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柴油發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算公式 |
摘要:在柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)計(jì)中,同步無刷發(fā)電機(jī)以其穩(wěn)定的工作性能、成熟的運(yùn)用技術(shù),在發(fā)電設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)時,短路電流是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性、上下級電氣配電設(shè)備選型的重要參數(shù)之一。對于柴油發(fā)電機(jī)短路電流的計(jì)算,可依據(jù)了工業(yè)與民用配電手冊(第四版)4.5章節(jié)的相關(guān)公式。然而,該章節(jié)的計(jì)算公式,與國際計(jì)算通式相比略有不同,對廣大工程設(shè)計(jì)者造成一定的困惑。康明斯公司在本文中將柴油發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算公式的由來,進(jìn)行具體闡述與比較,從而解決該問題。
一、柴發(fā)理想動態(tài)RL模型
柴發(fā)本質(zhì)是同步發(fā)電機(jī),采用假想等效發(fā)電機(jī)方法,其理想動態(tài)模型是一個串聯(lián)R-L電路。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化和故障生成的時候,發(fā)電機(jī)將出現(xiàn)動態(tài)短路行為。當(dāng)t=0之后,開關(guān)閉合,整個模型近似為空載三相短路。同時,假設(shè)故障點(diǎn)處的阻抗為零,且在開關(guān)閉合前,電路電流為0,電壓源的交流電初始相位角為α。,即v(t)=Vmsin(ωt+α)。根據(jù)KVL公式可得下列計(jì)算式:
0=Vmsin(ωt+α)-Ri(t)-L[ di(t)/dt ].....................(公式1)
τ=L/R=X/ωR=X2πfR,γ=tan-1(ωL/R),Z=√R2+ω2L2.....................(公式2)
Iac(t)=(Vm/z)sin(ωt+α-γ).....................(公式3)
Idc(t)=(Vm/z)e-t/τsin(α-γ).....................(公式4)
二、實(shí)際柴發(fā)模型分析
實(shí)際中的柴發(fā)短路電流波形,基本上與理想模型類似。圖1顯示了一段現(xiàn)實(shí)中的柴油發(fā)電機(jī)的短路電流,可以清晰地看出直流非周期分量和交流周期分量,并且其包含的三個狀態(tài),即超瞬態(tài)、瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)。在實(shí)際柴發(fā)模型中,變化的定子電流,會導(dǎo)致動態(tài)的磁通量變化;動態(tài)的磁通量變化又會進(jìn)一步激勵轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流;轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流會與定子互感,從而形成互感電壓。
1、繞組組成
根據(jù)同步發(fā)電機(jī)交直軸理論,如圖2所示,柴油發(fā)電機(jī)組的配置發(fā)電機(jī)一般由以下三部分組成:
(1)縱軸電樞反應(yīng)磁通所走的磁路的磁阻(位于定子);
(2)勵磁繞組漏磁通所走的磁路的磁阻(位于轉(zhuǎn)子);
(3)阻尼繞組漏磁通所走的磁路的磁阻。
至此,可知同步發(fā)電機(jī)是由一系列磁耦合的、包含電感的繞組組成。在短路時,只有含有能量的部分才能對整個故障電流產(chǎn)生影響。因此整個發(fā)電機(jī)可近似為一組有著恒定電壓(E0)的隨時間變化的直軸電抗,其中交軸對短路電流影響較小,可忽略不計(jì)算(因?yàn)?i>ωLR,電壓延遲電流90度)。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)短路電流各部分分 |
圖2 發(fā)電機(jī)物理平面示意圖 |
2、直軸電抗
直軸電抗由三部分組成,分別是:
(1)直軸超瞬態(tài)電抗(Xd'');
(2)直軸瞬態(tài)電抗(Xd');
(3)直軸穩(wěn)態(tài)電抗(Xd)。
3、短路狀態(tài)分析
短路特性是發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下,電樞出線端三相穩(wěn)態(tài)短路時,電樞電流(短路電流)Ik與勵磁電流If的關(guān)系曲線,如圖3所示。
