книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

Добавочные потери от высших гармоник тока в обмотке статора зависят от высоты проводника и глубины проникнове­ ния тока в толщу проводника 1г, обратно пропорциональной корню квадратному из частоты гармоники:

Добавочные потери возникают также в зубцах статора, непо­ средственный учет которых затруднен и которые учитываются косвенно в коэффициенте снижения мощности генератора при несинусоидальной нагрузке. Уменьшение мощности генератора из-за добавочного нагрева обмотки статора высшими гармо­ никами тока определяется по добавочным потерям в меди об­ мотки статора

потери от высших гармоник тока; /v — ток гармоники v-ro по­

рядка; kj — коэффициент вытеснения тока основной гармо­ ники.

Коэффициент снижения мощности из-за добавочного на­ грева обмотки статора

Магнитный поток, связанный с гармониками тока статора, имеющими частоту fm — 6n— 1 (п = 1, 2, . . . ) , вращается на­ встречу вращению ротора, а поток гармоник с частотой fm = = 6/г + 1 вращается согласно с ротором, но и те и другие по­ токи наводят в роторе токи повышенной частоты, которые вызывают добавочный нагрев элементов ротора. Добавочные потери при этом выделяются в очень тонком поверхностном слое бочки ротора ввиду сильного вытеснения токов высших гармоник и почти не возникают в обмотке возбуждения, хорошо экранированной от действия высших гармонических полей массивом ротора. Однако повышение температуры об­ мотки возбуждения может быть довольно значительным из-за косвенного нагревания меди обмотки возбуждения потерями в массиве ротора.

Так как точное определение добавочных потерь в роторе практически невозможно, а физически явление добавочного нагрева элементов ротора при несинусоидальной нагрузке аналогично добавочному нагреву при несимметричном режи­ ме, принято эквивалентировать эти режимы с точки зрения теплового воздействия и считать допустимой такую несину-

150

соидальную нагрузку, при которой добавочные потери в ро­ торе от токов высших гармоник будут не выше потерь несим­ метричного режима, допускаемого Правилами технической эксплуатации.

/ о2/'2э> 2 ВН­

ЕСЛИ принять, что приведенное активное сопротивление ро­ тора высшим гармоникам тока гч приблизительно равно ак­ тивному сопротивлению обратной последовательности г2э, то критерий допустимости несинусоидального режима по ротору примет вид

V Р С Р

2 j 1 V ^ 1 2доп‘

При определении допустимой несинусоидальной нагрузки турбогенератора по статору по выражению (12) необходимо учитывать добавочные потери главным образом в верхних стержнях обмотки, в которых эти потери во много раз выше потерь в нижних стержнях из-за сильного вытеснения тока высших гармоник.

В табл. 15 приведены значения эквивалентной несиммет­ ричной нагрузки при работе турбогенератора на несинусои­ дальную нагрузку [17].

§ 39. Асинхронный режим

Под асинхронным режимом, вообще говоря, понимают кратковременную работу системы при несинхронной скорости одного или нескольких генераторов, что может быть вызвано либо нарушением их устойчивости, либо потерей возбуждения.

В первом случае генераторы не теряют возбуждения, но выходят из синхронизма по отношению к остальной части си­ стемы и работают с переменным скольжением, находясь то в генераторном, то в двигательном режиме (качания). Такой режим является тяжелой аварией и часто влечет за собой полный распад системы. Подобные аварии и способы их пред­ отвращения подробно рассматриваются в курсах устойчивости.

Во втором случае генератор теряет возбуждение и перехо­ дит из синхронного в устойчивый асинхронный режим с по­

151

стоянным скольжением и отдачей некоторой активной мощ­ ности в систему. При этом возбуждение генератора осуществ­ ляется за счет потребления реактивной мощности из системы.

Причины потери возбуждения разнообразны. Это и повреж­ дения в цепях возбуждения (обрыв), и неисправность вторич­ ных цепей защиты и управления и, наконец, ошибочные дей­ ствия персонала.

Во многих случаях возбуждение может быть быстро вос­ становлено и нормальная работа генератора возобновляется.. В других случаях требуется переход на резервное возбужде­ ние и, хотя такой переход занимает некоторое время, оста­ новку генератора производить нецелесообразно, учитывая трудности последующего пуска горячей турбины, а также углубление аварийного состояния в системе при отключении мощности. Вот почему Правилами технической эксплуатации, разрешается кратковременная работа турбогенераторов в асинхронном режиме без возбуждения. Величина асинхронной мощности и допустимая продолжительность режима зависят от конструкции генератора, состояния цепи возбуждения в мо­ мент перехода в асинхронный режим и от возможностей энер­ госистемы компенсировать довольно значительную дополни­ тельную реактивную мощность по сравнению с предаварийным режимом (например, при переходе в асинхронный режим турбогенератора 300 МВт дополнительная реактивная мощ­ ность от сети должна составить 400—600 Мвар, в противном случае напряжение на шинах станции может понизиться до недопустимых значений).

