Глава 2. Автоматическое управление

включением синхронных генераторов на параллельную работу

1. Способы автоматического управления

Синхронные генераторы всех электростанций вращаются с одинако­вой установившейся (синхронной) частотой и_с = 1007Г рад/с, соответ­ствующей номинальной частоте промышленного синусоидального тока

/ном = ~ - ⁵⁰ Гц •

2ж

Их ЭДС сдвинуты по фазе лишь на углы £_н, определяемые передава­емой активной мощностью и сопротивлениями электропередачи и обу­словливаемые сопровождающими выработку и передачу электроэнергии электромагнитными процессами (реактивной мощностью). Угол сдви­га фаз и частота вращения изменяются лишь при электромеханиче­ских переходных процессах в электропередачах в пределах, не наруша­ющих синхронной динамической устойчивости электроэнергетической системы.

Для того чтобы включить выключателем Q (рис. 2.1) синхронный генератор G на параллельную работу с синхронно вращающимися гене­раторами электростанции и ЭЭС, необходимо выполнить ряд операций. Используются два способа включения синхронных генераторов на па­раллельную работу: быстродействующий способ самосинхронизации и относительно медленный способ точной синхронизации. Соответствен­но различаются два вида автоматического управления включением син­хронных генераторов, а именно автоматическая самосинхронизация и автоматическая точная синхронизация.

Е _с

Рис. 2.1. Упрощенная электрическая схема электростанции с синхро­низируемым генератором и ее связи с электроэнергетической системой

При самосинхронизации выключатель гидро- и турбогенератора включается при близкой к синхронной частоте вращения д>_г, т.е. при малом скольжении

_{s =} ^l± ₌ ^. ₌ 0,03 -у 0,05 , (2.1)

(Д_с uj_c

при невозбужденном синхронном генераторе (практически при отсут­ствии его ЭДС Е_г), и после тут же включаемого возбуждения синхрон­ный генератор самостоятельно за время 1-2 с входит (втягивается) в синхронизм — начинает работать синхронно.

При точной автоматической синхронизации генератор возбужда­ется до ЭДС холостого хода Е_г._х, практически равной напряжению 1!_ш на шинах электростанции (при блочной схеме определяемому с учетом трансформатора). Выключатель синхронного генератора включается при весьма малом скольжении s = 0,01 -4- 0,025 в момент совпадения по фазе его ЭДС и напряжения на шинах электростанции. После неболь­ших затухающих качаний ротора, обусловленных указанным скольже­нием, генератор входит в синхронный режим работы.

Как указывалось (см. § 1.2), быстродействующая самосинхронизация применяется при автоматических ускоренном пуске и пуске в режим работы синхронным компенсатором гидрогенераторов и при попытках незамедлительного восстановления нормального режима работы отклю­чившихся турбогенераторов. При автоматическом управлении нормаль­ным пуском гидро- и турбогенераторы включаются на параллельную работу автоматическим устройством точной синхронизации.

2. Автоматическое включение по способу самосинхронизации

Процесс самосинхронизации. В момент включения выключате­ля Q в обмотках статора генератора возникает ток включения 7"_с, огра­ниченный суммой сверхпереходного сопротивления генератора X% > > X" > X” — в зависимости от положения ротора — и сопротивле­ния связи Х_св с источником эквивалентной ЭДС электроэнергетической системы Е_с.

Ток /'(_с вызывает динамическое воздействие на обмотки и обусло­вливает возникновение ударного вращающего момента М_в,_с на валу ги­дроагрегата. Вращающий момент асинхронный, его значение зависит от скольжения s и угла 6_В между продольной осью ротора и магнитной осью вращающегося магнитного поля статора и имеет максимум при угле 6_В, равном или кратном 7г/4 [2].

Однако указанные воздействия на синхронный генератор менее ин­тенсивны, чем при трехфазном КЗ на его выводах, поскольку ток КЗ ограничивается только сверхпереходным сопротивлением Хд, с учетом которого генератор рассчитывается по условиям механической прочно­сти при его проектировании. Поэтому самосинхронизация практически всегда допустима.

