Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ известных работ по теме диссертации и постановка задачи исследования 10
1.1. Анализ литературы, посвященной моделированию и описанию генераторных агрегатов 11
1.2. Анализ литературы, посвященной моделированию основных электротехнических устройств, входящих в модель СЭЭС 15
1.3. Анализ литературы, посвященной моделированию режимов КЗ в СЭЭС 16
1.4. Анализ литературы, посвященной совершенствованию защиты 17
1.5. Постановка задачи исследования 22
1.6. Основные выводы и результаты 23
2. Компьютерное моделирование судовых генераторных агрегатов 25
2.1. Выбор системы координат для описания процессов в СЭЭС 26
2.2. Математические модели генераторных агрегатов 29
2.3. Моделирование режимов дугового и металлического коротких замыканий 66
2.3.1. Моделирование режима металлического короткого замыкания синхронного генератора 66
2.3.2. Моделирование режима дугового короткого замыкания синхронного генератора 73
2.4. Основные выводы и результаты 89
3. Моделирование судовых электроэнергетических систем в режимах дугового и металлического кз 90
3.1. Основные выводы и результаты 109
4. Совершенствование защиты судовых электроэнергетических систем от токов короткого замыкания 110
4.1. Использование принципа логической селективности для уменьшения принудительных выдержек времени 112
4.2. Оценка коэффициента чувствительности применяемой зашиты 119
4.3. Основные выводы и результаты 122
5. Рекомендации по использованию математических моделей судовых генераторных агрегатов и электроэнергетических систем 123
5.1. Моделирование СЭЭС в режиме металлического КЗ для определения протекающих токов в аварийном режиме 124
5.2. Оценка надежности электроснабжения потребителей в неповрежденных участках сети 131
5.3. Основные выводы и результаты : 138
Заключение 139
Список литературы 140
Приложение 1. Структурная схема модели синхронного генератора в пакете Simulink 149
- Анализ литературы, посвященной моделированию и описанию генераторных агрегатов
- Анализ литературы, посвященной совершенствованию защиты
- Выбор системы координат для описания процессов в СЭЭС
- Использование принципа логической селективности для уменьшения принудительных выдержек времени
Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы и задачи, рассматриваемые в данной работе, относятся к области проектирования и эксплуатации судовых электроэнергетических систем (СЭЭС). Современная СЭЭС представляет собой сложный и высоко ответственный комплекс, от правильного функционирования, которого зависят человеческие жизни, экологическая безопасность, и безопасность судна с грузом.
Стремительное развитие силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники увеличили средне статическую мощность СЭЭС вновь строящихся судов и расширили возможность использования электрической энергии на борту судна.
Системы распределения электроэнергии становятся более разветвленными и протяженными, а устройства выработки и преобразования энергии - более мощными. Повышенные требования к экологии и экономичности судовой движительнои установки и судовой электростанции обуславливают широкое применение систем электродвижения и соответственно увеличение мощности СЭЭС.
Меньшие, по сравнению с устройствами предыдущего поколения, электрические потери и габариты позволяют строить достаточно эффективные и надежные СЭЭС.
Суда с электр о движением не единственный пример мощных и сложных СЭЭС, подобными качествами обладают СЭЭС судов без электро движения. Вот некоторые из них: буровые суда и суда нефтедобычи, танкера и суперконтейнеровозы.
Работы по проектированию и строительству перечисленных типов судов давно и успешно ведутся за границей.
В настоящее время правительство предпринимает шаги по реанимации судостроения. Готовится к одобрению программа освоения континентального шельфа.
Опыт эксплуатации СЭЭС свидетельствует о периодически возникающих случаях несрабатывания защитных аппаратов при дуговых коротких замыканиях (КЗ). В результате, от продолжительного горения дуги, возникает опасность гибели экипажа, происходит возгорание кабелей, нарушается электроснабжение потребителей.
