N п/п
|
Участок схемы
|
Характеристика элемента
|
Сопротивление, мОм
|
|
|
|
r
|
x
|
1
|
Цепь генератора Г1
|
|
|
|
|
Кабель (L1)
|
3 (3х185) - 27м
|
1,702
|
0,7
|
2
|
Цепь генератора Г2
|
|
|
|
|
Кабель (L2)
|
3 (3х185) - 27м
|
1,702
|
0,7
|
3
|
От ГРЩ до точки К3 Кабель
|
3х70 - 23м
|
7,107
|
1,748
|
4
|
От ГРЩ до точки К4 Кабель
|
3х35 - 15м
|
9,255
|
1,23
|
|
Автоматический выключатель
|
|
7,45
|
3,6
|
5
|
От ГРЩ 380 В до точки К5
|
|
|
|
6
|
Кабель
|
3х70 - 10м
|
3,09
|
0,76
|
|
Трансформатор Т1+кабель
|
|
57,7*
|
103,264*
|
|
Итого
|
|
60,79
|
104,024
|
Рисунок 2.1 Схема для расчета токов короткого замыкания
3. Расчёт
короткого замыкания
3.1 Расчёт
короткого замыкания для точки К1
Настоящий расчет проведём в соответствии требованиями
ОСТ5.6181-81 "Судовые электрические системы. Методы расчета переходных
процессов" и ОСТ5.6152-79 "Правила выбора и методы расчета
защиты".
Расчет к. з. в проекте выполняется аналитическим методом,
т.к. он является самым точным и не требует расчетных кривых для данного типа
генераторов.
В модернизируемой СЭС, в качестве основных источников
электроэнергии, установлены 3 генератора типа МСК 500-1500 номинальной
мощностью по 400кВт, напряжением 400В, 50Гц.
Асинхронная нагрузка представлена в виде одного
эквивалентного двигателя. Мощность эквивалентного двигателя и его параметры
указаны в исходных данных.
При составлении схемы замещения пренебрегаем относительно
небольшим сопротивлением ошиновки ГРЩ, и автоматов.
Заменим параллельно работающие генераторы одним эквивалентным
и параллельно включенные сопротивления r1, r2,
и х1, х2, эквивалентными сопротивлениями r1Э и
х1Э.
Рисунок 3.1.1 - Схема замещения
Рисунок 3.1.2 - Схема замещения
Сопротивления эквивалентного генератора rгэ и х''dэ
в базисных о. е. равны по величине соответствующим сопротивлениям одного
генератора в его номинальных о. е.
Сопротивления r1Э и х1Э определяем по
формулам:
в базисных о. е.
Как было сказано выше rгэ=rг=0,0456о. е.
хdэ=xd=2,11о. е., х'dэ=x'd=0,132
о. е., х''dэ=x''d=0,158 о. е.
Суммарные сопротивления генераторной цепи в о. е.:
Расчетные сопротивления цепи эквивалентного генератора:
Задаемся условием, что до к. з. генераторы работали с нагрузкой,
равной номинальной при cos j=0,8 и
определяем сверхпереходную ЭДС генератора:
где Uo, Io, sin jo - напряжение и ток в о. е. и угол сдвига между ними в
предшествующем к. з. режиме.
Начальные значения сверхпереходного и переходного токов
эквивалентного генератора в случае к. з. в точке К1:
Установившийся ток к. з.:
Постоянные времени:
ъДействующие значения периодической составляющей тока к. з.
генератора для моментов t=0,01c; 0,04c; 0,2c; 0,38:
Ток в именованных единицах, кА:
Ударный ток генератора:
Полное переходное сопротивление эквивалентного двигателя:
Действующие значения периодической составляющей тока
эквивалентного двигателя при к. з. на ГРЩ в точке К1:
где Uc=0,95 при расчете в о. е. генератора
При к. з. на ГРЩ ударный ток эквивалентного двигателя
В итоге суммарные значения токов к. з. в точке К1:
Для определения сопротивлений эквивалентной, cos jk и Та определяем сопротивления эквивалентного двигателя в базисных
о. е. Коэффициент пересчета:
Активное и индуктивное сопротивления всей схемы:
Полное сопротивление
Коэффициент мощности цепи к. з. cos jk==0,069;
Постоянная времени апериодической составляющей тока к. з.
