СИНХРОННЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

1.1. ПУСКОВЫЕ РЕЖИМЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА.

ВКЛЮЧЕНИЕ В СЕТЬ

 

Известны два принципиально отличных способа включения синхронных генераторов на параллельную работу: способ точной синхронизации и способ самосинхронизации.

Суть способа точной синхронизации заключается в том, что вращающийся с синхронной скоростью возбужденный генератор включается в сеть при соблюдении следующих трех условий:

1. Равенство частот генератора и сети: ωг= ωс ( fг= fс ). Допустимое отклонение по частоте не более 0,1 % ( 0,05 Гц). Из опыта эксплуатации желательно, чтобы после включения генератор сразу бы стал выдавать в сеть некоторую небольшую мощность (активную и реактивную), а не брать её из сети. Поэтому предпочтительно иметь частоту генератора несколько выше частоты сети.

2. Равенство напряжений генератора и сети по амплитуде и фазе:

Uг =Uс. ( или ∆ U = 0 ). Совпадение фаз генератора и сети проверяется в процессе пусконаладочных работ. Допустимое отклонение напряжений по величине не более 20 % ( обычно в пределах 5 % ). По той же причине, что и в п.1, предпочтительно иметь напряжение генератора несколько выше напряжения сети.

3. Отсутствие относительного ускорения векторов напряжений генератора и сети: г / dt - dωc / dt = 0. Допустимое отклонение векторов напряжений по углу – не более 15 эл. град. Эта величина принята из условия, чтобы ток включения не превышал номинального тока генератора. Для различных типов генераторов она может колебаться в пределах 10–20 эл.град.

Контроль за величинами напряжений и частот осуществляют по двум вольтметрам и двум частотомерам, а контроль за фазой между напряжениями – по синхроноскопу, объединёнными в колонку синхронизации. В процессе синхронизации сначала добиваются выполнения первых двух условий, а после этого включают синхроноскоп. При нулевом фазовом сдвиге векторов и равенстве частот стрелка синхроноскопа занимает нулевое положение. Если же частота синхронизируемого генератора отличается от частоты сети, стрелка синхроноскопа будет вращаться, и тем быстрее, чем больше разница частот генератора и сети. Причём, если стрелка синхроноскопа вращается в направлении по часовой стрелке, синхронизируемый генератор вращается медленнее вектора сети. Если же стрелка синхроноскопа вращается в направлении против часовой стрелки, синхронизируемый генератор вращается быстрее вектора сети. Включение генератора следует производить не при неподвижной, а при медленно вращающейся стрелке синхроноскопа. При этом ключ в цепи управления выключателя следует включать с некоторым опережением, т.е. при подходе стрелки синхроноскопа к нулевой отметке. Угол опережения зависит от скорости движения стрелки синхроноскопа, индивидуальной реакции оператора, времени срабатывания привода и собственного времени включения выключателя, скорости прохождения токового импульса по цепям управления.

В пределах допустимого угла не имеет принципиального значения, в каком направлении вращается стрелка синхроноскопа. Однако если замыкание контактов выключателя произойдёт не точно в момент совпадения векторов, то вращающаяся система агрегата испытает либо ускоряющее (стрелка синхроноскопа находится слева от нулевой отметки), либо тормозящее (стрелка синхроноскопа находится справа от нулевой отметки) воздействие. В первом случае после замыкания контактов выключателя вращающаяся система агрегата испытает ускоряющее воздействие, совпадающее по направлению с действием вращающего момента турбины, во втором же случае возникнет тормозящее воздействие, противоположное действию вращающего момента турбины, что создаст дополнительную механическую нагрузку на вращающуюся систему агрегата. Поэтому на практике предпочтительнее включать генератор в сеть при подходе стрелки синхроноскопа к нулевой отметке слева.

Не разрешается включение генератора при неподвижной стрелке синхроноскопа, очень быстром движении её, перемещении стрелки синх-

роноскопа рывками (резкая разница в угловых скоростях синхронизи-руемого генератора и сети), каких-либо признаках неисправности цепей синхронизации.

В случае отклонения от указанных условий в обмотке статора генератора появляется уравнительный ток несинхронного включения и возникает электромагнитный момент на его валу. Эти параметры зависят от угла q между векторами е² и uс и их величин, от разности частот генератора и сети, от электрических параметров генератора и величины реактивного сопротивления между несинхронно включаемым генератором и эквивалентной ЭДС системы [1]. Из этих величин наиболее существенна угловая ошибка (q), так как именно фазовый сдвиг вызывает толчки тока статора и электромагнитного моменте на валу.

При равенстве частот и напряжений генератора и сети, но при на- личии сдвига по фазе их векторов имеет место трехфазное несинхронное включение (рис.1.1,а). При работе генератора на холостом ходу его ЭДС за сверхпереходным сопротивлением х²d равна по величине и фазе напряжению на выводах, то есть е²= uг ( так как i× х²d = 0 ). Наличие разности напряжений ∆u генератора и сети обусловливает возникновение уравнительного тока, вектор которого, ввиду индуктивного характера сопротивлений, перпендикулярен вектору ∆u. В начальный момент включения (t = 0) ток остаётся равным нулю, так как мгновенно измениться он не может. В возникающем переходном процессе его можно представить в виде двух составляющих – периодической i п и апериодической i а.

Апериодические токи всех трех фаз обмотки статора образуют магнитный поток Фа, неподвижный относительно статора. Этот поток на векторной диаграмме отображается вектором uкз = ∆u, отстающим от вектора Фа на 90° .

В отличие от трёхфазного короткого замыкания на выводах генератора, когда периодические и апериодические токи в обмотке статора возникают под действием полной величины напряжения генератора, существовавшего до возникновения короткого замыкания, при несинхронном включении периодические и апериодические токи возникают не под действием напряжения на выводах генератора, а под действием геометрической разности Du (рис.1.1) векторов ЭДС генератора и напряжения сети. То есть они зависят от величины угла сдвига этих векторов.

Из [1] в общем случае (е² ¹ uс) периодическая составляющая тока трёхфазного несинхронного включения в относительных единицах

(iп.нсх = Iп.нсх/Iном, о.е.) может быть записана в следующем виде:

, (1.1)

где u = uкз = ; = + ;

= 0,5 - средняя величина сверхпереходных реактивных сопротивлений по обеим осям генератора;

= - реактивное сопротивление связи между выводами генератора и эквивалентной ЭДС системы; - сопротивление повышающего трансформатора; - эквивалентное сопротивление системы; (малыми буквами принято обозначение тока и напряжения в относительных единицах от номинальной величины).

