Глава 9
РАСЧЕТЫ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ § 32. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Одним из наиболее тяжелых аварийных режимов судовой ЭС является короткое замыкание (КЗ), образующееся из-за нарушения изоляции токоведущих частей при старении изоляции или ее механическом повреждении. В судовых электрических установках КЗ в основном бывают в разветвленных кабельных сетях.
В судовых электрических сетях переменного тока возможны КЗ одно-, двух- и трехфазные.
Однофазные КЗ (рис. 62, а) в электрических сетях с заземленной нулевой точкой не рассматриваем, так как на судах в соответствии с Правилами Регистра применение таких сетей не допускается.
Рис. 62. Основные виды короткого замыкания
Двухфазное КЗ (рис. 62, б), как правило, переходит в трехфазное (рис. 62, в) вследствие нарушения электрической дугой во время КЗ изоляции всех трех жил кабеля, поэтому рассмотрим только трехфазные симметричные КЗ.
В судовой электрической сети при КЗ возникают большие токи (несколько десятков тысяч ампер), обусловленные параметрами и мощностью источников электроэнергии и параметрами сети. Токи КЗ могут вызвать повреждение электрооборудования и кабельных сетей. Одновременно резко снижается напряжение судовой сети, что вызывает затормаживание асинхронных двигателей или их отключение вследствие срабатывания нулевой защиты пусковой аппаратуры. В связи с этим на судах при КЗ может быть нарушен режим работы ответственных механизмов и устройств.
В режимах параллельной работы генераторов КЗ вызывает колебания их нагрузки и частоты вращения, что иногда приводит к выпаданию генераторов из синхронизма. Для быстрейшей локализации аварийного состояния СЭС необходимо как можно быстрее отключить поврежденный участок судовой сети.
При расчете токов КЗ проверяют коммутационную и защитную аппаратуру на ударный ток (электродинамическую устойчивость) и на тепловую устойчивость ее контактов за время КЗ (термическую устойчивость). В судовых электрических сетях постоянного тока КЗ сопровождается увеличением тока до 6—15-кратного значения (в зависимости от параметров и характеристик генераторов и кабельной сети).
Из осциллограммы (рис. 63) видно, что в первый период КЗ (0,02—0,04 с) ток в якорной цепи быстро возрастает (до 6,5 /ном), а ток возбуждения генератора возрастает до 3 /ном и далее медленно спадает. На осциллограмме показан также характер изменения напряжения и тока возбуждения генератора при КЗ (максимальный ток в первый момент; установившееся и начальное значения тока).
Указанные кратности тока КЗ в первый момент соответствуют сниженному значению э. д. с. и напряжения генератора вследствие размагничивающего действия реакции якоря на полезный поток главных полюсов. Дальнейшее снижение тока КЗ в якорной цепи генератора обусловлено также действием реакции якоря и увеличением переходного сопротивления его цепи. В цепях переменного тока при КЗ значение тока значительно больше, чем в цепях постоянного тока.
Из курса общей электротехники известно, что в электрических цепях переменного тока с активным и индуктивным сопротивлениями при любых внезапных изменениях режима работы возникают переходные процессы, одним из видов которых является КЗ.
При трехфазном КЗ в точке К цепи (см. рис. 62) уменьшается сопротивление источников тока и сети, вследствие чего резко возрастает ток КЗ. Однако мгновенного возрастания тока не происходит из-за наличия индуктивности в цепи, поэтому при КЗ между предшествующим и новым установившимся режимами будет переходной режим. Он обусловливается наличием индуктивной связи между обмотками синхронного генератора и характером изменения их магнитных полей. Переходный режим длится в течение нескольких секунд или долей секунды, характеризуется резким повышением тока статора и тока возбуждения и понижением напряжения.
При рассмотрении КЗ можно считать, что синхронный генератор имеет три контура обмоток: статора, возбуждения и успокоительную, которые обладают малым активным сопротивлением. Физические процессы переходных режимов в синхронном генераторе в данном случае рассматриваются при холостом ходе генератора исходя из принципа постоянства потокосцеплений. В соответствии с этим принципом результирующий магнитный поток, пронизывающий любую замкнутую обмотку синхронного генератора до изменения режима работы, остается в первый момент нарушения режима неизменным.
Рис. 63. Осциллограмма КЗ генератора постоянного тока при холостом ходе
Рис. 64. Осциллограмма внезапного КЗ генератора с самовозбуждением при холостом ходе
При внезапном изменении тока в обмотке статора в связанной с ним обмотке ротора наводится свободный ток, стремящийся поддержать потокосцепление с обмоткой возбуждения постоянным.
Ток статора и ток возбуждения в начальный момент КЗ быстро возрастают, затем медленно спадают благодаря наличию индуктивности. На эти токи накладывается дополнительная составляющая тока КЗ — апериодическая, обусловленная изменением потокосцепления указанных контуров обмоток синхронного генератора. Наличие апериодической составляющей искажает кривую тока КЗ, делая ее несимметричной относительно оси времени.
Характер изменения напряжения, тока статора и тока возбуждения, частоты при КЗ показан на осциллограмме (рис. 64) КЗ синхронного генератора типа МСК с самовозбуждением (150 кВт, 230 В, 50 Гц). Из осциллограммы видно, что максимальный ток КЗ составляет 9 /ном, а установившийся — 2,5 /ном. Кратность тока возбуждения в момент КЗ составляет 5 частота снизилась на 1,5/ном. Время восстановления напряжения после ликвидации КЗ составляет 0,2 с.
При сниженном напряжении генераторов в режиме КЗ электродвигатели, подключенные к месту КЗ, переходят в генераторный режим и подпитывают точку замыкания, увеличивая результирующий ток КЗ.
Коммутационную и защитную аппаратуру проверяют на электродинамическую устойчивость при максимальном токе КЗ с учетом тока подпитки и тепловой устойчивости контактов за время КЗ до отключения аппаратуры.
При расчете токов КЗ точку замыкания выбирают на участке сети в непосредственной близости от приемников электроэнергии на заданном расстоянии от распределительного устройства, где установлена коммутационная и защитная аппаратура, защищающая фидеры питания приемников.
Рассмотрим изменение основных параметров при трехфазном симметричном КЗ в цепи переменного тока. Напряжение источников электроэнергии в момент КЗ считаем неизменным, а сопротивление цепи — состоящим из активного сопротивления и индуктивного L. При симметричном КЗ процесс может быть рассмотрен в одной из трех фаз (см. рис. 62, в).
