Лабораторная работа №1 Исследование переходного процесса при трёхфазном коротком замыкании в цепи, питающейся от источника неограниченной мощности

Цель работы

2.1.1.1 Изучить особенности протекания переходного процесса при возникновении трехфазного короткого замыкания (КЗ) в сети, питающейся от источника неизменного напряжения (бесконечной мощности).

2.1.1.2 Исследовать влияние на величину ударного тока КЗ таких факторов, как различный характер нагрузки, фаза включения напряжения и удалённость короткого замыкания.

Основные положения

Под источником неизменного напряжения или, как часто говорят, электрической системой бесконечной мощности понимают такую относительно мощную систему, напряжение на шинах которой можно считать практически неизменным при любых изменениях тока, в том числе при КЗ, в присоединенной к ней маломощной сети. Условие неограниченной мощности питающей системы обычно вводится при определении токов КЗ в электрических сетях промышленных предприятий. При этом условии находятся предельно возможные значения токов КЗ, что дает гарантию в том, что при любом развитии электроэнергетической системы систему электроснабжения промпредприятий не придется изменять, т.к. при любой мощности питающей системы действительные значении токов КЗ будут меньше расчетных.

При КЗ в электрической системе в силу уменьшения сопротивления цепи, к которой присоединен источник напряжения, наступает переходный процесс и ток изменяется от нормального (ток предшествующего режима) до установившегося тока КЗ (в случае, если аварийная цепь не отключена раньше). Максимальное значение полного тока КЗ, называемого ударным током, зависит от ряда факторов: мощности источников и их удаленности от места КЗ, вида КЗ, времени его возникновения, величины и характера тока предшествующего режима.

В большинстве случаев для выбора схем электрических соединений, а также для выбора и проверки аппаратов и токоведущих частей ограничиваются приближенными методами определения ударного тока КЗ. Это оправдывается тем, что исходное данные и условия на основе которых производится расчет, не точны (например, введение допущения, что мощность питающей системы равна бесконечности).

В этих условиях значение полного тока КЗ можно представить состоящим из двух составляющих: периодической ( ) и апериодической ( ).

Полный ток изменяется во времени по закону:

(2.1) где – амплитуда периодической составляющей тока КЗ;

– модуль полного сопротивления короткозамкнутой цепи;

- угол сдвига напряжения относительно оси отсчета, т.е. фаза включения при = 0;

– аргумент полного сопротивления короткозамкнутой цепи;

– аргумент полного сопротивления цепи до КЗ;

– постоянная времени короткозамкнутой цепи;

– амплитуда полного тока предшествующего режима;

Таким образом полный ток КЗ зависит не только от параметров короткозамкнутой цепи, но и от фазы включения и характера нагрузки, что отражается в величине угла .

Ударный ток достигает максимального значения при емкостном характере нагрузки. Однако такой режим работы электрической системы маловероятен, и поэтому ударный ток в практических расчетах определяется при условии отсутствия тока предшествующего режима ( = 0). В этом случае максимальное значение ударного тока КЗ наступает при условии = 0 и в силу того, что 90° (активными сопротивлениями элементов короткозамкнутой цепи пренебрегают) спустя приблизительно 0,01 с после возникновения КЗ.

Ударный ток в этом случае определяется по формуле :

, (2.2)

где – действующее значение периодической составляющей тока КЗ;

– ударный коэффициент.

Совершенно ясно, что при принятых расчетных условиях максимальное значение полного тока КЗ может иметь место в конкретный момент времени только в одной из фаз, которая является расчетной.

Влияние фазы включения напряжения достаточно наглядно можно продемонстрировать с помощью векторной диаграммы, построенной для начального момента короткого замыкания и приведенной на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Векторная диаграмма токов и напряжений при коротком замыкании

На диаграмме показаны токи и напряжения только в одной фазе А.

Ток , т.е. амплитудному значению полного тока предшествующего режима, а ток – амплитуде периодической вставляющей тока КЗ. Проекции векторов этих тонов на временную ось t – t представляют собой их мгновенное значение в момент возникновения КЗ ( t = 0). Мгновенное значение полного тока КЗ в этот момент времени определяется, как известно, суммой составляющих, т.е.

(2.3)

Тогда начальное значение апериодической составляющей

будет на векторной диаграмме представлять собой проекцию вектора на ось времени. В зависимости от фазы включения эта величина может изменяться от наибольшей возможной величины, когда вектор параллелен оси времени, до нуля, когда этот вектор нормален к ней. Соответственно, изменяется и величина ударного тока .

П р и м е ч а н и е - Построение векторной диаграммы необходимо производить в выбранном масштабе.

