Проверка оборудования по режиму КЗ.

Короткие замыкания в СЭЭС.

Классификация КЗ. Причины и следствия.

Под КЗ подразумевают замыкание между фазами или полюсами системы, не предусмотренное схемой ее соединения.

КЗ классифицируют по следующим признакам:

Ø По сопротивлению в точки КЗ.

Ø По схеме КЗ.

По сопротивлению в точке КЗ.

ü Металлическое КЗ (R=0, U_кз=0) – иногда называют «глухое» КЗ.

ü Дуговое КЗ (R=R_д, U_кз=U_д≠0)

I_КЗмет>I_КЗдуг – при прочих равных условиях.

Примерно 70% всех КЗ возникают как дуговые, затем перерастают в металлические.

Более пажароопасными являются дуговые КЗ, с точки зрения механических повреждений (электродинамическая сила) более опасны металлические КЗ.

1. однофазное КЗ.

2. двухфазное КЗ.

3. трехфазное КЗ.

4. двухфазное КЗ на «землю».

5. трехфазное КЗ на «землю».

В СЭЭС, где нулевая точка не соединена с корпусом – «землей», возможны только варианты 2 и 3. по статистике ≈60% всех КЗ в СЭЭС начинаются как двухфазные, перерастая затем в трехфазные. При прочих равных условиях: I_{КЗударн3-ф}>I_{КЗударн2-ф}

В промышленны системах, где нулевая точка заземлена, наиболее вероятно (≈70%) однофазное КЗ.

Однако, из-за значительной емкости фаз относительно корпуса –С₀ и междуфазных емкостей при пробои одной из фаз относительно корпуса могут возникать значительные емкостные токи утечки. Эти токи меньше уставки срабатывания защиты, поэтому она на них не реагирует, но они достаточны (при дуговом КЗ) для возникновения пожарной ситуации.

С₀≈10² мкФ.

Причины и последствия КЗ.

Причины:

1. повреждение изоляции токоведущих частей из-за:
• естественного старения,
• химического воздействия агрессивной внешней среды,
• механических повреждений,
• внешнего (сварка) или внутреннего (перегрузка) теплового воздействия,
• перенапряжения.
2. неправильный монтаж или неправильное проектирование.

Последствия:

При КЗ ток возрастает в начальный момент в 8..15 раз по отношению к номинальному, отсюда:

1. Повышенное тепловое воздействие – точка КЗ начинает двигаться в сторону источника, если не будет срабатывать защита.
2. Возникновение значительных электродинамических усилий.

F_Эл.дин~I²_КЗ

Возникают значительные электродинамические усилия в лобовых частях электрических машин, шинах ГРЩ и т.п. возможны механические повреждения.

 

1. Значительные изменения напряжения.

Особенно опасно КЗ близко к ГРЩ, так как может нарушиться работа всех потребителей в СЭЭС.

КЗ в СЭЭС постоянного тока.

Процесс КЗ генератора постоянного тока.

Внезапное КЗ приводит к 10..15 кратному увеличению тока, резко возрастает тормозной момент на валу приводного двигателя и опасное усилие в соединительных муфтах и валах агрегата, лобовых частях обмоток якоря, которые перегреваются.

Допущения:

Ø КЗ на клеммах ГПТ металлическое и происходит с холостого хода.

Ø За время КЗ частота вращения n=const

Ø Насыщение ГПТ не учитывается

Ø АРН не успевает влият на начальный процесс КЗ (U_возб=const)

Процесс КЗ описывается уравнением:

Решение (1) может быть представлено в виде графиков: I_Я=f(t), I_В=f(t)

 

Реальные токи I_Я и I_В зд есь представлены в виде двух составляющих, имеющих физический смысл.

Рассмотрим законы изменения первых двух составляющих:

где:

E₀ – ЭДС ХХ.

R_я – сопротивление якорной обмотки ГПТ.

Т_я – переходная постоянная времени обмотки якоря.

L_я – индуктивность якорной обмотки.

I`<sub>я</sub> – оказывает решающее воздействие на ток КЗ в первый период, ей, по принципу постоянства потокосцепления соответствует составляющая I`_в, которая также изменяется с постоянной Т_я.

