Синхронизация генераторов

 

Способы синхронизации. Под синхронизацией понимают про­цесс включения синхронной машины на параллельную работу с другой синхронной машиной или с энергосистемой. Процесс вклю­чения может быть полностью автоматизирован. Все операции при этом выполняются без вмешательства персонала.

Автоматическая синхронизация находит применение прежде всего на гидроэлектростанциях. Если при синхронизации часть операций по включению генератора выполняется человеком, то та­кая синхронизация называется полуавтоматической. В ряде слу­чаев допускается осуществлять синхронизацию вручную без ис­пользования устройств автоматики.

Существует два способа включения синхронных генераторов на параллельную работу: самосинхронизация и точная синхронизация.

При этом, несмотря на различие условий, в которых находится ге­нератор, и тот и другой способы должны обеспечить: включение генератора при допустимых значениях уравнительного тока и мощности; вхождение включенного генератора в синхронизм.

Самосинхронизация. Сущность ее заключается в том, что во время включения генератора при скорости, близкой к синхронной, автомат гашения поля (АГП) остается отключенным и обмотка ротора генератора оказывается замкнутой на разрядный резистор и отсоединенной от возбудителя. Таким образом, генератор вклю­чается в сеть невозбужденным (E _q = 0). После включения выклю­чателя генератора подается сигнал на включение АГП, который подключает обмотку ротора к возбудителю. Генератор возбужда­ется и втягивается в синхронизм. Для энергосистемы такое вклю­чение эквивалентно трехфазному короткому замыканию за сопро­тивлением генератора. Поэтому действующее значение периодичес­кой составляющей переходного уравнительного тока

I' _ур = U _c /(X '_d + X _c),                                                  (12.7)

где Х _с и U _c — приведенные к генераторному напряжению соответ­ственно сопротивление и напряжение системы.

Наиболее тяжелым случаем является включение генератора на шины неограниченной мощности (X _с=0). При этом ток I' _ур может достигать значений тока трехфазного короткого замыкания возбужденного генератора при повреждении на его выводах (I' _к = Е' _q /X' _d ). Во всех других случаях I' _ур <I' _к . Поэтому при само­синхронизации генератор находится в более легких условиях, чем при коротких замыканиях. При самосинхронизации понижается на­пряжение в системе. Минимальное напряжение получается на вы­водах генератора U _г =U _c X' _d /(X' _d +Х _c ). Однако работа потребите­лей при этом, как правило, не нарушается (напряжение восстанав­ливается через 2—3 с). При самосинхронизации на ротор действует ряд вращающих моментов. Процесс вхождения в синхронизм за­висит от их соотношения [62].

Самосинхронизацию рекомендуется применять как основной способ включения в тех случаях, когда уравнительный ток I' _ур< 3,5I _г.ном. Это условие обычно выполняется при самосинхрони­зации гидрогенераторов любой мощности и турбогенераторов, ра­ботающих в блоке с трансформатором. При этом на гидрогенера­торах предусматривается автоматическая, а на турбогенераторах — полуавтоматическая самосинхронизация. Нужно отметить, что в ряде случаев при допустимой кратности уравнительного тока при­меняют способ автоматической или полуавтоматической точной синхронизации. Это относится, например, к генераторам с непо­средственным охлаждением обмоток. В аварийных ситуациях са­мосинхронизацию допускается применять независимо от кратности уравнительного тока и способа охлаждения генератора. В схеме са­мосинхронизации применяют реле разности частот типа ИРЧ-01А. Действие реле основано на индукционном принципе. Оно выполне­но на четырехполюсной магнитной системе.

На рис. 12.17 дана упрощенная схема полуавтоматической само­синхронизации с реле разности частот KF типа ИРЧ-0,1А. Процесс самосинхронизации начинается с включения ключа синхронизации SA. При этом контактами SA1 — SA.3 на схему подается опера­тивный ток и обмотка напряжения KF.1 реле KF контактом SA.4 подключается к трансформатору напряжения TV1 шин электро­станции (рис. 12.17, а). Обмотка KF.2 (рис. 12.17,6) контак­том SA.5 подключается к трансформатору напряжения TV2 гене­ратора спустя время t _с.р = 1÷2 с (реле времени КТ), если выклю­чатель и АГП генератора находятся в отключенном состоянии (вспомогательные контакты Q.2 и ASV замкнуты) и на выводах генератора отсутствует напряжение (контакт KV минимального ре­ле напряжения KV замкнут). Поскольку генератор включается в сеть невозбужденнным, к обмотке подводится небольшое оста­точное напряжение генератора, составляющее около U _{г. ост} = 0,2 В.

