Теоретические аспекты и проблемы расчета токов короткого замыкания системы электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа

Д.В. Дубовик1, , Т.В. Голубчик1, , А.С. Дьяков1,

Шасси активного полуприцепа состоит из рамы, колесных движителей, трансмиссии, подвески, редуктора, системы тягово-энергетического оборудования (СТЭО), располагаемого в технологическом отсеке, и тягового электродвигателя, который через механическую трансмиссию приводит во вращение движители полуприцепа.

Внешний вид транспортного средства «Арктический автопоезд с транспортируемым функциональным модулем» представлен на рис. 1.

СТЭО включает в себя дизель-генераторную установку (ДГУ), повышающий трансформатор (ПТ), трехфазный выпрямитель (В), тяговый инвертор (ТИ), тяговый электродвигатель (ТЭД), коммутационные аппараты и аппараты защиты, систему контроля и управления (СУ).

Дизель-генераторная установка является источником питания тягового электропривода активного полуприцепа, а также обеспечивает питанием вспомогательное электрооборудование.

Устройство, обеспечивающее преобразование электроэнергии для питания ТЭД, – тяговый инвертор (ТИ), который, в свою очередь, получает питание от ДГУ через повышающий трансформатор и выпрямитель.

Рис. 1. Арктический автопоезд с транспортируемым функциональным модулем Fig. 1. Arctic road train with transportable functional module

В данной системе электроснабжения электроэнергию вырабатывает трехфазный синхронный генератор, подключенный через повышающий трансформатор к полупроводниковому выпрямителю. Тяговый инвертор, получая питание от выпрямителя, преобразует постоянное напряжение в переменное с заданными системой управления характеристиками для питания тягового электродвигателя. Традиционные методы для расчета токов короткого замыкания в этом случае неприменимы. Поскольку синхронный генератор может работать с переменной частотой вращения, а тяговый электродвигатель может подпитывать током место возникновения короткого замыкания на шинах звена постоянного тока (ЗПТ) между выпрямителем и тяговым инвертором через обратные диоды тягового инвертора. При этом величина тока короткого замыкания от системы будет зависеть от индуктивных характеристик генератора и увеличивается при снижении частоты вращения синхронного генератора. Величина тока подпитки места возникновения короткого замыкания на шине постоянного тока от тягового электродвигателя коррелирует с частотой вращения, нагрузкой и температурными характеристиками ТЭД в различных режимах работы [1–5].

Как отмечают исследователи А.В. Григорьев, А.Ю. Васильев, Ю.А. Кулагин: «Момент возникновения аварийного режима КЗ может произойти при любой частоте вращения гребного вин- та. Если на выходе вентильных генераторов напряжение имеет постоянное значение, то на выходе автономного инвертора напряжение, а, следовательно, и противоЭДС ГЭД могут отличаться от номинальной величины» [5–8]. ГЭД – гребной электродвигатель.

Интересующая нас система имеет сходство с описанной данными исследователями, поэтому при расчете токов КЗ в ней возникают аналогичные трудности. Также на ток короткого замыкания в ЗПТ влияет силовой конденсатор, установленный на входе питания тягового инвертора.

Описание выбранного электрооборудования СТЭО активного полуприцепа

Тяговый электродвигатель. В результате выполненного расчета на стадии эскизного проектирования определена мощность тягового электродвигателя, необходимая для преодоления указанных выше условий движения и выполнения требований технического задания (ТЗ). При выборе ТЭД сравнивались основные функциональные характеристики, параметры и показатели. С учётом всех описанных в эскизном проектировании задач был выбран ТЭД ДАТ-72 производства АО «Сарапульский электрогенераторный завод».

Дизель-генераторная установка. Мощность ДГУ должна превышать на 35-75 % суммарную мощность потребителей, которые будут подключены к ДГУ, с учетом потерь на преобразование электроэнергии. Общая нагрузка на ДГУ должна быть ориентировочно 50–70 % от максимальной мощности ДГУ, что соответствует оптимальному режиму работы. Для электроснабжения асинхронных электродвигателей (АД) следует учитывать кратковременный пусковой ток, который в 5–8 раз превышает номинальный при прямом пуске АД. Согласно ГОСТ Р 50783-95 [8–11] при мощности ДГУ до 100 кВт должен обеспечиваться прямой пуск АД мощностью 60 % от номинальной мощностьи ДГУ, при этом нагрузка на валу АД не должна превышать 30 % от номинального вращающего момента. С учетом ограничения по габаритным размерам была выбрана ДГУ ЭД100 производства ООО «ПИК«ЯрДизель».

