Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5 короткие замыкания
глава В Электрических системах
Для обеспечения надежной работы электрической системы необходимо произвести оптимальный выбор всех элементов системы электроснабжения. На первом этапе производят выбор электрических аппаратов по условию нормального рабочего режима при допущении некоторой перегрузки в после аварийных режимах. На втором этапе электрические аппараты должны быть проверены на термическую и электродинамическую стойкость при возникновении аварийных режимов – коротких замыканий (КЗ). При протекании токов КЗ токоведущие части подвергаются усиленному нагреву и, кроме того, возникающие за счет электромагнитного взаимодействия механические усилия могут разрушить конструкцию устройства. Кроме этого, чтобы предотвратить тяжелые последствия, вызываемые Кз, необходимо принимать меры для сохранения устойчивости параллельной работы в системе и определять вызванные ими снижения напряжения в узлах электрической сети. С целью обеспечения надежной работы электрооборудования необходимо сопоставление расчетных значений токов КЗ с гарантийно допустимыми значениями по условиям механической стойкости и допустимому кратковременному нагреву токоведущих частей.
Цель главы – изучить требования, предъявляемые к расчету токов короткого замыкания и принимаемые допущения при их расчетах. Рассмотреть систему относительных единиц, при которой все элементы необходимо привести к одной электрической ступени. Освоить методы расчета трехфазного короткого замыкания.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ главы НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, СИСТЕМА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ЕДИНИЦ
Короткие замыкания (КЗ) – одна из основных причин нарушения режима работы электроустановок и энергосистем. Короткие замыкания – это соединения между фазами и землей (или нулевым проводом), а также соединения между различными витками одной фазы. Соединения могут быть через дугу или глухие, «металлические». В данной главе рассматриваются только последние.
Токи КЗ обычно протекают незначительное время ( t15 сек), но их приходится тщательно рассчитывать, так как из-за термического и динамического действия токов КЗ возможны серьезные повреждения оборудования.
В электрических системах могут иметь место трехфазные, двухфазные, однофазные КЗ и двухфазные КЗ на землю.
Сети напряжением 110 кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтралей трансформаторов (сети с большим током замыкания на землю), сети напряжением 35 кв и ниже – с разземленными нейтралями или с нейтралями, замкнутыми на землю через дугогасящие катушки (сети с малым током замыкания на землю).
Причинами КЗ обычно являются нарушения изоляции, вызванные:
Относительно часто причиной повреждений в электрической части электроустановок является неправильные действия обслуживающего персонала, например, ошибочное отключение разъединителем цепи с током.
Последствиями КЗ являются:
Расчеты токов КЗ необходимы для:
Допущения при расчетах токов КЗ
Расчет токов КЗ в электрической системе представляет трудную задачу. В целях ее упрощения обычно принимают ряд допущений, не вносящих существенных погрешностей в расчеты:
Последнее допущение позволяет представить трансформатор в виде двухполюсника.
Указанные допущения, естественно, приводят к погрешностям в расчетах, однако погрешности обычно не превышают 5-10 %.
Системы именованных и относительных единиц
Расчет токов КЗ можно провести в системе именованных единиц, так и в системе относительных единиц. В последнем случае величины, принятые за основные, называются базисными величинами.
При расчетах используют следующие четыре величины:
.
При выборе базисных условий только две базисные величины могут быть взяты произвольно, так как эти величины связаны двумя уравнениями:
Выбрав базисные величины, определяют значение отдельных величин в относительных единицах.
|
При базисных условиях (базисные величины произвольные) |
При номинальных условиях (базисные величины равны номинальным) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зная величины в относительных единицах, можно найти величины в именованных единицах:
Иногда требуется перейти от величин, выраженных в относительных единицах при номинальных условиях, к величинам, выраженным в относительных единицах при базисных условиях:
Приведение магнитно-связанных цепей
Дополнительные трудности возникают, если в схеме имеется несколько магнитно-связанных цепей. Для расчета все величины должны быть приведены к одной и той же ступени напряжения.
Пусть имеем схему с 4-мя ступенями напряжения, показанную на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Пример схемы с несколькими магнитно - связанными контурами
При пренебрежении токами намагничивания трансформаторов справедливо соотношение:
.
Точное приведение в именованных единицах величин первой ступени к ступени напряжения IV при этом допущении можно произвести, используя соотношения:
Таким образом мощность является величиной, инвариантной по отношению к различным ступеням напряжения.
Расчеты упрощаются, если в качестве напряжений холостого хода трансформаторов принять средне – номинальные напряжения сетей, к которым присоединены соответствующие обмотки трансформаторов.
Для сетей напряжением до 220 кВ справедливо соотношение:
Используя коэффициенты трансформации, определенные как отношения средне-номинальных напряжений ступеней, получим приближенное приведение в именованных единицах:
где - среднее номинальное напряжение ступени, принятой за основную, а
- среднее номинальное напряжение данной ступени.
При использовании системы относительных единиц также может быть произведено приближенное приведение магнитно-связанных цепей.
Обычно удобно в качестве независимых базисных величин выбирать
.
Базисная мощность Sб остается неизменной на всех ступенях. Базисное напряжение Uб на каждой ступени свое, чем и учитывается наличие трансформаторной связи между цепями. Далее для каждой ступени напряжения находятся базисный ток и базисное сопротивление:
Покажем, что при принятии названных условий правильно учитываются трансформаторные связи.