Полный ток несинхронного включения

, (1.2)

где - ударный коэффициент; - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока.

 

 

При равенстве е² и uС

(1.3)

и достигает максимума при включении в противофазе (Θ = 180 эл.град.):

. (1.4)

При включении генератора в систему "бесконечной мощности" (хС = 0) максимальное значение (при Θ = 180 эл.град.) периодической составляющей тока несинхронного включения,

, (1.5)

превысит ток трехфазного короткого замыкания на выводах генератора:

. (1.6)

В практике эксплуатации принято, что при нормальных эксплуатационных условиях допустимая периодическая составляющая уравнительного тока несинхронного включения (Iп.нсх.доп) не должна превышать номиналь-ный ток генератора (Iном), т.е.

, (1.7)

Тогда при равенстве напряжений генератора и сети, представляя равенст- во (1.3) в виде

, (1.8)

определяем допустимый угол несовпадения векторов напряжения генера- тора и сети θнсх.доп.

Активная мощность и момент на валу генератора определяются, во-первых, угловым сдвигом векторов е² и uс и, во-вторых, взаимодействием системы вращающихся роторных контуров с неподвижным относительно статора магнитным потоком Фа. Этот поток, как периодические и апериодические токи, в рассматриваемом случае (несинхронное включение) возникает не под действием напряжения на выводах генератора, а под действием геометрической разности векторов ∆u. Расчётное напряжение uКЗ равно этой разности векторов и сдвинуто относительно вектора Фа на 90 эл.град. против направления вращения векторов.

На диаграмме рис.1.1 откладываем вектор неподвижного относительно статора магнитного потока Фа и отстающий от него на 90 эл.град. вектор uКЗ. Продольная (d) и поперечная (q) оси полюсов ротора вращаются относительно неподвижного вектора магнитного поля статора Фа.

а) б)

Рис. 1.1. Расчетная векторная диаграмма несинхронного трехфазного включения ненагруженного генератора в начальный момент включения (а) и через время t (б) при наличии сдвига по фазе векторов напряжения генератора и сети

 

На поперечной оси q откладываем вектор ЭДС генератора е² = uг.нач. В начальный момент времени вектор uг.нач отстаёт от вектора uкз на угол (90°-θ/2). Через время t все векторы поворачиваются на угол ωt по направлению вращения векторов (рис.1.1,б). Так как вектор напряжения uкз жестко связан с вектором магнитного потока Фа, неподвижного на статоре, то положение вектора uкз не меняется. Следовательно, угол между вектором uг и вектором uкз возрастает на величину ωt и через время t составит ωt - (90° - θ/2).

Наличие углового сдвига векторов е² и uс обусловливает возник-новение неизменного по направлению электромагнитного момента, кото-рый при отсутствии скольжения векторов друг относительно друга, а также затухания токов и ЭДС будет неизменен и по величине mнсх.пост.

Взаимодействие системы вращающихся роторных контуров с неподвижным по отношению к ротору магнитным потоком статора обусловливает возникновение знакопеременного момента mнсх.перем. Таким образом, полный момент генератора определяется суммой постоянной и переменной составляющих:

mнсх = mнсх.пост+ mнсх.перем+ mдоп . (1.9)

 

Кратность неизменной составляющей момента определяется соотношением векторов е² и uс, а знакопеременной - е² и uкз.

Дополнительные моменты неизменного направления - mдоп вы-зываются потерями мощности от переменных токов в контурах ротора и цепи обмотки статора [1] в течение переходного процесса при включении генератора в сеть.

Если пренебречь затуханием токов, ЭДС и напряжения, опустить из рассмотрения дополнительный момент, а также при условии, что е² = uс = = uкз, то суммарный момент на валу генератора при несинхронном включении может быть записан в следующем виде

. (1.10)

Из выражения (1.10) видно, что в начальный момент времени (t = 0) включения генератора в сеть суммарный несинхронный момент на валу его равен нулю независимо от величины угла (рис.1.2).

Затем mнсх возрастает до некоторой величины, зависящей от времени t и угла q, после чего, снижаясь с затуханием, достигает максимума в отрицательной зоне и вновь возвращается к нулю. Наибольшей величины mнсх достигает при q = 120 эл.град. и ωt = 120 эл.град., то есть через 1/3 периода (0,00667 с) от момента включения генератора в сеть.

При этом его амплитуда составит

. (1.11)

Постоянная составляющая достигает максимума при q = 90 эл.град., а переменная при q = 135 эл.град. При этом суммарный момент на валу

. (1.12)

При q = 180 эл.град. постоянная составляющая момента равна нулю и несинхронный момент на валу определяется лишь знакопеременной составляющей, достигающей через четверть периода (90 эл.град.) максимума.

. (1.13)

Построив зависимость кратности наибольшего момента на валу при трёхфазных несинхронных включениях от угла q сдвига векторов ЭДС генератора и напряжения сети (рис.1.3), можно заметить, что в диапазоне q = 65¸180 эл.град. момент на валу отличается от максимального при q = 120° не более чем на 20 %.

В функции допустимого угла несинхронного включения кратность

электромагнитного момента (mнсх = Mнсх /Mном) можно оценить по прибли- женному выражению

. (1.14)

При номинальном напряжении (uс = 1) и малости допустимого угла несинхронного включения (qнсх.доп≤15 эл.град.) кратность момента несинхронного включения не превысит допустимой величины. Если же угловая ошибка при включении превысит допустимые 15 эл.град., то кратность момента на валу может в несколько раз превысить номинальный момент, что уже недопустимо.

Таким образом, при соблюдении условий включения способом точной синхронизации обеспечиваются умеренные броски тока и электромагнитного момента на валу генератора. При нарушении же их могут возникнуть значения тока и тормозящего электромагнитного момента, способные вызвать повреждения генератора. Согласно существующему ГОСТу, к турбогенераторам не предъявляются требования выдерживать воздействия большие, чем те, которые возникают при внезапных коротких замыканиях на выводах обмотки. А именно турбогенераторы должны выдерживать ударный ток внезапного короткого замыкания на выводах обмотки статора при напряжении холостого хода, равном 105 % номинального.

