Короткое замыкание синхронных генераторов переменного тока. I. Установившееся короткое замыкание. При установршшемся коротком замыкании альтернатора наводимая в обмотке якоря эдс

140 А

100 SO 60 40 £0

Фиг. 57.

компенсируется омическим и индуктивным падениями напряжения в цепи якоря. Так как реактивное сопротивление цепи якоря в несколько раз более эфф. сопротивления, то ампер-витки якоря создают продольное поле, действующее навстречу полю, создаваемому обмоткой возбуждения, и вследствие этого результирующее поле получается слабым. Если короткое замыкание на зажимах якоря Г. п. т. происходит при номинальном возбуждении, то в якоре современных Г. п. т. новейших конструкций устанавливаются токи короткого замыкания, значения силы которых приведены в табл. 4.

Табл. 4. - Предельные значения силы установившегося TOJta короткого зам ы паи и я.

Обычно в Европе, в отношении короткого замыкания, к синхронным машинам предъявляют требование, чтобы

л.у устан. ток кор. замык. при возбужд. хол. хода

1 о -

номинальный ток

ток возбужд. При хол. ходе и номин. нанря/к. ток возб. /отд при кор. замык. и пом. токе якоря были S 0,5 (фиг. 58). В Америке рекомендуется значение К = Го брать 1,41/ ,

где Ь-коэфф. магнитного насыщения (обычно 6 равно от 1,2 до 2,0).

Значение силы установившегося тока короткого замыкания в многофазных машинах зависит от вида короткого замыкания, В трехфазных Г. п. т, сила установившегося тока короткого замыкания равна: при трехнолюспом коротком замыкании

при двуполюсном

коротком

замыкании

при однополюсном

коротком

замыкании

фазовое напряжение

В этих ф-лах Ео-эс холостого хода, соответствующее заданному току возбунодения, X-т. н, синхронный реактанц, состоящий из реактанца рассеяния и реакции якоря, 7?-активное сопротивление якоря, т-коэфф. рассеяния, -общий коэффициент, учитывающий насыщение железа. В табл. 4 приведены соотношения токов для различных видов установившегося короткого замыкания.

II. Внезапное короткое замыкание. При внезапном коротком замыкании, совершающемся в возбужденном до номинального напряжения Г. п. т., переход от первоначального состояния до практически установившегося режима короткого замыкания происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, потребного для рассеяния запаса магнитной и электрич. энергии в тепло. В первый момент внезапного короткого замыкания магнитодвижущая сила якоря, вследствие влияния токов Фуко, не вызывает заметной реакции

Гу 8000 3000

2500 2000 1500 1000 500

6000

4000

100 200 Фиг. 58.

400 А

якоря; так. обр., в первый момент сила тока внезапного короткого замыкания обусловливается наиряжением на зажимах Г. п. т. в момент начала короткого замыкания эффективным и реактивным сопротивлением обмотки якоря и самоиндукцией магнитной системы (цепи возбуждения и демпферной обмотки). Реактивное сопротивление цени якоря, вследствие увеличения насыщения железа якоря, а также появления токов Фуко получается несколько меньшим, чем при номинальном режиме Г, п, т.

Явления, происходящие в Г. п. т. при внезапном коротком замыкании, имеют весьма сложный характер. При внезанн. коротком замыкании обмотки якоря Г. и. т., явления перехода от одного состояния в другое представляют собою нестационарный электрическ, процесс двух цепей,-обмотка яко-

ря и обмотка возбуждения-связанных между собой в магнитном отношении. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что после внезапного короткого замыкания в цепи якоря протекает ток, составляющими которого являются: 1) установившийся ток короткого замыкания Ту, имеющий частоту /; 2) мгновенно ударный переменный ток частоты f , система которого связана с обмоткой возбуждения, и 3) ток Ik очень малой частоты f, система которого связана с обмоткой якоря и к-рый представляет собою как бы мгновенно ударный постоянный ток, при чем две последние составляющие тока постепенно затухают. Частоты f и / , а также затухание токов зависят главн. обр. от отношения актршного сопротивления к самоиндукции рассеяния. Затухание токов 1 и I,/ происходит по закону показательной функции.