Одной из причин несрабатывания защитных аппаратов при КЗ, не нашедшей отражения в действующих нормативных документах, является действие токоограничивающего действия электрической дуги, возникающей при дуговом КЗ. Кроме того, остаточное напряжение в месте дугового КЗ накладывает некоторые особенности на функционирование элементов СЭЭС, которые чрезвычайно сложно учитывать расчетным путем. Статистика показывает, что большинство КЗ на судне — это замыкания через дугу.
Данная работа посвящена созданию модели СЭЭС в режиме дугового КЗ, разработке методики учета электрической дуги, выработке рекомендаций по повышению надежности срабатывания устройств защиты в режиме дугового КЗ. Ввиду отсутствия модели электрической дуги и рекомендаций по учету электрической дуги при моделировании СЭЭС, данная работа является актуальной.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка математической модели судовой электроэнергетической системы для исследования режимов дугового и металлического КЗ с целью совершенствования ее защиты.
Методы исследования. Результаты работы основываются на теории математического моделирования, теоретических основах электротехники, теории электрических машин и релейной защиты электроэнергетических систем.
Научная новизна. На защиту представляются следующие основные результаты:
составлена математическая модель ГА, включающая в себя модели приводного двигателя, автоматического регулятора напряжения и частоты вращения для режимов металлического и дугового КЗ;
разработана математическая модель СЭЭС для исследования режима дугового КЗ;
получена математическая модель электрической дуги;
в пакете прикладного моделирования Simulink создан блок электрической дуги;
произведено обобщение и систематизация результатов расчетно-теоретической и экспериментальной части исследования;
даны рекомендации по применению моделей при решении инженерных задач и использованию в учебном процессе;
даны рекомендации по совершенствованию электрической защиты СЭЭС от токов дугового и металлического КЗ.
Степень достоверности результатов подтверждается малым (до 7%) расхождением полученных с помощью компьютерного моделирования результатов и величин, полученных расчетным путем по ОСТ5. 6181-81 и данных типовых заводских испытаний.
Практическая ценность. Разработанные модели СЭЭС для режимов дугового и металлического КЗ позволили:
провести моделирование режимов дугового КЗ в СЭЭС с дизельными и турбинными ГА;
разработать практические рекомендации по применению моделей при проектировании и проверке электрической защиты СЭЭС, а также выбору электрооборудования;
разработать практические рекомендации по использованию моделей в учебном процессе;
разработать комплекс моделей для типовых СЭЭС, позволяющих проводить моделирование режимов дуговых и металлических КЗ;
7 - выполнять определение уставок защиты и проверку чувствительности
защитных аппаратов.
Кроме того, разработаны и внедрены в учебный процесс лабораторные работы по дисциплине «Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации».
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в производственную деятельность компании «Сахалин Энерджи» и в учебный процесс кафедры «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» ФГОУ ВПО ГМА имени адмирала СО. Макарова в качестве лабораторных работ (компьютерного практикума), используемых в учебном процессе.
Имеются акты внедрения (Приложение 8, 9).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Государственной Морской Академии им. адмирала СО. Макарова, Новороссийской Государственной Морской Академии, Военно-Морской Академии.
Публикации. Перечисленные научные результаты были освещены в 11 печатных публикациях, включающих в себя статьи и тезисы докладов, в том числе 2 статьи в издании из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с выводами, заключения, списка литературы, включающего 87 источников, и 9 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков.
В первом разделе выполнен анализ литературы, отражающей процессы в СЭЭС, и особенности их моделирования в режимах дугового и металлического замыканий. Установлено, что дуговое короткое замыкание является опасным аварийным режимом. Так как электрическая дуга значительно ограничивает ток короткого замыкания, уставки зашиты необходимо определять по параметрам именно дугового КЗ, т.е. требуется выполнять моделирование СЭЭС не только в режиме металлического КЗ, но и в режиме дугового КЗ.
Показано, что современный набор математических программ для персональных компьютеров обеспечивает проектанта возможностью моделирования СЭЭС в аварийных режимах, в частности режимах дугового и металлического КЗ. Пакет Simulink программы MATLAB дает возможность пользователю реализовать структурный подход к моделированию режимов КЗ, что очень удобно для исследования процессов в СЭЭС различных по своему назначению судов.
