Статические и динамические характеристики нагрузки

При исследовании устойчивости нагрузки СЭС необходимо рас­полагать статическими и динамическими характеристиками основ­ных потребителей электрической энергии. Вид характеристик нагрузки определяется параметрами электроприемников, а также влиянием потерь мощности и напряжения в элементах распреде­лительной сети.

Статические характеристики нагрузки представляют собой зависимости между параметрами режима при медленных изменениях процессов, например зависимости  для синхронных и  для асинхронных двигателей. Узлы нагрузки характеризуются обычно статическими ха­рактеристиками в виде зависи­мостей потребляемых активной Р и реактивной Q мощностей от медленно изменяющегося напря­жения U. Графическое изобра­жение этих характеристик пока­зано на рис. 38. Форма их за­висит от вида нагрузки (лампы накаливания, асинхронные и синхронные двигатели, электри­ческие печи и др.). Для сравне­ния статические характеристики некоторых потребителей изображены на рис. 39.

Рис. 38. Статические характеристики узла нагрузки

В аналитических расчетах статические характеристики часто аппроксимируются полиномами вида

        (81)

где  - постоян-е коэф-ты.

Рис. 39. Статические характеристики различных элек­троприемников:

а — асинхронный двигатель; б — синхронный двигатель; в —потери в последовательных сопротивлениях; г —лампы накаливания; д — потерн на намагничивание трансформаторов; е — конденсаторные батареи

Аналитические зависимости (82) и графические представления нагрузок (см. рис. 38 и 39) достаточно точно отражают их из­менения только при установившихся режимах, наступающих через десятки секунд после изменения напряжения.

Последнее условие важно иметь в виду при выполнении расче­тов с последовательным изменением параметров режима или свой­ств СЭС. Если период времени между рассматриваемыми режимами измеряется минутами, то существенными могут оказаться допол­нительные изменения нагрузки, вызываемые как случайными фак­торами, так и действиями обслуживающего персонала на подстан­циях в результате переключения ответвлений трансформаторов, изменения тока возбуждения синхронных двигателей и компенса­торов.

При анализе переходных процессов в узлах нагрузки необхо­димо учитывать влияние регулирующих устройств. Если зоной нечувствительности и дискретностью регулирования трансформа­торов с РПН пренебречь, то напряжение на шинах электроприемников можно считать неизменным, а активную нагрузку в этом диапазоне практически постоянной. Реактивная мощность узла нагрузки представляет собой сумму реактивной нагрузки потре­бителей и потерь в трансформаторах с РПН, зависящих от напря­жения в узле. Если потери невелики, то в рассматриваемом диапа­зоне реактивная мощность также почти постоянна.

При расчетах статической устойчивости СЭС обычно пользу­ются типовыми статическими характеристиками комплексной на­грузки, составляемыми проектными организациями для определен­ных групп потребителей СЭС,

При расчетах динамической устойчивости СЭС нагрузку также можно описывать статическими характеристиками. Однако это приводит к заметным погрешностям, поскольку зависимости мощ­ности от напряжения в переходном и установившемся режимах разные. Так, при возникновении КЗ напряжение снижается прак­тически мгновенно. По мере изменения питающего напряжения и скольжения двигателей в режиме КЗ изменяется также мощность, а при отключении КЗ возникает новый скачок активной и реактив­ной мощностей. Такие процессы можно представить в координатах Р, U и Q, U динамическими характеристиками, описывающими изменение указанных параметров во времени.

Динамические характеристики нагрузки определяются не толь­ко параметрами нагрузки, но и параметрами СЭС и режимами всей ЭЭС. Разница между статическими и динамическими характеристи­ками дает ту погрешность, которая возникает при использовании статических характеристик в расчетах динамической устойчивос­ти СЭС.

Изменение скольжения асинхронного двигателя приводит к резкому изменению его эквивалентного сопротивления, что вызы­вает изменение токов статора и ротора, а также перераспределение той части электромагнитной энергии, которая при установившемся скольжении преобразовывалась в механическую. При этом часть

ее тратится на изменение запаса энергии в индуктивностях электро­двигателя. Появляется запаздывание в изменении динамических моментных характеристик по отношению к характеристикам при медленных изменениях режима (статическим характеристикам). Динамика наброса и сброса нагрузки показана на рис. 40, где цифрой 1 обозначена статическая характеристика асинхронного двигателя в нормальном режиме, цифрой 2 - динамическая харак­теристика при набросе нагрузки, а цифрой 3 -динамическая характеристика при сбросе нагрузки.

Из рис. 40 следует, что электромагнитный момент двигателя по динамической характеристике изменяется с некоторым запаздыванием по отношению к ста­тической характеристике.

Рис. 40. Характеристики асинхронного двигателя

Значения величин, харак­теризующих скольжение асин­хронного двигателя, а также условия устойчивости и изме­нение его тока, отличаются от значений этих же величин, определенных применительно к статической характеристике двигателя. Приближенно считают, что погрешность в оценке изменения скольжения обратно пропорциональна механической постоянной инерции электродви­гателя T_j и прямо пропорциональна квадрату сброса или наброса нагрузки. Так, погрешность в определении скольжения маломощных электродвигателей (T_j = 0,5-1 с) достигает 10-30 °/о через 0,1— 0,3 с после наброса нагрузки,, а для мощных электродвигателей (T_j = 8-10 с) она находится в пределах точности расчетов.

При учете динамических характеристик синхронных двигателей следует учитывать ту особенность, что резкие изменения режима их работы вызывают появление свободных токов, поддерживающих ре­зультирующее потокосцепление обмотки возбуждения неизменным.

Рис. 41. Наброс нагрузки на синхрон­ный двигатель при постоянстве э. д. с   (а), его угловые характеристики мощ­ности при набросе нагрузки (б) и характер изменения угла δ (в)

Развиваемая синхронным двигателем максимальная мощность определяется при t = 0 по его угловой характеристике ,построенной для . Пусть при t = t₀ и δ = δ₀ происхо­дит мгновенный наброс мощности от Р₀ до Р₁ (рис. 41, а). В этом случае переходный процесс описывается характеристи­кой P_i (δ), изображенной на рис. 41,б.

Рис. 42. Наброс нагрузки на синхронный двигатель при затухании э. д. с.  (а) и характер изменения угла δ (б)

Качания двигателя определяются участком угловой характерис­тики мощности и соответствующими площадями ускорения и тор­можения на нем. Изменение угла δ во времени изображается кривой, показанной на рис.41, в.

Если имеет место затухание э. д. с.  (рис. 42, а), то про­цесс изменения угла δ определяется не характеристикой ab, aха­рактеристикой а b (см. рис. 41, б и 42, б),

Таким образом, при расчете устойчивости синхронных двига­телей следует иметь в виду, что допущение  справедливо только в течение малого интервала времени   и может: привести к ошибкам в оценке характера переходного процесса.

Если э. д. с.   в процессе своего затухания уменьшится так, что при   максимальное значение  [точка е на характе­ристике , см. рис. 41, б ]будет меньше Р₁ то устойчивость электродвигателя через время нарушится.