1_amp_amp_2nd_semestr

22

Перегрузки ТГ по токам статора и ротора.

В процессе эксплуатации ТГ периодически возникают значительные кратковременные перегрузки как по току ротора. так и по току статора. Причины перегрузок:

a) Внезапный выход из строя одного генератора станции и отключения его РЗ от одно- и многофазных кз. При кз в сети перегрузка определяется близостью и видом кз, а также форсированием возбуждения АРВ, что реагирует на отклонение напряжения. Длительность перегрузки при кз зависит от времени действия защиты и восстановления напряжения после отключения кз. Большие периоды перегрузки генератора происходят при АХ в энергосистеме или асинхронные качаниях. Они могут достигать по току 2-3х кратной величин и продолжаться до срабатывания защиты от АХ или делительной автоматики. Время срабатывания этих устройств устанавливается с учетом предотвращения повреждения оборудования (были случаи с tавар 2 3мин).

b) Отключение некоторых генераторов станции п/а системной автоматикой. При отказе наиболее ответственных и загруженных ЛЭП п/а действует

для предотвращения увеличения перетоков и нарушения устойчивости на отключение части генераторов станции. Однако при этом происходит перегрузка остальных ТГ, и своевременно устранить ее долен ОП, т.к. специальная автоматика для этих предусматривается не всегда.

c)При отделении дефицитной энергосистемы от объединения или при выделении части энергосистемы с дефицитом мощности частота падает и работает АЧР, отключая потребителей. Однако перегрузка генераторов действием АЧР часто не устраняется и поэтому необходимо оперативное вмешательство персонала.

d)ошибочные действия оперативного персонала в процессе расчетов работы ТГ на ступенях диспетчерского графика нагружения, когда мощность Sтг Sдоп .

Увеличение единицы мощности ТГ за счет повышения плотности тока в обмотках статора и ротора, значительно усложнило проблему кратковременных перегрузок и потребовало их уменьшения как по величине так и по времени.

Опасность больших кратковременных перегрузок ТГ связана с возможностью перегрева обмоток, повреждения изоляции обмоток изоляция выдерживает 150°С в наиболее нагретых точках и вследствие этого повреждения машин. Из-за большого температурного перепада, возникающего при кратковременных быстрых нагревах обмоток статора между медью и изоляцией стержней из-за неодинакового коэффициента теплового расширения меди и изоляции перегрузки могут приводить к механическим смещениям и нарушениям связи изоляции с медью обмотки, а это приводит к внутреннему коронированию и ускоренному разрушению изоляции, что грозит возможностью дальнейшего развития повреждения вплоть до перекрытия, следовательно до внутреннего кз. Т.о. происходит ухудшение механических и электрических свойств изоляции.

51

Для роторной обмотки очень важно не превысить наибольшую разность температур между медью обмотки и сталью бочки ротора. В роторе под воздействием центробежных сил при нормальной скорости вращения медь обмотки, как правило, неподвижна относительно статора. Коэффициенты линейного расширения меди выше чем у стали. Кроме того температура обмотки

изменяется значительно быстрее чем в стали, т.к. Tнагревмеди Tнагревбочки (постоянные

t). Однако силы трения, обусловленные центробежными усилиями препятствуют относительному перемещению обмотки и бочки ротора, вызванному разностью их температур и коэффициентов линейного расширения и температурное удлинение переходит в деформацию сжатия. Это приводит к появлению трещин в малых проводниках обмотки ротора, остаточных деформаций катушек обмотки и нарушение изоляции витков. Для ТГ с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора важно еще недопустимость вскипания охлаждающей воды или разложения масла, или перегрузка.

При анализе режимов перегрузки важно выяснить время, за которое будет достигнут предельный перегрев и которое будет достигнут предельный нагрев и которое будет представлять длительность перегрузки.

Ранее было получено выражение зависимости превышения температуры тела от времени:

от ( уст о ) (1 e tT )

Исследования показали, что при непосредственном охлаждении (водяном) обмотки статора ее нагрев при кратковременных перегрузках идет практически по идентичному закону, существенно отклоняясь от адиабаты только

после увеличения температуры до 80% нового установившегося значения. Значит

F 0 , P F c G ddt .

Уравнение можно записать:

P I2 R Kф c G ddt ;

R - сопротивление обмотки постоянного тока;I - превышение тока в обмотке;

Kф - коэффициент Фильда, учитывающий увеличение активного сопротивления обмотки из-за вытеснения тока. Коэффициент Kф равен 1 для

обмотки ротора и меняется в широких пределах для обмотки статора, где он выше в верхнем стержне, чем в нижнем. При одинаковых размерах верхнего и нижнего стержней и элементарных проводников в них добавочные потери в верхнем стержне в 7 раз превышает добавочные потери в нижнем стержне.

