В настоящей и предыдущей главах отмечалось, что реактивные сопротивления машины в сверхпереходном и переходном режимах ее работы значительно меньше, чем в установившемся. Если короткое замыкание имеет место в сети на некотором удалении от зажимов, то реактивное сопротивление машины и участка сети между зажимами машины и точкой короткого замыкания складываются. Поэтому даже небольшое сопротивление участка сети уменьшает токи внезапного короткого замыкания, что было нами установлено в главе 6 при выводе выражения для постоянных времени с учетом нагрузки.
В режиме установившегося короткого замыкания, однако, влияние этого сопротивления менее заметно, так как ток в этом режиме в значительной мере определяется синхронным реактивным сопротивлением.
Процесс изменения токов короткого замыкания во времени существенно различен в зависимости от того, где имеет место короткое замыкание: на зажимах машины или в сети на значительном удалении от зажимов.
При коротком замыкании в сети в непосредственной близости к зажимам генератора амплитуды периодических составляющих токов весьма велики: в начальные моменты они составляют 1000—1500% амплитуды установившегося тока; однако эти токи затухают достаточно быстро. При увеличении реактивного сопротивления нагрузки, т. е. удалении точки короткого замыкания от зажимов, и тех же параметрах машины периодические составляющие токов в начальные моменты короткого замыкания, как указывалось, снижаются, причем время их затухания возрастает, поэтому огибающая периодических составляющих при увеличении реактивного сопротивления нагрузки более пологая. Если машина работает в системе, то ток при коротком замыкании в достаточно удаленной точке распределяется между генераторами более или менее равномерно. Ток короткого замыкания составляет при этом в зависимости от ряда причин лишь определенную долю номинального тока генератора, так что при изменении напряжения на зажимах оно легко может быть восстановлено регулятором напряжения генератора до номинального.
При коротком замыкании в достаточно удаленной точке системы отношение токов внезапного и установившегося короткого замыкания в высоковольтных сетях составляет 200—300%, а в некоторых сетях и того менее.
Приведенные значения относятся к периодическим составляющим тока короткого замыкания. Однако максимальное мгновенное значение результирующего тока короткого замыкания может быть больше амплитуды периодической составляющей в 1,6—2 раза. Отметим, что усилия на обмотку электромагнитных устройств определяются результирующим током короткого замыкания.
Для ограничения токов короткого замыкания широко используются реакторы. На рис. 21 представлен реактор, обычно применяемый на подстанциях. Обмотка намотана в виде шайб (дисков), изолирована и подвергнута запеканию, так что при высоких значениях тока короткого замыкания она не должна деформироваться.
Рис. 21 Рис. 22
Поверхность обмотки рассчитывается таким образом, что в номинальном режиме перегрев не превышает 80° С. Однако сечение меди обмотки выбирается в соответствии с длительностью тока короткого замыкания таким образом, чтобы в наиболее опасных режимах максимальная температура не превышала 270° С.
Сердечник из активной стали не может быть использован в таких реакторах для повышения их индуктивности. Токи и соответствующие им намагничивающие силы весьма значительны, поэтому в момент достижения ими максимальных значений, т. е. при коротких замыканиях, имело бы место насыщение активной стали. Следовательно, уменьшение индуктивности происходило бы как раз в режимах, где она должна быть максимальной. Вместе с тем при работе в установившемся режиме с номинальным током насыщение стали сердечника было бы менее значительным и соответственно индуктивность была бы максимальна.
Однако в этом режиме значительное падение напряжения в реактивном сопротивлении нежелательно. Поэтому реакторы выполняются всегда без сердечников.
В соответствии с их назначением различают реакторы для установки на сборных шинах (рис. 22, а) и на распределительных подстанциях (рис. 22,б). Первые из них служат в большинстве случаев для того, чтобы объединить две системы. При этом достигается выравнивание нагрузки; кроме того, если в какой-либо системе имеется короткое замыкание, то его мощность при такой схеме ограничена, так что все электротехнические устройства при такой схеме не должны рассчитываться исходя из суммы мощностей короткого замыкания обеих систем. Влияние коротких замыканий в одной системе на другую при этой схеме ослаблено.
Реакторы распределительных устройств служат главным образом для того, чтобы влияние внезапного короткого замыкания, возникающего на общих шинах, ограничить для потребителей. Это особенно важно там, где мощность потребителей сама по себе мала. В этом случае экономически более целесообразно использовать реакторы, а не увеличивать расчетную мощность установок у потребителей.
Снижается также влияние коротких замыканий, возникающих у потребителя, на сборные шины.
Реакторы предназначены для ограничения токов короткого замыкания, однако при работе системы в номинальном режиме падение напряжения в его сопротивлении должно быть минимальным. Его параметры выбираются с учетом этих требований. Обозначим через Xs эквивалентное реактивное сопротивление, включенное до сборных шин или до реакторов. Оно складывается из последовательно и параллельно включенных реактивных сопротивлений всех участков сети и генераторов. Мощность короткого замыкания до реактора равна
(93а)
При коротких замыканиях на стороне потребителя, подключенного к реактору, следует учитывать также реактивное сопротивление реактора; в этом случае мощность короткого замыкания
(94а)
Отсюда сопротивление реактора
(95а)
Обычно принято выбирать реакторы по мощности PN, которая соответствует номинальному режиму, а при вычислении их реактивного сопротивления в относительных единицах эту мощность принимают за базовую. Сопротивление реактора в относительных единицах
(96а)
Расчетное выражение для реактивного сопротивления получаем в виде
(97а)
Это сопротивление дает одновременно и падение напряжения, соответствующее номинальному току. Однако при эксплуатации наибольший интерес представляет лишь составляющая падения напряжения вдоль линии, которая обусловлена в основном реактивным током I sin φ.
