Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение. Расчет токов короткого замыкания. Методические указания к практическим и курсовой работам
.pdf
1949
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕ-
НИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электропривода
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ:
РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Методические указания к практическим и курсовой работам
Составитель: Т.В. СИНЮКОВА
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
УДК 621.31 (07)
С 388
Рецензент - В.Н. Мещеряков, д-р техн. наук, проф.
Синюкова, Т.В.
С388 Электроснабжение: расчет токов короткого замыкания [Текст]:
методические указания к практическим и курсовой работам / сост. Т.В.
Синюкова. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического
университета, 2014. – 47 с.
В методических указаниях изложена методика по расчету токов коротко-
го замыкания объектов промышленных предприятий.
Табл. 6. Ил. 14. Библиогр.: 9 назв.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий
государственный технический
университет», 2014
Системы электроснабжения промышленных предприятий создаются для
обеспечения электроэнергией промышленных приемников электрической энергии. По мере развития электропотребления усложняются и системы электроснабжения промышленных предприятий. Развитие и усложнение структуры систем электроснабжения, возрастающие требования к экономичности и надежности их работы в сочетании с изменяющейся структурой и характером потребителей электроэнергии, широкое внедрение устройств управления распределением и потреблением электроэнергии на базе современной вычислительной
техники ставят проблему подготовки высококвалифицированных кадров.
Первое место по количеству потребляемой электроэнергии принадлежит
промышленности, на долю которой приходится более 60% вырабатываемой в
стране энергии. С помощью электрической энергии приводятся в движение
миллионы станков и механизмов, освещаются помещения, осуществляется автоматическое управление технологическими процессами и др.
Также важной задачей является обеспечение требуемого качества электроэнергии. Низкое качество электроэнергии приводит помимо прочих нежелательных явлений к увеличению потерь электроэнергии как в электроприемниках, так и в сети. Надежное и бесперебойное электроснабжение обуславливает:
работу промышленных предприятий любых отраслей, полученную прибыль,
зависящую от объемов выпуска продукции. Для эффективного функционирования предприятия схема электроснабжения должна обеспечивать соответствующий уровень надежности и безопасности, что напрямую зависит от правильно
выбранного электрооборудования и токоведущих частей.
При выборе оборудования и элементов защиты требуемый уровень
надежности и безопасности схемы электроснабжения обеспечивается строгим
соблюдением норм и правил, изложенных в правилах устройства электроустановок (ПУЭ), CНиПах и ГОСТах.
Задание на практические и курсовую работы к разделу «Расчет токов ко-
роткого замыкания»
По приведенной ниже методике производится выполнение практических
работ, исходные данные на которые выдает преподаватель.
Каждый студент во время прохождения производственной практики собирает материал для курсовой работы, выполнение которой осуществляется на
основании полученного материала по приведенному ниже заданию:
1. Характеристика объекта электроснабжения.
1.1 . Описание внешнего электроснабжения.
1.2 . Описание внутреннего электроснабжения.
2. Определение расчетных нагрузок.
3. Расчет токов короткого замыкания (КЗ).
1. Характеристика объекта электроснабжения
В данном разделе приводится описание выбранного объекта с указанием
его назначения, всех уровней напряжения, приведением и описанием схем
внутреннего и внешнего электроснабжения, маркировкой и характеристиками
установленных токоведущих частей, коммутационных аппаратов, изоляторов,
трансформаторов и другого оборудования.
2. Определение расчетных нагрузок
Расчетные нагрузки могут быть определены на основании графиков
нагрузки выбранного объекта электроснабжения или рассчитаны по учебникам
[1, 5].
3. Расчет токов КЗ
Общие сведения о токах короткого замыкания
При нарушении электрической прочности изоляции проводов или оборудования в электрической сети возникает аварийный режим короткого замыкания, вызывающий резкое увеличение токов до значений в несколько раз пре-
4
восходящих номинальные, приводящее к чрезмерному нагреву токоведущих
частей и создающее большие механические усилия, способные вызвать разрушения. Поэтому ПУЭ предусматривает выбор и применение электрических аппаратов и проводников в электроустановках переменного тока по условиям КЗ.
