整流电路交流输电系统稳定性的简单分析与提高稳定性的措施

一、输电系统运行的稳定性,是输电系统安全可靠运行的重要因数

随着输电系统规模的扩大,输电距离和输送容量大大增大,系统的稳定问题就显得比较突出。可以说,输电系统稳定性是限制交流电流远距离输电送电距离和输送能力的决定因素。所以,必须采取各种措施来提高输电系统的稳定性,从而提高输送能力。从静态稳定分析可知,如果正确选择调节器的参数,使输电系统不发生自发振荡时,那么输电系统具有较高的功率极限,一般也就具有较高的运行稳定度。从暂态稳定分析可知,输电系统受大扰动后,发电机轴上出现的不平衡转矩将使发电机产生剧烈的相对运动;当发电机的相对角的振荡超过一定限度时,发电机便会失去同步,从而破坏了稳定性。从这些概念出发可以得出提高输电系统稳定性和输送能力的一般原则是:一是尽可能地提高输电系统的功率极限;即应从提高发电机的电势E、减小系统电抗x、提高和稳定系统电压U等方面着手。二是尽可能减小电机相对运行的振荡幅度;即应从提高暂态稳定,减小发电机转子轴上的不平衡功率、减小转子相对加速度以及减少转子相对动能变化量等方面着手。

二、提高交流输电系统稳定性的措施

彩用自动调节励磁装置:当发电机装设自动励磁调节器时,发电机可看做具有E′q为常数的功率特性,这也就相当于将发电机的电抗从同步电抗xd减小为暂态电抗x′d了。发电机的电抗在输电系统总电抗中所占的比重很大,因此,减小发电机的电抗可以提高系统的功率维持发电机端电压为常数,这就相当于将发电机的电抗减小为零。因此,发电机装设先进的调节器就相当于缩短了发电机与系统间的电气距离,从而提高了静态稳定性。自动励磁调节对改善暂态稳定也有明显作用,良好的自动励磁在暂态摇摆过程中能增大系统的阻尼,从而能使系统振荡迅速平息下来,缩短摇摆过程,这是十分有利的。此外,为改善暂态稳定性,现在的励磁系统都配备有某种强行励磁装置,其作用是在系统故障时,迅速增加发电机的励磁电压,减小了E′q的衰减程度,如果强行励磁倍数很高,甚至可以使暂态电势增大。

改善电网结构及减小线路电抗:电网结构是输电系统安全稳定运行的基础,改善电网结构的方法较多;例如增加输电线路的回路数,减小线路电抗加强系统的联系;另外,当输电线路通过的地区原来就有输电系统时,将这些中间系统与输电线路连接成为较大的联合输电系统,这样可以使长距离的输电线路中间点的电压得到维持,相当于将输电线路分成两段,缩小了电气距离。而且,中间系统还可与输电线交换有功功率,起到互为备用的作用。在输电系统中间接入中间调相机,这些调相机配有先进的自动励磁调节器,则可以维持调相机端点电压甚至变压器高压母线电压恒定。

快速切除短路和自动重合闸:快速切除故障是提高暂态稳定最根本,最有效的措施,同时又是简单易行的措施。快速切除故障的作用是减小加速面积,增大减速面积,提高了发电机之间并列运行的稳定性。另一方面,快速切除故障也可使负荷中的电动机端电压迅速回升,减少了电动机失速和停顿的危险,提高了负荷的稳定性。切除故障时间是继电保护装置动作时间和断路器动作时间的总和。目前可达到短路后0.06s切除故障线路,其中0.02s为保护装置动作时间,0.04s为断路器动作时间。高压输电线路的短路故障,绝大多数是瞬时性的,故障线路切除后通过自动重合闸装置立即重新投入,大多数情况下可以恢复正常运行,成功率可达90%以上。超高压输电线路的故障大多数是单相接地,这类故障可以采用按相动作的单相重合闸装置。这种装置自动选出故障相切除,经过一小段时间后又重新合闸。由于只切除一相,送电端的发电厂和受端系统没有完全失去联系,故提高了系统的暂态稳定性。

系统解列与异步运行和再同步:合理采用各种提高稳定的措施之后,可以大大提高系统运行的稳定性,但不能保证破坏系统稳定的事故绝对不发生,因而可能出现未能预料的严重事故,使系统仍有可能失去稳定。为此,可以采取系统解列、异步运行和再同步等应急措施,以减少损失,尽快恢复对用户的正常供电。系统解列就是当系统稳定破坏已不可避免时,尽量限制事故扩大,减少稳定破坏造成的危害。把已经失去同步的输电系统,在适当的节点或解列点断开某些断路器,使系统分解为若干独立子系统,各自保持同步的部分。这样,各部分可以继续同步运行,保全系统的大部分。在事故消除后,经过调整,再把各部分并联起来,恢复系统正常运行方式。如果系统稳定的破坏不是由发电机本身的故障而引起的,可以考虑允许因稳定破坏而转入异步运行的汽轮发电机继续留在系统中工作,并采取措施促使发电机恢复同步运行。但这种短期异步运行方式主要适用于有功功率,但要从系统中吸取无功功率,这样必将大大地改变系统中的无功功率的平衡关系,降低系统的电压水平。当个别汽轮发电机因励磁系统的故障而失磁时。只要故障不危及发电机组的继续运行,且系统中无功电源充足,可以不立即切除失磁的发电机,而让它在系统中短时间异步运行,待励磁系统故障消除后,重新投入励磁,使它恢复正常的同步运行。

采用快速汽门控制与电气制动:在系统故障时,对于汽轮机采用快速的自动调速系统或者快速关闭进汽门的措施,就会显著减小过剩功率,提高系统的暂态稳定性。水轮机由于水锤现象不能快速关闭进水门,因此有时采用在故障时从送端发电厂中切掉一台发电机的方法,这等值于减少电动机功率。电气制动就是当输电系统中发生短路故障时,发电机输出的有功功率急剧减少,发电机组因功率过剩而加速,迅速投入制动电阻,消耗发电机的有功功率以制动发电机,使发电机不失步。另外变压器中性点经小电阻接地的作用为接地短路时的电气制动,使系统发生不对称接地短路时,产生的零序电流分量通过接在变压器中性点的接地电阻将产生有功功率,同时减少了发电机转子的不平衡功率,提高输电系统暂态稳定性。