Влияние частоты на работу оборудования

Изменение частоты переменного напряжения влияет на режимы работы электроприемников. Основными потребителями электроэнергии являются двигатели переменного тока. Отклонение частоты ухудшает работу электрдвигателей, изменяется частота вращения, потребляемая ими активная и рактивная мощность. Вместе с тем изменение частоты слабо влияет на работу печной и осветительной нагрузки.

Степень влияния отклонения частоты различна для разных видов момента сопротивления электродвигателя. Наибольшую опасность отклонение частоты создает для нормальной работы оборудования электрических станций. Уменьшается производительность механизмов, преодолевающих статический напор, например питательных насосов для собственных нужд, преодолевающих при работе высокое давление со стороны котельного агрегата. Кроме того, отклонение частоты от номинального значения нарушает экономичное распределение нагрузок между отдельными агрегатами и станциями, поскольку возникающие приросты мощностей не всегда оптимальны.

Для энергосистемы в целом зависимость активной Р и реактивной Q мощности от частоты приведена на рис. 16.5. Эти зависимости называют статическими характеристиками нагрузки по частоте. При снижении частоты из-за дефицита генерируемой в системе активной мощности потребители уменьшают свою нагрузку, стремясь поддерживать частоту на прежнем уровне. Степень изменения нагрузки при изменении частоты, количественно оцениваемую производной dP/df, называют регулирующим эффектом нагрузки.

Для обеспечения безаварийной и экономичной работы электрических станций, сетей и электроприемников к качеству частоты предъявляют серьезные требования и оценивают его по отклонению частоты, отклонению электрического времени и колебанию частоты.

Под отклонением частоты понимают алгебраическую разность между фактическим значением частоты и ее номинальным значением при медленных изменениях:

Действующие нормы качества электроэнергии допускают отклонение частоты в нормальных режимах энергосистемы в пределах ± 0,2 % (± 0,1 Гц).

Оценку длительных односторонних отклонений частоты производят по отклонению электрического времени. Под электрическим временем понимают интеграл относительной частоты по времени:

где t_а – время, отсчитываемое по астрономическим часам. Соответственно за отклонение электрического времени от астрономического принимают интеграл отклонения относительной частоты по времени:

Электрическое время отсчитывают по электрическим часам, представляющими собой синхронный электродвигатель, вращение которого через кинематическую систему передается часовым стрелкам. Ход таких часов совпадает с астрономическими часами, если в сети поддерживается номинальная частота. Сравнивая показатели электрических и астрономических часов, можно судить о точности поддержания нормальной частоты за длительный отрезок времени.

В энергосистеме возможны также кратковременные быстрые изменения частоты, называемые колебанием частоты. Колебания частоты не должны превышать 0,2 Гц сверх допустимых отклонений частоты.

В любой момент времени в энергосистеме соблюдается баланс активных мощностей:

где ∑P_Г – суммарная мощность генераторов электрических станций; ∑P_П –мощность потребителей энергосистемы, включая собственные нужды электростанций; ∑ΔP– суммарная мощность потерь в электрических сетях.

При любой частоте мощность, генерируемая электростанциями, равна потребляемой мощности. При этом номинальная частота в энергосистеме свидетельствует о том, что генерируемая мощность достаточна для покрытия нормальной потребности электроприемников. Пониженная частота по сравнению с номинальной указывает на дефицит генерируемой мощности, а повышенная – на избыток мощности электростанций.

Рассмотрим характер изменения частоты при резких нарушениях баланса активных мощностей. Для энергосистем более важным является случай снижения частоты. Резкое снижение частоты происходит при внезапном выходе из строя генерирующей мощности и отсутствии резерва либо при аварийном отключении нагруженных межсистемных линий и разделении системы на несинхронные части с дефицитом мощности.

Пусть в начальный момент времени номинальной частоте в системе соответствует нагрузка потребителей Р_1н, равная нагрузке всех генераторов P_1Г (рис. 16.6). Положим, что при этом все генераторы загружены полностью и резерв активной мощности в системе отсутствует. Пусть теперь по какой-то причине в момент времени t₁ (точка 1) возник дефицит генерируемой активной мощности, равный Р_1Г – Р_2Г (точка 3). Он приведет к нарушению баланса, и нагрузка потребителей по частотной статической характеристике будет стремиться восстановить его при пониженной частоте.

Если бы мощность станций не зависела от частоты, то процесс пошел бы по кривой 1 – 2. При достижении нагрузки потребителей Р_2н = Р_2Г восстановился бы баланс при новой пониженной частоте f₂.

Однако снижение частоты и отсутствие резерва генерирующей мощности будут приводить к уменьшению мощности всех тепловых станций по кривой 3–4.

Поэтому разность между потребляемой и генерируемой мощностью будет увеличиваться, что приведет к дальнейшему снижению частоты по кривой 1–5. При достижении критической частоты f_К мощность тепловых станций снижается до нуля, и частота резко уменьшается (кривые 4–6 и 5–7). Возникает процесс лавины частоты. При этом двигатели и генераторы, оставшиеся в работе, резко затормаживаются. Двигатели начинают потреблять повышенную реактивную мощность, а генераторы не могут ее выдавать из-за снижения скорости вращения и уменьшения ЭДС. Происходит резкое понижение напряжения в сети.