Тепловой импульс от апериодической составляющей тока к. з. для
моментов t>3Ta:
Тепловой импульс от периодической составляющей за 0,2 с:
Максимальное значение теплового импульса за время 0,2 с:
Тепловой импульс от апериодической составляющей для момента
времени 0,04 с:
Тепловой импульс периодической составляющей за 0,04 с:
Суммарный тепловой импульс за t=0,04 c:
3.2 Расчёт
короткого замыкания точки К2
Значение тока к. з. в точке К2 в соответствии с тем что,
сопротивления автоматов и ошиновок имеют относительно малые значения,
применяется равным значению, рассчитанному для точки К1.
3.3 Расчёт
короткого замыкания точки К3
Для расчета тока к. з. в точке К3 используем схему замещения,
приведенную на рис. 3.1, и приведем ее к лучевой. Определим сопротивления схемы
замещения в базисных о. е.
Рисунок 3.3.1 - Схема замечания и лучевая схема
r=rr1э,хг”=хг1э,
rd=1,252; xd'=5,82
Сопротивление луча эквивалентного генератора для сверхпереходного
режима
Для переходного и установившегося режимов используем схему
замещения, приведенную на рис. 3.11.5 и определяем сопротивление схемы.
Рисунок 3.3.2 - Схема замещения
Начальное значение сверхпереходного и переходного тока
эквивалентного генератора при к. з. в точке К3:
Установившийся ток к. з.:
Постоянная времени:
T'=0,31с,
Действующее значение периодической составляющей тока к. з. для
моментов:
для t=0.01c -
для t=0.04c
Ударный ток эквивалентного генератора:
Периодическая составляющая в кА для t=0.04c:
Сопротивление луча эквивалентного двигателя в базисных о. е.
Постоянная времени затухания периодической и апериодической
составляющей тока к. з. эквивалентного двигателя: Trэ'=0,017c, Tsэ'=0,0072c
Ток подпитки для t=0.01с от эквивалентного асинхронного двигателя
Суммарное значение ударного тока к. з. в точке К3:
уd∑=+Iуд. д=18,863 кА
3.4 Расчет
тока к. з. в точке К4
Рисунок 3.4.1 - Схема замещения для расчета тока короткого
замыкания в точке К4
Рисунок 3.4.2 - Лучевая схема для расчета тока короткого замыкания
в точке К4
Схема замещения для расчета тока к. з. в точке К4 приведена
на рис.3.4.1, где
k,
xk - суммарные активное и реактивное сопротивления от ГРЩ до точки
К4 соответственно 16,705 и 4,83 мОм в базисных о. е.
Преобразуем схему к лучевой (рис.3.4.2).
Определим сопротивления луча эквивалентного генератора для
сверхпереходного режима
где
Для переходного и установившегося режимов схема замещения
приведена к виду на рис.3.4.3, где сопротивления схемы для переходного и
установившегося режимов определены, как
Рисунок 3.4.3 - Схема для расчета тока короткого замыкания в точке
К4 в переходном и установившемся режимах
Начальные значения сверхпереходного и переходного тока
эквивалентного генератора при к. з. в точке К4
Значение установившегося тока к. з.
Постоянные времени
Действующее значение периодической составляющей тока к. з. для
моментов t=0,01c; t=0,04c;
или в именованных единицах
Ударный ток эквивалентного генератора
Сопротивления луча эквивалентного двигателя (рис.) в базисных о.
е.
где
Постоянные времени затухания периодической и апериодической
составляющей тока к. з. эквивалентного двигателя
Ток подпитки для t=0.01c от эквивалентного асинхронного двигателя
Суммарное значение ударного тока в точке К4
.
