&_БАКАЛАВТАМ_(Эл.маг.)_[2014] / УП_ЛК_(Эл. маг.-УКОРОЧЕННЫЙ- Гл. 1-10)_[2008]

шемся режиме, обусловленное действием АРВ.

F t – закон изменения вынужденной составляющей тока КЗ,

обусловленного АРВ; определяется выражением (4.45) или (4.46). Поставленное в формуле (4.47) ограничение соответствует пре-

кращению действия АРВ при достижении напряжения генератора номинальной или иной установленной величины.

На рис. 4.16 в соответствии с выражением (4.47) графически изображены составляющие периодического тока короткого замыкания с учетом действия АРВ. В переходном режиме, с одной стороны, проис-

Рис. 4.16. Изменение периодических токов с учетом АРВ при коротком замыкании во внешней цепи: составляющие периодического тока КЗ;

результирующая огибающая

ходит естественное затухание свободного переходного тока из-за наличия активных сопротивлений, с другой стороны, возрастание составляющей, обусловленной АРВ. Результирующая огибающая тока имеет сложную зависимость, которая определяется удаленностью КЗ.

из которого находим интересуемую реактивность

71

Обратимся к рис. 4.17, где приведены кривые изменения периодического тока статора для трех характерных удаленностей КЗ.

При малой удаленности КЗ ( x x ) огибающая тока генерато-

кз вн

ра с АРВ имеет вид затухающей кривой (см. рис. 4.17, а). По мере увеличения дальности короткого замыкания характер огибающей тока меняется (см. рис. 4.17, б). После снижения до некоторого минимума ток статора под воздействием АРВ вновь возрастает, стремясь к установив-

нице (см. рис. 4.17, в). При этих условиях амплитуда периодического тока в переходном режиме остается практически неизменной, что эквивалентно U Г const , т.е. питанию схемы источником бесконечной

мощности.

Наличие демпферных обмоток не меняет характера рассмотренных зависимостей. Однако следует отметить, что благодаря демпферным обмоткам свободный периодический ток статора состоит из двух слага-

янных времени приводит к тому, что сверхпереходная составляющая

I имеет высокую скорость затухания и достаточно быстро срезает

пик тока КЗ. После её полного исчезновения дальнейшее снижение периодического тока происходит за счет относительно медленного затухания переходной составляющей I . В этом, собственно, и состоит

принцип электромагнитного демпфирования переходного процесса.

72

Рис. 4.17. Изменение периодического тока статора с учетом действия АРВ при различных удаленностях КЗ: а – при близком к генератору КЗ;

б – при средней удаленности КЗ; в – удаленное КЗ

73

Наличие демпферных обмоток приводит к снижению постоянной времени Ta , которая определяет скорость и время затухания апериоди-

ток в обеих осях машины проявляется в уменьшении электромагнитной

4.10. УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ КЗ

Установившейся стадией переходного процесса называется такой режим, при котором затухают все возникшие в начальный момент короткого замыкания свободные токи и прекращается действие АРВ. Регуляторы возбуждения, увеличивая ток возбуждения, вызывают рост напряжений и токов в электрической системе. Степень этого увеличения зависит от удаленности места короткого замыкания и параметров генераторов. Если для удаленных КЗ достаточно незначительное увеличение тока возбуждения для обеспечения номинального напряжения на шинах генератора, то по мере приближения короткого замыкания к шинам генератора увеличение тока возбуждения должно быть все больше и больше. Однако рост тока возбуждения ограничен определенным пределом (потолком) I f пр по условиям термической стойкости системы

возбуждения и зависит от конструктивных особенностей машины и применяемой системы возбуждения. Для турбогенераторов можно считать I* f пр 4 , для гидрогенераторов I* fпр 3. 2 . Следовательно, не

при любой удаленности короткого замыкания напряжение на шинах генератора под воздействием АРВ может быть доведено до номинального значения.

