Режимы коротких замыканий

Короткие замыкания (к. з.) в СЭС могут произойти между полюсами или фазами, а также между фазой и корпусом судна (землей).

На рис. 20.1 показаны схемы одно-, двух и трехфазного к.з. Обычно сначала возникает одно- или двухфазное к. з., которое затем может перейти в трехфазное. Однофазные к.з. в СЭС не рассматриваются, так как на судах в соответствии с Правилами Регистра СССР не допускается применение сетей с заземленной нулевой точкой. Правда, в четырехпроводной системе с изолиро­ванной нейтралью возможны также однофазные к. з. при замы­кании фазы на нулевой провод.

Короткие замыкания в судовых электрических сетях могут возникнуть из-за нарушения изоляции токоведущих частей раз­личного электрооборудования, происходящего в результате ее старения, механических повреждений или небрежного ухода. При к.з. резко воз­растает ток в короткозамкнутой цепи, а напряжение в системе значительно сни­жается.

Увеличенные значения токов к.з. мо­гут вызвать механические и термические повреждения электрооборудования и кабельных сетей.

Снижение напряжения приводит к нарушению нормальной работы неповре­жденных участков системы. В частности, может произойти затормаживание электродвигателей или срабатывание нулевой защиты, которая отключит двигатели от сети. Возможно также нарушение параллельной работы генераторов.

Рис. 20.1. Схемы одно- (в), двух-(б) и трехфазного (а)

Итак, режим к. з. во многих случаях является опасным, так как может привести к серьезным авариям не только СЭС, но и судна в целом. В связи с этим при разработке и эксплуатации СЭЭС необхо­димо так выбрать оборудование и наладить режим работы си­стемы, чтобы предупредить аварию или при ее возникновении быстро ликвидировать аварию или пресечь ее развитие.

Эти задачи могут быть решены в результате проведения тео­ретических исследований и практических расчетов, среди ко­торых значительное место занимают исследования аварийных режимов и расчет токов к.з. Последняя задача является весьма сложной, так как при ее решении необходимо учитывать много различных факторов, влияющих на токи к.з., что во многих слу­чаях представляет большие трудности. Поэтому при расчете токов к.з. широкое применение находят приближенные методы.

2. Физические явления при коротких замыканиях в СЭС постоянного тока

Допустим, что произошло к.з. на зажимах генератора по­стоянного тока с параллельным возбуждением, который до мо­мента к з. находился в режиме холостого хода (рис. 20.2). При этом из-за малого сопротивления электрической цепи от генератора до места короткого замыкания ток якоря за короткое время до­стигает значительной величины. Так, например, за время менее 0,05 с ток может возрасти от номинального значения до 10-15-кратного. Резкое увеличение тока приводит к росту реакции якоря, в основном его поперечной составляющей, и реакции от коммутационных токов, которые начинают размагничивать ге­нератор. Магнитный поток главных полюсов при этом уменьшается.

В параллельной обмотке возбуждения генератора ОВГ воз­никает электродвижущая сила взаимоиндукции, которая препят­ствует уменьшению магнитного потока полюсов, что приводит к увеличению тока возбуждения. Прямо пропорционально этому току растет поток рассеяния генератора и соответственно умень­шается поток, входящий в якорь. Происходит быстрое вытесне­ние полезного потока из якоря в воздух при относительно мед­ленном уменьшении потока, охватывающего обмотку главных полюсов. Уменьшение полезного потока, входящего в якорь, при коротком замыкании приводит к снижению эдс. генератора.

Рис. 20.2. Схема к.з. генератора постоянного тока при к. з.

В связи с увеличением тока якоря при коротком замыкании и возрастанием потерь в стали генератора происходит резкое увеличение тормозного момента генератора и снижение его ча­стоты вращения. Это обстоятельство является еще одной при­чиной снижения э. д. с. генератора.

В дальнейшем, после достижения током якоря максимального значения, магнитный поток машины, эдс и ток якоря будут постепенно затухать соответственно затуханию тока возбужде­ния i_В (рис. 20.3).

Рис. 20.3. График изменения тока якоря i_K3 и тока возбуждения i_В при к.з.

Так как индуктивность якорной цепи очень мала по сравнению с индуктивностью цепи возбуждения, то она не будет оказывать заметного влияния на процесс затухания. Такова в общих чертах физическая картина явлений, протекающих при к.з. генератора постоянного тока.

