6. Управление режимами работы судовых электростанций

В нормальных режимах работы СЭС выполняются операции управления пуском и остановкой резервных генераторных агре­гатов, включения их на нормальную работу и распределения между ними нагрузки станций.

В аварийных режимах в состав операций управления элек­тростанциями входит отключение второстепенных потребителей, отключение ненормально работающих генераторных агрегатов и селективное отключение фидерных секционных и генератор­ных автоматических выключателей.

Запуск (или отключение) резервного генератора производится при достижении общей нагрузке электростанции установленного максимально минимальное допустимого уровня. Когда величина нагрузки достигает максимального уров­ня (обычно 90...95% номинальной величины), срабатывает датчик и подает сигнал в устройство запуска резервного генератора. Если нагрузка, наоборот, падает ниже минимально до­пустимого уровня, срабатывает датчик минимальной нагрузки и отключает один из агрегатов.

Включение генераторных агрегатов на параллельную работу (синхронизация) может производиться как вручную, так и с помощью автоматических устройств.

В начале операции включения генератора, подключаемого к шинам электростанции, его частота уравнивается с частотой напряжения на шинах ГРЩ. Частота на шинах ГРЩ соответствует нижней части скоростной характеристики работающих и нагруженных агрегатов. Разность частот, называемая скольже­нием, около 3...4%, т. е. 50 (0,03-0,04) = 1,5-2,0 Гц. Частота вращения подключаемого генератора уравнивается с частотой станции либо вручную, либо автоматическим синхронизатором.

Это обусловит существование между каждой парой подлежащих замыканию контактов выключателя разности напряжений генераторов u1 и u₂, называемой напряжением биений .Огибающая напряжения биений меняется с частотой, равной разности частот генераторов и .

Вращение векторов напряжений и относительно друг друга контролируется по вращению стрелки прибора, называе­мого синхроноскопом. Напряжение биений и знак скольжения могут определяться по лампам, включенным на замыкаемые контакторы выключателя.

Задачей синхронизации генераторов является включение подключаемого генератора в момент, когда угол между векто­рами напряжения генераторов близок нулю (напряжение бие­ний почти равно нулю). Нарушение этого условия включения приводит к броску тока в цепи статоров генераторов. Макси­мальные мгновенные значения этого тока приближенно можно определить по формуле

где - номинальное напряжение генератора; -сверхпереходные реактивные сопротивления генератора; - реактивное сопротивление линии между генераторами; - ударный коэффициент.

Реактивности являются параметром каждого типа генератора. Величина ударного коэффициента в среднем равна 1,6.

Ошибка включения зависит главным образом от времени срабатывания генераторного автомата. Если сигнал на включе­ние автомата подать в момент прохождения напряжения биений через нуль, то его контакты замкнуться только спустя время включения автомата, т. е. когда угол (между векторами напря­жения станет больше нуля. Время включения автоматов типаAM составляет от 0,02 до 0,08 с. При разности частот 2 Гц за время 0,08 с -на (0,08/0,5) 360 = 57,6°. Ток, соответствую­щий ошибке по углу около 60°, превышает номинальный в 4 раза и опасен для генераторного агрегата распределительных уст­ройств. Ошибка включения резко возрастает, если для синхро­низации использовать автоматы, время включения которых достигает 0,3 с и, кроме того, нестабильно. Поэтому разность частот желательно уменьшать примерно до 0,5 Гц (скольжение 1%).

Подгонка частоты может производиться вручную с помощью ключа «больше — меньше», расположенного на лицевой панели ГРЩ. Ключ подает напряжение той или другой полярности на серводвигатель регулятора скорости. Серводвигатель изменяет уставку АРЧ подключаемого генераторного агрегата, меняя тем самым его скоростную характеристику и как следствие, изменя­ет его частоту вращения, уменьшая скольжение.

При автоматической синхронизации эту функцию выполняет синхронизатор. В нем имеется чувствительный элемент, который в зависимости от разности частот подает сигналы на реле, управляющее серводвигателем.

При способе точной синхронизации сигнал на включение подается не точно в момент биений, а с некоторым упреждением по времени, которое называют временем опережения t_on. Если бы время включения у всех автоматов t_a было совершенно одина­ковым, то, обеспечив такое же время опережения, можно было бы получить включение при нуле напряжений биений, Однако реально это не получается из-за разброса времени включения и несинусоидальности кривой биений. Последнее происходит вследствие случайных включений нагрузки на генератор, вызы­вающих изменение частоты на шинах и, следовательно, изме­нение разности частот на время переходного процесса восста­новления частоты. Для уменьшения опасности, возникающей при больших углах ошибок включения, в цепь статоров генераторов на время син­хронизации вводится дополнительное ограничивающее ток реак­тивное сопротивление, называемое реактором. Вна­чале подается сигнал «включение контактора К». Генератор G включается на параллельную работу с помощью реактора R. Через определенное время, в течение которого происходит втя­гивание генераторов в синхронизм (ni = n₂), подается сигнал на автомат Л, шунтирующий реактор.