Повышающий трансформатор. Поскольку трансформатор должен пропускать без перегрузки полную мощность генератора, трансформатор выбирается исходя из соотношения

_ТГ ≥ _НГ ,                                                                                            (1)

где _ТГ – номинальная полная мощность повышающего трансформатора, кВА; _НГ – номинальная полная мощность генератора (альтернатора) дизель-генераторной установки, кВА.

Выбранный повышающий трансформатор отвечает заявленным параметрам:

ТГ = НГ =125 кВА.

Для повышения напряжения после ДГУ устанавливается повышающий трехфазный двухобмоточный трансформатор ТСЗ-125/0,7-ХЛ2 125кВА 400/530 В, Y/Y-0 Cu F IP55 производства ООО «ПЗСТ».

Трехфазный выпрямитель. В составе СТЭО применяется трехфазная мостовая схема (схема Ларионова), применяется без фильтра из-за высоких эксплуатационных и конструкционных характеристик [3]. Выбран трехфазный выпрямитель SEMIKRON SKD 160/16.

Тяговый преобразователь напряжения. Предназначен для преобразования после выпрямителя выпрямленного тока в переменный для питания и управления тяговым электродвигателем АПП. Выбран тяговый инвертор ТИ-160 производства ООО «ИРЗ ТЭК».

Основные технические характеристики выбранного оборудования СТЭО представлены в табл. 1.

Таблица 1 Основные технические параметры системы тягового электрооборудования активного полуприцепа

Table 1

Main technical parameters of the traction electrical equipment system of an active semi-trailer

Наименование компонента СТЭО	Основные технические характеристики компонента СТЭО по паспортным данным
Дизель-генераторная установка (ЭД100)	U Н = 400 В;           f Н = 50 Гц;          I Н = 180 А; PН осн./рез. = 100 / 110 кВт; SН осн./рез. = 125 / 138 кВА; cos ϕН = 0,8; η = 95 %

Окончание табл. 1

Table 1 (end)

Наименование компонента СТЭО	Основные технические характеристики компонента СТЭО по паспортным данным
Повышающий трансформатор (ТСЗ-125/0,7- ХЛ2 125кВА 400/530 В)	U Н обмотки ВН/НН = 400 / 530 В; f Н = 50 Гц; Соединение обмоток Y/Y-0; I Н обмотки ВН, 180,4 А; I Н обмотки НН, 136,2 А; S Н = 125 кВА; Напряжение короткого замыкания, 0,7 %; cos ϕ Н = 0,98; η = 98 %
Трехфазный выпрямитель (SEMIKRON SKD 160/16)	V RMS = 1600 В – максимальное повторяющееся рабочее напряжение (предельное переменное амплитудное напряжение, подаваемое на мост); V RRM , V DRM = 1600 В – максимальное пиковое обратное напряжение; I D = 205 А – средний прямой ток; I FMS = 1800 А – ударный прямой ток при частоте 50 Гц; η = 96 %.
Тяговый инвертор (ТИ-160)	V CC = 600–800 В, DC; U Р = 350–850 В; f Р = 0–80 Гц; I Н = 300 А; P Н = 160 кВт; η = 97 %
Тяговый электродвигатель (ДАТ-72)	U Н = 500 В; f Н = 80 Гц; I Н = 130 А; P Н = 72 кВт; n Н = 2400 об/мин; M Н = 286 Н·м; M MAX = 972 Н·м; M ПУСК = 550 Н·м; cos ϕ Н = 0,7; η = 92 %

Расчет токов короткого замыкания представлен на примере системы переменного тока электропривода активного полуприцепа с ограниченной мощностью, напряжением до 1000 В.

Порядок расчета токов короткого замыкания

Составляется однолинейная расчетная схема [12–14]. На схеме указывают элементы электроустановки и их основные и номинальные параметры, которые участвуют в расчете. Определяют расчетные точки КЗ. Для каждой ступени расчета указывают среднее напряжение. Однолинейная схема электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа представлена на рис. 2.

После расчета сопротивлений элементов энергосистемы составляют эквивалентную электрическую схему замещения, где также указывают расчетные точки КЗ [12, 15, 16].