Электромагнитный момент на валу генератора пропорционален его активной мощности Мэл.м ·ω = Р. Следовательно, при несинхронном включении имеют место "броски" активной и реактивной мощностей, определяемые при включении в систему бесконечной мощности следующим образом:

. (1.15)

Величина максимума "броска" активной мощности будет такой же, как и постоянная составляющая момента при q = 90 эл.град. Величина максимума "броска" реактивной мощности наблюдается так же, как и знакопеременная составляющая момента при q = 180 эл.град.

Мощность и ток генератора в соответствии с характером изменения суммарного несинхронного момента будут пульсирующими. В зависимости от соотношения мощностей генератора и системы это вызовет более или менее заметные пульсации тока и передаваемой мощности в сети. Чем меньше разница мощностей генератора и системы, тем больше относительная величина пульсаций.

Магнитный поток Фа с течением времени затухает по мере затуха-ния вызвавших его апериодических составляющих токов обмотки статора с постоянной времени :

, (1.16)

где 1,24×r15 = r75 – активное сопротивление обмотки статора генератора, измеренное на постоянном токе и отнесенное к расчетной температуре 75 °С; r15 – то же при 15 °С; rвн - активное сопротивление внешних по отношению к генератору элементов, измеренное на постоянном токе.

Затухание апериодических составляющих токов в контурах ротора обусловливает затухание ЭДС и периодических составляющих токов статора с соответствующими постоянными времени.

Таким образом, электромагнитный момент на валу генератора, "броски" мощности и тока, появляющиеся при несинхронном включении, с течением времени затухают до величин, определяемых начальной загрузкой генератора. При несинхронном включении генератора следует считаться как с величиной тока несинхронного включения, достигающей максимума при включении в противофазе, так и с величиной электромагнитного момента на валу генератора, достигающей максимума при сдвиге векторов ЭДС генератора и напряжения сети в 120 эл.град.

По применяемой методике [3, 4] считается допустимым такое несинхронное включение, когда периодическая составляющая тока трёхфазного несинхронного включения с углом 180 эл.град. не превосходит определённой кратности номинального тока статора включаемого генератора :

, (1.17)

где = - кратность периодической составляющей тока трехфазного несинхронного включения с углом 180 эл.град. по отношению к номинальному току статора; к - коэффициент, равный в общем случае 0,625. Если же известно [4], что отклонения частоты и напряжения в момент несинхронного включения не превысят ±5 % номинальной величины, то допускается принять к = 0,7.

Принимая оценку наибольшей допустимой величины iп.нсх.макс с коэффициентом к = 0,7, можно из выражений (1.1),(1.5) определить допустимую величину эквивалентной суммы всех реактивных сопротивлений контура несинхронного включения:

. (1.18)

Отсюда следует, что если е” = uг = 1,05 о.е., то величина Σх”dq должна быть не менее трёхкратной, а хвн. – не менее двухкратной величины х”d.

. (1.19)

Для турбогенераторов серий ТВВ и ТВФ кратность наибольшего тока несинхронного включения iп.нсх.макс ограничена трехкратной величиной номинального тока [5]. С учетом этого для генераторов этих серий можно записать

. (1.20)

При выполнении указанных условий электродинамические усилия в генераторе при самом неблагоприятном режиме включения (q = 180 эл.град.) примерно равны усилиям при трехфазном коротком замыкании за повышающим трансформатором и составляют примерно 30 % усилий при трёхфазном коротком замыкании на выводах генератора. Кратность суммарного несинхронного момента в наиболее неблагоприятном случае (q = 120 эл.град.) превысит примерно на 30 % [1] момент, возникающий на валу генератора при трехфазном коротком замыкании за повышающим трансформатором, или составит примерно 70 % момента на валу генератора при трехфазном коротком замыкании на его выводах. Лишь при включении генератора в систему "бесконечной" мощности (хс = 0) электродинамические усилия и момент на его валу превысят таковые при

трехфазном коротком замыкании на его выводах. Приведенные выраже-

ния (1.17)¸(1.20) ограничивают область применения несинхронных автоматических повторных включений (НАПВ) генераторов при возникновении режимов, связанных с кратковременной асинхронной работой с последующей ресинхронизацией. Никаких особых требований к генераторам эти условия не предъявляют, так как они соответствуют меньшим моментам и токам, чем имеющим место при внезапном коротком замыкании на выводах генератора.

Механические характеристики генератора, такие как электродинами-ческие усилия между отдельными проводниками (стержнями) в пазовой и лобовой частях обмотки; механические напряжения в валу и соедини-тельной муфте между генератором и турбиной; усилие, стремящееся опрокинуть статор на фундаменте, вызывающее повышенные механические напряжения в местах крепления активной стали к корпусу как непо-средственно в корпусе, так и в фундаментных болтах; определяются по параметрам внезапного короткого замыкания на выводах генератора. Их можно принимать в качестве критерия и для несинхронного включения при оценке механической прочности конструкции (запаса прочности и остаточ-ного ресурса).

Короткое замыкание на выводах генератора хотя и является исключительно тяжелым режимом, но случается довольно редко и может вообще не возникнуть за весь эксплуатационный период генератора. Несинхронные же включения генератора в сеть с любой заранее неизвестной величиной угла сдвига векторов встречаются достаточно часто. Многократные несинхронные включения могут оказать существенное влияние на ухудшение механических характеристик и снижение прочности конструк-ционных элементов турбогенератора и, как следствие, привести к увеличению объёма ремонтных работ, уменьшению межремонтного периода и эксплуатационного ресурса его. Поэтому в практике эксплуатации для исключения возможных нежелательных последствий несинхронное вклю-чение считается допустимым только при условии, что ток статора и момент на валу будут значительно меньше, чем при внезапном коротком замыкании на выводах. В нормальных условиях включения следует ориентироваться на параметры номинального режима [см. формулы (1.7), (1.8)]. Пример расчёта параметров синхронного генератора при включении его на параллельную работу с сетью приведен в П 2.

