книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

13. - ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К РЕГУЛИРОВАНИЮ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Энергетические системы Советского Союза обладают теми осо­ бенностями, что они содержат как короткие линии большой про­ пускной способности, так и дальние электропередачи с ограничен­ ной пропускной способностью, которые при определенных усло­

виях должны работать в зоне искусственной устойчивости. В связи с этим и требования к регулированию возбуждения в указанных двух случаях должны быть различны. Однако практически в СССР

для регулирования возбуждения мощных турбогенераторов, гид­

рогенераторов и синхронных компенсаторов с быстродействую­ щими системами возбуждения используется единый унифици­

рованный регулятор АРВ-СД, удовлетворяющий обеим группам

требований. Это достигается соответствующим выбором настройки регулятора, в том числе использованием всех или части имею­ щихся параметров регулирования.

Вунифицированном регуляторе возбуждения в качестве ста­ билизирующих параметров, обеспечивающих устойчивость си­ стемы регулирования и повышение статической и динамической устойчивости электропередачи, используются: первая производ­ ная напряжения генератора U', первая производная тока ротора

/у, изменение частоты напряжения генератора Δ/, первая произ­ водная частоты

Врезультате исследований, выполненных на моделях, и эк­

спериментов в энергосистемах в АРВ-СД предусмотрена возмож­

ность изменения коэффициентов регулирования в следующих

пределах: Aδ,7-(15-25-50)+7% ед. возб./ед. напр.; K11, — от О

с учетом длительного опыта эксплуатации энергосистем. При ма­

лых возмущениях они сводятся к следующему,

200

1.Система регулирования возбуждения должна обеспечивать статическую устойчивость генератора в случаях работы как на выделенный район, так и на приемную систему.

2.Должны быть обеспечены: устойчивость взаимного движе­ ния генераторов станции; устойчивость движения группы парал­ лельно включенных генераторов станции по отношению к нагрузке (к шинам приемной системы); устойчивость регулирования на­

пряжения.

3. Напряжение на шинах станции должно поддерживаться

сточностью +1% от заданной статической характеристики.

4.При изменении нагрузки генератора от 0 до номинального значения регулятор должен обеспечивать устойчивую работу без изменения его настройки обслуживающим персоналом.

5.В случае работы генератора через дальнюю линию электро­

передачи система регулирования возбуждения должна обеспечи­ вать устойчивость вплоть до достижения углом между векторами напряжений в начале и в конце линии электропередачи величины

θz≈90 эл. град. Физически это означает, что регулирование

возбуждения должно практически полностью компенсировать влияние реактивности генератора и трансформатора на предел

передаваемой мощности. Для достижения этого необходимо, чтобы регулирование возбуждения обеспечивало положительность коэффициентов синхронизирующего и демпфирующего моментов

при θz ≤ 90 эл. град.

. Условие положительности синхронизирующего момента мо­ жет быть выполнено при регулировании напряжения с большим коэффициентом усиления (например, A∆i∕=25, 50 и более), а усло­ вие положительности демпфирующего момента — использова­

нием стабилизирующих сигналов (производных режимных па­ раметров).

6. Регулирование возбуждения должно обеспечивать устой­ чивость генераторов станции при их параллельной работе на

общие шины, от которых отходят линии электропередач в не­ скольких направлениях.

7.Регулятор должен иметь устройство токовой стабилизации,

следящее за величиной тока машины в силовом трансформаторе,

атакже устройство токовой стабилизации для обеспечения рав­ номерного деления реактивного тока между генераторами при

работе их на общие шины генераторного напряжения.

8.Регулятор должен обеспечивать возможность работы в си­

стеме группового регулирования, обеспечивать ручную и автома­ тическую подстройку уставки напряжения синхронной машины

к напряжению сети при самосинхронизации и точной синхрони­

напряжения до установившегося потолочного значения за время,

201

не превышающее 0.05 сек., при снижении напряжения генера­ тора на 5%.

10.Выходное напряжение регулятора должно быть рассчи­

тано на работу как с двухгрупповой, так и одногрупповой схе­ мами возбуждения.

