Глава 13

13.1. Представление нагрузки при расчетах устойчивости систем электроснабжения

Узлами нагрузки называются точки СЭС, в которых происходят отбор и распределение мощности для питания групп потребителей электрической энергии (электродвигатели, осветительные установки, печи, конденсаторные установки и др.) с различными конструктивными характеристиками и режимами работы.

При расчетах устойчивости СЭС в зависимости от особенностей решаемой задачи нагрузки могут представляться в схемах замещения различными расчетными моделями. Полнота математического описания электрической нагрузки оказывает существенное влияние на результаты расчетов электромеханических переходных процессов. При определении полноты учета нагрузки исходят из необходимости обеспечения требуемой точности конечных результатов, стремления сократить объемы исходной информации и вычислений.

На режим электропотребления и на устойчивость узлов нагрузки СЭС оказывают влияние состав электроприемников и их параметры.

Наиболее широкое распространение в СЭС получили следующие характерные группы электроприемников:

1. Силовые общепромышленные установки. К ним относятся компрессоры, вентиляторы, насосы, подъемно-транспортные устройства. Электродвигатели компрессоров, вентиляторов и насосов работают, как правило, в продолжительном режиме и изготавливаются мощностью от нескольких сот ватт до тысяч киловатт на напряжение от 0,22 до 10 кВ. Перерывы в электроснабжении и нарушения устойчивости могут повлечь за собой опасность для жизни людей, серьезные нарушения технологического процесса или повреждение оборудования. В электроприводе мощных насосов, компрессоров и вентиляторов применяют главным образом синхронные двигатели, работающие с опережающим коэффициентом мощности. Подъемно-транспортные устройства работают в повторно-кратковременном режиме, для которого характерны резкие изменения (толчки) нагрузки.

2. Электродвигатели производственных механизмов. Этот вид электрической нагрузки встречается на всех промышленных предприятиях. В электроприводе современных станков применяются как синхронные, так и асинхронные двигатели. Мощность их чрезвычайно разнообразна и изменяется от долей до сотен киловатт и больше. Нередко применяются электродвигатели постоянного тока в сочетании с выпрямительными установками. Нарушения электроснабжения или устойчивости такой нагрузки приводят обычно к экономическому ущербу.

3. Электрические осветительные установки. Они представляют собой однофазную нагрузку, создающую несимметрию параметров: СЭС. Однако путем равномерного распределения этой нагрузки между фазами достигают устранения возможной несимметрии. Осветительная нагрузка характеризуется отсутствием резких изменений и зависит от географического местонахождения объектов освещения, времени года и суток.

4. Преобразовательные установка. Предназначены для преобразования трехфазного тока в постоянный или в трехфазный либо в однофазный ток пониженной либо повышенной по сравнению с 50 Гц частоты. Преобразовательные установки бывают различных типов и служат для питания двигателей ряда машин и механизмов, электролизных ванн, внутрипромышленного электрического транспорта, электрофильтров, электросварочных и индукционных установок и др. Мощность преобразовательных устройств для внутрипромышленного электрического транспорта (откатка, подъем, различные виды перемещения грузов) находится в пределах от сотен до тысяч киловатт. Нарушение устойчивости режимов питания приемников этой группы вызывает серьезные технологические осложнения в работе предприятий и значительные экономические ущербы.

5. Электротехнологические установки. Потребители этой группы делятся на электротермические, электросварочные, электролизные, электрофизической и электромеханической обработки, электроаэрозольной технологии. Режимы работы электротехнологических установок оказывают существенное влияние на устойчивость СЭС [10], что предопределяет необходимость учета их в расчетах переходных процессов.

Резкопеременные режимы работы дуговых печей прямого нагрева для плавки стали и электросварочных установок вызывают колебания напряжения и влияют на устойчивость работы светотехнических устройств, радио- и телевизионной аппаратуры, вычислительной техники и др. Такие режимы могут вызывать ложное срабатывание средств защиты и автоматики, а также нарушение устойчивости синхронных и асинхронных двигателей.