М_вя=М_яв – коэффициент взаимоиндукции обмотки якоря и обмотки возбуждения.

L_в – индуктивность обмотки возбуждения.

R_в – сопротивление обмотки возбуждения.

I_в0 – вынужденная составляющая (все, что сверху составляющей) – возбуждение независимое.

Во период КЗ – спадание тока – решающее воздействие на процесс оказывает I``_в, она обусловлена затуханием свободной составляющей в обмотке возбуждения, в соответсвии с Т_в – переходной постоянной времени обмотки возбуждения.

Этой составляющей соответствует составляющая

Для определения момента времени t_м, при котором I_Я=I_Яmax. Решаем уравнение:

откуда

поскольку T_в>>T_я, то

Если подставить реальные значения, то t_m<0,05 с. Поэтому I_Яmax практически не зависит от способа возбуждения ГПТ и действия АРН.

1. – компаундного (смешанного) возбуждения.

2. – независимого возбуждения.

3. – параллельного возбуждения.

Уравнение (1) качественно описывает процесс, однако, практических расчетах их использование затруднено, также, как и формулы (2). Это объясняется сложностью определения коэффициентов L_я, L_в, M_вя, M_яв. Их можно определить точно только экспериментальным путем. R_я, R_в – переменные за время переходного процесса, так как являются сложными функциями температуры и тока из-за эффекта вытеснения тока и нагрев:

R_Я>R_Я∞ и R_в>R_в∞

По этому Т_в, Т_Я переменны за время переходного процесса.

На практике в основном надо знать только величину тока I_Яm=I_КЗmax – она необходима для оценки устойчивости оборудования при КЗ.

ЭДС ГПТ при КЗ меняется, рассмотрим этот процесс при отсутствии АРН и КЗ с холостого хода.

Причины изменения ЭДС:

1. I_Я↑ → M_{тормозящий на валу ПД}↑ → n↓ → E= C_e n Ф↓

Практически это не заметно, так как до момента t=t_m обороты n=const.

1. Реакция якоря: I_Я↑ → Ф↓ → E= C_e n Ф↓

Поперечная реакция якоря уменьшает Ф при КЗ примерно на 20% и не объясняет дальнейшего снижения ЭДС.

Реакция коммутационных токов: из-за насыщения дополнительных полюсов при КЗ они не успевают скомпенсировать продольную реакцию якоря. Появляется магнитодвижущая сила коммутационных токов, что сдвигает физическую ось поля с нейтрали по направлению вращения и делает коммутацию нелинейной, замедленной. Это продольная реакция якоря.

1) – нормальный режим, линейная коммутация.

2) – замедленная коммутация.

1), 2) – формы кривой тока.

 

Это явление очень сложно, а его учет затруднен, поэтому найти Её точно тяжело. На практике используется расчет упрощенным методом из-за сложности этих явлений.

 

Практический метод расчета максимального (ударного) тока КЗ.

Так как I_Кmax – максимальный ток КЗ и I_Я мало зависят от способов возбуждения ГПТ и из эксперимента известно что при КЗ на клеммах ГПТ: I_Kmax≈10I_нГПТ

тогда

модель в момент пика тока

При КЗ необходимо учесть подпитку от ДПТ, которые при расчетах расчетах заменяют одним эквивалентным:

P_дн – номинальная мощность i-того двигателя, работающего в рассматриваемого режиме.

n – общее количество двигателей.

Определяем фиктивное сопротивление для каждого двигателя.

E`, E_дн – противо ЭДС двигателя в момент пика тока и в номинальном режиме.

Тогда

I_нэд – номинальный эквивалентный ток двигателей

 

При расчетах полагаем Е_нГ≈Е_нД≈U_нСети

Составляем схему замещения:

R_кГ, R_кД – сопротивление кабеля двигателя, генератора

R_к – сопротивление аварийного участка.

Короткое замыкание аккумуляторной батареи.

Е_АБ=ne₁ – ЭДС АБ

       n – число последовательно соединенных элементов

       e₁ – ЭДС единичного элемента.

       m – число элементов аккумулятора соединенных параллельно.

       R_вн – внутреннее сопротивление одного элемента.

       R_мэ – сопротивление межэлементного соединителя.

