книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

Таким образом, на рис. 3.15 представлен наиболее неблагоприятный случай, при котором ток в фазе достигает наибольшего мгновенного значения. Максимальное мгновенное значение полного тока і назы­ вают ударным током. Он наступает приблизительно через 0,01 сек (при f = 50 гц) после момента к. з. Если пренебречь затуханием периоди­ ческой составляющей тока к. з. за первый период, то для ударного тока к. з. можно написать:

<k y < 2 .

Вустановках высокого напряжения, где при определении тока к. з,

сактивным сопротивлением чаще всего не считаются, обычно принима­ ют ky = 1,8, что соответствует Т а — 0,05 сек. При к. з. в непосредствен­ ной близости от зажимов мощных генераторов принимают k7 = 1,9.

Всудовых установках, где величину активного сопротивления обыч­ но учитывают, сначала находят постоянную времени Т а цепи до точки

к. з., а затем вычисляют k7 или определяют его графически (рис. 3.16)

в зависимости от отношения результирующих сопротивлений

грез

В судовых установках, в связи с очень малым значением постоян­ ной T'd судовых генераторов, величину ударного тока часто опреде­ ляют с учетом затухания периодической составляющей тока к. з. за время t = 0,01 сек:

__і

Величина ударного тока к. з. в судовой электрической системе — важная характеристика системы. Нередко, особенно в системах боль­ шой мощности, ударный ток определяет выбор типов автоматических выключателей и других элементов системы, поэтому нужно уметь оце­

117

нить зависимость ударного тока от факторов, определяющих его ве­ личину.

Подробный анализ убеждает в том, что величина ударного тока зависит от момента к. з. (фазы а), нагрузки генератора к моменту к. з., параметров генератора и параметров цепи до расчетной точки к. з.

Угол а в момент к. з. может варьировать. Однако при трехфаз­ ном к. з. в фазе, в которой наблюдается наибольший ударный ток, на­ чальный угол а ограничен узкими пределами: а = 180° + 30°; поэто­ му на величине іу вариации момента к. з. сказываются незначительно.

Нагрузка генератора к началу короткого замыкания имеет слу­ чайную величину, так как число работающих потребителей на судне и их загрузка изменяются. Чем больше нагрузка, тем меньше ожида­ емый ударный ток к. з. Для точек к. з. вблизи от генераторов (шины ГРЩ, AB линий и др.) периодическая составляющая тока к. з. в не­ сколько раз больше номинального тока генераторов, поэтому вариации

к моменту к. з. работал вхолостую. Оба предположения исходят из наиболее неблагоприятного стечения начальных условий, при котором расчетом определяется максимально возможное значение ударного тока.

Параметры синхронного генератора обычно по технологическим причинам имеют отклонения от показанных в каталогах. Отклонение может составлять 10—15%, что незначительно варьирует величину ожидаемого ударного тока к. з.

Несколько уменьшает величину іу принимаемое в расчетах предпо­ ложение о том, что ударный ток к. з. наблюдается через 0,01 сек (при 50 гц и а = 180°) после начала к. з., тогда как наибольшее значение тока будет через время меньше, чем 0,01 сек, и тем меньшее, чем мень­ ше Т а.

Наибольшее влиянйе на величину ударного тока к. з. оказывают па­ раметры цепи короткого замыкания (2рез, хрез, грез), непосредствен­ но определяющие Г0 и Т а. Выбор места расположения расчетной точ­ ки к. з. оказывает основное влияние на величину ударного тока к. з.- Таким образом, ударный ток к. з. — сложная функция многих слу­ чайных переменных, поэтому вполне уместно, особенно при расчете тока к. з. в мощных системах, вероятностное прогнозирование вели­

чины ударного тока к. з. [44, № 6, 1970].

