ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

81

13

U

2

а)

Рис.1. К определению асинхронного хода

Средняя асинхронная мощность (средний асинхронный момент) зависит от типа и конструкции генератора и от величины среднего скольжения.

Во время асинхронного хода изменяется не только мощность Р, но и токи статора I и ротора Iв = Ед, а также результирующее потокосцепление обмотки возбуждения — э.д.с. Э.д.с. Eq и Eq' пульсируют около некоторого среднего значения.

При первом приближении можно считать, что в начале установившегося асинхронного режима ток, активная к реактивная мощности определяются значением э.д.с. Еq исходного режима, если выпадение из синхронизма генератора, не имеющего регулятора возбуждения, происходило медленно. Если генератор имеет регулятор возбуждения, поддерживающий постоянство результирующего потокосцепления с обмоткой возбуждения, или выпадение произошло в результате резкого возмущения (например, короткого замыкания), то можно грубо полагать, что параметры установившегося асинхронного режима определяются э.д.с. E'qQ, отвечающей исходному режиму.

Указанные рекомендации очень приближенны, и с их помощью можно получить только ориентировочные результаты. Но пока достаточно простой, обоснованной и точной в смысле совпадения с экспериментом методики не

82 приближенно при соблюдении ряда условий и прежде всего при условии,

что параметры всех объединяемых генераторов и их удаленность от узловой точка примерно одинаковы. Постоянная инерции эквивалентного генератора в этом случае находится, как обычно, суммированием приведенных к базисной мощности постоянных инерции отдельных генераторов.

Момент эквивалентного генератора принимается равным сумме моментов объединяемых генераторов. Существенное влияние асинхронный ход оказывает регулятор скорости. Для регулятора скорости эквивалентного генератора рекомендуется принять средневзвешенное значение соответствующих параметров серводвигателей и регуляторов, установленных на эквивалентируемых генераторах.

Ряд проведенных исследований показал, что эквива-лентирование в большинстве случаев дает практически удовлетворительные результаты.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА Причины появления асинхронного режима генератора или части

системы (группы генераторов) могут быть весьма различными. Его может вызвать исчезновение (потеря) возбуждения, нарушение динамической устойчивости после резкого возмущения (толчка) или нарушение статической устойчивости сильно перегруженной системы при малом возмущении.

В первом случае генератор работает только как асинхронный, во втором и третьем случаях при наличии возбуждения генератор наряду с асинхронной мощностью выдает также пульсирующую синхронную мощность.

Для большинства синхронных машин асинхронный ход не представляет опасности. Турбогенераторы асинхронном режиме могут

асинхронный режим турбогенераторов, токи, как правило не представляют какой-либо опасности для машины.

которой мощный генератор или группа генераторов работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно поглощает из системы значительную реактивную мощность, что может приводить к снижению напряжения во всей системе, создавая опасность нарушения устойчивости остальных генераторов к двигателей. Однако опасность аварий такого рода можно

83 сделать маловероятной правильным выбором источников реактивной мощности и регулирующих устройств.

Восстанавливать нормальную работу системы оказалось возможным, не отключая от сети выпавший из синхронизма генератор, но оставляя его на некоторое время в асинхронном режиме и затем, заставляя снова войти в синхронизм. При этом система сохраняет результирующую устойчивость, поскольку нарушения энергоснабжения потребителей не происходит.

Однако асинхронный ход, не являющийся для системы нормальным режимом, не должен осуществляться без проверки.

Обычно при выпадении генератора из синхронизма его электромагнитный момент становится меньше вращающего момента турбины. Это приводит к повышению скорости. При увеличении скорости под действием регуляторов турбин происходит уменьшение впуска энергоносителя в турбину и мощность, отдаваемая в сеть при асинхронном ходе, всегда будет меньше, чем мощность до выпадения.

Реактивная мощность, необходимая для создания электромагнитных полей в асинхронно работающей машине, поступает из сети. Ток статора, возрастающий в связи с увеличившейся реактивной мощностью, во время асинхронного режима колеблется около среднего значения с частотой, приблизительно разной 2(f0—f). Асинхронный ход легко заметить по колебаниям стрелка амперметра. Число ее отклонений α (одну сторону) в секунду численно равно скольжению, выраженному процентах.

