что такое апериодическая составляющая тока кз
Что такое апериодический ток?
Трехфазное короткое замыкание генератора. | Кривая изменения тока в обмотке возбуждения при коротком замыкании генератора без автоматического регулятора возбуждения. [1]
Апериодические токи в обмотках статора создают неподвижный в пространстве магнитный поток. При вращении ротора обмотка возбуждения пересекает указанный неподвижный поток статора, поэтому в ней наводится переменный ток, накладывающийся на свободный ток постоянного направления. [2]
3Ток небаланса в реле при внешних. [3]
5Токи синхронного генератора при трехфазном коротком замыкании. | Момент синхронной машины при коротком замыкании. [5]
Апериодические токи обмотки якоря наводят в обмотках ротора переменные токи, затухающие в обмотке возбуждения ( рис. 4.79, б) и в демпферной обмотке ( рис. 4.79 в), с разными постоянными времени. Демпферная обмотка сглаживает колебания токов в обмотке возбуждения, предохраняя возбудитель от перегрузок по току и перенапряжений. Затухание апериодических токов зависит в основном от активных сопротивлений контуров. [6]
Отм затухающие апериодические токи накладываются как на стороне высшего, так и па стороне низшего напряжения на переменные токи нормального режима) [ искажают их при любом изменении режима. В дальней тем расчет ведется для одинакового числа витков в обеих обмотках, причем отношения индуктнввостей к активному сопротивлению принимаются равными. Для трансформаторов последнее условие обычно выполняется. Если принять значении тока на стороне низшего напряжения за исходное, то действительная величина тока на стороне высшего напряжения будет меньше в соответствии с коэффициентом трансформации. [7]
8Схема соединения и схема замещения трансформатора для вычисления внезапного тока короткого замыкания. [8]
Величина апериодического тока зависит от начальной фазы приложенного напряжения. [9]
Влияние апериодических токов на цепи питания преобразователя происходит через трансформаторы возбудительной системы, во вторичных обмотках которых появляются апериодические токи. Величины последних зависят в основном от соотношения коэффициентов взаимной индукции обмоток вольтодобавочных трансформаторов и коэффициентов взаимной индукции обмоток выпрямительного трансформатора совместно с индуктивностью цепи выпрямленного тока. [10]
Для затухающих апериодических токов постоянного направления р представляют собой отрицательное действительное число, поэтому операторное сопротивление обмотки является отрицательным активным сопротивлением, иными словами, оно может трактоваться, как источник тока. В действительности токи возникают за счет уменьшения потоко-сцеплений обмоток. [11]
12Ток включения в ненасыщенном трансформатэре. [12]
Начальное значение апериодического тока при этом равно разности мгновенных значений установившихся токов начального ( предыдущего) и нового ( последующего) режимов в момент приложения толчкообразного импульса ( например, напряжения), изменяющего режим. Свободный ток представляет собой, таким образом, результат реакции инерционной, обладающей индуктивностью цепи на импульс, стремящийся изменить ее режим. Этот свободный ток сглаживает переход к новому режиму, не допуская мгновенных конечных по значению изменений тока, которые в инерционной цепи невозможны. [13]
14Схемы замещения, характериз
Апериодическая составляющая тока короткого замыкания в электроустановке: Свободная составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся во времени без перемены знака.
Периодическая составляющая тока короткого замыкания рабочей частоты в электроустановке: Составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся по периодическому закону с рабочей частотой.
Для выбора и проверки электрооборудования по условию электродинамической стойкости необходимо знать наибольшее возможное мгновенное значение тока КЗ, которое называют ударным токоми определяют по формуле
Зависимость ударного коэффициента Куд от постоянной времени Та определяется выражением
Составляющие токов короткого замыкания при переходных процессах. Основные соотношения при трехфазном коротком замыкании
Апериодическая составляющая тока короткого замыкания в электроустановке: Свободная составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся во времени без перемены знака.
Периодическая составляющая тока короткого замыкания рабочей частоты в электроустановке: Составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся по периодическому закону с рабочей частотой.
Для выбора и проверки электрооборудования по условию электродинамической стойкости необходимо знать наибольшее возможное мгновенное значение тока КЗ, которое называют ударным током и определяют по формуле:
Зависимость ударного коэффициента Куд от постоянной времени Та определяется выражением
Рассмотрим возникновение тока КЗ в цепи переменного тока с синусоидальной ЭДС, от источника неограниченной мощности. Значения токов КЗ зависят от момента времени. В первые моменты ток имеет переходные значения, а затем, после затухания в цепи свободных токов и прекращения изменения напряжения возбудителей синхронных машин под действием АРВ, получает установившуюся величину, равную по закону Ома:
Для принятых условий допускается, что R = 0, тогда действующее значение тока КЗ:
Угол сдвига тока по фазе φк = π/2.
