Глава 9

9.2. Короткие замыкания в сетях постоянного тока

Постоянный ток может применяться для питания сетей внутризаводского электрического транспорта, электропривода, электролизных и зарядных установок. Системы постоянного тока для цепей сигнализации и диспетчеризации обычно имеют малую мощность. Процессы при КЗ во всех сетях постоянного тока одинаковы. КЗ в этих сетях возникают в основном по тем же причинам, что и в сетях переменного тока. Аварийные режимы возможны при недопустимых перегрузках, выходе из строя отдельных элементов силовой схемы выпрямителя или нарушениях в его системах управления и автоматического регулирования. Расчет этих режимов необходим для выбора параметров силовой схемы преобразователя и средств защиты.

Рис. 9.2. Схемы выпрямления переменного тока

Аварии можно разделить на внешние и внутренние (неисправность элементов силовой схемы, повреждение одного из вентилей моста). Внешние аварии могут вызывать выход из строя вентилей и развитие внутренней аварии.

Рассмотрим аварийные режимы для двух схем выпрямления:

широко распространенной трехфазной мостовой (рис. 9.2, а) и шестифазной с уравнительным реактором (рис. 9.2, б). Примем следующие допущения:

параметры силовых элементов выпрямителя линейны;

нелинейность внешней характеристики выпрямителя вследствие изменения числа коммутируемых вентилей в процессе КЗ учитывается только при больших длительностях переходного процесса и малой удаленности КЗ;

трехфазная система питания симметрична и уравновешенна;

намагничивающие токи трансформаторов и соответственные емкости элементов электрооборудования малы;

авария возникает при установившемся режиме питающей сети.

Эти допущения позволяют получить результаты, удовлетворяющие требованиям практики. Ток внешнего КЗ выпрямителя при токе нагрузки в переходном режиме определяется выражением

(9.5)

причем внешняя характеристика выпрямителя, исходя из характера его электромагнитных процессов и возможных условий КЗ, состоит из двух участков: прямолинейного и эллиптического.

Установившийся ток КЗ зависит от схемы выпрямителя, режима его работы и параметров цепи. При малых значениях аварийного тока (удаленные КЗ) и поочередной работе двух-трех вентилей схемы, когда внешняя характеристика выпрямителя прямолинейна (угол коммутации вентилей γ<60°, режим 1), для рассматриваемых схем выпрямления имеем соответственно

(9.6)

где - вторичное линейное напряжение трансформатора, питающего выпрямитель, В;

- изменения напряжения питающей сети, %;

- число параллельно работающих выпрямителей.

При больших значениях аварийного тока (КЗ вблизи выпрямителя) и одновременной работе трех вентилей схемы, когда внешняя характеристика выпрямителя эллиптична (угол γ= 60°, режим 2),

(9.7)

Активные сопротивления выпрямителей при КЗ определяются выражениями

(9.8)

индуктивности в режиме 1 – выражениями

(9.9,а)

а в режиме 2 - выражениями

(9.9,б)

Сопротивление состоит из сопротивления короткозамкнутой цепи постоянного тока и сопротивления дуги Ом.

Токи КЗ на шинах выпрямителей при сопротивлении дуги для рассматриваемых схем можно рассчитать по формулам

(9.10)

где сопротивления , в омах определяются выражениями

а - мощность КЗ на шинах переменного тока;

- мощность потерь в обмотках трансформатора при КЗ.

Переход от режима 1 к режиму 2 происходит при значениях аварийного тока выпрямителей, равных

(9.11)

При меньших или больших значениях токов КЗ, чем значение для их определения необходимо использовать соответственно выражения (9.6) и (9.7).

Внутреннее КЗ, вызванное пробоем вентиля трехфазного мостового выпрямителя, находят следующим образом. По параметрам

Рис. 9.3. К расчету мгновенных значений аварийного тока тиристоров при внутреннем КЗ и блокировании импульсов управления до очередной коммутации (а) и после первой коммутации (б)

трансформатора определяют отношение , где и - суммарные индуктивные и активные сопротивления одной фазы, и рассчитывают максимальный базисный ток в схеме

(9.12)

Мгновенные значения аварийного тока тиристоров и диодов при использовании расчетных кривых на рис. 9.3 и 9.4 составляют . Рассматриваются случаи с блокированием (используется в средствах защиты выпрямителя) и без блокирования импульсов управления. Кривые А на рисунках характеризуют токи пробитого вентиля, кривые В - токи цени подпитки вентиля, вступающего в работу; кривые С-токи вентиля, заканчивающего работу. Видно, что амплитуда и длительность протекания аварийного тока через пробитый вентиль больше, чем через неповрежденные вентили, осуществляющие подпитку.

По значению отношения и графические зависимостям, показанным на рис. 9.5 и 9.6, находят относительное значение теплового эквивалента которое затем преобразуют в абсолютное по формуле

Как видно, пробой вентиля в момент окончания коммутации является самым тяжелым по сравнению с пробоями в другие моменты после начала развития аварии. Это объясняется тем, что обратное напряжение действует на пробитый вентиль в наибольшую часть периода питающего напряжения.

Источники энергии могут быть связаны с местом КЗ посредством ЛЭП постоянного тока. Учет этих источников при расчете токов КЗ с целью выбора или проверки аппаратов и проводников зависит от места КЗ и типа преобразовательного агрегата. Когда точка КЗ находится в цепи переменного тока выпрямителя, последний необходимо вводить в схему замещения прямой последовательности в виде постоянной нагрузки (постоянного шунта). Параметры шунта определяются предшествующей нагрузкой электропередачи. В схему замещения обратной последовательности выпрямитель не вводится. Схема замещения нулевой последовательности содержит только трансформаторы выпрямителя с соединением их обмоток но схеме Υ-/Δ.

Если точка КЗ расположена в цепи переменного тока инвертора, то последний вводится в схему замещения прямой последовательности в виде шунта. Сопротивление шунта зависит от места КЗ и расчетного момента времени. При КЗ вблизи инвертора (возможно нарушение его устойчивости - опрокидывание) для момента времени 0-0,02 с значение принимают, исходя из предшествующей нагрузки. Для последующих моментов времени

где -суммарное сопротивление трансформаторов инверторов.

Рис.9.4.К расчету мгновенных значений аварийного тока диодов при внутреннем КЗ в момент приложения максимального обратного напряжения

Рис. 9.5. Кривые относительного значения теплового эквивалента при внутреннем КЗ неуправляемого выпрямителя

Рис. 9.6. Кривые относительного теплового эквивалента при внутреннем КЗ и блокировании импульсов управления до первой коммутации (кривые В), после первой коммутации для пробитого тиристора (кривые А) и тиристоров цепи подпитки (кривые С и D)

Если при КЗ инвертор не опрокидывается, то для любого момента времени ,

где - остаточное напряжение на шинах инвертора при КЗ (без учета электропередачи постоянного тока);

- сопротивление шунта, определяемое предшествующей нагрузкой;

- остаточное напряжение на шинах инвертора до КЗ.

В схему замещения обратной последовательности инвертор не вводят. Схема замещения нулевой последовательности содержит только трансформаторы инвертора с соединением их обмоток по схеме Υ-/Δ.

Когда КЗ приводит к снятию импульсов управления инвертора, то для любых моментов времени (вплоть до нового включение электропередачи) .