Skip to content

Zadatak 12

Kritično vreme obostranog isključenja voda: rešen zadatak

Zadatak i rešenje: prof. dr Andrija T. Sarić

Analiza elektroenergetskih sistema, TF Čačak

Zadatak

12. U kom vremenu treba obostrano jednovremeno isključiti vod V1, na čijem se početku dogodio tropolni kratak spoj, da bi sistem bio dinamički stabilan, ako je generator nominalno pobuđen i ako odaje u sistem aktivnu snagu od 300 MW.

Potrošački centri su jednaki i pri naponu na njihovim sabirnicama od 220 kV svaki uzima po 150 MW pri cos⁡φ=0,95ind\cos\varphi = 0{,}95_{ind}.

GTZP = ConstZP = ConstV1V2V3V4lv1 = lv2 = lv3 = lv4 = 150 kmxv = 0,42 Ω/kmU = 220 kVjaka mrežaSGn = STn = 500 MVAcos φGn = 0,9UGn = 15,75 kVmT = 15,75/231 kV/kVxdG = 30 %xT = 12 %H = 8 s

Poznato

  • SGn=STn=500S_{Gn} = S_{Tn} = 500MVA
  • cos⁡φGn=0,9\cos\varphi_{Gn} = 0{,}9
  • UGn=15,75U_{Gn} = 15{,}75kV
  • UTn=231U_{Tn} = 231kV
  • xdG=30x_{dG} = 30%
  • xT=12x_T = 12%
  • H=8H = 8s
  • lv1=lv2=lv3=lv4=150l_{v1} = l_{v2} = l_{v3} = l_{v4} = 150km
  • xv=0,42x_v = 0{,}42Ω/km
  • U=220U = 220kV
  • PG=300P_G = 300MW
  • PP=150P_P = 150MW
  • cos⁡φP=0,95\cos\varphi_P = 0{,}95ind.

Rešenje

Parametri elemenata sistema su:

X(dG+T1)′=xdG′+xT1(%)100⋅UGn2SGn=30+12100⋅2312500=44,823 Ω.\begin{aligned} X'_{(dG+T1)} &= \frac{x'_{dG} + x_{T1}(\%)}{100} \cdot \frac{U_{Gn}^2}{S_{Gn}} \\ &= \frac{30 + 12}{100} \cdot \frac{231^2}{500} = 44{,}823\ \Omega. \end{aligned}
Xv=Xv1=Xv2=Xv3=Xv4=xvL=0,42⋅150=63 Ω;X_v = X_{v1} = X_{v2} = X_{v3} = X_{v4} = x_vL = 0{,}42 \cdot 150 = 63\ \Omega;
Z‾p=U2P/cos⁡φ=2202150/0,95(cos⁡φ+jsin⁡φ)=(291+j95,6) Ω.\begin{aligned} \ph{Z}_p &= \frac{U^2}{P/\cos\varphi} = \frac{220^2}{150/0{,}95}(\cos\varphi + \mathrm{j}\sin\varphi) \\ &= (291 + \mathrm{j}95{,}6)\ \Omega. \end{aligned}

Jednopolna šema sistema je:

Jednopolna šema: elektromotorna sila E′_Gf i reaktansa jX′_(dG+T1) do čvora od koga četiri reaktanse voda jX_v čine romb; u gornjem temenu A i donjem B je po jedna impedansa potrošača Z_p na zemlju, a desno teme je napon V = 220/√3 kV jake mreže.

Kako su tačke A i B na istom potencijalu, onda se šema može uprostiti kao:

Uprošćena šema: E′_Gf, reaktanse jX′_(dG+T1) i jX_v/2 do tačke A = B, iz nje Z_p/2 na zemlju i jX_v/2 do napona V.
Ista šema sa brojevima: j76,323 Ω do tačke A = B, iz nje (145,5 + j47,8) Ω na zemlju i j31,5 Ω do napona V.

