ГЛАВА II
РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
§ 10. ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
На рис. 9 приведена осциллограмма короткого замыкания судового дизель-генератора малой мощности во время работы на осветительную нагрузку. Мощность генератора 30 кВт при напряжении 230 в; генератор со смешанным возбуждением постоянного тока.
Рис. 9. Осциллограмма короткого замыкания судового дизель-генератора постоянного тока при t — 0,6 сек.
Короткое замыкание было произведено на одном из отходящих от главного распределительного щита фидеров с малым сопротивлением и продолжалось 0,6 сек., затем было отключено предохранителем, установленным на этом фидере. Во время короткого замыкания осциллографировались: ток якоря генератора, напряжение на шинах главного распределительного щита и скорость вращения дизель-генератора.
Рис. 10. Осциллограмма короткого замыкания судового дизель-генератора постоянного тока при t = 1,24 сек.
Из осциллограммы (рис. 9) видно, что из-за малого сопротивления электрической цепи от генератора до места короткого замыкания ток якоря генератора быстро возрос до 10,4 номинального значения и затем начал падать. Вследствие большого увеличения тока генератора при коротком замыкании напряжение на его зажимах упало до весьма малой величины, а на шинах главного распределительного щита напряжение при этом снизилось до 0,1—0,04 номинального значения. После того как поврежденный участок сети был отключен, напряжение генератора восстановилось не сразу. Кроме того, из-за размагничивания и снижения скорости вращения генератора за время аварии напряжение в первый момент после отключения короткого замыкания оказалось равным 0,13 номинального значения и лишь через 5,8 сек. вновь достигло номинального значения. Ток осветительной нагрузки генератора также упал соответственно снижению напряжения и восстановился лишь через 5,8 сек. после отключения короткого замыкания.
На рис. 10 приведена осциллограмма короткого замыкания того же генератора при большей длительности t=1,24 сек. Как можно видеть из осциллограммы, за время короткого замыкания настолько снизилась скорость вращения дизель-генератора, что после отключения поврежденного участка сети он не смог восстановить свою скорость и остановился.
Из приведенных примеров видно, что короткое замыкание может при известных неблагоприятных условиях (короткое замыкание вблизи распределительного щита через малое сопротивление, замедленное срабатывание защиты) привести к длительному, достигающему нескольких секунд, снижению напряжения до очень малой величины, а в некоторых случаях — даже к остановке первичного двигателя.
Рис. 11. Осциллограмма тока двигателя постоянного тока ПН-28,5 при коротком замыкании на его зажимах.
При коротком замыкании генераторов средней и большой мощности имеют место те же явления, но так как относительное влияние маховых масс генератора и первичного двигателя здесь больше, то время снижения скорости агрегата увеличивается.
Как уже говорилось выше, приведенные осциллограммы соответствуют не двигательной, а омической нагрузке генератора. При двигательной нагрузке генератора резкое снижение напряжения сети, вызванное коротким замыканием, приводит к переходу двигателей в генераторный режим, так как в первый момент электродвижущая сила их оказывается больше напряжения сети. К месту повреждения от двигателей поступает дополнительный ток, который может достичь весьма большой величины при замыкании на шинах или вблизи них через малое сопротивление. Сами же двигатели снижают скорость вращения и быстро размагничиваются.
На рис. 11 приведена кривая изменения тока двигателя при коротком замыкании в сети и малом сопротивлении от двигателя до точки короткого замыкания; двигатель ПН-28,5 мощностью 5,3 кВт, 220 В был нагружен насосом. Кривая построена по данным осциллограммы. При коротком замыкании ток двигателя достиг 4,2 номинального значения. Длительность его оказалась равной 0,25 сек.
