7 Генераторы и синхронные компенсаторы. Самозапуск эл. двигателей

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Выработка электроэнергии на электростанциях энергосистем осуществляется турбо- и гидрогенераторами. Турбогенераторы устанавливаются на КЭС, ТЭЦ и АЭС, гидрогенераторы–на ГЭС и ГАЭС. Роторы турбо- и гидрогенераторов приводятся во вращение соответственно паровыми и гидравлическими турбинами. Синхронные компенсаторы обычно устанавливаются на подстанциях и служат для регулирования напряжения в сети. Синхронные компенсаторы по существу представляют собой синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, с широким диапазоном изменения тока возбуждения. В режиме перевозбуждения компенсаторы выдают в сеть реактивную мощность, а в режиме недовозбуждения потребляют её из сети. Векторная диаграмма, поясняющая работу синхронного компенсатора, приведена на рисунке 29.

Рисунок 29–Векторные диаграммы работы синхронного компенсатора

Ввиду относительно простой технологической схемы ГЭС гидрогенераторы легко могут быть переведены в режим синхронного компенсатора. При острой необходимости некоторые турбогенераторы тоже могут быть переведены в режим синхронного компенсатора. Возможен перевод турбогенератора в моторный режим (мощностью до 200 МВт) при этом генератор остаётся сочленённым с турбиной, такой режим используется по экономическим соображением для сохранения в работе турбогенераторов при значительном снижении нагрузки электростанции в выходные и праздничные дни. В моторном режиме турбогенераторы могут в зависимости от значения тока возбуждения как выдавать, так и потреблять реактивную мощность, т.е. выполнять функции синхронного компенсатора.

7.1 Турбогенераторы

Промышленность поставляет двухполюсные турбогенераторы мощностью 2,5; 4; 6; 12; 30; 50; 60 (63); 100; 150 (160); 200; 300; 500; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 2500 МВт. Номинальное напряжение принимается от 6,3 до 24 кВ, коэффициент мощности от 0,8 до 0,9. при этом номинальный ток составляет от 0,35 до 32 кА, КПД от 95,8 до 0,99,03 %, масса ротора от 3,5 до 100 тонн, общая масса турбогенератора (без возбудителя и фундаментных плит) от 16 до 600 тонн. В настоящее время разрабатываются турбогенераторы мощностью 3600; 4250; 5400; 6400 МВт.

7.2 Гидрогенераторы

Гидрогенераторы выпускаются мощностью от 8 до 640; 750; 1000 МВт напряжением от 3,15 до 15,75 кВ, номинальным током от о,6 до 26 кА, массой ротора от 30 до 935 тонн, общей массой генератора от 75 до 1790 тонн, диаметром ротора от 5 до 16 метров. Гидрогенераторы являются многополюсными, а потому относительно тихоходными синхронными машинами. Частота их вращения обычно находится в диапазоне 50 – 250 об/мин (у отдельных генераторов до 500-600 об/мин).

7.3 Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью 10; 16; 25; 32; 50; 100; 160 МВ·А. Их номинальные параметры находятся в следующих пределах: напряжение 6,6–15,75 кВ, ток статора 0,45–5,9 кА, частота вращения 1000 и 750 об/мин; масса ротора 8–110 тонн, общая масса 20–303 тонны. Разработаны синхронные компенсаторы мощностью 320 МВ·А.

7.4 Системы охлаждения.

Полная номинальная мощность электрической машины, кВ·А может быть определена по выражению

(5.1)

где k=1,1–коэффициент; А–линейная нагрузка статора, А/см; В_δ–индукция в воздушном зазоре, Т_л; D ₁–диаметр расточки статора, м; l ₁–длина активной стали статора, м; n _ном–номинальная частота вращения, об/мин.

Линейная нагрузка определяется по выражению:

(5.2)

где I _ном–номинальный ток статора, А; N _п–число эффективных проводников в пазу статора; t ₁ – пазовое деление по окружности статора, см.

Анализ выражения (5.1) показывает, что для увеличения мощности турбогенератора необходимо увеличить линейную нагрузку статора и пропорциональную ей линейную нагрузку ротора. Это влечёт за собой увеличение плотности тока в проводниках обмоток статора и ротора, что допустимо только при повышении эффективности систем охлаждения генераторов. С этой целью был сделан переход от косвенных (поверхностных) систем охлаждения к непосредственным (внутрипроводниковым) смешанным системам охлаждения, Вместо воздуха в качестве охлаждающей среды стали применять более эффективные среды – водород, дистиллированную воду, трансформаторное масло. Характеристики сред при некоторых давлениях указаны в таблице 8.

