СОДЕРЖАНИЕ
Начальные данные
1 Расчет тока к. з. в точке К1
2 Определение тока к. з. в точке К2
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
| N п/п | Наименование | Единица измерения | Обозначение | Числ.
значение |
| Для генераторов Г1 и Г2 | ||||
| 1 | Тип | МСК 750-1500 | ||
| 2 | Полная номинальная мощность | кВА | Sнг | 600 |
| 3 | Ток номинальный | кА | Iнг | 1,084 |
| 4 | Напряжение номинальное | В | Uн | 400 |
| 5 | Частота номинальная | Гц | f | 50 |
| 6 | Активное сопротивление обмотки статора | о. е. | Rг | 0,013 |
| 7 | Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси | о. е. | X”d | 0,150 |
| 8 | Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси | о. е. | X’d | 0,236 |
| 9 | Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси | о. е. | Xd | 2,31 |
| 10 | Сверхпереходная постоянная времени по продольной оси | с | T”d | 0,014 |
| 11 | Постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора | с | Tf | 3,80 |
| 12 | Установившееся значние тока к. з. на зажимах генератора | о. е. | I?г | 4 |
| Для эквивалентного асинхронного ЭД* | ||||
| 13 | Мощность номинальная | кВт | Рэд | 185 |
| 14 | Ток номинальный | кА | Iэд | 0,381 |
| 15 | Активное сопротивление обмотки статора | о. е. | Rsd | 0,4 |
| 16 | Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора | о. е. | X’sd | 0,186 |
| 17 | Индуктивное сопротивление обмотки статора | о. е. | Xsd | 2,61 |
| 18 | Коэффициент магнитной связи обмоток статора и ротора | о. е. | м | 0,929 |
| 19 | Постоянная времени обмотки ротора | с | Tr | 0,232 |
| 20 | Переходная постоянная времени обмотки ротора | с | T’r | 0,0165 |
*Приняты средние значения параметров ЭД согласно таблице 2 Приложения 2 к ОСТ5.6181-81.
Таблица 2 – Параметры участков цепи
| N п/п | Участок схемы | Характеристика элемента | Сопротивление, мОм | |
| r | x | |||
| 1 | Цепь генератора Г1 | |||
| Кабель | 2(3х185) – 23м | 1,357 | 0,839 | |
| 2 | Цепь генератора Г2 | |||
| Кабель | 2(3х185) – 23м | 1,357 | 0,839 | |
| 3 | От ГРЩ до точки К3 Кабель | 3х70 – 23м | 7,107 | 1,748 |
| 4 | От ГРЩ до точки К4 Кабель | 3х35 – 15м | 9,255 | 1,23 |
| Автоматический выключатель | 7,45 | 3,6 | ||
| 5 | От ГРЩ 380 В до точки К5 | |||
| 6 | Кабель | 3х70 – 10м | 3,09 | 0,76 |
| Трансформатор Т1+кабель | 57,7* | 103,264* | ||
| Итого | 60,79 | 104,024 |
*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
| Точка к. з. | iуд.?, кА | I0.04, кА | I0.2, кА | Вк0.04, кАс | Вк024, кАс |
| К1(К2) | 25,403 | 10,477 | 9,513 | 2,566 | 10,994 |
| К3 | 15,51 | – | – | – | – |
| К4 | 17,71 | – | – | – | – |
| К5 | 2,275 | – | – | – | – |
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
| Результаты расчета | Данные автоматических выключателей | |||||||||
| Точка к. з. | iуд.?,
кА |
I0,04,
кА |
I0,2,
кА |
Вк0,04,
кА2с |
Тип | IN,
А |
Iм вкл,
кА |
Iм откл,
кА |
кА2с | tmin, c |
| К2(1) | 25,403 | 10,477 | 9,513 | 10,994 | ВА74 | 375 | 63 | 45 | 340 | 0,18 |
| А3776М | 25…160 | 20…75 | Не регламентир. | – | 0,04 | |||||
| АК50Б | 1,0…25 | 100…20 | 55…11 | – | 0,04 | |||||
| К3 | 15,51 | 4,624 | – | – | А3776М | 25…160 | 20…75 | Не регламентир. | – | 0,04 |
| АК50Б | 1,0…25 | 100…20 | 11 | – | 0,04 | |||||
| К4
К5 |
17,17
2,058 |
4238
1,995 |
–
– |
–
– |
АК50Б
А3776М АК50Б |
1,0…25
16…160 1,0…50 |
100…10
6…75 100…10 |
Не регламентир. | –
– – |
0,04
0,04 0,04 |
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.