При потере возбуждения исчезает с постоянной времени об­ мотки возбуждения т / синхронный момент нормального ре­ жима и турбогенератор сбрасывает активную нагрузку до нуля. Если в результате потери возбуждения обмотка возбуж­ дения окажется разомкнутой, то переходный процесс исчезно­ вения потока ротора будет происходить с постоянной времени массивной бочки ротора Тб'. По мере уменьшения синхронного тормозящего момента на валу генератора возникает избыточ­ ный момент, скорость вращения агрегата возрастает и он переходит в асинхронный режим со все увеличивающимся скольжением. При этом замкнутые контуры ротора начинают пересекать магнитное поле в зазоре машины, создаваемое м. д. с. статора, и в них индуктируется переменный ток часто­ ты скольжения

который и обусловливает появление асинхронного тормозя­ щего (генераторного) момента на валу Масх.

Одновременно под действием первичного регулятора тур­

152

бины, уменьшающего впуск пара, падает вращающий момент турбины до величины, при которой он будет уравновешен воз­ росшим асинхронным моментом (рис. 105). Из-за одноосности обмотки возбуждения и неодинаковости магнитной проводи­ мости в продольной и поперечной осях машины этот асинхрон­ ный момент не остается постоянным, а колеблется около сред­ него значения Масхср по закону [21] (рис. 106)

УИасх = М й sin2о -)- M qcos2о,

где б — угол сдвига продольной оси ротора относительно маг­

нератора в асинхронный ре­ жим. При разомкнутой

обмотке возбуждения токи частоты скольжения наводятся в-- массиве ротора, который ведет себя при этом как многофаз­ ный ротор. По мере увеличения скольжения глубина проник­ новения токов уменьшается и активное сопротивление ротора растет, растут также потери в роторе ДРасх> причем, как и при несимметричном режиме, распределение их по поверхности ро­ тора неравномерно. Наибольшие потери выделяются в торцо­ вой зоне, и поэтому именно там наблюдаются наибольшие температуры, ограничивающие асинхронную мощность генера­ тора.

Несмотря на то что реактивное сопротивление рассеяния ротора с ростом скольжения падает (рис. 107), значительное увеличение эквивалентного активного сопротивления ротора обусловливает увеличение его полного сопротивления и срав­ нительно пологий подъем моментной характеристики с увели­ чением скольжения (кривая 1 рис. 108). Как видно из этой кривой, установившийся асинхронный режим достигается при

153

■сравнительно больших скольжениях (0,8 — 0,9%), при кото­ рых потери в роторе могут оказаться больше допустимых:

^Расх доп ^ ^^возб II-

•Если частота скольжения ротора относительно потока статора

154

и допустимая мощность генератора в асинхронном режиме без возбуждения

Другой характер приобретает режим работы генератора без возбуждения при замкнутой обмотке ротора. Такой слу­ чай возможен при потере возбуждения возбудителя, когда об­ мотка ротора остается замкнутой на якорь возбудителя, или в случае отключения автомата гашения поля, когда обмотка ротора замыкается на гасительное сопротивление. В, этом слу­ чае процессы в роторе усложняются за счет наводимого в об­ мотке возбуждения однофазного переменного тока, имеющего частоту скольжения и соз­ дающего пульсирующее поле той же частоты. Это магнитное поле по общим правилам может быть разложено на два вра­ щающихся в разные сто­ роны поля половинной амплитуды. Обратное по­

неподвижно относительно вращающегося поля ста­ тора и создаст тормо­ зящий (генераторный) момент, который сло­ жится с моментом от то­

ков, наведенных в массиве ротора полем статора, и, таким об­ разом, результирующий асинхронный момент при данном скольжении значительно увеличится. Моментная характери­ стика генератора станет более «жесткой» (кривая 2 рис. 108).

Прямое поле наводит в статоре токи частоты ( l + 2s), маг­ нитное поле которых находится в противофазе с прямым по-

.лем, и поэтому дополнительного момента вращения не соз­ дает. Однако эти токи, замыкаясь через сеть, на которую ра­ ботает генератор, вызовут значительные колебания (пульса­

асинхронного режима турбогенератора с замкнутой обмоткой ротора (рис. 109).

