Регулирование напряжения и системы возбуждения

Установленный режим работы синхронного компенсатора (кривая U=U_hom на рис. 2.3) может самопроизвольно изменяться в результате изменения по тем или иным причинам внешнего напряжения, а также при КЗ в сети. В последнем случае необходима автоматическая форсировка возбуждения, чтобы поддержать устойчивость параллельной работы электростанций и уменьшить колебания напряжения у потребителей. В нормальных условиях работы регулирование возбуждения синхронного компенсатора производится автоматически, однако возможно и ручное регулирование.

Рис. 2.6. Принципиальная схема машинного возбуждения синхронного компенсатора мощностью 50 MB·A:

1 - трансформаторы тока; 2 - установочный реостат компаундирования; 3 - трансформатор напряжения; 4 - установочный автотрансформатор корректора напряжения; 5 - устройство компаундирования; 6 - статор компенсатора; 7 - обмотка ротора компенсатора; 8 - электродвигатель; 9 - корректор напряжения; 10 - контактор пуска; 11 - пусковой резистор; 12 - автомат гашения поля (АГП); 13 - дугогасительная решетка; 14 - резисторы, шунтирующие дугогасительную решетку; 15 - дугогасительные контакты; 16 - рабочие контакты; 17 - возбудитель; 18 - дополнительная обмотка возбуждения возбудителя; 19 - основная обмотка возбуждения возбудителя; 20 - шунтовой реостат возбудителя; 21 - контакт релейной форсировки возбуждения; 22 - подвозбудитель; 23 - шунтовой реостат подвозбудтеля; 24 - обмотка возбуждения подвозбудителя

Рис. 2.7. Принципиальная схема тиристорного возбуждения синхронного компенсатора 100 MB∙А:

1 - синхронный компенсатор; 2, 3, 4 - выключатели; 5 - выпрямительный трансформатор; 6 - трансформатор собственных нужд; 7 - тиристорный преобразователь; 8 — вспомогательное устройство измерения (ВУИ); 9 - переключатель полярности возбуждения; 10 - селеновый ограничитель перенапряжений обмотки ротора; 11 - АГП; 12 - селеновый ограничитель перенапряжений тиристорного преобразователя; 13 - вспомогательные контакты переключателя полярности возбуждения; 14 система управления тиристорами

В недалеком прошлом для синхронных компенсаторов мощностью до 75 МВ·А применялось электромашинное, а для синхронных компенсаторов большей мощности - ионное возбуждение. В настоящее время вместо ионного возбуждения внедрена более надежная тиристорная система возбуждения. Широкое применение нашла система бесщеточного возбуждения.

Электромашинная система возбуждения синхронного компенсатора мощностью 50 MB·А приведена на рис. 2.6. Возбудительный агрегат состоит из возбудителя постоянного тока 17, привода - асинхронного электродвигателя 8, подвозбудителя постоянного тока 22 с самовозбуждением.

В схеме автоматического регулирования напряжения имеется устройство компаундирования УК, состоящее из промежуточного трансформатора и выпрямителей. Выпрямленный ток на выходе УК изменяется пропорционально току статора.

Допустим, что напряжение в сети внезапно изменилось до 0,9 U_НОM (см. рис. 2.3). Точка режима работы синхронного компенсатора Л переместится по вертикальной прямой в точку Б. При постоянном токе ротора I_р' это приведет к увеличению тока статора до значения I_ст. На выходе УК возрастает ток, посылаемый им в обмотку возбуждения возбудителя, при этом ток в роторе увеличится с I_р' до I_р и частично восстановится напряжение на шинах (точка В). Но УК не обеспечивает точного поддержания напряжения на шинах подстанции в соответствии с заданным графиком. Поэтому одновременно с регулированием по току статора применяется еще регулирование по напряжению на выводах статора. Оно выполняется корректором напряжения КН, вступающим в работу с некоторым запозданием, вносимым магнитным усилителем устройства. Корректор напряжения увеличивает возбуждение синхронного компенсатора, изменяя ток в дополнительных обмотках возбудителя. В результате действия КН точка режима работы переместится в точку Г, лежащую на заданной характеристике U=U_ном. Ручное регулирование нагрузки синхронного компенсатора производится шунтовым реостатом 23 при отключенном КН, если КН включен его установочным автотрансформатором 4.

При КЗ, когда напряжение в сети резко снижается (до 0,85U_НOM и ниже), вступает в действие релейная форсировка возбуждения. При ее срабатывании контакт 21 закорачивает шунтовой реостат в цепи возбуждения возбудителя, В результате ток ротора увеличивается до максимального и возбуждение синхронного компенсатора достигает предельного значения.

Персоналу запрещается вмешиваться в работу автоматического устройства возбуждения, если время форсировки не превышает допустимое. После отключения КЗ или истечения установленного времени форсировки синхронный компенсатор должен автоматически разгружаться и переводиться в номинальный режим работы.