Во втором разделе осуществлен выбор системы координат, составлены математические модели генераторных агрегатов по полным уравнениям для компьютерного моделирования режимов дугового и металлического коротких замыканий с учетом насыщения, действия АРН и РЧВ. Разработаны и приведены компьютерные модели ГА для режимов дугового и металлического коротких замыканий в пакете Simulink (без использования готовых Simulink-блоков электротехнических устройств) по составленным математическим моделям. Также выполнено моделирование с использованием созданных блоков. Полученные результаты моделирования дугового КЗ подвергнуты статистической обработке и сопоставлены с результатами натурных дуговых коротких замыканий. Результаты моделирования показали возможность их практического использования для определения чувствительности защиты.
В третьем разделе составлены модели асинхронного и синхронного двигателей, силового трансформатора, необходимых для составления модели СЭЭС. Получена математическая модель эквивалентной СЭЭС, содержащая двигательную нагрузку для режимов дугового и металлического коротких замыканий. Модели СЭЭС для режимов дугового и металлического коротких замыканий реализованы в программе Simulink. Результаты моделирования показали возможность использования созданных блоков для моделирования таких переходных процессов в СЭЭС как пуск двигателя либо включение и отключение нагрузки.
В четвертом разделе предлагается для уменьшения принудительных выдержек, являющихся недостатком максимально-токовой защиты,
9 использовать принцип логической селективности. Приведен алгоритм функционирования защиты по принципу логической селективности. Согласно принципу логической селективности АВ на любом участке СЭЭС отключает КЗ за интервал времени, равный сумме собственному времени срабатывания и времени, требуемом для распознавания режима КЗ. Также при этом обеспечивается резервирование вышестоящим аппаратом защиты, который срабатывает с задержкой 0,15-0,2 сек. в случае неисправности нижестоящего АВ. Показано, что использование МТЗ, построенной по принципу логической селективности, позволяет обеспечить большую безопасность для обслуживающего персонала, понизить пожароопасность СЭЭС, уменьшить требования к термической и электродинамической стойкости кабельных линий и распределительных устройств.
С учетом требований нормативного документа ОСТ5.6152-79 и результатов, полученных в данной работе касательно токоограничивающих свойств дугового КЗ, предложено условие для аналитической проверки соответствия защиты требованию чувствительности.
В пятом разделе представлены результаты компьютерного моделирования СЭЭС в режиме КЗ в среде Simulink. Выполнен аналитический расчет параметров КЗ и произведено сравнение результатов. На основании результатов сравнения делается вывод, что приведенные модели могут использоваться для решения задач, связанных с определением токов в режимах короткого замыкания. Кроме того, показано, что компьютерное моделирование в режиме СЭЭС может выполняться для определения провала напряжения на распределительных щитах СЭЭС в режимах дугового и металлического коротких замыканий, пуска и самозапуска электрических двигателей. Путем компьютерного моделирования показано решение задачи определения надежности электроснабжения потребителей в неповрежденных участках СЭЭС в режимах дугового и металлического КЗ.
Анализ литературы, посвященной моделированию и описанию генераторных агрегатов
Среди устанавливаемых генераторных агрегатов (ГА) следует обозначить ГА с приводом от турбины или от дизеля. В первом случае турбина приводит во вращение неявнополюсный синхронный генератор, а во втором -дизель является приводным двигателем для явнополюсной машины. До недавнего времени, главным образом, дизель был приводным двигателем в ГА, что объяснялось установкой дизеля в качестве главного двигателя для пропульсивной установки. Ввиду увеличивающегося спроса на газ, зафиксированного на рынке углеводородов, резкого увеличения числа газовозов, турбогенераторы находят все большее распространение.