Существует промежуточный режим у машин, имеющих ■•схему возбуждения, выполненную на выпрямителях (рис. НО).

155

Выпрямительное устройство, на которое оказывается замкну­ той обмотка ротора, пропускает ток только в одном направле­ нии, указанном стрелкой. Поэтому переменный однофазный ток частоты скольжения, возникающий в обмотке возбужде­ ния турбогенератора при асинхронном режиме, прерывается каждый полупериод при переходе тока через нуль, что экви­ валентно периодическому размыканию и замыканию обмотки

возбуждения. Помимо того, что такой режим привел бы к не­ желательному периодическому резкому изменению асинхрон­ ного момента, он еще и опасен для изоляции ротора из-за перенапряжений, появляющихся на обмотке возбуждения и на выпрямительном мосте в моменты обрыва цепи тока. При­ меняя постоянно включенное параллельно обмотке возбужде­

ния сопротивление тиритового типа, величина которого зави­ сит от приложенного напряжения, избегают этих неприятных последствий.

На рис. 108 приведен еще третий вид характеристики асин­ хронного момента в зависимости от скольжения, когда обмот­ ка возбуждения замкнута на гасительное сопротивление (кри­ вая 3). Как видно, из-за наличия в цепи возбуждения неболь­ шого дополнительного сопротивления (3—5-кратное сопротив­ ление обмотки возбуждения) асинхронные моменты умень­ шаются и характеристика становится более пологой (менее «жесткой»).

156

Как указывалось выше, переход турбогенератора в асин­ хронный режим сопровождается увеличением потребления реактивной мощности. Генератор, потеряв возбуждение, вопервых, перестает выдавать в систему реактивную мощность, которая в нормальном режиме обычно составляет 0,6 — 0,65 Ракт (например, для блока 300 МВт около 200 Мвар), и, во-вторых, начинает потреблять из сети реактивный ток. Вели­ чина его в начале перехода в асинхронный режим, т. е. при нулевом скольжении, определяется напряжением сети Uc и суммой реактивных сопротивлений: внешнего хвн и синхрон­ ного Xd или хд. Этот ток равен 0,4—0,6 /н у турбогенераторов

разных типов. При увеличении скольжения потребление тока из сети возрастает из-за повышения асинхронной нагрузки турбогенератора и может достигнуть даже при относительно

так и приведенный ток ротора могут быть вычислены по изве­ стному скольжению. Однако ввиду того, что зависимость тока ротора от скольжения очень сложна, формулы для его опре­ деления здесь не приводятся [20].

157

Вообще, аналитическое определение допустимого режима очень трудно, и поэтому у нас в стране были проведены много­ численные экспериментальные исследования асинхронного ре­ жима турбогенераторов с косвенным охлаждением, которые позволили установить условия допустимости таких режимов при потере возбуждения.

1.Потери в роторе при асинхронном режиме должны быть, не выше потерь при номинальном синхронном режиме.

2.Ток в обмотке статора не более 1,1 /„.

сети в этом режиме по величине равно активной нагрузке ма­ шины (cos ср = 0,7).

Правила технической эксплуатации разрешают работу в асинхронном режиме также и для машин с непосредственным, охлаждением, однако при определении критериев допусти­ мости такой работы требуется учесть ряд особенностей этих машин:

1) большие Xd" и X/ , что обусловливает меньшую вели­ чину Масх, и большие скольжения в установившемся асин­ хронном режиме по сравнению с машинами косвенного охлаж­ дения;

2) большие номинальные плотности тока в обмотке стато­ ра, отсюда меньшая допускаемая длительность асинхронного режима;

3)иное распределение потоков тепла в массиве ротора каю

внормальном, так и в асинхронном режимах;

4)большая линейная нагрузка статора машин с непосред­ ственным охлаждением.

С учетом этих особенностей длительность асинхронного ре­

допустимая асинхронная нагрузка ограничивается током ста­ тора и составляет 0,55 Ря для машин типа ТВФ мощностью 60 и 100 МВт и 0,4 Я„ для генераторов типов ТВФ, ТВВ и ТГВ мощностью 60—300 МВт.

Если при переходе в асинхронный режим нагрузка этих турбогенераторов окажется выше, необходимо за время не более 2 минут разгрузить их автоматически или вруч­ ную.

Для иллюстрации количественных соотношений асинхрон­ ного режима ниже приводятся характеристики турбогенера­ тора 300 МВт типа ТГВ [21] (рис. 113—117):

158