У ТГ с непосредственным охлаждением вследствие более эффективного отвода тепла Kф больше чем ТГ с косвенной системой охлаждения. Kф 1.3 для

ТГ с косвенной системой охлаждения и Kф 1.6 2 для ТГ с непосредственной

52

системой охлаждения. Коэффициент Фильда для нижнего Kфн и верхнего Kфв стержней паза равны:

Если исходить из условия сохранения одинакового допустимого дополнительного превышения температуры для различных кратковременных перегрузок обмотки, а именно:

53

то из (1) и (2) при известном времени tдоп1 для одного значения перегрузки K j1 (обычно двойной или полуторной) для ТГ с косвенным

охлаждением нетрудно определить предельно допустимое время tдоп2 для другого значения перегрузки K j2 .

Этим простым соотношением пользуются в практике эксплуатации для оперативной оценки допустимых перегрузок обмоток машин.

Так для ТГ ТВФ обмотка статора должна выдерживать ток равный 1.5 Iн в течении 2 минут в горячем состоянии. Тогда:

Эта формула применима как для обмотки ротора, так и статора.

Для ТГ с непосредственным охлаждением учитывается неравномерный подогрев охлаждающей среды в каналах стержней, а также увеличение постоянной времени нагрева ГОСТ для ТГ ТГВ, ТВВ и ТВМ устанавливает длительность полуторной перегрузки не две, а одну минуту. Для этих типов ТГ:

54

Допустимая кратность перегрузки по отношению к Iнр .

Меньшая нагрузочная способность ТГ с непосредственным охлаждением по сравнению с косвенным охлаждением объясняется более высокими номинальными плотностями тока в их обмотках и неравномерностью нагрева обмотки при перегрузках из-за подогрева охлаждающей среды в каналах.

Т.о. зная по приборах или по записи аварийного осциллографа перегрузку, можно с помощью приведенного выражения оценить перегрев во время перегрузки.

Постоянные времени нагрева обмоток роторов и статоров ТГ, мин:

Кроме указаний ПТЭ используются данные ГОСТ 183-24 и ГОСТ 53385Е, которые устанавливают, что ТГ с непосредственным охлаждением обмоток статора без повреждения и остаточных деформаций должны выдерживать в нагретом состоянии превышение тока статора на 50% в течении 1 минуты и допускать действия двукратные номинальные токи возбуждения на время не более 20 секунд для ТГ мощностью до 500 МВт включительно, 15 секунд для ТГ мощностью 800 и 1000 МВт и не меньше 10 секунд для ТГ мощностью 1200 МВт.

Для ТГ ТВВ-800-2 допускается превышение тока статора в тех же пределах что в таблице, кратность тока ротора уменьшена: в 2 раза допускается в

55

течении 15 с; в 1,5 раза – 45 с; в 1,2 раза – 3 мин.; в 1,1 раза – 8 мин. 20 с; в 1,06 раза длительно.

23

Несимметричные режимы работы синхронных машин. Общие сведения.

Синхронные ТГ предназначены для работы в условиях симметричной нагрузки, когда токи во всех фазах одинаковы. В практике эксплуатации могут возникать как кратковременные, так и длительные несимметричные режимы. Кратковременные режимы возникают при всех видах несимметричных кз в энергосистемах.

Длительные несимметричные режимы, как правило, возникают при несимметричной нагрузке в связи с применением однофазных токоприемников (электрическая тяга, металлургические печи и др.) или же при нарушении симметрии самой схемы передачи энергии, вызванных аварийными или другими обстоятельствами: обрыв проводов ошиновки подстанций или ЛЭП; работа через неполнофазную группу трансформатора, связанное с ремонтом фазы группы или ее обрыв; отказ во включении одной фазы выключателей. Все это приводит к несимметрии токов в фазах ТГ.

ПТЭ допускают длительную работу ТГ с неравенством фазных токов при условии, что ни один из токов не превысит номинального тока статора. При этом несимметрия токов статора не должна быть больше 10% (по щитовым

значений наибольшего тока в фазах наименьшего К номинальному.

При возникновении несимметричных режимов токи трехфазной обмотки статора создают в воздушном зазоре ТГ МП, которое может быть представлено в виде суммы двух полей, вращающихся в противоположных направлениях с синхронной скоростью. а токи в обмотке статора могут быть представлены суммой симметричных составляющих токов прямой и обратной последовательностей. В соответствии с принятой в СНГ практикой отсутствия заземления нейтрали ТГ (или соединения в треугольник) ток нулевой последовательности равен 0: I0 0 . Составляющая поля ТГ, соответствующая

токам прямой последовательности, вращающихся с синхронной скоростью в одном направлении с ротором и в установившемся режиме неподвижна относительно его. Составляющая поля, соответствующая токам обратной последовательности, вращается относительно ротора с двойной синхронной скоростью. Этой составляющей поля определяются все явления, отличающие несимметричный режим от симметричного.

56

Магнитный поток обратной последовательности пересекает обмотку, бочку, клинья, бандажные кольца ротора и индуктирует в них токи двойной частоты увеличивая нагрев.

Существует два вида воздействия поля обратной последовательности на режим ТГ. Первое – тепловое, являющееся следствием пересечения или замкнутых контуров ротора и статора и выделения в них дополнительных потерь. Второе – механическое. Оно вызывается знакопеременным моментом, появляющимся с несимметрией фазовых токов статора и действующим на все элементы статора и ротора, и увеличивающих вибрацию. Механическое воздействие поля обратной последовательности рассматривается главным образом применительно к длительным несимметричным режимам.