同步發(fā)電機(jī)短路短路特性為一直線,這是因?yàn)槎搪窌r發(fā)電機(jī)端電壓U=0 ,且電樞繞組電阻Rα很小可以忽略不計(jì),電樞回路是純電感電路,因此內(nèi)功率因數(shù)角 φ0 =90°,電樞反應(yīng)性質(zhì)為直軸去磁,勵磁磁動勢和電樞反應(yīng)磁動勢互相抵消,合成的總磁動勢和總磁通均很小,所以發(fā)電機(jī)鐵芯是不飽和的。
圖3 同步發(fā)電機(jī)短路特性 |
圖4 同步發(fā)電機(jī)短路相量圖 |
為便于理解與分析,現(xiàn)對短路發(fā)生后(短路運(yùn)行如圖5所示),柴油發(fā)電機(jī)的三個狀態(tài)分別進(jìn)行分析。
(1)超瞬態(tài)分析
超瞬態(tài)是短路剛剛發(fā)生的一瞬間,柴油發(fā)電機(jī)的短路電流。如圖6(a)所示,整個發(fā)電機(jī)由互感的三個電抗加一個線路總電抗(XL)構(gòu)成,其中三個并聯(lián)阻抗分別代表縱軸電樞反應(yīng)磁通所走的磁路的磁阻(Xad)、勵磁繞組漏磁通所走的磁路的磁阻(Xf)以及阻尼繞組漏磁通所走的磁路的磁阻(Xkd)。
故直軸超瞬態(tài)電抗為:
X”d=XL+[(1 / Xad)+(1 / Xf)+(1 / Xkd)]-1.....................(公式5)
(2)瞬態(tài)分析
在超瞬態(tài)過程中,阻尼繞組將會吸收能量,直至飽和,故將會在下一階段,即瞬態(tài)中“消失”。瞬態(tài)下的柴發(fā)模型如圖5(b)所示:
故直軸瞬態(tài)電抗為:
X’d=XL+[(1 / Xad)+(1 / Xf)]-1.....................(公式6)
對應(yīng)公式(2)可知,瞬態(tài)時間常數(shù)為
τ’d=L / R=XL+[(1 / Xad)+(1 / Xf)]-1/Rf.....................(公式7)
其中Rf是勵磁繞組的電阻部分。
圖5 同步發(fā)電機(jī)短路運(yùn)行 |
圖6 發(fā)電機(jī)狀態(tài)模型 |
4、整合與對比分析
現(xiàn)將實(shí)際模型與理想模型相結(jié)合,對比公式(3),不難得出對應(yīng)關(guān)系:
.....................(公式8)
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由于相加的電抗有部分加重復(fù)了,所以需要剪掉相應(yīng)時間段內(nèi)的直軸超瞬態(tài)電抗和直軸瞬態(tài)電抗的重復(fù)部分。同時,τd=∞,故柴油發(fā)電機(jī)組的交流部分為:
.....................(公式9)
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直流分量為:
.....................(公式10)
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短路電流的有效值為:
Irms(t)=√[ Iac ]2+[ Idc ]2.....................(公式11)
國際上短路電流交流分量的計(jì)算公式多為式(11),與工業(yè)與民用配電手冊(第四版)給出的公式4.5-15(如下)略有差異:
.....................(公式12)
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經(jīng)對比,手冊中并沒有在瞬態(tài)部分減掉重復(fù)的直軸穩(wěn)態(tài)電抗,這對廣大設(shè)計(jì)者造成了一定的困擾。綜合整篇文章不難發(fā)現(xiàn),手冊中選取了特定的時間點(diǎn)t=T/2,發(fā)電機(jī)有可能處于瞬態(tài)狀態(tài)下(取決于發(fā)電機(jī)特性),故可以不考慮之后的穩(wěn)態(tài)電抗。對于非該時間點(diǎn)的短路電流計(jì)算,建議采用國際通式(11)、 (12)否則會出現(xiàn)偏差。
總結(jié):
計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)的短路電流是設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,提升短路電流的設(shè)計(jì)精度能大大提升系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。本文就工業(yè)與民用配電手冊(第四版)中的柴發(fā)短路計(jì)算公式進(jìn)行了解讀與分析,以便于廣大電氣工作者計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)短路電流。
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