Примем, что мгновенное значение ЭДС изменяется по закону 
; мгновенное значение тока КЗ: 
.
Если предположить, что КЗ произошло в момент прохождения ЭДС через «0» (что является наиболее опасным случаем), то при t = 0
.
На рисунке 8.6 приведены кривые изменения тока короткого замыкания в цепи, питающейся от системы неограниченной мощности.
Рисунок 8.6 – Кривые изменения тока при коротком замыкании в удаленных точках от системы неограниченной мощности
Итак, при возникновении КЗ, в цепи появляются токи, имеющие следующие названия: периодическая составляющая тока КЗ, определяется по закону Ома и изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора с рабочей частотой; апериодическая составляющая – определяется характером затухания тока КЗ, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора, изменяющаяся со временем без перемены знака. В цепи с напряжением выше 1000 В, где значение активного сопротивления мало, время затухания апериодической составляющей 0,15 – 0,2 с. Полный ударный ток КЗ получается от алгебраического сложения первых двух.
Пока амплитуда полного тока уменьшается из-за наличия апериодического тока, его называют переходным током КЗ. Когда изменение амплитуды прекратятся, ток называется установившимся.
Что такое периодическая составляющая тока короткого замыкания
Апериодическая составляющая тока короткого замыкания
При наступлении режима КЗ постоянные токовые величины подвергаются существенным изменениям. В самое первое мгновение появляется так называемая апериодическая составляющая тока короткого замыкания, которая достаточно быстро угасает и принимает нулевое значение. Данный временной интервал, когда наблюдаются эти перемены, представляет собой переходный период, определяемый в числовом выражении. Пока аварийное состояние тока не будет отключено, работа электрической сети производится в установившемся режиме короткого замыкания.
Физические свойства апериодической составляющей
Подобное состояние тока возникает в момент короткого замыкания. Его продолжительность и характеристики могут быть разными, в зависимости от многих факторов. Например, при наличии у двигателя демпферной обмотки, апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет ниже, чем при ее отсутствии. Вначале возникает сверхпереходный ток, который вначале становится просто переходным, и лишь потом он начинает затухать.
Во время двухфазного замыкания, в статоре не появляются скачкообразные изменения тока. В подобных ситуациях, на холостом ходе возникает апериодическая составляющая, параметры которой совпадают с начальной величиной переменной компоненты. Поскольку ток КЗ внутри статора является однофазным, в отдельных случаях появление апериодической компоненты полностью исключается. В двигателях асинхронного типа этот показатель не учитывается, поскольку данные процессы очень быстро затухают. Он не принимается во внимание даже при расчетных вычислениях ударных токов КЗ.
В общем и целом, величина данных компонентов будет отличаться для каждой фазы. Ее начальные параметры будут зависеть от момента появления КЗ. На графиках она представляет собой сплошную кривую линию, поскольку все начальные амплитуды других составляющих будут ей равны, но направлены в обратную сторону.
Наличие апериодической составляющей устанавливается при расхождении контактов. Для ее оценки существует специальный параметр, представляющий собой соотношение между ней и периодической амплитудой в момент размыкания контактов. Время затухания составляет примерно 0,1-0,2 с и сопровождается значительным выделением тепла. Под действием высокой температуры заметно нагреваются токоведущие части и вся аппаратура в целом, несмотря на столь короткий промежуток времени.
Ток межфазного КЗ
При любом виде замыкания ток является основной характеристикой аварийного режима работы трехфазной сети. Это необходимо принимать во внимание при разработке электрооборудования, для чего применяется специальная методика, описание которой можно найти на нашем сайте.
Расчет тока КЗ помимо электроустройств также необходим для выбора характеристик аппаратов, производящих защитное (аварийное) отключение, например автоматические выключатели или системы релейной защиты.
Перечислим факторы, от которых зависит ток КЗ:
Обратим внимание, что вид электрического соединения при КЗ влияет на величину тока замыкания. Наблюдается следующая зависимость:
Проверка изоляции с помощью мегаомметра
Полный ток при наступлении КЗ
Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.
Апериодическая часть представляет собой составную часть тока ia с неизменной величиной. Она появляется непосредственно в момент КЗ и в кратчайший срок падает до нулевой отметки.
Периодическая часть тока КЗ Iпm получила название начальной, поскольку по времени она появляется в самом начале процесса. Данный показатель используется для того чтобы выбрать наиболее подходящую уставку или проверить чувствительность релейной защиты. Этот ток известен еще и как сверхпереходный, поскольку его определение осуществляется с помощью сверхпереходных сопротивлений, вводимых в схему замещения. Периодический ток считается установившимся, когда затухает апериодическая часть и заканчивается сам переходный процесс.
