Размещено на http://www.allbest.ru/

НИЖЕГОРОДСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННО-ИНЖЕНЕРНОЕ

КОМАНДНОЕ УЧИЛИЩЕ

Кафедра электроснабжения

ЛЕКЦИЯ

Тема №1. Короткие замыкания в трехфазных цепях

Занятие №2. Короткое замыкание в цепи синхронного генератора

Время: 2 часа

Кстово - 2008

Содержание

Введение

1. Установившийся режим трехфазного короткого замыкания синхронного генератора.

2. Физические явления при внезапном трехфазном КЗ в цепи синхронного генератора без АРН

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

трехфазный короткий замыкание генератор

При рассмотрении процесса КЗ выделяют два характерных случая:

1. Когда цепь из r и L элементов присоединена к источнику энергии неограниченной мощности (ИБМ). При этом условии короткое замыкание, возникающее в сети, не вызывает снижения напряжения на зажимах источника, внутреннее сопротивление которого может быть приравнено к нулю. По этой причине периодическая составляющая тока КЗ остается неизменной по величине в течение всего процесса КЗ.

Такое явление имеет место в распределенных сетях, отделенных от генератора большими сопротивлениями (удаленное КЗ). В этих сетях, хотя токи КЗ и представляют опасность для электрических устройств, все же будучи по величине малыми, по сравнению с номинальными токами питающих станций, не отражаются на работе генератора.

2. Когда КЗ возникает вблизи шин генератора или на его зажимах - то влияние токов короткого замыкания на процессы в генераторе значительно. В результате изменяется общая картина токов КЗ как в установившемся, так и в переходном режимах.

В этом случае проводят анализ процесса КЗ, выделяя ряд специфических режимов (без АРН, без успокоительных обмоток, с АРН и др.).

1. УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ ТРЕХФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Предварительно кратко остановимся на описании некоторых общих положений из теории электрических синхронных машин, четкие знания которых необходимы для понимания рассматриваемых ниже процессов в генераторах при коротких замыканиях.

Как известно, протекающий по обмотке статора синхронного генератора ток создает намагничивающую силу (н. с.) реакции якоря, которая вращается синхронно с ротором, т. е. относительно полюсов машины является неподвижной. В зависимости от характера нагрузки генератора изменяется направление н. с. реакции якоря по отношению к оси полюсов машины. При активной нагрузке, т. е. при токе, совпадающем по фазе с полной э.д.с. генератора (=0), н. с. реакции якоря направлена перпендикулярно к оси полюсов, т. е. совпадает с поперечной осью их. Если насыщение магнитных цепей машины отсутствует, то это не приводит к изменению величины результирующей э.д.с., индуктируемой в обмотке статора. При индуктивной нагрузке, т. е. при токе, отстающем на угол =/2 от полной э.д.с., н.с. реакции якоря совпадает с продольной осью полюсов и направлена навстречу полезной н.с., создаваемой током возбуждения. В этом случае реакция якоря будет оказывать размагничивающее действие, в результате чего результирующая э.д.с. машины уменьшится. При промежуточных значениях угла , т. е. при 0 < </2, ось н.с. реакции якоря занимает промежуточные положения между продольной и поперечной осями полюсов генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах (турбогенераторах) магнитная проводимость практически одинакова по любому радиальному направлению сечения машины, в силу чего величина магнитного потока, вызываемого н. с. реакции якоря, не зависит от направления этой н. с. Поэтому исследование процессов, протекающих в неявнополюсных генераторах, обычно ведут, не прибегая к разложению н. с. реакции якоря на составляющие по продольной и поперечной осям машины.

Вследствие неодинаковой магнитной проводимости по продольной и поперечной осям явнополюсных машин (гидрогенераторов, дизель-генераторов) величина магнитного потока, создаваемого н. с. реакции якоря в них, в большой степени зависит от положения оси этой н. с. относительно оси полюсов. Поэтому для учета реакции якоря в явнополюсных машинах прибегают к разложению н. с. реакции якоря Fa на слагающие: продольную Fаd = Fаsin и поперечную Fаq = Fаcos, оси которых соответственно совпадают с продольной и поперечной осями полюсов. Влияние этих слагающих н. с. на величину результирующей э.д.с. генератора носит такой же характер, как и полной н.с. реакции якоря при описанных выше предельных случаях = /2 и = 0.