Постоянство напряжения на клеммах СГ обеспечивается действием автоматических регуляторов напряжения (АРН). Отечественная литература [4, 12, 13] подробно описывает построение математической модели АРН для щеточных генераторов. В стандарте [82] приводится описание и характеристики современных АРН, выпускаемых ведущими мировыми производителями. Указанный стандарт хорошо зарекомендовал себя при построении моделей автономных и единых электроэнергетических систем, и длительное время широко применяется известными поставщиками услуг по моделированию. В документе приведен ряд типовых моделей бесщеточных АРН. Производитель ГА указывает тип АРН в сопроводительной документации тип модели по стандарту [82], что обеспечивает наличие структуры регулятора и его характеристик, необходимых для построения модели.
Универсальная модель АРН для бесщеточных СГ отсутствует в доступной литературе, что объясняется сложностью и большим разнообразием состава ГА. Аналитическое описание БСМ базируется на классической теории синхронных электрических машин. В работах [7, 10, 27] показано, что по способу передачи энергии на вращающийся вал различают следующие четыре вида бесщеточных синхронных машин (БСМ): 1. СМ с синхронным возбудителем. Синхронный возбудитель работает в режиме усилителя мощности с коэффициентом усиления по мощности 10-175 и позволяет выполнять наибольший зазор между статором и ротором. Большой коэффициент усиления по мощности обуславливает простоту цепей управления. Подобные возбудители находят применение в ГА с частотой вращения не менее 500-1000 об/мин. 2. СМ с асинхронным возбудителем. Асинхронный возбудитель используется в машинах с частотой вращения менее 500 об/мин и позволяет получать высокое быстродействие при набросах нагрузки, но обладает меньшим, по сравнению с синхронным возбудителем, воздушным зазором. 3. СМ с каскадным возбудителем. Такой возбудитель представляет собой каскадное соединение асинхронных или синхронных возбудителей. Каскадный возбудитель обеспечивает регулирование тока возбуждения по рабочему углу, что позволяет получать отличные регулировочные свойства в широком диапазоне изменения нагрузки. 4. СМ с вращающимся трансформатором. Вращающийся трансформатор передает мощность с неподвижного статора на ротор без изменения, поэтому необходима большая мощность цепей управления, что очень неудобно. Из-за этого недостатка трансформаторы не применяются широко. Габариты трансформатора не сильно отличаются для разных скоростей вращения.
Кроме того, БСМ различаются между собой схемой управления АРН, законом регулирования, параметрам по которым производится регулирование, типом вращающегося выпрямителя и защитного устройства, используемого в роторной цепи. Поэтому при построении модели бесщеточного СГ следует руководствоваться стандартом [82] и рекомендациями завода-изготовителя. Несмотря на широкое внедрение БСМ, щеточные генераторы все еще остаются в эксплуатации. Особенности моделирования щеточных генераторов описаны в [53, 54].
Математические модели приводных двигателей для компьютерного моделирования приведены в [4, 13]. Ввиду того, что изменение момента сопротивления генератора влечет за собой изменение частоты вращения приводного двигателя, а, следовательно, и частоты, то учет либо неучет ПД скажется на результатах изменения частоты при моделировании. Ряд источников приводит допущение, что механические процессы протекают гораздо медленнее электрических. Это позволяет говорить о малых активных сопротивлениях схемы КЗ и, следовательно, небольшом моменте сопротивления, создаваемом СГ в режиме КЗ. Это позволяет пренебречь учетом ПД для коротких замыканий продолжительностью несколько десятых секунды. Однако, такое допущение нуждается в проверке. Следует отметить, что в настоящее время, для обеспечения селективности, выдержки времени генераторных автоматов достигают 1 сек. при большой мощности СЭЭС, поэтому, в таких случаях, необходим учет математических уравнений ПД с регулятором частоты вращения. Кроме того, такой аварийный режим, как режим дугового КЗ, характеризуется большей активной составляющей тока КЗ в отличие от режима металлического КЗ, что определяет и больший электромагнитный момент на валу машины. Необходимость исследования изменения частоты сети в аварийных режимах диктуется также и наличием защит, установленных в СЭЭС, реагирующих на изменение частоты.
