Режимы работы синхронных генераторов

Под нормальными режимами генераторов понимают такие, при ко­торых они могут длительно работать без ограничений. К таким режимам относят: номинальный (паспортный); режимы с неполной (частичной) нагрузкой и режимы с изменяющейся (регулируемой) нагрузкой при условии, что в процессе изменения основные параметры не отклоняются за пределы допустимых. Основными параметрами электрического генератора являются: полная мощность (S), напряжение (U_ст) и ток (I_cт) статора, ток ротора (I_в), cos φ_н, частота (f), температура (t_охл) и давление (P_охл) охлаждающей среды.

При длительном установившемся режиме все указанные параметру должны поддерживаться неизменными. В практике эксплуатации допускается отклонение параметров в некоторых пределах. Согласно ПТЭ номинальная мощность генераторов при номинальном коэффициенте мощности и номинальная мощность синхронных компенсаторов должна сохраняться при одновременных отклонениях напряжения до ±5 % и частоты до ±2,5 % номинальных значений при условии, что при работе с повышенным напряжением и пониженной частотой сумма абсолютных значений отклонений напряжения и частоты не превышает 6 %, если в стандартах на отдельные типы машин не оговорены иные условия по отклонению напряжения и частоты.

Наибольший ток ротора, полученный при работе с номинальной мощностью и при отклонениях напряжения в пределах ±5 %, длительно допустим при работе с номинальными параметрами охлаждающих сред.

Для всех генераторов и синхронных компенсаторов наибольшее рабочее напряжение должно быть не выше 110 % номинального. При напряжении выше 105 % допустимая полная мощность генератора и синхронного компенсатора должна быть установлена в соответствии с указаниями инструкций завода-изготовителя или по результатам испытаний.

При напряжении на генераторе или синхронном компенсаторе ниже 95 % номинального, ток статора должен быть не выше 105 % длительно допустимого.

Температура меди и стали статора считается неизменной, если ее отклонения не превышают 1 °С в течение 1 часа. Температура охлаждающей среды считается постоянной, если для газа она отклоняется не более 1 °С за I час, и 0,5 °С за 1 час для жидкости.

Допустимый диапазон изменения нагрузок генератора удобно находить из диаграммы мощностей для ненасыщенного генератора (рис. 4.6), построение которой основано на диаграммах ЭДС и токов возбуждения синхронного генератора (рис. 4.7). Векторы мощностей получены умножением векторов напряжений на ток статора.

Вектор ОА — полная мощность машины (S), проекция на ось ординат — активная её составляющая при cos φ_н(Р_н). Проекция ОА на ось абсцисс — номинальная реактивная мощность Q_н.

Рис.4.6. Диаграмма мощностей синхронного генератора

Рис. 4.7. Векторные диаграммы ЭДС и токов возбуждения

Эти номинальные значения P_н и Q_н генератор должен развивать в течение ресурса при номинальных условиях охлаждения (температуре газа, масла, дистиллята на входе и выходе, давлении и чистоте водорода).

Чистота водорода хуже 97 %приводит к уменьшению теплоотводящей способности, а при чистоте 75 % возникает опасность образования взры­воопасной смеси.

Напряжение генератора должно быть практически симметричным и синусоидальным, т.е. напряжение обратной последовательности не должно превышать значения 1 %,а коэффициент не синусоидальности (Д) не должен превышать 5 %.

,

где U₁ — напряжение основной частоты; U_y — напряжение частоты (гармоник) y-порядка.

Отклонения напряжения статора допускаются в пределах ± 5 % при этом генератор должен длительно работать с полной мощностью, при этом при 95 % напряжения повышается ток статора, а при 105 % ток ротора.

Повышение напряжения статора сверх 105 % опасно, так как из-за большого насыщения стали современных генераторов, даже незначительное повышение напряжения приводит к возрастанию магнитной индукции, увеличению в несколько раз потоков рассеяния и появлению в ребрах корпуса паразитных токов, приводящих к их перегреву и даже оплавлению.

Влияние изменений частоты на потери и нагрев генераторов сказываются при больших ее отклонениях (>±2,5 %). При понижении частоты потери в стали уменьшаются, но ухудшается охлаждение водородом, повышается нагрев и приходится снижать мощность.

При повышении частоты растут потери в стали, но улучшаются условия охлаждения, поэтому только при значительных повышениях частоты (>2,5 %) возникла бы необходимость уменьшения мощности.

ПТЭ разрешают изменения частоты в нормальном режиме ±0,2 %, что не требует изменения нагрузки.

Значительное влияние на работу генератора оказывают изменения cos φ (рис. 4.6).