Таблица 8–Характеристики некоторых сред

В эксплуатации находятся турбогенераторы разных серий, отличающиеся системами охлаждения:

· серии Т–с косвенной замкнутой воздушной системой охлаждения (генераторы мощностью 2,5; 4; 6; 12 МВт);

· серии ТВ–с косвенной замкнутой системой охлаждения водородом давлением 0,105–0,2 Мпа, нагнетаемым вентиляторами в воздушный зазор машины и далее проходящим через радиальные каналы статора к водяным газоохладителям (генераторы мощностью 30, 50, 60, 100,150 МВт);

· серия ТВФ–с косвенным охлаждением статора и непосредственным

охлаждением ротора водородом давлением 0,3 МПа (генераторы мощностью 60, 100, 120, 200 МВт);

· серия ТГВ–с непосредственным охлаждением статора и ротора водородом давлением 0,4 МПа (генераторы мощностью 200 и 300 МВт);

· серия ТВВ–с непосредственным охлаждением статора водой и ротора водородом давлением 0,4 МПа (генераторы мощностью 150, 200, 300, 800 МВт);

· серия ТВМ–с непосредственным охлаждением обмотки статора и сердечника статора маслом, а ротора – водой (генераторы мощностью 60–300 МВт);

· серия ТЗВ–с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора, и сердечника статора водой (генераторы мощностью800 и 1000 МВт).

Синхронные компенсаторы мощностью 5; 7,5; 15; 30 МВ·А имеют косвенную воздушную систему охлаждения, а компенсаторы мощностью 37,5; 50; 75; 100; 160 МВ·А–косвенную замкнутую систему охлаждения водородом давлением 0,2 МПа.

Гидрогенераторы имеют относительно большие геометрические размеры статора и ротора, Это затрудняет создание надёжных систем уплотнения для сред, работающих со значительным перепадом давлений, и делает нецелесообразным применение водорода в качестве охлаждающей среды. Большинство гидрогенераторов выпускаются с косвенной воздушной системой охлаждения. Мощные вертикальные гидрогенераторы выпускаются с непосредственным охлаждения обмотки статора водой с форсированным охлаждением ротора воздухом. Горизонтальные капсульные гидрогенераторы имеют непосредственное охлаждение обмоток статора и ротора водой.

7.5 Системы возбуждения.

Синхронные машины в зависимости от их типа, номинальной мощности, частота вращения ротора и других факторов оснащаются различными системами возбуждения. К системе возбуждения предъявляются требования обеспечения нормированной кратности форсировки возбуждения и нормальной скорости нарастания напряжения возбуждения при форсировке. Под кратностью форсировки возбуждения понимают отношение предельного напряжения возбуждения синхронной машины в установившемся режиме U_{f ПР.У} (рис.30) к номинальному напряжению возбуждения U_{f НОМ} . Скорость нарастания напряжения возбуждения определяется

где t ₁–время нарастания напряжения возбудителя от номинального напряжения возбуждения синхронной машины до значения U ^' _f равного

где U_{f пр}–максимальное значение напряжения возбуждения (рисунок 30).

Рисунок 30–График возбуждения синхронной машины

Требуется, чтобы кратность форсировки возбуждения у генераторов и синхронных компенсаторов была не менее 2, у гидрогенераторов в зависимости от установленной системы возбуждения не менее 1,8–2. Скорость нарастания напряжения возбуждения у машин всех типов должна быть не менее 2 относительных единиц возб/с, причём все синхронные машины рассчитывают на работу с предельным током возбуждения длительностью до 50 с при косвенной системе охлаждения, до 30 с при непосредственном охлаждении ротора и косвенном охлаждении статора и до 20 с при непосредственном охлаждении ротора и статора. На практике для возбуждения синхронных генераторов и компенсаторов используют электромашинные системы возбуждения различного исполнения с приводом возбудителя от вала возбуждаемой машины; высокочастотные системы; тиристорные системы возбуждения со статическими полупроводниковыми выпрямителями; бесщёточные системы возбуждения с вращающимся полупроводниковыми выпрямителями.

7.6 Автоматическое гашение магнитного поля синхронных генераторов и компенсаторов.

После внезапного отключения генератора или компенсатора необходимо его развозбудить, т.е. погасить магнитное поле. При КЗ внутри генератора или компенсатора, а также на выводах машины быстрое автоматическое гашение поля позволяет уменьшить размеры повреждений обмоток, и активной части стали.

Гашение магнитного поля генераторов и компенсаторов, осуществляется с помощью специальных устройств–автоматов гашения поля (АГП), которые вводятся в действие от устройств релейной защиты. Процесс гашения поля может считаться законченным, если амплитуда ЭДС статора снизится до значения, не превышающего 500В; при этом происходит естественное погасание дуги переменного тока в месте повреждения машины. Амплитуда ЭДС статора, обусловленная остаточным намагничиванием ротора, примерно равна 300 В. Время, в течение которого ЭДС, создаваемая током возбуждения, снизится до 500–300=200 В называется временем гашения поля.

К устройствам АГП предъявляются следующие требования:

- минимально возможное время гашения поля;

- при действии АГП напряжение на обмотке возбуждения не должно превосходить допустимое напряжение.

