Система имеет тем большую опасность выпасть из синхронизма, чем ближе к пределу статической устойчивости она работает. Этот предел может быть оценен только для сетей с простой структурой. В сложной разветвленной сети приближаются к пределу устойчивости, когда увеличиваются относительные сдвиги углов между различными группами.
Опасность неустойчивой работы тем больше, чем больший наброс нагрузки на связь или генераторную группу вызывает повреждение. Отсюда видно влияние структуры (архитектуры) сети на ее устойчивость.
Средства, повышающие устойчивость сетей, могут быть классифицированы в зависимости от того, к чему они применяются:
к вращающимся группам (конструктивные меры и способы эксплуатации);
к сетям (к структуре связей или к архитектуре всей системы).
Конструктивные меры улучшения устойчивости
машин. Машина тем устойчивее, чем медленнее изменяется ее частота вращения. Следовательно, устойчивость возрастает при увеличении ее инерции, но это сказывается на экономических показателях.
Важно, чтобы машины, соединенные в параллельно работающие группы, имели близкие значения постоянных инерции, поскольку при набросе нагрузки на сеть менее важным является ограничение изменений частоты сети, чем поддержание по возможности более близких частот вращения (и, следовательно, фаз) машин внутри группы.
Группы ТЭС имеют большие значения постоянных инерции, чем группы ГЭС; среди последних наименьшие времена пуска имеют группы высоконапорных станций.
Группы с большим внутренним сопротивлением более устойчивы, поскольку резкое изменение передаточных сопротивлений сети имеет для них относительно меньший эффект. Но систематическое увеличение полных сопротивлений групп (и трансформаторов, служащих для их соединения) на практике является очень дорогим и малоэффективным средством.
Улучшение способов эксплуатации вращающихся групп. Можно устранить малую инерцию гидравлических групп, ограничив их ускорение с помощью быстродействующего торможения. Так, на турбинах Пелтона можно воздействовать на направляющий аппарат для почти мгновенного уменьшения вращающего момента. Другие типы турбин, к сожалению, непригодны для воздействий торможения такого типа. Тогда прибегают к торможению, увеличивая нагрузку:
резким включением сопротивления на зажимах групп;
отключением некоторых групп системы (сети), что увеличивает нагрузку оставшихся групп; отключение может быть осуществлено с диспетчерского пункта дистанционным управлением.
Диаграмма, приведенная на рис. 3.1, показывает, что статическая устойчивость связана с напряжением на зажимах машины. Динамическая устойчивость возрастает, если возбуждение группы меняется быстро. Но возбудитель действует медленно, поскольку изменение возбуждения зависит от постепенно изменяющегося магнитного потока машины.
Можно получить быстрое перевозбуждение различными способами:
снабдить подвозбудитель импульсным устройством, способным быстро увеличивать напряжение, выдаваемое основным возбудителем;
применить возбудитель с последовательным возбуждением вместо возбудителя с шунтовым возбуждением.
В последнее время используют системы с независимым возбуждением, питаемые от выпрямителя.
Улучшение связей.
Можно увеличивать устойчивость, уменьшая передаточные сопротивления между машинами, выдающими мощность в сеть; этого можно достичь несколькими способами:
установкой последовательно с линией конденсаторов; при этом индуктивность линий может быть теоретически сведена к нулю, но из практических соображений ее обычно уменьшают не более чем на половину. Этот способ эффективен для длинных линий, имеющихся в Швеции, США и СССР;
использованием расщепленных проводов; это уменьшает погонную индуктивность воздушных линий приблизительно на 20%; такие провода приняты повсюду для напряжений 400 кВ и более (фаза, состоящая из двух, трех или четырех проводов), что также значительно уменьшает эффект короны;
включением на параллельную работу нескольких линий —эффективный способ, но слишком дорогой, если не компенсируется экономией за счет уменьшения сечения проводов и улучшения поддержания напряжения или не оправдывается другими преимуществами (увеличением надежности питания).