Для уменьшения броска тока при ошибочном включении на параллельную работу увеличивают сопротивление реактора. Однако это приводит к тому, что электрическая связь между генераторами ослабевает и роторы генераторов колеблются от­носительно друг друга. Чем больше сопротивление реактора, тем больше колебания и длиннее переходный процесс. В ре­зультате за время до включения автомата генераторы могут недостаточно втянуться в синхронизм и его замыкание вызовет бросок тока, который превысит допустимый ток.

Если сопротивление последнего превышает допустимый пре­дел (устойчивости параллельной работы), то машины вообще могут не войти в синхронизм через реактор. Таким образом, если соотношение величин сопротивления реактора и начальной разности частот (начального скольжения) не соответствует усло­вию устойчивости, то машины при включенной цепи реактора будут сколь угодно долго вращаться несинхронно. Шунтирова­ние реактора' в этом режиме будет по существу несинхронным включением генераторов.

Основными функциями автоматических синхронизаторов яв­ляется обеспечение автоматической подгонки частот генераторных агрегатов и включения автомата в необходимый момент, при котором бросок тока минимален.

Подгонка частоты перед включением на параллельную рабо­ту осуществляется обычно с помощью электронной схемы им­пульсного регулирования.

Выбор момента включения генераторов сводится к операци­ям: контроля скольжения и разности напряжений машин с целью запрета включения, если указанные величины превышают задан­ные пределы; измерения угла между векторами напряжений; выдачи сигнала на включение.

После синхронизации генераторов распределение активной нагрузки устанавливается в зависимости не только от статизма скоростных характеристик параллельно включенных машин, но и начальных условий их работы перед синхронизацией, началь­ной разности частот и загрузки генераторов, характеристик ре­гуляторов скорости. Характерны следующие сочетания условий:

если два агрегата имеют одинаковый статизм скоростных характеристик, оба работают перед синхронизацией на холостом ходу и начальное скольжение их равно нулю, то после синхро­низации они будут продолжать работать синхронно с той же частотой, что и до включения на параллельную работу;

если до синхронизации первый агрегат работает с полной активной нагрузкой, а второй подключился к нему на холостом ходу с нулевым скольжением, то в установившемся режиме активная нагрузка второго генератора будет равна нулю, а пер­вого-останется равной 100%;

если два агрегата, работавшие вхолостую, синхронизирова­лись при начальном скольжении, близком к статизму скорост­ных характеристик, то агрегат, имевший до включения меньшую частоту, перейдет в двигательный режим, а частота на шинах определится точкой скоростной характеристики первого агре­гата, соответствующей величине мощности, равной потерям вто­рого агрегата.

Параллельная работа агрегатов с комбинированными регу­ляторами скорости вращения без уравнительных связей невоз­можна. Уравнительные связи выполняются так, чтобы на электромагниты комбинированных регуляторов всех параллель­но работающих агрегатов подавался один и тот же сигнал по нагрузке. Для этого при замыкании генераторного автомата

на все электромагниты подается общий сигнал, пропорциональ­ный соответствующей доле суммарной нагрузки всех агрегатов.

Однако указанная схема соединения датчиков нагрузки обес­печивает только устойчивость распределения активной нагрузки. Равномерность распределения комбинированная система с урав­нительными связями не обеспечивает. Величина неравномерно­сти распределения зависит от начального скольжения машин и статизма систем регулирования скорости, соответствующих включению сигнала по нагрузке. Соотношения здесь такие же, как и при обычных статических регуляторах. Изменить распре­деление нагрузки в рассматриваемом случае можно, как и в обычных системах, изменением уставки регулятора по откло­нению с помощью серводвигателя.

Распределение активной нагрузки при параллельной работе агрегата со статическим регулятором и агрегата с комбиниро­ванным регулятором характеризуется следующим. При подклю­чении агрегата со статическим регулятором к работающему аг­регату с комбинированным регулятором при меньшей частоте подключаемая синхронная машина переходит в двигательный режим. Работающий агрегат, кроме нагрузки на шинах, покры­вает потери подключенного агрегата. Частота на шинах не ме­няется.

Подключаемый агрегат со статическим регулятором с боль­шей частотой принимает активную нагрузку в соответствии со статизмом своего регулятора.

В таких режимах, как включение и выключение нагрузки, короткое замыкание, синхронизация и других, значительную роль в распределении активной нагрузки начинают играть фак­торы, связанные с невозможностью мгновенного изменения механической энергии вращающихся масс генераторных агре­гатов и электромагнитной энергии обмоток синхронных машин. При внезапном включении агрегатов с разными величинами постоянных инерции на их валах возникнут электромагнитные моменты, под действием которых они начинают тормозиться. Из­менение (уменьшение) частот вращения агрегатов с разными величинами моментов инерции будет происходить с разными ускорениями, что вызовет рост угла между осями роторов ма­шин и, следовательно, перераспределение активной мощности машин. Агрегат «забегающий» вперед будет набирать активную мощность, а отстающий — сбрасывать, что создает неравномер­ность распределения нагрузок.