Существует несколько способов гашения поля. Широко применяется схема с переключением обмотки возбуждения синхронной машины на разрядный резистор R (рисунок 31) c помощью контакта 2 АГП.

Рисунок 31–Схема возбуждения синхронного генератора

В нормальном режиме работы машины её обмотка возбуждения подключается к возбудителю через контакты 1. После подачи импульса на отключение АГП сначала замыкаются контакты 2, а затем размыкаются контакты 1, благодаря чему исключается разрыв цепи обмотки возбуждения и устраняется опасность возникновения больших перенапряжений на этой обмотке. Электромагнитная энергия, запасенная в обмотке возбуждения, выделяется в разрядном резисторе. При таком способе гашения поля время гашения составляет несколько секунд.

В настоящее время широко используются АГП ЛПО «Электросила», принцип действия такого способа гашения дуги заключается в том, что в цепь постоянного тока вводится непрерывно увеличивающееся сопротивление, пока ток не достигнет нуля. В качестве такого сопротивления может быть использовано сопротивление самой дуги, образующаяся на контактах выключателя. С этой целью, выполняются специальные дугогасительные устройства. На рисунке 32 показана схема такого, быстродействующего, рассчитанного на большой ток, устройства, напряжением до 3000 В.

Рисунок 32–Автомат гашения поля

В выключателе магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем дуги создаётся электромагнитом 1, расположенным около неподвижного контакта 2. При этом дуга перемещается с неподвижного контакта 1 и подвижного контакта 3 по направляющим 4 и 5. От позиции I к позиции II . В выключателе предусмотрен другой электромагнит 7, магнитное поле которого втягивает дугу в позицию III - III на направляющие 6 и 8. Далее дуга выдувается в позицию IV - IV и гаснет.

7.7 Электродвигатели

На электростанциях, для приведения в движение рабочих машин широко используются электродвигатели. Они потребляют значительную часть электрической энергии, вырабатываемой на электростанции. Надёжность и экономичность работы основного и вспомогательного оборудования во многом зависит от правильного выбора типа и мощности электродвигателей, их систем защиты и управления, а также схем электроснабжения. При решении указанных вопросов должны быть учтены не только нормальные условия работы электродвигателей, но и различные анормальные режимы, вероятность возникновения которых исключать нельзя. Любой электродвигатель является частью машинного агрегата, поэтому механические свойства электродвигателя и рабочей машины должны соответствовать друг другу. Эти свойства определяются их механическими характеристиками, т.е. зависимостями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления рабочей машины от частоты вращения.

Типы механических характеристик электродвигателей и их особенности изучались в курсе «Электромеханика».

Механические характеристики рабочих машин обычно делят на четыре типа:

•не зависящую от частоты вращения механическую характеристику, при

которой момент сопротивления М_С практически не изменяется с изменением частоты вращения (прямая 1 на рисунке 33). Такую характеристику имеют подъёмные краны, лебёдки, шнеки, углеразмолочные мельницы, транспортёры с постоянной массой передаваемого материала и т.д.;

Рисунок 33–Механические характеристики эл. двигателей

•линейно–возрастающую механическую характеристику. В этом случае

момент сопротивления пропорционален частоте вращения (прямая 2 на рисунке 33). Такой характеристикой обладает генератор постоянного тока независимого возбуждения, если сопротивление нагрузки остаётся неизменным;

•нелинейно–возрастающую механическую характеристику, при которой

момент сопротивления пропорционален частоте вращения во второй или более высокой степени (кривая 3 на рисунке 33). Рабочие машины, у которых момент сопротивления пропорционален квадрату частоты вращения, называют машинами с вентиляторным моментом (пример);

•нелинейно– спадающую механическую характеристику (кривая 4 на рисунке 33).

В этом случае момент сопротивления обратно пропорционален частоте вращения, а мощность, потребляемая рабочей машиной, остаётся постоянной. Такую характеристику имеют металлообрабатывающие станки, рабочие машины вспомогательных производств электрических станций.

7.8 Самозапуск асинхронных и синхронных электродвигателей

Кратковременные перерывы электроснабжения или резкие снижения напряжения, на шинах электроустановок вызванные переходом на резервное питание, короткими замыканиями и другими причинами, приводит к уменьшению частоты вращения подключённых электродвигателей или даже их полной остановке. Однако двигатели ответственных рабочих машин в этих условиях не отключаются от сети, и после устранения причины, вызвавшей нарушение электроснабжения, происходит одновременный разбег этих электродвигателей в условиях пониженного напряжения на шинах вследствие значительного падения напряжения в трансформаторах и других элементах, включённых между источником электроэнергии и шинами, от пусковых токов. Этот процесс называется самозапуском. Самозапуск электродвигателей широко используется в системе собственных нужд электростанций, как средство устранения продолжительных перебоев в работе ответственных рабочих машин.

Продолжительность процесса самозапуска электродвигателей зависит от времени перерыва электроснабжения, параметров питающих трансформаторов, суммарной мощности не отключённых электродвигателей и их загрузки, механических характеристик рабочих машин, положения регулирующих органов (задвижек, шиберов, поворотных лопастей и пр.) и других факторов.

