Элементы ЭЭС можно разделить на две условные группы

• 1. Силовые элементы — вырабатывающие (генераторы), преобразующие (трансформаторы, выпрямители, инверторы), передающие и распределяющие (линии электропередачи, сети) и потребляющие (потребители, нагрузки, электроприемники) электрическую энергию.
• 2. Элементы управления — реагирующие на возмущения и изменяющие состояние системы (регуляторы возбуждения, частоты, скорости вращения роторов синхронных машин, выключатели, устройства релейной защиты и автоматики).

Поведение электроэнергетической системы определяется ее режимом. Режим — состояние системы, которое характеризуется показателями, количественно определяющими ее работу. Следует различать параметры режима и параметры системы.

Режим ЭЭС — некоторое ее состояние, определяемое значениями мощностей, напряжений, токов, частоты, схемой соединения элементов системы и другими физическими переменными величинами, характеризующими процесс функционирования системы. Относя термин «режим» к некоторому интервалу времени, обычно указывают величину или другие признаки этого интервала: предшествующий режим — режим работы электроустановки непосредственно перед моментом возникновения короткого замыкания; режим после отключения короткого замыкания; режим до срабатывания релейной защиты и т. п.

Параметры режима — показатели, определяющие работу системы. К ним относятся: значения мощности, напряжения, тока, частоты, углов сдвига векторов ЭДС и напряжений () и т. д.

Параметры системы — показатели, количественно определяющиеся физическими свойствами элементов системы, схемой их соединения и рядом допущений расчетного характера. К ним относятся: значения активных, реактивных и полных сопротивлений, собственных и взаимных проводимостей, коэффициентов трансформации, постоянных времени и т. п. Параметры режима связаны между собой соотношениями, в которые входят параметры системы. Например: I=U/R, где I, U — параметры режима, R — параметр системы.

Любые переходные режимы возникают в результате изменения параметров системы, вызванных какими-либо причинами. Эти причины называются возмущающими воздействиями.

Ряд параметров системы может нелинейно зависеть от параметров режима. Такая система называется нелинейной. Известно, что вследствие нагрева активное сопротивление проводника изменяется. Однако во многих практических задачах параметры этой системы можно полагать неизменяющимися, считая систему линейной. Другой вид нелинейности, который уже приходится учитывать, обусловлен характером соотношений между параметрами режима системы.

.

где R, х_C — параметры системы; Р, U, д — параметры режима.

Режим электрической системы может быть установившимся или переходным (неустановившимся). Различают следующие основные режимы электроэнергетических систем.

Нормальные установившиеся режимы, при которых значения параметров режима остаются неизменными или изменяются медленно и нерегулярно, в пределах, соответствующих нормальной работе элементов системы с оптимальными технико-экономическими характеристиками. Применительно к ним проектируется электрическая система, и определяются ее основные технико-экономические показатели.

Переходные режимы имеют место при переходе от одного установившегося режима к другому и характеризуются относительно быстрым и резким изменением параметров режима.

Нормальные переходные режимы возникают при нормальной эксплуатации электрической системы и связаны с переходом из одного нормального установившегося режима к другому; параметры в этих режимах близки к нормальным, хотя могут изменяться во времени достаточно быстро (включение и отключение каких-либо элементов системы, изменение нагрузки, несинхронные включения синхронных машин и т. п.).

Аварийные установившиеся и переходные режимы протекают в аварийных условиях (короткие замыкания, внезапные отключения, повторные включения и отключения, обрывы нагруженных фаз, выпадение из синхронизма синхронных машин и несинхронные включения их, нарушение устойчивой работы двигательной нагрузки и т. п.); аварийные переходные режимы характеризуются значительными изменениями параметров режима, выходящими за пределы допустимых значений. Для них определяются технические характеристики, связанные с длительностью ликвидации аварии и выясняются условия дальнейшей работы системы. Длительное существование аварийного переходного режима невозможно: электрическая система в этих условиях не может полностью или частично выполнять свои функции.

Послеаварийные установившиеся режимы наступают после аварийного отключения одного или нескольких элементов системы с целью ликвидации аварии и сопровождаются изменением структуры системы. Параметры этого режима могут существенно отличаться от параметров нормального режима. В послеаварийном режиме система может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с доаварийным режимом.

Для электроустановок характерны 4 режима: нормальный, аварийный, послеаварийный, ремонтный. Из них аварийный режим является кратковременным, остальные — продолжительными. Электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных, определяющим из которых является режим короткого замыкания. По режиму короткого замыкания электрооборудование проверяется на электродинамическую и термическую стойкость, а коммутационные аппараты — на коммутационную способность.

Режим короткого замыкания — режим работы электроустановки при наличии в ней короткого замыкания.

Переходные режимы связаны с возникновением переходных процессов, при которых происходит изменение электрического состояния элементов системы, обусловленное как естественными причинами, так и работой устройств автоматики.

Процесс — последовательная смена состояний, стадий развития; совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата.

Переходный процесс в ЭЭС — явление, возникающее при переходе от одного режима системы к другому, отличающемуся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров, структурой системы.

При переходе от одного режима к другому изменяется электромагнитное состояние элементов системы и нарушается баланс между механическим и электромагнитным моментами на валах генераторов и двигателей. Это означает, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе, которые взаимно связаны и представляют собой единое целое. Тем не менее очень часто переходный процесс делят на две стадии.

Электромагнитный переходный процесс — процесс изменения во времени только электромагнитных параметров режима электроустановки без учета влияния на них изменения частоты вращения синхронных генераторов электрической системы. Длительность их протекания от сотых долей до 0,1…0,2 с. с частотой 50−150 Гц.

