Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем

3 Расчет тока к.з. в точке К3

4 Расчет тока к.з. в точке К4

5 Расчет тока к.з. в точке К5

6 Проверка кабелей на термическую стойкость

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

8 Расчет провала напряжения генератора при прямом пуске АД

Список использованных источников

Начальные данные

Настоящий расчет будет выполнен в соответствии с требованиями ОСТ5.6181-81 «Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов», ОСТ5.6152-79 «Правила выбора и методы расчета защиты». Расчет выполняется аналитическим методом.

В судовой электростанции в качестве основных источников электроэнергии установлены два дизель-генератора с синхронными генераторами типа МСК 750-1500 номинальной мощностью по 600 кВт, напряжением 400В, частотой тока 50Гц.

Наиболее тяжелым по условию к.з. режимом работы СЭЭС является режим, в котором работают параллельно два дизель-генератора.

Расчетная схема приведена на рис.1. Асинхронная нагрузка представлена в виде одного эквивалентного двигателя. Мощность эквивалентного двигателя определена ориентировочно по предварительным данным об одновременно работающих электроприводных механизмах в максимально загруженном режиме работы судна.

Рисунок 1 - Схема для расчета токов короткого замыкания

ток замыкание кабель напряжение

Таблица 1 - Исходные данные генераторов и асинхронного двигателя

*Приняты средние значения параметров ЭД согласно таблице 2 Приложения 2 к ОСТ5.6181-81.

Таблица 2 - Параметры участков цепи

*Указанные значения активного и индуктивного сопротивлений трансформатора и кабеля на стороне вторичной обмотки, приведенные к напряжению первичной обмотки трансформатора. Приведение произведено по формулам:

где Rприв, Xприв - приведенные к напряжению первичной обмотки активное и индуктивное сопротивления трансформатора и кабеля на стороне вторичной обмотки;

Rт и Xт - активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные к номинальному напряжению вторичной обмотки(Для трансформатора ТС3М250-75.ОМ5 согласно приложению 8 к ОСТ5.6181-81 Rт=2,12мОм, Xт=6,43мОм);

Rс и Xс - активное и индуктивное сопротивление участка сети до точки к.з. на стороне вторичной обмотки трансформатора (для участка сети до точки к.з. Rс=0,2295мОм и Xс=0,219мОм);

U1 и U2 - номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно 380 и 220В.

1 Расчет тока к.з. в точке К1

Схема замещения для расчета тока к.з. в точке К1 приведена на рис. 2, а.

а) б)

Рисунок 2 - Схема замещения для расчета тока короткого замыкания в точке К1

При составлении схемы замещения пренебрегаем относительно небольшими сопротивлениями ошиновки ГРЩ, автоматов ВА74-43 и А3770.

Заменим параллельно работающие генераторы одним эквивалентным и параллельно включенные сопротивления r1 и r2, x1 и x2 эквивалентными сопротивлениями r1э x1э (рис. 2, б)

За базисные величины принимаем

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

Сопротивления и определяем по формулам:

В базисных относительных единицах:

Как было сказано выше,

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 cosц =0,8 и определяем сверхпереходную и переходную эдс генератора:

где U0, I0, sinц0 - 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.:

Определяем постоянные времени:

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

Определяем значение токов в килоамперах:

Определяем ударный ток генератора из выражения

Определяем полное переходное сопротивление эквивалентного двигателя

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

где Uс=0,959 при расчете в о.е. генератора

При к.з. на ГРЩ ударный ток эквивалентного двигателя определяем по формуле:

В итоге суммарные значения токов к.з. в точке K1:

2 Определение тока к.з. в точке К2

Значение тока к.з. в точке К2 в соответствии с тем, что сопротивления автоматических выключателей и шин ГРЩ имеют относительно малое значение, принимается равным значению, рассчитанному для точки К1.

3 Расчет тока к.з. в точке К3

Для расчета тока к.з. в точке К3 используем схему замещения и лучевую, полученную из этой схемы, приведенные соответственно на рис.3.

Рисунок 4 - Лучевая схема для расчета тока короткого замыкания в точке К3

Рисунок 3 - Схема замещения для расчета тока короткого замыкания в точке К3

При этом активные и реактивные сопротивления схемы замещения определяем из выражений:

где Rк, Xк - суммарные активное и реактивное сопротивления от ГРЩ до точки К3 соответственно (см.табл. 2)

В базисных о.е.:

Преобразуем схему, приведя ее к лучевой (рис. 4).

Сопротивления луча эквивалентного генератора для сверхпереходного режима

Рисунок 5 - Схема для расчета тока короткого замыкания в точке К3 в переходном и установившемся режимах

Для переходного и установившегося режимов схема замещения приведена на рис. 5.

Сопротивления схемы для переходного и установившегося режимов

Определим начальные значения сверхпереходного и переходного тока эквивалентного генератора при к.з. в точке К3

Установившийся ток к.з.:

Определяем постоянные времени:

Определяем действующее значение периодической составляющей тока к.з. для момента времени t=0.01c:

Ударный ток эквивалентного генератора:

Определяем сопротивления луча эквивалентного двигателя (рис. 4) в базисных о.е.

