АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

1. СПОСОБЫ СИНХРОНИЗАЦИИ

Включение генератора [1] в сеть может сопровождаться толчками уравнительного тока и активной мощности на вал генератора, а также более или менее длительными качаниями. Указанные нежелательные явление возникают вследствие того, что частота вращения включаемого генератора отличается от синхронной частоты вращения генераторов энергосистемы, а напряжение на выводах возбужденного генератора — от напряжения на шинах электростанции. Поэтому для включения синхронного генератора на параллельную работу с другими работающими генераторами электростанции или энергосистемы его предварительно нужно синхронизировать. Синхронизацией называется процесс уравнивания частоты вращения и напряжения включаемого генератора с частотой вращения работающих генераторов и напряжением на электростанции, а также выбор соответствующего момента времени для подачи импульса на включение выключателя генератора.

На практике широкое применение получили два способа синхронизации: точная синхронизация и самосинхронизация.

Точная синхронизация

При включении генератора способом точной синхронизации необходимо выполнение следующих условий:

равенство по абсолютному значению напряжения включаемого генератора UГ(UГ ≈ EГ) и напряжения сети UC;

равенство угловой скорости вращения включаемого генератора ωI (или частоты fГ) и угловой скорости вращения генераторов энергосистемы ωC (или частоты fC);

совпадение по фазе векторов напряжения генератора и напряжения сети в момент включения выключателя.

Выполнение указанных условий обеспечивает включение генератора в сеть без броска уравнительного тока, без толчка активной мощности на вал генератора, без глубоких качаний.

Однако практически затруднительно выполнить точно указанные условия. Включение генератора допускается производить в условиях. когда существуют некоторая разность частот генератора и сети и разность абсолютных значений напряжения генератора и напряжения сети. Допустимое значение разности частот составляет 0,1—0,2 Гц, разности напряжений генератора и сети — 5—10% номинального.

Разность напряжений генератора и сети, в случае когда их частоты неодинаковы, периодически изменяется от нуля до максимального значения. Эта разность получила название напряжения биений, или напряжения скольжения Us. Изменение напряжения биений иллюстрируется векторной диаграммой (рис. 1,a) и графиком изменения напряжения во времени (рис. 1,б). Огибающая напряжения биений изменяется от нуля до максимального значения, равного двойной амплитуде 2U, и вновь уменьшается до нуля.

Действующее значение напряжения биений изменяется по закону

где δ — угол между векторами UГ. и UC; ωS = ωГ — ωС - угловая скорость скольжения. Время полного цикла изменения напряжения биений называется периодом скольжения Тs:

Чем больше скорость скольжения, тем меньше период TS. На рис. 1,в показаны два цикла изменения напряжения биений, соответствующие двум значениям угловой скорости скольжения ωS1 и ωS2, при этом ωS1 >ωS2.

1

сопровождается также снижением напряжения на выводах генератора, что оказывает неблагоприятное влияние на работу потребителей, подключенных к тем же шинам, что и генераторы электростанции.

Напряжение на шинах электростанции Uш можно определить по выражению

уменьшение тока IВКЛ и повышение напряжения UШ. Основным достоинством способа самосинхронизации является возможность достаточно быстрого по сравнению со способом точной синхронизации включения генератора в сеть. Это особенно важно при включении генератора в аварийных условиях, когда возникает необходимость в быстром включении резервных генераторов. Поэтому включение генераторов в аварийных условиях рекомендуется производить способом самосинхронизации независимо от значения уравнительного тока.

2. УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

Синхронизация генераторов, в особенности точная синхронизация, является очень ответственной операцией, требующей от обслуживающего персонала соответствующей квалификации и опыта работы. Поэтому автоматизация операций синхронизации является актуальной задачей.

Автоматические синхронизаторы содержат узлы, осуществляющие автоматическое уравнивание значений частоты и напряжения включаемого генератора со значениями частоты и напряжения энергосистемы, и узлы, осуществляющие контроль за выполнением всех условий синхронизации.