11.Регулятор должен нормально работать при следующих

отклонениях питающего напряжения: а) длительно — на +5%

и —10% по величине трехфазного напряжения и +2 и —3 Гц

по частоте и +10% и —20% по величине напряжения оператив­ ного тока; кратковременно — на +25% и —20% по величине трехфазного напряжения в течение 10 сек. (точность поддержания напряжения генератора ±5%) и по изменению частоты в преде­ лах от 40 до 80 Гц (точность поддержания напряжения генера­

тора + 10%).

13. Регулятор должен обеспечивать следующие функции по защите генератора: в режиме потребления реактивной мощности ограничивать минимальную величину тока ротора, предотвращая выпадение генератора из синхронизма из-за развозбуждения; воздействуя на ток ротора, ограничивать потребляемую генерато­ ром реактивную мощность по условиям его нагрева с уставкой, зависящей от величины активной'мощности и уровня напряжения на шинах станции; в режимах форсирования возбуждения осу­

ществлять ограничение тока ротора на уровне двукратной вели­

чины по отношению к номинальной без выдержки времени; пред­ отвращать перегрузки генератора по токам ротора и статора сверх

допустимых значений, разгружая генератор по этим токам с вы­ держкой времени, зависящей от величины перегрузки; в режимах

«выбега» турбогенераторов атомных электростанций поддержи­

вать ток ротора постоянным, равным току холостого хода.

13-2. АВТОМАТИЧЕСКИЙ регулятор возбуждения СИЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ арв-сд

Унифицированный регулятор типа АРВ-СД предназначен для турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов.

Он разработан ВЭИ им. В. И. Ленина, ВНИИэлектромашем,

Московским энергетическим институтом и другими организациями [16, 20] в соответствии с изложенными выше требованиями. Регу­ лятор предназначен для поддержания заданного уровня напря­ жения на шинах станции (подстанции), для демпфирования кача­ ний в послеаварийных режимах, для повышения статической и динамической устойчивости. Рассматриваемый регулятор по своим принципам и эффективности действия является наиболее совер­ шенным в мировой практике. Разработка и создание такого регу­

лятора базировалось на многолетних исследовательских и кон­

структорских работах, проводимых под руководством Г. Р. Гер-

ценберга, В. А. Веникова и В, Е, Каштеляна,

202

Структурная схема APB приведена нарис. 13-1. Для получения сигнала отклонения напряжения AtZ от трансформатора напря­ жения синхронной машины THCM через сопротивление блока

компаундирования по току БКТ напряжение подводится к блоку

БН. Блок БКТ совместно с промежуточными трансформаторами

тока компенсации ПТТк осуществляет компенсацию основной части (80—90%) индуктивного сопротивления повышающего

трансформатора. Падение напряжения в остающейся некомпен­ сированной части сопротивления достаточно для устойчивого распределения реактивных токов между генераторами, работаю­

щими на общие шины высокого напряжения станции через свои

трансформаторы. Промежуточный трансформатор тока стабили­ зации ПТТст используется при наличии'на электростанции об­ щих шин генераторного напряжения.

В блоке напряжения БН осуществляется выпрямление и фильтрация входного напряжения, а также определение вели­ чины и знака отклонения напряжения AtZ генератора от уставки.

Выпрямленное и отфильтрованное напряжение генератора подается на пассивный дифференциатор Д (цепь C—R), где пре­ образуется в сигнал производной U', а затем вместе с сигналом

AtZ подается на суммирующий усилитель У1. Подаваемое в БН напряжение 110 В 450 Гц обеспечивает правильную работу блока

при близких коротких замыканиях.

Изменение уставки напряжения регулятора может осуще­

ствляться с помощью потенциал-регулятора вручную и автома­ тически (воздействием на двигатели изменения уставки ДНУ1 и

ДНУ2). Через двигатель ДНУ1 осуществляется управление уставкой с центрального пульта управления ЦПУ, от устройства подготовки уставки при точной синхронизации ПУН, от устройства подгонки

уставки напряжения при самосинхронизации ПУС, от ограничи­ теля перегрузки ОП, а также от схемы уравнивания реактивной мощности системы группового регулирования возбуждения (ШУ,

ГР). Через сельсин ДНУ2 осуществляется воздействие от цен­ трального регулятора напряжения ЦРН системы группового регулирования возбуждения.