Рис. 23 Рис. 24
Для падения напряжения вдоль линии (на стороне потребителя), отнесенного к напряжению сборных шин, получаем
(98а)
Например, для реактора с сопротивлением Xd=5% падение напряжения при номинальном токе и cos φ = 0,8 составляет примерно 3%.
При трехфазном коротком замыкании на стороне потребителя напряжение в точке короткого замыкания равно нулю; в то же время при коротком замыкании в удаленной точке напряжение Us в сети до реактора (рис. 23) в соответствии с уравнениями (93а) и (95а) вычисляется из соотношения
(99)
Например, при коротком замыкании в сети после реактора, который уменьшает мощность короткого замыкания вдвое, напряжение перед реактором снижается соответственно только наполовину. При коротком замыкании в системе указанную роль реакторов выполняют также и участки сети между генератором и точкой короткого замыкания, обладающие определенным реактивным сопротивлением.
В то время как при коротком замыкании на зажимах генераторное напряжение становится равным нулю, при наличии дополнительного реактивного сопротивления xv (рис. 24, а) процесс изменения напряжения на зажимах более сложен. Рассмотрим этот процесс. Будем исходить из того, что до момента короткого замыкания машина работала в режиме холостого хода. Из результатов, полученных в § 1, следует, что при заданных начальных условиях мы должны учитывать составляющую тока лишь по продольной оси, а напряжения — по поперечной.
Предположим, что до момента короткого замыкания генератор был возбужден до номинального напряжения. Тогда начальные условия имеют вид: iod= 0; u0q = uN.
Для режима короткого замыкания справедливо соотношение
(100)
Подставим эти выражения в уравнение (108) из главы 6. В результате получим
(101)
Отметим, что по своей структуре это уравнение аналогично уравнению (99), однако вместо Xs оно содержит реактивное сопротивление Xd(t), изменяющееся во времени.
При численных расчетах процесса вместо Xd(t) необходимо подставлять последовательно значения реактивного сопротивления x"d, а затем х'd и xd. Соответственно в результате мы получим значения составляющей напряжения и"d, и'q и и°q (рис. 24, б). Приращение и'q—u°q затухает по экспоненциальному закону с переходной постоянной времени T'dL; она вычисляется с учетом хυ из выражения (64) главы 6. Аналогично приращение и"q—u'q затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени T"dL, которая вычисляется из выражения (101) той же главы. В результате получаем кривую изменения напряжения (рис. 24,б).
Время срабатывания селективной защиты при отключении коротких замыканий в сети составляет 100—300 мс; в течение этого отрезка времени в контурах ротора машины еще имеют место неустановившиеся режимы. Следовательно, неустановившиеся режимы, возникающие при внезапном коротком замыкании и при отключении защитой, налагаются друг на друга. Предположим, например, что в момент tа срабатывает выключатель В (рис. 24, а), разрывающий цепь. Вычислим сначала токи, возникающие при отключении машины.
Из последних выражений следует, что эти постоянные времени значительно больше, чем постоянные, соответствующие процессу изменения напряжения при внезапном коротком замыкании. Следовательно, восстановление напряжения после отключения короткого замыкания происходит медленнее, чем его снижение в начальные моменты внезапного короткого замыкания.
Теперь мы можем с помощью постоянных времени и трех значений напряжения, определенных для трех режимов, начать расчет изменения напряжения тем же путем, что и для случая внезапного короткого замыкания, а затем сложить полученные приращения напряжения, каждое из которых вычисляется как разность текущего значения и установившегося u°q и затухает с соответствующей постоянной времени, определенной нами выше. Таким способом мы можем определить процесс изменения напряжения, при отключении. Однако следует обратить внимание на то, что к моменту tA, когда происходит отключение, переходная составляющая еще неполностью затухла и продолжает затухать (рис. 24,б). Но так как режим машины изменился в связи с ее отключением, то процесс затухания больше не характеризуется переходной постоянной времени, вычисленной для режима короткого замыкания. В этом новом режиме процесс затухания происходит по экспоненциальному закону с большей переходной постоянной времени, которая должна быть вычислена для режима холостого хода. На рис. 24,б процесс изменения напряжения представлен штриховой линией. Разность нового значения напряжения, соответствующего большей постоянной времени, и значения напряжения u0q, которое определено для момента времени tA, на рис. 24,б заштрихована. Эту разность мы должны еще вычесть из кривой изменения напряжения, соответствующей режиму отключения машины. В результате получим действительную кривую изменения напряжения, выделенную на рис. 24, б жирной линией.
Если при коротком замыкании отключение машины произошло достаточно быстро, так что сверхпереходная составляющая тока еще не затухла, то для расчета дальнейшего процесса изменения этой составляющей необходимо учесть измененную постоянную времени. Метод определения кривой напряжения (рис. 24,б) можно несколько упростить, если сразу вычислить разность и°q—а для момента времени tA и начертить экспоненциальную кривую перехода от составляющей и'q до величины и°q—а.
В отечественных сериях двухполюсных турбогенераторов Т2, ТВ2, ТВФ, ТВВ, ТГВ и др. мощностью до 1200 МВт включительно демпферная обмотка, уложенная в пазы в виде стержней по всей длине активной части ротора под клином отсутствует. (Прим. переводчика.)
