Внезапное короткое замыкание синхронной машины

Короткие замыкания в электрических машинах протекают быстро и называются внезапными.

Рассмотрим трехфазное короткое замыкание на зажимах обмотки якоря неявнополюсного синхронного генератора. При коротком замыкании ток в обмотке якоря возрастает до значения i_К. Активное сопротивление обмотки якоря мало по сравнению с индуктивным, поэтому ток короткого замыкания можно считать реактивным. Ток якоря имеет периодическую и апериодическую составляющие: i_К= i_КП+ i_КА.

Ток якоря создает размагничивающий магнитный поток реакции якоря Ф _а, который уменьшает результирующий магнитный поток машины Σ Ф. При изменении результирующего магнитного потока наводятся ЭДС в обмотке возбуждения Е _ОВ и в демпферной обмотке Е _Д, под действием которых в обмотках возникают токи i_ОВ и i_Д соответственно. Распределение токов в контурах ротора определяется только собственными и взаимными индуктивностями. В контуре демпферной обмотки, имеющем большую связь с обмоткой якоря, в начальный момент возникает больший ток.

Токи обмотки возбуждения и демпферной обмотки создают свои магнитные потоки Ф _ОВ и Ф _Д, которые направлены по оси ротора встречно потоку реакции якоря и стремятся его компенсировать. В результате поток реакции якоря Ф _а не может проникнуть в ротор и вынужден замыкаться по воздуху в обход ротора по путям малой магнитной проводимости.

Индуктивное сопротивление машины, пропорциональное магнитной проводимости пути потока, при этом уменьшается до сверхпереходного значения. Одну фазу обмотки генератора можно представить схемой замещения:

Тогда сверхпереходное сопротивление равно:

,

где Х_s1 – реактивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

Х_а – реактивное сопротивление реакции обмотки статора;

Х_sв – реактивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;

Х_sд – реактивное сопротивление рассеяния демпферной обмотки.

Резкое уменьшение сопротивления приводит к резкому увеличению тока короткого замыкания, который называется сверхпереходным током короткого замыкания, амплитудное значение которого равно:

Поскольку ЭДС в фазах обмотки якоря сдвинуты по времени, начальный угол α₀ для них различен и токи фаз в переходном периоде различны. Значение тока короткого замыкания максимально в той фазе, где α₀ = 0. Максимальное значение тока будет примерно через полпериода после начала короткого замыкания и называется ударным шоком:

где коэффициент 1,05 учитывает возможность увеличения напряжения на 5% выше номинального, коэффициент 1,8 – затухание тока. Ударный ток не должен превышать амплитуду номинального тока якоря более чем в 15 раз.

Вследствие потерь в контурах ротора свободные токи начинают затухать. Процесс затухания начинается с перераспределения свободных токов в контурах пропорционально их постоянным времени. Ток в контуре возбуждения, имеющем большую постоянную времени, увеличивается по сравнению со своим начальным значением, а в демпферном контуре уменьшается.

Так как число витков демпферной обмотки небольшое, то постоянная времени демпферного контура мала. Поэтому очень быстро, в течение сотых долей секунды, ток и магнитный поток демпферного контура затухает. Магнитный поток статора начинает заходить в ротор в зоне демпферной обмотки. Индуктивное сопротивление машины увеличивается до переходного значения. Одну фазу обмотки генератора можно представить схемой замещения:

Переходное сопротивление генератора равно:

Амплитудное значение переходного тока:

Наконец, спустя 2-5с затухает ток и магнитный поток обмотки возбуждения, вызванный изменением результирующего магнитного потока. Магнитный поток реакции якоря идет через ротор, и машина переходит в установившийся режим, сопротивление ее равно синхронному:

.

.

Фазу обмотки генератора можно представить схемой замещения:

Ток статора уменьшается до установившегося значения:

Установившийся ток короткого замыкания сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального), так как поле якоря сильно размагничивает машину. То есть

Ф_рез «Ф_f, Е «Е_f.

Величину установившегося тока короткого замыкания, который возникает при номинальном токе возбуждения, характеризует отношение короткого замыкания:

Для неявнополюсных машин ОКЗ=0,5-1,0, для явнополюсных - ОКЗ=0,8-1,8.