Ток статора I также разлагают на продольную и поперечную составляющие: Id = Isin; Iq = Icos, которые создают соответственно продольную и поперечную слагающие н. с. реакции якоря. Геометрическая сумма этих токов дает значение полного тока статора

Сказанное выше поясняется рис. 1,а, где приведена векторная диаграмма явнополюсной синхронной машины. Здесь буквами d и q обозначены продольная и поперечная оси машины. Полная э.д.с. в обмотке статора обусловливается полезной н.с. Fd, создаваемой током возбуждения. При отсутствии насыщения машины намагничивающим силам Fad и Faq пропорциональны магнитные потоки Фad и Фaq, а, следовательно, и обусловливаемые ими в обмотке статора э.д.с. Еad и Еaq. Так как Fad и Faq пропорциональны токам Id и и Iq, то между этими токами и э.д.с. реакции якоря по продольной и поперечной осям Еad и Eaq также существует прямая пропорциональность:

Коэффициенты пропорциональности между Ead и Id, Eaq и Iq. носят название реактивных сопротивлений реакции якоря по продольной и поперечной осям и обозначаются через хad и хaq. Результирующая э.д.с. обмотки статора E, обусловливаемая потоком от действия результирующей н.с. F, определяется путем сложения полной э.д.с. Еd с продольной и поперечной э.д.с. реакций якоря Еad и Eaq. Кроме указанных э.д.с. в обмотке статора индуктируется э.д.с. рассеяния, которая обычно учитывается как взятое с обратным знаком падение напряжения от тока статора I в сопротивлении рассеяния статора x, т. е. -- jxI. Соответственно разложению тока эту величину также можно разложить на продольную и поперечную слагающие -- jxId и --jx Iq.

В практике часто пользуются величинами, равными сумме э.д.с. реакции якоря и рассеяния по продольной и поперечной осям

Величины xd = xad + x и xq = xaq+ x именуются полными индуктивными сопротивлениями синхронной машины по продольной и поперечной осям.

Рисунок 1 - Векторные диаграммы нормального режима явнополюсного синхронного генератора и установившегося режима трехфазного КЗ на выводах генератора

Величина напряжения на зажимах машины U получается как следствие от вычитания из результирующей э.д.с. Е падения напряжения от тока статора на сопротивлении рассеяния jxI (активное сопротивление обмотки статора принято равным нулю). По аналогии с током напряжение U также может быть разложено на продольную и поперечную слагающую Ud и Uq, как показано на векторной диаграмме рис. 1,а.

Непосредственно из диаграммы находим

После приведенных предварительных замечаний перейдем к рассмотрению установившегося режима трехфазного КЗ.

Установившийся режим короткого замыкания наступает после исчезновения наведенных в момент возникновения КЗ в обмотках генератора свободных токов (практически через 3-5 с в мощных генераторах, 11,5 с в генераторах средней мощности - 1001500 кВ*А и 0,51 с в генераторах малой мощности).

Установившийся режим трехфазного короткого замыкания на выводах генератора соответствует случаю чисто индуктивной нагрузки, поскольку активное сопротивление обмотки статора весьма незначительно по сравнению с его реактивным сопротивлением и им можно пренебречь. Это означает, что поперечная реакция якоря отсутствует. Следовательно, вне зависимости от типа синхронного генератора (явнополюсный или неявнополюсный) установившийся режим можно без заметной погрешности рассматривать только по продольной оси.

Векторная диаграмма, характеризующая установившийся режим трехфазного КЗ на выводах генератора, представлена на рис. 1,б. Нетрудно видеть, что она получается из диаграммы рис. 1,а, если положить U=0 и =/2. Поскольку ток установившегося режима КЗ I является чисто индуктивным, то создаваемая им н.с. продольной реакции статора Fad действует против полезной н.с. Fd. Результирующая н.с. F = Fd + Fad создает магнитный поток воздушного зазора, наводящий в обмотке статора э.д.с. E, которая затрачивается на проведение тока I, через индуктивное сопротивление рассеяния статора x , т. е.

Из изложенного выше следует, что

Отсюда получаем

Следовательно, при установившемся режиме КЗ на выводах генератора без АРН полная э.д.с. Еd затрачивается на проведение установившегося тока КЗ I через индуктивные сопротивления х и хad.