Гашение поля. Энергия магнитного ноля синхронного компенсатора при отключении его от сети превращается в электрическую энергию. Переходный процесс может привести к появлению опасных для изоляции обмотки ротора и контактных колец перенапряжений. Если отключение синхронного компенсатора вызвано к тому же повреждением внутри машины, то ток в обмотке возбуждения будет длительно индуктировать в статорной обмотке ЭДС, что приведет к устойчивому горению дуги и увеличению степени повреждения.

Поэтому при внутренних КЗ необходимо не только отключение синхронного компенсатора от сети, но и по возможности плавное гашение магнитного поля возбуждения.

Отключение обмотки ротора синхронного компенсатора от возбудителя и одновременное гашение магнитного поля выполняются быстродействующим автоматом гашения поля (АГП). Автомат гашения поля 12 (рис. 2.6) состоит из дугогасительной решетки 13, шунтирующего резистора 14 и двух пар контактов 15 и 16. При отключении АГП сначала размыкаются рабочие 16, а затем дугогасительные контакты 15. Электрическая дуга, возникающая между дугогасительными контактами, под действием магнитного ноля тока втягивается в дугогасительную решетку, состоящую из набора металлических пластин. Решетка разбивает дугу на ряд коротких дуг, горение которых рассеивает энергию магнитного поля ротора. С уменьшением запаса магнитной энергии дуги гаснут, при этом сопротивление шунтирующего резистора 14 обеспечивает плавное снижение тока в цепи ротора до нуля. (Внезапные обрывы тока сопровождаются перенапряжениями в цепи возбуждения). Надежное гашение дуги АГП с дугогасительной решеткой обеспечивается в том случае, ес­ли ток холостого хода компенсатора не менее 200А. При мень­шем значении тока дуга между пластинами АГП горит не­устойчиво и возможен обрыв цепи тока.

Тиристорная реверсивная система возбуждения. На рис. 2.7 показана принципиальная схема тиристорного возбуждения синхронного компенсатора мощностью 100 МВ·А. Тиристоры 7 типа ТЛ-250, соединенные по трехфазной мостиковой схеме, питаются от выпрямительного трансформатора 5 напряжением 11/0,63 кВ и управляются от АРВ. Выпрямленное напряжение подводится к обмотке возбуждения ротора через переключатели полярности возбуждения 9. Переключатели полярности (четыре выключателя типа ВЛБ-43) изменяют направление тока в обмотке возбуждения в системе реверсивного регулирования. Для за­щиты обмотки ротора и тиристоров от перенапряжений применены ограничители перенапряжений 10 и 12, собранные из двух групп, встречно включенных полупроводниковых элементов. Регулирование возбуждения синхронного компенсатора выполняется АРВ, воздействующим на управляющие электроды тиристоров. Питание АРВ и системы сеточного управления тиристорами 14 осуществляется от трансформатора собственных нужд 6.

Исправность тиристоров контролируется с помощью неоновых ламп, включенных параллельно каждому тиристору. В случае пробоя тиристора его лампа перестает светиться, а остальные лампы на последовательно включенных тиристорах горят ярче.

Измерение выпрямленного тока возбуждения осуществляется с помощью амперметра, включенного на шунт. Измерение тока возбуждения ротора для АРВ производится с помощью трансформатора постоянного тока и вспомогательного устройства измерения ВУИ.

Тиристоры охлаждаются циркулирующей по замкнутому контуру дистиллированной водой, которая в свою очередь охлаждается технической водой в теплообменнике. Дистиллят для охлаждения поступает из бака, уровень воды в котором контролируется специальным реле. Пополнение бака водой обеспечивается автоматически от дистилляторной установки.

Колебания температуры охлаждающей воды на входе в преобразователь допускаются в пределах 5-40°С.

Нижний предел температуры установлен по условию предотвращения конденсации влаги на охладителях тиристоров и связанного с этим понижения уровня изоляции. Превышение верхнего предела грозит выходом из строя тиристоров. Поддержание температуры воды осуществляется автоматически с помощью регулятора температуры типа РТ-40 или вручную с помощью обходного вентиля.

Управление возбуждением. При пуске синхронного компенсатора напряжение на трансформатор, преобразователь и систему управления тиристорами подается одновремен­но с включением пускового выключателя. Управляющие импульсы на тиристоры подаются после включения рабочего выключателя. В момент включения рабочего выключателя ток возбуждения равен нулю, что соответствует уставке смещения СУТ. Устройство АРВ включается лишь после автоматической подстройки его уставки к напряжению на шинах синхронного компенсатора, т.е. через несколько секунд после включения рабочего выключателя. Дальнейшее регулирование возбуждения осуществляется оперативным персоналом воздействием на уставку АРВ. При неисправности АРВ регулирование возбуждения производится при помощи блока ручного управления. При возникновении какого-либо нарушения в работе тиристорного возбудителя выпадает соответствующий блинкер на панели управления возбудителем и срабатывает выходное реле сигнализации, контакты которого блокируют пуск синхронного компенсатора.