Для того чтобы включение генератора происходило в оптимальный момент времени (точка 1 на рис. 1, в) импульс на выключатель должен подаваться раньше этого момента, так как выключатель имеет собственное время включения. Время опережения tОП по от ношению к моменту оптимума должно быть равно времени включения выключателя tВ.В. Момент подачи импульса на выключатель обозначен на рис. 1,в точкой 2, при этом напряжение биений не равно нулю, оно определяется положением точки 2'. Времени tOП соответствует угол между векторами напряжений генератора и сети, называемый углом опережения δОП:

Различают два типа синхронизаторов: синхронизатор с постоянным углом опережения, в котором импульс на включение подается при достижении углом δ определенного постоянного значения, и синхронизатор с постоянным временем опережения, в котором импульс на включение подается с постоянным временем опережения, равным времени включения выключателя.

Широкое применение получили более точные синхронизаторы с постоянным временем

3

опережения. К ним относятся синхронизаторы АСТ-4, УБАС, СА-1. Ниже рассмотрены синхронизаторы типа УБАС и СА-1.

Синхронизатор с постоянным временем опережения типа УБАС

Автоматический синхронизатор типа УБАС (устройство бесконтактное автоматической синхронизации) состоит из шести основных узлов (рис. 3):

узла питания, обеспечивающего питание полупроводниковых элементов, входящих в состав синхронизатора, и одновременно вырабатывающего напряжение биений

US;

- узла опережения, вырабатывающего импульс на включение выключателя

генератора с опережением по отношению к моменту совпадения по фазе векторов UГ и UС;

-узла контроля разности частот генератора и сети, обеспечивающего прохождение сигнала узла опережения на включение выключателя;

-узла контроля разности напряжений генератора и сети, разрешающего прохождение сигнала на включение выключателя при разности напряжений, не превышающей допустимую;

-узла подгонки частоты, осуществляющего подгонку частоты включаемого генератора

кчастоте работающих генераторов путем воздействия на механизм управления турбины;

-узла включения, вырабатывающего определенной длительности импульс на

включение выключателя.

Узел опережения (рис. 4,а) состоит из промежуточного трансформатора TL4, выпрямительных элементов VS, фильтров ZV, дифференцирующего элемента Е1, нуль-органа ЕА1 и реле изменения уставок времени опережения KL1-KL3.

Рис. 4. Узел опережения синхронизатора УБАС:

а - функциональная схема; б — схема дифференцирующего элемента Е1; в временная диаграмма работы

4

На вход узла подается напряжение биений, образованное разностью напряжения генератора UГ и напряжения сети UC. Для получения напряжения, равного разности двух напряжений, система этих двух напряжений должна иметь общую точку в схеме. Поэтому в схемах синхронизации объединяются между собой фазы В вторичных цепей трансформаторов напряжения генератора и сети.

Главным элементом узла опережения является нуль-орган ЕА1, сигнал на выходе которого возникает в момент, когда напряжения на двух его входах достигают одинакового значения (точки а1 и a2 на рис. 4,в). Сигналом на выходе узла опережения является напряжение UУ.OП прямоугольной формы, существующее до конца периода скольжения.

Ток на первом входе нуль-органа i1 определяется значением напряжения биений US, и сопротивления резисторов R1-R3:

где R - сопротивление резисторов Rl, R2 или R3.

Ток на втором входе нуль-органа i2 определяется напряжением на выходе Е1 (рис. 4,б). Дифференцирующий элемент предназначен для получения напряжения, пропорционального производной от напряжения биений. На вход E1 подается напряжение биений US.

Напряжение на выходе Е1 с некоторым приближением равно

где k2 — коэффициент пропорциональности; UВХ=US..

Время опережения, создаваемое нуль-органом ЕА1, - постоянная величина, не зависящая от скорости скольжения; на графике на рис. 4,в видно, что tOП1 = tOП2.

Для настройки нуль-органа на время опережения, равное времени включения выключателя, используются резисторы R1—R3 (см. рис. 4,а), управляемые с помощью промежуточных реле KL1-K.L3 и переключателя SA1. Резисторы R1-R3 обеспечивают время опережения в диапазоне от 0,15 до 1,0 с.

