Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Рассуждения, подобные приведенным в рассмотренном выше слу­ чае (п. А), показывают, что картина потоков на рис. 38-9, б и в в ос-

Рис. 38-9. Потокосцепление при внезапном коротком замыкании при і|)п =*= ТлпР а — потокосцепление до короткого замыкания, б и в — совмещенные и резуль­ тирующие потокосцеплешш в процессе короткого замыкания

новном подобна картине потоков на рис. 38-5 и 38-6. Но имеется и существенная разница, определяемая тем, что в данном случае вне­ запное короткое замыкание происходит в момент, когда пронизы­ вающий катушку А — X поток фп = Ч ^ . Если по-прежнему счи­ тать катушку А — X сверхпроводящим контуром, то, согласно принципу постоянства потока, сцепленного с таким контуром, поток должен оставаться постоянным и в последующие моменты времени короткого замыкания (ЧГП1П = const), а для этого по обмотке статора должен течь соответствующий по величине и направлению постоян­ ный во времени ток.

При гJ = 0 этот ток оставался бы постоянным неопределенно долгое время. В действительности он не будет постоянным, а затухнет по закону показательной функции со скоростью, определяемой по­ стоянной времени затухания Та = L1!r1 обмотки якоря. Этот ток называют апериодической составляющей тока внезапного короткого замыкания. Следует заметить, что эта составляющая тока внезапного короткого замыкания синхронного генератора имеет тот же смысл и возникает при тех же условиях, что и апериодическая составляю щая сверхтока в трансформаторе (§ 16-2).

447

Таким образом, в данном случае в статоре, кроме трех составляю­ щих тока внезапного короткого замыкания, указанных раньше, имеется еще четвертая — апериодическая составляющая этого тока, налагающаяся на три верных и совмес тно с ним в образующая резуль­ тирующую кривую тока внезапного короткого замыкания.

Полная картина тока внезапного короткого замыкания синхрон­

замыкания достигает наибольшего значения Гтс. На рис.38-10 перно-

Рис. 38-10. Токп внезапного короткого замыкания при грп = Тгтщ

дическая составляющая тока і к изображена пунктирной линией 1, а огибающие кривые — штриховой линией.

Апериодическая составляющая тока г„ представлена сплошной линией 2; так как, согласно условию, в начальный момент времени ток ік =■=0, то начальная амплитуда апериодической составляющей тока I та должна быть равна по величине I тс, но направлена в обрат­ ную сторону.

В результате сложения линий 1 и 2 получается линия 3 резуль­ тирующего тока внезапного короткого замыкания. Штриховая ли­ ния 4 представляет собой огибающую амплитуд результирующего тока.

Наличие апериодической составляющей в токе якоря изменяет характер токов, возникающих при внезапном коротком замыкании в обмотках ротора. В самом деле, апериодический ток является током постоянного направления. Поэтому он создает в пространстве непод­ вижное магнитное поле, в котором вращается ротор с синхронной скоростью п. В этом случае в обмотках ротора наводятся перемен­

448

ные токи основной частоты, налагающиеся на токи, показанные на рис. 38-4, б и в, и взаимодействующие с апериодической составляю­ щей тока в статоре. Результирующие токи в обмотках ротора пока­ заны на рис. 38-11, а и б.

Рис. 38-11. Токи короткого замыкания: а — в обмотке возбуждения, 6 — в успокоительной обмотке

Согласно ГОСТ 183-66, синхронные машины должны выдерживать внезапный ток (в ГОСТ — «ударный») короткого замыкания при напряжении холостого хода, равном 105% номинального.

38-3. Переходные и сверхпереходные индуктивные сопротивления

Затухание тока ік при внезапном коротком замыкании можно учесть изменением параметров короткозамкнутой системы, т. е, индуктивных сопротивлений ее. Для этого достаточно рассмотреть

двух потоков: потока рассеяния г|)а и потока продольной реакции якоря rjJad, вытесненного на пути рассеяния успокоительной обмотки и обмотки возбуждения, т. е.

Поток ifâd должен преодолеть магнитные сопротивления трех последовательно соединенных участков магнитной цепи: сопротивле­ ние Rad участка пути по якорю и воздушному зазору, сопротивле­ ние Rу на пути потока рассеяния успокоительной обмотки и сопро­

Сопротивление Rad практически равно сопротивлению пути по­ тока реакции якоря при установившемся коротком замыкании, так как оно, в основном, определяется сопротивлением зазора.