Успешным считается лишь такой самозапуск, при котором продолжительность процесса разбега до номинальной частоты вращения всех участвующих в нём двигателей не выходит за допустимые пределы, определяемые или условием нагрева обмоток электродвигателя за время самозапуска, или по условиям технологического процесса. Так, для электродвигателей системы собственных нужд тепловых электростанций среднего давления допустимая продолжительность процесса самозапуска определяется нагревом наиболее загруженных двигателей и составляет 30-35 с; для тепловых электростанций высокого давления она определяется условием сохранением технологического процесса котла и составляет 15-20 с, так как котлы высокого давления не допускают длительных перерывов в подаче питательной воды и отключаются технологическими защитами. При отключении источника питания, электродвигатели, присоединенные к сборным шинам, остаются электрически связанными друг с другом и с шинами и за счёт запасенной кинетической и электромагнитной энергии поддерживают на шинах убывающее по времени напряжение. Вследствие неодинаковой предшествующей нагрузки, неидентичности механических характеристик приводных рабочих машин и ряда других причин ЭДС отдельных двигателей оказываются неодинаковыми по абсолютному значению и несовпадающими по фазе, поэтому между двигателями циркулируют уравнительные токи и происходит обмени энергией. При отключении источника питания выбег электродвигателей происходит в условиях их весьма существенного взаимного влияния друг на друга. Поэтому такой выбег называется групповым.

Электродвигатели агрегатов имеющих большие механические постоянные времени, работают в генераторном режиме и отдают часть энергии электродвигателям, имеющим меньшие механические постоянные времени, вынуждая их работать в двигательном режиме. Так в системе собственных нужд электростанций двигатели вентиляторов при групповом выбеге работают в генераторном режиме, а двигатели насосов–в двигательном.

Возможность самозапуска и продолжительность процесса разбега электродвигателей после подачи напряжения питания зависит от многих факторов, но одним из главных является продолжительность перерыва электроснабжения. (перечислить факторы влияющие на процесс самозапуска; синхронные ЭД, включение в противофазу и т. п.).

Точный расчёт процесса самозапуска и предшествующего ему группового выбега электродвигателей связан с необходимость совместного решения дифференциальных уравнений электромеханических и электромагнитных переходных процессов, число которых значительно превышает число самозапускающихся электродвигателей. Такой расчёт возможен только при использовании ЭВМ.

Поверочный аналитический расчет процесса самозапуска (с момента подачи напряжения на сборные шины электроустановки) ведут в такой последовательности:

1) Определяют индуктивные сопротивления трансформатора и других элементов, включённых между шинами источника и шинами установки к которым присоединены электродвигатели;

2) Определяют параметры электродвигателей, участвующих в самозапуске;

3) По предварительно полученным кривым выбега находят частоту вращения разных электродвигателей к моменту подачи напряжения на сборные шины электроустановки;

4) Определяют сопротивление отдельных электродвигателей при найденной частоте вращения по формуле

или по экспериментально полученным кривым изменения тока и частоты вращения отдельных электродвигателей;

5)Определяют эквивалентное сопротивление всех электродвигателей

участвующих в самозапуске:

где n–число электродвигателей, участвующих в самозапуске; Z _эк–эквивалентное сопротивление i -го двигателя в рассматриваемый момент времени;

6) Находят остаточное напряжение на сборных шинах, к которым подключены электродвигатели:

где U _ном –напряжение на сборных шинах источника электроэнергии; X _св–суммарное индуктивное сопротивление элементов связи, включенных между шинами источника электроэнергии и шинами установки к которым подключены электродвигатели;

7) Используя механические характеристики электродвигателей, участвующих в самозапуске, определяют вращающий момент каждого из них при найденной в п.3 частоте вращения и номинальном напряжении, а затем находят соответствующий вращающий момент при напряжении U _ост:

где –вращающий момент электродвигателя при номинальном напряжении и скольжении, с которым он работает к моменту отключения или повторной подачи напряжения на шины;

8) Используя механические характеристики рабочих машин, определяют момент сопротивления на валу каждого электродвигателя при соответствующем скольжении;

9) Определяют избыточный момент на валу каждого электродвигателя как разность его вращающего момента и момента сопротивления. Если избыточный момент на валу каждого двигателя положительный, то самозапуск возможен. Если это соотношение не выполняется по принимаются следующие меры (Т_перер., Т_рз, Т_АВР, откл. менее ответст. раб. машин, шунтирование обмоток возбуждения синхр. дв-ей разр. резист.).

10) Зная избыточные моменты на валу каждого электродвигателя, напряжение на шинах и механические постоянные времени агрегатов, определяют время разгона каждого агрегата;

11) Рассчитывают дополнительное превышение температуры обмоток электродвигателя за время самозапуска и сравнивают его с допустимым превышением температуры при кратковременных перегрузках.

