Внезапное короткое замыкание синхронного генератора
Внезапное короткое замыкание генератора. Процессы, возникающие в синхронных машинах при переходных режимах, например при внезапном коротком замыкании или резком изменении нагрузки, весьма сложны, что вызывает значительные трудности при их точном количественном расчете. Однако поведение синхронной машины при указанных режимах имеет очень большое практическое значение, так как переходные процессы могут вызвать повреждение машины, а следовательно, и значительные убытки, связанные с перерывом энергоснабжения объектов, получающих питание от генератора, или прекращением работы электроприводов с синхронными двигателями. Поэтому необходимо иметь общее представление о физических процессах, возникающих при переходных режимах, и установить хотя бы приближенно значение аварийных токов, возникающих при коротком замыкании.
Рассмотрим трехфазное короткое замыкание явнополюсного синхронного генератора, работавшего предварительно в режиме холостого хода. Осциллограммы тока якоря iк в одной из фаз генератора, тока возбуждения iв и тока iд в демпферной обмотке показаны на рис. 6.56. Ток якоря iк при переходном процессе имеет периодическую и апериодическую составляющие:
iк = iк.п + iк.а. (6.53).
Рис. 6.56. Графики изменения токов в обмотках
Якоря (а), возбуждения (б) и демпферной (в) при
Коротком замыкании.
При коротком замыкании генератора с течением времени постепенно уменьшается амплитуда периодической составляющей тока генератора (рис. 6.57), в итоге она становится равной амплитуде установившегося тока короткого замыкания:
Iкm = √2Е0 /Xd = Em /Xd . (6.54)
Рис. 6.57. График изменения тока в обмотке якоря при коротком замыкании.
Переходные процессы в синхронном генераторе при внезапном коротком замыкании.
Переходный ток в обмотке возбуждения имеет максимум в начальный период короткого замыкания и постепенно затухает, уменьшаясь до установившегося значения тока, предшествующего короткому замыканию. В соответствии с этим снижаются поток Фрез и амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания. Наибольшее значение этой амплитуды
I’ уст m = Em /X’d.(6.55)
где X’d — продольное переходное индуктивное сопротивление обмотки якоря; обычно значение его в относительных единицах X’d* = 0,2 ÷ 0,5.
Переходная постоянная времени Т’d = 0,4 ÷ 3,0 с, определяющая затухание тока iк.п , зависит не только от параметров обмотки якоря, но и главным образом от параметров обмотки возбуждения. Если машина имеет демпферную обмотку, то в ней также возникает переходный ток, замедляющий уменьшение результирующего потока. При этом амплитуда тока к. з. больше, чем при отсутствии демпферной обмотки
I’ уст m = Ет /Х»d , (6.57)
где X»d — сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси; обычно X»d* = 0,12 ÷ 0,35. Затухание тока якоря определяется сверхпереходной постоянной времени Т»d = 0,03 ÷ 0,15 с, которая зависит в основном от параметров демпферной обмотки. С учетом этого периодическая составляющая тока к. з.
Сверхпереходное и переходное сопротивление синхронного генератора.
Приближенные значения сверхпереходной ЭДС и сверхпереходного сопротивления даны в табл. 2.2.
| Тип машины | ||
| Синхронный компенсатор | 1,2 | 0,16 |
| Синхронный двигатель | 1,1 | 0,2 |
| Асинхронный двигатель | 0,9 | 0,2 |
| Обобщенная нагрузка | 0,85 | 0,35 |
Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси (насыщенное значение) не более 04 для турбогенераторов ел — 3000 об / мин и не более 05 для турбогенераторов с л 1500 об / мин.
Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси подобно синхронному индуктивному сопротивлению по этой оси может быть измерено при
ЭДС за переходным индуктивным сопротивлением остается постоянной.
У большинства неявнополюсных машин значения переходных индуктивных сопротивлений по обеим осям ( x d и х) очень близки друг к другу.
Вследствие этого электродвижущая сила синхронного генератора за переходным индуктивным сопротивлением e d, пропорциональная результирующим потокосцеплениям обмотки возбуждения, не может измениться мгновенно и в начальный момент нарушения режима генератора остается неизменной.
Для выполнения этих требований генераторы снабжены мощной демпферной клеткой, переходное индуктивное сопротивление по продольной оси x d находится в пределах ОД. Тем не менее в генераторах наблюдаются высокие провалы напряжения. Это объясняется низким быстродействием регуляторов напряжения на магнитных усилителях и большой постоянной времени обмотки возбуждения возбудителя. Даже применение тиристорных и транзисторных регуляторов не позволяет полностью решить эту проблему, особенно при питании импульсных нагрузок. В результате для питания мощных радиолокационных станций приходится вводить восьмикратный запас по мощности. И в этом случае система гармонического компаундирования позволяет решить эту проблему. Во-первых, мощность гармонической обмотки прямо пропорциональна величине и коэффициенту мощности нагрузки и использует энергию, которая идет в генераторе на потери.
Синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси ( xd, xq) переходные индуктивные сопротивления x d, x q, сверхпереходные индуктивные сопротивления x d, x q и соответствующие постоянные времени обмоток могут быть определены в соответствии с рекомендациями МЭК ( первое дополнение к публикации 34 — 4, часть 4) по частотным характеристикам. ГОСТ 10169 — 77 также предполагает определение параметров по частотным характеристикам, полученным из опыта, при котором обмотка якоря при неподвижном роторе подключается к источнику напряжения переменной частоты.
Источник
Сверхпереходная э.д.с. и сопротивление
Ротор любого современного синхронного генератора оснащается еще одной обмоткой — демпферной (иногда говорят: успокоительным контуром). Назначение обмотки понятно из ее названия — демпфировать качания ротора около синхронной частоты вращения. Благодаря ей на валу ротора возникает момент, стремящий его к синхронной скорости всякий раз, когда эта скорость начинает изменяться.
При наличии демпферных обмоток компенсация реакции статора в продольной оси машины обеспечивается токами не только в обмотке возбуждения, но и в демпферных обмотках, благодаря чему компенсация происходит полнее, чем при их отсутствии.
В демпферной обмотке возникают токи, которые затухают значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения (индуктивность демпферной обмотки существенно ниже индуктивности обмотки возбуждения).
Представим, что кроме обмотки возбуждения на роторе имеется по одной демпферной обмотке в продольной и поперечной осях. Для простоты расчетов примем, что обмотки статора и обе обмотки ротора в его продольной оси связаны между собой общим потоком взаимоиндукции Фad, который определяет реактивность продольной реакции xad. В такой машине внезапное приращение потока Фad вызовет ответную реакцию ротора, которая образуется из приращений потоков обмотки возбуждения Фfd и продольной демпферной обмотки Ф1d.
Баланс результирующих потоков должен сохраняться неизменным, т. е. будут соблюдаться следующие условия приращений величин:
,
— для продольной демпферной обмотки:
.
Приравняв левые части выражений, получим связь между приращениями токов:
.
Совместную ответную реакцию двух обмоток в начальный момент переходного процесса можно заменить аналогичной реакцией от суммарного тока в одной эквивалентной обмотке по продольной оси ротора с реактивностью рассеяния xrd:
Следовательно, для получения реактивного сопротивления, которым характеризуется синхронная машина в продольной оси при внезапном нарушении режима, достаточно в выражение для x’d ввести вместо xf величину xrd.
Сделав такую подстановку и произведя преобразования, получим продольную сверхпереходную реактивность:
В поперечной оси ротора, где имеется только демпферная обмотка, существует поперечная сверхпереходная реактивность (реактивное сопротивление):
Э.д.с. за этими реактивностями в поперечной E»q и продольной E»d осях называют сверхпереходными. Они сохраняют свои значения неизменными в начальный момент нарушения режима и в результате справедливы следующие выражения:
,
где напряжения и токи — составляющие предшествующего режима.
Следовательно, в начальный момент внезапного нарушения режима явнополюсная машина с демпферными обмотками характеризуется реактивными сопротивлениями x «d и x «q и э.д.с. Е»q и E»d. Приставка «сверх» указывает на то, что данные параметры учитывают влияние демпферных контуров.
Схема замещения синхронного генератора:
.
Таким образом, неявнополюсная синхронная машина с демпферными контурами в первый момент нарушения режима должна замещаться сверхпереходными сопротивлением x «d и э.д.с. E»q.
Рассчитываемый синусоидальный ток КЗ I” при этом будет носить имя начального значения сверхпереходного тока КЗ. Но состоять он будет из составляющих сверхпереходной, переходной и составляющей установившегося тока КЗ. После того как в демпферных контурах токи затухнут (постоянная времени T”d), останутся только переходная и составляющая установившегося тока КЗ. В конечном итоге затухнет и переходная составляющая (постоянная времени T’d) и останется только установившийся ток КЗ.
Если машина не имеет демпферных контуров, то начальное значение тока КЗ будет только переходным током I’, состоящим из составляющих переходной и установившегося тока КЗ. Когда первая составляющая затухнет, то, так же как и в первом случае, останется только установившийся ток КЗ.