Узел контроля разности частот (рис. 5,а) состоит из промежуточного трансформатора TL5, выпрямительного элемента VS, фильтра ZV, релейного элемента ЕА2, триггеров DS1 и DS2, элементов времени DT1 и DT2, логического элемента DU (НЕ).

На вход узла контроля разности частот, так же как и на вход узла опережения, подается напряжение биений US, поступающее после выпрямления на вход релейного логического элемента EA2. Сигнал на выходе элемента EA2 появляется при достижении напряжением US напряжения срабатывания элемента EA2 UCEA2- Этот сигнал существует до тех пор, пока напряжение биений не станет меньше напряжения возврата UBEA2. Напряжения срабатывания и возврата можно регулировать с помощью резисторов R4 и R5. На диаграмме на рис. 5,б, моменты срабатывания элемента EA2 обозначены точками а1, а2, а3, моменты возврата — точками b1, b2, b3. Длительность сигнала на выходе элемента EA2 пропорциональна периоду биений. Для контроля периода биений используются два полупроводниковых логических элемента времени DT1 и DT2, управляемых триггерами DS1 и DS2.

5

разбросом времени включения выключателя tВ.В. При совпадении знаков ΔδС, tC, tВ.В. угловая погрешность определяется по следующему выражению:

Если считать, что угловая погрешность δОШ не должна превышать максимально допустимого значения угла в момент включения выключателя δМ.Д, то, используя выражение (10), получим

Значение δМ.Д определяется максимально допустимыми значениями тока в цепи генератора в момент включения выключателя I"М.Д и электромагнитного момента, действующего на вал агрегата.

Действующее значение периодической составляющей тока в начальный момент включения

— угол между векторами ЭДС генератора и системы в момент включения выключателя; Х"d, ХC — сопротивление генератора и системы в схеме замещения на рис. 2.

Для допустимых значений выражение (12) имеет вид

Для генераторов средней мощности, у которых Х"d ≤ 0,275, принимается I"М.Д = 1,0. При этом электромагнитный момент, действующий на вал агрегата, составляет менее половины его максимального значения при трехфазном КЗ на выводах генератора. Для генераторов большой мощности, у которых Х"d > 0,275, принимается I"М.Д = 0,275 / Х"d, что обеспечивает нормируемый коэффициент запаса по электромагнитному моменту, равный 2.

Рассчитанное по выражению (14) значение δМ.Д используется в выражении (11) для нахождения максимально допустимой угловой скорости скольжения. При использовании синхронизатора УБАС допустимая разность частот составляет 0,1-0,2 Гц.

Узел контроля разности напряжений (рис. 6,а) состоит из выпрямительного элемента VS, фильтра ZV, нуль-органа ЕА3, триггеров DS3 и DS4, элемента времени DT3. На вход узла контроля разности напряжений подается напряжение биений, действующее между средней точкой потенциометра R6—R7, включенного на напряжения UАГ и UАС и напряжением UB.B

7

Используемое данным узлом напряжение биений сдвинуто на 180° относительно напряжения, снимаемого с фаз UАГ и UАС- График изменения напряжения биений на входе узла показан на рис. 6,б; векторные диаграммы, поясняющие характер изменения напряжения биений, приведены на рис. 7. Как следует из векторных диаграмм, напряжение биений, используемое узлом, при δ=0° максимально, при δ = 180° минимально. Контроль разности напряжений генератора и сети производится в области углов δ = 180°, т.е. раньше момента срабатывания узла опережения (момента оптимума): при UГ = UС напряжение биений равно нулю, при UГ ≠ UC оно больше нуля.

Выпрямленное напряжение биений US поступает на первый вход нуль-органа ЕАЗ, на второй его вход подается эталонное напряжение UЭТ от узла питания UПИТ- Эталонное напряжение может регулироваться с помощью резистора R8. Оно принимается равным допустимой разности напряжений генератора и сети — 10—11% UНОМ.