Термическая стойкость – способность проводников и аппаратов без повреждений переносить в течение заданного расчетного времени нагрев токами КЗ.
Электродинамическая стойкость – способность токоведущих частей,
аппаратов и электрических машин выдерживать без повреждений усилия, возникающие при КЗ.
В трехфазной сети различают следующие виды КЗ: трехфазное; двухфазное; одно- и двухфазное КЗ на землю (замыкание двух фаз между собой с одновременным соединением их с землей) – в сетях с глухо- и эффективнозаземленными нейтралами.
Частота возникновения (от общего количества): однофазные КЗ – 60%;
двухфазные на землю – 20%; двухфазные – 13%; трехфазные – 7%.
При трехфазном КЗ все три фазы электрической сети оказываются в одинаковых условиях, поэтому его называют симметричным. При других видах
КЗ – несимметричные.
В зависимости от мощности источника питания промышленного предприятия при расчетах токов КЗ выделяют два конкретных случая.
1) КЗ в цепях, питающихся от системы бесконечной мощности (от шин
неизменного напряжения)
Системой бесконечной мощности условно считают источник, напряжение
на шинах которого остается практически неизменным при изменениях тока в
подключенной к нему цепи, в том числе и при КЗ (собственное сопротивление
источника ничтожно мало по сравнению с сопротивлением цепи КЗ).
На рис. 1 показана цепь, которая питается от источника, у которого в
нормальном режиме работы и при КЗ на зажимах сохраняется симметричная и
неизменная по значению трехфазная система напряжений.
5
dt
di
Lriu
кк
Ta
t
,0aк
к
m
tк,
еi)tsin(
Z
U
i
Рис. 1. Трехфазная симметричная цепь, питаемая от источника бесконечной
мощности
Короткое замыкание делит цепь на две части:
– правую с сопротивлениями r1 и х1=ωL1 в каждой фазе;
– левую, содержащую источник питания и сопротивления цепи КЗ rк и
хк=ωLк.
Процессы в обеих частях схемы при трехфазном КЗ протекают независимо. Правая часть оказывается зашунтированной КЗ, и ток в ней будет поддерживаться, пока запасенная в индуктивности L1 энергия магнитного поля не перейдет в тепло, выделяющееся в активном сопротивлении r1. Этот ток при активно-индуктивном характере сопротивления цепи не превышает тока нормального режима и, постепенно затухая до нуля, не представляет опасности для
оборудования. Изменение режима в левой части цепи при наличии индуктивности Lк также сопровождается переходным процессом, описанным следующим
уравнением:
,
где u и i – мгновенные значения соответственно тока и напряжения рассматриваемой фазы.
Мгновенное значение тока в любой момент времени t от начала КЗ
,
где Um – амплитудное значение фазного напряжения источника; Zк – полное сопротивление присоединенного к источнику участка цепи; α – фазовый
угол напряжения источника в момент t=0; φк – угол сдвига тока в цепи КЗ относительно напряжения источника той же фазы; Та – постоянная времени цепи КЗ:
6
к
к
к
к
r
x
r
L
Та
).tsin(
Z
U
i
к
к
m
tп,
Ta
t
,0atа,
еii
,0пк,0а,0
iii
).sin(Ii
кmп,,0п,
уmп,
Та
01,0
mп,у
kI)е1(Ii
.
Полный ток КЗ слагается из двух составляющих:
– вынужденной (периодической), обусловленной действием напряжения
источника, имеющей периодический характер с частотой, равной частоте
напряжения источника:
– свободной (апериодической), имеющей апериодический характер:
.
Начальное значение апериодической составляющей тока КЗ в каждой фазе для момента времени t=0:
,
где i
– начальное значение тока КЗ, равное значению тока предшеству-
к,0
ющего режима в данной фазе к моменту t=0. Периодическая составляющая тока
при t=0:
Максимальное мгновенное значение полного тока – ударный ток, iу
наступает примерно через 0,01 с после начала процесса КЗ, для момента времени t=0,01 с:
,
где kу – ударный коэффициент.
Переходный процесс завершается после затухания апериодической составляющей тока, далее полный ток КЗ равен его апериодической составляющей, неизменной по амплитуде. Кривая изменения тока при максимальном значении апериодической составляющей тока показана на рис. 2.