Наличие двигательной нагрузки у генератора, естественно, утяжеляет режим короткого замыкания, так как увеличивает максимальное значение тока поврежденного участка сети и замедляет процесс восстановления напряжения генератора после отключения- повреждения в связи с тем, что к моменту отключения противоэлектродвижущая сила двигателей может снизиться до весьма малой величины или даже до нуля. Это, в свою очередь, приводит к значительному увеличению тока нагрузки генератора после отключения короткого замыкания. Кроме того, снижение напряжения в электрической установке может также привести к срабатыванию нулевой защиты и отключению ряда приемников.
Чтобы предотвратить, или во всяком случае уменьшить последствия аварии, вызванной коротким замыканием в судовой электрической установке, следует выполнять основные требования, предъявляемые к защитной аппаратуре, которые заключаются в следующем:
- Аппараты защиты должны обладать термической и динамической устойчивостью, достаточной для того, чтобы без аварии отключать наибольший ток короткого замыкания, возможный в месте, где устанавливаются аппараты.
- Между собой аппараты защиты должны работать избирательно, т. е. при коротком замыкании в каком-либо участке установки должен отключиться только поврежденный участок сети.
- Отключение поврежденного участка должно производиться с предельной скоростью, чтобы не допустить существенных нарушений в работе установки за время короткого замыкания (выключение контакторов, остановки дизель-генераторов и др.), однако, по возможности, добиваться того, чтобы не была нарушена избирательность работы аппаратов защиты.
При этом аппараты защиты должны удовлетворять и всем другим специфическим требованиям, предъявляемым к электрооборудованию судов, а именно: надежности действия, устойчивости в отношении вибрации, тряски и пр.
Для иллюстрации явлений, сопровождающих короткое замыкание машин постоянного тока, на рис. 12 приведены кривые, полученные из осциллограммы короткого замыкания на зажимах генератора с параллельным возбуждением 92 кВт, 230 в, 400 а, 1000 об/мин. На рисунке — ток якоря;— ток возбуждения и— скорость вращения генератора в долях номинального их значения. До короткого замыкания генератор работал в режиме холостого хода.
Как можно видеть из рис. 12, ток в цепи якоря при коротком замыкании быстро нарастает и в течение 0,04 сек. достигает максимального значения, равного 4200 а. Нарастание тока происходит не мгновенно, а постепенно из-за индуктивности цепи якоря.
При увеличении тока в цепи якоря генератора увеличивается реакция, главным образом, поперечная составляющая и от коммутационных токов, которые начинают размагничивать генератор. Магнитный поток главных полюсов при этом уменьшается. В шунтовой обмотке машины появляется электродвижущая сила взаимоиндукции, которая, стремясь воспрепятствовать уменьшению потока обмотки возбуждения, увеличивает ток возбуждения. Максимум тока возбуждения при этом, по привёденным данным осциллограммы, составил величину 3,3 начального значения, а максимум электродвижущей силы взаимоиндукции в обмотке возбуждения при коротком замыкании достиг по расчету величины 30 000 в, превзойдя в 130 раз величину напряжения сети.
При увеличении тока возбуждения прямо пропорционально ему растет поток рассеяния генератора и соответственно этому уменьшается поток, входящий в якорь. Происходит быстрое вытеснение полезного потока генератора из якоря в воздух при относительно медленном уменьшении полного потока, охватывающего обмотку главных полюсов. Быстрое уменьшение при коротком замыкании потока, входящего в якорь, приводит к такому же быстрому уменьшению электродвижущей силы генератора: э. д. с. падает, кроме того, и за счет снижения скорости вращения генератора. К моменту достижения током якоря максимального значения, т. е. через 0,04 сек. от начала возникновения его, электродвижущая сила якоря за счет, в основном, размагничивающего действия реакции якоря и вытеснения из якоря полезного потока генератора уменьшилась до 0,32 первоначальной величины, имеющей место до короткого замыкания.