Магнитные потоки, создаваемые токами в обмотках реле, пе­риодически смещаются по фазе на угол 0< δ <2π со скоростью, пропорциональной разности частот синхронизируемых напряжений. При этом подвижная система реле совершает колебательные дви­жения. Чем меньше разность частот, тем больше амплитуда коле­баний. При допустимой по условиям самосинхронизации разности частот реле кратковременно замыкает контакты KF в цепи обмот­ки промежуточного реле KL1 (рис. 12.17, а). Оно срабатывает и контактом KL1.1 самоудерживается, а контактом KL1.4 подает воз­действие на включение выключателя (рис. 12.17, г). После этого в связи с замыканиями вспомогательного контакта выключателя Q1 включается АГП. Реле KL2, управляемое размыкающим контак­том KL1.2 реле KL1, обеспечивает однократность действия. Реле имеет некоторое замедление при возврате, что необходимо для на­дежного включения выключателя и АГП.

После завершения процесса са­мосинхронизации обмотка KF.2 реле разности частот отключается от трансформатора напряжения TV2 размыкающими контактами KV, KL1.5 и вспомогательными контак­тами ASV и Q2 (рис. 12.17, б). Это необходимо для того, чтобы исклю­чить повреждение обмотки, не рас­считанной на номинальное вторич­ное напряжение трансформатора TV2. Для возврата реле KL1 и других реле ключ SA переводится в отключенное положение.

Точная синхронизация. При точной синхронизации генератор включается в сеть возбужденным. Поэтому уравнительный ток в момент включения определяется при прочих равных условиях зна­чением напряжения биения Ů_δ , которое, как указывалось, равно геометрической разности ЭДС (напряжения) синхронизируемого генератора Ů _г и системы Ů _с.

На рис. 12.18, а дана векторная диаграмма для случая U _г =U _c= U, из которой следует, что U _δ= 2Usinδ/2. При этом уравнительный ток I _ур = [ 2U /(X _г - X _c)] sinδ / 2. Максимальное зна­чение он приобретает в момент включения генератора (U _г = Е" _qи Х _г= Х" _d ) на шины системы неограниченной мощности (Х _с = 0)при угле δ = π. В этом случае уравнительный ток I" _ур.max превышает в два раза сверхпереходный ток трехфазного короткого замыкания генератора I'' _к.

Очевидно, что устройство точной синхронизации должно обес­печивать включение при уравнительном токе I _ур=0. Для выпол­нения этого условия необходимо обеспечить: равенство напряжений включаемого генератора U _г и системы U _c ; совпадение по фазе ука­занных напряжений (δ =0); равенство угловых скоростей вклю­чаемого генератора ω _г и системы ω _с. Если бы выключатель включался мгновенно (t _в.в=0), то в процессе точной синхронизации достаточно (для обеспечения I _ур=0) было бы выполнить два пер­вых требования и сигнал на включение выключателя подать при U _δ=0. В действительности t _в.в 0. Поэтому выключатель необ­ходимо включать с некоторым опережением. Сигнал на включение можно подавать либо с постоянным углом опережения δ _оп, либо с постоянным временем опережения t _oп, равным времени включе­ния выключателя t _в.в. В соответствии с этим различают синхрони­заторы с постоянным углом опережения и синхронизаторы с посто­янным временем опережения.

На рис. 12.18, б показан характер изменения U _δ = f(t) для двух значений угловой скорости скольжения ω _δ=(ω _г— ω _c). Так как угол δ = ω _δ t, то при δ = δ _оп каждому значению ω _δ соответствует определенное время, в частности t _оп1 и t _оп2 . В общем случае t _оп отличается от t _в.в. Поэтому действие синхронизатора с постоян­ным углом опережения может сопровождаться значительным уравнительным током из-за включения выключателя не в момент оптимума (U _δ=0), что является принципиальным недостатком синхронизатора с постоянным углом опережения.

Синхронизатор с постоянным временем опережения не имеет указанного недостатка. Если принять t _оп= t _в.в, то выключатель должен при любых значениях ω _δ включиться в момент оптимума. Однако в действительности происходят отклонения из-за разброса времени Δt _в.в и погрешности синхронизатора. Синхронизаторы с постоянным временем опережения являются сложными устройства­ми. Схема и принцип действия одного из них рассмотрены, напри­мер, в [42].