Если КЗ имеет место не на выводах генератора, а за некоторой внешней реактивностью xвн , то та же э.д.с. Еd затрачивается на проведение тока I через три сопротивления: xвн, x и xad.

В этом случае для результирующей э.д.с. можно записать соотношение

По аналогии с выражением (2а) для этого же случая получаем

Полученные формулы позволяют вычислять токи установившегося режима трехфазного к. з. без учета насыщения.

Выводы:

1. Установившейся режим КЗ в синхронном генераторе наступает после исчезновения свободных токов в обмотках генератора, наведенных в момент КЗ.

2. Установившейся ток КЗ в цепи СГ определяется полной продольной э.д.с. Ed и суммарными сопротивлениями (xd + xвн) до точки КЗ

(при наличии АРН - Еd неизвестно).

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВНЕЗАПНОМ ТРЕХФАЗНОМ КЗ В ЦЕПИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Определение установившихся токов трехфазного короткого замыкания с учетом насыщения генератора может производиться графическим методом, основанным на использовании характеристики холостого хода генератора и реактивного треугольника. Здесь этот метод не рассматривается, так как он малопригоден для расчета токов КЗ в сложных схемах с большим числом генераторов. Его принципиальная ценность заключается в наглядности, что позволило правильно подойти к разработке приближенного аналитического метода расчета установившихся токов КЗ и построения расчетных кривых, приведенных в [1].

Для простоты, первоначально будем рассматривать процесс внезапного трехфазного КЗ в цепи синхронного генератора без успокоительных обмоток. Кроме того, будем полагать, что он не снабжен автоматическим регулятором напряжения (АРН) и его магнитная система не насыщена.

Рисунок 2 - Изменение магнитных потоков, сцепленных с обмоткой возбуждения синхронного генератора без успокоительных обмоток, в процессе к. з.

До момента возникновения короткого замыкания магнитное состояние генератора определялось результирующим магнитным потоком в воздушном зазоре Фd , представляющим собой разность между полезным потоком возбуждения Фd и потоком реакции якоря по продольной оси Фаd, обусловленным нагрузочным током (рис. 2).

Благодаря магнитной связи между обмотками статора и ротора, при всяком внезапном изменении тока в одной из них в другой наводится ток, стремящийся поддержать прежнее потокосцепление данной обмотки неизменным.

Следовательно, в начальный момент короткого замыкания результирующий поток Фd, так же, как и другие потоки, сцепленные с обмотками статора и ротора, сохраняет свою величину неизменной.

Внезапное короткое замыкание генератора сопровождается увеличением потока реакции якоря, направленного на уменьшение потока в воздушном зазоре, до значения Ф/ad (см. рис.2). Это вызывает ответную реакцию со стороны ротора (по аналогии с явлением в трансформаторе при изменении его нагрузки). Благодаря возникновению в обмотке возбуждения свободного тока iва (рис. 3,а) поток возбуждения Фd увеличивается в момент возникновения КЗ до значения Ф'd = Фd + Фd (рис.2). Возникший добавочный поток возбуждения Фd компенсирует внезапное увеличение потока реакции якоря Фad.

При установившемся режиме короткого замыкания в СГ без АРН результирующий магнитный поток Фd меньше своего первоначального значения Фd , так как теперь он определяется как разность между той же величиной потока возбуждения Ввиду отсутствия автоматического регулирования возбуждения; при нали-чии у генератора АРН в процессе КЗ ток возбуждения возрастает, в силу чего Ф_d > Ф_d Фd и увеличившимся потоком реакции якоря Фad обусловленным установившимся током короткого замыкания.

Рассмотрим изменение полных токов и их составляющих в обмотках ротора (рис.3,а) и статора (рис. 3,б) генератора без АРН и без успокоительных обмоток в процессе КЗ.

Источником свободного апериодического тока iва является э.д.с., наведенная в обмотке ротора при внезапном коротком замыкании. Хотя в первый момент короткого замыкания магнитный поток, сцепленный с обмоткой возбуждения, не может мгновенно измениться, скорость уменьшения потока проявляется уже в первый момент.

Вследствие наличия активного сопротивления в цепи возбуждения возникший в ней свободный апериодический ток iва (рис. 3,а) затухает. Благодаря трансформаторной связи между цепями статора и ротора апериодическому току в обмотке возбуждения iва соответствует в статорной обмотке дополнительная свободная периодическая составляющая iп (рис. 3,6), амплитуда которой затухает по тому же закону, что и ток iва в обмотке возбуждения.