Определяем постоянные времени затухания периодической и апериодической составляющей тока к.з. эквивалентного двигателя

Определяем ток подпитки для эквивалентного асинхронного двигателя для момента времени t=0.01c

Определяем ударный ток эквивалентного двигателя в момент времени t=0.01c

Суммарное значение ударного тока в точке К3

4 Расчет тока к.з. в точке К4

Схема замещения для расчета тока к.з. в точке К4 приведена на рис. 6,

Рисунок 6 - Схема замещения для расчета тока короткого замыкания в точке К4

rk, 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. 7).

Рисунок 7 - Лучевая схема для расчета тока короткого замыкания в точке К4Определим сопротивления луча эквивалентного генератора для сверхпереходного режима

Для переходного и установившегося режимов схема замещения приведена к виду на рис. 8, где сопротивления схемы для переходного и установившегося режимов определены, как

Рисунок 8 - 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;

Ударный ток эквивалентного генератора

Сопротивления луча эквивалентного двигателя 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 К4

.

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 6 и 7. 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 (см.табл. 2); в базисных о.е. соответственно:

,

Сопротивления луча эквивалентного генератора для сверхпереходного режима

Для переходного и установившегося режимов используем схему замещения, приведенную на рис. 8 , 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. 7) 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 3 - Результаты расчета токов короткого замыкания

6 Проверка кабелей на термическую стойкость

На термическую стойкость кабели проверяются по условию

q?qmin,

где q - выборное сечение проводника.

qmin - кvВк (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=10,944кА2с.

Отсюда минимальное сечение qmin=7,3v10,944=24,205мм2.

Таким образом, для генераторного фидера годятся все сечения, начиная с 25мм2 и более, т.е. сечение 370мм2 (2?185), выбранное из условий нагрева, удовлетворяет заданному условию.

Срабатывание защиты на фидерах потребителей происходит в течение 0,04с. Для этого момента времени Вк=Вк0,04=2,566кА2с и минимальное сечение qmin=7,3v2,566=11,694мм2.

Таким образом на фидерах, подключаемых к ГРЩ потребителей можно применять кабели сечением 16кв.мм и более.

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

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

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.

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>Вк0.4=10,994кА2с, 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=3,401кА2с

Iм тер=28,7•105,663•10-3=3,033кА;

Iм2тер•tтер=3,0332•3=27,59кА2с>Вк0,04 =10,994кА2с

Условие удовлетворяется, т.е. на ГРЩ, на фидерах потребителей могут быть установлены трансформаторы тока ТКС-0,66 с номинальным током 105А и более.

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 750-1500

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=0,381kA=381A.

Таким образом, 375•2<1478,3 и условие соблюдено, т.е. для генератора МСК 750-1500, выключатель ВА74-40 с и обладает требуемой чувствительностью.

Проверка чувствительности фидерных автоматов

Для фидерных автоматов кч=2, откуда

т.е.

при одном работающем генераторе чувствительностью обладают автоматические выключатели с уставкой 1256,6А и менее при расчетном сопротивлении цепи не более 0,1516 о.е.

8 Расчет провала напряжения генератора при прямом пуске АД шпиля

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.

Ниже приведен расчет провала напряжения в среде MathCAD

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Из расчетов видно провал напряжения составляет 8%, что удовлетворяет требованиям Регистра

Список использованных источников

1. Баранов А. П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы : учебник для вузов / А. П. Баранов. - М. : Транспорт, 1988. - 328 с.

2. Яковлев Г. С. Судовые электроэнергетические системы / Г. С. Яковлев. - Л. : Судостроение, 1987. - 288 с.

3. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В. А. Веников. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Высшая школа, 1978. - 415 с.

4. Мелешкин Г. А. Переходные режимы судовых электроэнергетических систем / Г. А. Мелешкин. - Л. : Судостроение, 1971. - 344 с.

5. Веретенников Л. П. Переходные процессы в электроэнергетических системах кораблей / Л. П. Веретенников. - Л. : Военно-морская академия, 1982. - 627с.

6. Дворак В. Н. Моделирование электромеханических систем : конспект лекций для студентов направления 6.050702 "Электромеханика" специальности "Электрические системы и комплексы транспортных средств" / Дворак В.Н. ; М-во аграр. политики Украины, Гос. ком. рыб. хоз-ва Украины, Керч. гос. мор. технолог. ун-т, Каф. электрооборудования судов и автоматизации пр-ва. - Керчь, 2010. - 64 с.

7. Автоматизированные судовые электроэнергетические системы : методические указания по выполнению курсового проекта / В. В. Колодяжный, Ю. Н. Горбулев, В. В. Титов. - Керчь : КГМТУ, 2011. - 158 с.

8. ОСТ5.6181-81 «Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов»

9. Голиков С. П. Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем: Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальностей 7.05070204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 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.

10. Голиков С. П. Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем: конспект лекций для студентов специальностей 7.05070204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 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.

Размещено на Allbest.ru