На электрической станции генератор жёстко соединён с турбиной. Они образуют единую двухмашинную систему – турбина-генератор, в кото-рой изменение механических характеристик одного элемента сказывается на механических характеристиках всего агрегата. В этой двухмашинной системе турбина может быть ассоциирована как двигательный элемент (первичный двигатель), а генератор – нагрузочный (тормозящий) элемент.

Уравнение движения двухмашинной системы в общем виде пред-ставляется следующим образом:

, (1.21)

где mизб - избыточный момент системы турбина-генератор; mт - вращающий (двигательный) момент турбины; mг - электромагнитный (тормозящий) момент генератора; - электромеханическая постоянная времени двухмашинной системы; n* = n/nс - относительная частота вращения системы.

При постоянстве момента, развиваемого турбиной (mт), и изменении электромагнитного момента генератора по величине и знаку избыточный момент системы также будет меняться по величине и по знаку с частотой питающей сети. При этом агрегат будет получать то положительное, то отрицательное ускорение (dn*/dt) в соответствии с частотой изменения избыточного момента. Таким образом, в механическом отношении двухмашинная система при несинхронном включении будет подвергаться знакопеременным ударным нагрузкам.

Часть развиваемого электромагнитного момента воспринимается конструкционными элементами крепления статора генератора к его корпусу и корпуса к фундаменту, а другая его часть через соединительную муфту передается с вала генератора на вал первичного двигателя (турбины) и воспринимается его конструкционными элементами. Эта вторая составля- ющая электромагнитного момента генератора примерно пропорциональна отношению момента инерции первичного двигателя (Jдв) к моменту инерции всего агрегата (Jагр):

Мэл/м.г-т » Jт / Jагр = (GD2 )т / (GD2 )агр . (1.22)

Аналогично может быть определена и первая составляющая момента:

Мэл/м. ген » Jген / Jагр = (GD2 )ген / (GD2 )агр . (1.23)

Соотношение между этими составляющими определяется отношением их моментов инерции (J) или пропорциональным им маховых моментов (GD2):

Мэл/м.г-т / Мэл/м.ген = Jт / Jген = (GD2 )т / (GD2 )ген . (1.24)

В гидроагрегатах момент инерции турбины составляет лишь 5¸10 % общего момента инерции агрегата. Поэтому вторая составляющая мо-мента Мэл/м.г-т в них относительно невелика и основная доля его Мэл/м.ген воспринимается статическими элементами крепления неподвижных частей генератора.

В турбогенераторах момент инерции турбины превышает момент инерции генератора. Поэтому соединительная муфта и опорно-фиксирую-щие устройства турбины работают в тяжелом режиме, воспринимая значи-тельную долю общего момента. Момент инерции турбины составляет при-мерно 90 % общего момента инерции агрегата.

Способ точной синхронизации может быть осуществлен вручную, автоматически или полуавтоматически.

При точной ручной синхронизации все указанные в п.п. 1,2,3 операции осуществляются оператором. При этом точность их выполнения и точность выбора момента включения выключателя генератора зависят от квалификации оператора. При правильном выборе момента включения выключателя генератора электродинамические воздействия в генераторе и в сети будут минимальными.

При точной автоматической синхронизации все операции по выполнению условий, указанных в п.п. 1,2,3, выполняются автоматическим устройством без вмешательства оператора. При этом момент включения выключателя генератора всегда наступает, как только уставки автоматического устройства достигают заданных величин. При этом момент замыкания контактов выключателя генератора необязательно будет соответствовать минимальным электродинамическим воздействиям в генераторе и в сети, но всегда будет в пределах допустимого. Это исключает вероятность включения генератора в сеть при неблагоприятных сочетаниях параметров и не требует высокой квалификации оператора.

При точной полуавтоматической синхронизации операции по выполнению первых двух условий (п.п. 1,2) осуществляются оператором вручную, а затем включается устройство синхронизации, которое и завершает процесс включения генератора в сеть. При этом имеют место те же достоинства и недостатки, что и в предыдущем случае.

Суть способа самосинхронизации заключается в том, что невозбужденный вращающийся с подсинхронной скоростью генератор (ωг ≤ ωс; ωг = ωс×(1 ± s), где s = 1 - n/nс - скольжение генератора) включается в сеть, и тотчас же после этого его обмотка возбуждения соединяется [например, включением автомата гашения поля (АГП)] с возбудителем, заранее возбужденным до напряжения, соответствующего режиму холостого хода генератора.

В процессе нарастания тока возбуждения на ротор генератора действуют вращающий момент турбины (приводной двигатель), синхронный вращающий момент электромагнитного поля статора и асинхронный вращающий момент, возникающий при s ¹ 0 за счет взаимодействия с вращающимся полем статора токов, индуктированных в обмотке возбуждения и успокоительных контурах (обмотке). Под действием этих моментов генератор втягивается в синхронизм при соблюдении следующих условий:

 

1) ½s½£ (2¸3) % ; 2) dfг /dt < 0,5 Гц/с ( при fс = const ) ;

3) Uвозб.ген / rвозб.ген = Iвозб.ген » Iвозб.х.х , Iвозб.х.х соответствует Uген = Uсети .

 

В начальный момент времени (t = 0) генератор представляется своими сверхпереходными сопротивлениями. Так как генератор в этот момент времени ещё не возбужден, его ЭДС (е”) равна нулю и периодическая составляющая тока статора (iп.с/с 0 ) определяется лишь напряжением сети, которое может превышать номинальное не более чем на 5 %:

, (1.25)

где uс = Uс / Uс.ном - напряжение системы, о.е.

Эта величина меньше, чем максимальный ток несинхронного включения (1.4), и соответствует току несинхронного включения с углом сдвига векторов q » 30 эл.град.

В начальный момент включения (t = 0) величина уравнительного тока остаётся равной предыдущему значению тока, то есть нулю. Поэтому полный уравнительный ток имеет две составляющие — периодическую и апериодическую.

В момент включения невозбужденного генератора в сеть из-за большого падения напряжения в нём (ΔUген = Iп.с/с 0·x’’dq) происходит "посадка" напряжения в системе, которая тем больше, чем меньше разница мощностей генератора и системы. Остаточное напряжение в точке подключения генератора на параллельную работу может быть определено по следующим выражениям:

- на шинах генераторного распредустройства (на выводах генератора)

; (1.26)

- на шинах повышенного напряжения станции

, (1.27)

где - остаточное напряжение, о.е.; , - сопротивления блоч-ного трансформатора и системы, о.е.

