Замыкания синхронного генератора

Переходные процессы происходят при сбросе - наброске нагрузки, замыкании - размыкании обмоток, коротких замыканиях и т.д. Переходные процессы, особенно аварийные, протекают быстро. Поэтому необходимо применение автоматической аппаратуры для контроля их протекания и защиты оборудования. Наиболее опасными для генератора и прочего оборудования являются процессы внезапного короткого замыкания.

Внезапное трехфазное короткое замыкание на зажимах синхронного генератора, работавшего до этого в режиме холостого хода, протекает при неизменной скорости вращения генератора. С учетом соотношения активного и реактивного сопротивления генератора ток короткого замыкания является чисто реактивным, а реакция якоря – продольно - размагничивающей.

Объяснение процессов, происходящих при внезапном коротком замыкании, основано на понятии о сверхпроводящем контуре и о потокосцеплении сверхпроводящего контура.

Согласно закону Кирхгофа для контура . Для сверхпроводящего контура , т.е. потокосцепление сверхпроводящего контура не меняется и является величиной постоянной

Поясним на примере контура, расположенного в поле постоянного магнита с потокосцеплением ψ 0.

Рис.3.38.

Удалим магнит. При попытке изменить потокосцепление витка, в нем возникает ЭДС и ток, который создает свой поток такой величины, что суммарное потокосцепление витка остается неизменным как угодно долго.

Контуры обмоток якоря, возбуждения и успокоительной обмотки обладают очень маленьким активным сопротивлением, поэтому могут рассматриваться как сверхпроводящие. Рассмотрим, как происходит процесс короткого замыкания при различных начальных условиях.

Случай 1. Короткое замыкание происходит в момент, когда потокосцепление обмотки якоря с основным магнитным потоком ψ o=0 и ЭДС e=E_MAX.

Рис.3.39

Катушка обмотки якоря АХ по условию является сверхпроводящим контуром. Поэтому ее потокосцепление должно оставаться постоянным равным нулю в течение короткого замыкания. Это возможно при возникновении дополнительного потока реакции якоря , при котором . Этот поток в начале процесса короткого замыкания не может проникнуть в контур ротора поскольку обмотка возбуждения и успокоительная обмотка также являются сверхпроводящими контурами и их потокосцепление тоже должно оставаться неизменным. Это возможно, если в них возникают токи и потоки, которые препятствуют проникновению потока в контуры этих обмоток. Он замыкается по путям рассеяния с большим магнитным сопротивлением. И для его проведения требуется большой ток , который создает потокосцепление . Бросок этого тока достигает своего максимального значения через четверть периода после начала короткого замыкания.

Рис.3.40

Изменение токов УО и ОВ также объясняется тем, что они являются сверхпроводящими контурами. При появлении потока в УО и ОВ возникают дополнительные токи, компенсирующие действие реакции якоря. Поток не может проникнуть в контуры этих обмоток и вытесняется на пути рассеяния. Процессы в УО и ОВ аналогичны за исключением того, что в токе ОВ есть постоянная составляющая, обусловленная действием постоянного тока от возбудителя. В реальных обмотках УО и ОВ процесс затухает и токи в них оказываются постоянными по направлению, но затухающими по величине. Затухание происходит с постоянными времени . Быстрее затухает процесс в УО и в ее контур проникает поток реакции якоря. Затем затухает индуктированный ток ОВ, и поток проникает в контур ОВ.

В процессе КЗ обмотки статора и ротора связаны электромагнитно и их поля вращаются синхронно. Это возможно благодаря тому, что обмотки ротора создают неподвижные относительно самого ротора поля, а токи являются постоянными по направлению и затухающими во времени, т.е. апериодическими. Затухающий ток УО создает сверхпереходную составляющую ТКЗ статора, которая затухает так же, как и ток УО. Затухающий ток ОВ создает переходную составляющую ТКЗ статора, которая затухает вместе с индуктированным током ОВ.

Рис.3.40

Случай 2. Короткое замыкание происходит в момент, когда потокосцепление обмотки якоря с основным магнитным потоком ψ _o= ψ _omax

Рис.3.41

В этом случае потокосцепление остается максимальным в течение всего процесса КЗ. Это возможно если возникает поток , равный , сдвинутый относительно него на 180⁰ и компенсирующий его, и возникает постоянный поток . Периодический ток создает продольный поток , который в конце переходного процесса замыкается по продольной оси по стали ротора и поэтому ток для его создания невелик. В начале КЗ когда в контурах обмоток возбуждения и успокоительной еще протекают дополнительные токи, и созданные ими потоки препятствуют проникновению потока в контуры этих обмоток поток замыкается по путям рассеяния. Для создания этого потока требуется значительный ток сверхпереходного, а затем переходного процесса. Поэтому периодическая составляющая тока затухает во времени, снижаясь до величины установившегося ТКЗ. Поток создается апериодической составляющей тока статора, которая из-за того, что реальный контур не является сверхпроводящим, затухает во времени с постоянной времени .

Рис.3.42

Результирующий ТКЗ представляет собой кривую, смещенную относительно оси абсцисс. Через полпериода после начала КЗ происходит всплеск тока. Это ударный ТКЗ.

Рис.3.42

Полный ток короткого замыкания явнополюсного синхронного генератора с успокоительной обмоткой в наиболее тяжелом случае короткого замыкания

Параметры и постоянные времени

Параметр	Синхронная машина с успокоительной обмоткой	Синхронная машина без успокоительной обмотки
о.е	0, 6-1, 4	0, 6-1, 4
о.е.	0, 4-1, 0	0, 4-1, 0
о.е.	0, 2-0, 5	0, 25-0, 6
о.е.	0, 15-0, 3
о.е.	0, 15-0, 35
с	0, 6-2, 5	1-3
с	0, 02-0, 06
с	0, 05	0, 1-0, 5

Ударный ток КЗ

Величина ударного ТКЗ не ограничивается стандартами. Но СГ должен выдержать этот ток при КЗ после ХХ с напряжением, равным .

Установившиеся токи однофазного, двухфазного и трехфазного короткого замыкания при замыкании на зажимах генератора

При КЗ на зажимах машины и , что объясняется размагничивающим действием лишь одной фазы при однофазном КЗ и трех фаз - при трехфазном КЗ. При удаленном КЗ наибольшую величину имеет ток трехфазного КЗ.

Рис.3.42