Определяя результирующее сопротивление от источника до каждой расчетной точки КЗ, по закону Ома рассчитываются токи КЗ. При необходимости определяется апериодическая составляющая тока КЗ, ударный ток, периодическая составляющая в отдельных ветвях схемы [17].

Завершающим этапом расчета токов короткого замыкания является проверка выбранных аппаратов защиты на их уставку, уставку предохранителей, стойкости кабельных линий и шин к токам короткого замыкания.

Расчетная однолинейная схема электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа содержит преобразовательный контур постоянного тока, поэтому в схеме замещения в цепи постоянного тока учитывается только активное сопротивление проводников (полные сопротивления проводов и кабелей в зависимости от их длины и сечения), переходное сопротивление контактов коммутационных аппаратов.

Расчет параметров схемы замещения

Определение сопротивлений энергосистемы для схемы замещения начинается с выбора базисных величин [18-20]. Рассчитаем базисную мощность 5 б , базисное напряжение Щ, и базисное сопротивление системы _с . За базисную мощность в нашем случае примем номинальную полную мощность генератора. Для основной ступени, для которой производится расчёт токов короткого замыкания, принимается _б = _ср . Среднее значение напряжения первой ступени электрической цепи _ср берётся на 5 % выше номинального напряжения сети:

Uср = 1,05 * UHY = 1,05 * 400 = 420 В.(

Рассчитываем базисный ток и сопротивление системы, исходя из принятых базисной мощности и напряжения:

• 1■  — —1  172 А

• zс = ¥ = ^ = 1ЛИ Ом.

Расчет сопротивления генератора ДГУ

По ГОСТ 28249-93 [7, 21] при расчете начального значения периодической составляющей тока КЗ автономных источников, а также синхронных электрических машин следует учитывать сверхпереходное сопротивление по продольной оси ротора ^ʺ , а при определении постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ - индуктивное сопротивление для токов обратной последовательности и активное сопротивление обмотки статора . При приближенных расчетах принимают:

Рис. 2. Расчетная однолинейная схема электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа

Fig. 2. Calculated single-line diagram of the power supply of the traction electric drive of an active semi-trailer x d(HOM) = 0,15; х2 =x"d; г = 0,15 * %d                                                      (5)

Индуктивное сопротивление генератора (в Ом) для момента времени t = 0 определяется по выражению [1; 2]:

%сг = х’й* — = 0,15 *      = 0,192 Ом, сг “    5НГ              125000                ’ гсг = 0,15 * %сг = 0,15 * 0,192 = 0,0288 Ом, (7) где гсг - активное сопротивление синхронного генератора; %сг - индуктивное сопротивление синхронного генератора.

Найдем полное сопротивление синхронного генератора 7 _сг :

Zсг = Vг _сг ² + %_сг² = V0,0288² + 0,192² = 0,194 Ом.                                    ⁽⁸⁾

Расчет сопротивления повышающего трансформатора

Находим индуктивное сопротивление повышающего трансформатора _т :

0,7   530

*   10. 'у.;^,' ,25500.^ =0'0157 Ом, н.тр где UK3 - напряжение короткого замыкания трансформатора, %; 5н.тр - номинальная мощность трансформатора, ВА, ин.трНН - номинальное напряжение повышающего трансформатора, приведенное к низкой стороне.

Находим активное сопротивление повышающего трансформатора г _т :

∗ н.трНН т= н.тр

700∗530

= 0,0127 Ом,

где P k - потери короткого замыкания, Вт.

Все значения приведены в паспортных данных к трансформатору.

Найдем полное сопротивление трансформатора _т :

Z _т = V Г _г ² + % _т ² = V0,0127² + 0,0157² = 0,0202 Ом.                                  ⁽¹¹⁾

Расчет сопротивления проводов

В табл. 2 представлены марка, сечение, количество и длина проводных линий (ПЛ), используемых в системе электроснабжения от источника (генератора ДГУ) до тягового асинхронного электродвигателя.

В соответствии с условиями эксплуатации выбран провод силовой с кремнийорганической изоляцией и оболочкой повышенной пожаробезопасности марки ППСКТОнг(Л)-НР, ТУ 16.К71-370-2007. Вид климатического исполнения - по ГОСТ 15150-69 [8, 22]. Значение климатических факторов - по ГОСТ 15543.1-89 [9, 22], диапазон температуры окружающей среды от -60 до 130 °С.

