книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

то все они будут питать точку короткого замыкания и ток в цепи значительно возрастет.

Вточку короткого замыкания посылают токи также и асин­ хронные двигатели, работающие в момент короткого замыкания, что объясняется следующим образом.

Вместе короткого замыкания напряжение практически равно

нулю, а по мере удаления от него увеличивается по линейному

ветствии с этим на шинах ГРЩ будет иметь место некоторое оста­ точное напряжение Um.

В нормальном режиме асинхронные двигатели работают со

чена непосредственно к ГРЩ и находится примерно на одинако­ вом расстоянии от него. Это позволяет при расчетах токов корот­ кого замыкания все работающие асинхронные двигатели заменить одним эквивалентным двигателем.

Физические процессы, происходящие в асинхронном двигателе при коротком замыкании, аналогичны рассмотренным процессам в синхронном генераторе. Однако активное сопротивление обмотки ротора велико и токи короткого замыкания в асинхронном двига­ теле затухают в очень короткое время. Поэтому они учитываются

в режиме генератора, быстро затормаживаются, их э.д.с. стано­ вятся меньше напряжения на шинах ГРЩ. При этом они вновь потребляют ток от генераторов, но при низком напряжении сети не могут создать достаточного вращающего момента, «опрокиды­ ваются» и переходят в режим стоянки под током.

70

§ 18. Расчет токов короткого замыкания в судовых электроэнергетических системах переменного тока

Короткие замыкания в электроэнергетических системах возни­ кают довольно редко, однако они могут вызвать разрушение эле­ ментов электрооборудования на судне, длительный перерыв в снабжении потребителей электроэнергией и поэтому должны учитываться при проектировании судовых систем. Для того чтобы короткое замыкание не привело к опасной аварии с тяжелыми последствиями, электрические аппараты, шины и кабели прове­ ряются на динамическую и термическую устойчивость по ожидае­ мым (расчетным) токам короткого замыкания, по которым, кроме того, проектируется и настраивается защита отдельных элементов системы.

Рис. 26. Расчетная схема электроэнергетической системы пере­ менного тока.

Таким образом, расчет коротких замыканий судовых электро­ энергетических систем сводится к определению максимального значения тока при коротком замыкании в различных (характер­ ных) точках электрической сети. В судовых электроэнергетических системах активные сопротивления соизмеримы с реактивными и поэтому в расчете учитываются наряду с ними. Это усложняет расчет токов короткого замыкания, но позволяет обеспечить не­ обходимую точность.

Расчет токов коротких замыканий (т.к.з.) начинается с состав­ ления расчетной схемы электрической системы в однолинейном изображении, па которой отмечаются необходимые расчетные точки коротких замыканий (рис. 26). Места и количество точек короткого замыкания выбираются так, чтобы проверить все ком­ мутационные и защитные аппараты в наиболее тяжелых режимах.

Наиболее характерными точками короткого замыкания, кото­ рые обычно выбирают при расчетах токов короткого замыкания, являются: статорные клеммы генератора, шины ГРЩ и кабель от­ ходящего фидера на расстоянии 10 м от шин распределительного устройства. С целью проверки фидерных автоматов иногда рас­ считывают т.к.з. в точке, удаленной на значительное (40 м) рас­ стояние от шин ГРЩ.

71

В расчетную схему включают все длительно работающие гене­ раторы с учетом их типов и мощности, трансформаторы тока л напряжения, автоматы и др., указывают длину и сечение кабе­ лей и шин.

По этой схеме определяют величину расчетных сопротивлений цепи до точки короткого замыкания, куда входят сопротивления обмоток статоров генераторов, кабелей и шин, токоведущих ча­ стей защитной и коммутационной аппаратуры распределительных устройств, переходных контактов кабельных наконечников и др.

Для определения результирующих сопротивлений цепи корот­ кого замыкания строят схемы замещения. Сопротивления элемен­ тов схем замещения обычно задаются и выражаются в относи­ тельных единицах. Это делает расчеты более простыми и нагляд­ ными, а также позволяет сравнивать полученные результаты. Для выражения в относительных единицах параметров электроэнер­ гетических систем необходимо выбрать базисные единицы, за ко­ торые обычно принимают номинальные данные генераторов. Основными базисными величинами, как правило, являются базис­ ная мощность Se, равная сумме полных мощностей судовых гене­ раторов, и линейное номинальное напряжение Uç. Используя основные базисные величины, определяют базисный ток

и базисное сопротивление фазы

На основании базисных величин относительные значения сопро­ тивлений можно определить из выражений

Схему замещения относительно каждой принятой для расчета точки короткого замыкания преобразуют к простейшему виду. Преобразование выполняют путем замены параллельно или по­ следовательно включенных сопротивлений эквивалентными сопро­ тивлениями. Электродвижущие силы параллельно работающих генераторов принимают одинаковыми и сопротивления генератор­ ных ветвей считают включенными параллельно. Сопротивления всех остальных участков схемы считают включенными последова­ тельно.