По мере затухания свободного потока ротора, дополняющего при переходном режиме основной поток возбуждения, поток реакции якоря Фadt постепенно усиливает свое размагничивающее действие, уменьшая величину результирующего магнитного потока Фdt. Ослабление последнего вызывает уменьшение э.д.с. Еd, индуктированной в обмотке статора, и постепенное затухание периодической слагающей тока.

Рисунок 3 - Изменение полных токов и их составляющих в обмотках ротора - (а) и статора - (б) генератора без успокоительных обмоток в процессе КЗ

Процесс постепенно переходит к установившемуся режиму короткого замыкания.

Поскольку поток Фd , определяющий величину индуктированной в обмотке статора э.д.с., остается неизменным в момент возникновения короткого замыкания, то можно рассматривать начальный момент короткого замыкания генератора так же, как и процесс в простейшей электрической цепи. Действительно, в отдельных фазах статора возникают свободные апериодические токи ia, начальные значения которых в момент t=0 определяются предшествующими физическими условиями. Результирующий свободный магнитный поток, создаваемый этими апериодическими токами, будучи неподвижным относительно статора, пересекает обмотку ротора и в свою очередь вызывает в ней свободный переменный ток синхронной частоты iвп (рис. 3,а), амплитуда которого уменьшается по закону затухания апериодической составляющей тока статора iа (рис. 3,б).

Результирующий установившийся магнитный поток в воздушном зазоре Фd, создаваемый совместным действием предшествующего тока возбуждения Iв (см. рис. 3,а) и реакции якоря, вызывает в обмотке статора незатухающий переменный ток синхронной частоты iп (см. рис. 3,б), равный по величине установившемуся значению периодической составляющей тока КЗ I .

В результате суммирования отдельных составляющих получается картина изменения полного тока в обмотке возбуждения iв и полного тока в обмотке статора iк в течение всего процесса короткого замыкания (см. рис. 3,а и б). Примерный вид полного тока КЗ в одной из фаз обмотки статора (СГ без АРН) приведен на рис. 4.

Рисунок 4 - Ток КЗ в цепи синхронного генератора без АРН

Выводы:

1. При внезапном КЗ в цепи синхронного генератора только результирующий магнитный поток Фдd, сцепленный с обмотками ротора и статора, сохраняет свою величину неизменной.

2. Ток КЗ в цепи СГ, в отличие от простейшей электрической цепи, имеет три составляющие: одну апериодическую и две периодических.

3. Результирующий ток периодической составляющей из-за реакции якоря имеет убывающий характер.

4. Установившейся ток КЗ в цепи синхронного генератора без АРН определяется периодической составляющей с постоянной амплитудой, возникающей в обмотке статора в момент КЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ процесса КЗ являлся упрощенным, т.к.:

- не учитывалось влияние обмотки возбуждения, а именно - предполагалось, что отсутствует поток рассеяния обмотки возбуждения;

- предполагалось, что успокоительные обмотки отсутствуют и также не влияют на процесс КЗ.

- система автоматического регулирования отсутствует.

Учет этих факторов несколько меняет общую картину процесса КЗ, которая будет рассмотрена на следующей лекции.

Вопросы для контроля пройденного материала

1. При каких условиях наступает установившейся режим КЗ в синхронном генераторе?

2. Какими параметрами синхронного генератора (без АРН) определяется установившейся режим короткого замыкания?

3. Какие допущения приняты для упрощения анализа внезапного КЗ в цепи синхронного генератора без АРН?

4. В чем отличие полного тока КЗ цепи синхронного генератора от полного тока КЗ в простейшей электрической цепи?

5. Каков характер изменения периодической составляющей тока КЗ в синхронном генераторе?

Литература, используемая разработчиком

1. Грищенко-Меленевский А.А. Электрическая часть военных станций и подстанций. Часть I. Электрооборудование первичных цепей. - М.,ВИА, 1977. - С. 55-63.

2. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: Учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - С. 13-21, 79-82.

3. Папков Б.В. Токи короткого замыкания в электрических системах: Учеб. пособие. - Н.Новгород: НГТУ, 2005. - С. 92-104.

Размещено на Allbest.ru