Электрическая система в процессе эксплуатации может находиться в статических и динамических режимах работы. Статическим или установившимся называется режим, при котором все величины, характеризующие поведение системы, не изменяются во времени и система находится в равновесном состоянии.
Переход от одного установившегося состояния системы к другому называется переходным процессом. Переходные процессы возникают из-за включения или отключения судовых генераторов или мощных потребителей электроэнергии, при включении генераторов на параллельную работу методом самосинхронизации или грубой синхронизации, в результате коротких замыканий в сети и др. Несмотря на кратковременность переходных процессов, характер их протекания часто определяет свойства и работоспособность системы.
Из переходных процессов наиболее существенное влияние на работу электроэнергетической системы оказывают короткие замыкания. Коротким замыканием называется не предусмотренное нормальными условиями работы соединение двух или нескольких токоведущих частей, находящихся под напряжением, через ничтожно малое сопротивление. Короткие замыкания могут сопровождаться токами, достигающими десятков тысяч ампер. Выделение большого количества тепла и сильное механическое взаимодействие токоведущих частей при этом часто приводит к авариям и выходу из строя элементов короткозамкнутой цепи. Кроме того, короткие замыкания часто являются причиной пожаров в электротехнических установках и вызывают полное или частичное расстройство электроснабжения потребителей.
Причинами коротких замыканий являются повреждения изоляции различных элементов электрооборудования, происходящие в результате ее естественного старения, перенапряжений, небреж-“ ного ухода за оборудованием, механических повреждений. Короткие замыкания могут также возникать в результате ошибок, допускаемых обслуживающим персоналом при синхронизации генераторов и других оперативных переключениях.
В электроэнергетических системах переменного тока можно рассматривать одно-, двух- и трехфазные короткие замыкания.
В судовых электросистемах, где нулевая точка генераторов не заземляется, однофазные короткие замыкания невозможны. Двухфазные короткие замыкания обычно переходят в трехфазные вследствие того, что образовавшаяся дуга разрушает изоляцию
между всеми тремя фазами. Таким образом, наиболее характер ным для судовых сетей является трехфазное короткое замыкание. В электроэнергетических системах постоянного тока воз можны лишь двухполюсные короткие замыкания.
В момент трехфазного короткого замыкания в сети, на которую работает синхронный генератор, ток увеличивается до значений, соответствующих сопротивлению цепи до точки короткого замыкания и э.д.с. генератора. Ток короткого замыкания, с одной стороны, стремится усилить размагничивающее действие (ввиду преобладания индуктивного сопротивления цепи короткого замыкания), с другой — сцепляясь с успокоительной обмоткой и обмоткой возбуждения, расположенными на роторе, индуктирует в них э. д. с. и так называемые свободные токи, которые наводят свои магнитные потоки. Потоки свободных токов оказывают на статор такое же влияние, как и основной ток обмотки возбуждения, т. е. наводят в статоре э. д. с. и, следовательно, поддерживают ток короткого замыкания. Но поскольку обмотки ротора наряду с индуктивным х обладают также и активным сопротивлением г, то свободные токи в них спадают со скоростью, определяемой постоянной времени обмоток. По мере спадания свободных токов усиливается размагничивающая реакция статора и вызывает в конечном счете уменьшение тока короткого замыкания.
Этот ток возникает под действием э.д.с., наведенной в статоре при коротком замыкании, изменяется по синусоидальному закону и называется периодической составляющей тока короткого замыкания. Периодический ток, возникший в первый момент короткого замыкания, называют сверхпереходным током.
Успокоительная обмотка генератора в отличие от других обмоток имеет большее по сравнению с индуктивным активное сопро тивление и, следовательно, наименьшую постоянную времени Поэтому за время <0,1 с ток в ней спадает до нуля и в обмотке статора генератора ток уменьшается до так называемого пере-ходного тока короткого замыкания.
В течение 3—5 с исчезает свободный ток в обмотке возбуждения и переходный ток I’d уменьшается до установившегося значения тока короткого замыкания.
Поскольку цепь короткого замыкания обладает индуктивностью, одновременно с периодическим током в ней возникает свободный ток короткого замыкания, в первый момент равный и противоположно направленный периодическому.
Рис. 1. Схема трехфазного короткого замыкания.
В соответствии с постоянной времени цепи короткого замыкания этот ток плавно затухает до нуля за время <0,2 с и носит название апериодической составляющей тока короткого замыкания.
Наличие симметричного периодического и свободного апериодического токов является причиной того, что общий ток короткого замыкания к от тока нагрузки нормального режима увеличивается до так называемого ударного тока короткого замыкания, который имеет место спустя полпериода (что в установках с частотой 50 Гц составляет 0,01 с) после начала короткого замыкания.
Рис. 2. График токов короткого замыкания в синхронном генераторе.
Таким образом, ударным током называется максимальная мгновенная величина тока короткого замыкания, равная сумме амплитуды периодической составляющей и апериодической составляющей с учетом ее затухания за время полупериода периодического тока.
Соотношение между ударным током и амплитудой периодической составляющей определяется величиной ударного коэффициента р, который учитывает процесс затухания апериодической составляющей и изменяется в пределах 1 < р <2.
Системы автоматического регулирования напряжения существенно влияют на протекание переходных процессов, а следовательно, и на характер короткого замыкания в судовой электрической сети. Поскольку короткие замыкания сопровождаются резким понижением напряжения сети, система АРН приходит в действие и увеличивает напряжение возбуждения генератора, что вызывает увеличение установившегося значения тока короткого замыкания.
Если на сеть, в которой произошло короткое замыкание, работает не один, а несколько параллельно включенных генераторов, то все они будут питать точку короткого замыкания и ток в цепи значительно возрастет.
В точку короткого замыкания посылают токи также и асинхронные двигатели, работающие в момент короткого замыкания, что объясняется следующим образом.
Особенностью судовых электроэнергетических систем является то, что большая часть двигателей судовых механизмов подключена непосредственно к ГРЩ и находится примерно на одинаковом расстоянии от него. Это позволяет при расчетах токов короткого замыкания все работающие асинхронные двигатели заменить одним эквивалентным двигателем.