Релейное форсирование возбуждения РФ предназначено для компенсации сигнала на развозбуждение, поступающего по цепи производных напряжения U' и частоты f' в момент отключения короткого замыкания.

Для получения сигналов, пропорциональных отклонению А/

и производной частоты используется блок частоты и защиты

БЧЗ. Измерительный элемент блока представляет два резонанс­ ных контура, настроенных на резонанс при частотах 45 и 55 Гц. Выпрямленное и отфильтрованное напряжение резонансных кон­ туров подается на усилитель блока с противоположной поляр­

ностью. В результате этого выходное напряжение усилителя из-

203

ЦПУ CC UPH

меняется прямо пропорционально частоте Д/, а при 50 Гц оно

равно нулю. Пассивный дифференциатор создает сигнал, пропор­ циональный В результате на вход суммирующего усилителя У1 поступают сигналы Δ/ и

Защитный элемент блока отключает каналы Д/ и /' при по­ вышении частоты напряжения генератора вследствие сброса на­ грузки, а также при отключении нагруженного генератора за

счет воздействия блок-контакта выключателя.

Для получения сигнала производной тока ротора I'f напря­

жение трансформатора постоянного тока ТПТ, пропорциональное току ротора, фильтруется фильтром Ф и подается на пассивный дефференциатор, где преобразуется в сигнал Γj, и подается на вход

суммирующего усилителя У1. От того же трансформатора постоян­ ного тока ТПТ напряжение подается к блоку ограничения дву­ кратного тока ротора БОР-21. В данном случае используется нелинейный мост с использованием стабилитронов, на выходе которого появляется напряжение при токе (1.8—2.0) IfN. Это на­ пряжение подается на вход системы полупроводникового управ­ ления.

Следует заметить, что вместо трансформатора постоянного тока могут использоваться трансформаторы тока с выпрямителями на

вторичной стороне выпрямительного трансформатора.

При перегрузках по току ротора или статора, меньших дву­ кратной величины, регулятор производит уменьшение этих токов с выдержкой времени, зависящей от степени перегрузки. Ограни­ чение осуществляется с помощью блока ОП путем воздействия на

потенциал-регулятор ПР. Одновременно для ускорения процесса снижения тока ротора осуществляется уменьшение возбуждения по отклонению тока ʌʃʃ перегруженной обмотки путем воздей­

ствия на усилитель У1. Блок ОП включает функциональный

преобразователь, интегрирующий усилитель и эталонный элемент.

Входное напряжение функционального преобразователя про­

порционально току ротора или статора (на вход поступает боль­

P—

ствует максимально допустимой температуре нагрева обмотки.

о

206

Как видно из рис. 13-1, блок ограничения перегрузки ОН имеет на входе два тока: от трансформатора постоянного тока ТПТ, измеряющего ток ротора, и от трансформаторов тока син­ хронной машины TTCM через блок тока БТЛ-1 (промежуточный трансформатор и выпрямитель с нагрузочным сопротивлением).

Эти два входа подключаются параллельно через диоды. Поэтому

будет действовать вход той обмотки, которая имеет большую

перегрузку.

Блок ограничения минимального возбуждения OMB вступает в работу при определенном соотношении активной и реактивной

мощностей генератора и напряжения на его выводах. Настройка блока производится в соответствии с допустимым нагревом торцовых частей турбогенератора в режиме недовозбуждения. Если величина потребляемой реактивной мощности ограничи­ вается условиями статической устойчивости, то блок OMB

настраивается на определенную величину внутреннего угла генератора.

