Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем

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

Расчет тока к.з. в точке К3

Расчет тока к.з. в точке К4

Расчет тока к.з. в точке К5

Проверка кабелей на термическую стойкость

Выбор и проверка аппаратуры по предельным точкам к.з.

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 400В, 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 220В.

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.

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

.

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 - к√Вк (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=7,3√10,944=24,205мм2.

Таким образом, для генераторного фидера годятся все сечения, начиная с 25мм2 и более, т.е. сечение 370мм2 (2ˣ185), 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=7,3√2,566=11,694мм2.

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.

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.

. Яковлев Г. С. Судовые электроэнергетические системы / Г. С. Яковлев. - Л. : Судостроение, 1987. - 288 с.

. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В. А. Веников. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Высшая школа, 1978. - 415 с.

. Мелешкин Г. А. Переходные режимы судовых электроэнергетических систем / Г. А. Мелешкин. - Л. : Судостроение, 1971. - 344 с.

. Веретенников Л. П. Переходные процессы в электроэнергетических системах кораблей / Л. П. Веретенников. - Л. : Военно-морская академия, 1982. - 627с.

. Дворак В. Н. Моделирование электромеханических систем : конспект лекций для студентов направления 6.050702 "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.

. Автоматизированные судовые электроэнергетические системы : методические указания по выполнению курсового проекта / В. В. Колодяжный, Ю. Н. Горбулев, В. В. Титов. - Керчь : КГМТУ, 2011. - 158 с.

. ОСТ5.6181-81 «Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов»

. Голиков С. П. Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем: Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальностей 7.05070204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 7.07010404 «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.

. Голиков С. П. Динамические процессы и устойчивость судовых электроэнергетических систем: конспект лекций для студентов специальностей 7.05070204 «Электромеханические системы автоматизации электропривод», 7.07010404 «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.