Влияние АРН и нагрузки на процесс короткого замыкания

До сих пор мы рассматривали процесс короткого замыкания в предположении отсутствия автоматического регулирования напряжения (АРН) у генераторов. В настоящее время все генераторы снабжаются устройствами автоматического регулирования напряжения (их называют также устройствами автоматического регулирования возбуждения). В нормальных условиях эксплуатации эти устройства облегчают работу дежурного персонала по поддержанию заданного напряжения на шинах станции и по распределению реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами. При аварийных режимах, сопровождающихся снижением напряжения на шинах, автоматические регуляторы обеспечивают максимальную форсировку возбуждения для поднятия напряжения на шинах до номинального значения Быстрое восстановление напряжения при коротком замыкании в сети имеет большое значение для обеспечения нормального электроснабжения потребителей и для повышения устойчивости параллельной работы генераторов и станций.

Возрастание напряжения возбудителя под действием регулятора происходит по закону, близкому к экспоненциальному. Из этого следует, что действие АРН приводит к изменению э.д.с. генератора не мгновенно, а с некоторым запаздыванием. Практически влияние регулятора начинает сказываться через 0,1 0,2 с. Поэтому неучет действия АРН, естественно, возможен лишь для начального, т. е. сверхпереходного режима короткого замыкания. Влияние АРН на величину переходного тока и, в особенности на установившийся ток короткого замыкания оказывается весьма значительным.

При большой удаленности короткого замыкания, т. е. при большом значении внешнего индуктивного сопротивления х_вн, АРН, подняв возбуждение до некоторой величины установит у генератора нормальное напряжение. Напротив, при малой удаленности короткого замыкания регулятор спустя некоторое время установит максимально возможное, так называемое предельное возбуждение I_в.пр., но напряжение генератора при этом все же не достигает нормального значения U_н вследствие сильного размагничивающего действия реакции якоря.

Сопротивление внешней цепи до места короткого замыкания, при котором для поддержания нормального напряжения генератора требуется предельное возбуждение I_в.пр, называется критическим сопротивлением х_кр. Если удаленность короткого замыкания меньше критической (х_вн< х_кр), то даже предельное возбуждение не может обеспечить поднятие напряжения генератора до номинального значения. При х_вн> х_кр, АРН установит у генератора за некоторый промежуток времени номинальное напряжение. При этом необходимый ток возбуждения I_в будет меньше предельного (I_в.пр > I_в>_.). Чем больше внешнее сопротивление x_вн, тем скорее напряжение генератора под действием АРН достигнет нормального значения.

Влияние АРН на процесс короткого замыкания можно проследить по кривым изменения переходного тока при различной удаленности места короткого замыкания (рис. 7, а — для случая х_вн< х_кр и рис. 7, б — для случая х_вн> х_кр). Кривые тока короткого замыкания при наличии АРН лежат выше соответствующих заданной удаленности кривых затухания при отсутствии АРН. При большой удаленности установившийся ток короткого замыкания, как это видно из рис. 7,6, может превышать начальное его значение.

Таким образом, если при отсутствии АРН ток установившегося режима всегда меньше начального тока короткого замыкания и лишь при весьма удаленных коротких замыканиях, то при наличии автоматического регулирования соотношение между начальным и установившимся значениями тока короткого замыкания, в зависимости от удаленности короткого замыкания может быть.

Под действием АРН ток возбуждения стремится к своему предельному значению I_в.пр и достигает его при установившемся режиме, если х_вн х_кр. Как указывалось выше, при х_{вн >} х_кр, напряжение на выводах генератора при КЗ достигает через некоторое время, называемое критическим, нормального значения U_н при токе возбуждения I_в в.пр.

Рисунок 7. Кривые изменения тока в процессе КЗ при наличии у синхронного генератора АРН и различных удаленностях места КЗ.

Так как по достижении напряжения Uн АРН прекращает форсировку возбуждения, то неустановившийся процесс на этом заканчивается и в дальнейшем ток КЗ остается неизменным и равным.