Сравнительно просто можно выполнить синхронизатор с посто­янным углом опережения. Для этой цели можно использовать ор­ган, разрешающий устройству АПВУС автоматическое повторное включение по условиям синхронизма (см. § 11.4).

Схема такого синхронизатора показана на рис. 12.19, а. Она содержит два минимальных реле напряжения KSV1 (с размыкающим контактом) и KSV2 (с замыкающим контактом). Угол опережения δоп определяется напряжением срабатывания реле KSV2. Реле KSV1 осуществляет пуск реле времени КТ. К реле напряжения подводится напряжение биения. Схема сравнивает время t _1,2 , которое проходит от момента срабатывания реле KSV1 до срабатывания KSV2, с уставной реле времени — временем контроля t _н = 1,0÷1,5с. По условию син­хронизации устройство должно срабатывать при t _1,2 > t _н и только в конце периода биения — при снижении U _δ . Поэтому за исходное состояние принимается состояние схемы при U _δ.max (рис. 12.19, б). Оба минимальных реле напряжения возбуждены — находятся в состоянии, при котором якорь реле подтянут. При этом контакт реле KSV1 разомкнут, а контакт реле KSV2 замкнут. Реле KL1 возбуждено: контакт KL1.1 замкнут, KL1.2 разомкнут.

 После снижения напряжения до U _δ=U_{с.p1 (}точка 1) реле KSV1 сраба­тывает, его контакт в цепи обмотки реле времени КТ замыкается и запускает его. Далее действие устройства зависит от поведения реле KSV2. Если угловая скорость скольжения меньше или равна расчетной ω _δ < ω _δ.рсч, то реле времени КТ успевает сработать до момента срабатывания реле KSV2 (точка 2), т. е. t _1,2 > t _н. При этом вследствие замыкания контакта КТ срабатывает реле КL2 иконтактом KL2.I самоудерживается, а контактом KL2.2 подготавливает цепь контактора КМ включения выключателя. После срабатывания реле KSV2 его контакт размыкается, реле KL1 возвращается и замыкает контакт KL1.2 в цепи контактора КМ. Выключатель включается.

Включения не происходит, если ω _{δ >} ω _δ.рсч . При этом промежуточное ре­ле KL2 не срабатывает, так как реле KSV2 размыкает контакт в цепи обмотки реле KL1 раньше, чем срабатывает реле времени КТ (t _1,2< t _н), и контакт KL1.1 п цепи KL2 размыкается.

При выборе параметров срабатывания устройства прежде всего задают рас­четный угол опережения δ _оп.рсч= ω _δ.рсч t _в.в. Если ω _δ.рсч> ω _δ , то включение происходит не в момент оптимума, а при угле δ _оп= ω _δ.рсч t _в.в. В связи с этим по­является угол ошибки включения δ _ош =δ _оп..рсч— δ _оп = (ω _δ.рсч— ω _δ) t _в.в. В худ­шем случае (ω _δ=0) включение может произойти с углом ошибки, равным рас­четному углу опережения. Поэтому δ _оп.рсч принимается таким, чтобы при включении с углом ошибки, равным ему, уравнительный ток не превышал допу­стимого значения, принимаемого равным номинальному току генератора:

 

I _ур = I _г.ном = [ 2U _ном / (Х _г + Х _с)] sin (δ _оп..рсч/2).

 

При малых углах можно принять

 

sin (δ _оп..рсч/2) ≈ δ _оп..рсч/2,

тогда

δ _оп..рсч = I _г.ном (Х _г + Х _с) / U _ном .

 

Реле напряжения KV2 задает угол опережения. Поэтому его напряжение срабатывания U _с.р2 должно быть равно напряжению биения при угле δ _оп..рсч, т.е.

 

U _с.р2 = 2U _ном sin (δ _оп..рсч/2).

 

Напряжение срабатывания U _с.р1 реле напряжения KV1 выбирают, исходя из допустимой угловой скорости скольжения ω_{δ доп}, при которой максимально возможный угол включения не превышает угла δ _оп..рсч. Это выполняется, если ω_{δ доп} =2 δ _оп..рсч / t _в.в. При этом напряжение срабатывания

 

U _с.р1 = 2U _ном sin [ ω_{δ доп} (t _в.в+ t _н)]/2.

 

Если подставить значение ω_{δ доп}, то

 

U _с.р1 = 2U _ном sin δ _оп..рсч (1 + t _н / t _в.в).