Знак скольжения определяет режим несинхронно работающей машины:«—» — генераторный режим; «+» — двигательный режим

Васинхронном режиме предельная величина активной мощности,

которую может отдавать турбогенератор, обычно слставляет 50-70% Sн Возможность асинхронного хода и его длительность зависят от типа генератора. Турбогенератору при потере возбуждения разрешается работать в асинхронном режиме до 15—30 мин. без потери возбуждения — несколько меньше. Если за это время восстановить синхронную работу не удается, то турбогенератор должен быть отключен от сети. Немедленное отключение от сети турбогенератора, выпавшего из синхронизма, должно производиться только в случаях появления признаков повреждения машины, например когда в обмотках возбуждения имеются замыкания на землю, при которых до потери возбуждения происходила работа генератора. Длительность работы гидрогенераторов в асинхронном режиме, разрешаемая только при возбуждении, более кратковременна (3—4 мин).

Асинхронный ход, как правило, недопустим в тех случаях, когда при его появлении потери в роторе оказываются больше номинальных, а ток статора — больше 1,1Iном

84

ЛЕКЦИЯ 17.

ПОНЯТИЕ РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Допуская в системе асинхронные режимы, инженер прежде всего должен проверить поведение машин, работающих асинхронно. Здесь важно выяснить те механические усилия, которые будет испытывать машина при асинхронном ходе , проверить нагрев ротора и статора. Кроме того, надо вычислить активные и реактивные мощности машины. Наличие асинхронного хода одной или нескольких машин может оказать влияние на поведение системы в целом. В связи с этим необходимо проверить режим части системы, продолжающей нормальную синхронную работу: выяснить, не перегрузятся ли генераторы, не будет ли недопустимо большого снижения напряжения и не окажут ли его пульсации вредного действия на работу нагрузки. Существенным в ряде случаев является вопрос о поведении устройств автоматики и релейной защиты, иногда могущих при наличии асинхронного хода работать неправильно.

Для анализа их работы необходимо весьма тщательное рассмотрение асинхронных режимов. При этом выделяют процесс выпадения из синхронизма, заканчивающийся установившимся асинхронным ходом. Отдельно рассматриваются режимы обратного вхождения в синхронизм машины: а) подключенной к сети, несущей нагрузку, временно перешедшей на асинхронный режим, — ресинхронизации; б) ненагруженной и подключаемой к сети (вновь или после временного отключения) — самосинхронизации.

Эти два режима находят свое практическое применение з в различных комбинациях с другими режимами: автоматическое повторное включение с одновременной самосинхронизацией (АПВС), несинхронные включения частей системы и т. д.

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ АСИНХРОННЫХ РЕЖИМАХ

Генераторы. При больших изменениях скорости электромагнитный вращающий момент и мощность, отдаваемая синхронными машинами в генераторном режиме и соответственно получаемая в двигательном режиме, будут зависеть не только от величины угла, но и от скорости его изменения. В этом случае упрощенно представляют полный электромагнитный момент М синхронной машины двумя составляющими: синхронной (Мсн) и асинхронной (МаС), причем Mсн+ Mас = М. Соответственно мощность Рсн+ Рас = Р. При этом приближенно можно считать, что наличие возбуждения не оказывает никакого влияния на составляющую Рас, т. е. что при расчетах

85 можно привести наложение синхронных и асинхронных моментов и соответственно мощностей.

Составляющая Мсн зависит от параметров машины, тока возбуждения, приложенного напряжения и величины угла δ, а составляющая Мас - от параметров машины, приложенного напряжения, угла δ и скорости его изменения, т.е. скольжения (s= -dδ\dt).

При больших скольжениях выраженный в относительных единицах синхронный вращающий момент на валу генератора не будет равен его внутренней мощности и должен определяться как Мсн — Pсн\(1-s).

Кроме того, необходимо учесть, что при непрерывном изменении угла 6 значения Мсн и Рсн не будут величинами постоянными, как при синхронном режиме, а будут изменяться, меняя свою величину и знак, поэтому их иногда называют знакопеременными составляющими.

Асинхронную составляющую момента Мас и соответственно мощности Рас можно определять при упрощающих предположениях, принимая, что машина симметрична в электрическом и магнитном отношениях и ее параметры по продольной и поперечной осям одинаковы:

Tq = Td; xq = xd; xq = хd*

При положительных значениях скольжения s синхронный генератор, работая как асинхронный двигатель, потребляет мощность, г при отрицательных, работая как асинхронный генератор, выдает ее в сеть.

Первичные двигатели. Характеристики и параметры первичного двигателя имеют существенное значение при анализе асинхронных режимов. В первую очередь важно знать зависимость момента (или мощности) от скорости и ускорения агрегата. Под моментом (или мощностью) первичного двигателя при рассмотрении асинхронных

режимов следует понимать результирующий момент, т.е. собственно момент (или мощность), развиваемый турбиной и уменьшенный на величину потерь, имеющихся как в механической части, так и непосредственно в генераторе.