Следовательно, полный ток короткого замыкания будет составлять сумму обоих частей – апериодической и периодической во весь период перехода состояний. В определенный момент полный ток за кратчайшее время принимает максимальное значение. Подобное состояние известно под названием ударного тока КЗ, определяемого при проверках электродинамической устойчивости установок и оборудования.
Выбор начального или сверхпереходного тока для проведения расчетов определяет скорое угасание апериодической части, которое происходит раньше, чем срабатывает защита. При этом периодическая составляющая остается неизменной.
Электрические сети, подключенные к генераторным установкам или энергетической системе с ограниченной мощностью, отличаются значительным изменением напряжения при появлении КЗ. В связи с этим, токи, начальный и установившийся, не будут равны между собой. Для того чтобы сделать расчет релейной защиты, можно воспользоваться показателями изначального тока. В этом случае погрешность будет незначительной в сравнении с установившимся током, подверженным воздействию различных факторов. Прежде всего, это увеличенное сопротивление в поврежденной точке, нагрузочные токи и прочие параметры, которые чаще всего не учитываются при выполнении расчетов.
Как вычислить апериодическую компоненту
Первоначальная величина апериодической части в модульном выражении определяется как разница между мгновенным показателем периодической части в начале КЗ и величиной тока непосредственно перед замыканием. То есть, апериодическая составляющая с максимальным первоначальным значением, сравняется с амплитудными параметрами периодической части тока при появлении КЗ. Это утверждение определяет формула: ia0 = √2Iп0, действующая при условии сниженной активной доли сопротивления в точке КЗ относительно индуктивной составляющей.
Кроме того, перед началом замыкания в расчетной точке не должно быть нагрузки, а напряжение какой-либо фазы к этому времени проходит по нулевому проводнику. Если же перечисленные требования не будут выполнены, то апериодическая часть в первоначальной стадии снизит свои показатели по отношению к амплитуде периодической составляющей.
Для того чтобы выполнить расчет апериодической составляющей тока короткого замыкания в любое произвольное время, заранее прорабатывается вариант замещения. Согласно первоначальной расчетной схеме, все составные элементы учитываются в качестве активных и индуктивных сопротивлений. Учет синхронных генераторов и компенсаторов, асинхронных и синхронных электродвигателей проводится путем перевода их в категорию индуктивных сопротивлений с обратной последовательностью. Обязательно учитываются сопротивления обмоток статора постоянному току с рабочей температурой установленной нормы.
Когда в изначальной схеме расчетов присутствуют лишь компоненты, соединенные последовательно, в этом случае величина апериодической доли в любой момент времени определяется формулой 1, в которой Та является постоянной величиной, определяющей время затухания данной части. В свою очередь, Та можно вычислить по формуле 2, в которой Xэк и Rэк будут индуктивной и активной составляющими, а ωсинх является синхронной угловой частотой сетевого напряжения. Если же при расчетах необходимо учесть величину генераторного тока непосредственно перед коротким замыканием, тогда уже используется формула 3.
Содержание
Короткое замыкание в электроустановке (КЗ)
— всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных точек (фаз) электроустановки между собой или с зёмлей, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
Короткое замыкание на землю в электроустановке (КЗ на землю)
— короткое замыкание в электроустановке, обусловленное соединением с землей какого-либо ее токоведущего элемента. КЗ могут происходить в электроустановках переменного и постоянного тока.
Особенности вычислений в многоконтурных схемах
Если в расчетах используются многоконтурные схемы, тогда на апериодическую составляющую не действует экспоненциальный закон временного изменения. Фактически, она выглядит в виде суммы токов, каждый из которых является экспоненциальной временной функцией и угасает в различные интервалы времени. Количество таких компонентов в цепях с активными и индуктивными ветвями, совпадает с численностью независимых контуров.
В этом случае апериодические составляющие могут быть вычислены с использованием специальных систем дифференциальных уравнений, учитывающих все активные и индуктивные сопротивления. Методика расчетов во многом зависит от того, как выглядит изначальная схема расчетов, и где расположена рассчитываемое место КЗ.
В некоторых вариантах источники энергии многоконтурной схемы замыкаются на расчетное место КЗ с помощью общего сопротивления. Приближенные расчеты позволяют установить затухание апериодической составляющей в течение какого-то постоянного промежутка времени. Существуют два метода решений, которые, относительно точного результате выдают погрешность с положительной или отрицательной направленностью. То есть, постоянная времени будет завышаться или занижаться.