3.5 Расчет
тока к. з. в точке К5
Для расчета тока к. з. в точке К5 используем схему замещения
и лучевую, приведенные на рисунках соответственно 3.4.1 и 3.4.2 При этом
активные и реактивные сопротивления схемы замещения определены ранее
где rк, xк - суммарные активное и реактивное
сопротивления от ГРЩ до точки К4 соответственно 60,79 и 104,024мОм; в базисных
о. е. соответственно:
Сопротивления луча эквивалентного генератора для сверхпереходного
режима
Для переходного и установившегося режимов используем схему
замещения, приведенную на рис.3.4.3, где сопротивления схемы для переходного и
установившегося режимов определены, как
Начальные значения сверхпереходного и переходного тока
эквивалентного генератора при к. з. в точке К5
Установившийся ток к. з.:
Постоянные времени:
Действующее значение периодической составляющей тока к. з. для
момента времени t=0.01c:
Ударный ток эквивалентного генератора:
Сопротивления луча эквивалентного двигателя (рис.3.4.2) в базисных
о. е.
Постоянные времени затухания периодической и апериодической
составляющей тока к. з. эквивалентного двигателя
Ток подпитки для t=0.01c от эквивалентного асинхронного двигателя
Суммарное значение ударного тока в точке К5
Результаты расчета токов к. з. сводим в таблицу:
Таблица 2.2 - Результаты расчета токов короткого замыкания
Точка к. з.
|
iуд. ∑, кА
|
I0.04, кА
|
I0.2, кА
|
Вк0.04, кАс
|
Вк024, кАс
|
К1 (К2)
|
32,604
|
9,41
|
7,288
|
4,747
|
7,467
|
К3
|
18,863
|
8,45
|
-
|
-
|
-
|
К4
|
15,26
|
7,8
|
-
|
-
|
-
|
К5
|
1,72
|
-
|
-
|
-
|
-
|
4. Проверка
выбранной защитной аппаратуры на термическую и динамическую стойкость
4.1 Проверка
кабелей на термическую стойкость
На термическую стойкость кабели проверяются по условию
q≥qmin,
где q - выборное сечение проводника.
qmin - к√Вк (для принятых в проекте
марок КНР согласно приложению 21. ОСТ5.6181-81 принимаем к=7,3).
Для генераторного фидера уставка срабатывания автоматического
выключателя 0,18с и тепловой импульс для этого момента времени Вк=6,28кА2с.
Отсюда минимальное сечение qmin=7,3√6,28=18мм2.
Таким образом, для генераторного фидера годятся все сечения,
начиная с 25мм2 и более, т.е. сечение 555мм2 (3ˣ185), выбранное из условий нагрева, удовлетворяет заданному
условию.
Срабатывание защиты на фидерах потребителей происходит в
течение 0,04с. Для этого момента времени Вк=Вк0,04=3,331кА2с
и минимальное сечение qmin=7,3√3,401=13,5мм2.
Таким образом на фидерах, подключаемых к ГРЩ потребителей
можно применять кабели сечением 16кв. мм и более.
4.2 Выбор и
проверка аппаратуры по предельным точкам к.з.
4.2.1
Проверка автоматических выключателей
Автоматические выключатели с максимальными расцепителями
проверяются по токам предельной коммутационной способности при к. з. на выводах
аппаратов.
Проверка производится
на выключающую способность по условию iуд. ≤
iмакс вкл.,
на отключающую способность условию It≤Iмакс
откл.,
где It - расчетное значение
периодической составляющей ожидаемого тока к. з. в момент расхождения
дугогасительных контактов выключателя, кА, iмакс вкл.
и Iмакс откл. - максимальные значения тока
соответственно включения и отключения, берутся по техническим условиям на
аппараты.
На термическую стойкость проверяются автоматические
выключатели с выдержкой времени в зоне токов к. з.
Проверка производится по условию
где Вк - тепловой импульс тока к. з.,
т.е. расчетное значение интеграла квадрата тока за время от начала к. з. до его
полного отключения.