Если расчёт самозапуска необходим для выбора уставок защит источников питания, а также для определения предельной мощности самозапускающихся электродвигателей. Задача расчёта сводится к определению суммарного тока самозапуска группы электродвигателей I _{П Σ} и остаточного напряжения на их зажимах U _ост . Расчёт самозапуска выполняется для наиболее тяжёлого режима при остановленных электродвигателях (s=1).

Ток в момент пуска или самозапуска отдельного электродвигателя равен току трёхполюсного короткого замыкания за сопротивлением остановленного двигателя. При самозапуске группы электродвигателей (рисунок 34) их результирующее сопротивление z _р.д. находится путём параллельного сложения сопротивлений двигателей, участвующих в самозапуске:

Величина сопротивлений отдельных заторможенных электродвигателей определяется по выражению:

Рисунок 34–Схемы для расчёта самозапуска электродвигателей

При самозапуске группы электродвигателей (рисунок 34) их результирующее сопротивление z _р.д. находится путём параллельного сложения сопротивлений двигателей, участвующих в самозапуске:

Величина сопротивлений отдельных заторможенных электродвигателей определяется по выражению:

где U _ном–номинальное напряжение двигателя; I _{п. пуск.}–начальное значение периодической составляющей пускового тока двигателя при U _ном .

Значение периодической составляющей пускового тока определяется по паспортным данным. При питании шин двигателя от трансформатора все сопротивления и напряжение приводятся к одной ступени напряжения по формулам:

где z–действительное значение сопротивления; z ^’–приведенное значение сопротивления; n _Т–коэффициент трансформации трансформатора; U ₂ и U ₁–номинальные напряжения трансформатора с учётом действительного положения отпайки переключателя; U _расч–линейное расчётное напряжение; U ^’ _расч–приведенное значение расчётного напряжения.

Ток самозапуска электродвигателей, питающихся через трансформатор или реактор:

где I _ПΣ–ток самозапуска группы электродвигателей; x – сопротивление трансформатора или реактора; z ^’ _р.д.–результирующее пусковое сопротивление группы электродвигателей, приведенное к ступени расчётного напряжения.

Для упрощения расчётов полное сопротивление заторможенных электродвигателей и реактивное сопротивление трансформатора или реактора складываются арифметически. Падение напряжения на сопротивлениях схемы замещения пропорционально величинам соответствующих сопротивлений. Отсюда определяется остаточное напряжение на зажимах двигателей при самозапуске:

где –остаточное напряжение на зажимах двигателя, приведенное к расчётной ступени напряжения.

8 Надёжность

Проблема надёжности электрических систем относится к задачам определения и оптимизации их показателей на этапах планирования, проектирования, сооружения и эксплуатации. Надёжность–свойство объекта или технического устройства выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. (ГОСТ 27.002-83).

Объект–предмет целевого назначения, рассматриваемый в период проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытания на надёжность (объёктами могут быть системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали).

В технике надёжность имеет точное значение. Она может быть определена, рассчитана, оценена, измерена, испытана, распределена между отдельными частями системы, объекта, аппаратуры.

Первые серьёзные работы в области надёжности электропитающих систем были посвящены расчётам резерва. Теория надёжности применительно к энергосистемам имеет ряд особенностей и опирается на специальные дисциплины («Электрические сети», «Переходные процессы в энергосистемах», «Электрические машины», «Релейная защита и автоматика», «Теоретические основы электротехники»).

Вопросы о надёжности электропитающих систем посвящены анализу общих закономерностей, определяющих долговечность работы различных устройств и сооружений, разработкой способов предупреждения отказов на стадиях проектирования, сооружения, эксплуатации, оценивает количественно вероятность того, что характеристики объектов будут в пределах технических норм на протяжении заданного периода времени. Математический аппарат теории надёжности основан на применении таких разделов современной математики как теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическая логика, теория графов, теория распознания образов, теория экспертных оценок, а также теория вероятностей, математическая статистика и теория множеств.

Проблема надёжности в технике вызвала к жизни новые научные направления, такие как теория надёжности, физика отказов, техническая диагностика, статистическая теория прочности, инженерная психология, исследование операций, планирование эксперимента.

В практической деятельности инженеру-электрику приходиться принимать различные решения. Например, выбрать проектный вариант энергосистемы или её части, производить реконструкцию её сетей и станций, назначать режимы работы. В энергетике на выбор решения влияет большое количество факторов. Одни из них можно численно проанализировать и сократить область вариантов решения. Другие не имеют теоретической ясности для количественного описания. Появляется неопределённость, преодолевать её помогают знания, опыт, интуиция, качественный анализ. Появляется риск выбора некачественных, неоптимальных решений. Среди других факторов, надёжность имеет особое место, её надо учитывать всегда. Последствия от ненадёжности такие серьёзные, что требуется постоянное совершенствование методов проектирования, строительства, эксплуатации энергосистем, позволяющих полнее учитывать надёжность.