       R_Σ – суммарное сопротивление внешней цепи до точки КЗ.

       U_д – падение напряжения на дуге в точке КЗ. При металлическом КЗ U_д=0

e₁, R_вн= var – может быть переменным по элементам, что вносит неточность в расчет.

По сравнению с ГПТ, индуктивность АБ незначительна, то есть ток нарастает скачком, ниспадающий участок практически линеен и выражается:

КЗ в СЭЭС переменного тока.

Процесс КЗ синхронного генератора.

Допущения:

1. КЗ – металлическое, происходит на клеммах СГ по 3-х фазному замыканию (симметричное).
2. КЗ происходит с холостого хода, когда ЭДС в рассматриваемой фазе = 0 (например, е_а=0).

ДО – демпферная обмотка.

ОС – обмотка статора.

1. Возбуждение СГ независимое, АРН не действует, U_возб=const.
2. За время КЗ частота сети (обороты) СГ не меняются.
3. Насыщение не учитывается
4. Так как индуктивное сопротивление СГ x>>r_a, то при КЗ на клеммах СГ считаем r_a=0

 

Рассмотрим зависимости токов:

i_k(t) – в статоре

i_в(t) – в обмотке возбуждения

i_д(t) – в демпферной обмотке.

То есть во всех электромагнито связанных контурах СГ.

Эти зависимости взаимообусловлены. Графики их имеют вид:

x_s – сопротивление рассеяния обмотки статора

x_ad – сопротивление реакции якоря продольной оси

x_в – сопротивление обмотки возбуждения

x_Д – сопротивление демпферной обмотки.

НР – нормальный режим

КЗ – режим КЗ     КЗ=СПР+ПР+УР

       СПР – сверхпереходный режим КХ

ПР – переходный режим КЗ

УР – установившийся режим КЗ

i_у – ударный ток КЗ – максимально возможное значение тока КЗ.

i_n – периодическая составляющая тока КЗ.

i``₀ – начальное значение периодической составляющей

i_a – апериодическая составляющая тока КЗ

i_a0 – начальное значение апериодической составляющей тока КЗ

i_о – значение тока СГ в момент КЗ

e_a – ЭДС фазы (КЗ в момент, когда e_a=0)

i_в – ток возбуждения

i_в0 – начальное значение тока возбуждения

i_в∞ - установившееся значение тока возбуждения

i_св – свободная составляющая тока возбуждения

i_д – ток в демпферном контуре, в продольной оси

 

Периодическая составляющая.

Начальное значение i``₀ периодической составляющей зависит от мгновенного значений ЭДС в рассматриваемой фазе в момент КЗ.

Действующее значение периодической составляющей, (не забываем, что КЗ на клеммах генератора):

Это соответствует начальному моменту КЗ, когда действует свободный ток в обмотке возбуждения и демпферной обмотке.

Схема замещения СГ на этот период (до момента времени i_Д=0) представлена на рисунке 1.1 (см. выше).

При построении диаграммы потоков пренебрегаем токами рассеяния.

В первый момент КЗ в контурах ротора по принципу постоянства потокосцепления наводятся токи i_св и i_Д, величина и направление которых таково, что создаваемые ими магнитные потоки компенсируют резко возрастающий при КЗ поток реакции якоря (если пренебречь рассеянием).

НР: Ф^-_δ=Ф_в – Ф^-_ad

           Ф⁺_δ=Ф_в – Ф⁺_ad +Ф_св, с учетом рассеяния Ф⁺_δ< Ф^-_δ

В момент, когда i_Д=0 заканчивается СПР и начинается ПР. Здесь уже свободные токи уменьшились и создаваемые ими Ф_св начинают затухать. К моменту затухания i_св, Ф_св еще уменьшится и в момент, когда i_в0= i_в∞ наступает установившийся режим КЗ. В этом режиме генератор эквивалентируется параметрами Е_d, x_d.

Периодическая составляющая изменяется от начального значения I^``_n до установившегося значения тока КЗ I_∞ затухая по гармонической кривой синхронной частоты из-за нарастающего влияния потока реакции якоря.

 

Апериодическая составляющая.

Обусловлена явлением самоиндукции статорной обмотки при возникновении КЗ.

