7.2.6.1. Підключення синхронного генератора до мережі.
Однак, підключення генератора до мережі вимагає витримування певних умов і здійснюється за певною технологією, оскільки недотримання правильної технології може привести до тяжких наслідків. Так, включення генератора в мережу при істотній розбіжності в значеннях напруги і при великому куті розбіжності за фазою викличе появу в генераторі зрівняльного струму і пов’язаних з ним наслідків. Особливо небезпечне включення генератора при не збіганні напруги за фазою. У найбільш тяжкому випадку, коли напруга генератора і мережі зміщена за фазою на 180°, а потужність системи у багато разів перевищує потужність генератора, зрівняльний струм у момент включення в 2 рази перевищить струм трифазного короткого замикання на виводах генератора. Від такого струму можуть руйнуватися обмотки статора або обмотки підвищувального трансформатора. Крім того, миттєва поява зрівняльного струму створює миттєву ж (у вигляді поштовху) зміна швидкості обертання ротора генератора, що синхронізується. Природно, що при цьому можливі механічні пошкодження генераторів і їх первинних двигунів. Крім того, великий зрівняльний струм створює і значні електродинамічні зусилля в обмотках генераторів.
При значній різниці частот важко безпомилково вибрати момент для включення генератора. Крім того, якщо навіть момент включення буде вибраний вдало, то через велику початкову різницю між частотою обертання ротора і синхронною частотою зовнішньої мережі ротор генератора, що синхронізується1, не встигне загальмуватися і не утримається в синхронному положенні, що викличе появу великих коливань значень сили струму статора і обертового моменту ротора.
Отже, при підключенні синхронного генератора до мережі необхідно задовольнити таким умовам:
ЕРС синхронного генератора і напруга мережі повинні бути однакові, тобто Ег = Uмережі;
порядок чергування фаз синхронного генератора і мережі повинен бути однаковий, тобто ABC ~ abc;
частоти синхронного генератора і мережі повинні бути однакові, тобто fг = fмережі.
Включення генератора на паралельну роботу з іншим генератором або мережею при недотриманні хоч би однієї з вказаних умов, як зазначалось, вкрай небезпечно і може бути причиною тяжкого пошкодження генератора і розладу паралельної роботи раніше працюючих генераторів, оскільки при неправильному включенні генераторів можуть виникати значні зрівняльні струми.
Проте точне дотримання вказаних умов, особливо двох останніх, уповільнило б процес синхронізації. Важко досягти такої умови, щоб частота генератора і мережі зрівнялася саме в той момент, коли напруга збігається за фазою.
Застосовують два способи включення трифазних синхронних генераторів на паралельну роботу: 1) спосіб точної синхронізації, коли включають збуджений генератор після досягнення певних умов синхронізму, і 2) спосіб самосинхронізації, коли включають незбуджений генератор, що працює несинхронно, з подальшою подачею збудження в коло ротора.
1
).
Перший спосіб вимагає попередню
синхронізацію генератора. Синхронізація
генератора полягає в зміні його збудження
і швидкості обертання первинного двигуна
в цілях досягнення вказаних вище умов
паралельної роботи. Точна синхронізація
проводиться за допомогою автоматичного
синхронізатора, а там де його немає –
вручну. Рівність напруг досягають
регулюванням струму збудження генератора,
що синхронізується. Напруги контролюють
двома вольтметрами, один з яких показує
напругу на клемах генератора, що
синхронізується, а другий – напругу на
шинах мережі. Перед підключенням машини
до мережі необхідне більш точне
регулювання частоти обертання машини
і фази її ЕДС. Для цієї мети використовують
синхроскопи. У простому випадку синхроскоп
складається з ламп розжарювання (рис.
7.31). Якщо на однойменні фази до і після
рубильника включити вольтметр і лампи,
як це показано на схемі рис. 7.31, то вони
знаходитимуться під напругою, рівною
геометричній різниці відповідної фазної
напруги генераторів, що підключаються
і мережі. Цю напругу прийнято називати
напругою биття.
Чим менше частота генератора відрізняється
від частоти мережі, тим повільніше
відбуватимуться коливання світла фазних
ламп. Якщо лампи у фазах періодично
неодночасно
спалахують і гаснуть, створюючи ефект
«бігучих вогнів», то це означає, що має
місце порушення однакового порядку
чергування фаз напруги синхронного
генератора і мережі. В цьому випадку
необхідно перемикнути будь-які дві фази
синхронного генератора. Досягають збігу
частот, при якому проміжки часу між
одночасними спалахами ламп будуть не
менше 3...5 сек. Потім у момент повного
загасання ламп замикається рубильник.
Відзначимо, що три лампи, включені на однойменні фази, дозволяють перевірити правильність приєднання фаз генератора, що підключається. При правильному приєднанні фаз всі три лампи одночасно спалахують і гаснуть. У установках високої напруги лампи включають через трансформатори напругу. Точніше здійснюється синхронізація за допомогою нульового вольтметра, тобто вольтметра, включеного на однойменні фази: генератор включають в той момент, коли стрілка нульового амперметра повільно наближається до нуля.