В процессе упрощения схему замещения преобразуют отдельно для каждой расчетной точки короткого замыкания. Каждый раз в результате преобразований определяется результирующее (экви­ валентное) сопротивление

72

В качестве примера составим схему замещения для расчета короткого замыкания в точке К5 (рис. 27). Сопротивления уча­ стков схемы (/—V на рис.26), приведенные к базисным условиям, определяются из следующих выражений (звездочкой отмечены относительные величины, приведенные к базисным условиям):

§б_

••и%

В соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис. 26, на точку к. з. К5 работают два параллельно включенных генератора,

Рис. 27. Схемы заме­ щения электроэнерге­ тической системы пе­ ременного тока.

Таким образом, определяя эквивалентные сопротивления отдель­ ных ветвей, последовательно переходим от схемы, приведенной

73

Расчетные кривые для определения т.к.з. представляют собой зависимости действующего значения периодической составляющей тока короткого замыкания (в относительных единицах) через время t с начала короткого замыкания от величины результирую­ щего сопротивления 2 р е з цепи короткого замыкания. На рис. 28 представлены расчетные кривые для генераторов серии МСС с ав-

74

тематическими регуляторами напряжения. Эти кривые позволяют определить действующее значение периодической составляющей

в середине которого находится рассматриваемый момент. При этом

не по мгновенному значению токов короткого замыкания, а по его действующему значению.

Действующее значение полного тока короткого замыкания (наибольшее действующее значение тока короткого замыкания) определяется выражениями:

в относительных единицах

(20)

в амперах

(21)

75

Как уже отмечалось, кроме генераторов точку короткого за­

В соответствии с этим общий ударный ток в точке короткого за­ мыкания составит:

двигателя 5 Д В обычно принимается равной 75% суммарной мощ­ ности генераторов судовой электростанции, работающих в расчет­

Быстрое затухание тока подпитки асинхронных двигателей поз­ воляет не учитывать их при определении токов короткого замы­ кания в другие моменты времени.

Ток короткого замыкания по истечении 0,05 с с начала про­ цесса определяется с учетом апериодической составляющей путем умножения на 1,05 периодического тока Короткого замыкания, найденного по расчетной кривой для указанного времени.

При определении токов короткого замыкания в последующие моменты времени токи подпитки двигателей и апериодическая со­ ставляющая не учитываются.

В результате расчета токов короткого замыкания определяются токи в различные требуемые моменты времени короткого замыка­ ния, которые затем используются для выбора и проверки на тер­ мическую и динамическую устойчивость различных элементов оборудования электроэнергетической системы судна.

§ 19. Термическое и электродинамическое действие токов короткого замыкания

Ток короткого замыкания (т.к.з.) во много раз превышает по величине токи номинального режима установки и поэтому за не­ значительное время короткого замыкания выделяет в цепи боль-

76

шое количество тепла, что вызывает изменение температуры токоведущих элементов от некоторой начальной температуры Ѳнач до температуры ѲШах (рис. 30). Короткое замыкание не выведет

короткого замыкания, пропорционально квадрату действующего значения тока 1* и времени короткого замыкания tK. Но расчет термического действия т.к.з. усложняется тем, что этот ток не

замыкания выделяет такое же коли­ чество тепла, как и изменяющийся ток короткого замыкания за

периодической и апериодической составляющих т.к.з.

Проверка элементов электрической системы на термическую

чина больше максимально допустимого каталожного значения, то в некоторых случаях возможно ограничить действие тока корот­ кого замыкания уменьшением времени срабатывания защиты. В противном случае, очевидно, необходимо увеличивать сечение токоведущих частей элементов цепи короткого замыкания. Элек­ трические цепи, защищенные предохранителями или автоматиче­ скими выключателями (с электромагнитными расцепителями без выдержки времени), на термическое действие т.к.з. не прове­ ряются ввиду кратковременности их действия в указанных цепях.

Известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действуют электромагнитные силы, стремящиеся изменить

77

конфигурацию проводника так, чтобы он охватывал возможно большее число силовых линий магнитного потока. В электриче­ ских системах большинство проводов обычно находится в магнит­ ном поле соседнего провода.

