Повреждения и ненормальные режимы работы синхронных генераторов, устройства защиты и автоматики

В процессе эксплуатации синхронных генераторов возможны повреждения обмоток статора и ротора, а также ненормальные режимы работы.

К повреждениям обмотки статора относятся многофазные ко­роткие замыкания, однофазные замыкания на землю и замыкания между витками одной фазы. Наиболее опасными являются много­фазные короткие замыкания. Они сопровождаются большими то­ками. При этом электрическая дуга в месте повреждения может привести не только к разрушению изоляции обмотки, но и к выплавлению значительного количества стали магнитопровода стато­ра, что усложняет и удорожает ремонт генератора. Для ограни­чения размеров повреждения на генераторе предусматривается быстродействующая защита от многофазных коротких замыканий. Принципы ее выполнения определяются номинальным напряжени­ем и мощностью генератора [31].

Генераторы с номинальным напряжением выше 1000 В работа­ют в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями. Поэтому однофазные замыкания на землю в обмотке статора сопровождаются токами повреждения, которые значительно меньше номинальных токов. При токах за­мыкания на землю I _з=5 А и более защита от замыкания на зем­лю должна действовать на отключение. Если ток повреждения I _з < 5 А, то защита действует на сигнал. Для выполнения защиты от замыкания на землю обмотки статора используются принципы, рассмотренные выше (см. § 6.12). При этом в зависимости от того, работает ли генератор непосредственно на сборные шины или в блоке с трансформатором, защита выполняется по-разному. В сетях напряжением до 1000 В генераторы имеют заземленные нейтрали и токи однофазного короткого замыкания в обмотке ста­тора значительны. Поэтому защита должна действовать на отклю­чение.

Замыкания между витками одной фазы возникают реже, чем другие повреждения. Однако они могут приводить к таким же последствиям, что и многофазные короткие замыкания. Поэтому желательно иметь совершенную защиту от этого вида поврежде­ния обмотки статора. Наиболее просто такая защита выполняется на генераторах, имеющих отдельные выводы параллельных вет­вей фаз.

К повреждениям обмотки ротора относятся замыкания на зем­лю в одной и второй точках. Так как цепи возбуждения выполня­ются изолированными от земли, то замыкание на землю является замыканием на магнитопровод ротора и ограничивается системой возбуждения данного генератора. Поэтому при замыкании в одной точке режим работы цепи возбуждения остается неизменным, а че­рез место повреждения ток не проходит. Такое повреждение опас­ности для генератора не представляет. Опасным является замы­кание во второй точке. При этом часть обмотки ротора, находя­щаяся между точками повреждения, оказывается закороченной, в связи с чем ток в обмотке возрастает и перегревает ее, а маг­нитный поток обмотки ротора искажается, вызывая вибрацию ро­тора. Эти вибрации особенно опасны для явнополюсных машин — гидрогенераторов. Появление замыкания во второй точке для них является нежелательным. Поэтому на гидрогенераторах устанав­ливается защита от замыкания в одной точке, действующая на сигнал. При появлении сигнала принимают меры по выводу из ра­боты поврежденной машины. На турбогенераторах такую защиту не устанавливают. Состояние изоляции цепей возбуждения пе­риодически контролируют замерами ее сопротивления. При обна­ружении замыкания в одной точке обмотки ротора на поврежден­ном турбогенераторе устанавливают защиту от замыкания во вто­рой точке.

Основными ненормальными режимами синхронных генераторов являются: прохождение сверхтоков при симметричной и несиммет­ричной перегрузках; прохождение сверхтоков при внешних корот­ких замыканиях; повышение напряжения.

Симметричные перегрузки генераторов могут возникать при отключении или отделении параллельно работающих генераторов, при самозапуске электродвигателей, при толчках нагрузки, обу­словленных технологическими процессами у потребителей, и по некоторым другим причинам. Опасность перегрузок состоит в том, что они вызывают перегрев изоляции и даже могут привести к ее разрушению. Так как температура изоляции не может мгновенно возрасти, то некоторое время после возникновения перегрузки ге­нератор целесообразно оставить в работе. Допустимое время пере­грузки зависит от ее степени. Например, для некоторых типов ге­нераторов 10 %-ная перегрузка допустима в течение 1 ч, а двукрат­ная — лишь в течение 1 мин. Защита от симметричной перегрузки на электрических станциях с постоянным дежурством персонала действует на сигнал, а на электрических станциях без дежурного персонала — на отключение или автоматическую разгрузку.

Токи внешних коротких замыканий, как и токи перегрузки, вызывают перегрев генератора. Нормально эти токи должны лик­видироваться защитой поврежденных элементов. Учитывая возможность отказа защиты или выключателя, на который она дей­ствует, генераторы снабжают защитой от внешних коротких замы­каний с действием на отключение. Если внешние короткие замы­кания несимметричны, то возникает несимметрия токов в фазах генератора. Она наблюдается также при неполнофазном режиме работы сети генераторного напряжения и при значительной одно­фазной нагрузке.

Содержащиеся в несимметричных токах составляющие обрат­ной последовательности создают магнитное поле, вращающееся встречно относительно направления вращения ротора. Поэтому в обмотке ротора индуцируются токи, дополнительно нагревающие ее. Кроме того, возникающий пульсирующий момент вызывает ви­брацию генератора. Длительно допустимым считается неравенство токов в фазах, не превышающее 10 % для турбогенераторов и 20 % для гидрогенераторов. Несимметрия большей степени допустима в течение ограниченного времени, тем меньшего, чем больше ток обратной последовательности. Для ликвидации недопустимой не­симметрии служит защита от перегрузки токами обратной последо­вательности.

Повышение напряжения генератора возникает при внезапном сбросе его нагрузки, так как у разгруженного генератора частота вращения ротора возрастает. У паровых турбин регуляторы часто­ты вращения являются быстродействующими, и повышение часто­ты вращения, а значит, и напряжения турбогенераторов оказывается небольшим и кратковременным. У гидротурбин регуляторы ча­стоты вращения действуют медленно и напряжение гидрогенерато­ра при сбросе нагрузки может быстро возрасти в 1,5—2 раза по сравнению с номинальным напряжением. Поэтому гидрогенерато­ры имеют защиты от повышения напряжения.

Особенностью защит генератора, действующих на отключение, является то, что они должны не только отделить поврежденный ге­нератор от сети генераторного напряжения, но и прекратить про­хождение тока возбуждения. Поэтому при срабатывании защита действует на отключение выключателя и на устройство (автомат) гашения поля (АГП) возбуждения генератора.

Некоторые из указанных защит устанавливаются не на всех генераторах. Это определяется напряжением, мощностью и харак­тером заземления нейтрали генератора. Так, например, для гене­раторов напряжением до 1000В и мощностью до 1,5 МВт в связи с высоким запасом изоляции защита выполняется упрощенно. Обычно это токовая защита от всех видов повреждений и ненор­мальных режимов. Применяются также плавкие предохранители. В связи с этим ниже защиты высоковольтные и защиты низковольтных синхронных генераторов рассматриваются раз­дельно.

Наряду с защитой на синхронных генераторах имеются устрой­ства автоматики. Одним из средств поддержания напряжения в си­стеме электроснабжения является автоматическое регулирование возбуждения генераторов. Для этого генераторы снабжают устрой­ствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Для включения генераторов на параллельную работу служат устрой­ства автоматической синхронизации (АС). На генераторах элек­трических станций и прежде всего на гидрогенераторах применя­ются и другие виды автоматики, которые здесь не рассматрива­ются.