Иллюстрацией для рассматриваемого случая может служить кривая изменения переходного тока КЗ при наличии АРН приведенная на рис. 7, б. В точке, соответствующей критическому времени t_кр, кривая имеет перелом и переходит в горизонтальную прямую (пунктиром показано изменение при условии, если бы возбуждение продолжало возрастать до предельного).

Апериодическая слагающая тока КЗ, как известно, определяется начальными условиями КЗ и параметрами цепи КЗ, вследствие чего АРН не оказывает влияния на величину этой слагающей и характер ее изменения в процессе КЗ.

Влияние нагрузки. Присоединенная нагрузка в виде приемников энергии оказывает значительное влияние на величину и на распределение токов в электрической сети при коротком замыкании в какой-либо ее точке. Это влияние сказывается не только потому, что ток возбуждения и соответствующая ему э.д.с. нагруженного генератора больше, чем у генератора, работавшего на холостом ходу, но и вследствие того, что при коротком замыкании на некотором удалении от генератора приемники энергии на неповрежденных участках сети продолжают потреблять ток. Влияние нагрузки может быть уяснено из рассмотрения элементарной схемы (рис. 8), изображающей трехфазное короткое замыкание на одной из отходящих линий, питаемых генератором, за некоторым индуктивным сопротивлением x_к.

Рисунок 8. Схемы к оценке влияния нагрузки при трехфазном КЗ.

Нагрузка, эквивалентное сопротивление которой х_н для простоты здесь принято чисто индуктивным, считается условно сосредоточенной на выводах генератора и неизменной в течение, всего процесса короткого замыкания. Ветвь нагрузки х_н и ветвь короткого замыкания х_к могут рассматриваться как две параллельные ветви, поскольку потенциал нейтральной точки нагрузки так же, как и потенциал точки трехфазного короткого замыкания, равен нулю. Установившийся ток короткого замыкания в цепи генератора определяется при внешнем сопротивлении сети.

.

Так как нагрузочная ветвь уменьшает эквивалентное внешнее сопротивление х_вн то ток генератора при коротком замыкании благодаря этому увеличивается. Напряжение на зажимах генератора от этого снижается и соответственно уменьшается ток в ветви короткого замыкания.

Таким образом, при установившемся режиме короткого замыкания учет присоединенной нагрузки обусловливает увеличение общего тока в цепи генератора и относительное снижение тока непосредственно в месте повреждения.

Если при установившемся режиме короткого замыкания присоединенная нагрузка оказывает отсасывающее действие и может рассматриваться как эквивалентный статический приемник, то в начальный момент внезапного короткого замыкания синхронные двигатели ведут себя так же, как и генераторы, а действие асинхронных двигателей, составляющих основную часть промышленной нагрузки, может быть различным в зависимости от удаленности короткого замыкания от той точки сети, где присоединены двигатели.

Если в начальный момент короткого замыкания напряжение на зажимах двигателя существенно снизилось, то двигатель будет подпитывать короткое замыкание.

Следовательно, поведение асинхронного двигателя может быть различным в зависимости от степени понижения напряжения на его зажимах. Иными словами, оно зависит от удаленности места присоединения двигателя относительно места короткого замыкания. Экспериментальные исследования подтвердили, что электродвигатели, присоединенные вблизи места повреждения, т. е. там, где остаточное напряжение при коротком замыкании мало, являются дополнительными источниками питания КЗ (за счет освобождающегося в них запаса электромагнитной и кинетической энергии). Ближайшие же к генераторным шинам и удаленные от места повреждения асинхронные двигатели продолжают потреблять ток из сети.

Выводы:

Неучет действия АРН возможен лишь для начального, т. е. сверхпереходного режима (расчет токов начального режима КЗ).

Если электрическая удаленность точки КЗ меньше критической, то даже предельное возбуждение не может обеспечить номинальное напряжение на выходе генератора.

При большой удаленности точки КЗ, установившейся ток КЗ может превосходить его начальное значение.

Нагрузка оказывает влияние на величину и распределение токов в сети при КЗ. В начальный момент КЗ за счет двигательной нагрузки возможно увеличение тока КЗ, а в установившемся режиме наблюдается отсасывающее действие нагрузки.