Активное и индуктивное сопротивление проводов и кабелей рассчитаем по следующим формулам:

г пл 1 = Р_д. *1*к_п = 0,000191 *3 *4 = 0,0023 Ом, (12)

х _{пл 1} = Худ. * I * к _п = 0,0003 *3 *4 = 0,004 Ом, (13) где _уд. - удельное активное сопротивление медного проводника и _уд. - удельное индуктивное сопротивление медного проводника (табл. 3); - длина проводной линии, м, _п - количество проводников, параллельно проложенных в линии участка.

Для линий с проводами из цветных металлов значение удельного индуктивного сопротивления приближенно принимается равным 0,0003 Ом/м, значение активного сопротивления - по табл. 3 [1, 23].

Результирующее сопротивление проводных линий рассчитывается по формуле:

Z _{пл 1} = V^т пл? + хпл ^ = V0,0023 ² + 0,004² = 0,0043 Ом.

Таблица 2

Параметры проводных линий электроснабжения энергосистемы системы тягового электрооборудования активного полуприцепа

Table 2

Parameters of wired power supply lines of the power system of the traction electrical equipment system of an active semi-trailer

№ участка на схеме замещения	Расположение ПЛ	Марка ПЛ	Сечение ПЛ, мм2	Длина ПЛ, м
ПЛ 1	Проводная линия от контактной группы клемм генератора ДГУ до контактной группы клемм вводного автоматического выключателя QF1	ППСКТОнг(A)-HF	4 х 95	3
ПЛ 2	Проводная линия между контактным присоединением к шинопроводу щита распределительного ДГУ 0,4/0,23 кВ и контактной группой клемм подключения к первичной обмотке повышающего трансформатора		3 х 95	3
ПЛ 3	Проводная линия от контактной группы клемм вторичной обмотки повышающего трансформатора до контактной группы клемм присоединения к выпрямителю щита силового АПП 0,53/0,5 кВ	ППСКТОнг(A)-HF	3 х 70	3
ПЛ 4	Проводная линия от контактной группы клемм тягового инвертора до контактной группы клемм контактора КМ2 в щите силовом АПП 0,53/0,5 кВ			1,5
ПЛ 5	Проводная линия от контактной группы клемм контактора КМ2 до контактной группы клемм тягового электродвигателя			5

Таблица 3

Удельное активное и индуктивное сопротивление проводов и кабелей по справочным данным ГОСТ 28249-93

Table 3

Specific active and inductive resistance of wires and cables according to reference data GOST 28249-93

№ участка на схеме замещения	Сечение жил, мм2 фазных	Активное сопротивление уд. , Ом/м	Индуктивное сопротивление уд. , Ом/м
ПЛ 1	4 х 95	0,000191	0,0003
ПЛ 2	3 х 95	0,000191	0,0003
ПЛ 3, ПЛ 4, ПЛ5	3 х 70	0,000265	0,0003

При этом необходимо учитывать, что напряжение системы на участках увеличивается после повышающего трансформатора до 0,53 кВ, а после инвертора становится регулируемым до 0,5 кВ.

Аналогично рассчитаем остальные проводные линии энергосистемы. Расчеты представлены в табл. 4.

Таблица 4

Расчеты сопротивления проводных линий электроснабжения энергосистемы системы тягового электрооборудования активного полуприцепа

Table 4 Calculations of resistance of wire power supply lines of the power system of the traction electrical equipment system of an active semi-trailer

№ участка на схеме замещения	Активное сопротивление пл , Ом	Индуктивное сопротивление пл , Ом	Полное сопротивление проводной линии пл , Ом
ПЛ 1	0,0023	0,004	0,0043
ПЛ 2	0,0017	0,003	0,0032
ПЛ 3	0,0024	0,003	0,0036
ПЛ 4	0,0012	0,001	0,0018
ПЛ 5	0,0040	0,005	0,0060

Сопротивления переходных контактов автоматических выключателей, контакторов, контактных соединений проводов, шинопроводов

Значения сопротивлений разъемных контактов коммутационных аппаратов напряжением до 1 кВ определяются по ГОСТ 28249-93 [7, 24] (приложение 4, табл. 19). При приближенном учете сопротивление контактов принимают: 0,1 мОм – для контактных соединений кабелей; 0,01 мОм – для шинопроводов; 1,0 мОм – для коммутационных аппаратов. Занесем в табл. 5 приближенные значения сопротивления разъемных контактов выбранных коммутационных аппаратов напряжением до 1 кВ.