Отношение короткого замыкания показывает кратность тока короткого замыкания:

По ОКЗ судят о свойствах синхронной машины. Малому значению ОКЗ соответствует большое сопротивление машины и малый воздушный, что не требует большой МДС обмотки возбуждения. Поэтому машины с малым ОКЗ имеют меньшие габариты и дешевле, чем машины с большим ОКЗ. Но зато они имеют большие колебания напряжения при изменениях нагрузки и менее устойчивы при параллельной работе.

При коротких замыканиях во внешней цепи релейная защита отключает синхронный генератор от сети. При внутренних замыканиях в генераторе отключение его от внешней цепи не ликвидирует короткое замыкание, так как в обмотке якоря продолжает проходить большой ток. В этом случае уменьшают магнитный поток обмотки возбуждения с некоторой ограниченной скоростью, при которой не возникают чрезмерные перенапряжения – то есть выполняют гашение магнитного поля. Применяют две схемы гашения поля. В одной из них обмотка возбуждения отключается автоматом гашения поля от возбудителя и замыкается на гасящий резистор, сопротивление которого в 4 — 5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения. В другой схеме скорость уменьшения тока возбуждения ограничивается путем удлинения времени горения дуги в автомате гашения поля, который размыкает цепь обмотки возбуждения. При гашении поля требуется усиливать изоляцию обмотки возбуждения.

Гашение поля мало влияет на характер переходного процесса нарастания тока якоря, так как он достигает максимального значения примерно через полпериода, а за это время защита не успевает сработать. Оно лишь уменьшает время, в течение которого по обмотке проходит ток короткого замыкания и снижает вероятность повреждения машины этим током.При однофазном и двухфазном коротком замыкании ток больше, чем при трехфазном.

Внезапное короткое замыкание представляет опасность для синхронного генератора из-за значительного возрастания электромагнитных сил, действующих на обмотки, а также появления больших вращающих моментов периодического характера.

Тепловое воздействие токов короткого замыкания на обмотки при правильном функционировании защитных устройств опасности не представляет.

Электромагнитные силы, возникающие при коротком замыкании, опасны для лобовых частей обмоток. Эти силы F1 образуются при взаимодействии тока статора и магнитного поля в зоне лобовых частей обмотки статора. Также действует сила F2, обусловленная притяжением лобовой части обмотки сталью статора. Силы F 1 и F₂ стремятся сместить лобовые части по направлению к торцевой поверхности статора. Между соседними лобовыми частями обмотки статора действуют силы взаимодействия F₃: проводники одной фазной группы притягиваются, а знак сил F₃, действующих на проводники различных фазных групп, зависит от типа обмотки и вида короткого замыкания.

Вследствие действия этих сил могут произойти деформации и смещения проводников, приводящие к их изломам и трещинам в изоляции; наиболее опасно в этом отношении место выхода проводников из паза. Для предотвращения сдвига лобовых частей их туго расклинивают прокладками. В местах выхода обмотки из пазов устанавливают крепления, препятствующие боковым перемещениям частей лобовых соединений (вылетов обмотки). Для крепежных деталей используют немагнитные стали и прессованный изоляционный материал.

Периодическая составляющая тока короткого замыкания практически чисто реактивная и в образовании электромагнитного момента не участвует. Момент создается взаимодействием апериодической составляющей тока короткого замыкания статора с полем ротора. Момент знакопеременный, так как полюса ротора перемещаются относительно неподвижной намагничивающей силы, созданной апериодическими составляющими. Поле ротора затухает с постоянной времени T'_d, апериодическая составляющая тока короткого замыкания — с постоянной времени Т"_а (T' _а). Значение момента в переходном процессе, полагая, что он изменяется по гармоническому закону, равно

(286)

где М_Н — момент, соответствующий току номинального режима I_{1 н};

М_к — момент, соответствующий сверхпереходному току

Максимальный вращающий момент возникает в начале процесса и может превышать номинальный в 5— 10 раз. Этот момент воспринимается креплениями активной стали и креплениями статора к фундаменту, часть момента действует на вал между генератором и первичным двигателем. При этом могут быть повреждены вал, соединительная муфта, фундаментные болты.

При несимметричных коротких замыканиях возникающие моменты еще больше, так как появляется момент, обусловленный полем статора обратной последовательности.