Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем

Министерство аграрной политики Украины Керченский государственный морской технологический университет Кафедра: «Электрооборудования судов и автоматизации производства»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем»

Проект выполнил:

студент группы СЭ-52

Шиков А.И.

шифр 09КСЭ668

Керчь, 2014 г.

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 400 В, 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 220 В.

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=24,205 мм².

Таким образом, для генераторного фидера годятся все сечения, начиная с 25 мм² и более, т. е. сечение 370 мм² (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=11,694 мм².

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 6.50 702 «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 7.5 070 204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 7.7 010 404 «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 7.5 070 204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 7.7 010 404 «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.