Реактансы генератора Xd″, Xd′ и Xd — почему ток КЗ генератора непостоянен

Гид по расчёту тока короткого замыкания по IEC 60909-0 использует сверхпереходный реактанс Xd″ генератора как источник для начального симметричного тока КЗ Ik″. Эта статья рассматривает предысторию этого реактанса и то, почему он — лишь один из трёх разных реактансов, через которые проходит синхронный генератор во время короткого замыкания.

Три реактанса, три временных окна

Синхронный генератор при внезапном коротком замыкании на своих клеммах ведёт себя принципиально иначе, чем сеть с фиксированным импедансом: эффективный реактанс машины меняется во времени, а вместе с ним и величина тока КЗ, который выдаёт машина. Это происходит в трёх различимых фазах:

Сразу после возникновения КЗ наведённые вихревые токи в демпферной обмотке и сердечнике ротора сильно демпфируют магнитное поле, из-за чего машина ведёт себя так, будто у неё малый реактанс Xd″ — это даёт наибольший начальный ток КЗ. По мере затухания этих демпфирующих токов (с постоянной времени T″d, обычно порядка десятков миллисекунд) эффективный реактанс возрастает до Xd′, определяемого более медленно затухающим током в самой обмотке возбуждения (постоянная времени T′d, обычно порядка секунды и более). Только после затухания и этого переходного эффекта остаётся полный синхронный реактанс Xd — значительно больший, чем Xd″ и Xd′ — и генератор выдаёт свой конечный, установившийся ток КЗ.

Почему Xd настолько больше Xd″

Приблизительно для типичного крупного синхронного генератора Xd″ наименьший (порядка 10-25% в собственной базе машины), Xd′ находится посередине (порядка 20-35%), а Xd наибольший (часто 100% и выше). Поскольку ток КЗ обратно пропорционален реактансу, это означает, что конечный, установившийся ток КЗ генератора может быть значительно ниже начального тока — у генератора без форсировки возбуждения от системы регулирования напряжения установившийся ток КЗ может оказаться даже близким к номинальному току машины или ниже него.

Внимание: точные значения Xd″, Xd′, Xd и соответствующих постоянных времени T″d, T′d и T′d0 — это машинно-специфичные данные, предоставляемые производителем (обычно в протоколе испытаний или паспортных данных); эта статья рассматривает принцип трёх фаз, а не универсальные цифры, применимые к каждому генератору.

Почему это важно для защиты генератора

Этот убывающий ток КЗ — часто называемый декрементом генератора — имеет прямое следствие для настройки токовых защит на выводе генератора: обычная время-токовая защита (ANSI 50/51), настроенная на основе высокого сверхпереходного начального тока, может к моменту своего фактического срабатывания столкнуться с КЗ, ток которого уже снизился до переходного или даже синхронного уровня — возможно, ниже порога срабатывания. По этой причине защита выводов генератора часто выполняется с напряжение-зависимой токовой характеристикой (ANSI 51V: с торможением или управлением по напряжению), которая автоматически снижает порог срабатывания по мере просадки напряжения на клеммах во время КЗ — оставаясь чувствительной к КЗ, ток которого снизился до значений, близких к нормальному рабочему току или ниже него.

Практическая значимость

При согласовании защиты генератора с вышестоящими и нижестоящими защитами необходимо учитывать полную кривую декремента генератора — а не только высокое сверхпереходное начальное значение, используемое в разовом расчёте Ik″ по IEC 60909-0. Настройка защиты, основанная исключительно на Ik″, может пропустить более длительное КЗ, ток которого уже снизился, если явно не учтена напряжение-зависимая или дифференциальная защита (см. гид по дифференциальной защите генератора (ANSI 87G)).

Типичные ошибки

1. Предположение, что генератор выдаёт постоянный ток КЗ, как это делает сеть с фиксированным импедансом — на самом деле ток убывает через три фазы по мере перехода Xd″ в Xd′ и, наконец, в Xd.
2. Использование только сверхпереходного реактанса Xd″ (как в расчёте Ik″ по IEC 60909-0) для настройки время-задержанной токовой защиты, которая должна срабатывать только после сверхпереходной фазы — там определяющим является переходный или синхронный реактанс, а не Xd″.
3. Применение обычной, не зависящей от напряжения токовой защиты на выводе генератора без оценки того, остаётся ли установившийся ток КЗ (на основе Xd) выше порога срабатывания.
4. Пренебрежение постоянными времени T″d и T′d при оценке скорости перехода тока КЗ с одного уровня на другой — эти постоянные времени вместе с Xd″/Xd′/Xd определяют полную форму кривой декремента.

Похожие материалы

• Расчёт тока короткого замыкания — метод импеданса IEC 60909-0
• Дифференциальная защита генератора (ANSI 87G)
• Защита от потери возбуждения генератора (ANSI 40)
• Защита обратной последовательности (ANSI 46)