Точность моделирования режимов КЗ зависит от тех допущений, которые были приняты при составлении дифференциальных уравнений. С одной стороны, пренебрежение определенными составляющими уменьшает время моделирования и вероятность ошибки, но с другой- может привести к погрешностям. В литературе [4, 12] приведен анализ допущений, используемых при составлении дифференциальных уравнений. Следует четко понимать, с какой целью проводится моделирование. Например, при проверке электрических аппаратов на термическую и электродинамическую устойчивость в режиме трехфазного металлического КЗ естественно знать максимальные токи, которые могут возникнуть в случае аварии. При таком моделировании возможна замена ГА сетью бесконечной мощности. Однако это пренебрежение может привести к выбору необоснованно более дорогостоящих элементов защиты, токораспределительной и коммутационной аппаратуры, чем требуется, хотя в этом случае может быть обеспечен некоторый запас. И наоборот, при выборе аппаратов защиты и их уставок необходимо знать минимальный ток КЗ имеющий место в СЭЭС в режиме дугового короткого замыкания. Без определения тока дугового короткого замыкания, т.е. минимально возможного тока КЗ, невозможно качественно определить уставки защиты. От последнего зависит безопасность обслуживающего персонала, электроснабжение ответственных потребителей, а следовательно, безопасность мореплавания и сохранность груза.
Анализ литературы, посвященной совершенствованию защиты
Судовые электроэнергетические системы обладают рядом особенностей, а именно: - соизмеримостью мощности отдельных потребителей с мощностью генераторов электростанций; - двигательным характером нагрузки (до 80% мощности электростанции); - широким (в 2-4 раза) диапазоном изменения доступной мощности электростанции, в зависимости от режима судна (маневренный, режим с грузовыми операциями, ходовой и т.п.) и состоянием СЭЭС (вывод электрооборудования в ремонт); - значительными ударными и установившимися значениями токов КЗ, объясняемые высокими номинальными токами источников электроэнергии и малыми длинами, но большими сечениями кабельных линий.
В [3, 26] показаны преимущества и недостатки применяемой в настоящее время защиты от КЗ на судах. Сейчас на борту судов распространена максимально-токовая защита, имеющая не лучшие показатели в части быстродействия, чувствительности и селективности. Для мощных СГ и двигателей СЭЭС Российский морской регистр судоходства [38] требует установки дифференциально-токовой защиты для защиты от внутренних повреждений. Дифференциально-токовая защита лишена недостатков, присущих максимально-токовой защите, но является более сложной и дорогой. Последняя может применяться и на таких участках СЭЭС, где требуется уменьшить время срабатывания и увеличить чувствительность защиты, что особенно актуально для режима дугового КЗ. Однако, для принятия окончательного решения о применении дифференциально-токовой защиты необходимо выполнить моделирование режима КЗ, определить параметры данного режима и необходимость выбора в качестве основной дифференциально-токовой защиты вместо максимально-токовой. Следует отметить основной недостаток дифференциально-токовой защиты- это отсутствие защиты от перегрузки, что требует ее совместного применения с максимально-токовой защитой.
В [11] показана необходимость дублирования МТЗ более надежной и чувствительной, а также освещен вопрос использования направленной защиты. Особенно подробно [19] рассмотрены быстродействующие устройства для защиты сетей от дуговых КЗ. В указанных работах освещены устройства с так называемой жесткой логикой, элементная база рассматриваемых устройств, главным образом, транзисторы и операционные усилители.