Каждое магнитное сопротивление может быть выражено обратной

Если к тому же А а — проводимость потока рассеяния якоря, то полная проводимость Лд, соответствующая потоку фд, будет:

и при заданной частоте — определенное индуктивное сопротивление

я.) б)

Рис. 38-12. Схемы замещения синхронной машины: а — для сверхпереходного режима, б — для переходного режима

(X = соL). Таким образом, xd — сверхпереходное продольное ин­ дуктивное сопротивление синхронной машины; ха — индуктивное сопротивление рассеяния якоря; x'âd — сверхпереходное продоль­ ное индуктивное сопротивление реакции якоря; xad — продольное синхронное индуктивное сопротивление реакции якоря; ху и хв — индуктивные сопротивления рассеяния успокоительной обмотки и обмотки возбуждения. Тогда

Уравнению (38-4) соответствует схема на рис. 38-12, а. Обычно сопротивление ху весьма невелико; поэтому Иху ж оо и xd ж ха. Физически это объясняется тем, что в начальный момент внезапного короткого замыкания синхронная машина представляет собой замкну­ тый накоротко трансформатор, в котором роль вторичного контура играет по существу только успокоительная обмотка. Результирую­ щий поток такого трансформатора должен создавать только э. д. с., достаточную для преодоления падения напряжения во вторичном контуре. Если сопротивление последнего близко к нулю, то и резуль­ тирующий поток очень мал, а это эквивалентно отсутствию реакции якоря. Практически остается только поток рассеяния, который опре­ деляет сопротивление xd. Численные значения x'ât (в относительных

450

единицах) приводятся в табл. 38-1. В числителе дано средпее, а в зна менателе — минимальное и максимальное значения.

Примерно через 0,4—0,6 сек ток в успокоительной обмотке зату­ хает, т. е. все происходит так, как если бы сопротивление ху возросло до бесконечности. Картина распределения потока для этого случая

хронной машины. Уравнению (38-5) соответствует схема на рис. 38-12,6.

вобмотке возбуждения, затухает примерно в 7—8 раз медленнее, чем сверхпереходная составляющая, после чего генератор переходит

врежим установившегося короткого замыкания с обычной картиной распределения потока якоря (рис. 38-7) и обычной продольной синх­ ронной индуктивностью xd = х0 + xad.

38-4. Величина внезапных токов трехфазного короткого замыкания

Наиболее существенным является действующее значение тока внезапного короткого замыкания, рассчитанное на начальный мо­ мент времени t = 0. Если бы имелась только симметричная соста­ вляющая тока внезапного короткого замыкания (рис. 38-4, а), то его начальное действующее значение Ц можно было бы определить, так же как и тока установившегося короткого замыкания, с той разни­ цей, что индуктивное сопротивление синхронной машины следует считать не xd, а х'а или, если генератор не имеет успокоительной об­ мотки, ха. Таким образом,

В действительности на ток /£ или Г0 налагается еще апериодиче­ ская составляющая тока внезапного короткого замыкания / та,

Таким образом, начальное действующее значение результирую­ щего тока внезапного короткого замыкания превышает начальное

действующее значение симметричной составляющей этого тока в ]/3, т. е.

Все сказанное относилось к случаю трехфазного внезапного ко­ роткого замыкания. Более подробный анализ показывает, что токи / к внезапного двухфазного и однофазного короткого замыкания имеют — первые несколько меньшие, а вторые несколько большие значения, чем при трехфазном коротком замыкании.

С точки зрения нагрева обмоток режим мгновенного короткого замыкания не представляет собой опасности, так как этот процесс продолжается весьма короткое время. Главную опасность предста­ вляют возникающие большие механические усилия, которые могут повести к аварии генератора. Чтобы избежать ее, ток внезапного ко­ роткого замыкания ограничивают определенным наибольшим значе­ нием (§ 38-3), а лобовые части обмоток статора крупных синхронных машин снабжаются специальными креплениями.

38-5. Параметры синхронного генератора при несимметричных режимах

До сих пор рассматривались только симметричные режимы как при работе, так и при коротких замыканиях. Наряду с этим син­ хронным генераторам часто приходится работать в несимметричных режимах, когда фазные обмотки статора нагружены током неодина­ ково. Предельными случаями таких режимов являются короткие за­ мыкания. Здесь рассматриваются: двухфазное короткое замыкание с невыведенной нейтральной точкой и однофазное короткое замыка­ ние. При этом для простоты считается, что процесс внезапного корот­ кого замыкания уже закончился и синхронный генератор перешел в режим установившегося короткого замыкания.

А. Двухфазное короткое замыкание. Схема генератора в этом режиме показана на рис. 38-13, а; ротор возбужден и приведен во вращение в нормальном направлении с номинальной, т. е. синхрон­ ной, скоростью п (на рис. 38-13, а ротор не показан). По обмоткам

452

(А — X) — (У — В) течет однофазный ток, который создает намаг­ ничивающие силы F a и F b , совпадающие во времени по фазе, а в про­ странстве сдвинутые на 120° (рис. 38-13, б). В результате сложе­ ния Fa и Fb получается результирующая намагничивающая сила Fk2, которая создает пульсирующий с частотой / = ри/60 магнитный по­ ток ФК2.