- допустимое для аппарата значения интеграла, кАс.
Данные расчета токов к. з. и данные автоматов сводим в таблицу:
Таблица 4. - Данные расчета токов к. з. и данные автоматов
Результаты расчета
|
Данные автоматических выключателей
|
Точка к. з.
|
iуд. ∑, кА
|
I0,04,кА
|
I0,2,кА
|
Вк0,2,кА2с
|
Тип
|
IN, А
|
Iм вкл, кА
|
Iм откл, кА
|
кА2сtmin,
c
|
|
К2 (1)
|
32,604
|
9,41
|
7,288
|
7,467
|
ВА74
|
750
|
63
|
45
|
340
|
0,18
|
|
|
|
|
|
А3776М
|
25…160
|
20…75
|
Не регламентир.
|
|
0,04
|
|
|
|
|
|
АК50Б
|
1,0…25
|
100…20
|
55…11
|
-
|
0,04
|
К3
|
18,863
|
8,45
|
-
|
-
|
А3776М
|
25…160
|
20…75
|
Не регламентир.
|
-
|
0,04
|
|
|
|
|
|
АК50Б
|
1,0…25
|
100…20
|
11
|
-
|
0,04
|
К4
|
15,26
|
7,8
|
-
|
-
|
АК50Б
|
1,0…25
|
100…10
|
Не регламе нтир.
|
-
|
0,04
|
|
|
|
|
|
А3776М
|
16…160
|
6…75
|
|
-
|
0,04
|
К5
|
1,72
|
-
|
-
|
-
|
АК50Б
|
1,0…50
|
100…10
|
|
-
|
0,04
|
На основании данных, приведенных в таблице, к установке
принимаются выключатели типа ВА74 (с замедлением при срабатывании в зоне токов
к. з.) в качестве генераторных.
В качестве фидерных на ГРЩ принимаются выключатели серий
А3700М и АК50Б и на вторичных распределительных щитах - АК50Б.
4.2.2
Проверка трансформаторов тока
Трансформаторы тока проверяются на электродинамическую и
термическую стойкость соответственно по условиям:
iуд. ≤ iм. дин. и Вк≤Iм2тер∙tтер.
где iуд - расчетное значение ударного тока
к. з.;
iм. дин - ток
электродинамической стойкости трансформатора тока согласно данным приложения 18
к ОСТ.6181-81;
Вк - тепловой импульс тока к. з.;
Iм тер - действующее значение тока
к. з., допустимое в течение определенного промежутка времени tтер
= 3с;
Коэффициенты динамической Кдин и термической Ктер
стойкости взяты из приложения 18 к ОСТ5.6181-81. Для примененных в данном
случае трансформаторов ТКС-0,66 принимаем Кдин=170; Ктер=28,7,
для трансформаторов ТШС-0,66 Ктер=40, а Кдин
не лимитируется.
В генераторных фидерах устанавливаются трансформаторы ТШС с IN
равным 400 и 600А. В худших условиях по току к. з. находятся трансформаторы
с IN=400А. По динамической стойкости они проходят, т.к. для
этого типа показатель iм. дин не лимитируется. Условие
термической стойкости также выдерживается, т.к.
Iм2тер∙tтер=162∙3=768кА2с>Вк0.2=7,467кА2с,
где Iм тер=40∙400∙10-3=16кА.
Из выражения определяем минимальное значение IN
для трансформаторов тока, установленных на фидерах потребителей ГРЩ, при
котором может быть удовлетворено условие iуд. ≤iм
дин:
где
- ударный ток к. з. в точке К1; =170 для трансформаторов тока ТКС-0,66, устанавливаемых на
фидерах, отходящих от ГРЩ. Производим проверку трансформатора с таким IN
на термостойкость. При к. з. на фидере потребителя автоматический
выключатель срабатывает за 0,04с. Суммарный тепловой импульс в этом случае Вк0,04=4,747кА2с
Iм тер=28,7∙73,5∙10-3=2,1кА;м2тер∙tтер=2,12∙3=13,35кА2с>Вк0,04
=4,747кА2с
Условие удовлетворяется, т.е. на ГРЩ, на фидерах потребителей
могут быть установлены трансформаторы тока ТКС-0,66 с номинальным током 75А и
более.
