Асинхронные двигатели как источник тока короткого замыкания — обратная подпитка по IEC 60909

Гид по расчёту тока короткого замыкания методом импеданса IEC 60909 рассматривает общий метод расчёта начального симметричного тока короткого замыкания. Эта статья рассматривает вклад, который легко упустить из виду: работающие асинхронные двигатели, которые в момент возникновения повреждения кратковременно сами становятся источником тока.

Почему двигатель кратковременно отдаёт ток обратно

Работающий асинхронный двигатель содержит магнитное поле, поддерживаемое током ротора, возникающим за счёт разности скольжения между вращающимся полем статора и механической скоростью ротора. Когда вблизи двигателя возникает короткое замыкание и напряжение сети внезапно пропадает или резко снижается, ротор — благодаря своей механической инерции — ещё некоторое время продолжает вращаться почти с той же скоростью, в то время как магнитное поле в роторе всё ещё присутствует. В этот момент двигатель кратковременно ведёт себя как генератор: он отдаёт затухающий ток в место повреждения, питаемый магнитной энергией, запасённой в роторе.

Почему этот вклад быстро затухает

В отличие от вклада синхронного генератора (см. гид о сверхпереходном и переходном реактивном сопротивлении генераторов), который поддерживается активной системой возбуждения и поэтому сохраняется значительно дольше, асинхронный двигатель не имеет внешнего источника возбуждения — поле ротора попросту угасает, как только запасённая магнитная энергия исчерпывается. Вклад асинхронного двигателя поэтому характерно кратковременный: обычно уже сильно затухший в течение нескольких сетевых циклов после возникновения повреждения, с постоянной времени, значительно меньшей, чем у синхронного генератора.

Когда IEC 60909-0 требует обязательного учёта этого вклада

IEC 60909-0 определяет, что совокупный вклад асинхронных двигателей должен учитываться при расчёте тока короткого замыкания, как только их совокупный вклад в начальный симметричный ток короткого замыкания превышает установленный стандартом порог значимости относительно тока короткого замыкания без двигателей. На промышленной установке со значительной подключённой мощностью двигателей — например, в компрессорной, насосной станции или крупной климатической установке в тепличном хозяйстве — совокупный вклад всех работающих двигателей может легко превысить этот порог, даже если ни один отдельный двигатель сам по себе не кажется значимым.

Как моделируется вклад двигателя

Для расчёта асинхронный двигатель (или эквивалентная группа двигателей) моделируется через сверхпереходное реактивное сопротивление, полученное из отношения пускового тока (тока при заторможенном роторе, см. также гид об измерении пускового тока) к номинальному току двигателя. Чем выше это отношение, тем ниже эффективное реактивное сопротивление и тем больше вклад двигателя в пиковое значение тока короткого замыкания сразу после возникновения повреждения.

Практическая значимость для силовых выключателей

Вклад двигателя особенно важен для включающей способности (Icm) силового выключателя вблизи группы крупных двигателей: первое пиковое значение тока после возникновения повреждения оказывается выше за счёт совместного вклада сети и двигателей. Для отключающей способности в несколько более поздний момент (например, после собственной временной задержки реле) вклад двигателя обычно уже в значительной степени затух и поэтому менее определяющий — в отличие от вклада самой сети, который сохраняется неизменным на протяжении всего повреждения. Это различие между влиянием на пиковое значение (Ip) и на более поздний отключаемый ток похоже, но не идентично, различию, применяемому для источников, питаемых через преобразователь, где вклад ограничивается скорее системой управления преобразователя, чем физическим процессом затухания.

Практическая значимость

При проведении исследования тока короткого замыкания для установки со значительной мощностью двигателей (например, производственного цеха с несколькими крупными приводами или сельскохозяйственного предприятия с обширной климатической установкой) следует проверить, превышает ли совокупный вклад двигателей порог значимости IEC 60909-0, и если да, учесть его как при определении требуемой включающей способности силовых выключателей вблизи двигателей, так и при оценке селективности соответствующих защит.

Типичные ошибки

1. Рассмотрение двигателей исключительно как нагрузки при исследовании тока короткого замыкания, без учёта того, что во время повреждения они кратковременно сами отдают ток.
2. Игнорирование вклада двигателя, поскольку ни один отдельный двигатель не кажется крупным, тогда как совокупный вклад многих более мелких двигателей может всё же превысить порог значимости IEC 60909-0.
3. Рассмотрение вклада двигателя с той же постоянной времени, что и вклад синхронного генератора — вклад двигателя затухает значительно быстрее и поэтому важен главным образом для пикового значения, а не для более позднего отключаемого тока.
4. Подбор включающей способности силового выключателя вблизи крупной группы двигателей без учёта вклада двигателей — это может привести к тому, что выключатель столкнётся при реальном повреждении с более высоким пиковым током, чем тот, на который он рассчитан.

Похожие материалы

• Расчёт тока короткого замыкания — метод импеданса IEC 60909
• Реактивное сопротивление генератора — сверхпереходное, переходное и синхронное (Xd)
• Источники, питаемые через преобразователь — вклад в ток короткого замыкания по IEC 60909
• Измерение пускового тока двигателя (locked rotor current)