Уже было отмечено (§ 3.4), что ток к. з. со стороны двигателей имеет как периодическую, так и апериодическую составляющие. Максималь­ ное мгновенное значение полного тока к. з. двигателей /у.дв называют ударным током. По аналогии с ударным током к. з. генераторов, удар­ ный ток двигателей

причем ударный коэффициент ky дв учитывает затухание периодиче­ ской и апериодической составляющих тока короткого замыкания дви­ гателя.

118

В связи с тем что у асинхронных двигателей мощностью до 5— 10 кет составляющие тока к. з. затухают очень быстро, можно прини­ мать для них Аіу.дв = 1. Для двигателей мощностью 20—60 кет, по данным экспериментов, проведенных на судах отечественного морского

В Современных судовых системах ударные токи к. з. очень велики. Так, например, на теплоходе «Краснозаводск» в ходовом режиме при работе всего одного генератора мощностью 550 ква, по данным эксперимента, при точке к. з. на шинах главного распределитель­ ного щита і дв ='7450 а, іу ген = 15 000 а и, значит, іу = 15 000 + +7450 = 22 450 а.

Определение периодической составляющей тока короткого замыкания с помощью расчетных кривых

Метод расчетных кривых для определения тока к. з. в любой задан­ ный момент времени получил в инженерной практике самое широкое распространение. Метод прост и позволяет с приемлемой точностью быстро находить ток в месте к. з.

В основу метода положено применение семейства расчетных кри­ вых (рис. 3.17, 3.18), представляющих собой зависимость периодиче­ ской составляющей тока трехфазного короткого замыкания (тока пря­ мой последовательности) от результирующего сопротивления до точ­ ки к. з. Кривые построены для различных моментов времени после ко­ роткого замыкания, например для t = 0, t = 0,01 сек, t = оо и т. д. Как ток, так и сопротивление выражены в относительных единицах при базисной мощности, равной номинальной мощности генератора, питающего точку к. з., и при базисном напряжении, равном номиналь­

ному напряжению генератора.

При расчете кривых используют схему замещения, обычную при расчете токов к. з. В вычислениях учитывают средние параметры ге­ нераторов, принимая, что генератор до возникновения к. з. работает с нагрузкой Vн и хн, равной 75% номинальной при cos ср = 0,8 и номи­ нальном напряжении.

119

I# nt

Рис 3 17 Расчетные кривые тока к. з. для типового генератора с автоматиче­ ским регулятором напряжения (греа -результирующее сопротивление цеп»

до точки к. 3 ; включая сопротивления генератора при бе —^^г.ном)

120

Рис. 3.18. Расчетные кривые тока к. з. для генератора серии МСК (2*рез — резуль­ тирующее сопротивление участка сети от шин ГРЩ до точки к. з. при 5 б = = 2Sr.H0M

121

В качестве аргумента при расчете кривых для судовых электриче­ ских установок напряжением до 1000 в принимают 2 рез. При этом чаще всего (см. рис. 3.17)

2 рез —■Y(г+ га.в)2 Н~ (x 'd + -':а.в)2>

где г и га.в — активные сопротивления ветви генератора (включая ге­ нератор) и аварийной ветви;

ха и ха в — индуктивные сопротивления генератора (в сверхпере­ ходном режиме) и аварийной ветви.

Из особенностей построения расчетных кривых следует, что для определения периодической составляющей тока к. з. необходимо ре­ альную схему электрической системы привести к простейшей схеме за­ мещения в сверхпереходном режиме и затем найти грез (в высоковольт­ ных установках хрез) относительно рассматриваемой точки к. з. При этом нагрузки в схему замещения не входят, что значительно упрощает приведение ее к простейшему виду, и вместе с тем, как это следует из пострсения расчетных кривых, при нахождении тока к. з. от генера­ торов в приемлемой мере учитывается влияние нагрузки. Исключение составляют только нагрузки (двигателя), подключенные непосредствен­ но или вблизи точки к. з. Их влияние на начальный ток к. з. должно быть учтено отдельно — это особенно существенно в судовых систе­ мах, где двигатели являются основным видом нагрузки.