На участке окружности АД в режимах с пониженными cos φмашина, ограниченная током ротора, может выдавать лишь пониженную полную мощность при снижении тока статора из-за сильного размагничивающего влияния реакции статора. При учете насыщения эта мощность ещё уменьшается. Таким образом, в чисто компенсаторном режиме генератор способен развивать только около 70 % мощности.

При работе с повышенными cos φ(от номинального до 1,0), полная мощность ограничена турбиной (конец вектора OА будет перемещаться по прямой АВ). Если турбина способна повышать мощность сверх номинальной (например, типы КО, KОO), то границу мощности показывает участок окружности АА' диаграммы.

При работе в ёмкостном квадранте (влево от прямой OВ) активная мощность генератора ограничивается запасом в 10 % статической устойчивости его работы в области низких cosφ (кривая G'F) и нагревом крайних пакетов стали и элементов торцевых зон при недостаточной компенсации потока реакция статора потоком ротора (кривая GG').

Работа в режиме недовозбуждения практикуется в энергосистемах в часы провала нагрузок из-за избытка реактивной мощности в системе и невозможности кратковременных остановок генераторов. Такой режим осуществим только при автоматическом АРВ и соблюдении ограничений, выделенных на диаграмме кривыми GG' и G'F.

Согласно ПТЭдлительная работа генераторов с коэффициентом мощности ниже номинального и в режиме синхронного компенсатора с перевозбуждением (в индуктивном квадранте) разрешается при токе возбуждения не выше длительно допустимого при данных параметрах охлаждающих сред.

Допустимая реактивная нагрузка генераторов в режиме синхронного компенсатора и синхронных компенсаторов с недовозбуждением (в ёмкостном квадранте) должна быть установлена на основании заводских инструкций или нормативно-технических документов, а при их отсутствии на основании результатов специальных тепловых испытаний.

Разрешается длительная работа генераторов с косвенным охлаждением обмоток при повышении коэффициента мощности от номинального до единицы с сохранением номинального значения полной мощности.

Допустимые длительные нагрузки генераторов в режиме работы с недовозбуждением, а также при повышении коэффициента мощности от номинального до единицы для генераторов с непосредственным охлаждением должны быть установлены на основании указаний заводских инструкций, а при их отсутствии - на основании нормативно-технических документов с учётом обеспечения устойчивости параллельной работы в сети.

При регулярной работе генератора в режиме недовозбуждения должно быть обеспечено автоматическое ограничение минимального тока возбуждения.

В практике эксплуатации пользуются не только диаграммами мощ­ности, но и картами допустимых нагрузок для конкретных машин в режимах перевозбуждения, позволяющими одновременно оценить влияние температуры охлаждающей среды, напряжения и cos φ (таблица 4.3).

Таблица 4.3.

Карта допустимых нагрузок для ТВФ-60-2

Обмотка	Напряжение статора, КВ	Доп. нагрузки, А, при t охл. газа оС для генераторов ТВФ-60-2
	31-35	36-40	41-45	46-50	51-55
Статор	6,62 6,3
Ротор	5,98 6,62 6,3 и ниже

Как видно из таблицы 4.3, существенное значение в работе обмотки электрических машин и их изоляции имеет температура в процессе эксплуатации. Температура, зависит oт электрического pежима и от условий охлаждения.

Поэтому во время эксплуатации за этими параметрами ведется контроль. Температура обмотки и стали статора контролируется с помощью индикаторов, заложенных на заводе-изготовителе машин. Ранее для этих целей использовались термопары. Более современным является измерение температур с помощью заложенных в обмотки термосопротивлений (плоских медных или платиновых катушек), использование которых основано на известном физическом явлении зависимости сопротивления от температуры.

Термосопротивления закладываются между стержнями обмоток для измерения температуры меди обмоток и на дно пазов для измерения температуры активной стали. Для контроля температуры охлаждающего агента термосопротивления помещают в чехлы непосредственно в его потоке.

Величинутемпературы определяют по изменению тока, протекающего через термосопротивление от источника постоянного тока измеряемого устройством теплоконтроля. В настоящее время применяются автоматические устройства теплоконтроля, которые периодически опрашивают все контролируемые точки, регистрируют текущие температуры, выдают предупредительный сигнал при приближении к предельно допустимым значениям и аварийный при их достижении.

Аварийные и специальные режимы генераторов могут быть вызваны замыканиями во внешних или внутренних цепях, дефицитами мощности в системе, приводящими к набросу нагрузки, нарушениями в системе охлажде­ния обмоток и других вспомогательных систем.

К специальным режимам относят несимметричные и несинусоидальные нагрузка, также асинхронный режим при потере возбуждения.

Длительная перегрузка генераторов и синхронных компенсаторов по току сверх значения, допустимого при данных температуре и давлении охлаждающей среды, запрещается [32].