Узел контроля разности напряжений работает следующим образом. Если UГ = UС или если разность UГ и UС не превышает допустимого значения, возникают условия для срабатывания нуль-органа ЕАЗ. Сигнал на выходе нуль-органа ЕАЗ возникает в области узлов δ = 180°, когда напряжение биений и эталонное напряжение равны (точка а на рис. 6,б). В точке b этот сигнал снимается. Триггер DS3 фиксирует срабатывание элемента ЕАЗ. Сигнал на выходе DS3 - напряжение UК.Н - используется узлом включения. Длительность выходного сигнала ограничивается с помощью элемента времени DT3, управляемого триггером DS4 по сигналу узла опрежения. Время t3, равное приблизительно 1,5 с, обеспечивает надежную работу узла включения в области узлов δ =0°.

Если разность напряжений генератора UГ и сети UC; превышает допустимое значение, напряжение биений во всей области углов δ больше эталонного напряжения UЭТ, вследствие чего нуль-орган ЕАЗ не срабатывает, напряжение на выходе узла UК.Н равно нулю и узел включения будет заблокирован.

Рис. 6. Узел контроля разности напряжений синхронизатора УБАС: а - функциональная схема; б - временная диаграмма работы

Для генераторов, оборудованных автоматическими регуляторами возбуждения

8

сильного действия (АРВ-СД), включение допускается при разности напряжений генератора и сети порядка ±1%. Соблюдение этого условия позволяет избежать нежелательней форсировки или расфорсировки возбуждения от АРВ-СД в момент подключения генератора к сети.

Рис. 7. Векторные диаграммы, поясняющие временные

характеристики узла контроля разности напряжений:

а) δ = 0, UГ = UC ; б) δ = 180°, UГ = UC,; в) δ = 0, UГ < Uc; г) δ= 180, UГ < UC

Поскольку синхронизатор УБАС не может обеспечить контроль разности напряжений с точностью 1%, используется специальный блок подгонки уставки напряжения генератора (ПУН), входящий в состав АРВ-СД. Блок ПУН осуществляет автоматическую подгонку напряжения генератора к напряжению сети с точностью ±1% путем изменения уставки АРВ генератора. Одновременно блок ПУН размыканием цепи фазы В блокирует работу блока контроля разности напряжений, так как последний имеет уставку по значению разности синхронизируемых напряжений порядка 10% и может включить генератор в сеть при указанной разности. При достижении разности напряжений генератора и сети 1% и ниже реле блока ПУН срабатывает, разрешая действие синхронизатора. При использовании блока ПУН накладка SX1, включенная параллельно контакту реле ПУН, должна быть отключена. Накладка SX1 включается при синхронизации генераторов, не оборудованных АРВ-СД.

Узел подгонки частоты (рис. 8,а) состоит из промежуточных трансформаторов TL6 и TL7, выпрямительных элементов VS и фильтров ZV, релейных элементов ЕА4 и ЕА5, усилителей Е2, ЕЗ, Е4, E5, элементов времени DT4 и DT5, промежуточных реле KL6 и KL7 и выходных реле KL9 и KL10. Узел состоит из двух симметричных частей: первая часть, включающая элементы TL6, ЕА4, Е2, KL6, Е4, KL9, предназначена для увеличения частоты генератора; вторая часть, включающая элементы TL7, ЕА5, ЕЗ, KL7, E5, KL10, — для снижения частоты генератора. Элементы DT4 и DT5 являются общими для двух частей.

К трансформатору TL6 подается напряжение биений, образованное фазами UAГ, UAС к трансформатору TL7 — напряжение, образованное фазами UAС и UСГ Первое из указанных напряжений используется релейным элементом ЕА4, второе напряжение — релейным элементом ЕА5. Характер изменения напряжений биений во времени на входе элементов ЕА4 и ЕА5 таков, что при fГ < fС вектор напряжения на элементе ЕА5 отстает на 60° от вектора напряжения на элементе ЕА4. Указанное иллюстрируется векторными диаграммами на рис. 9. Если fГ > fС, вектор напряжения на элементе ЕА5 опережает вектор напряжения на элементе ЕА4 также на 60°. Это свойство изменения напряжений биений используется для определения знака отклонения частоты генератора от частоты сети и для выработки соответствующего управляющего воздействия.

9