Глава тридцать пятая параллельная работа синхронных машин

§ 35-1. Включение синхронных генераторов на параллельную работу

На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.

Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго в такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения п_х, п₂, «з--- должны быть в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми. Условия синхронизации генераторов.

При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

1) напряжение включаемого генератора U_r должно быть равно напряжению сети £/_с или уже работающего генератора;

2)                          частота генератора /_г должна равняться частоте сети /_с;

3)                          чередование фаз- генератора и сети должно быть одинаково;

4)                           напряжения U_r и U_z должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис. 35-1), разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора (рис. 35-2) равны:

= tf_rc-tf_cc = 0, (35-1)

и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или сборки схемы. Совпадение напряжений

по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах — с помощью специальных измерительных элементов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Действительно, если, например, напряжения U_r и V_c будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении (О_т — О_с = 2 (У_г). Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильная синхронизация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа может осуществляться по схеме на погасание или на вращение света.

Рис. 35-1. Векторные диаграммы напряжений сети U_c и генератора U_t при идеальных условиях включения на параллельную работу

Схема синхронизации на погасание света представлена на рис. 35-2, а, где слева изображен генератор Г1, >же работающий на шины станции и сеть, а справа — включаемый на параллельную работу генератор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем Я и с лам-

Рис. 35-2. Схема синхронизации генератора с помощью ламповых синхроноскопов с включением на погасание (а) и вращение (б) света

повым синхроноскопом С, каждая из ламп 1,2,3 которого включена между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2. При соблюдении приведенных выше условий и равенства (35-1) напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не

светятся, что и указывает на возможность включения генератора" Г2 с помощью выключателя В2 на параллельную работу.

Достичь точного равенства частот Д. = /_с в течение даже небольшого промежутка времени практически невозможно (рис. 35-3, а), и поэтому напряжения U_r — U_c на лампах /, 2, 3 (рис. 35-2, а) пульсируют с частотой Д. — /_с (рис. 35-3), и если эта частота мала, то лампы загораются и погасают с такой же частотой. Частота /_г — /_с соответствует частоте пульсаций напряжения (штриховые кривые на рис. 35-3, б). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна

Рис. 35-3. Кривые изменения во времени

напряжений генератора «_г, сети и_с и

ламп и_г — м_с при неравенстве частот

сети и генератора

(период 3—5 сек), и произвести затем включение выключателя В2 в момент времени, когда лампы не горят.

При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение достигнет нуля, и загораются также при U > 0. Поэтому при схеме рис. 35-2, а трудно выбрать правильный момент включения. В этом отношении лучшей является схема рис. 35-2, б, в которой лампа / включена так же, как на схеме рис. 35-2, а, а лампы 2 и 3 — между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равенства (35-1) лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линейным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является критерием правильности момента включения. При Д. — /_с =f= 0 лампы 1, 2 и 3 (рис. 35-2, б) загораются и погасают поочередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при f_r > /_с вращение происходит в одну сторону, а при /_г < /_с — в другую. Частота вращения света равна /_г — /_с, и необходимо добиться, чтобы она была минимальна (период 3—5 сек).

Отметим, что если при осуществлении схемы рис. 35-2, а вместо одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится вращение света, а при схеме рис. 35-2, б — одновременное погасание и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чередования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

Для более точного выбора момента включения параллельно одной из ламп рис. 35-2, а включают вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие методы синхронизации. Синхронизация с помощью ламп и нулевого вольметра применяется только для генераторов малой мощности. Для мощных генераторов пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного поля, и при /, Ф /_с его стрелка вращается с частотой Д. — /_с в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально вверх.

При высоком напряжении приборы синхронизации включаются через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформаторов была правильной.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной операцией и требует от эксплуатационного персонала большого внимания. В особенности это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производстве различных переключений и в синхронизации резервных

или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, что наибольшее количество ошибочных действий персонала падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуществляют автоматическое регулирование U_t и /_г синхронизируемых генераторов в нужных направлениях и при достижении необходимых условий автоматически включают генераторы на параллельную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками (сложность, необходимость непрерывного и квалифицированного обслуживания и т. д.). К тому же

во время аварий напряжение и частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются и поэтому процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5—10 мин и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии крайне нежелательно. Вследствие сказанного в СССР в последние годы широко внедрен метод грубой синхронизации, или с а -мосинхронизации.

Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (U_T = 0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря 'чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения и генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и становится /_г_= /_с).

При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением U_c эквивалентно внезапному короткому замыканию этого генератора при работе на холостом ходу с Е = [/_с. Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы,

Рис. 35-4. Кривые изменения токов турбогенератора мощностью 100 Мет при включении в сеть методом самосинхронизации

линия и т. д.). Кроме того, включение генератора производится при включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов.

По действующим в СССР правилам метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок тока не будет превышать 3,5 /_н. В большинстве случаев это условие выполняется. На рис. 35-4 представлены кривые, относящиеся к включению в сеть методом самосинхронизации турбогенератора мощностью 100 Мет.

§ 35-2. Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к которой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U~= const и / = const. Практически это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приклю-чаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявно-полюсной и сопротивление якоря г_а = 0. Тогда, согласно диаграмме рис. 33-4, ток якоря машины определяется поостой зависимостью

Рис. 35-5. Векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при работе в режиме компенсатора (а, б), генератора (в) и двигателя (г)

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора. Предположим, что при включении на параллельную работу изложенные в § 35-1 условия синхронизации возбужденного

генератора были соблюдены в точности, т. е. 0_т = 0_с или Е — = 0_z = О. Тогда, согласно равенству (35-2), / = 0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому Ё > О. Тогда (рис. 35-5, а) возникает ток / [см. равенство (35-2)], отстающий от А(/, а также от Ё и О на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что Ё < О (рис. 35-5, б), то ток / также будет отставать от Д# на 90°, но будет опережать Ё и О на 90°, т. е. машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При Е > U синхронная машина называется перевозбужденной, а при Е < U — недовозбужденной. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная — индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным ком-пенсатортзм. Такие компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе большой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий реактивной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощности, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.