Кратковременные перегрузки в процессе эксплуатации машин возникают довольно часто и связаны с работой автоматики, форсировкой возбуждения и допускаются в достаточно широких пределах, согласно техническим условиям, установленным заводами-изготовителями. При отсутствии таких указаний допускаются следующие кратковременные перегрузки генераторов и синхронных компенсаторов по току статора при кратности тока, отнесённой к номинальному значению (табл. 4.4). Допустимая перегрузка по току возбуж­дения генераторов и синхронных компенсаторов с косвенным охлаждением обмоток определяется допустимой перегрузкой статора. Для турбогенераторов с непосредственным водородным или водяным охлаждением обмотки ротора допустимая перегрузка по току возбуждения должна быть определена кратностью тока, отнесённой к номинальному значению тока ротора (табл. 4.5) [32].

Допустимые аварийные перегрузки установлены с учетом системы охлаждения машин, их конструктивных особенностей, электрических и механических свойств изоляция. Для генераторов с жидкостным охлаждением учитывается также не допустимость вскипания дистиллята или разложения масла при перегрузках. В роторной обмотке важно не допустить температурных перемещений меди, стали и изоляции, при которых могут возникнуть остаточные деформации или повреждение изоляции стержней.

Приведенные перегрузки рассмотрены как аварийные и ими нельзя, пользоваться ежедневно при прохождении максимумов нагрузки станций.

Таблица 4.4

Допустимая длительность аварийной перегрузки статора

Продолжительность	Косвенное	Непосредственное
перегрузки, мин,	охлаждение	охлаждение обмотки статора
не более	обмотки статора	водой	водородом
	1,1	1,1	-
	1.15	1,15	-
	-	-	1,1
	1,2	1,2	1,15
	1,25	1,25	-
	1,3	1,3	1,2
	1,4	1,35	1,25
	1,5	1,4	1,3
	2,0	1,5	1,5

Таблица 4.5

Допустимая длительность перегрузки ротора

Продолжительность перегрузки, мин, не более	Турбогенераторы
ТВФ, кроме ТВФ-120-2	ТГВ, ТВВ(до500МВт включительно), ТВФ-120-2
	1,06	1,06
	1,2	1,2
	1,7	1,5
0,5	2,0	-
0,33	-	2,0

Несимметричная нагрузка возникает при большом содержании в общей нагрузке однофазных приемников, режим которых приводит к перекосу по фазам.

ПТЭ разрешают длительную работу генераторов с неравенством фазных токов при условии, что ни один из токов не превысит Iн. статора.

Допускается длительная работа с разностью токов в фазах, не превышающей 12 % номинального для турбогенераторов и 20 % для синхронных компенсаторов и дизель-генераторов.

Для гидрогенераторов с системой косвенного воздушного охлаждения обмотки статора допускается разность токов в фазах 20 % при мощности 125 MBА и ниже, 15 % — при мощности свыше 125 MBА.

Для гидрогенераторов с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора допускается разность токов в фазах 10%.

Если , а , то коэффициент несимметрии

.

При таком режиме в статоре возникают токи обратной последо­вательности, магнитное поле которых вращается относительно ротора с двойной угловой скоростью. Индуктируемые этим полем в контурах ротора вихревые токи двойной частоты вызывают дополнительный нагрев элементов ротора до опасных значений (зубцов, клиньев, бандажей).

Эти элементы подвержены нагреванию в основном возле торцевых зон, где они имеют повышенные сопротивления контактных поверхностей (рис. 4.8).

Рис.4.8. Изменение температуры нагрева ротора в торцевых зонах

Во многих случаях к системе подключены мощные преобразователи (тяга, электропередачи постоянного тока, электролизные ванны), выпрямители, инверторы которые имеют нелинейные характеристики и генерируют высшие гармоники тока и напряжения.

Причиной появления гармоник тока является процесс коммутации вентилей, вызывающий искажение кривой питающего напряжения, а также сдвиг фазы между питающим напряжением и током.

Гармоники тока вызывают повышенный нагрев оборудования, а гармоники напряжения увеличивают потери в стали и изоляции и могут нарушить работу цепей управления и релейной защиты.

Добавочные потери от высших гармоник тока в обмотке статора зависят от высоты проводников и глубины проникновения вихревых токов в толщу проводника.

Уменьшение мощности генератора из-за добавочного нагрева обмотки статора высшими гармониками тока определяется по добавочным потерям в меди обмотки статора:

,

где — потери в обмотке статора, определенные по сопротивление обмотки постоянному току; — добавочные потери от высших гармоник тока; — эффективное значение тока гармоники y–го порядка; — коэффициент вытеснения тока основной гармоники; — порядок гармоники.

Коэффициент снижения мощности из-за добавочного нагрева статора токами высших гармоник

.

Критерий допустимости несинусоидальной нагрузки по ротору имеет вид

_,

где — допустимый ток обратной последовательности.