Можно сказать, что синхронная машина проявляет себя на разных стадиях переходного процесса разными параметрами. Соответственно меняются ее схемы замещения. Это и приводит к тому, что периодический ток КЗ имеет в начальный момент нарушения режима одну величину и со временем затухает до установившегося значения.
Синхронную машину характеризуют следующие постоянные времени (определяемые при номинальной частоте вращения ротора):
• Td0 — постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора. Это время, в течение которого напряжение разомкнутой обмотки статора затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;
• T’d — переходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого медленно изменяющаяся составляющая продольного тока статора (переходная составляющая, связанная с изменениями потока обмотки возбуждения) затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;
• T»d — сверхпереходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого быстро изменяющаяся составляющая продольного тока статора (сверхпереходная составляющая, связанная с изменениями потока демпферной обмотки), наблюдаемая в течение нескольких первых периодов, затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;
• Та — постоянная времени замкнутой накоротко обмотки статора. Это время, в течение которого свободная апериодическая составляющая тока КЗ затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины.
Источник
Понятие о сверхпереходных и переходных индуктивных сопротивлениях
При внезапных коротких замыканиях поток якоря не может в первый момент времени пройти через контур успокоительной обмотки и контур обмотки возбуждения. Такое расположение потока якоря соответствует сверхпереходному процессу, а индуктивное сопротивление будет наименьшим – Xd 11 , рис. 19. За счет активного сопротивления успокоительной обмотки вынужденный ток затухнет и поток якоря пройдет в контур этой обмотки, но будет обходить контур обмотки возбуждения.
Такое расположение потока якоря соответствует переходному процессу, а индуктивное сопротивление будет Xd 1 – переходное, затем всплеск тока в обмотке возбуждения затухнет и поток якоря будет проходить по контуру успокоительной и обмотки возбуждения. Такое расположение потока будет соответствовать установившему короткому замыканию, а индуктивное сопротивление будет Xd. При сверхпереходном режиме рис. 20
Рис 20.
Xd 11 =Xs+Xad 11 = Xs + 1
1/Xad + 1/Xв + 1/Xу
Соответственно схема замещения будет иметь следующий вид в переходном режиме:
Xd 1 =Xs+Xad 1 = Xs + 1
1/Xad + 1/Xв
Соответственно схема замещения будет иметь следующий вид, рис. 21.
Рис. 21
Установившийся режим короткого замыкания
Xd=Xs+Xad= Xs + 1 =Xs + Xad
1/Xad
и схема замещения на рис. 22.
Начальное действующее значение сверхпереходного тока равно
Iс 11 =E0/Xd 11 , переходного тока Iс 1 =E0/Xd 1 и установившегося тока к.з.
Iс = E0/Xd. Наибольший ток будет сверхпереходным.
Диаграммы намагничивающих сил
В диаграммах намагничивающих сил учитывают насыщение машины. В отличии диаграмм ЭДС в диаграммах н.с. складываются н.с. и по суммарной намагничивающей силе определяется ЭДС Е0. Диаграммы построим для неявнополюсных машин. На рис. 23 если прибавить к напряжению U векторы Ir и IXs получим вектор результирующей ЭДС Еб по рис. 24 определим с учетом насыщения величину н.с. Fб. На векторной диаграмме Fб опережает Еб на 90 0 .Намагничивающая сила реакции якоря
Fa = m\/2WK0I
используя этот вектор получим величину н.с. F0 и по рис. 25 определим ЭДС Е0, которая на векторной диаграмме отстает от F0 на 90 0 и так получим величину и направление вектора ЭДС Е0.
Практическая диаграмма намагничивающих сил синхронной машины.
Эта диаграмма строится по принципу предыдущий диаграммы, рис. 25.
Диаграмма не требует дополнительных пояснений. Если изменять величину и фазу тока якоря, то по диаграмме можно определить F0, U, и угол Q синхронной машины.
Параллельная работа синхронных генераторов
Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции, повышает надежность электроснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяются для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции подключенной к энергосистеме , типичным является режим работы на сеть большой мощности, т.е. напряжение сети Uc и ее частота fc являются постоянными. При параллельной работе всегда выдвигаются ряд условий, к таким условиям относятся следующие:
1. Одинаковая форма кривых ЭДС генераторов. На заводах изготовителях синхронные генераторы имеют практически синусоидальные напряжения .
2. Равенство напряжений и их противоположность (по контуру двух машин). При равенстве и противоположности напряжений генераторов нет уравнительных токов в цепи генераторов.
3. Равенство частоты ЭДС генераторов.
4. Порядок чередования фаз должен быть одинаковым.
Этих условий достаточно для нормальной параллельной работы генераторов. Рассмотрим нарушение этих условий.
Источник