В отдельных случаях момент, соответствующий потерям в турбине и генераторе, оказываясь больше момента, развиваемого турбиной, играет решающую роль в движении агрегата. В этих случаях результирующий вращающий момент первичного двигателя окажется тормозящим, хотя турбина и будет давать ускоряющий момент. Следует иметь в виду, что в процессах, протекающих при скорости вращения ротора, отличной от синхронной, результирующий момент, создаваемый первичным двигателем, может быть направлен как согласно е асинхронным моментом, например при разгоне со скоростью ω < ωO так и встречно с ним — при разгоне со скоростью ω > ω 0.

86 При полном закрытии направляющего аппарата или клапанов турбины

результирующий момент первичного двигателя может существенно отличаться от нуля за счет наличия момента, обусловленного потерями. При замене нескольких

агрегатов, генераторы которых работают асинхронно, одним эквивалентным большое значение имеют параметры систем регулирования (Тs,σ)

Нагрузка. Поведение нагрузки имеет большое значение для определения допустимости асинхронного хода в системе. Понижение напряжения при асинхронных режимах может вызвать

опрокидывание двигателей нагрузки (лавину напряжения). Колебания напряжения на шинах нагрузки, происходящие во время

асинхронного хода крупного генератора ил группы генераторов, могут привести к колебаниям светового потока осветительных установок.

При асинхронном режиме в составе напряжения, подведенного к нагрузке, будет несколько (по по меньше мере 2) различных частот переменного тока, отличных от нормальной частоты fо.

Асинхронные двигатели нагрузки будут реагировать на это изменение частоты, равно как и на изменение напряжения (которое, как правило, будет пониженным), и, следовательно, будут изменять свою мощность и скорость. Однако расчеты по определению мощности двигателей и их поведения при асинхронном ходе части генераторов системы могут в первом приближении производиться без учета появления нескольких составляющих в мгновенных значениях частоты. Расчеты первого приближения можно проводить, исходя только из понижения напряжения и изменений его огибающих с частотой асинхронных колебаний, принимая, что частота мгновенных изменений тока и напряжения равна f0.

Линии электропередачи, сеть. Схемы замещения ЛЭП, трансформаторов и других неподвижных элементов системы при асинхронном ходе одного генератора или части ее генераторов, не влияющих на всю систему настолько сильно, чтобы вызвать в ней заметное отклонение частоты, не изменяются. При выявлении в процессе анализа значительных изменений частоты следует уточнять расчеты, изменяя индуктивные сопротивления в ω\ωо раз и емкостные сопротивления в ω\ωо раз. Расчеты при этом усложняются, поскольку при использовании способа

последовательых интервалов требует изменений всех сопротивлений в каждом интервале.

Расчеты асинхронных режимов систем в связи с некоторой неопределенностью параметров, входящих в расчетные уравнения, целесообразно выполнять приближенно, при вариации параметров. Сложная

87 система при асинхронном ходе одного из ее генераторов (или станции) обычно приводится к более простой схеме.

Тема для самостоятельной проработки - Автоматическое повторное включение с самосинхронизацией синхронных генераторов

Литература: [5], § 14.1 – 14.8.

88

ЛЕКЦИЯ 18

МЕРОПРИЯТИЯ ПО УЛУЧШЕНИЮ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА

По назачению мероприятия по улучшению устойчивости переходных процессов условно можно разделить на две группы:

1.Основные, изменяющие параметры основных элементов энергетических систем (ЭС). Основными элементами ЭС являются: турбины, генераторы, трансформаторы, линии электропередач, синхронные компенсаторы, выключатели.

2.Дополнительные, заключающиеся в установке дополнительных устройств. К дополнительным устройствам относятся: переключательные пункты (ПП), компенсирующие устройства (КУ), активные и индуктивные сопротивления, вводимые в нейтрали трансформаторов, нагрузочные сопротивления для торможения генераторов, продольная и поперечная компенсация и т.д.

По виду устойчивости мероприятия можно разделить на три группы

1.Мероприятия, улучшающие статическую устойчивость.

2.Мероприятия, улучшающие динамическую устойчивость.

3.Мероприятия, улучшающие результирующую устойчивость.

По уровню иерархии мероприятия можно разделить на две группы

1.Режимные или эксплуатационные

2.Проектные

Основные мероприятия

1.Мероприятия, улучшающие устойчивость работы генераторов

исистем

а) уменьшение реактивного сопротивления генератора позволяет увеличить пропускную способность линиии и предел передаваемой мощности. Влияние тем заметнее, чем короче линия. Уменьшение синхронного сопротивления Хd повышает статическую устойчивость, переходного Х ′d – динамическую.