Sa prethodne slike je:

Z‾11(1)=jX(dG+T1)′+jXv2+jXv2⋅Z‾p2jXv2+Z‾p2=105,07/87∘07′‾ Ω;\begin{aligned} \ph{Z}_{11}^{(1)} &= \mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \frac{\mathrm{j}X_v}{2} + \frac{\mathrm{j}\dfrac{X_v}{2} \cdot \dfrac{\ph{Z}_p}{2}}{\mathrm{j}\dfrac{X_v}{2} + \dfrac{\ph{Z}_p}{2}} \\ &= 105{,}07\underline{/87^\circ07'}\ \Omega; \end{aligned}
Z‾12(1)=jX(dG+T1)′+jXv2+jXv2+(jX(dG+T1)′+jXv2)⋅jXv2Z‾p2=113,69/97∘33′‾ Ω;\begin{aligned} \ph{Z}_{12}^{(1)} &= \mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \mathrm{j}\frac{X_v}{2} + \mathrm{j}\frac{X_v}{2} \\ &\quad + \frac{\left(\mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \mathrm{j}\dfrac{X_v}{2}\right) \cdot \mathrm{j}\dfrac{X_v}{2}}{\dfrac{\ph{Z}_p}{2}} \\ &= 113{,}69\underline{/97^\circ33'}\ \Omega; \end{aligned}

Elektromotorna sila iza sinhrone reaktanse (E‾G′\ph{E}'_G), uz pretpostavku da na krajevima generatora vlada nominalni linijski napon (UGnU_{Gn}) je

E‾G′=UGn+QXdG′UGn+jPXdG′UGn=18,31 kV,\begin{aligned} \ph{E}'_G &= U_{Gn} + \frac{QX'_{dG}}{U_{Gn}} + \mathrm{j}\frac{PX'_{dG}}{U_{Gn}} \\ &= 18{,}31\ \text{kV}, \end{aligned}

ili svedeno na stranu mreže nominalnog napona 220 kV:

EG′=18,31⋅23115,75=268,5 kV.E'_G = 18{,}31 \cdot \frac{231}{15{,}75} = 268{,}5\ \text{kV}.

Karakteristika električne odate snage generatora neposredno pre nastanka kvara je:

PGi=EGi2Ziisin⁡ψii+∑j=1j≠inEGiEGjZijsin⁡(δij−ψij),(Izvedeno u drugom zadatku)P_{Gi} = \frac{E_{Gi}^2}{Z_{ii}}\sin\psi_{ii} + \sum_{\substack{j=1 \\ j \ne i}}^{n}\frac{E_{Gi}E_{Gj}}{Z_{ij}}\sin(\delta_{ij} - \psi_{ij}), \quad \text{(Izvedeno u drugom zadatku)}

ili u ovom slučaju

P1=EG′2Z11(1)sin⁡ψ11(1)+EG′UGnZ12(1)sin⁡(δ12−ψ12(1)),P_1 = \frac{E_G'^2}{Z_{11}^{(1)}}\sin\psi_{11}^{(1)} + \frac{E'_GU_{Gn}}{Z_{12}^{(1)}}\sin(\delta_{12} - \psi_{12}^{(1)}),

gde je iz prethodnog proračuna:

ψ11(1)=90∘−β11(1)=90∘−87∘07′=2∘53′;Z‾11(1)=Z11(1)/β11(1)‾;ψ12(1)=90∘−β12(1)=90∘−97∘33′=−7∘33′;Z‾12(1)=Z12(1)/β12(1)‾.\begin{aligned} \psi_{11}^{(1)} &= 90^\circ - \beta_{11}^{(1)} = 90^\circ - 87^\circ07' = 2^\circ53'; && \ph{Z}_{11}^{(1)} = Z_{11}^{(1)}\underline{/\beta_{11}^{(1)}}; \\ \psi_{12}^{(1)} &= 90^\circ - \beta_{12}^{(1)} = 90^\circ - 97^\circ33' = -7^\circ33'; && \ph{Z}_{12}^{(1)} = Z_{12}^{(1)}\underline{/\beta_{12}^{(1)}}. \end{aligned}

To znači da je kriva snaga-ugao

P1=34,51+520⋅sin⁡(δ12+7∘33′).P_1 = 34{,}51 + 520 \cdot \sin(\delta_{12} + 7^\circ33').