Линии или кабели, образующие сеть, могут быть также оборудованы автоматами, позволяющими установить, по крайней мере частично и быстро, значения передаточных сопротивлений. Если напряжения в узлах сети, близких к аварийной линии, более реагируют на полное короткое замыкание, чем на отключение этой линии от сети, то становится понятным, что из двух передаточных матриц сопротивлений сети, соответствующих двум «ненормальным» состояниям (полному короткому замыканию и отключению линии), вторая более близка к матрицам полных сопротивлений неповрежденной сети. Это является соображением, на основе которого построена последовательная работа автоматов:
быстрое селективное отключение связи, на которой произошла авария, и даже, если это возможно, отключение одного только фазного провода, если авария произошла между фазой и землей (однофазное отключение);
— повторное введение в работу связи без предварительного контроля, что дает выигрыш, поскольку в передающих сетях более чем 90% коротких замыканий являются преходящими. Обычно ограничивают автоматическое повторное включение однофазными короткими замыканиями, поскольку трехфазные короткие замыкания очень редко являются преходящими;
«окончательное» селективное отключение связей, подверженных повреждениям, которые вероятнее всего бывают неустраненными короткими замыканиями (некоторые преходящие короткие замыкания имеют длительное время затухания, поэтому их надо устранять, не дожидаясь исчезновения).
Улучшение архитектуры сетей.
Схема эксплуатации сети может способствовать устойчивой и надежной работе. Как указывалось, иногда целесообразно включать на параллельную работу несколько линий для уменьшения переходных сопротивлений, в этом случае при отключении одной из них другие не должны быть перегружены настолько, чтобы ставить под угрозу устойчивость сети.
В известной степени можно воздействовать на перераспределение производства между различными группами и провести перераспределение нагрузок.
Различие в инерционности генераторных групп приводит к тому, что онй, получив наброс нагрузки, приобретают различные ускорения, что может привести к выпадению из синхронизма. Эксплуатационная схема сети должна учитывать эту опасность, объединяя «электрически» (связи с малыми сопротивлениями) только группы, имеющие близкие значения постоянных инерции. При перераспределении нагрузок лучше предусматривать больший предел надежности для групп с малой инерцией, чем для остальных.
При увеличении кинетической энергии группы увеличивается устойчивость, поскольку одно и то же изменение мощности скажется в меньшем изменении угловых скоростей. Но пуск в работу большего числа групп для выработки одной и той же общей мощности и работа на холостом ходу некоторых групп являются дорогостоящими мероприятиями.
Использование синхронных компенсаторов также является дорогостоящим мероприятием. Его применяют во Франции только в том случае, если необходимо одновременно увеличивать устойчивость и регулировать напряжение.
Работа на повышенном напряжении способствует улучшению устойчивости (см. рис. 3.1). Необходимо учитывать, что для системы Франции, где станции распределены по всем районам, существенным является условие, чтобы «крутизна напряжений» вдоль линий (изменения модуля напряжения) была возможно меньшей. Выполнить это условие можно регулированием реактивной мощности при учете ограничений экономического характера.
Проблема устойчивости актуальна для длинных линий, предназначенных для:
передачи энергии от источников (главным образом гидравлических), удаленных от центров потребления (пример: Швеция, Канада, СССР и т. д.);
введения нового диапазона напряжения; линии новой сети имеют пропускные способности в несколько раз большие, чем у ранее существующих сетей; итак, необходимо запретить переносы нагрузки на эту сеть.
Нельзя не уделять внимания проблеме устойчивости и в сильно разветвленных сетях. Она возникает, как только мощная связь аварийно выходит из работы, что вызывает опасность перегрузки соседних линий. Проблема устойчивости проявляется и в часы минимальной нагрузки, когда сеть не потребляет реактивной мощности и даже может ее выдавать. В этих случаях для поддержания напряжений на генераторах уменьшают их возбуждение, увеличивая этим внутренний сдвиг фаз.
В период минимума нагрузки группы ТЭС, находящиеся недалеко от потребителей (и вследствие этого обязанные потреблять реактивную энергию, вырабатываемую кабельными сетями), могут работать вблизи предела статической устойчивости. Поэтому часто устанавливают специальные регуляторы, ограничивающие внутренние сдвиги фаз этих машин.
Надо отметить также, что включение параллельно линиям переменного тока линий постоянного тока, быстродействие которых достаточно велико, может выгодно использоваться для улучшения устойчивости всей системы в целом.