В последнее время начала применяться максимально-токовая защита с логической селективностью. Основное преимущество данной защиты- это исключение принудительных выдержек времени временной селективности максимально-токовой защиты.Бурное развитие микропроцессорной техники в последние десятилетия обусловили широкое распространение микропроцессорных устройств, таких как микропроцессоры, микро-ЭВМ и микроконтроллеры. Внедрение систем управления с использованием микропроцессорной техники доказало несомненные преимущества гибкой логики перед жесткой логикой (релейные системы и системы, выполненные на операционных усилителях). Опыт использования перечисленных систем показал, что построение устройств с жесткой логикой ведет к усложнению схемы, увеличению массы и габаритов. Гибкая логика, напротив, позволила: повысить надежность, реализовать программный эффективный самоконтроль и сложные алгоритмы управления и обработки информации, изменять или исправлять алгоритмы управления без замены аппаратной части устройства. Такие основные характеристики как быстродействие, наличие в своем составе запоминающих устройств, портов ввода/вывода и интерфейсов обеспечивают: - программную смену рабочих режимов за счет перехода к выполнению соответствующей подпрограммы; - наилучшие методы управления, которые могут быть достигнуты постоянной модернизацией и обновлением программы (Firmware), т.е. перепрограммированием микроконтроллера или микросхемы памяти; - построение локальных сетей контроллеров. Примером такой сети может служить сеть контроллеров (Controller Area Network) системы Data Chief C20; - сопряжение с судовой АПС для сигнализации и регистрации аварийного режима. Однако следует отметить, что опыт использования ряда микропроцессорных продуктов в области защиты, например унифицированных защитных устройств, сочетающих в одном корпусе различные виды защит, показал их высокую сложность, чувствительность к качеству напряжения питающей сети и низкую ремонтопригодность в судовых условиях. Кроме того, высокая конкуренция на рынке устройств защиты требует от производителей срочного выпуска новых устройств, которые из-за такой гонки выпускаются на рынок с программами и алгоритмами, не прошедшими должной отладки. Описанное вызывает ложные срабатывания аппаратов защиты и требование обеспечения технической поддержки на высоком уровне, что порой трудно реализуется ввиду определенного режима работы судна по контракту.
В качестве аппаратов защиты в основном используются автоматические выключатели. В современных универсальных АВ, например, производства концерна ABB, алгоритмы сбора, обработки информации от датчиков тока и отключения аварийного участка сети реализуются встроенным микропроцессором. Кроме этого, на судах зарубежной постройки успешно эксплуатируются микропроцессорные устройства защиты дизель генераторного агрегата, выполняющие максимально-токовую и дифференциальную защиту генератора, а также защиту дизеля. Максимально-токовой защите (МТЗ) присущи такие основные недостатки: наличие выдержек времени (0,04-1 сек) и низкая чувствительность (2-141н). Принудительные выдержки времени приводят к протеканию опасно больших токов через аппаратуру и кабели СЭЭС и продолжительному горению дуги в случае дугового КЗ. Указанное приводит к травматизму, пожарам и порче оборудования. Например, при горении дуги в течение 1 сек. полностью выгорает ҐРЩ без возможности восстановления. Низкая чувствительность МТЗ - основная причина несрабатывания защиты при дуговых КЗ. Желательно, чтобы защита отключала аварийный фидер раньше возникновения ударного тока. Для этого она должна обладать временем срабатывания tcpa6 меньшим половины периода Т основной частоты f, поэтому необходимо выполнение условия:
Выбор системы координат для описания процессов в СЭЭС
Первым шагом к составлению компьютерных моделей вышеперечисленных устройств является составление их математических моделей. Для решения поставленной задачи производится выбор системы координат. В научных работах по исследованию переходных процессов наиболее часто используются следующие системы координат: - фазная система координат abc, неподвижная относительно статора электрической машины; - орготоганальная система координат dq, вращающаяся в пространстве с, синхронной скоростью. В фазной системе координат индуктивности контуров электрической машины являются функциями угла между продольной осью ротора и осью одной из фаз. Это усложняет решение системы дифференциальных уравнений машины численными методами. Уравнения, решаемые на каждом шаге интегрирования, содержат большое количество операций, что приводит к накоплению недопустимой погрешности. Для решения этой проблемы используется аналитическое обращение матрицы индуктивностей, что значительно повышает точность расчета. Однако, аналитическое обращение матрицы седьмого и более порядка, что требуется для описания системы, содержащей асинхронные двигатели и синхронный генератор сложно реализовать. С другой стороны, численное обращение матрицы индуктивностей на каждом шаге интегрирования может привести к накоплению большой погрешности. Тем не менее, фазная система координат широко