При отсутствии АРВ предел передаваемой мощности системы, работающей на шины постоянного напряжения определяется по выражению

Р ПР = EqU/( Хd + ХC) = EqU/ Хd (1 + ХC/ Хd)

При АРВ пропорционального действия предел передаваемой мощности системы, работающей на шины постоянного напряжения

определяется по выражению

Р ПР = E′qU/( Х′d + ХC) = E′qU/ Х′d (1 + ХC/ Х′d)

89 Недостатки метода:Увеличение расхода материала, повышение веса

синхронной машины и размеров, увеличение стоимости

Эффект уменьшения сопротивления Хd (Х′d) очень сильно зависит от скорости отключения КЗ: чем медленнее оно отключается, тем больший эффект дает уменьшение сопротивления.

Влияние демпферных обмоток главным образом оказывается в асинхронном режиме, причем обмотка возбуждения играет решающую роль в начале переходного процесса, а демпферная обмотка – на последующих его стадиях. Демпферные обмотки снижают динамические перенапряжения, однако при этом повышается вес ротора, усложняется его конструкция.

б) увеличение механической постоянной инерции генератора Тj

существенное влияние оказывает на динамическую устойчивость.

Так при трехфазном КЗ на шинах генератора угол передачи

изменяется по закону

δ = δ0 + Р0t2/2Тj

Очевидно, что для повышения в n-раз предельного времени

отключения КЗ величину при том же критическом угле следует увеличить в n2- раз.

в) Изменение параметров систем возбуждения генераторов.

Применение быстродействующей системы возбуждения: уменьшение постоянной времени возбудителя, увеличение потолочного напряжения повышает статическую, динамическую и результирующую устойчивость системы. Увеличение потолочного напряжения возбудителя приводит к росту предела передаваемой мощности и действует также как уменьшение сопротивления генератора. скорость подъема желательно увеличить до 4- 5UВН. Обычные значения Uв = 1,5-1,8UВН.

Для более эффективной работы регулятора необходимо регулирование проводить не только по отклонению регулируемой величины, но и по её производным.

Для облегчения процесса ресинхронизации необходимо, чтобы при появлении асинхронного хода снимался ток возбуждения, а при подходе к синхронной скорости система автоматического возбуждения должна обеспечить включения тока возбуждения.

г) более эффективное использование регуляторов возбуждения

Современные средства регулирования позволяют изменять характеристики генераторов и синхронных компенсаторов без конструктивных изменений самих машин.

АРВ сильного действия дает возможность поддерживать оптимальный уровень напряжения в заданной точке, обеспечивает высокий предел

90 статической и динамической устойчивости, демпфировать колебания,

форсировать возбуждение в аварийных режимах, ограничивать перегрузку по току статора и ротора, дистанционно изменять уставку. При этом появляется возможность применять генераторы с сопротивлениями Хd = 1,5- 2 и Х′d = 0,3-0,4 и снижать постоянную инерции, облегчая вес машины и удешевляя их

д) применение новых типов генераторов с двумя обмотками, поворачивающих поле (синхронно-асинхронные генераторы, асинхронизированные генераторы)

Особенностью в исполнении асинхронизированного генератора является наличие на роторе, кроме обмотки возбуждения (в продольной оси), ещё одной обмотки в поперечной оси. Суммарное действие этих обмоток создает магнитный поток, величина которого может управляться изменением тока как в продольной оси так и в поперечной. Поле ротора при этом не связано жестко с осью ротора и получает возможность перемещаться по ротору в зависимости от условий работы генератора и его режима.

Преимущества:сравнительная простота исполнения, повышение устойчивости при росте угла. Недостатки: невозможность выдачи реактивной мощности

2. Трансформаторы

Параметры, характеризующие работу трансформаторов с точки зрения увеличения передаваемой мощности и улучшения устойчивости не являются существенными.

3. Синхронные компенсаторы

Параметры, характеризующие работу синхронных компенсаторов с точки зрения увеличения передаваемой мощности и улучшения устойчивости не являются существенными.

4. Выключатели

Для улучшения динамической устойчивости большое значение имеет быстрое отключение коротких замыканий , т.е. применение быстродействующей релейной защиты и улучшенных характеристик выключателей.

5. ЛЭП

1) Повышение напряжения ЛЭП увеличивает пропускную способность передачи, тем самым улучшает устойчивость системы. При длине ЛЭП 200 км и более повышение напряжения до 220 кВ приводит к резкому увеличению предела передаваемой мощности. Дальнейшее увеличение напряжения мало эффективно, т.к. сопротивление линии становится мало и предел мощности определяется значениями