Таблица 5 Приближенные значения сопротивлений разъемных контактов коммутационных аппаратов напряжением до 1кВ

Table 5

Approximate resistance values of detachable contacts of switching devices with voltages up to 1 kV

№ участка на схеме замещения	Номинальный ток аппарата, А	Активное сопротивление, Ом, разъемных соединений
		Автоматический выключатель, z АВ( QF )	Контактор, z КОНТ(КМ)
АВ (QF1)	250	0,0006	–
Контактор (K1)	500	–	0,0002
Контактор (K2)	500	–	0,0002
Контактор (КМ1)	250	–	0,0004
Контактор (КМ2)	300	–	0,0003

Для упрощения расчетов сопротивлениями в местах болтовых контактных соединений проводов, кабелей и шинопроводов можно пренебречь. Длина шин и шинопроводов в энергосистеме суммарно не превышает пяти метров, в связи с этим их сопротивление можно не учитывать, так как их влияние на ток КЗ невелико [1].

Расчет сопротивления асинхронного тягового электродвигателя

Полное сопротивление асинхронного электродвигателя рассчитывается по формуле z АД =

____ном

√3^∗ 1 пуск ∗ 1 ном

1,73∗5∗130

0,445 Ом.

На рис. 3 приведена схема замещения с электрическими параметрами в именованных единицах. Расчет токов короткого замыкания в энергосистеме СТЭО АПП будем производить в действующем установившемся и квазиустановившемся (постоянном) режиме энергосистемы. В данном расчете подпитку места КЗ в точках (к.з. 1, к.з. 2, к.з. 3, к.з. 4, к.з. 5) от тягового электродвигателя не учитываем, учитываем только в точке к.з. 6. В расчетах токов к. з., приведенных ниже, приняты следующие допущения: не учитываются токи нагрузки; не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи проводной сети; трехфазная сеть принимается симметричной, сопротивления фаз – точно равными друг другу; отсутствует насыщение стали электрических машин (генераторов, электродвигателей, трансформаторов); не учитываются токи намагничивания трансформаторов [2].

Расчет токов короткого замыкания в энергосистеме СТЭО АПП произведем по принципу суперпозиции

Исключаются все источники электрической цепи, кроме одного, определяется ток от действия этого источника. Исключают следующие источники, рассчитывают следующее состояние тока и так далее.

Рассчитаем начальное значение периодической слагающей тока трехфазного короткого замыкания от генератора до точки к.з.1 по формуле [1, 2, 4, 6]:

,(3)

кз 1сист.

ср.н

3∗ z рез.к.з.1

1,73 ∗ 0,194

= 1250 А,

где и _ср.н – напряжение на контактной группе клемм генератора ДГУ, z рез.к.з.1 = _сг – результирующее сопротивление цепи КЗ, суммарное сопротивление от источника питания до точки КЗ. До точки к.з. 1 принимается равным сопротивлению генератора ДГУ.

Сопротивления энергосистемы в именованных единицах:

• 1    - Сопротивление генератора ДГУ;

• 2    - Сопротивление проводной линии от генератора ДГУ до вводного автоматического выключателя QF1;

• 3    - Сопротивление переходных контактов автоматического выключателя QF1;

• 4    - Сопротивление переходных контактов контактора КМ1;

• 5    - Сопротивление проводной линии между контактным присоединением к шинопроводу щита распределительного ДГУ 0,4/0,23кВ и контактной группой клемм подключения к первичной обмотке повышающего трансформатора;

• 6    - Сопротивление повышающего трансформатора;

• 7    - Сопротивление проводной линии между контактной группой клемм вторичной обмотки повышающего трансформатора и контактной группой клемм присоединения к выпрямителю;

• 8 , 9 - Сопротивление переходных контактов контакторов К1, К2;

• 10    - Сопротивление проводной линии между контактной группой клемм тягового инвертора и контактной группой клемм присоединения к контактору КМ2;

• 11    - Сопротивление переходных контактов контактора КМ2;

• 12    - Сопротивление проводной линии между контактной группой клемм присоединения к контактору КМ2 и контактной группой клемм присоединения к тяговому электрод в игател ю;

• 13    - Сопротивление асинхронного тягового электродвигателя.