Основной задачей электропитающих систем является снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при необходимом качестве. На это влияют непредвиденные причины–отказы или аварии в энергосистемах, перебои в топливоснабжающей системе, нерегулярное поступление гидроресурсов. Известны различные средства, повышающие надёжность энергосистем: релейная защита от КЗ, АПВ, АВР, АРВ, АЧР, АРЧВ, АРМ, Кроме этого, специальные схемные и режимные мероприятия по повышению надёжности (неполнофазные режимы, плавка гололёда, дублирование генераторной мощности, увеличение пропускной способности межсистемных связей, трансформаторных подстанций, резервирование мощности) Деление потребителей на категории по надёжности и рекомендации по построению схем способствующих обеспечению структурной надёжности энергосистемы.

От надёжности электроснабжения зависят промышленность, быт, сельское хозяйство. Зависимость эта такая сильная, что её нарушение приводит к огромному материальному ущербу, имеющему масштабы национального бедствия на территории с населением десятков миллионов человек.

В энергосистемах последние несколько десятков лет наблюдается тенденция укрупнения всех элементов, увеличение, в том числе, единичных мощностей генераторов. Указанные обстоятельства привели к тому, что обеспечение надёжности энергетических систем стало ключевой проблемой современной энергетики. Связь между энергосистемой, её элементами и внешней средой носит вероятностный характер и можно говорить лишь о вероятности полного достижения энергосистемой своей цели–передачи электроэнергии потребителю. Поэтому надежность работы энергосистемы всегда включает отказ (нарушение). Неполнота надёжности энергосистемы даёт потери выходного эффекта её работы, на практике это недоотпуск энергии потребителям.

Теория надёжности энергосистем основывается на вероятностно-статистической природе её поведения. В последнее время с увеличением числа системных аварий, разрабатываются методы оценки вероятности и путём их каскадного развития, обусловленных отказами автоматики и коммутационной аппаратуры, возникновение недопустимых режимов работы элементов. Так как отказ элемента при обширной зоне действия на другие элементы вызывает необходимость работы автоматических коммутационных аппаратов, которые тоже могут отказать. Возникает задача составления расчётных схем по надежности.

Для применения при анализе надёжности теории вероятности энергосистема должна быть избыточной (избыточность–дополнительные средства и возможности для выполнения энергосистемой заданных функций). Избыточность энергосистемы выступает в следующих формах:

•Резервирование (повышение надёжности дублированием элементов и функций, предоставление дополнительного времени для выполнения задачи, использование избыточной информации при управлении);

•Совершенствование конструкций и материалов, из которых сделаны элементы энергосистемы, повышение их запасов прочности, долговечности, устойчивости к неблагоприятным явлениям внешней и внутренней среды;

•Совершенствование технического обслуживания, оптимизации периодичности и глубины капитальных и профилактических ремонтов, снижение продолжительности аварийных ремонтов;

•Совершенствование систем контроля и управления процессами в электрических системах.

Проблема надёжности управления энергосистемами за последние 2-3 десятилетия резко обострилась. Это вызвано следующими причинами:

•Резким увеличением сложности энергосистем, включающих миллионы потребителей, тысячи узлов и элементов;

•Экстремальностью условий эксплуатации многих элементов энергосистем (высокие скорости, ускорение, температуры и давления, вибрации, повышенной радиации);

•Повышения требований к качеству работы (эффективность, высокие параметры энергии);

•Увеличение ответственности функций выполняемых энергосистемой, (высокой экономической и технической ценой отказа);

•Полной или частичной автоматизацией, широким применением ПЭВМ для управления, и как следствие, исключением или уменьшением непосредственного контроля человеком работы энергосистемы и её элементов.

8.1 Основные понятия, термины и определения надежности электрических систем

· Надёжность электрической системы (объединения)–способность выполнения электростанцией ее основной функции- бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергией требуемого (нормативного) качества и исключения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. Это термин комплексного характера, по функциональному признаку структурных составляющих электрической системы.

· Надёжность системы генерации–способность электростанции поддерживать требуемый баланс мощности при нормальном значении частоты.

· Надёжность основной электрической сети–способность устойчиво передавать мощность из частей энергосистемы с избытком в части с её дефицитом.

· Надёжность распределительной сети–способность этой сети поддерживать бесперебойное питание узлов нагрузки (отдельных потребителей или их групп).

· Надёжность в установившемся режиме электрической системы–способность обеспечения баланса мощности и электрической энергии при нормативном качестве электроэнергии.

· Надёжность электрической системы в переходном процессе–способность электрической системы и её отдельных структурных частей противостоять нарушением режима и обеспечивать электроснабжение потребителей.