При нелинейной нагрузке, когда к узлу подключены вентильные преобразователи электролиза, индукционные и другие установки, в сети генерируются высшие гармоники тока, перегружаются конденсаторные батареи. Это приводит к появлению дополнительных потерь мощности в элементах СЭС и к снижению запаса ее статической и динамической устойчивости. Аналогичными последствиями характеризуется также несимметричная нагрузка электрошлаковых печей, электросварочных и индукционных установок. Использование на промышленных предприятиях полупроводниковых преобразователей, дуговых печей прямого нагрева для плавки стали, электросварочных установок вызывает большую потребность в реактивной мощности. Поэтому при анализе электромеханических переходных процессов необходимо учитывать влияние реактивной мощности на устойчивость узлов электрических нагрузок.

Применение разнообразных потребителей электрической энергии, характеризующихся различной степенью воздействия на режимы электропотребления, требует всестороннего анализа и учета свойств электроприемников в процессе проектирования и эксплуатации СЭС. При этих условиях представляется возможным определить влияние нагрузки на устойчивость СЭС и выбрать наиболее экономичные способы и средства ее повышения.

Рис. 13.1. Состав простейшего узла нагрузки

В практике исследования электромеханических переходных процессов используют комплексные расчетные модели нагрузки, которые описывают простейшую одноузловую схему (рис. 13.1). Зги модели позволяют воспроизвести основные особенности переходных процессов в электродвигателях и учесть влияние других

электроприемников. Комплексные расчетные модели нагрузки включают в себя уравнения эквивалентных асинхронного и синхронного двигателей, а также статической нагрузки.

Под статической нагрузкой zcт понимают нагрузку, создаваемую электроприемниками, в которых отсутствует вращающееся магнитное поле: электрическое освещение, электропечи и другие электротехнологические установки, а также коммунально-бытовые приборы. К статической нагрузке относятся также конденсаторные батареи, емкость ВЛ и КЛ, индуктивные и активные сопротивления элементов сети, которые создают потери в сопротивлениях, потери намагничивание трансформаторов, рассеяние и др. Значение zcт в общем случае зависит от напряжения.

Что касается двигательной нагрузки, то она математически описывается по-разному в зависимости от числа электродвигателей, входящих в состав узла нагрузки [27]:

1) в узлах нагрузки с малым числом электродвигателей каждый из них учитывается своими уравнениями и параметрами движения и непосредственно вводится в расчет;

2) в узлах нагрузки, включающих в себя группы различных электродвигателей, относящихся к одному производству, группы заменяются небольшим числом эквивалентных электродвигателей с параметрами, которые рассчитываются по определенным правилам на основании данных о реальных двигателях;

3) крупные узлы нагрузки описываются с использованием ряда конкретных данных о составе нагрузки и параметрах питающей сети, а также исходной информации, полученной в результате вероятностно-статистического анализа.

При расчетах устойчивости крупных узлов нагрузки одним из важных факторов является взаимное влияние электродвигателей, причем точность расчетов практически не снижается, если в уравнения, описывающие каждый электродвигатель, ввести ряд упрощений. Например, можно пренебречь потерями в статоре электродвигателя и считать потребляемую из сети активную мощность равной электромагнитной мощности двигателя. При постоянной частоте питающего напряжения эта мощность пропорциональна вращающему моменту двигателя. Все виды механических потерь можно относить к приводному механизму. Можно вообще исключить из рассмотрения ряд составляющих переходного процесса синхронных и, главным образом, асинхронных двигателей.

При таких упрощениях уравнения движения электродвигателей, используемые при описании крупных узлов нагрузки, могут отличаться от уравнений, по которым рассчитываются электромеханические переходные процессы в одиночных электродвигателях. Однако это не вносит существенных погрешностей в конечные результаты инженерных расчетов устойчивости нагрузки СЭС.

Для повышения точности расчетов за счет более детального учета всех основных особенностей потребителей и распределительной сети применяют многоэлементные комплексные модели. В зависимости от поставленной задачи и структуры нагрузки расчетная схема нагрузки может содержать различное число узлов, электродвигателей и других потребителей. Чем меньше протяженность распределительной сети и чем больше однородность нагрузки, тем проще ее расчетная модель.

Иногда нагрузку моделируют в виде постоянного сопротивления , что упрощает расчеты, но приводит к существенным погрешностям.

Большинство методик расчетов электромеханических переходных процессов в СЭС основывается на использовании статических и динамических характеристик нагрузки.