Ugao δ12\delta_{12} je ugao između E‾G′\ph{E}'_G i UGnU_{Gn} u stacionarnom stanju neposredno pre kvara.

Ugao δ12(1)\delta_{12}^{(1)} (u trenutku kvara) može se izračunati iz karakteristike snaga-ugao, imajući u vidu da je pre kvara bilo P1=300P_1 = 300 MW

300=268,52105,07⋅sin⁡(2∘53′)+268,5⋅220113,69sin⁡(δ12(1)+7∘33′).\begin{aligned} 300 &= \frac{268{,}5^2}{105{,}07} \cdot \sin(2^\circ53') \\ &\quad + \frac{268{,}5 \cdot 220}{113{,}69}\sin(\delta_{12}^{(1)} + 7^\circ33'). \end{aligned}

Rešenje prethodne jednačine je

δ12(1)=23∘11′.\delta_{12}^{(1)} = 23^\circ11'.

Za vreme tropolnog kratkog spoja odata snaga generatora je P(k)=0P^{(k)} = 0.

Zamenska šema sistema posle isključenja voda V1 je

Zamenska šema posle isključenja voda V1: E′_Gf, reaktanse jX′_(dG+T1) i jX_v do čvora sa potrošačem Z_p na zemlju, pa jX_v do konstantnog napona V; iza napona V su još jX_v i drugi potrošač Z_p, uokvireni s napomenom da nisu od interesa, pošto su iza konstantnog napona.

Sa prethodne slike je:

Z‾11(2)=jX(dG+T1)′+jXv+jXv⋅Z‾pjXv+Z‾p=165,53/86∘21′‾ Ω;\begin{aligned} \ph{Z}_{11}^{(2)} &= \mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \mathrm{j}X_v + \frac{\mathrm{j}X_v \cdot \ph{Z}_p}{\mathrm{j}X_v + \ph{Z}_p} \\ &= 165{,}53\underline{/86^\circ21'}\ \Omega; \end{aligned}
Z‾12(2)=jX(dG+T1)′+jXv+jXv+(jX(dG+T1)′+jXv)⋅jXvZ‾p=178,97/96∘46′‾ Ω;\begin{aligned} \ph{Z}_{12}^{(2)} &= \mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \mathrm{j}X_v + \mathrm{j}X_v \\ &\quad + \frac{\left(\mathrm{j}X'_{(dG+T1)} + \mathrm{j}X_v\right) \cdot \mathrm{j}X_v}{\ph{Z}_p} \\ &= 178{,}97\underline{/96^\circ46'}\ \Omega; \end{aligned}

Karakteristika električne odate snage generatora posle kvara je:

P2=EG′2Z11(2)sin⁡ψ11(2)+EG′UGnZ12(2)sin⁡(δ12−ψ12(2)),P_2 = \frac{E_G'^2}{Z_{11}^{(2)}}\sin\psi_{11}^{(2)} + \frac{E'_GU_{Gn}}{Z_{12}^{(2)}}\sin(\delta_{12} - \psi_{12}^{(2)}),

gde je iz prethodnog proračuna:

ψ11(2)=90∘−β11(2)=90∘−86∘21′=3∘39′;Z‾11(2)=Z11(2)/β11(2)‾;ψ12(2)=90∘−β12(2)=90∘−96∘46′=−6∘46′;Z‾12(2)=Z12(2)/β12(2)‾.\begin{aligned} \psi_{11}^{(2)} &= 90^\circ - \beta_{11}^{(2)} = 90^\circ - 86^\circ21' = 3^\circ39'; && \ph{Z}_{11}^{(2)} = Z_{11}^{(2)}\underline{/\beta_{11}^{(2)}}; \\ \psi_{12}^{(2)} &= 90^\circ - \beta_{12}^{(2)} = 90^\circ - 96^\circ46' = -6^\circ46'; && \ph{Z}_{12}^{(2)} = Z_{12}^{(2)}\underline{/\beta_{12}^{(2)}}. \end{aligned}

To znači da je

P2=27,7+330⋅sin⁡(δ12+6∘46′).P_2 = 27{,}7 + 330 \cdot \sin(\delta_{12} + 6^\circ46').