· Уровень надёжности–определяется значением недоотпуска электроэнергии потребителям. Его причинами могут быть:

•оперативные ограничения и отключения потребителей диспетчером для ликвидации аварии или её предупреждения;

•оперативные отключения в электроустановках персоналом для спасения от повреждения оборудования и предупреждения нарушений технологического процесса в условиях резкого снижения качества электрической энергии;

•автоматические аварийные отключения питающих элементов или полное погашение питающих подстанций из-за аварийного нарушения схемы электрической системы;

•автоматическое отключение электроприёмников и установок потребителей от действия противоаварийной автоматики при аварийных режимах электрической системы или уменьшения частоты или напряжения.

Надёжность электрической системы является комплексным показателем, определяющим её свойства длительно сохранять во времени и устойчиво воспроизводить в процессе эксплуатации свои рабочие характеристики и параметры. Надёжность электрической системы обеспечивается такими свойствами как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, устойчивость, управляемость, живучесть, безопасность, качество.

•безотказность электрической системы (сети)–её свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени;

•работоспособность электрической системы (сети)–выполнение ею функций с заданными параметрами электрической энергии;

•долговечность электрической системы (сети)–сохранения ею работоспособности до предельного состояния (т.е. снижения качества передаваемой энергии, эффективности её транспорта, снижение безопасности эксплуатации);

•управляемость электрической системы (сети)–приспособленность её к управлению с целью поддержания в ней установившегося режима работы;

•ремонтопригодность электрической системы (сети)–приспособленность к предупреждению и обнаружению причин отказа (события, заключающегося в нарушении работоспособности) отдельных элементов и их устранения;

•безопасность электрической системы (сети)–возможность не создавать в ней ситуаций опасных для людей и окружающей среды;

•живучесть электрической системы–свойство системы противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей;

•качество электрической системы (сети)–совокупность свойств, определяющих степень пригодности системы по назначению.

Кроме этого электрическим системам и их элементам как объектам (системам) для исследования надёжности присущи, в полной или частичной мере, следующие свойства:

•старение–процесс постепенного изменения параметров, вызываемый действием различных факторов, независимых от режима работы объекта;

•износ–процесс постепенного изменения параметров, вызываемых действием факторов, наличие которых зависит от режима работы объекта;

•резервирование–способ повышения надёжности объекта путём включения дополнительных элементов при проектировании или в процессе эксплуатации, а также за счёт использования избыточной информации или избыточного времени;

•гибкость–приспособленность объекта к сохранению работоспособности путём обеспечения различных режимов работы;

•готовность–способность обеспечить функционирование объекта в произвольный момент времени;

•оперативная готовность–способность объекта обеспечить исправное состояние в произвольный момент времени и проработать безотказно заданное время;

•срок службы–календарная продолжительность эксплуатации объекта от её начала или возобновления после ремонта до наступления предельного состояния;

•восстанавливаемость–свойство объекта после отказа устранить повреждение;

•невостанавливаемость–свойство объекта однократного использования, срок службы которого до первого отказа.

Применительно к перечисленным свойствам электрической системы, как объекта изучения надёжности под показателем надёжности понимается количественная характеристика одного или нескольких её свойств.

В технике при исследовании надёжности, понятие системы рассматривается как совокупность элементов взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций. Для электрической системы–это производство, передача и распределение электрической энергии.

· Элементы системы–законченные устройства, способные выполнять локальные функции в системе. Для электрической системы–это генераторы, трансформаторы, линии, выключатели, или генерирующие источники, системообразующие сети, распределительные сети. Любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. (Пример, выключатель).

Рассматривая свойства и характеристики элементов и систем, при изучении их надёжности считают их предметами определённого целевого назначения–объектами.

Деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональное, конструктивное, схемное, оперативное и т.д.), точности исследования, наличия статистических данных, масштабности объекта в целом.

8.2 Состояние и события при изучении надёжности электрической системы, типы отказов.

•Работоспособность системы (элемента)–состояние, при котором значение её параметров находятся в пределах, установленных документацией.

•Неработоспособность системы (элемента)–состояние, при котором значение хотя бы одного параметра находится не в пределах нормы.

•Отказ–событие, заключающееся в нарушении работоспособности

системы (элемента) т.е. переходе её из исправного состояния в неисправное.

•Отказ электрической системы–событие, приводящее к недоотпуску электроэнергии потребителям (всем или части, соответственно полный или частичный отказ) при прекращении или ограничении электроснабжения. Отказом электрической системы также следует считать снижение частоты или напряжения ниже допустимых значений по действующим нормам.

В теории надёжности различают три характерных типа отказов, внутренне присущих техническим устройствам:

•отказы приработочные–происходящие вследствие несовершенной технологии изготовления, эти отказы могут быть исключены путём «отбраковки» при испытании или наладке устройства;

•отказы износовые–(постепенные), вызываемые износом отдельных частей устройства или их старением, могут предотвращаться путём периодической; замены элементов.

•отказы внезапные (случайные)–обусловленные случайным сочетанием многих внешних факторов, и преобладающие на промежутке нормальной эксплуатации устройства.