Асинхронный вращающий момент создается трехфазной системой токов, наведенных в проводящих частях ротора — магнитопроводе и успокоительных обмотках с частотой скольжения. Однофазный инду­цированный ток в обмотке возбуждения ротора, замкнутой через га­сительный резистор R (для предотвращения разрушения изоляции об­мотки наведенной относительно высокой ЭДС), создает пульсирующий магнитный поток, который не влияет на результирующий процесс са­мосинхронизации генератора. Направление зависящего от скольжения асинхронного вращающего момента М_ас всегда уменьшает скольжение генератора: при ш_т < и_с момент М_ас разгоняет генератор, а при и_г > ш_с отрицательный М_ас снижает частоту его вращения. Поэтому асинхрон­ный вращающий момент быстро приближает частоту вращения и>_г к синхронной. Установившееся скольжение s_y определяется равенством М_ас.у небольшому механическому моменту М_м на валу энергоагрегата, развиваемому турбиной (рис. 2.2,а).

На вал гидрогенератора воздействует и реактивный вращающий мо­мент М_р, обусловленный явнополюсностью ротора и изменяющийся с двойной частотой скольжения (рис. 2.2,6)

^Мр = ^U^^X2_Xd^' ^{sin 2uj}■ (²-²)

При малом механическом моменте М_м, в течение периода скольжения турбины реактивный момент дважды с равной вероятностью снижает частоту скольжения до u_s = 0 и может зафиксировать положение ротора как при углах и 0, так и при 82 ~ 7г. Второе из указанных положе­ний ротора неправильно: при углах 5 > ж отрицательный синхронный электромагнитный момент М_с, появляющийся после включения возбу­ждения генератора, ударно вытолкнет ротор на одно полюсное деление, дополнительно механически воздействуя на вал энергоагрегата. Поэто­му возбуждение генератора включается (автоматом A5V) немедленно после его подключения к шинам электростанции вспомогательным кон­тактом выключателя Q. 1 (см. рис. 1.3). После включения возбуждения генератор под воздействием нарастающего момента М_с самостоятельно в течение 1-2 с втягивается в синхронизм [2]. Втягивание генератора в синхронизм с фиксированием установившегося положения ротора при угле 5 « 0 производится нарастающим экспоненциально [отражено на начальном участке графика М_с = f(8,t) на рис. 2.2,в] синхронным мо­ментом.

Рис. 2.2. Графики асинхронного (а), реактивного и синхронного (б) вращающих моментов и график процесса самосинхронизации (е) гене­ратора

При этом синхронный режим может наступить в течение одного (О < 6 < 7г) или нескольких полупериодов скольжения. Процесс начина­ется с упоминавшегося установившегося за счет асинхронного момента М_ас.у = | -М_м\ положительного (и>_г < и>_с) скольжения sу и угла 6, приня­того на рис. 2.2,в в целях упрощения S = 0. Возникающий ускоряющий генератор синхронный момент М_с уменьшает скольжение s < s_y (угол 5 = u_st увеличивается). При этом уменьшается и средний ускоряющий асинхронный момент +М_ас (см. рис. 2.2,а). В момент времени t\ сколь­жение и асинхронный момент снижаются до нуля (точка 1 на рис. 2.2,е). Однако по инерции, за счет избыточной кинетической энергии, ротор продолжает ускоряться, скольжение, поскольку и>_г > и_с, согласно (2.1) меняет знак. Снова возникающий, но отрицательный асинхронный мо­мент — М_ас становится тормозным, нарастает по абсолютному значе­нию, пока не уравновешивает положительный избыточный момент, со­здаваемый синхронным вращающим моментом М_и = М_с — М_ас — М_и (точка 2), и затем более интенсивно снижает скольжение. Точка 3 сно­ва соответствует отсутствию скольжения и асинхронного момента. На участке графика между точками 3 и 4 скольжение и асинхронный мо­мент снова положительны (и>_г < ш_с), ротор ускоряется. На рис. 2.2,6 показаны также участки графика изменения отрицательного и положи­тельного асинхронного момента между точками 4, 5 и 5, б соответствен­но. В момент времени, соответствующий точке б, наступает установив­шийся синхронный режим работы. Как указывалось, процесс втягива­ния в синхронизм может быть более длительным и заканчиваться после нескольких полупериодов скольжения, т.е. при угле 5 = 2п7г [1].