При включении генератора в систему "бесконечной" мощности ( = 0) "посадки" напряжения на шинах повышенного напряжения не будет (u ост = u с).

С учетом "посадки" напряжения в системе уравнительный ток в обмотке статора будет меньше определяемого по выражению (1.25).

Сверхпереходные сопротивления гидрогенераторов выше, чем у турбогенераторов. Поэтому при прочих равных условиях "бросок" уравни-тельного тока при включении по способу самосинхронизации у турбогене-раторов будет больше.

После затухания сверхпереходной составляющей тока уравнительный ток и падение напряжения в генераторе будут определяться его пере-ходным сопротивлением (х'd).

Свободная сверхпереходная составляющая тока статора затухает

очень быстро ( примерно на порядок меньше, чем ). Стендовые испытания генераторов показали, что в механическом отношении обмотка статора не реагирует на первый пик тока включения [6] и наибольшая деформация её наступает лишь спустя несколько периодов после включения, то есть когда сверхпереходная составляющая тока практически затухнет.

Протекание тока в обмотке статора, при наличии скольжения, индуцирует токи в роторных контурах, что обусловливает возникновение знакопеременного электромагнитного асинхронного момента [7], приближенное выражение которого имеет вид

, (1.28)

.

Чем симметричнее ротор (меньше разница между х"d и х"q ) и чем больше внешнее сопротивление, тем меньше mс/с 0 макс. С этой точки зрения в лучшем положении находятся турбогенераторы с массивным ротором (для серийных турбогенераторов х"d"q » 0,7) и гидрогенераторы с успокоительными контурами по обеим осям (для серийных гидрогенераторов х"d / х"q » 0,9¸1,0).

Явнополюсные машины без успокоительных контуров (для серийных гидрогенераторов х"d / х"q » 0,45¸0,58) подвергаются большему влиянию знакопеременного момента в начале процесса самосинхронизации.

При включении генератора без успокоительных контуров в систему

"бесконечной" мощности (хс = 0) максимальная величина знакопеременного момента при самосинхронизации практически равна величине момента

при трехфазном коротком замыкании за блочным трансформатором:

. (1.29)

Как правило, хс ¹ 0, и поэтому электромагнитный момент при самосинхронизации всегда меньше электромагнитного момента при трехфазном коротком замыкании, на который генераторы должны быть рассчитаны, тогда как при ошибочном несинхронном включении он может превысить его (рис.1.4).

Электромагнитный асинхронный момент, оказывающий основное влияние на втягивание генератора в синхронизм, при работе с постоянным скольжением имеет две составляющие - постоянную и знакопеременную, изменяющуюся с двойной частотой скольжения.

Втягивание генератора в синхронизм осуществляется в основном под влиянием вращающего момента в установившемся асинхронном режиме при постоянном скольжении, состоящем из знакопеременных состав-ляющих, изменяющихся с двойной частотой скольжения, и постоянных составляющих. Постоянная составляющая определяет средний асинхрон-ный вращающий момент, который оказывает основное влияние на вхождение генератора в синхронизм. При синхронной частоте вращения (s = 0) он становится равным нулю. Чем больше его величина, тем легче частота вращения генератора достигает синхронной и тем легче протекает процесс втягивания генератора в синхронизм. Для обеспечения надёжного вхождения генератора в синхронизм необходимо, чтобы асинхронный момент генератора превышал избыточный вращающий момент, что имеет место, когда в процессе пуска частота вращения агрегата нарастает.

На рис. 1.5 показаны зависимости среднего асинхронного момента от скольжения для генераторов различных типов. Наибольшей величиной обладают турбогенераторы, имеющие массивный ротор. Поэтому процесс втягивания в синхронизм при включении методом самосинхрони-зации для них протекает более успешно, чем для гидрогенераторов, особенно без успокоительных обмоток. Для турбогенераторов даже при включении с большим скольжением (15¸20 %) он заканчивается успешно примерно через 2¸3 с.

Влияние знакопеременных составляющих момента на процесс втягивания генератора в синхронизм сказывается лишь при малых скольже-ниях, не превышающих 1,0 %. При больших же значениях скольжения их влияние становится ничтожно малым и им можно пренебречь.

При синхронной частоте вращения (s = 0) они трансформируются под влиянием явнополюсности генератора (Sхd ¹ Sхq) в реактивную составляющую электромагнитного момента ( mр):

, (1.30)

где Sхd = хd + хвн; Sхq = хq + хвн - суммарное синхронное сопротивление генератора по продольной и поперечной осям соответственно; d0 - фазовый угол включения.

Эта составляющая момента и синхронный момент, появляющийся при наличии возбуждения [mс = (Еq×Uс / Sхd) sin d], обеспечивают втягивание генератора в синхронизм.

Способ самосинхронизации является основным для всех типов генераторов мощностью до 3 МВт включительно. При большей мощности его применение ограничивается допустимыми электродинамическими усилиями в обмотке статора. В этом случае включение генератора способом самосинхронизации рекомендуется только в том случае, когда переходная составляющая тока статора в момент включения не превосходит 3,5-кратного значения номинального тока, т.е. при условии Iп.о £ 3,5 Iном.

Этому условию удовлетворяют практически все гидрогенераторы и турбогенераторы, работающие по схеме блока с повышающим трансформатором. Исключение составляют генераторы с непосредственным охлаждением, для которых способ самосинхронизации допустим только после проведения испытаний.

В соответствии с действующими Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей [16], генераторы, как правило, должны включаться в сеть способом точной синхронизации при введённой блокировке от несинхронного включения.

Способом самосинхронизации допускается включать генераторы, если это предусмотрено техническими условиями или специально согласовано с заводом-изготовителем.

При ликвидации аварий в энергосистеме разрешается включать способом самосинхронизации турбогенераторы мощностью до 220 МВт включительно и гидрогенераторы любой мощности [16]. Турбогенераторы большей мощности способом самосинхронизации разрешается включать только при условии, что кратность сверхпереходного тока к номинальному, определённая с учётом индуктивных сопротивлений блочных трансформаторов и сети, не превышает 3,0.