Схема ручної синхронізації доповнюється блокуванням від несинхронного включення, що дозволяє включення генератора лише при допустимих різниці частот обертання і куті розбіжності між фазами напруги генератора і мережі.
2). Суть методу самосинхронізації полягає в тому, що генератор включається на мережу без збудження, коли його швидкість відрізняється від синхронної на 2...3%. Обмотка ротора під час такого включення має бути замкнута накоротко або через деякий гасильний опір. Відразу після включення генератора на мережу в ротор подається постійний струм збудження, і генератор сам доходить до синхронної швидкості під дією електромагнітних сил (втягується в синхронізм).
За цим способом порядок включення генератора на паралельну роботу наступний.
Заздалегідь замикають обмотку ротора генератора на гасильний опір і підключають пристрій автоматичного регулювання збудження. За відсутності останнього встановлюють шунтовий реостат в колі збуджувача в положенні, відповідному 40—60% номінального навантаження генератора.
За допомогою первинного двигуна розганяють незбуджений генератор до швидкості обертання, близької до синхронної. Відхилення від синхронної швидкості обертання допускають не більш +3%.
Включають вимикач генератора і негайно подають струм збудження. Регулятор збудження автоматично збільшує збудження генератора і він плавно входить в синхронізм. За відсутності автоматичного регулятора збудження негайно після включення вимикача генератора встановлюють необхідне збудження вручну за допомогою шунтового реостата. Часто автоматизують включення струму збудження шляхом замикання його кола через блокувальні контакти вимикача.
Навантажують генератор. У момент включення незбудженого генератора він споживає з мережі значний індуктивний струм, що створює на статорі обертове магнітне поле.
Якщо у момент включення генератора швидкість обертання його ротора менше синхронної, то обертовий магнітний потік статора наводить струми в основній обмотці ротора (замкнутою на гасильний опір). Взаємодія цих струмів з обертовим магнітним потоком статора і створює асинхронний обертовий момент (як у асинхронних двигунів), що прагне зменшити ковзання ротора втягнути його в синхронізм.
Якщо ж у момент включення генератора швидкість обертання його ротора більше синхронної, то генератор починає віддавати в мережу активну потужність (працює як асинхронний генератор), внаслідок чого створюється гальмівний момент, і швидкість обертання ротора зменшується, наближаючись до синхронної.
У момент підключення обмотки ротора до збудника виникає значний по величині синхронний момент і генератор плавно входить в синхронізм.
Отже, включення генератора на паралельну роботу способом самосинхронізації супроводжується появою струмів перехідного процесу в обмотках статора і ротора і виникненням електромагнітного моменту, що забезпечує входження машини в синхронізм.
В процесі самосинхронізації спостерігається також деяке пониження напруги на збірних шинах електростанції. Тривалість перехідного процесу самосинхронізації зазвичай не перевищує 1–2 сек.
Струми перехідного процесу мають такий же характер, як при коротких замиканнях, оскільки включення в мережу незбудженого генератора є по відношенню до мережі трифазним замиканням за індуктивним опором генератора, що включається. Величина струмів перехідного процесу залежить від величини зовнішніх опорів кола до клем генератора (трансформатор, лінії електропередачі і т. д.). За рахунок останніх величина струму перехідного процесу при самосинхронізації зазвичай буває менше струму при трифазному короткому замиканні на клемах генератора.
Нагрів обмоток генератора самосинхронізації незначний внаслідок малої тривалості перехідного процесу.
Сплески струму при самосинхронізації викликають електродинамічні сили взаємодії в обмотках статора, а електромагнітний момент, що виникає при цьому, викликає механічні зусилля, що діють на сталеві конструкції статора через ротор генератора. Зниження напруги на збірних шинах електростанції під час самосинхронізації не має істотного значення для енергосистеми і споживачів електроенергії внаслідок малої тривалості процесу самосинхронізації.
Отже, допустимість включення генераторів способом самосинхронізації визначається в основному допустимістю тих додаткових механічних напруг, які при цьому виникають в генераторі.
Способом самосинхронізації в більшості випадків можна включати всі турбогенератори, що працюють в блоці з підвищувальними трансформаторами, тобто що працюють паралельно на збірних шинах підвищеної напруги. Підвищувальний трансформатор істотно обмежує пік струму включення, і механічна напруга, що виникає в генераторі, стає безпечною.
Основні переваги способу самосинхронізації:
простота операцій, що дозволяють безпомилково включати генератор і легко автоматизувати процес включення;
швидкість включення;
можливість включення в аварійних умовах роботи при сильних коливаннях напруги і частоті в системі.
Важливо також, що зрівняльні струми в разі помилкового включення генераторів способом точної синхронізації зазвичай значно перевищують струми при включенні способом самосинхронізації.