Возникшая в переходном процессе разность нагрузок с тече­нием времени может уменьшиться до нуля. Это происходит следующим образом. Вперед «забегает» агрегат с большей посто­янной инерции, так как тормозится при увеличении нагрузки медленней. Перераспределение нагрузки из-за изменения угла между осями роторов генераторов приводит к увеличению тор­мозного момента у забегающего агрегата и уменьшению у от­стающего. Это вызовет постепенное сближение скоростей вра­щения и, наконец, их уравнивание. При уравнивании скоростей прекращается рост угла между осями роторов и перераспреде­ление нагрузок. Но из-за разности нагрузок изменение их скоро­стей продолжается и дальше, знак разности скоростей меняется, угол и разность нагрузок начинают уменьшаться. В итоге это приводит к уменьшению неравномерности распределения актив­ной нагрузки до нуля. Чем больше разница в величинах момен­тов инерции агрегатов, тем больше разность нагрузки в переходном процессе.

Отключение второстепенных потребителей при перегрузке бывает необходимо при неблагоприятном сочетании включении потребителей электроэнергии на судне, а также в аварийном режиме, когда из-за неисправности потребителей, например, заклинивания механизма какого-либо привода, нагрузка электростанции может мгновенно превысить 100%. В этих усло­виях необходимо быстро отключить часть потребителей, кото­рые мало влияют на работоспособность судна (например, кам­буз, вентиляцию некоторых помещений, кондиционеры и т. п.). Если этого не сделать, срабатывает защита генераторов от перегрузки и отключит их, что полностью лишит судно питания электроэнергией.

Отключение секционного автомата при перегрузке необходи­мо производить, если в результате КЗ или другой быстро раз­вивающейся аварии произойдет срабатывание защиты генера­торного агрегата. Отключение генератора от ГРЩ с параллельно работающими генераторами приводит, естественно, к тому, что всю нагрузку должны принять оставшиеся в работе агрегаты. Если количество параллельно работавших генераторов было два или три, а нагрузка составляла 70% и более, то после от­ключения одного генератора оставшиеся будут перегружены, сработает защита от перегрузки и судно останется без питания,

Для исключения таких аварий на современных электростан­циях устанавливают устройства токовой защиты, управляющие отключением секционным автоматом от шин ГРЩ той секции, от которой отключился генератор при срабатывании его защиты,

Устройства автоматического включения резерва АВР, отклю­чения второстепенных потребителей и токовой защиты от пере-

Грузок (автоматической разгрузки генераторов) имеют анало­гичную структуру.

Измерительный элемент преобразует ток генератора (или его активную составляющую, или его активную мощность) в сигнал, подаваемый в электронную схему устройства.

Релейный элемент при достижении током определенного по­рогового значения вырабатывает дискретный сигнал. Регулиро­вание (при необходимости) величины этого сигнала обеспечи­вает возможность изменения уставки срабатывания на то или иное значение, например, при 90% номинального тока или 105% и т. п.

Выдержка РВ предотвращает срабатывание устройства при кратковременных эксплуатационных перегрузках генератора. Например, при запуске мощных электродвигателей пусковой ток может в течение 1...3с увеличить ток генератора сверх номинального. Очевидно, что за этот период устройство раз­грузки срабатывать не должно.

Сигнал, поступающий с РВ, усиливает и подает на ПИЭ, на­пример, обычное электромеханическое реле.

Реле, срабатывания, дает дискретный сигнал на релейный блок устройства автоматической разгрузки. Ступени отключае­мой нагрузки, т. е. группы потребителей, отключаются исполнительными элементами через различные выдержки времени, соз­даваемые реле времени РВ_и РВ₂ и др.

Устройства включения резерва имеют такую же структуру, как и блок датчика устройства разгрузки. Сигнал на запуск резервного генераторного агрегата дается в этом устройстве с выходного ИЭ, занимающего место блока ПИЭ.

Все перечисленные выше устройства управления режимами работы СЭС конструктивно объединяются в общий пульт управ­ления, который обычно имеет шкаф, где размещены электрон­ные устройства автоматического управления, и собственно пульт. На пульте для удобства действий оператора распола­гаются мнемосхема с изображением генераторов, линий их связи с ГРЩ и выключателей, а также кнопки для включения устройств запуска агрегатов, включения синхронизаторов, уст­ройств распределения нагрузки. На панели пульта располага­ются измерительные приборы и ключи для ручного управления автоматами и серводвигателями регуляторов частоты агрега­тов.