4.2.3 Проверка
чувствительности автоматических выключателей (производится в соответствии с
требованиями ОСТ5,6152-79)
Проверка чувствительности генераторного автомата ВА-74-40
производится при одном работающем генераторе МСК 500-1500
по формуле ,
где - значение тока уставки защиты в зоне к.
з., А;
- коэффициент чувствительности =1,7 для защиты на генераторных фидерах;
- минимальное значение периодической составляющей тока к. з. в
конце защищаемого участка.
- начальное значение сверхпереходной ЭДС эквивалентного
генератора, принимаемое равным 1, - расчетное сопротивление генераторной цепи.
где Iб - базисный ток генератора, в данном
случае равный номинальному IN=0,722kA=722A.
Таким образом, 750∙2<2688 и условие соблюдено, т.е. для
генератора
МСК 500-1500, выключатель ВА74-40 с и обладает требуемой чувствительностью.
4.2.4
Проверка чувствительности фидерных автоматов
Для фидерных автоматов кч=2, откуда т.е.
при одном работающем генераторе чувствительностью обладают
автоматические выключатели с уставкой 1344А и менее при расчетном сопротивлении
цепи не более 0,158 о. е.
5.
Определение провала напряжения в СЭЭС при пуске мощного АД
Существует ряд требований Регистра, определяющих допустимый
провал напряжения.
Любое внезапное изменение симметричной нагрузки генератора,
работающего при номинальной частоте вращения и при номинальном напряжении, при
имеющихся токе и коэффициенте мощности, не должно вызывать снижения
номинального напряжения ниже 85% и повышения выше 120%. После этого напряжение
генератора должно в течение не более 1,5 с восстанавливаться в пределах 3%
номинального напряжения. Для аварийных агрегатов эти значения могут быть
увеличены до 5с и по напряжению до 4% номинального.
Максимальный провал напряжения на зажимах синхронного
генератора при пуске короткозамкнутого АД зависит от:
Пускового тока во время пуска;
Значений переходного и синхронного индуктивных сопротивлений
генератора;
Постоянной времени обмотки возбуждения;
Свойств регулятора напряжения.
Чем выше значения указанных величин, тем больший максимальный
провал напряжения может иметь место. Следует также отметить, что по сравнению с
пуском двигателя при холостом ходе пуск нагруженных двигателей вызывает больший
провал напряжения генератора. Это объясняется тем, что инерционность у двигателя
под нагрузкой значительно больше, чем на холостом ходу. Расчеты провалов
напряжения синхронных генераторов необходимо выполнять для случаев пуска
наиболее мощных АД к аварийным дизель-генераторам и к основным генераторам
работающим при стоянке и ходовых режимах судна, а также для случаев, когда
данный двигатель подключается к одному или нескольким параллельно работающим
генераторам наименьшей мощности. Не допускается перед пуском, например,
электродвигателя пожарного насоса, включать дополнительный генератор
(параллельно к ранее работающим). Схема пуска электропривода такого насоса
должна быть выполнена с ограничением пускового тока. В некоторых случаях
следует прибегать к установке нескольких механизмов для замены одного механизма
большой мощности.
Далее приведен расчет провала напряжения
Исходные данные.
Параметры генератора:
. Генератор типа МСК 500-1500.
2. Полная мощность Sном. г=500 кВА.
. Активная мощность Pном. г=400 кВт.
. Номинальное напряжение Uном. г=400 В.
. Номинальный ток Iном. г=722 А.
6. Синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по
продольной оси
. Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по
продольной оси
. Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора
по продольной оси
. Коэффициент усиления корректора напряжения к=15.