Для каждого генератора можно установить такую внешнюю реактивность xк р , что при кротком замыкании за этой реактивностью при

предельном токе возбуждения на зажимах генератора обеспечивается номинальное напряжение. Реактивность xк р называется критической и

для нее справедливо следующее соотношение:

из которого находим интересуемую удаленность короткого замыкания

74

Сравнивая фактическую удаленность короткого замыкания ( xк з ) с критической ( xк р ), можно характеризовать режим работы генератора в

установившемся режиме КЗ. При малой удаленности КЗ, когда справедливо условие xкз xкр , генератор работает в режиме предельного воз-

буждения. В этих условиях его синхронная ЭДС достигает предельного значения Eq Eqпр , соответствующая предельному току возбужде-

ния, а напряжение на выводах генератора не достигает номинальной величины UG Uном . В режиме предельного возбуждения установивший-

ся ток КЗ определяется выражением:

При удаленном коротком замыкании ( xкз xкр ) генератор работает в режиме номинального напряженя, т. е. U G U ном ; при этом ток возбуждения меньше своего предельного значения I f I f пр . В этих

условиях установившемуся току короткого замыкания соответствует расчетная формула:

(4.51) либо – (4.52).

Продолжительность подъема напряжения машины под действием форсировки возбуждения до номинального значения называется критическим временем tк р . Чем больше скорость подъема возбуждения, тем

меньше критическое время. С увеличением удаленности короткого замыкания затухание и нарастание токов происходит медленнее. Однако, т. к. снижение напряжения при этом меньше, его восстановление под действием АРВ происходит в более короткий отрезок времени и, следовательно, критическое время уменьшается с ростом удаленности короткого замыкания.

75

4.11. ВЛИЯНИЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС

4.11.1. Общие замечания

Под двигательной нагрузкой будем понимать синхронные и асинхронные двигатели, синхронные компенсаторы и обобщенную нагрузку. Изложенный ранее материал о параметрах синхронных генераторов в равной мере справедлив и для синхронных и асинхронных двигателей, которые в начальный момент нарушения режима так же в общем случае характеризуются своими сверхпереходными реактивностями ( x ) и сверхпереходными ЭДС ( E ). Двигатели, расположенные в непосредственной близости к точке короткого замыкания, переходят в генераторный режим и являются дополнительными источниками подпитки места короткого замыкания, что требует своего учета. Тем не менее следует отметить, что это влияние, как правило, носит локальный характер и существенно зависит от следующих факторов: типа двигателя, его мощности, электрической удаленности до места короткого замыкания и стадии переходного процесса.

Наличие относительно мощной двигательной нагрузки характерно для сетей и электроустановок 6 – 10 кВ и относительно маломощных – для распределительных сетей 0.4 кВ.

Ток, генерируемый двигателями, учитывается при проверке аппаратов и проводников распределительных устройств (РУ) 6 – 10 кВ по условиям коротких замыканий, а так же при выборе и расчете устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики электрооборудования. С этой целью рассчитывают периодические и апериодические составляющие тока для момента t 0 и τ – времени отключения короткого замыкания.

Ниже более детально рассматриваются индивидуальные особенности указанных видов двигательной нагрузки.

4.11.2. Синхронные двигатели и компенсаторы

Синхронные двигатели (СД) являются элементом силового электропривода, синхронные компенсаторы (СК) служат для компенсации (выработки или потребления) реактивной мощности.

Характерными режимами их работы в нормальном рабочем состо-

янии являются: режим недовозбуждения и режим перевозбуждения.

Недовозбужденный двигатель потребляет реактивную мощность; его синхронная Eq , равно как и сверхпереходная E ЭДС, меньше под-

веденного напряжения U0 . Перевозбужденный синхронный двигатель

76

(компенсатор) является источником реактивной мощности, что соответ-

разложения параметров по осям d и q , приведены на рис. 4.18. При их

построении токи приняты со знаком « », что соответствует двигательному режиму.

