Оценка правильности выбора числа и мощности генераторных агрегатов в судовой электрической сети

Содержание

1. Введение

2. Исходные данные на курсовую работу

3. Расчёт короткого замыкания

3.1 Расчёт короткого замыкания для точки К1

3.2 Расчёт короткого замыкания точки К2

3.3 Расчёт короткого замыкания точки К3

3.4 Расчет тока к. з. в точке К4

3.5 Расчет тока к. з. в точке К5

4. Проверка выбранной защитной аппаратуры на термическую и динамическую стойкость

4.1 Проверка кабелей на термическую стойкость

4.2 Выбор и проверка аппаратуры по предельным точкам к.з.

4.2.1 Проверка автоматических выключателей

4.2.2 Проверка трансформаторов тока

4.2.3 Проверка чувствительности автоматических выключателей (производится в соответствии с требованиями ОСТ5,6152-79)

4.2.4 Проверка чувствительности фидерных автоматов

5. Определение провала напряжения в СЭЭС при пуске мощного АД

6. Вывод

7. Список использованных источников

1. Введение

Задачей курсовой работы является расчет величин токов при трехфазном коротком замыкании в судовой электрической сети и определении снижения напряжения при включении асинхронного двигателя с мощностью соизмеримой с мощностью синхронного генератора.

Расчеты производятся аналитическим уточненным методом и методом расчета на ПК по дифференциальным уравнениям и состоят из следующих основных частей:

. Для конфигурации схемы судовой электрической сети показанной на рис. 2.1 и состоящей из судовых генераторов и асинхронного двигателя, параметры которых указаны в таблице 2.1, произведём выбор генераторных автоматических выключателей и подходящую кабельную сеть с учетом заданных длин участков, также указанных в таблице 2.1.

. Проведём расчёт короткого замыкания. Расчёт состоит из следующих пунктов:

Ø  Составим схему замещений для расчета короткого замыкания в точке К1.

Ø  Определяем эквивалентные сопротивления участков цепи, суммарные сопротивления генераторной цепи и расчетные сопротивления цепи эквивалентного генератора.

Ø  Определяем сверхпереходную и переходную ЭДС генератора. Определяем начальные значения сверхпереходного и переходного токов эквивалентного генератора.

Ø  Определяем значение установившегося тока короткого замыкания.

Ø  Определяем значения сверхпереходной, переходной постоянных времени, а также постоянной времени статорной цепи.

судовая электрическая сеть замыкание

Ø  Определяем действующие значения периодической составляющей тока к. з. генератора для моментов времени t= 0,01с; 0,04с; 0,2с.

Ø  Определяем значение токов в килоамперах.

Ø  Определить ударный ток генератора.

Ø  Определяем действующие значения периодической составляющей тока эквивалентного двигателя при к. з. на ГРЩ в точке К1.

Ø  Определяем значение ударного тока при коротко замыкании в точке К1.

Ø  Произведем аналогичный расчёт для определения значение ударного тока при коротких замыкания в точка К2-К5.

3. Произведем проверку выбранной защитной аппаратуры на термическую и динамическую стойкость. Определяем значение ударного тока при коротком замыкании на шинах генератора (точка К2) и сравнить результат со значение, полученным уточненным аналитическим методом.

. Для генераторов и асинхронного двигателя аналитическим методом произведём расчет провала напряжения генератора.

. Даём оценку правильности выбора числа и мощности генераторных агрегатов.

2. Исходные данные на курсовую работу

Таблица 2.1 Исходные данные

Таблица 2.2 Параметры для расчётной схемы (рис 2.1)

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 r_1Э и х_1Э.

Рисунок 3.1.1 - Схема замещения

Рисунок 3.1.2 - Схема замещения

Сопротивления эквивалентного генератора r_гэ и х''_dэ в базисных о. е. равны по величине соответствующим сопротивлениям одного генератора в его номинальных о. е.

Сопротивления r_1Э и х_1Э определяем по формулам:

в базисных о. е.

Как было сказано выше r_гэ=r_г=0,0456о. е.

х_dэ=x_d=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 U_o, I_o, sin j_o - 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 j_k 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 j_k==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=r_r1э,х_г^”=х_г1э, r_d=1,252; x_d'=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∑=+I_{уд. 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, x_k - 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 r_к, x_к - 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

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≥q_min,

где q - выборное сечение проводника.

q_{min -} к√В_к (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 В_к=6,28кА²с.

Отсюда минимальное сечение q_min=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 В_к=В_к0,04=3,331кА²с и минимальное сечение q_min=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 i_уд. ≤ i_{макс вкл.,}

на отключающую способность условию I_t≤I_{макс откл.,}

где I_{t -} расчетное значение периодической составляющей ожидаемого тока к. з. в момент расхождения дугогасительных контактов выключателя, кА, i_{макс вкл.} и I_{макс 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 В_{к -} 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

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:

i_уд. ≤ i_{м. дин.} и В_к≤I_м²_тер∙t_тер.

где i_{уд -} расчетное значение ударного тока к. з.;

i_{м. дин} - ток электродинамической стойкости трансформатора тока согласно данным приложения 18 к ОСТ.6181-81;

В_к - тепловой импульс тока к. з.;

I_{м тер -} действующее значение тока к. з., допустимое в течение определенного промежутка времени t_тер = 3с;

Коэффициенты динамической К_дин и термической К_тер стойкости взяты из приложения 18 к ОСТ5.6181-81. Для примененных в данном случае трансформаторов ТКС-0,66 принимаем К_дин=170; К_тер=28,7, для трансформаторов ТШС-0,66 К_тер=40, а К_дин не лимитируется.

В генераторных фидерах устанавливаются трансформаторы ТШС с I_N равным 400 и 600А. В худших условиях по току к. з. находятся трансформаторы с I_N=400А. По динамической стойкости они проходят, т.к. для этого типа показатель i_{м. дин} не лимитируется. Условие термической стойкости также выдерживается, т.к.

I_м²_тер∙t_тер=16²∙3=768кА²с>В_к0.2=7,467кА²с, где I_{м тер}=40∙400∙10^-3=16кА.

Из выражения определяем минимальное значение I_N для трансформаторов тока, установленных на фидерах потребителей ГРЩ, при котором может быть удовлетворено условие i_уд. ≤i_{м 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 I_N на термостойкость. При к. з. на фидере потребителя автоматический выключатель срабатывает за 0,04с. Суммарный тепловой импульс в этом случае В_к0,04=4,747кА²с

I_{м тер}=28,7∙73,5∙10^-3=2,1кА;_м²_тер∙t_тер=2,1²∙3=13,35кА²с>В_к0,04 =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 I_б - базисный ток генератора, в данном случае равный номинальному I_N=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 к_ч=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 S_{ном. г}=500 кВА.

.        Активная мощность P_{ном. г}=400 кВт.

.        Номинальное напряжение U_{ном. г}=400 В.

.        Номинальный ток I_{ном. 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 P_{ном. д}=185 кВт.

2.      Номинальное напряжение U_{ном. д}=380 В.

.        Номинальный ток I_{ном. г}=468 А.

.        Кратность пускового тока k_п=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

Рисунок 3.6 - График переходного процесса U (t)

Из расчетов видно, что напряжение минимально в момент времени t_min=0c и составляет U_min=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.