Как известно (см. рис. 21-7), пульсирующий поток ФК2 можно разложить на два вращающихся потока, из которых один вращается относительно якоря (в пространстве) со скоростью п в том же напра­ влении, что и ротор, а другой — с той же относительно якоря ско­ ростью п, но в направлении, обратном вращению ротора.

Первый поток находится в постоянном взаимодействии с ротором, поскольку и поток, и ротор вращаются в одном и том же направлении

скоростью In — (—п)] = 2п и наводит в металлических частях ротора и его обмотках э. д. с. и токи двойной частоты 2/. Можно себе предста­ вить, что этот поток создается трехфазной симметричной системой токов, имеющей обратный порядок следования фаз, т. е. А — С — В (рис. 31-2). В этом случае получается асинхронная машина, работаю­ щая в режиме электромагнитного тормоза (§ 22-3 и 30-3).

Таким образом, двухфазное короткое замыкание синхронного ге­ нератора отличается от трехфазного наличием обратно вращающегося потока и сопряженных с ним процессов. Действие этого потока учи­ тывается с помощью особого параметра, а именно, индуктивного сопротивления х2, обратного следования фаз, активным сопротивле­ нием, соответствующим этому режиму, обычно пренебрегают.

Чтобы создать в синхронном генераторе условия, эквивалентные системе токов обратного следования фаз, поступают следующим образом:

1)приводят ротор во вращение в нормальном направлении с но­ минальной скоростью п\

2)ротор не должен быть возбужден, так как в противном случае

вобмотке якоря появилась бы система э. д. с. и токов прямого сле­ дования фаз, что было бы в противоречии с поставленной задачей. Обычно обмотку возбуждения замыкают накоротко (рис. 38-14), так как это близко подходит к тем условиям, в которых она находится при работе;

3) к обмотке статора подводят трехфазное симметричное напряже­ ние номинальной частоты, но обратного следования фаз U 2a — U2C —

— U2b , так, чтобы токи обратного следования фаз і 2а — / 2с — / Зн образовали намагничивающую силу, вращающуюся со скоростью ротора, но в обратную относительно него сторону.

Если измерить фазные значения подводимых к генератору напря­ жений 1/2ф и токов / 2ф, то

Величина х2 в сильной степени зависит от конструкции синхрон­ ного генератора. Машина, работающая в режиме электромагнитного тормоза, представляет собой трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка якоря, а вторич­ ной — замкнутые накоротко обмотки ротора:

обмотка возбуждения, успокоительная и кон­ туры в металлических частях ротора. Первич­ ный и вторичный токи короткозамкнутого тран­ сформатора создают намагничивающие силы, почти взаимно уравновешивающиеся, так что остаются только потоки рассеяния, сцеплен­ ные так: первичный с обмоткой якоря, вто­ ричный с обмоткой ротора. Соответственно этому

нимальные и максимальные значения.

Зная х2, можно определить величину тока двухфазного корот­ кого замыкания / К2, воспользовавшись схемой на рис. 38-15. В корот­

(рис. 38-13, б) можно создать с помощью двух последовательно сое­ диненных трехфазных обмоток с прямым А — В — С и обратным А — С — В порядком следования фаз (см. рис. 31-2). Соответственно этому в схеме на рис. 38-15 выполнено последовательное соединение сопротивления ^ для системы токов А — В — С и х2 — для системы

454

Действие тока нулевой последовательности / 0 учитывается с по­ мощью параметра х0 (активным сопротивлением пренебрегают). Если U0ф и / 0ф — значения напряжения и тока на фазу в схеме на рис. 38-16, то

Численные значения сопротивления х0%в относительных едини­ цах приводятся в табл. 38-2.

Таблица 38-2

Зная х0, можно определить величину тока однофазного корот­ кого замыкания / к1, воспользовавшись схемой на рис. 38-17. В корот­

изложены в аналитической форме с помощью так называемого ме­ тода симметричных составляющих, что, однако, выходит за рамки данного учебника.

Если асимметрия токов наблюдается при работе синхронной ма­ шины в эксплуатационных условиях, то, согласно ГОСТ 183—66, допускается работа синхронных машин, если ток в фазах не превы­ шает номинального значения и разность токов в фазах для генера­ торов с приводом от паровых и водяных турбин — не превышает 10% номинального тока фазы, а для всех других генераторов и синх­ ронных компенсаторов с явно выраженными полюсами — не пре­ вышает 20% номинального тока фазы.

456