Для исследования переходных процессов в генераторе постоянного тока (при постоянной частоте вращения) справедливы следующие уравнения:

(20.1)

где i_a, i_B – соответственно токи якоря и возбуждения;

r_a, r_B – соответственно индуктивности цепи якоря и возбуждения, являющиеся функциями тока;

L_a, L_B – соответственно индуктивности цепи якоря и возбуждения, являющиеся функциями тока;

e_Г – эдс якоря;

u_ВН – падение напряжения во внешней цепи при к.з.;

М_a-B, М_В-а – взаимоиндуктивности между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря, зависящие от тока.

Система уравнений (20.1) является нелинейной с переменными коэффициентами, для решения которой необходимо знать параметры генераторов и сети, насыщение магнитной цепи и т.д. Поэтому определение токов к.з. на основе данных уравнений – задача весьма сложная. В связи с этим, а также по той причине, что при расчете токов к.з. трудно учесть сопротивление цепи к.з., в практике нашел применение простой приближенный метод токов к.з., рассмотренный ниже.

3. Расчет токов к.з. в СЭС постоянного тока

При к.з. на зажимах генераторов постоянного тока из-за вытеснения магнитного потока в воздух эдс генератора e_Г к моменту достижения током якоря максимального значения уменьшается по сравнению с начальной величиной.

Однако при расчете токов к.з. эдс генератора принимают постоянной и равной номинальному значению. Это допущение приводит к заметному завышению расчетного тока к.з. по сравнению с его реальным значением. Ошибку, связанную с указанным допущением, можно уменьшить, если в расчете принять не действительные значения сопротивлений генератора и электродвигателя, а их некоторые фиктивные значения.

Фиктивное сопротивление генераторов обычно выбирают ис­ходя из предположения, что максимальный ток к.з. генераторов постоянного тока равен 10-кратному номинальному току. Это значение тока к.з. считается средним для генераторов, приме­няемых на судах. Фиктивное сопротивление генератора можно определить по выражению r_ф.г = E_г.ном/10I_{г. ном} Ом.

При коротком замыкании в сети происходит падение напряже­ния, вследствие чего эдс электродвигателей становится больше напряжения генератора, и электродвигатели переходят в генераторный режим, тем самым создавая дополнительный ток, ко­торый поступает к месту к.з. Величина и характер изменения во времени этого тока зависят от многих факторов и, в частности, от значения единичной мощности электродвигателей, их количе­ства и коэффициента загрузки.

Все эти факторы практически не поддаются строгому учету. Поэтому при решении рассматриваемой задачи прибегают к сле­дующим упрощениям:

1. максимальное значение тока к.з. электродвигателей при сопротивлении внешней цепи, равном нулю, принимают равным:

I_{д. макс} ≈4I_{д. ном} для двигателей мощностью до 10 кВт;

I_{д. макс} ≈6I_{д. ном} для двигателей мощностью от 10 до 100 кВт;

I_{д. макс} ≈8I_{д. ном} для двигателей мощностью свыше 100 кВт;

2. противоэлектродвижущую силу двигателей принимают равной эдс генераторов и напряжению сети, т. е.

E_Г.НОМ≈Е_Д=U_С.НОМ.

Расчет токов к. з данным методом выполняют в такой после­довательности:

1. составляют расчетную схему, в которой указывают мощ­ности генераторов и эквивалентного электродвигателя, длины, сечения кабелей и расчетные точки к. з.;

2. на основании расчетной схемы (рис. 20.4) составляют схему замещения, преобразованную к простейшему виду (рис. 20.5).

Рис. 20.4. Расчетная схема для определения токов к. з.

Рис.20.5.Схема замещения к расчету токов к. з.

Заметим, что обычно реактивные сопротивления кабелей не учитываются.

Если расчетная схема СЭС содержит несколько генераторов, то все они приводятся к одному генератору параллельным сло­жением сопротивлений каждой генераторной ветви.

Для определения результирующего сопротивления схемы (рис.20.5) сначала складывают последовательно включенные со­противления R_ф.г и R. Затем учитывается параллельно вклю­ченное сопротивление R_ф.д . К полученному таким образом со­противлению прибавляют сопротивление R_K.3. В итоге будет ре­зультирующее сопротивление, определяемое выражением

и максимальное значение тока к. з.

.

Заключение

В заключение необходимо отметить, что максимальное значение тока к. з. генератора постоянного тока мало зависит от системы его воз­буждения, так как магнитный поток генератора определяется не столько способом его возбуждения, сколько постоянством потокосцепления с обмотками возбуждения генератора при воз­растающем в несколько раз их потоке рассеяния. Вместе с тем си­стема возбуждения оказывает заметное влияние на установив­шийся ток к. з.