Для иллюстрации на рис. 13 приведены расчетные кривые изменения полного потока возбуждения, потока, входящего в якорь, и потока рассеяния в функции времени для генератора, по данным опыта короткого замыкания. Увеличение тока якоря при коротком замыкании и увеличении потерь в стали генератора приводят к резкому возрастанию тормозного момента генератора и к снижению его скорости. Такова в общих чертах картина, сопровождающая короткое замыкание генератора постоянного тока.
Для цепи якоря и цепи возбуждения генератора постоянного тока могут быть в общем виде написаны два уравнения для случая короткого замыкания, при постоянной скорости вращения:
Для решения этих уравнений необходимо знать параметры генератора, сети и влияние на них основных факторов: тока якоря, тока возбуждения, насыщения магнитной цепи и пр.
При расчете тока короткого замыкания прежде всего следует определить величину сопротивления цепи короткого замыкания.
В большинстве случаев короткое замыкание происходит не на зажимах самого генератора, а в сети на некотором расстоянии от него. Поэтому, кроме сопротивления обмоток самого генератора, приходится учитывать сопротивления соединительных проводов, кабельных наконечников, реле, приборов, токоведущих элементов защитной и коммутационной аппаратуры и других элементов, которые существенно снижают величину токов короткого замыкания. Кроме того, весьма существенным фактором, ограничивающим величину тока короткого замыкания, является электрическая дуга, возникающая в месте короткого замыкания. Однако в установках низкого напряжения, и особенно в судовых, возможно короткое замыкание без образования электрической дуги.
Принимая во внимание, что при выборе защитной аппаратуры предусматриваются наиболее неблагоприятные случаи короткого замыкания, расчет следует вести без учета электрической дуги.
Индуктивность цепи якоря состоит из индуктивности самого якоря и индуктивности внешней цепи. Индуктивность якоря может быть определена одним из методов, известных из теории электрических машин и может приближенно считаться неизменной в процессе короткого замыкания.
Определение индуктивности внешней цепи связано с большими трудностями, и так как величина этой индуктивности, как показали экспериментальные исследования, относительно мало влияет на величину тока короткого замыкания, ею можно пренебречь.
Индуктивность цепи возбуждения зависит от величины тока возбуждения и тока нагрузки и не остается постоянной, а изменяется в весьма широких пределах.
Взаимоиндукция между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения также не остается постоянной, а изменяется в весьма широких пределах. Она зависит от величины тока якоря и тока возбуждения генератора.
Электродвижущая сила якоря зависит от тока возбуждения и тока якоря. При изменении тока возбуждения в обмотке якоря наводится трансформаторная э. д. с., максимальное значение которой получается в плоскости, перпендикулярной нейтральной плоскости генератора. В нейтральной же плоскости генератора трансформаторная э. д. с. равна нулю. Поэтому взаимоиндукцией между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря можно пренебречь, если, как это обычно и имеет место, щетки генератора расположены на нейтрали.
Сопротивление цепи возбуждения генератора складывается из сопротивления обмотки возбуждения и сопротивления регулировочного реостата и в процессе короткого замыкания остается неизменным.
Из сказанного следует, что даже в простейшем случае расчета тока короткого замыкания генератора постоянного тока с параллельным возбуждением при постоянной скорости вращения без учета двигательной нагрузки определение величины тока короткого замыкания является очень сложной задачей из-за сложной зависимости между величинами, входящими в дифференциальные уравнения процесса короткого замыкания.
Определение зависимостейи
очень трудоемко. На решение уравнений (1) и (2) также требуется значительное время, так как хорошие результаты могут быть получены при переменных коэффициентах уравнений только в том случае, если решение будет производиться одним из приближенных методов (например, «шаг за шагом»), которые, как известно, тоже трудоемки.
В связи с этим, а также учитывая, что при расчете токов короткого замыкания трудно точно учесть сопротивление цепи короткого
замыкания, влияние электродвигателей на величину тока короткого замыкания и другие факторы, в практике нашел применение простой приближенный метод, основанный на изучении поведения генераторов и двигателей различных мощностей в режиме короткого замыкания.