Устройство автоматической самосинхронизации входит в со­став автоматической системы управления изменением состояния гидро­генератора. Измерительной его частью является измерительное реле KFF (рис. 2.3) разности частот ИРРЧ с двумя входными воздейству­ющими величинами: вторичным напряжением U_m первичного измери­тельного трансформатора напряжения TV2 шин электростанции и оста­точной ЭДС синхронного генератора, возбуждаемой остаточной намаг­ниченностью его ротора. Относительно низкое ее значение Е_ТшОСТ ъ и 0,02£'_г._х и интенсивное возрастание до ЭДС холостого хода Е_{г х} в про­цессе возбуждения генератора определяют особенности цепи подключе­ния ИРРЧ к трансформатору напряжения TV 1 генератора и необходи­мость его автоматического отключения максимальным измерительным реле напряжения KV2.

Устройство автоматической самосинхронизации включается в рабо­ту контактами реле КL8 при включенном положении ключа самосинхро­низации SAF. Замыкающим контактом SAF (см. рис. 1.3) разрешает­ся исполнение сигнала на ускоренный пуск гидроагрегата. Контактами KL8.3, KL8A и KL8.5 подготавливаются цепи подключения реле раз-

от TV.2

а b с N

			KLS.3			KFF ИРРЧ
а
	b с		KLS.4 ку2Л KL9A ASV]
				KV2	S д КТ ASF. 4 у/

от TV\ (_я)

Рис. 2.3. Схема измерительной (а) и логической (б) частей устройства автоматической самосинхронизации

ности частот KFF и включается в работу релейно-контактная логиче­ская часть автоматического устройства соответственно (рис 2.3).

Цепь подключения ИРР Ч к измерительному трансформатору напря­жения TV1 (к остаточной ЭДС синхронного генератора) контролиру­ется размыкающими контактами KV2.1 реле напряжения (отсутствие напряжения генератора), А'£9.1 реле включения (см. рис. 1.3) выключа­теля синхронного генератора (выключатель отключен) и вспомогатель­ным контактом AS V. 1 автомата включения возбуждения — генератор невозбужден. Цепь замыкается с выдержкой времени реле КТ и размы­кается контактом ASF.4 исполнительного реле устройства самосинхро­низации.

При достижении гидрогенератором частоты вращения и>_г, близкой к синхронной, т.е. при разности частот = \и>_с—и_г|, равной или меньшей установленной частоты срабатывания ИРРЧ, оно кратковременно замы­кает свой контакт KFF и возбуждает исполнительное реле ASF, которое контактом ASF.2 самоудерживается (запоминает срабатывание ИРРЧ), а контактом ASFA при замкнувшемся ранее контакте Л'18.2 возбужда­ет реле KL9 включения выключателя Q синхронного генератора (см. рис. 1.3). Затем его вспомогательным контактом QA замыкается цепь питания обмотки автомата ASV включения возбуждения синхронного генератора.

При этом обмотка контактора КМ, замыкающего, как указыва­лось, обмотку ротора генератора на гасительный резистор R (см. рис. 2.1), обесточивается (на схеме не показано) и его контакт КМ размыкается. Реле разности частот KFF отключается от изме­рительного трансформатора напряжения TV1 синхронного генерато­ра поочередно размыкающимися контактами KV2A, KL9A, ASVA (рис. 2.3,а).

Чебоксарским электроаппаратным заводом (ЧЭАЗ) выпускается ми­кросхемное реле разности частот РГР11. Реле состоит из двух актив­ных управляемых интеграторов длительностей полупериодов изменения бг.ост ^{и и}ш, напряжения на выходах которых обратно пропорциональны частотам и_с и ui_T (см. ниже рис. 5.12), и элемента сравнения их абсо­лютных значений релейного действия [8].