Гашение поля ротора в случае аварийного отключения синхронного компенсатора производится АГП с одновременным переводом тиристоров в инверторный режим (режим преобразования постоянного тока в переменный).

Система бесщеточного возбуждения. Преимущество этой системы состоит в том, что в ее конструкции отсутствует щеточно-контактный узел для подвода тока к обмотке рото­ра, что позволило повысить надежность системы возбуждения.

Система бесщеточного возбуждения может быть:

положительной, обеспечивающей регулирование нагрузки синхронного компенсатора в емкостном режиме;

реверсивной - для регулирования нагрузки синхронного компенсатора в емкостном и индуктивном режимах.

Положительное бесщеточное возбуждение применяется в том случае, когда не требуется автоматического регулирования в режиме индуктивной нагрузки. Однако при малых нагрузках в электрических системах (например, в ночные часы, нерабочие дни) возникает необходимость автоматического регулирования режима работы синхронного компенсатора в режиме индуктивной нагрузки. В этом случае применяется система реверсивного регулирования, в состав которой входят бесщеточные возбудители как для положительного, так и для отрицательного возбуждения. По конструкции возбудители отрицательного возбуждения во многом аналогичны возбудителям положительного возбуждения, отличаются от последних главным образом меньшей мощностью и компоновкой.

Принципиальная схема бесщеточного положительного возбуждения синхронного компенсатора приведена на рис.2.8.

Возбудитель состоит из обращенного трехфазного синхронного генератора 10 и вращающегося вместе с ротором выпрямителя 12. Генератор имеет неподвижную обмотку воз­буждения возбудителя, прикрепленную к торцевому щиту компенсатора, и вращающийся трехфазный якорь, закреплен­ный на валу компенсатора. Обмотка якоря соединена с вращающимся выпрямителем 12. Для выпрямителя применяются кремниевые диоды типа В2-500-20. Их размещают на стальных кольцах, изолированных друг от друга и от вала. Выпрямитель собирают по мостовой схеме. Выпрямленный ток от вращающегося выпрямителя подается к обмотке ротора 13 через токопровод, расположенный внутри вала ротора. Защитный пусковой резистор 14, сопротивление которого в 15 раз превышает активное сопротивление обмотки возбуждения, подключен параллельно этой обмотке. Он защищает обмотку ротора от перенапряжений при асинхронном пуске, переходных режимах, а также обеспечивает гашение ноля ротора. При бесщеточном возбуждении АГП в схеме не применяется.

Рис. 2.8. Принципиальная схема бесщеточного положительного возбуждения синхронного компенсатора 50 МВ·А:

1 - статор синхронного компенсатора; 2 - трансформатор собственных нужд; 3 - питание щита собственных нужд 0, 4 кВ; 4 - трансформатор напряжения; 5 - автоматический выключатель измерительной цепи напряжения АРВ; 6 - автоматический выключатель питания системы управления; 7 - автоматический выключатель силового питания; 8 - трансформатор питания ТСП; 9 - автоматический регулятор возбуждения (АРВ); 10 - трехфазный обращенный синхронный генератор ОГС; 11 - измерительная катушка; 12 - вращающийся выпрямитель с вентилями ВКС; 13 - обмотка ротора; 14 - защитный пусковой резистор; 15 -токосъемное устройство с электромагнитным приводом

Для контроля сопротивления изоляции цепи возбуждения установлено специальное токосъемное устройство 15 с электромагнитным приводом. При контроле сопротивления изоляции на вентильное кольцо опускают две щетки и производят измерение напряжения полюсов постоянного тока относительно земли. Возбуждение компенсатора регулируется при помощи АРВ 9. В шкафах АРВ размещены тиристорный преобразователь, электронная система управления ЭСУ, а также устройства защиты и магнитные усилители. Напряжение возбуждения возбудителя регулируется измерением фазы импульсов, отпирающих тиристоры, относительно анодного напряжения. Фаза управляющих импульсов может изменяться автоматически и вручную. Основной режим регулирования автоматический. К ручному управлению прибегают в случае неисправности АРВ.

Защита бесщеточного возбуждения от КЗ осуществляется устройством защиты БЩВ, на вход которого подается напряжение от измерительной катушки 11, расположенной между полюсами магнитной системы обращенного синхронного генератора 10, и от измерительного преобразователя тока тиристорного преобразователя. При повреждении вентилей в измерительной катушке резко возрастает ЭДС и устройство зашиты подает команду на отключение возбудителя.

Охлаждаются возбудители водородом по замкнутому циклу через газоохладители.

2.4