Расчетные кривые построены до грез = 2, так как при большем со­ противлении периодическая составляющая тока к. з. изменяется столь незначительно, что ее значение в любой момент времени практически такое же, как и начальное; начальное же значение периодической со­ ставляющей легко вычислить без помощи кривых, аналитически, по формуле (3.82).

Рассмотрим последовательно порядок расчета токов к. з. по рас­ четным кривым.

Расчет по общему изменению. Сначала составляют расчетную одно­ линейную схему заданной судовой электросистемы, на которой указы­ вают все элементы системы. Из нагрузок указывают лишь двигатели, подключенные в непосредственной близости к расчетным точкам к. з. Эти нагрузки учитывают отдельно.

На схеме намечают расчетные точки короткого замыкания. Их число и место выбирают так, чтобы были проверены на устойчивость при к. з. коммутационные и защитные аппараты, сборные шины и кабе­ ли распределительных устройств и т. д. Каждая точка для проверки намеченного элемента схемы выбирается так, чтобы рассматриваемый элемент при к. з. находился в самых тяжелых условиях, возможных в аварийном режиме.

Затем для заданной системы составляют схему замещения, в кото­ рую включают все генераторы их сверхпереходными сопротивлениями. Трансформаторы, кабели, линии, реакторы вводят в схему замещения их сопротивления в относительных единицах, пересчитанными к ба­ зисным условиям. При пересчетах пользуются средними номинальными напряжениями для каждой ступени трансформации.

122

Далее преобразовывают схему замещения, постепенно приводя ее к простейшему виду, и определяют ее грез (для высоковольтных ус­ тановок хрез) относительно каждой из намеченных точек к. з.

После этого выбирают нужные расчетные кривые, по которым для данного результирующего сопротивления находят значение /*п(.

Если результирующее сопротивление больше 2, то относительную величину периодической составляющей определяют аналитически, как

По найденным значениям /* п< получают искомую величину перио­ дической составляющей для каждого расчетного значения t:

Int — I*at I б>

где / б — базисный ток, определяемый как

величину ударного тока подсчитывают по формуле (3.70) или (3.71). Расчет по индивидуальному изменению. В рассмотренном расчете по

общему изменению генераторы различных электрических станций при упрощении схемы замещения в конечном счете суммировались в один обобщенный генератор, мощность которого равна суммарной мощности всех генераторов рассматриваемой схемы. При таком сведении генера­ торов к одному обобщенному генератору игнорируется то обстоятель­ ство, что действительное изменение тока к. з. в основном определяется изменением тока тех генераторов, которые находятся в непосредст­ венной близости к месту к. з. Таким образом, при расчете по общему изменению характер изменения тока к. з. обобщенного генератора опре­ деляется характером изменения тока крупных генераторов (станций), что не всегда приемлемо. Так, например, при к. з. в точке К1 схемы, изображенной на рис. 3.19, метод расчета по общему изменению впол­ не приемлем, так как генераторы находятся в одинаковых условиях по отношению к точке К2. Но при коротком замыкании в точке К2 генераторы находятся уже в разных условиях, и объединять генера­ торы Г1 и Г2 в этом случае обычно не следует. Правильнее найти ток в точке К1 от каждого генератора отдельно. Сумма этих токов даст значение тока в рассматриваемой точке к. з., полученное с учетом осо­ бенностей индивидуального изменения каждого из токов. Очевидно,

123

что при применении метода учета индивидуальных изменений за ба­ зисную мощность следует принимать номинальную мощность обо­ собленной группы генераторов (или одного генератора) данной гене­ рирующей ветви. Тогда при двух ветвях получается

Рис. 3.20. Схема электрической станции:

Метод условных сопротивлений. При расчете тока к. з. расчетная схема может иметь вид, изображенный на рис. 3.20. Особенность схемы не только в том, что станции (или отдельные генераторы) по отноше­ нию к точке к. з. находятся в существенно разных условиях, но и в том, что имеется участок (кабель), обтекаемый током двух станций (гене­ раторов), а это предопределяет взаимную зависимость токов к. з. каждой из электрических станций. Чтобы учесть особенности измене­ ния тока к. з. каждой из станций, следует найти результирующее со­ противление между точкой к. з. и соответствующей станцией (гене­ ратором).