Порядок выполнения работы

2.1.3.1 Собрать схему лабораторных испытаний, показанную на рисунке 2.2 (ВСЕ модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ). На схеме показан вариант подключения короткозамыкателя (трёхфазный выключатель Q) для имитации трёхфазного короткого замыкания в точке К1. Ток КЗ каждой фазы проходит через датчик тока модуля ввода-вывода (каналы А1, А2, А3). Это позволяет использовать персональный компьютер как регистрирующий осциллограф. Аналогичным образом собирается схема для имитации КЗ в точке К2;

2.1.3.2 Установить максимальное значение продольной составляющей сопротивления ЛЭП (переключатель SA1 в положении 3) и отключить поперечную составляющую (переключатели SA2 и SA3 в положении 1);

2.1.3.3 Установить переключатель величины индуктивности SA1 модуля индуктивной нагрузки в положение 3;

2.1.3.4 Перевести переключатели режима управления всех задействованных блоков в положение «Руч.»;

2.1.3.5 Подать питание на стенд (включить автомат модуля питания стенда);

2.1.3.6 Включить все задействованные модули, имеющие индивидуальный тумблер подачи питания «Сеть»;

2.1.3.7 Включить выключатель модуля трёхфазной сети;

2.1.3.8 Загрузить программу регистрации токов и напряжений («Пуск –

Программы – LCard – LGraph»);

2.1.3.9 Выбрать закладку «Регистратор»;

2.1.3.10 Включить осциллографирование каналов с номерами 1, 2 и 3 (соответствующие кнопки должны быть нажаты, т.е. выделены светло-серым цветом);

2.1.3.11 Ввести длительность записи осциллограммы в диапазоне 5…10 с.;

2.1.3.12 Нажать кнопку «Пуск» для запуска процесса записи токов фаз;

2.1.3.13 Нажать кнопку включения выключателя Q и через 1 секунду кнопку отключения этого выключателя;

2.1.3.14 Повторить опыт несколько раз (пока продолжается процесс осциллографирования);

2.1.3.15 Выбрать в окне программы закладку «Гляделка»;

2.3.16 Нажать кнопку «Open» и в появившемся диалоговом окне выбрать файл «data.dat» (файл с осциллограммой);

2.1.3.17 Установить необходимый масштаб по времени и амплитуде, используя элементы управления группы «Оси графика»;

2.1.3.18 Используя элементы навигации в нижней части графика, просмотреть записанную осциллограмму и распечатать её на принтере;

2.1.3.20 Выключить питание стенда, отсоединить модуль индуктивной нагрузки и подсоединить модуль активной нагрузки, установив переключатель величины активного сопротивления SA1 в положение 3;

2.1.3.21 Проделать пункты 2.3.4 - 2.3.18;

2.1.3.22 Выключить питание стенда, отсоединить модуль активной нагрузки и подсоединить модуль ёмкостной нагрузки, установив переключатель величины ёмкостного сопротивления SA1 в положение 3;

2.1.3.23 Проделать пункты 2.3.4 - 2.3.18;

2.1.3.24 Выключитьпитание стенда. В соответствии с заданным характером нагрузки подсоединить нужный модуль и повторить опыт короткого замыкания в точке К2 (пункты 2.3.4 – 2.3.18), перенеся в эту точку выключатель Q;

2.1.3.25 Проанализировать влияние характера нагрузки на переходный процесс и его показатели;

2.1.3.26 Проанализировать влияние фазы включения на характер переходного процесса и его показатели;

2.1.3.27 Проанализировать влияние удалённости точки КЗ на характер переходного процесса и его показатели;

2.1.3.27 Сделать выводы и оформить отчёт.

2.1.4 Требования к оформлению отчёта

Отчёт должен содержать расчётную схему, схему замещения, исходные данные. К отчёту прилагаются распечатки осциллограмм переходного процесса, которые анализируются в соответствии с заданием на работу. Результаты анализа и выводы включаются в отчёт. Кроме того, в отчёте должны быть приведены необходимые векторные диаграммы с их анализом.

2.1.5. Контрольные вопросы

2.1.5.1 Как влияет фаза включения напряжения на величины ударного тока КЗ и начального значения апериодической составляющей тока КЗ при наличии нагрузки и на холостом ходу?

2.1.5.2.Что такое фаза включения напряжения?

2.1.5.3.Какие расчетные условия положены в основу определения ударного тона КЗ?

2.1.5.4 Чем определяется скорость затухания апериодической составляющей тока КЗ?

2.1.5.5 Какими свойствами обладает экспонента и как графически и аналитически определить постоянную времени её затухания?

2.1.6 Дополнительная литература

2.1.6.1 Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах/С.А.Ульянов. - М.: Энергия, 1970.- С. 58-74;

2.1.6.2 Куликов, Ю.А. Переходные процессы в электрических системах/Ю.А.Куликов. - М.: МИР, 2003.- С. 70-78;

2.1.6.3 Крючков, И.П. Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах/И.П.Крючков. - М.: Издательство МЭИ, 2000.- С. 25-33.