. Постоянная времени обмотки возбуждения при к. з. обмотки
статора
. Постоянная времени успокоительной обмотки при к. з.
обмотки статора
. Число генераторов, работающих при запуске наиболее
мощного АД, n=2.
Параметры эквивалентного мощного АД (подруливающее
устройство):
. Активная мощность Pном. д=185 кВт.
2. Номинальное напряжение Uном. д=380 В.
. Номинальный ток Iном. г=468 А.
. Кратность пускового тока kп=7.
Расчет.
Реактивное сопротивление АД:
Напряжение генератора в сверхпереходном режиме:
Напряжение генератора в переходном режиме:
Напряжение генератора в установившемся режиме:
Постоянная времени затухания сверхпереходной составляющей:
Постоянная времени затухания переходной составляющей:
Суммарное напряжение сети:
Подставив t определим U (t) и сведем в таблицу 3.9.
Таблица 3.8 - Расчетные данные для построения графика
переходного процесса
t
|
U (t)
|
t
|
U (t)
|
0,0
|
0,718
|
1
|
1, 207
|
0,1
|
0,922
|
1,1
|
1, 193
|
0,2
|
1,041
|
1,2
|
1,178
|
0,3
|
1,123
|
1,3
|
1,163
|
0,4
|
1,176
|
1,4
|
1,148
|
0,5
|
1, 208
|
1,5
|
1,133
|
0,6
|
1,225
|
1,6
|
1,119
|
0,7
|
1,23
|
1,7
|
1,106
|
0,8
|
1,227
|
1,8
|
1094
|
0,9
|
1,9
|
1,083
|
Рисунок 3.6 - График переходного процесса U (t)
Из расчетов видно, что напряжение минимально в момент времени
tmin=0c и составляет Umin=0,915 о. е. Таким образом,
провал напряжения составляет 8,85%, что удовлетворяет требованиям Регистра.
6. Вывод
Из проведённых выше расчётов и полученных результатов мы
можем сделать вывод о том, что наши генераторы и потребители оснащены
подходящими автоматами, которые были выбраны верно и соответствуют требованием
Регистра. Провал напряжения генераторов при пуске самого мощного потребителя не
превышает нормы и соответствует требованиям Регистра. После проверки выбранной
защитной аппаратуры на термическую и динамическую стойкость кабелей и шин не
обнаружено отклонений от нормальных рабочих требований и показала их
пригодность для работы в данной схеме с параметрами, которые допустимы по
требованиям Регистра.
7. Список
использованных источников
1.
Голиков С.П. Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических
систем: конспект лекций для студентов специальностей 7.07010404
"Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики" /
Голиков С. П.; М-во аграр. политики Украины, Гос. аг. рыб. хоз-ва Украины,
Керч. гос. мор. технолог. ун-т, Каф. электрооборудования судов и автоматизации
пр-ва. - Керчь, 2014. - 68 с.
.
Правила классификации и постройки морских судов / Регистр России. - Л.:
Транспорт, 2004.
.
Шмаков Н.Г. Судовые устройства. / Н.Г. Шмаков - М.: Транспорт, 1997.
.
Богословский А.П. Судовые электроприводы: Справочник. В 2 т. / А.П.
Богословский, Е.М. Певзнер, И.Р. Фрейдзон, А.Г. Яуре. - Л.: Судостроение, 1993.
.
Сиверс П.Л. Судовые электроприводы. / П.Л. Сиверс. - М.: Транспорт, 1995.
.
Правила технической эксплуатации судового электрооборудования. - Л.: Гипрорыбфлот,
1997.
.
Васильев В.Н. Эксплуатация судового электропривода. / В.Н. Васильев, Н.Я.
Карауш. - М.: Транспорт, 1995.
.
Автоматизированные судовые электроэнергетические системы: методические указания
по выполнению курсового проекта / В.В. Колодяжный, Ю.Н. Горбулев, В.В. Титов. -
Керчь: КГМТУ, 2011. - 158 с.