На фиг. 59 приведены осциллограммы ударных токов цепи якоря (кривая 1), а также токов в цепи возбунедения (кривая 2) при трехполюсном коротком замыкании. Начальное значение каясдого из токов получается, как при любом переменном токе, в виде частного от деления действующего на-пряженрш на кажущееся сопротивление.

Фиг. 59.

Т. О. составляющие ТОКИ внезапного короткого замыкания! и I в начальный момент замыкания выражаются след. обр.:

г/ tf Е jr Ец,

ljf = 1и

Наибольшее значение суммарного ударного тока можно определить из след. формулы:

In,], = Д е

+ 1г -е

г.-Ег

Для турбогенераторов и машин с явно выраженными полюсами, снабясенных демпферной обмоткой, коэфф. 1,8; для машин с явно выраженными полюсами, имеющих слабую демпферную обмотку или не имеющих ее вовсе, этот коэфф-т имеет меньшее значение. Если Г. п. т. в момент внезапного короткого замыкания уже имел некоторую нагрузку, то нагрузочный ток не может После короткого замыкания внезапно измениться; поэтому он течет совместно с выравнивающими токами через место короткого замыкания, слагаясь с ними по фазе.

К современным Г. п. т. предъявляют требования, чтобы максимальный ударный ток внезапного короткого замыкания не превосходил 15-кратной амплитуды номинального тока; с этой целью в Г. п. т. необходимо применять реактанц рассеяния не менее 12%. На фиг. 60 приведены различные виды ко-

ротких замыканий, к-рые могут наступать в одно-, двух- и трехфазных Г. п. т.; в табл. 5

Табл. 5.-Значения силы ударного тока к о ]) о т к о г о замыкания.

приведены данные, показывающие соотношения ударных токов для указанных на

Генераторы переменного тока

Короткое замыкания Однофазный

Однофазное (клемма - нейтраль)

Однофазное (между ю!ем нами)

Двухфазное (клемма-нейтраль)

Трехфазное (клемма-нейтраль)

Трехфазное (между клеммами]

Двухфазный

Трехфазный

Фиг. 60.

фиг. 60 видов внезапного короткого замыкания, при чем значения ударного мгновенного тока при трехполюсном замыкании (см. 8 и 9 на фиг. 60) приняты за 100%. На фиг. 61 приведены кривые уменьшения симметричных составляющих ударных токов в зависимости от времени, а также и от отношения начального ударн. тока внезапного короткого замыкания к установившемуся при трехпсиюсном коротком замыкании.

Внезапное короткое замыкание сопровождается: 1) механическими воздействиями на статор и ротор, 2) электродинамическ. силами, действующими на обмотки статора и ротора, 3) явлениями перенапряжений в обмотках, 4) нагреванием обмоток. Так как в начальный момент внезапного короткого замыкания магнитное поле в воздушном зазоре

о 0,2 0,4 0,S 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f,S 2,0ак.

Фиг. 61.

Г. П. Т. имеет свое полное значение, то мгновенный ударный вращающий момент находится в таком яое отношении к номинальному вращающему моменту машины, как мгновенные ударные токи короткого замыкания- к номинальному току. Вращающий момент короткого замыкания в машинах новейшего

типа превышает номипальпый момент приблизительно в 15 раз; в машинах же более ранних конструкций это отношение доходит до 30. Врашаюшие моменты при коротком замыкании действуют резким ударом на вал и муфту, а также на двигатель, приводяш;ий в движение Г. п. т., и на фундамент последнего. Хотя эти механическ. ударные действия и затухают быстро, но первые толчки могут вызвать тяжелые механические разрушения, если в конструкциях Г. п. т. и двигателя

Фиг. 62.