  
  
  

Рис. 3. Схема замещения системы тягового электрооборудования активного полуприцепа Fig. 3. Replacement diagram for the traction electrical equipment system of an active semi-trailer

Рассчитаем результирующее сопротивление от системы до точки к.з. 2 по схеме замещения:

рез.к.з. = сг + пл + АВ(   ) +   КОНТ(КМ ) = 0,1993 Ом.

Находим значение тока КЗ в точке к.з. 2 от генератора:

( )

кз сист.

ср.н

√3 ∗ рез.к.з.

1,73 ∗ 0,1993

= 1218 А.

Рассчитаем результирующее сопротивление от системы до точки к.з. 3 по схеме замещения:

рез.к.з. = сг + пл ⁺ АВ(   ) ⁺ КОНТ(КМ ) ⁺ пл ^{= 0,2025 Ом.}

Находим значение тока КЗ в точке к.з. 3 от генератора:

( )

кз сист.

ср.н

√3 ∗ рез.к.з.

1,73 ∗ 0,2025

1198,8 А.

Рассчитаем результирующее сопротивление от системы до точки к.з. 4 по схеме замещения:

рез.к.з. = сг + пл + АВ(   ) +   КОНТ(КМ ) + пл + т + пл = 0,2263 Ом.

Находим значение тока КЗ в точке к.з. 4 от генератора. Учитываем, что точка к.з. 4 находится со стороны вторичной обмотки повышающего трансформатора, где и ср.н = 530 В.

( )

кз сист.

ср.н

√3 ∗ рез.к.з.

1,73 ∗ 0,2263

1353,8 А.

Для того чтобы определить ток короткого замыкания в точке к.з. 5, необходимо рассчитать действующее значение фазной ЭДС трехфазной системы переменного тока. Расчет тока короткого замыкания в звене постоянного тока осуществляем по ГОСТ 29176 - 91 [10]:

=

ном

√3

1,73

306,4 В.

ЭДС холостого хода при выполнении преобразователей по трехфазной мостовой схеме следует вычислять по формулам:

=2,34∗  = 2,34∗306,4= 717 В.

При отсутствии катодных реакторов в выпрямительных агрегатах ток КЗ при замыкании полюсных проводов 1кз5 ЗПТ в амперах следует определять по формуле кз ЗПТ =

-∆

+ ∑ + ∑ + (2 ∗   ∗  )

0,392 + 0,0002 + 0,0002

= 1827,2 А,

где ДU - - падение напряжения на электрической дуге, В; Кд_к - сопротивление КЗ выпрямительной установки, Ом; R ^ _n - суммарное активное сопротивление питающей линии (+), Ом; Ro ₀ -суммарное активное сопротивление минусовой линии (-), Ом; 1_к - удаленность КЗ (длина проводов, линии), км; г_кс - удельное активное сопротивление проводов линии сети, Ом/км.

Примечания: При определении максимального тока КЗ допустимо не учитывать предвари- тельную нагрузку энергосистемы и падения напряжения в дуге и на вентилях, а также принимать (2*ткс*1к) = 0.

Сопротивление КЗ выпрямительной установки в Омах следует определять по формуле

=

=   ∗

1 ∗ 1829,1

= 0,392 Ом,

где т_а - число параллельно работающих выпрямительных агрегатов; I д_а - ток КЗ на шинах выпрямительной подстанции от одного агрегата, А.

При этом следует принимать = и определять этот ток в зависимости от схемы, по которой выполнен преобразователь.

Среднее значение выпрямленного тока в месте повреждения при установившемся режиме КЗ и при выполнении преобразователей по трехфазной мостовой схеме следует определять по формулам:

=

л)

^∗ Im

∗ 1914,5 = 1829,1 А,

где Im – амплитуда периодической составляющей фазного тока вторичной (вентильной) обмотки преобразовательного трансформатора в амперах, которую определяют по выражению:

= рез

1,414 ∗ 306,4

= 1914,5 А, 0,2263

где z _рез – результирующее активное сопротивление от генератора до выпрямителя, Ом.

Рассчитаем результирующее сопротивление от системы до точки к.з. 6 по схеме замещения:

Z рез.к.з.6 =   сг + Z пл 1 + Z АВ( QF1 ) ⁺ Z КОНТ(КМ1) ⁺ Z пл2 + Z т ⁺ Z пл з + Z ∑n + Z ∑о + Z пл4

+ZКОНТ(КМ2)+Zпл 5 = 0,2348 Ом, где z∑n= ∑n,Z∑0= ∑0.