 

1.2. НОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

 

Под нормальными режимами работы генератора понимают такие, в которых он может длительно работать без ограничений. К таким режимам относится не только номинальный, но и любые другие с неполной (частич-ной) загрузкой по какому-то из параметров и режимы с изменяющейся наг-рузкой, в том числе и с некоторым превышением против номинальной, при условии, что основные параметры генератора не будут выходить за допустимые пределы и температуры обмоток статора и ротора и активной стали не будут превышать допустимых. Режим работы генератора будет нормальным и в случае несколько бòльших изменений его электрических параметров, чем это обусловлено допустимыми пределами изменения их, если они связаны с соответствующими изменениями условий работы системы охлаждения или условий охлаждения генератора. В любом длительном режиме работы не должно возникать условий, утяжеляющих работу отдельных частей турбогенератора и турбоагрегата в целом. Прежде всего это относится к тепловому состоянию элементов генератора. Механические же напряжения в элементах агрегата практически не ограничивают работу в нормальных режимах. Это объясняется тем, что механическая прочность шейки вала, соединительной муфты, креплений лобовых частей обмоток, креплений статора на фундаменте и других частей выбирается не из условий номинального режима, а из значительно более тяжёлых условий внезапного короткого замыкания на выводах обмотки статора.

В отношении соблюдения условий теплового режима важно, чтобы величины потерь мощности, нагрев и температура отдельных элементов генератора не выходили за пределы, обусловленные его номинальным режимом. Для этого прежде всего необходимо, чтобы ток в обмотке возбуждения и ток в обмотке статора в любом длительном режиме не превосходили соответствующих величин для номинального режима.

Изменение активной нагрузки синхронного генератора осуществляется изменением количества механической энергии, передаваемой ему от первичного двигателя, посредством изменения количества энергоносителя (воды или пара), пропускаемого через турбину. Изменение же реактивной мощности генератора осуществляется изменением его тока возбуждения.

Выражения активной и реактивной мощностей [6] синхронной мА шины имеют вид

, (1.31)

(1.32)

Здесь - в соответствии с принятой системой индексации обозначает

ЭДС, направленную по оси q, перпендикулярную оси d обмотки возбуждения. Она обусловлена магнитным потоком возбуждения, отставая от него на 90 эл.град; U - напряжение на выводах генератора; d - угол сдвига между векторами и U, определяющий пространственное положение оси ротора относительно магнитного поля статора.

Выражения (1.31), (1.32) справедливы как в системе относительных единиц, так и в системе физических единиц. В последнем случае под и U понимают их линейные величины.

С достаточной для практических целей степенью точности принимают, что ротор турбогенератора симметричен. При этом условии можно полагать одинаковыми его синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора, т.е. хd = хq. Тогда выражения (1.31) и (1.32) примут вид

(1.33)

При sinδ = 1 имеет место максимум активной мощности (предел статической устойчивости),

, (1.34)

и соответственно максимальный вращающий (тормозной) момент генератора (с учётом допустимых отклонений частоты ± 2,5 % [16]),

(1.35)

Отношение максимального момента (активной мощности) к номинальному называют статической перегружаемостью генератора:

. (1.36)

В этом выражении принято, что напряжение на выводах генератора равно номинальному, то есть U = 1, о.е.

Основное уравнение синхронного генератора имеет вид

(1.37)

Поток Ф связан с намагничивающей силой обмотки возбуждения

(Fв = Iв ×Wв) через кривую намагничивания. Таким образом, регулируя ток возбуждения генератора, можно регулировать его напряжение. Ток нагруз-ки, протекающий в обмотке статора, оказывает размагничивающее дей-ствие, снижая напряжение на выводах генератора. Поэтому по мере набо-ра нагрузки для поддержания постоянства напряжения на выводах генера-тора следует увеличивать его ЭДС, усиливая ток возбуждения. При разг-рузке же следует уменьшать его, чтобы избежать недопустимого повыше-ния напряжения.

При изменении количества энергоносителя, поступающего в первич-ный двигатель, изменяется соответствующим образом развиваемый им вращающий момент. Последнее обстоятельство обусловливает появление на валу агрегата либо положительного (увеличение нагрузки), либо отри-цательного (уменьшение нагрузки) избыточного момента:

(1.38)

Под действием этого момента ротор агрегата получает либо положительное, либо отрицательное ускорение относительно поля статора и соответственно либо увеличение, либо уменьшение угла нагрузки δ. Это яв

   
ление имеет место лишь в начальный момент времени, пока вращающий момент (или мощность Р = М·ω), развиваемый турбиной, не уравновесится электромагнитным (тормозным) моментом (мощностью) генератора. По окончании переходного процесса избыточный момент и ускорение исчезают, агрегат продолжает работать с прежней синхронной скоростью, но при новых значениях угла δ и активной мощности.

Наиболее наглядно представление о возможных нагрузочных режимах можно получить из рассмотрения диаграммы мощности. В простейшем виде, без учёта насыщения машины, она может быть получена из диаграммы ЭДС, построенной для номинального режима (рис. 1.6).

а) б)

Рис. 1.6. К построению диаграммы мощности: а - векторная диаграмма ЭДС и токов возбуждения насыщенного турбогенератора при xd = xq ; б - вспомогательное построение диаграммы мощности

Умножая все стороны треугольника ЭДС (рис. 1.6,а) на , получаем треугольник мощностей (рис. 1.6,б). Принимаем вектор полной мощности UI за единицу. Его проекции на оси ординат и абсцисс дадут соответственно активную и реактивную мощности генератора в относительных единицах (относительно полной мощности Р/Sном, Q/Sном). При постоянстве тока возбуждения ifн вектор ЭДС Еq остаётся неизменным по амплитуде, и при постоянстве напряжения U вектор при изменении активной нагрузки описывает окружность радиусом ВА (рис. 1.6,б). При увеличении активной мощности угол δ увеличивается, а угол уменьшается. При этом увеличивается, а уменьшается. Следовательно, увеличение активной нагрузки ведёт к снижению выдачи реактивной мощности. Когда угол нагрузки δ возрастает до значения δ1 , угол становится равным нулю и, следовательно, генератор работает в режиме чисто активной нагрузки. При дальнейшем увеличении угла δ угол снова начинает возрастать, но уже в ёмкостном квадранте, и генератор переходит в режим работы с опережающим коэффициентом мощности.