Granični ugao određuje se iz jednačine:

Pm=300=P2=27,7+330⋅sin⁡(δ12gr+6∘46′).P_m = 300 = P_2 = 27{,}7 + 330 \cdot \sin(\delta_{12}^{gr} + 6^\circ46').

Rešenje prethodne jednačine je

δ12gr=117∘39′.\delta_{12}^{gr} = 117^\circ39'.

Ilustracija krivih snaga-ugao je:

Krive snaga-ugao P1 = 34,51 + 520·sin(δ12 + 7°33′) pre kvara i niža P2 = 27,7 + 330·sin(δ12 + 6°46′) posle isključenja voda V1, prava P_m = 300 i P^(k) = 0 za vreme kvara: uska osenčena površina ubrzanja od δ12^(1) = 23°11′ do δ_is i tamna površina kočenja između P2 i P_m od δ_is do δ12^gr.

Sa prethodne slike se vidi da se kritični ugao isključenja kvara dobija iz jednakosti površina

Pm(δis−δ12(1))=∫δisδ12gr(P2−P0)⋅dδ12,P_m\left(\delta_{is} - \delta_{12}^{(1)}\right) = \int\limits_{\delta_{is}}^{\delta_{12}^{gr}}\left(P_2 - P_0\right) \cdot d\delta_{12},

odnosno

300(δis−23∘11′⋅3,14180)=∫δis117∘39′(27,7+330⋅sin⁡(δ12+6∘46′⋅3,14180)−300)⋅dδ12.\begin{aligned} &300\left(\delta_{is} - 23^\circ11' \cdot \frac{3{,}14}{180}\right) \\ &\quad = \int\limits_{\delta_{is}}^{117^\circ39'}\left(27{,}7 + 330 \cdot \sin\left(\delta_{12} + 6^\circ46' \cdot \frac{3{,}14}{180}\right) - 300\right) \cdot d\delta_{12}. \end{aligned}

Sređivanjem prethodne jednačine dobija se

330⋅cos⁡(δis+6∘46′⋅3,14180)=27,7⋅δis+251,1696330⋅cos⁡(δis+0,1181)=27,7⋅δis+251,1696.\begin{aligned} 330 \cdot \cos\left(\delta_{is} + 6^\circ46' \cdot \frac{3{,}14}{180}\right) &= 27{,}7 \cdot \delta_{is} + 251{,}1696 \\ 330 \cdot \cos\left(\delta_{is} + 0{,}1181\right) &= 27{,}7 \cdot \delta_{is} + 251{,}1696. \end{aligned}

Prethodna jednačina je transcendentna, pa se rešenje ne može eksplicitno izraziti. Metodom probanja (ili numerički) dobija se

δis=29∘40′.\delta_{is} = 29^\circ40'.

Kritično vreme jednovremenog obostranog isključenja voda V1 je

tis=2H(δis−δ12(1))πf0PmSGn=4H(δis−δ12(1))ωsPmSGn=0,139 s.t_{is} = \sqrt{\frac{2H\left(\delta_{is} - \delta_{12}^{(1)}\right)}{\pi f_0\dfrac{P_m}{S_{Gn}}}} = \sqrt{\frac{4H\left(\delta_{is} - \delta_{12}^{(1)}\right)}{\omega_s\dfrac{P_m}{S_{Gn}}}} = 0{,}139\ \text{s}.

Rezultat

δis=29∘40′\delta_{is} = 29^\circ40'; vod V1 mora se obostrano isključiti za tis=0,139t_{is} = 0{,}139 s.

Metod u predavanju

Slični zadaci

Teme

Stabilnost