Приведя сопротивления к базисной мощности S6 = 5 г.номЛ +

+Sr ном.2 >мы получаем схему замещения, изображенную на рис. 3.20,6. Для рассматриваемой схемы справедливы уравнения:

124

Zi

Из выражения (3.76) следует, что реальную трехлучевую схему электрической системы можно заменить условной двухлучевой схемой и что условная двухлучевая схема позволяет найти полный ток к. з., в точке к. з., равный току короткого замыкания в реальной трехлуче­ вой схеме. Вместе с тем при двухлучевой схеме каждая из генерирую­ щих станций рассматри.вается отдельно, что позволяет полнее учесть особенности генерирования тока к. з. каждой из станций и что дополни­

тельно ценно не только при Ег = Ё 2, но и при Ех Ф Ѣг.

Таким образом, для того чтобы найти ток к. з. в точке к. з., нужно найти ток от каждой из станций, оперируя эквивалентной расчетной схемой замещения (рис. 3.20, в), соответствующей выражению (3.76), в котором взаимные сопротивления между каждым из источников и

точкой к. з. — г1у и г2у при расчете токов короткого замыкания приня­ то называть условными сопротивлениями, причем

Zl

Для того чтсбы воспользоваться расчетными кривыми, следует пе­ ресчитать значения zly и z2y к новой базисной мощности, га которую

Найдя по расчетным кривым /* ntl и /* п і2, получают ток в точке к. з.:

I-at = h n t l Д>1 + Д п і2

где / б1 и / б2 — базисные токи.

Приведенный способ вычисления условных (взаимных) сопротив­ лений и определения тока / п4 в точке к. з. для двухлучевой схемы справедлив и для схемы с любым другим числом лучей.

125

Если среди генерирующих ветвей схемы имеется ветвь с источ­ ником неограниченной мощности, что может быть, например, при элек­ троснабжении судна на стоянке в порту от береговой системы и одно­ временной параллельной работе судовых генераторов, то эта ветвь должна быть рассмотрена отдельно, для чего следует найти ее условное

(взаимное) сопротивление гк- у относительно точки к. з.

Для электроснабжения судна от береговой системы его подключа­ ют к электроколонке, расположенной на причале и включенной в сеть порта. Чаще всего причальная сеть подключена к подстанции с двумя трансформаторами по 560 та каждый и выполнена двумя —четырьмя кабелями большого сечения (не менее 120 мм2 на жилу) при относи­ тельно небольшой длине. Сопротивлением мощных трансформаторов и кабелей причальной сети можно пренебречь и принимать, следователь­ но, при расчете условного сопротивления, что ветвь с источником неограниченной мощности начинается от зажимов береговой электро­ колонки.

Определив zK. у, ток в точке к. з. от источника неограниченной мощ­ ности находят аналитически, полагая, что периодическая составляющая тока на протяжении всего процесса к. з. остается неизменной, равной ее начальному значению:

__ ^ср. н

° ~ П( /З г к.у '

Вычисление начального сверхпереходного тока короткого замыкания

В практических расчетах часто оказывается необходимым вы­ числить начальное значение сверхпереходного тока. При этом обычно,

Рис. 3.21. Векторные диаграммы:

Такое допущение приемлемо для машин как береговых, так и судовых установок.

Если x'q = x'h = х", то векторная диаграмма при коротком за­ мыкании на зажимах генератора принимает известный простой вид

(рис. 3.21, а).

126