Реактанси генератора Xd″, Xd′ і Xd — чому струм КЗ генератора непостійний

Гід з розрахунку струму короткого замикання за IEC 60909-0 використовує надперехідний реактанс Xd″ генератора як джерело для початкового симетричного струму КЗ Ik″. Ця стаття розглядає передумови цього реактансу та чому він — лише один із трьох різних реактансів, які проходить синхронний генератор під час короткого замикання.

Три реактанси, три часові вікна

Синхронний генератор при раптовому короткому замиканні на своїх клемах поводиться принципово інакше, ніж мережа з фіксованим імпедансом: ефективний реактанс машини змінюється в часі, а разом з ним і величина струму КЗ, який видає машина. Це відбувається у трьох розпізнаваних фазах:

Одразу після виникнення КЗ наведені вихрові струми в демпферній обмотці та осерді ротора сильно демпфують магнітне поле, через що машина поводиться так, ніби вона має малий реактанс Xd″ — це дає найбільший початковий струм КЗ. У міру згасання цих демпфувальних струмів (зі сталою часу T″d, зазвичай порядку десятків мілісекунд) ефективний реактанс зростає до Xd′, який визначається повільніше згасаючим струмом у самій обмотці збудження (стала часу T′d, зазвичай порядку секунди й більше). Лише після згасання й цього перехідного ефекту залишається повний синхронний реактанс Xd — значно більший за Xd″ і Xd′ — і генератор видає свій кінцевий, усталений струм КЗ.

Чому Xd настільки більший за Xd″

Приблизно для типового великого синхронного генератора Xd″ найменший (порядку 10-25% у власній базі машини), Xd′ перебуває посередині (порядку 20-35%), а Xd найбільший (часто 100% і вище). Оскільки струм КЗ обернено пропорційний реактансу, це означає, що кінцевий, усталений струм КЗ генератора може бути значно нижчим за початковий струм — у генератора без форсування збудження від системи регулювання напруги усталений струм КЗ може виявитися навіть близьким до номінального струму машини або нижчим за нього.

Увага: точні значення Xd″, Xd′, Xd та відповідних сталих часу T″d, T′d і T′d0 — це машинно-специфічні дані, що надаються виробником (зазвичай у протоколі випробувань або паспортних даних); ця стаття розглядає принцип трьох фаз, а не універсальні цифри, застосовні до кожного генератора.

Чому це важливо для захисту генератора

Цей спадний струм КЗ — часто званий декрементом генератора — має пряму наслідок для налаштування струмових захистів на виводі генератора: звичайний час-струмовий захист (ANSI 50/51), налаштований на основі високого надперехідного початкового струму, може на момент свого фактичного спрацювання зіткнутися з КЗ, струм якого вже знизився до перехідного або навіть синхронного рівня — можливо, нижче порогу спрацювання. Тому захист виводів генератора часто виконується з напруго-залежною струмовою характеристикою (ANSI 51V: з гальмуванням або керуванням за напругою), яка автоматично знижує поріг спрацювання в міру просідання напруги на клемах під час КЗ — залишаючись чутливою до КЗ, струм якого знизився до значень, близьких до нормального робочого струму або нижчих за нього.

Практична значущість

При узгодженні захисту генератора з вищестоящими та нижчестоящими захистами необхідно враховувати повну криву декременту генератора — а не лише високе надперехідне початкове значення, яке використовується в одноразовому розрахунку Ik″ за IEC 60909-0. Налаштування захисту, засноване виключно на Ik″, може пропустити триваліше КЗ, струм якого вже знизився, якщо явно не враховано напруго-залежний або диференційний захист (див. гід з диференційного захисту генератора (ANSI 87G)).

Типові помилки

1. Припущення, що генератор видає постійний струм КЗ, як це робить мережа з фіксованим імпедансом — насправді струм спадає через три фази в міру переходу Xd″ у Xd′ і, нарешті, у Xd.
2. Використання лише надперехідного реактансу Xd″ (як у розрахунку Ik″ за IEC 60909-0) для налаштування час-затриманого струмового захисту, який має спрацьовувати лише після надперехідної фази — там визначальним є перехідний або синхронний реактанс, а не Xd″.
3. Застосування звичайного, не напруго-залежного струмового захисту на виводі генератора без оцінки того, чи залишається усталений струм КЗ (на основі Xd) вище порогу спрацювання.
4. Нехтування сталими часу T″d і T′d при оцінці швидкості переходу струму КЗ з одного рівня на інший — ці сталі часу разом із Xd″/Xd′/Xd визначають повну форму кривої декременту.

Пов'язані матеріали

• Розрахунок струму короткого замикання — метод імпедансу IEC 60909-0
• Диференційний захист генератора (ANSI 87G)
• Захист від втрати збудження генератора (ANSI 40)
• Захист від зворотної послідовності (ANSI 46)