4.1.4 Гашение поля генераторов

Гашением поля называется процесс, заключающийся в быстром уменьшении магнитного потока возбуждения генератора до величины, близкой к нулю. При этом соответственно уменьшается ЭДС генератора.

Гашение магнитного поля приобретает особое значение при аварийных режимах, вызванных повреждениями внутри самого генератора или на его выводах.

Короткие замыкания внутри генератора обычно происходят через электрическую дугу — именно это обстоятельство обусловливает значительное повреждение обмоток статора и активной стали. Это тем более вероятно, что ток I_кз при внутреннем повреждении может быть больше тока при коротком замыкании на выводах генератора. В таком случае быстрое гашение поля генератора необходимо, чтобы ограничить размеры аварии и предотвратить выгорание обмотки и стали статора.

Таким образом, при внутренних коротких замыканиях в генераторах необходимо не только отключить их от внешней сети, но и быстро погасить магнитное поле возбуждения, что приведет к уменьшению ЭДС генератора и погасанию дуги.

Для гашения поля необходимо отключить обмотку ротора генератора от возбудителя. Однако при этом вследствие большой индуктивности обмотки ротора на ее зажимах могут возникнуть большие перенапряжения, способные вызвать пробой изоляции. Поэтому гашение поля нужно выполнять таким образом, чтобы одновременно с отключением возбудителя происходило быстрое поглощение энергии магнитного поля обмотки ротора генератора, так чтобы перенапряжения на её зажимах не превышали допустимого значения.

В настоящее время в зависимости от мощности генератора и осо­бенностей его системы возбуждения используются три способа гашения магнитного поля: замыкание обмотки ротора на гасительное (активное) сопротивление; включение в цепь обмотки ротора дугогасительной решётки быстродействующего автомата; противовключение возбудителя.

В первых двух способах предусматривается осуществление необходимых переключений в цепях возбуждения с помощью специальных коммутационных аппаратов, которые называют автоматами гашения поля (АГП).

При замыкании обмотки ротора генератора на специальное сопротивление процесс гашения магнитного поля сильно затягивается, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил более действенный способ гашения магнитного поля генератора при помощи АГП с дугогасительной решёткой (рис. 4.3). При коротком замыкании в генераторе реле защиты РЗ срабатывает и своими контактами отключает генератор от внешней сети, воздействуя на электромагнит отключения ЭО выключателя, а также подаёт импульс на отключение АГП.

Рис. 4.3. Автомат гашения поля. 1— дугогасительные контакты; 2 — рабочие контакты;

3 — контакты, вводящие добавочное сопротивление R_д ; 4 — решетка; 5 — резистор

Контакты 1 и 2 при нормальной работе генератора замкнуты. При отключении автомата контактом 3 вводят добавочное сопротивление R_д в цепь возбуждения возбудителя, снижая ток возбуждения последнего. АГП снабжён решёткой из медных пластин 4. Расстояния между пластинами 1,5—3 мм. Резистор 5 необходим для выравнивания напряжения между дугогасительными промежутками.

При отключении автомата сначала размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные, причем дуга, возникающая на них, затягивается с помощью магнитного дутья в дугогасительную решётку и разбивается на ряд последовательных коротких дуг.

Короткая дуга является нелинейным активным сопротивлением, падение напряжения на котором сохраняется практически постоянным, равным 25—30 В, несмотря на изменение тока в дуге в широких пределах. Общее падение напряжения на дуге равно:

,

где ( — напряжение на короткой дуге; — число последовательных дуговых промежутков в решётке).

Таким образом, в момент вхождения дуги в решетку автомата напряжение на ней сразу возрастает до и практически остаётся неизменным до погасания дуги.

Число пластин в решетке выбирается таким, чтобы превосходило U_пот — потолочное напряжение возбудителя. При этом дуга существует, пока имеется запас энергии магнитного поля обмотки возбуждения генератора.

Если пренебречь падением напряжения в активном сопротивлении обмотки ротора, что допустимо для крупных синхронных генераторов, то уравнение переходного процесса примет следующий вид:

Электродвижущая сила самоиндукции обмотки возбуждения при изменении тока равна . Она определит разность потенциалов на обмотке ротора. Чем выше скорость изменения тока , тем больше э.д.с. самоиндукции. По условию электрической прочности изоляции обмотки ротора эта ЭДС не должна превышать . Так как в процессе гашения Uд имеет практически постоянное значение, то уравнение при условии максимальной скорости гашения поля во все время переходного процесса будет иметь вид:

.

Рис. 4.4. Характер изменения токов и напряжений в процессе гашения поля.

При этом следует иметь ввиду, что в течение периода гашения поля практически не изменяется. Следовательно, в процессе гашения поля генератора разрядом на дугогасительную решётку напряжение на обмотке ротора будет иметь постоянное значение, в пределе равное . Ток в обмотке ротора будет изменяться с постоянной скоростью, так как

Время гашения поля с использованием описанной выше схемы составляет 0,5—1 с. Процесс изменения тока в обмотке ротора и напряжения на её зажимах представлен на рис. 4.4. В данном случае условия гашения поля близки к оптимальным.

При гашении поля, создаваемого небольшим током, дуга в промежутках между пластинами горит неустойчиво, особенно при подходе тока к нулевому значению. Из-за погасания дуги в одном из промежутков обрывается вся цепь тока, что сопровождается перенапряжениями в цепи возбуждения.

Для того чтобы подход тока к нулевому значению был плавным, решетка шунтируется специальным набором сопротивлений 5 (рис. 4.3). При такой схеме дуга гаснет не вся сразу, а по секциям, что способствует уменьшению перенапряжений.

В настоящее время отечественные заводы изготовляют АГП данной конструкции на номинальные токи 300—6000 А.

В табл. 4.2 приведены основные параметры АГП для крупных синхронных машин

Таблица 4.2

Технические данные АГП

Параметры	АГП-12	АГП-30	АГП-60
Номинальное напряжение, В	500	500	500
Номинальный ток, А	1200	3000	6000
Габариты, мм: Высота Ширина Глубина	730 420 254	940 630 313	1063 820 405
Масса, кг	50	150	280

Гашение поля противовключением возбудителя применяется обычно для генераторов с тиристорным возбуждением. При этом вентили переводятся в инверторный режим. Напряжение на них меняет свой знак, что вызывает быстрый спад тока в обмотке ротора до нуля.