Практическое построение диаграммы мощности для серийного турбогенератора проследим на примере рис. 1.7. Построение выполнено в

 

Рис.1.7. Диаграмма мощности ненасыщенного синхронного турбогенератора

(при ОКЗ = 0,6; cos φном = 0,85)

 

относительных единицах. Полную мощность принимаем за единицу. Сначала на плоскости произвольно намечаем точку О. Из этой точки проводим оси координат: ось ординат – ось активной мощности ( = Р/Sном в относительных единицах от Sном); ось абсцисс – ось реактивной мощности

( = Q/Sном в относительных единицах от Sном). По оси абсцисс влево от точки О откладываем величину ОКЗ заданного генератора. Получаем точку В. Из этой точки восстанавливаем перпендикуляр к оси абсцисс (ось максимальной электромагнитной мощности δ = 90° ). Из точки О строим вектор , равный ( = S/Sном), при известном cos φном . При номинальном напряжении ( = 1, = U/Uном) этот вектор пропорционален току статора Iст. Затем, соединяя точку В с точкой А, получаем вектор , пропорциональный току возбуждения if (при = 1). Опуская из точки А перпендикуляры на оси ординат и абсцисс, получаем соответственно величины номинальных активной и реактивной мощностей в относительных единицах при номинальной полной мощности ( = 1). Точка А соответствует номинальному режиму работы генератора (Iст.ном, if ном, cos φном ,Sном, Рном.г, Qном.г ). Проведя дугу радиусом ОА с центром в точке О, получаем дугу АМСЕ с I ст.ном = const. Проведя дугу радиусом ВА с центром в точке В, получаем дугу DAа с if ном = const. Эти две дуги пересекаются в точке А.

Для турбоагрегатов мощностью более 60 МВт мощность турбины обычно не превышает номинальной активной мощности генератора. В примере на рис. 1.7 принято, что мощность турбины равна номинальной активной мощности генератора Рмакс.т = Рном.г , равной 0,85 номинальной полной мощности генератора. При этом условии на диаграмме проводим горизонтальную линию АG через точку А.

Ось ординат, соответствующая работе генератора с cosφ = 1, делит диаграмму на две части: зона справа от неё характеризуется режимами с отстающим током статора, реакция которого является размагничивающей, и для её компенсации необходимо увеличение возбуждения машины, при этом принято говорить, что генератор работает с перевозбуждением, с от-дачей реактивной мощности в сеть; зона слева от неё характеризуется опережающим, подмагничивающим током статора, и об этих режимах при-нято говорить, что генератор работает с недовозбуждением, с потребле-нием реактивной мощности из сети.

При работе машины в области недовозбуждения одним из условий, ограничивающих активную нагрузку, является обеспечение устойчивой па-раллельной работы с сетью, так как в этих режимах предел статической устойчивости по мощности близок к активной нагрузке генератора. На участке ВЕ активная нагрузка и предел статической устойчивости одинаковы. Работа в таком режиме без принятия специальных мер невозможна. Поэтому в режиме недовозбуждения необходимо иметь некоторый запас по статической устойчивости за счёт использования возможностей системы АРВ и ограничения мощности генератора. В простейшем случае запас статической устойчивости обеспечивают за счёт десятипроцентного (в долях номинальной полной мощности) превышения предела мощности генератора над его активной нагрузкой при том же возбуждении (10 %-ный запас статической устойчивости).

Согласно ГОСТ 533-2000 [21], для синхронных генераторов потребляемая реактивная мощность в режиме недовозбуждения ограничивается пределом статической устойчивости. При этом предельное значение потреблямой реактивной мощности при номинальном токе статора и номинальном напряжении имеет место при cos φ = 0,95, что соответствует на диаграмме мощности точке С. Далее граница ограничения мощности по условию сохранения 10 %-ного запаса статической устойчивости строится следующим образом: на участке ВЕ произвольно откладывается отрезок ВК и этим радиусом с центром в точке В проводится дуга. Затем отрезок ВК уменьшают на 10 % (в долях номинальной полной мощности) - получается точка N', через которую проводится горизонталь до пересечения с ранее проведенной дугой. Точку пересечения обозначим N. Проведя ряд подобных построений, получим кривую СGF ограничения нагрузок генератора в режиме недовозбуждения.

Полученная в результате проведенных построений внутренняя область, ограниченная кривой ОDАGNFО, является диаграммой мощности синхронного генератора.

В области АD полная мощность генератора ограничивается допустимым током возбуждения. На этом участке в отсутствии активной нагрузки наибольшая возможная реактивная нагрузка могла бы составить примерно 0,8 номинальной полной мощности генератора. Однако такой режим по условиям работы паровой турбины в безпаровом режиме не может быть длительным. Минимально допустимая длительная нагрузка паровой турбины определяется минимальным (вентиляционным) пропуском пара (точка D' на диаграмме), соответствующим примерно 10 % от мощности турбины. Если же энергетическая установка представляет собой блок котёл-турбина-генератор, то решающее значение имеет минимально допустимая нагрузка котла. С учётом этого минимально допустимая нагрузка на диаграмме мощности будет определяться точкой D". Соответственно диаг-рамма мощности при такой блочной схеме будет ограничиваться внутрен-ней областью замкнутой кривой D"АGF".

В области дуги АМСЕ полная мощность генератора ограничивается допустимым током статора, если нет ограничения по максимальной мощ-ности турбины. В примере рис. 1.7 максимальная мощность турбины равна номинальной активной мощности генератора, поэтому рабочая зона огра-ничивается прямой АG.

Наряду с рассмотренными условиями по обеспечению устойчивости параллельной работы с сетью в режиме недовозбуждения следует учитывать также и повышенный нагрев крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевых зон статора. Ограничение мощности по этому условию на диаграмме обозначено кривой МL. Этот нагрев тем больше, чем больше магнитный поток рассеяния лобовых частей обмотки статора, пропорциональный току в обмотке. Увеличение тока в обмотке возбуждения противодействует возникновению этого потока рассеяния и, следовательно, ограничивает местный нагрев [1]. Наиболее неблагоприятен режим с большим током статора и малым током возбуждения. Такой режим возникает при токе статора, близком к номинальному, и cos φ больше номинального (участок от точки А до оси ); при токе возбуждения меньше тока холостого хода; при асинхронном ходе без возбуждения. В этих режимах ток возбуждения мал или вообще отсутствует и местный нагрев может достичь столь больших размеров, что длительный режим по условиям нагрева крайних пакетов окажется недопустимым.