Массивная бочка ротора, представляющая мощную демпферную систему, препятствует проникновению знакопеременного поля КОВ, которая к тому же обладает значительной индуктивностью. Поэтому переменная составляющая двойной частоты тока в этой обмотке оказывается малой и практически не влияет на ее тепловое состояние.

По иному проявляют себя токи, наведенные в бочке ротора. Из-за выраженного поверхностного эффекта при двойной частоте глубина проникновения h обратного поля в массив ротора невелика и индуцируемые им токи невелики и проходят фактически в тонком слое наружной поверхности ротора:

При частоте 100 Гц эквивалентная глубина проникновения составляет 2- 5 мм в зубцах и 10-17 мм в пазовых клиньях. В результате активное сопротивление материала элементов поверхностного слоя токам двойной частоты оказывается значительным и как следствие дополнительные потери в роторе из-за несимметрии токов в статоре.

Величина этих потерь возрастает практически пропорционально квадрату тока обратной последовательности у ТГ с непосредственным охлаждением обмоток достигает номинальных потерь в роторе уже при I2 0.22 Iн , а при I2 Iн превышает номинальные потери в 15-20 раз. Этим и

объясняются жесткие ограничения несимметричного режима, допускаемого ПТЭ только при несимметрии токов не превосходящих 10%, что соответствует току обратной последовательности равному 5%. Длительность несимметричного режима при значительных токах обратной последовательности должны быть ограничены.

Ограничивающим фактором является не общий уровень потерь в роторе, а повышенные местные нагревы в элементах его торцевой зоны. В узкой полосе торцевой зоны ротора тепловыделение резко повышается. Это объясняется тем,

57

изменяющихся так, что количества теплоты, сообщаемое телу, каждый раз остается одним и тем же.

Для роторов ТГ с косвенным охлаждением на основании длительного опыта эксплуатации и специально проведенных экспериментов был установлен следующий критерий термической стойкости при кратковременной перегрузке

I2 :

(1) I22 t 30

При установлении этого критерия исходили из предельного допустимого нагрева элементов торцевой зоны ротора 200ºС и при отсутствии

повреждения этих элементов.

С переходом к непосредственному охлаждению обмоток и увеличением линейных токовых нагрузок As при тех же относительных значениях тока I2

увеличиваются абсолютные потери в роторе, т.е. увеличивается выделяемая энергия в роторе. Т.к. эта последняя пропорциональная I22 , которая в свою очередь связан линейно с As , то абсолютные потери в роторе возрастают

пропорционально As 2 . С другой стороны геометрия ротора и его термостойкость с увеличением As практически не меняется. Следовательно для

сохранения температуры применительно к высокоиспользоваемым ТГ нужно правую часть критерия (1) уменьшить пропорционально квадрату увеличения As .

В соответствии с этим общими соображениями в таблице представлены интегральные критерии термической стойкости для ТГ различных типов.

Все высокоиспользуемые ТГ снабжены в настоящее время защитой от токов обратной последовательности с зависимой характеристикой, которая в

действовать на их отключение.

Поскольку при достаточно длительном протекании I2 его значение

может колебаться в некоторых пределах, защита учитывает среднеквадратичное значение этого тока:

Во избежание излишних отключений ТГ при возникновении относительно небольшой несимметрии, которая может быть устранена диспетчерскими мерами целесообразно при срабатывании этой защиты на сигнал оценить значение I2 и разгрузить ТГ, чтобы ток I2 оказался 8% Iн .

59

Ток I2 должен вообще рассчитан для каждого конкретного случая. Линейная токовая нагрузка статора:

AS 2 W Iном.ст. ;

Di

W - число витков, 2 W - число стержней – представляет произведение полного количества стержней обмотки статора на ток в стержне, отнесенное к единице длины окружности расточки статора.

термостойкость с увеличением AS не меняется. Следовательно правую часть критерия I22 t 30 нужно уменьшать пропорционально квадрату увеличения AS.

Линейная нагрузка обмоток переменного тока – суммарное действующее значение тока всех проводников обмотки, отнесенный к единице длины окружности якоря.

25

Значения токов прямой и обратной последовательностей в несимметричных режимах.

На практике очень часто возникает необходимость при реализации длительных несимметричных режимов на основании показаний приборов (амперметров) тока в фазах определить токи прямой и обратной последовательностей. Исходя из значений тока I2 в местных инструкциях на

электрических станциях может быть заранее рассчитана и приведена таблицей с указанием допустимой нагрузки конкретного ТГ в зависимости от возникшей длительной несимметрии. Ниже будут приведены соотношения для некоторых практических случаев. Отсутствие заземления в нейтрали ТГ позволяет принять

I0 0 .

На электростанциях могут встретиться несколько схем работы генератора на сеть с несимметрией фазовых токов:

1. Генератор включен на шины станции и несимметричный режим осуществляется отключением одной из фаз.

Известно из теории переходных процессов, что I2 I1 (однократная поперечная несимметрия), I0 0

60