Уравнение процесса самоиндукции:

L_c – индуктивность обмотки статора

r_a – сопротивление статорной обмотки

T_a – постоянная времени апериодической составляющей

если есть внешняя цепь, то:

x_p, r_p – индуктивное и активное сопротивление короткозамкнутой цепи.

ω – угловая частота.

Начальное значение i_a0 зависит от значения ЭДС рассматриваемой фазы в момент КЗ, то есть от i``₀, всегда противоположно по знаку.

i₀ – значение тока нагрузки в момент КЗ (апериодическая составляющая может не возникнуть, если КЗ с ХХ).

 

Результирующий ток КЗ

Наиболее тяжелым, с точки зрения величины тока случай КЗ в рассматриваемой фазе будет, когда КЗ происходит с ХХ (i_a=0), когда i``₀=I_kmax (то есть e_ф=0)

Самый легкий случай КЗ для рассматриваемой фазы:

i``₀=0, i₀=0 (ХХ) → i_a0=0 → i_кз=i_период, апериодическая составляющая не возникнет.

Для наиболее тяжелого случая:

тогда:

где К_у – ударный коеффициент.

 - главная расчетная формула для определения ударного тока трехфазного короткого замыкания.

В других фазах СГ ударные токи будут меньше, так как в них ЭДС сдвинуты по фазе (120 и 240 от рассматриваемой фазы).

Если при КЗ есть внешняя цепь, то ударный ток КЗ определяется с учетом результирующих сопротивлений для точки КЗ

в Z_рез входит x``_d

Влияние АРН на процесс короткого замыкания.

Так как ударный ток КЗ возникает в первый полупериод, то инерционности цепи АРН его влияние на ударный ток КЗ отсутствует, АРН влияет на установившийся ток КЗ.

Если нет АРН, то

Если есть АРН, то

 в зависимости от точки КЗ (ее расположения).

 

Сравнение ударных токов двухфазного и трехфазного КЗ.

Для 3-х фазной:

 - при пренебрежении активным сопротивлением на  

                                                          клеммах СГ.

Для 2-х фазной:

Поскольку i_у~I``, то при прочих равных:

То есть расчеты надо производить (для проверки оборудования) по режиму 3-х фазного КЗ.

 

Метод расчета токов 3-х фазного КЗ (любой точки).

1. Назначение расчета

1.1 Проверка оборудования.

Расчет ведется исходя из максимальных значений тока КЗ в месте установки оборудования.

1.2 Оценка чувствительности защиты.

Расчет ведется по минимальных значениям тока КЗ в защищаемой зоне.

1.3 Анализ аварий

Расчет ведется по реальным условиям аварии (по месту возникновения КЗ).

 

Подготовка исходных данных для расчета.

Независимо от применяемого метода расчета необходимо проделать одну и туже операцию подготовки исходных данных. Она включает в себя:

1. Составление эквивалентной расчетной схемы для наиболее энергоемкого режима СЭЭС (то есть когда в параллели суммарная мощность СГ максимальна). В схему включаются все элементы, подлежащие проверке, а также последовательно включенные в цепь тока (например первичные обмотки трансформаторов и т.д).

1. Исходя из цели расчета наносятся расчетные токи КЗ. Для назначения (1) по условиям максимальных токов КЗ.
2. Для каждой расчетной точки составляются схемы замещения, где все элементы представлены своими сопротивлениями, а генераторы – ЭДС.

Например для точки К5:

Далее эта схема сворачивается до вида:

 

Z_p – результирующее сопротивление, оно включает:

· Сопротивление ветвей генераторов Z₁ и Z₂

· Сопротивление шин Z₃

· Сопротивление аварийного участка Z₄

Здесь параллельно работающие СГ заменяются одним суммарной мощности.

В дальнейшем расчет может производится аналитическим, либо графическим методом (методом расчетных кривых).

1. Система относительных единиц.

Ей необходимо пользоваться при расчете методом расчетных кривых, так как расчетные кривые представлены в относительных единицах.