Построение ограничивающей кривой МL поясним на примере получения точки М для номинального тока генератора. Для серийных турбогенераторов выполнение лобовых частей таково, что соотношение осевой составляющей индукции Вf, создаваемой лобовыми частями обмотки ротора с учётом их относительно большой электромагнитной удалённости, и тока возбуждения if ном составляет 0,3÷0,5 [8]. При этом условии на векторе наносим вектор = Вf в соотношении / = 0,5. Вектор представляет результирующую составляющую индукции в торцевой зоне. При номинальной полной мощности машины и изменении cos φ конец этого вектора будет перемещаться по дуге окружности с центром посередине отрезка ОВ на оси абсцисс (точка n) и радиусом nR. Проводим дугу этим радиусом. Максимум этой составляющей индукции будет при δ = 90° на оси ВЕ, минимум - при δ = 0° (ОH) - режим перевозбуждённого синхронного компенсатора.

Точка L на оси абсцисс соответствует работе генератора в режиме недовозбуждённого синхронного генератора. При этом предполагается, что предельно допустимой температуре зубцов, в соответствии с классом нагревостойкости изоляции обмотки статора, будет соответствовать пре-дельное значение результирующей индукции в торцевой зоне Ва. пр (Оm'), которое получается арифметическим сложением её составляющих, созда-ваемых лобовыми частями обмотки ротора (Lm') и обмотки статора (ОL). На диаграмме рис. 1.7 Оm' = Оm. Проводим дугу радиусом Оm' с центром в точке О до пересечения с дугой радиусом nR в точке m. Из точки В про-водим прямую через точку m до пересечения с дугой АМСЕ в точке М.

Проведя ряд подобных построений, получим дугу МL ограничения мощности по условиям нагрева торцевых зон активной стали. Из построений можно получить, что кривая МL является частью окружности с центром на ОD (0,65÷0,75 ОD) и радиусом, примерно равным 1,42 ОD. Участок ег на кривой ML получают по данным заводских тепловых испытаний и с учётом нормативных материалов по температурным режимам торцевых зон для каждого типа турбогенератора в соответствии с конкретным исполнением и зависимостью между допустимой величиной потребления реактивной мощности и активной нагрузкой.

Под влиянием совместного действия токов в лобовых частях обмоток статора и ротора образуется результирующее вращающееся (относительно неподвижных частей статора) магнитное поле рассеяния. Наибольшая концентрация его имеет место в крайних пакетах активной стали статора. Линии результирующего поля, замыкаясь с торцов ротора и бандажных колец на торцы активной стали статора, входят в крайние пакеты в осевом направлении. Этот магнитный поток, направленный поперёк сечения листов активной стали по пути наибольшего магнитного сопротивления, вызывает в них во много раз большие потери и значительно больший нагрев, чем магнитный поток, направленный вдоль сечения пакета.

В номинальном режиме магнитодвижущая сила обмотки возбуждения в зазоре между статором и ротором и в торцевых зонах является наибольшей длительно допустимой. При этом геометрическая сумма магнитодвижущих сил лобовых частей обмоток статора и ротора относительно невелика. В этом режиме нагрев крайних пакетов активной стали статора остаётся в допустимых пределах.

Интенсивность результирующих полей и соответственно потери и нагрев в нормальных режимах и режимах недовозбуждения зависят от конкретного конструктивного исполнения торцевых зон и удельных электромагнитных нагрузок, в частности от линейной токовой нагрузки, и значительно возрастают с её увеличением.

Линейная нагрузка турбогенераторов с непосредственным охлаждением в 1,2÷2 раза больше, чем для турбогенераторов с косвенным охлаждением [8]. Поэтому нагрев крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов торцевой зоны для них значительно больше, особенно при работе с опережающим коэффициентом мощности, несмотря на принимаемые меры для его снижения (использование немагнитных материалов, экранов, разрезка крайних зубцов, интенсификация охлаждения и т.п.). То же имеет место и при работе с коэффициентами мощности, близкими к единице в индуктивном квадранте.

Магнитные потоки в торцевых зонах замыкаются по путям с большим сопротивлением (газовая среда). Поэтому связь между обмотками в этой зоне слабая и результирующее взаимодействие электромагнитных потоков ротора и статора определяется преимущественно пазовой частью машины.

В пазовой части основной составляющей электромагнитной индукции является радиальная, в торцевых же частях из-за сложности формы магнитного поля существуют соизмеримые величины радиальной, аксиальной и тангенциальной составляющих индукции.

С некоторыми допущениями можно считать, что потери и нагрев крайних пакетов активной стали в основном определяются результирующей аксиальной составляющей индукции, а именно наибольшим её значением в зубцовой зоне в точках, ближайших к расточке статора (в действительности нагрев крайних пакетов активной стали определяется не только дополнительным потоком в торцевых зонах, но и потерями от основного потока, пульсационными потерями и т.п.). Магнитные поля торцевой зоны представляют собой поля рассеяния лобовых частей обмоток статора и ротора. Их сложение по своей природе отличается от сложения полей в пазовой части. Однако практически можно построить, подобно токовой диаграмме, диаграмму индукций пазовой части, чтобы представить изменение результирующей аксиальной составляющей индукции на внешнем торце зубцовой зоны крайнего пакета активной стали при изменении нагрузки и возбуждения генератора, как это показано выше.

К основным мероприятиям по снижению дополнительных потерь от потоков рассеяния в торцевой зоне в режиме недовозбуждения можно отнести следующие: применение немагнитной стали для конструкционных элементов; установление медного демпфирующего экрана между нажимной плитой и поверхностью крайнего пакета (наиболее эффективно для генераторов мощностью 150 МВт и выше); выполнение прорезей вдоль зубца крайнего пакета с размерами и количеством, определяемыми его механической прочностью и расчётом магнитной цепи. По указанию завода-изготовителя ограничение по нагреву торцевых зон может быть снижено или даже отменено в результате их реконструкции и интенсификации охлаждения. В табл. П5.7 приведены данные по допустимым нагрузкам турбогенераторов с непосредственным охлаждением в режимах недовозбуждения [8].