Когда по проводам протекают токи нормальных рабочих ре­ жимов, их взаимодействие практически не ощущается.

При коротких замыканиях токи резко возрастают и электро­ динамические усилия взаимодействия проводов могут вызвать опасные механические напряжения в проводах и их креплениях. Поэтому электродинамическое действие токов короткого замыка­ ния следует учитывать при проектировании электротехнических установок, а выбранные аппараты необходимо проверять на элек­ тродинамическую устойчивость, для чего в каталогах для них за­ дается максимально допустимое значение т.к.з. в амперах.

В целях обеспечения бесперебойного снабжения электроэнер­ гией судовых потребителей стремятся правильной организацией эксплуатации судового электрооборудования предупредить воз­ никновение коротких замыканий в электротехнических установ­ ках. Однако если короткое замыкание все же возникло, то во избе­ жание развития аварии в электроэнергетической системе его необходимо как можно быстрее отключить от остальной электри­ ческой сети.

Для этого используют быстродействующие коммутационные аппараты, стоимость которых тем выше, чем больше отключаемые ими токи короткого замыкания. Чтобы снизить стоимость электро­ оборудования и уменьшить опасность разрушения различных эле­ ментов электротехнической установки, предусматривают специаль­ ные меры уменьшения величины т.к.з.

Токи короткого замыкания возрастают пропорционально мощ­ ности генерирующих установок. Поэтому с целью их уменьшения иногда отказываются от параллельной работы судовых генерато­ ров. На крупных судах шины ГРЩ секционируют для того, чтобы на каждую группу потребителей, подключенных к одной секции шин, работала лишь часть генераторов судовой электростанции. Уменьшения токов короткого замыкания можно также достичь выбором определенной схемы электрической сети и искусственным увеличением сопротивления до точки короткого замыкания. Уве­

§ 20. Расчет провалов напряжения синхронных генераторов при пуске асинхронных двигателей

В процессе эксплуатации судовых электроэнергетических си­ стем происходит включение и отключение двигателей. различных судовых механизмов, что вызывает изменение нагрузки генера­ торов и, следовательно, напряжения судовой сети.

В электроэнергетических системах постоянного тока пуск дви-

78

гателей обычно производится с помощью пусковых сопротивлений, ограничивающих пусковые токи до (2—2,5) /П О м. дв- Наброс такого тока на генераторы судовой электростанции не вызывает суще­ ственного изменения их режима работы. Напряжение судовой сети при этом изменяется незначительно и не нарушает нормальных условий работы судовых потребителей электроэнергии.

Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые являются основными потребителями электроэнергии в су­ довых электроэнергетических системах переменного тока, сопро­ вождается бросками тока, равными / п = (54-7)/Н О м. дв. К тому же судовые электростанции в отличие от береговых установок имеют ограниченные мощности. Поэтому на судах часто встречаются электродвигатели, имеющие мощность, соизмеримую с мощностью судовых генераторов. Асинхронный двигатель, мощность которого

Таким образом, генератор оказывается значительно перегружен­ ным, в результате чего имеет место резкое снижение ( п р о в а л ) напряжения в судовой сети.

Известно, что асинхронные двигатели по сравнению с какимилибо другими двигателями более чувствительны к изменениям напряжения питающей сети, так как создаваемый ими вращаю­ щий электромагнитный момент находится в квадратичной зависи­ мости от приложенного напряжения (MM№=U2). Поэтому в мо­ мент пуска мощного асинхронного двигателя некоторые из рабо­ тающих двигателей могут быть «опрокинуты», т. е. будут не в состоянии преодолеть приложенный к валу статический момент на­ грузки, и в результате переходят в режим короткого замыкания,

двигателя, включенного на напряжение сети при заторможенном роторе. Он аналогичен начальному моменту пуска двигателя и ха­ рактеризуется потреблением большого тока, недопустимого в те­ чение длительного времени по условиям нагрева. Таким образом, в системе оказывается не один, а несколько двигателей в режиме пуска, что еще больше перегружает судовую электростанцию и нарушает нормальное снабжение электроэнергией судовых по­ требителей.

Включение асинхронного двигателя, вызывающее мгновенное резкое изменение нагрузки генератора, сопровождается переход­ ным процессом, аналогичным короткому замыканию. Отличитель­ ной особенностью процесса пуска является то, что пусковые токи значительно меньше токов короткого замыкания, и поэтому на­ пряжение в судовой сети уменьшается не до нуля, а лишь до не­ которого значения Umin. Провал напряжения, сопровождающий пуск асинхронного двигателя, будет равен

79