Базисная мощность:

Базисное напряжение:

Тогда любая мощность:

Любое напряжение:

Любой ток:

Базисное сопротивление:

Тогда:

В каталогах на СГ сопротивления приведены в относительных единицах, применительно к базисным условиям, за которые приняты:

Для параллельно работающих генераторов:

На практике применяют аналитический метод расчета ударного тока КЗ и метод расчетных кривых для определения кроме ударного тока еще и различных действующих значений токов в процессе КЗ.

Упрощенный аналитический метод определения ударного тока КЗ.

Z_p – полное результирующее сопротивление для точки КЗ

Ударный коэффициент:

где x_p, r_p – составляющие полного результирующего сопротивление Z_p.

При КЗ необходимо учесть ток подпитки от эквивалентного АД.

Самая большая погрешность из-за учета подпитки двигателей.

Формула (1) больше справедлива, если точка КЗ близка к клеммам генератора (например на шинах ГРЩ).

Метод расчетных кривых.

В основе метода положено применение расчетных кривых вида: I*_период=f(t,Z*_p) (1)

                                                                                                          I*_КЗ= f(t,Z*_p) (2)

Где t – время с начала КЗ

Zp – результирующее сопротивление до точки КЗ

Кривые (1) не учитывают тока подпитки от АД, кривые (2) учитывают так же ток подпитки от эквивалентного АД.

Расчетная схема (для уравнения (1), ей пользуемся мы):

 

Z*_p=Z*_r+Z*_A

Кривые построенные при замене всех параллельно работающих СГ одним суммарной мощности.

Расчетная схема (для уравнения (2), ей пользуются в различных КБ):

 

 - более точная формула.

Если необходимо найти максимальное значение тока в момент времени t=0.05с:

Ток подпитки от АД учитывается:

Е_д – противо ЭДС двигателя, Е*_д=0,9 (в о.е.)

∆U – остаточное напряжение на шинах ГРЩ при КЗ ∆U=I₀Z_K

I₀ – периодическая составляющая тока КЗ генератора в момент времени t=0

Z_K – полное сопротивление кабеля, отходящего от ГРЩ

Z*_д=0.2S_б/S_Нд, так как S_Нд=0,75S_б, тогда Z*_д=0,266

По кривым (2) снимают все необходимые значения токов:

Расчет теплового импульса в точке КЗ.

Тепловой импульс:

(1) может быть определен по специальным расчетным кривым В_k=f(Z*_p,t).

По этим кривым В_k определяется графически. Если такие кривые отсутствуют, то В_k можно определить следующим образом:

В_k=В_п+В_а – по составляющим периодического и апериодического тока.

Столькими кривыми необходимо воспользоваться, пока t не покроет время срабатывания защиты.

Расчет тока КЗ по индивидуальному изменению тока в точке КЗ от разных источников.

Расчетную схему замещения нельзя свести к виду (а), если параллельно работающие источники по отношению к точке КЗ имеют существенно разные сопротивления. Тогда их нельзя заменять одним суммарной мощности.

 

Далее по расчетным кривым, либо аналитическим методом находят отдельно i_y1, i_y2, а результирующий ток определяют как сумму: i_y= i_y1+ i_y2

Z*_p1, Z*_p2 – должны быть приведены к свои базисным условиям (своей выделенной ветви), то есть S_баз и Z_баз будет для них разными.

Заменять генераторы одним суммарной мощности нельзя, если разница в результирующих сопротивлениях от точки КЗ до генератора соизмерима с величиной x``_d самого генератора.

Если в параллель работают судовой СГ и источник бесконечной мощности (мощная береговая сеть или подстанция).

Ударный ток генератора находится известными способами (см. выше).

Проверка оборудования по режиму КЗ.

Автоматические выключатели проверяются по следующим параметрам:

1. предельная коммутационная способность – предельное, максимальное значение тока, которую АВ может отключить без повреждений. (электродинамическая устойчивость i_y≤i_yдоп i_y – ударный ток).
2. критическая разрывная способность – действующее значение тока который АВВ способен отключить без недопустимой затяжки дуги I_t≤I_tд, I_tд – допустимое значение тока во время расхождения контактов дугогашения (t=0.04c).
3. предельная способность включения – наибольшее значение тока, которое АВВ способен включить без сваривания контактов.
4. термическая устойчивость:

по этому условию установочные АВВ не проверяются.

---

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!