применяется при моделировании и наблюдении процессов, происходящих в конкретной фазе преобразователей частоты либо однофазных коротких замыканий береговых сетей с глухозаземленной нейтралью. Фазная система координат является наиболее универсальной, так как позволяет рассчитывать как симметричные, так и несимметричные процессы в электроэнергетических системах. Следует отметить, что судовые электрические сети выполняются с изолированной нейтралью, что объясняется необходимостью длительной работы потребителей электрической энергии в режиме замыкании фазы на металлоконструкции судна. Однофазное короткое замыкание в сетях с изолированной нейтралью не сопровождается токами, превышающими либо близкими к номинальному току источников электроэнергии при удовлетворительном состоянии изоляции, поэтому такой режим в данной работе не рассматривается. Короткие замыкания, сопровождающиеся большими токами, в судовых электрических сетях являются либо двухфазными, либо трехфазными симметричными. Двухфазные дуговые короткие замыкания за счет огромного выделения энергии и малого расстояния между токоведущими частями переходят в трехфазные за короткий промежуток времени. Металлическое двухфазное КЗ возможно только в случае преднамеренного либо ошибочного надежного соединения токоведущих частей электроустановки, при этом ток двухфазного короткого замыкания меньше тока трехфазного КЗ на известный коэффициент 0,87. Вышесказанное позволяет сделать вывод, что в плане моделирования режимов короткого замыкания интересны трехфазные дуговые и трехфазные металлические короткие замыкания, которые являются симметричными.
Система ортогональных координат dq жестко связанная с ротором электрической машины наиболее распространена для моделирования симметричных процессов в электрических сетях. Она позволяет упростить систему уравнений, описывающих СЭЭС, за счет преобразования трехфазной обмотки статора к двухфазной. Ортогональность осей приводит к отсутствию взаимной индукции между контурами в разных осях и постоянству собственных и взаимных индуктивностей контуров машины. Это снижает порядок системы дифференциальных уравнений, упрощает матрицу индуктивностей и снижает погрешность расчета переходных процессов. Недостатками данной системы является то, что переход от трехфазной системы к двухфазной лишает возможности расчета несимметричного режима. При описании электроэнергетической системы, состоящей из нескольких электрических машин, необходимо принимать за базис положение ротора одной машины и выполнить двойные преобразования для перехода от базисного ротора к ротору другой машины. Рассмотрение многомашинной системы целесообразно проводить в системе координат вращающейся с синхронной скоростью. Таким образом, для моделирования режимов дуговых и металлических КЗ выбираем систему ортогональных координат dq жестко связанную с ротором синхронного генератора.
Использование принципа логической селективности для уменьшения принудительных выдержек времени
МТЗ на борту судов строится по принципу временной селективности, который требует увеличения принудительных выдержек времени аппаратов защиты от потребителя к источнику электроэнергии. Ступени принудительных выдержек времени находятся в пределах 0,2-0,4 сек. и зависят, главным образом, от элементной базы и быстродействия устройств защиты. Электромеханические реле требуют ступень выдержки порядка 0,4 сек. для обеспечения надежной селективности, в то время как современные цифровые реле надежно работают при ступени 0,2 сек. На рис. 4.2 показан типовой участок СЭЭС, поясняющий принцип временной селективности. Условие абсолютной селективности записывается в виде:
Аппараты QFn тупиковых участков СЭЭС, подключенные к РЩ2 не имеют принудительной выдержки времени и отключают аварийный участок с собственным временем срабатывания, обычно, находящийся в пределах 0,01 113 0,02 сек. Устройства защиты QF3-QF1 обладают принудительными выдержками времени, значения которых увеличиваются по направлению к генератору G с шагом 0, 25 сек, достигая, в конечном итоге, 0,85 сек. Следует отметить, что в современных СЭЭС принудительные выдержки времени генераторных автоматов достигают значения 1 сек. Карта селективности для такого участка, взятая из судовой документации, приведена на
Принцип временной селективности обеспечивает относительно низкую стоимость защиты СЭЭС и селективность при работе аппаратов защиты, что является его главными преимуществами, рассматриваемые при проектировании. Однако, с другой стороны, МТЗ, выполненной по принципу временной селективности присущи следующие недостатки: - длительные выдержки времени при отключении КЗ вблизи источников электроэнергии; - длительное протекание токов КЗ через распределительные устройства и кабельные сети; - повышенные требования к термической и электродинамической стойкости распределительных устройств и кабельных линий; - высокие уровни энерговыделения при возникновении дуговых коротких замыканий, приводящие к тяжелым травмам или смерти обслуживающего персонала, невосстанавливаемым повреждениям силового оборудования, нарушениям электроснабжения ответственных потребителей и высокой пожароопасности СЭЭС.