и их фундаментов не обратить на это надлежащего внимания. Наряду с сильными сотрясениями ротора и статора, при внезапном коротком замыкании возникают большие механические усилия в обмотках, вследствие электродинамич. действия ударных токов короткого замыкания. Зти силы м. б. опасными для обмоток, особенно для лобовых частей их, поэтому на крепление их д. б. обращено особое внимание. Электродинамич. эффект создает притяжение лобовых частей к железу статора; кроме того, отдельные .лобовые части притягиваются и отталкиваются между собой, а также взаимодействуют с обмоткой возбуждения. Механич. усилия, действующие на головки обмоток, вычисляются по следующим ф-лам.

а) Сила отталкивания между катушкой обмотки возбуждения и головкой обмотки якоря:

1 ар . а

() 10- ..-а.

б) Сила иритяясения головки обмотки якоря к железу статора:

F, = + . (т±]\ 10- кг.

2 02 а,. V 100 )

в) Сила отталкивания или притяжения хмежду головками различных фаз обмоток:

0,51 Is

R= +--

/ ino + ДеЛ. 1 100 /

10-8

Os, а \ 100

В ЭТИХ ф-.лах J, j-наибольший мгновенный ударный ток; -длина головки обмотки; а-число параллельных ветвей; а,-расстояние от середины головки обмотки якоря до железа (фиг. 62); а-расстояние между головками различных фазовых обмоток; а,- расстояние между серединой нонеречного

сечения катушки обмотки возбуждения-и серединой поперечного сечения головки обмотки якоря; да-число проводников, заложенных в пазу; да-число пазов, приходящихся на полюс и фазу; w -число витков обмотки возбуждения, приходящихся на 1 полюс; Z j-средняя ширина лобовой части катушки возбуждения в панравлении вращения; 1т-максим, ток возбуждения; A.SX-внутр. падение напряжения при нагрузке до внезапного коротк. замыкания (в %).

Так как при внезапном коротком замыкании происходит быстрое нарастание тока, то в обмотках Г. п. т. индуктируются высокие напряжения. Эти перенапряжения м. б. опасны для изоляции ббмоток, в особенности в ЭТОМ отношении подвержена действию перенапряжения обмотка возбуждения. С целью уменьшения перенапряжений и предохранения обмоток возбуждения от пробоя изоляции Г. п.т. снабжаются демпферной обмоткой. В турбогенераторах демпферной обмоткой являются металлическ. клинья ротора, которые д. б. надежно электрически соединены с капотами, или бандажами, удерживающими головки обмоток возбуждения от выгибания под действием центробежных сил.

От сильных токов короткого замыкания проводники, но которым они протекают, нагреваются очень быстро до высоких t°, опасных как для проводок, так и для всех окружающих частей их. Поэтому сечение проводников обмотки Г. п. т. должно быть точно рассчитано; обычно оно рассчитывается т. о., чтобы тепловая энергия, развиваемая током внезапного короткого замыкания, поглощалась только самой обмоткой (теплоемкостью), т. к. вследствие короткого времени действия внезанного короткого замыкания отвода тепла в окружающую среду не происходит. С целью уменьшения разрушительных последствий внезапн. короткого замыкания, Г. п. т. снабжают защитными приспособлениями; кроме того, возбуждение Г. п. т. устраивают

т. о., чтобы при внезапных коротких замыканиях происходило уничтожение главного магнитного поля и, вследствие этого, более быстрое спадание переходных токов и ослабление установившегося тока короткого замыкания. Наиболее употребительные схемы возбуждения, преследующие эти цели, приведены на фиг. 63, где Л-трехфазный генератор, jE?-hkopb возбудителя, ПЕ-вспомогательный возбудитель, GE-противодействующий возбудитель, CW-противодействующая компаундная обмотка, SM-пусковой мотор, ES-выключатель для размагничивания, Sp-делитель напряжения и И-сопротивление.