Лавина напряжения в узле нагрузки

В нормальных режимах работы асинхронных двигателей их рабочее скольжение значительно меньше критического, а максимальная мощность в (1,5-2,2) раза больше потребляемой. Исходя из этих параметров, боль­шинство энергетиков предприятий обычно считают, что асинхронные дви­гатели работают с большим запасом устойчивости. Поэтому колебания напряжения не являются опасными с точки зрения устойчивой работы двигателей, и только весьма значительные снижения напряжения мо­гут приводить к останову или, как иногда говорят, к опрокидыванию двигателей. Однако это справедливо только в том случае, если питание двигателей осуществляется от шин, напряжение на которых не зависит от режима их работы.

В большинстве случаев напряжение на шинах двигателя зависит от режима двигателя (характерным примеров является режим пуска двига­теля, когда отклонение напряжения на его шинах может быть весьма зна­чительным). Условия нарушения устойчивости двигателя в этом случае получаются существенно иными. Для оценки изменений условий ус­тойчивости рассмотрим систему электроснабжения, приведенную на рис. 4.12, а, где нагрузка представлена эквивалентным асинхронным дви­гателем. Для данной системы очевидно, что изменение нагрузки двигателя приведет к изменению напряжения на его шинах. В этих условиях характе­ристику мощности удобнее вычислять и строить не по изменяющемуся напряжению U=φ(s), а по неизменному значению ЭДС Е.Максимальная мощность в этом случае будет

Данное выражение получено как приближенное, исходя из весьма уп-
рощенной схемы замещения при вынесении ветви намагничивания на шины
ЭДС (см. рис. 4.12, б). Однако это обстоятельство не меняет общих каче-
ственных закономерностей.

Величина Р_МЕ, определенная при Е=const [или, что одно и то же при
U=φ(s)], будет значительно меньше Р_м, определенной при U=const по
формуле (4.12). Критическое скольжение, определяемое из выражения

Из этого следует (см. рис. 4.12, в), что опрокидывание двигателей, получающих питание от системы соизмеримой мощности, может произойти при сравнительно небольших изменениях скольжения и небольших сниже­ниях ЭДС в системе и тем более при небольших изменениях напряжения.

Поэтому в общих случаях определение критических параметров следует проводить, исходя не из напряжения на зажимах двигателей, которое не являет­ся независимой переменной, а исходя из ЭДС генератора, которую можно счи­тать не зависящей от изменений режима. Эта ЭДС в зависимости от способа регулирования возбуждения генератора будет различной (см. параграф 2.9).

Рассмотрим процесс нарушения устойчивости комплексного узла на­грузки, основываясь на статических характеристиках нагрузки, генерации и критерия.

Известно, что в состав комплексного узла нагрузки кроме асинхрон­ных двигателей входят также синхронные двигатели и статические потре­бители (освещение, печи, выпрямители и т. д.). Однако именно асинхрон­ные двигатели в большинстве случаев определяют качественный характер статической характеристики реактивной мощности узлов нагрузки по на­пряжению (зависимость Q_н, рис. 4.13, а). При уменьшении напряжения потребляемая реактивная мощность нагрузки снижается. Однако при боль­ших снижениях напряжения, в зоне критических значений, реактивная мощность увеличивается из-за останова не отключившихся от сети асинх­ронных двигателей. Практически это увеличение ограничивается отклю­чением части потребителей из-за самопроизвольного «отпадания» магнит­ных пускателей при низких напряжениях. Это снижает нагрузку и, соот­ветственно, характеристику реактивной мощности.

На рис. 4.13, а представлены наиболее типичные характеристики Q_r ге­нерируемой реактивной мощности. Вначале, при снижении напряжения, ха­рактеристика мощности возрастает. Это обусловлено уменьшением второй составляющей мощности в выражении (4.19) и увеличением первой из-за возрастания ЭДС Е, обусловленной действием АРВ. При дальнейшем сниже­нии напряжения ток возбуждения генерирующих источников достигает по­толочных значений, и в дальнейшем их реактивная мощность уменьшается.

В нормальных режимах баланс реактивных мощностей характеризу­ется точкой А пересечения характеристик нагрузки и генерации в области допустимых значений напряжения (зависимости Q_H и Q_Г1 рис. 4.13, а). В аварийных режимах характеристика генерации, как правило, резко сме­щается из-за отключения части питающих линий электропередачи или ге­нерирующих источников. В этом случае характеристики нагрузки и генера­ции пересекаются в точке Б (зависимости Q_Н и Q_Г2) с аварийным уровнем напряжения U_кр. Критический режим по напряжению U_кр наступает в точ­ке В, где реактивные мощности генерации и нагрузки еще балансируются, однако их характеристики только соприкасаются (зависимости Q_Н и Q_Г3). При дальнейшем смещении характеристики генерации она уже не будет иметь точки пересечения с характеристикой нагрузки, и возникает лави­нообразный процесс снижения напряжения (рис. 4.13, б). Аналогичное явление может иметь место и при увеличении нагрузки. При этом проис­ходит торможение двигателей, что вызывает резкое увеличение потребля­емой реактивной мощности и, как следствие, прогрессирующее снижение напряжения из-за нарушения баланса мощностей (реактивная мощность на­грузки Q_Н больше мощности генерации Q_Г). Оперативный персонал энерго­системы и потребителей не имеет непосредственно информации о росте то­ков и скольжений двигателей, входящих в состав комплексной нагрузки, в то время, когда они приближаются или происходит режим опрокидывания, но наблюдают резкое лавинообразное снижение напряжения. Процесс этот по­этому и получил название лавины напряжения. Лавина напряжения заканчива­ется полным обесточиванием всего энергоузла (Q_r=О, U=0) из-за нарушения работы собственных нужд электростанций или установлением весьма низких уровней напряжения U_л (точка Г, рис. 4.13), когда у потребителей произошло нарушение устойчивости двигателей и самоотключение части нагрузки.

Основными причинами аварийного снижения напряжения, вызываю­щего лавину напряжения, являются отключения генерирующих источни­ков (генераторов, синхронных компенсаторов, конденсаторных установок) или основных питающих линий электропередачи.

Лавина напряжения может возникать как при номинальной частоте, так и при ее аварийном снижении. Так, сопутствующая лавина напряже­ния возникает одновременно с лавиной частоты вследствие разделения энергосистемы на несинхронно работающие части и потери при этом час­ти генерирующей реактивной мощности и зарядной мощности отключен­ных линий электропередачи. Главная опасность сопутствующей лавины напряжения со стороны энергосистемы заключается в том, что большие снижения напряжения могут вызвать отказы устройств АЧР и привести к нарушению устойчивости потребителей собственных нужд электростан­ций. Несрабатывание АЧР и погашение электростанций в еще большей степени способствуют развитию аварии. В то же время успешная работа АЧР ликвидирует дефициты как активной, так и реактивной мощности.