где U0 , I0 , φ0 – параметры режима, предшествующего КЗ;

знак « » соответствует режиму перевозбуждения; знак « » – режиму недовозбуждения.

Рис. 4.18. Векторные диаграммы синхронного двигателя:

а– режим недовозбуждения с отстающим током;

б– режим перевозбуждения с опережающим током

Всоответствии с функциональным назначением синхронного компенсатора он потребляет незначительный активный ток; реактивный

ток ( I p ) является превалирующим и угол φ0 близок к 90 .

Рассмотрим влияние синхронной двигательной нагрузки на ток переходного режима. У перевозбужденного синхронного двигателя (компенсатора) в нормальном рабочем состоянии сверхпереходная ЭДС

всегда выше подведенного напряжения ( E U ). При КЗ напряжение

0 0

U 0 снижается до значения U 0 , что усиливает это неравенство и, посылаемый двигателем в сеть реактивный ток, возрастает. Такой двигатель

77

является дополнительным источником подпитки места КЗ. Этого нельзя сказать в отношении синхронного двигателя, работающего в нормальном режиме с недовозбуждением. При этих условиях его сверхпереход-

мости от степени снижения напряжения при КЗ, его влияние неодно-

тивный ток в аварийную точку. Полученные ранее закономерности изменения составляющих токов в цепях синхронного генератора в переходном режиме (разд. 4.7, 4.9) в равной мере относятся к синхронным двигателям и компенсаторам.

Единичная мощность синхронных компенсаторов, выпускаемых отечественной промышленностью, достаточно велика (табл. 4.1) и используются они весьма редко.

Напротив, номенклатура синхронных двигателей весьма обширна и они широко используются во многих отраслях. Выпуск синхронных двигателей осуществляется напряжением 6; 10 кВ с единичной мощностью в диапазоне 315 31500 кВт (см. табл. 4.2).

Увеличение тока КЗ из-за перехода двигателей в генераторный режим может быть весьма существенным, когда единичная мощность двигателя или группы двигателей, расположенных вблизи точки короткого замыкания напряжением 6 – 10 кВ, составляет 1000 кВт и более.

При расчете токов КЗ обычно учитывают только те двигатели, ко-

78

торые связаны с местом КЗ непосредственно через кабельную линию или тоководы, линейные реакторы или двухобмоточные трансформаторы. Влиянием двигателей, связанных с точкой короткого замыкания через реактанс расщепленной обмотки трансформатора или сдвоенного реактора, можно пренебречь.

В паспортных данных для синхронных двигателей вместо сверхпереходного реактанса может приводиться пусковой ток. Тогда значение сверхпереходной реактивности определится так:

Для сокращения вычислительных действий при расчётах коротких замыканий целесообразно группу двигателей, работающих с одинаковым режимом (перевозбуждения или недовозбуждения), заменять эквивалентным двигателем. Для этого определяется:

и сверхпереходная реактивность эквивалентного двигателя, отнесенная

79

Значение этой реактивности в относительных единицах для произвольных базисных условий следует рассчитывать по формуле

При расчетах режимов короткого замыкания синхронную двигательную нагрузку рекомендуется выделять в самостоятельную ветвь. Это позволяет принять для двигателей свой ударный коэффициент ( K ) и персонально учесть их вклад в ударный ток

где I – начальный сверхпереходный ток от синхронного одиноч-

П(СД)

ного или эквивалентного двигателя;

K у(СД) – ударный коэффициент двигателей, принимаемый по

данным табл. 4.3.

Таблица 4.3

Значения Ta и K у синхронных двигателей при КЗ на их зажимах

4.11.3. Асинхронные двигатели и обобщенная нагрузка

Несмотря на конструктивное отличие асинхронного и синхронного двигателей они имеют единый принцип электромагнитного взаимодействия статорных и роторных контуров. Благодаря чему в начальный момент КЗ асинхронные двигатели (АД) также характеризуются сверхпереходными ЭДС и сопротивлением.

80