Находим значение тока КЗ в точке к.з. 6 от генератора. Учитываем, что точка к.з. 6 находится со стороны управляемого тягового инвертора, где U _ср.н = 500 В:

j(3)       ________ср.н кз 6сист. =

рез.к.з.6

1,73 ∗ 0,2348 = 1231,5 А.

Также учитываем ток подпитки в точку к.з. 6 от тягового асинхронного двигателя:

J (3)

кз6подпитки.

и ср.н     500

zАД = 0,454

1123,6 А.

Суммарный ток КЗ в точке к.з. 6 с учетом подпитки от тягового асинхронного двигателя:

I(3)=I(3)+I(3)         = 1231 5 + 1123 6 = 2355 1 А.

кз 6 = _кз 6 сист. + кз 6 _{подпитки.} =   3 , +     3,6 = 3 ,   .

Заключение

Подводя итоги, можно отметить, что высказанное вначале мнение о том, что традиционные методы расчета токов короткого замыкания, а также типовые принципы выбора аппаратов защиты, проверки их уставок, уставок предохранителей, стойкости кабельных линий и шин к токам короткого замыкания не могут быть применены к системе электроснабжения тягового электропривода активного полуприцепа, получило подтверждение. Это обуславливается тем, что при проектировании энергосистемы СТЭО АПП применяются выпрямительное и инвертирующее устройства со звеном постоянного тока между ними. В связи с этим ток подпитки КЗ от тягового электродвигателя к точкам к.з. 1 – к.з. 4 в энергосистеме СТЭО АПП не протекает.

Следует отметить, что в методиках расчета токов КЗ принимается номинальный режим работы ДГУ. Снижение частоты вращения генератора, которая влияет на индуктивные характеристики, а следовательно, и на ток КЗ, не учитывается. Специфика работы автоматики ДГУ ЭД100 позволяет пользоваться данным допущением, так как при существенном отклонении частоты вращения приводного дизельного двигателя и ожидаемого падения напряжения на синхронном генераторе ДГУ автоматически завершает работу и отключается размыкателем от сети энергосистемы. В связи с этим при расчёте токов КЗ принимается данное допущение. Сопротивление полупроводников также не учитывается в силу малого влияния на ток КЗ. Полупроводники выпрямителя и инвертора должны быть рассчитаны на режимы, стойкие к КЗ, заводом изготовителем.

От звена постоянного тока получает питание автономный тяговый инвертор, проводящий электрический ток в обоих направлениях, оказывая существенное влияние на величину тока КЗ на шинах звена постоянного тока.

В связи с этим к токам КЗ, протекающим от генератора, добавляется периодическая составляющая не учитываемого, но упоминаемого в данном расчёте тока КЗ подпитки, протекающего от тягового электродвигателя через инвертор в точку к.з. 5.

На ток короткого замыкания в ЗПТ точка к.з. 5 также влияет силовой конденсатор, который установлен на входе питания тягового инвертора.

Частота вращения, нагрузка на вал, а также температурные характеристики тягового электродвигателя существенно влияют на токи короткого замыкания в подпитке в момент возникновения аварийного режима КЗ.

Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод, что шины в звене постоянного тока энергосистемы не могут быть проверены на термическую и электродинамическую стойкость к токам КЗ, так как не учитывается ток подпитки от тягового электродвигателя, следовательно, необходима разработка иной методики расчёта токов короткого замыкания для системы электроснабжения тягового электропривода с использованием обратимых и необратимых полупроводниковых преобразователей со звеном постоянного тока.

Достоинством предложенной методики являются расчеты, которые могут быть использованы при расчете токов короткого замыкания в подобных системах. Представляется важным отметить, что предлагаемые нами расчёты являются результатом теоретического моделирования, поэтому при экспериментальной проверке полученные результаты могут быть уточнены и скорректированы.

Актуальность дальнейших исследований в этой области не вызывает сомнений. Ближайшей задачей является экспериментальная проверка, в дальнейшем возможна адаптация данной методики расчёта токов КЗ к системам электроснабжения силового тягового оборудования передвижных тяговых подстанций, которым также для расчета токов КЗ не подходят традиционные методы и которые приближены к рассматриваемой энергосистеме СТЭО по техническим и конструктивным характеристикам.