Блок «выбега» Б В представляет нелинейный мост на стабили­

тронах. Напряжение входа моста подается от блока тока БТЛ-2,

подключенного к трансформаторам тока TTB на вторичной сто­ роне выпрямительного трансформатора тиристорного преобразо­ вателя или на выводах вспомогательного генератора. Блок тока

БТЛ-2, как и блок БТЛ-1, имеет промежуточный трансформатор тока и выпрямитель с нагрузочным сопротивлением. Поэтому напряжение на нагрузочном сопротивлении блока БТЛ-2 будет пропорционально току ротора главного генератора. Параметры стабилитронов моста блока «выбега» выбраны таким образом, чтобы

ния тока ротора от значения тока холостого хода. Поскольку

канал отклонения тока ʌ/ʃ ротора действует на усилитель У1, то блок выбега, по существу, поддерживает ток ротора-, равный току холостого хода. В этом случае в процессе «выбега» турбо­ блока отношение напряжение турбогенератора к частоте будет оставаться постоянным, в результате чего обеспечивается нормаль­ ная работа асинхронных двигателей собственных нужд, полу­ чающих питание от выводов турбогенератора. Такой режим имеет важное значение для турбоблоков атомных электростанций при их вынужденных остановках, когда генератор после отключения

от сети останавливается и при этом требуется обеспечить питание двигателей собственных нужд блока.

Жесткая ЖОС и гибкая ГОС обратные связи, охватывающие регулятор и тиристорный преобразователь, обеспечиваются за счет блока обратной связи БОСИВ и делителя напряжения ДБОСИВ. Делитель напряжения включается на кольца ротора.

Особенностью блока обратной связи БОСИВ является то, что

207

он исключает электрическую связь между цепями обмотки ротора и регулятора. Это достигается преобразованием постоянного тока

впеременный, использованием трансформаторной связи и обрат­ ным преобразованием переменного тока в постоянный.^Жесткая

обратная связь ЖОС по напряжению возбудителя обеспечивает

линеаризацию характеристик регулятор—возбудитель (в преде­ лах ±5%) и уменьшает постоянные времени. Гибкая обратная

связь ГОС способствует устранению высокочастотных колебаний

вконтуре регулятор—возбудитель.

Квыходу суммирующего усилителя У1 подключаются усили­

тели У2-Ф и У2-Р для управления форсировочной и рабочей группами вентилей (в двухгрупповой схеме). Между усилителями У2-Ф и У2-Р и системами управления рабочей и форсировочной

групп вентилей включаются фильтры Фр и Фф, снижающие уро­

вень пульсаций на входе системы управления. Усилитель У1

имеет отрицательную обратную связь ОСУ1, улучшающую усло­

вия устойчивой работы; У2-Р также имеет обратную связь. Кроме того, усилители У2-Ф и У2-Р охвачены обратной связью ОСУ2У1,

которая улучшает линейность характеристик, уменьшает «дрейф» и постоянную времени. Корректирующая цепь КЦ представ­ ляет гибкую обратную связь, расширяющую зону устойчивой

работы на холостом ходу синхронной машины при наличии

сигнала U'.

Регулятор с двумя выходами настраивается таким образом,

чтобы в нормальных режимах работала в основном рабочая группа вентилей, а группа форсирования использовалась лишь кратко­ временно, в режимах форсирования. При этом важно обеспечить

приблизительную линейность результирующей характеристики: напряжение на кольцах ротора в зависимости от входного сигнала на усилитель У1. Следует заметить, что при одногрупповой си­ стеме возбуждения управление тиристорным преобразователем производится от усилителя форсировочной группы.

На входе системы управления форсировочной группой венти­ лей СУФ имеется узел ограничения форсирования, в котором

используются стабилитроны для ограничения максимальной ве­ личины управляющего напряжения. Эти стабилитроны подклю­ чаются в случае срабатывания реле, действующего при токе

ротора около 1.8—2.0 номинального значения. Если несмотря на работу узла ограничения форсирования ток ротора продолжает увеличиваться, то вступает в работу рассмотренный выше блок

ограничения двукратного тока ротора БОР-21.

Питание усилителей и некоторых блоков регулятора произ­ водится двумя стабилизированными статическими преобразова­

телями частоты ПЧМ1 и ПЧМ2, имеющими напряжение 110 В

и частоту 450 Гц.

АРВ-СД размещается в двух панелях-шкафах. На рис. 13-1

пунктиром обозначено оборудование, находящееся в каждой из

208

панелей-шкафов. Путем надлежащей настройки APB можно до­

стигнуть прежде всего почти полной компенсации индуктивных

сопротивлений генератора и повышающего трансформатора в нор­ мальных режимах работы, т. е. превратить шины высокого на­ пряжения станции в шины неограниченной мощности и тем самым получить возможность передачи по линиям наибольшей мощности по условиям статической устойчивости. Кроме того, удается обеспе­

чить наибольшее повышение динамической устойчивости в ава­

рийных режимах и добиться интенсивного демпфирования колеба­ ний роторов генераторов в послеаварийных условиях.

13. - АВАРИЙНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ

ПАРОВЫХ ТУРБИН

Во время коротких замыканий на линиях электропередач обычно происходит уменьшение нагрузки турбогенератора. По­

этому под воздействием вращающего момента паровой турбины происходит ускорение агрегата, что может приводить к потере

устойчивости работы турбогенератора. В этих условиях важно как можно быстрее уменьшить вращающий момент турбины. Пер­ вые попытки осуществить аварийную разгрузку турбины за счет закрытия клапанов паропроводов делались еще в 30-х годах.

Однако практически такая аварийная разгрузка турбин начала находить практическое применение лишь в последнее десятилетие в связи с внедрением электрогидравлических регуляторов ско­ рости.

Эффективность аварийной разгрузки на устойчивость зависит:

от времени запаздывания t3 изменения момента турбины по отношению к сигналу на закрытие клапанов турбины, от времени

закрытия T3 и открытия Ta клапанов, от длительности разгрузки ti и от величины уменьшения момента (рис. 13-2).

Современные мощные турбогенераторы имеют малую инерцион­ ную постоянную. Поэтому ротор в аварийных режимах движется с большой относительной скоростью и при устойчивом переходном процессе достигает максимального угла вылета приблизительно за 0.5 сек. после возникновения аварийного режима. Если время запаздывания t3 будет значительным (0.3—0.4 сек.), то автомати­

ческая разгрузка турбины окажется неэффективной.

Современные мощные турбины с промежуточным перегревом пара начинают уменьшать их вращающий момент приблизительно через 0.2 сек. после подачи управляющего сигнала. Время закры­ тия T3 регулирующих клапанов составляет около 0.15 сек. При этом динамическая устойчивость увеличивается на 10—15%.

Такой же результат получается при форсировании возбуждения

турбогенераторов от тиристорной возбудительной системы с крат- -ностью форсирования, равной двум. Если время запаздывания I3

будет уменьшено до 0.1 сек., то динамическая устойчивость может

быть повышена на 25—30% [35],

Необходимо обратить внимание на то существенное обстоятель­ ство, что глубокая разгрузка турбины может создать трудности

спитанием местной нагрузки, подключенной к шинам станции [16 ].

Вэтом случае при втором (отрицательном) отклонении угла создается большой дефицит мощности, может нарушаться син­ хронизм и машина может перейти в двигательный режим. Такой неблагоприятный режим усугубляется форсированием возбужде­ ния, поскольку при работе с местной нагрузкой напряжение на

Рис. 13-2. Типичный переходный процесс при аварийном регулировании

мощности паровой турбины.

Λfτ — вращающий момент турбины; ξ — относительный ход регулирующего клапана; t3 — запаздывание начала изменения момента турбины; T3 — время закрытия регулирую­ щего клапана; T0 — время открытия регулирующего клапана; ⅛ — длительность раз­ грузки турбины.

выводах генератора и на шинах станции в послеаварийном ре­

жиме восстанавливается медленно.

Для создания более благоприятных условий использования

аварийной разгрузки турбин при значительной местной нагрузке

на шинах станции необходимо: снизить вращающий момент только на 0.4—0.6 номинальной величины (практически этого достаточно для обеспечения устойчивости); уменьшить время запаздывания

нов (около 1.5 сек.) может быть оставлено без изменения; при­ вести согласование работы устройств аварийной разгрузки

и APB.

Следует отметить, что быстрейшее выполнение ускорения агре­

гата и высокая скорость в действии клапанов турбины и устройств управления необходимы не только для регулирования мощности

турбины, но и прежде всего для ограничения превышений скорости агрегата при аварийных сбросах нагрузки. Поэтому устройства для регулирования мощности турбины, по существу, являются лишь дополнением к системе регулирования скорости турбины. Выявле­ ние ускорения производится на основе дифференциального прин-

210