Расчетная схема, разделенная точкой короткого замыкания на части, независимые между собой, в произвольный момент времени определяется в виде суммы апериодических составляющих, предусмотренных для каждого участка схемы. Их изменение по времени происходит относительно постоянного показателя, а полученные данные учитываются в расчетах.
Ударный ток короткого замыкания
Ток короткого замыкания однофазных и трехфазных сетей
Периодическая составляющая — ток
Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая-определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора. [1]
Периодическая составляющая тока / г в ветви Г изменяется во времени в соответствии с параметрами генераторов ( компенсаторов), характеристиками регуляторов возбуждения, удаленностью точки замыкания и др. Периодическая составляющая тока 1пС ветви С неизменна во времени. [2]
Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая — определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора. [4]
Периодическая составляющая тока / п ( г в ветви Г изменяется во времени по сложному закону, определяемому параметрами генераторов и характеристиками регуляторов возбуждения. Периодическую составляющую тока / п с в ветви С принимают незатухающей. Периодическая составляющая тока в месте замыкания равна сумме этих двух токов. Двухлучевая схема используется при определении импульса квадратичного тока при к. [6]
Периодическая составляющая тока КЗ от генератора изменяется во времени по сложному закону. [7]
Периодическая составляющая тока статора в условиях нормального включения не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току. [8]
Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току. [9]
Периодическая составляющая тока статора ( одновременно со всеми нечетными гармониками) убывает до своей установившейся величины с постоянной времени цепи ротора. Апериодическая составляющая тока ротора, возникающая при внезапном коротком замыкании, уменьшается по тому же закону до установившейся величины постоянного тока IrL. В цепи ротора все четные высшие гармонические обнаруживаются и в установившемся режиме. [10]
Периодическая составляющая тока КЗ в начальный момент времени / п то называется начальным током КЗ. Значение начального тока КЗ используют, как правило, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты. [12]
Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза силу номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратиость периодической составляющей по отношению к номинальному току. [13]
При замыкании за реактором периодическая составляющая тока короткого замыкания не изменяется во времени ( / 7), что позволяет принять t tpac4 22 сек. [14]
Процесс короткого замыкания
Если до момента наступления к. з. в электрической цели был установившийся ток iп, то при внезапном к. з. в этой цепи вследствие значительного уменьшения полного сопротивления цепи, ток резко возрастает до величины iк. В начальный момент (t=0) возникновения к. з. ток не может мгновенно измениться до новой установившейся величины, так как в короткозамкнутой цепи помимо активного сопротивления R имеется индуктивность L, которая, как известно, затягивает процесс изменения тока при (переходе от одного режима к другому.
Таким образом, в начальный момент процесса к. з. (t = 0) ток в цепи сохраняет свою прежнюю величину iK=iно. Для изменения тока требуется время. В начале этого (периода в течение
0,01 с ток в короткозамкнутой цепи возрастает до своего максимума, а затем несколько снижается и через определенное время достигает установившейся величины.
Промежуток «времени от момента возникновения к. з. до момента наступления установившегося режима является временем переходного процесса. С помощью расчетов можно определить ток к. з. в любой момент переходного процесса.
На рисунке ниже показан случай внезапного трехфазного к. з. в электрической цепи при питании от источника неограниченной мощности S = ∞; собственное сопротивление такого источника ничтожно мало, а на зажимах поддерживается при любых внешних условиях неизменяющееся синусоидальное напряжение.
Кривая изменения тока при коротком замыкании
В расчетах принимается, что в начальный момент короткого замыкания э. д. с. источника электроэнергии проходит через нуль, что соответствует наиболее тяжелому случаю.
Ток к. з. при переходном режиме удобно рассматривать как сумму двух составляющих: периодического тока iпt (с максимумом периодической составляющей Iпт) и апериодического iаt (его максимум— Iam).
В момент t=0 полный ток к. з. равен:
где iНt=0 —мгновенный ток нагрузки в момент возникновения к. з. (iHО).
Величина апериодической составляющей т. к. з. в процессе короткого замыкания затухает до нуля, изменяясь по экспоненциальному закону:
где Тк= L/ R постоянная времени, определяемая параметрами цепи короткого замыкания L и R; t — время, с, если L в Гн и R в Ом.
Из выражения для постоянной времени (Тк= L/ R) следует, что чем меньше активное сопротивление цепи короткого замыкания R, тем больше постоянная времени, а следовательно, дольше идет процесс затухания апериодической составляющей тока — iаt.
Наибольший возможный мгновенный ток к. з. называется ударным током и обозначается iу.
При отсутствие затухания апериодической составляющей (что можно допустить для начального периода к. з.) ударный ток равен:
iу — iпm + iаt=0’
где iпm — амплитуда периодической составляющей тока к. з.
«Электроснабжение строительно-монтажных работ», Г.Н. Глушков