Электромеханический переходный процесс — переходный процесс, характеризуемый одновременным изменением значений электромагнитных и механических величин, определяющих состояние электроустановки. Скорость их протекания изменяется от 10 до 50 Гц.

Переходный процесс, начавшийся в момент возмущения режима в линейной системе, теоретически длится бесконечно долго. Поэтому практически считают, что переходный процесс закончился и наступил установившийся режим, если характеризующие его параметры отличаются от своих установившихся значений на некоторую конечную величину, значение которой относительно невелико.

В любых переходных процессах происходят закономерные последовательные изменения параметров режима системы, вызванные какими-либо причинами, называемыми возмущающими воздействиями. Они создают начальные отклонения параметров режима — возмущения режима.

Как уже отмечалось, нормальные переходные процессы сопровождают текущую эксплуатацию системы. Они связаны в основном с изменениями нагрузки системы, реакцией на это регулирующих устройств и возникают при обычных эксплуатационных операциях: включении и отключении отдельных элементов системы или изменениях их мощности. При нормальной эксплуатации даже в установившемся режиме реальной электрической системы всегда имеются малые возмущающие воздействия, вызывающие малые возмущения режима (изменение нагрузки). Следовательно, действия регулирующих устройств происходят непрерывно. Это означает, что строго неизменного режима в системе не существует, и, говоря об установившемся режиме, всегда имеют в виду режим малых возмущений (см. рисунки 2−4). При этом предполагают, что отклонения параметров режима, связанные с этими возмущениями, происходят около некоторого условно принятого среднего исходного состояния. Поэтому при малых колебаниях параметров режим допустимо считать установившимся.

Малые возмущения не должны вызывать нарушения устойчивости системы, то есть не должны приводить к утяжелению режима — прогрессивно возрастающему изменению параметров ее исходного режима. Иначе говоря, электрическая система должна обладать статической устойчивостью.

Статическая устойчивость — это способность системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или режим, весьма близкий к исходному, если возмущающее воздействие не снято. Для увеличения статической устойчивости необходим учет действия регуляторов возбуждения, особенно так называемых «сильного действия» с высоким «потолком возбуждения» и регулированием по отклонению нескольких параметров режима и скорости их изменения (по производным).

Нормальные и аварийные переходные процессы при больших возмущениях в электрической системе возникают вследствие резких и существенных изменений параметров режима: при коротких замыканиях и последующем их отключении; при изменении схемы соединения системы; при нормальном включении или отключении линий электропередачи; при включении генераторов или крупных электродвигателей методом самосинхронизации и в некоторых Других случаях. Все это приводит к значительным отклонениям параметров Режима от их исходного состояния, при которых необходимо учитывать нелинейности системы. По отношению к большим возмущениям вводят понятие динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость — способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное состояние или близкое к исходному, допустимому по условиям эксплуатации системы. Для повышения динамической устойчивости требуется форсировка возбуждения генераторов, быстрое отключение аварийных участков, применение специальных тормозящих устройств, отключение части генераторов и части нагрузки устройствами автоматической разгрузки по частоте (АЧР). Уменьшение передаваемой мощности будет способствовать сохранению в работе основной части системы.

Если после большого возмущения синхронная работа частей объединенной системы нарушается, а затем, после некоторого, допустимого по условиям эксплуатации перерыва, восстанавливается, то система считается имеющей результирующую (синхронную динамическую) устойчивость. Увеличение результирующей устойчивости обычно рассматривается как повышение живучести системы. Это достигается в первую очередь регулированием мощности, выдаваемой генераторами и автоматическим отключением части потребителей.

Рисунок 2. Изменения параметров нормального режима системы:

U — напряжение на шинах подстанций, питающей нагрузку;

Р_н — поток мощности, потребляемой нагрузкой Н; fчастота в системе. Индекс 0 означает номинальное (нормальное) значение.

Рисунок 3. Изменение параметров при нормальных переходных режимах в системе:

а — схема системы; б—отключение линии электропередачи Л₁, питающей подстанцию от генератора Г₁; U₁ — напряжение на шинах подстанции П₁, Р₁— поток мощности от генератора, в — включение мощного генератора Г₂ и набор им нагрузки; U — напряжение на шинах подстанции П₂, — поток мощности от генератора Г₂, (индекс 0 — начальное значение, 1, 2- установившееся).

Рисунок 4. Переходный аварийный режим в системе. (Короткое замыкание в точке К на одной из линий электропередач вблизи шин питающей подстанции 1 и последующее отключение этой линии. Система остается устойчивой. U1, U2 — напряжение на шинах подстанций 1 и 2; Р₁ — поток мощности от генератора; f₁ — частота в системе.).

Выводы:

Переходные процессы обусловлены переходом ЭЭС из одного установившегося режима к другому.

Любые переходные процессы возникают в результате изменения параметров системы, вызванного какими-либо причинами. Эти причины называются возмущающими воздействиями.

Наиболее тяжелыми являются аварийные переходные процессы, обусловленные короткими замыканиями в элементах ЭЭС.

В аварийном переходном процессе можно выделить 2 стадии:

электромагнитный переходный процесс — процесс изменения во времени только электромагнитных параметров режима электроустановки без учета изменения частоты вращения роторов синхронных генераторов;

электромеханический переходный процесс — характеризуется одновременным изменением значений электромагнитных и механических величин, определяющих состояние электроустановки.

Расчет токов начального режима короткого замыкания является главной задачей на стадии электромагнитного переходного процесса, а на стадии электромеханического — оценка устойчивости системы.

Устойчивость системы бывает статической, динамической и результирующей.