Пусть имеем схему, представленную на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Приведение магнитно-связанных цепей
Для первой ступени, взятой за основную, примем Sб; Uб1.
Далее найдем Iб1, а также Uб2 и Iб2, и приведем ток второй ступени к первой ступени:
Полученный результат подтверждает правильность указанного выше способа приведения магнитно-связанных цепей.
Ниже даны примеры нахождения сопротивлений различных элементов при базисных условиях:
генератор
трансформатор
линия
реактор
Общая характеристика переходного процесса
при коротком замыкании
При КЗ возникает переходный процесс. Переход системы от одного состояния к другому сопровождается появлением свободных токов, накладывающихся на принужденные токи.
Основные трудности при расчетах токов КЗ вызываются спецификой поведения вращающихся машин (генераторов, двигателей, синхронных компенсаторов) при переходных процессах.
Рассмотрим трехфазное КЗ в цепи, питаемой источником неизменного напряжения – «неограниченной мощности» (рис. 5.3.).
Рис. 5.3. Трехфазные КЗ в цепи, питаемой источником неизменного
напряжения
Для начального момента (t=0)
Поскольку в момент короткого замыкания
Ток КЗ в любой момент времени
Если до КЗ генератор работал на холостом ходу, то
где
kуд- ударный коэффициент.
Изменение отдельных составляющих тока КЗ показано на рис. 5.4.
Следует отметить, что апериодическая составляющая тока КЗ во всех фазах разная.
Рис. 5.4. Изменение составляющих тока КЗ при источнике неизменного напряжения
Ударный коэффициент изменяется в пределах 1 kуд 2; в реальных условиях
kуд =1,8 – в разветвленной сети,
kуд =1,2-1,4 – при КЗ за протяженной кабельной линией;
kуд =1,9 –1,95 –при определении ударного тока генератора в случае КЗ на его выводах.
При КЗ в сети, питаемой источником ограниченной мощности, во времени изменяется не только апериодическая составляющая, но и амплитуда периодической составляющей тока КЗ. Это обусловлено двумя причинами:
а) размагничивающим действием реакции статора генератора;
б) действием регулятора возбуждения.
Характер изменения составляющих тока КЗ при этих условиях показан на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Изменение составляющих тока КЗ при источнике
ограниченной мощности
Задачей регулятора возбуждения является поддержание номинального напряжения на зажимах генератора при различных режимах.
Установившийся режим короткого замыкания
Установившийся режим КЗ – разновидность нагрузочного режима. При установившемся режиме свободные токи отсутствуют. Пусть известны
и .
Рассмотрим длинную линию, подключенную к генератору (рис. 5.6.).
В зависимости от того, где находится точка КЗ, возможны два режима: предельного возбуждения 2 и нормального напряжения 1. Между ними – граничный режим 3.
Рис. 5.6. Режимы работы генератора при установившемся КЗ
Режим нормального напряжения характеризуется следующими соотношениями:
Режим предельного возбуждения имеет место, если
Найдем Xкр при работе в граничном режиме
отсюда
Обобщенная нагрузка при расчетах установившегося КЗ учитывается следующими параметрами:
При расчете установившегося КЗ в схеме с несколькими генераторами необходимо:
а) составить схему замещения;
б) задаться режимами работы генераторов и ввести последние в схему замещения соответствующими параметрами:
и Хd или Uг,ном и Х=0;
в) ввести в схему нагрузки, если необходимо учесть их влияние;
г) найти ток КЗ;
д) проверить режим.
При несоответствии полученных величин заданным режимам задаться новыми режимами и повторить расчет.
Расчет тока КЗ для произвольного момента времени
ЭДС и сопротивления генераторов изменяются во время переходного процесса (рис. 5.7.). Поэтому для нахождения тока КЗ в произвольный момент времени в схему замещения следует вводить ЭДС и сопротивления генераторов, соответствующие этому моменту времени. Однако такой метод расчета относительно сложен.
В практических инженерных расчетах до настоящего времени используется метод расчетных кривых. Он основан на применении специальных кривых, представляющие собой зависимости тока КЗ от величины расчетного сопротивления для различных моментов времени (рис. 5.8.), где Хк-сопротивление, включенное между шинами генераторного напряжения и точкой КЗ.
Величины токов на построенных кривых приведены к номинальным условиям источников.
Метод расчетных кривых дает приемлемые результаты при расчете токов только в месте короткого замыкания; использование этого метода при определении токороспределения по ветвям может привести к существенным погрешностям в расчетах.
|
Рис. 5.7. Изменение ЭДС и сопротивления генератора во время переходного процесса |
Рис. 5.8. Расчетные кривые для генераторов с АРВ |
69
Iрасч
Iн
2
3
1
1
2
3
Xкр
Xd
Iг
н
Uг
Eqn
Eq
t
U
in
ia
i
i
i
t
ia
Ta
iп
i
i
U
zк
zнг
i
UH=const
i
Uб2
Uб1
I2
T
I1
Г
U/H IV
UH IV
U/H III
UH III
U/H II
UH II
UHI
Т-3
Т-1
Г
Т-2
t =1c
t =0
t =∞
t
xd
Eqn
x//d
x//q
Е,х