Это определяет некоторые ограничения, с которыми приходится сталкиваться при построении мощных судовых систем, а именно: сокращение ступеней распределения электроэнергии с тем, чтобы не вызывать продолжительного протекания токов КЗ через электрооборудование.
Следует обратить внимание, что сказанное является предметом долгих обсуждений и различных публикаций. Например, согласно последним публикациям, в США ежегодно наблюдается гибель 2000 человек из-за поражения электрической дугой. Для обеспечения защиты персонала от действия электрической дуги разработан ряд мер, в числе которых основными являются: - снижение энергии, выделяемой при горении дуги; - выбора соответствующих СИЗ, позволяющих обслуживающему персоналу избежать ожогов I степени при горении дуги. Институтом Инженеров Электриков и Электронщиков на основе многочисленных экспериментов была разработана методика, включенная в стандарт [81], по определению энергии, выделяющейся при дуговом КЗ для определения СИЗ, необходимых для применения в тех или иныхэлектроустановках. В табл. 4.1 приведены уровни энергии, выделяющейся в случае горения дуги в течение времени равного принудительной выдержке автоматических выключателей QF1-QF3. Энергия, выделяющаяся при дуговом коротком замыкании Наименование участка СЭЭС Принудительнаявыдержка времени АВ, сек. ТокметаллическогоКЗ, кА Энергия,выделяющаяся вместе дуговогоКЗ, кал/см2 Распределительный щит РЩ2 0,35 31 24,5 Распределительный щитРЩІ 0,6 36 46,3 Главныйраспределительный щит ГРЩ 0,85 43 75,6 Как видно из таблицы 4.1 уровни энергии, которые могут выделяться при дуговом КЗ достигают значения 75,6 кал/см". Несмотря на то, что мировыми производителями предлагается СИЗ вплоть до 110 кал/ см", отметим, что согласно исследованиям целесообразность применения комплектов защиты с параметрами более 40 кал/ см" очень низка, т.к. ударная волна, возникающая при горении дуги, характеризующейся значениями выделяемой тепловой энергии более 40 кал/ см"; способна приводить к смертельным повреждениям внутренних органов. Поэтому целесообразным является снижение продолжительности горения дуги, следовательно, и сокращения выдержек времени устройств защиты.
От принудительных выдержек можно избавиться, используя принцип логической селективности для защиты СЭЭС от токов КЗ. Логическая селективность работает следующим образом. Допустим, что на шинах РЩ2 произошло КЗ. При этом схема управления АВ QF3 формирует сигналы отключения QF3, и блокировки вышестоящего АВ (QF2), благодаря чему QF2 не срабатывает. Логический сигнал блокировки вышестоящего выключателя снимается только в случае отсутствия КЗ (т.е. QF3 отключил аварийный участок) и истечения выдержки времени (0,15 -0,2 сек.). Наличие КЗ в питаемом присоединении и снятый сигнал блокировки из-за истекшей выдержки времени обеспечивают формирование сигнала отключения QF2 из-за несработавшего QF3. Такое явление происходит при отказе QF3. Подводя итог, можно отметить, что отключение участка, на котором произошло КЗ, происходит с минимальной задержкой, состоящей из суммы времени распознавания КЗ, внутренних задержек времени компонентов схемы и собственного времени срабатывания АВ. При отказе соответствующего АВ, через выдержку времени 0,15-0,2 сек. срабатывает вышестоящий АВ. Этим обеспечивается резервирование защиты. Описанное иллюстрирует алгоритм действия защиты, построенной по принципу логической селективности.