Характерными внезапными отказами в электрической системе являются отказы типа «короткое замыкание» и «обрыв». Внезапные отказы происходят под действием релейной защиты, различают также отказы устойчивые и неустойчивые. (Пояснить). Наблюдаются отказы, выявляемые персоналом по показаниям контрольно-измерительных приборов и периодическим осмотрам оборудования.

Отличительный признак или группа признаков, по которым устанавливается факт отказа–критерии отказа.

Считаем, что система начала работать в момент времени t=0, находясь в работоспособном состоянии. Допустим, что система отключается только вследствие отказа. Обозначит Т–время до отказа. Это время–функция случайных отклонений технологических условий изготовления элементов, условий монтажа, наладки, эксплуатации и случайной величины. Отключение системы может быть для технического обслуживания, ремонта из-за циклического графика работы, аварии в других объектах. Продолжительность работы системы в этой ситуации–наработка, а случайная величина, т.е. длительность работы без отказа–наработка до отказа. Наработка до отказа может измеряться временем (в большинстве случаев) или числом включений (срабатываний, циклов). Для систем без отключений (кроме отказов), наработка до отказа совпадает со временем безотказной работы.

•Восстанавливаемость системы–событие, заключающееся в её переходе из неработающего состояние в работающее. Это свойство системы (объекта) позволяющее в случае отказа устранить повреждение, получить значения параметров, удовлетворяющие требованиям её функционирования. Соответственно имеют место восстанавливаемые системы (объекты). К таким системам относятся и электрические системы, а также большинство их элементов, в которых производится восстановление после отказа.

•Невосстанавливаемые системы (объекты)–это системы, восстановление которых после отказа–невозможно или нецелесообразно. Невосстанавливаемость–свойство объекта однократного использования, который не поддаётся восстановлению в случае отказа.

8.3 Технологические особенности обеспечения надёжности в электрических системах

Свойства электрических систем, влияющих на надёжность их работы:

•непрерывность и жёсткая связь во времени процессов производства, распределения и потребления электрической энергии;

•вероятностный характер формирования энергетических и тепловых нагрузок, определяемых условиями функционирования энергопотребляющих отраслей промышленности и изменением климатических факторов;

•зависимость структуры располагаемых энергоресурсов от складывающейся топливной конъюнктуры, работы транспортных систем, обеспечения гидроресурсами;

•быстрота протекания аварийных процессов;

•решающее влияние степени надёжности электроснабжения на работу всех отраслей хозяйства, социальных структур и условий жизни населения;

•высокие требования к системе управления энергосистемой;

•ограниченность резервов генерирующей мощности;

•чувствительность энергосистемы к внезапным отклонениям частоты;

•наличие в сетях 110-330 кВ большого количества выключателей, отключающая способность которых не соответствует уровням токов КЗ в энергосистеме, это приводит к секционированию сетей этих напряжений (для ЕЭС);

•влияние понижения напряжения в распределительных сетях (дефицит реактивной мощности).

8.4 Схемы соединения энергосистем и их надёжность

Надёжность схемы соединения проверяются по следующим условиям:

•обеспечение коэффициента запаса статической устойчивости по нормальному и послеаварийному режиму;

•обеспечение динамической устойчивости;

•ограничение величины тока короткого замыкания;

•обеспечение распределения мощностей в послеаварийных и ремонтных режимах;

•обеспечение правильной работы устройств релейной защиты и системной автоматики;

•возможность дальнейшего развития электрической сети без коренных её изменений.

По мере развития сети высокого напряжения энергосистемы изменяются и значения более низких ступеней напряжения. Эти сети превращаются в распределительные и их схемы меняются.

Одно из основных свойств схемы энергосистемы–жёсткость её узловых точек. Она характеризуется для точки величиной прироста нагрузки, при котором величина или фаза напряжения в ней изменяется. Чем больше этот прирост, тем больше жёсткость энергосистемы в этой точке. Прирост активной мощности нагрузки (Р_н) приводит к изменению фазы напряжения, т. к. приток мощности из смежных узловых точек может возникнуть лишь при сдвиге фазного угла напряжения в сторону отставания. Прирост реактивной мощности нагрузки (Q _н) приводит к изменению величины напряжения т. к. приток реактивной мощности от смежных точек возникает при пониженном напряжении в данной точке.

Жёсткость узлов точки есть функция от относительности сопротивления, связывающего эту точку с другими. Чем ближе точка к шинам бесконечной мощности, тем она жёстче.

Сеть высокого напряжения энергосистемы, определяющая жёсткость энергосистемы, должна быть достаточно развитой, резервированной и связывать основные части энергосистемы и узлы с большими нагрузками.

Наилучшие с точки зрения надёжности, это замкнутые схемы электрических сетей, опирающиеся на несколько источников питания. Сети должны быть рассчитаны на поддержание значений напряжения во всех узлах при отключении любой линии сети, это предъявляет повышенные требования к головным участкам сети. Замкнутые сети имеют большие токи КЗ, поэтому в нормальном режиме допускается их разомкнутая работа, но с обеспечением АВР.