7
const
2
I
II
mп,
п,0tп,,
ta,tа,
iI
2
ta,
2
tп,tк,
iII
Рис. 2. Изменение тока КЗ
Действующее значение тока для произвольного момента времени КЗ t: –
периодической составляющей:
;
– апериодической составляющей:
;
– полного тока КЗ:
.
2) КЗ вблизи генератора ограниченной мощности:
– Без устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ)
В данной машине ток возбуждения if остается постоянным и обеспечивает неизменный магнитный поток возбуждения Фf. На рис. 3 показан генератор,
питающий трехфазную цепь КЗ.
Рис. 3. КЗ вблизи генератора ограниченной мощности
8
//
d
х
2
)0(
//
d)0()0(
2
)0(
//
d)0(
//
ф
)sinxIU()cosxI(Е
При работе генератора на холостом ходу под действием тока ротора в
машине наводится магнитный поток возбуждения Фf. В момент возникновения
КЗ в статоре генератора появляется ток. Периодическая составляющая тока отстает от напряжения на выводах генератора на угол φк, определяемый параметрами цепи КЗ. Протекая по обмоткам генератора, периодическая составляющая
тока создает магнитный поток Фст, который будет направлен встречно потоку
возбуждения Фf, как поток реакции якоря по продольной оси ротора.
На пути потока Фст находятся два проводящих контура: короткозамкнутый контур демпферной обмотки (только у гидрогенератора) и замкнутый на
возбудитель контур обмотки возбуждения.
В установившихся режимах работы генератора поток Фст замыкается через сталь ротора. В переходном процессе в контурах демпферной обмотки и
обмотки возбуждения, обладающих индуктивностью, возникают свободные тока i
св,д
и i
, имеющие апериодический характер. Замкнутые контуры свобод-
св,f
ных токов iсв, в переходных режимах возникают и в массивном теле ротора
турбогенератора. Данные апериодические токи затухают с постоянной времени,
равной отношению индуктивности контура к его активному сопротивлению, им
соответствуют свободные магнитные потоки обмоток: демпферной Ф
буждения Ф
св,f
.
и воз-
св,д
Результирующий магнитный поток в магнитном зазоре
Ф
= Фf + Ф
рез
св,д
+ Ф
- Фст.
св,f
В начальный момент КЗ эдс машины не меняется скачком, она равна значению предшествующего режима.
В момент КЗ (t=0) генератор характеризуется сверхпереходными пара-
метрами:
– сверхпереходное сопротивление генератора по продольной оси
;
– сверхпереходная эдс:
,
где U
(0)
, I
(0)
, φ
– соответственно фазное напряжение, ток и угол между
(0)
векторами тока и напряжения в предшествующем КЗ режиме.
9
2
I
х
Е
хх
Е
I
mп,
рез
//
ф
к
//
d
//
ф
п,0
у0п,у
kI2i
туда, I
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ: I
– действующее значение тока КЗ за первый период:
п,0
– ампли-
п,m
,
где х
– результирующее сопротивление; хк – сопротивление цепи КЗ.
рез
С течением времени происходит затухание апериодических токов в
демпферной обмотке и обмотке возбуждения с одновременным уменьшением
магнитных потоков Ф
св,д
, Ф
. Уменьшается эдс генератора, так как магнит-
св,f
ные потоки не могут компенсировать размагничивающее действие потока реакции якоря Фст, а также уменьшается периодическая составляющая тока КЗ. После затухания апериодических токов наступает установившийся режим для периодической составляющей тока статора.
Результирующий магнитный поток примет значение, при котором размагничивающее действие потока статора максимально:
Ф
= Фf - Фст.
рез
Кривая тока КЗ представлена на рис. 4.
Вывод: при отсутствии на генераторе АВР установившееся значение периодической составляющей тока КЗ будет меньше его начального значения.
Длительность переходного процесса не более 3–5 с, ударный ток iу имеет место
через 0,01 с после начала процесса:
.
Рис. 4. Изменение тока КЗ при отсутствии АВР на генераторе– С АРВ
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]