятся как эквивалентные сопротивления пассивного двухполюсника. Схема опыта короткого замыкания представлена на рис. 1.2,а.
Рис. 1.2,а
Величину напряжения источника ЭДС плавно увеличивают до значения, при котором ток принимает номинальное значение (номинальное для элемента, представляемого эквивалентным сопротивлением Z э), при этом частота переменной ЭДС также должна быть равна номинальной (50 Гц).
При номинальном токе измеряют напряжение (которое называется напряжением короткого замыкания U к) и потребляемую в сопротивлении мощность Р к, а затем рассчитывают составляющие комплексного эквивалентного сопротивления:
- полное эквивалентное сопротивление │ Z э │;
- активная составляющая сопротивления;
- реактивная составляющая сопротивления.
Для опыта короткого замыкания в трехфазной цепи:
;
; (1.1)
.
Здесь Р к∑ - суммарная мощность всех трех фаз исследуемой цепи.
Эквивалентное сопротивление как комплексная величина запишется так: Z э = R э + jX э
Схема установки
На схеме рис. 1.3 показана структурная схема физической модели электрической системы, которая используется для опытных исследований переходных процессов.
Рис. 1.3
Физическая модель ЭС (в дальнейшем установка) включает: генераторы Г1, Г2; генераторные (блочные) трансформаторы Т1, Т2; двухцепную линию электропередачи, отключаемую от сборных шин Ш1, Ш2 выключателями В3 – В4 и В3’ - B4’.Трехфазный дроссель Др служит для,,электрического удлинения'' линии передачи. В точках А, В, С ЛЭП могут подключаться нагрузки и (или) блок коротких замыканий.
Для проведения расчетов установившихся и переходных процессов составляется схема замещения. Параметры схемы замещения подлежат опытному определению. В принципе они являются индивидуальными для каждой установки. В лаборатории – это установки № 1, № 2 и № 3.
Схема замещения установки показана на рис. 1.4.
Рис. 1.4
Точками 1 – 6 показаны места подключения короткозамыкателей. Сопротивления элементов определяются при последовательном перенесении замыканий от точки 1 до точки 5 при отключенных сопротивлениях Z 1 и Z 2, то есть при отключенных выключателях В3 и В4 (см. рис. 1.3).
Программа работы (лабораторное задание)
1. Определение характеристик холостого хода генераторов Г1 и Г2.
2. Определение сопротивлений генераторов Х d1 и Х d2.
3. Определение эквивалентных сопротивлений Z T1, Z 3, Z 4, Z 5, X др и Z T2.
|
|
|
