Включение синхронных генераторов на параллельную работу.

Включение генераторов в сеть необходимо производить определенными способами. В противном случае при включении генератора могут развиваться большие электродинамические усилия, которые могут привести к механическим повреждениям генератора. Чтобы этого не происходило, включение не должно сопровождаться появлением больших уравнительных токов в цепи генератора (по крайней мере, эти токи не должны превышать токи трехфазного кз на выводах генератора).

Включение синхронных генераторов в сеть на параллельную работу производят либо способом точной синхронизации, либо способом самосинхронизации (иногда называемый способом грубой синхронизации).

Способ точной синхронизации. Этот способ состоит в том, что генератор сначала разворачивают турбиной до частоты вращения, близкой к синхронной, а затем возбуждают и при определенных условиях включают в сеть. Условиями, необходимыми для включения, генератора являются:

1) равенство напряжений включаемого генератора и сети U_G=U_c;

2) совпадение фаз этих напряжений φ_G=φ_c;

3) равенство частот включаемого генератора и сети f_G=f_c. (ω_G= ω_c)

При соблюдении всех вышеуказанных условий разность напряжений генератора и сети равна нулю, поэтому уравнительного тока между включаемым и другими генераторами сети не возникает.

Первое условие обеспечивается путем регулирования тока возбуждения генератора, а для выполнения второго и третьего условий необходимо изменение вращающего момента на его валу, что достигается изменением количества энергоносителя (пара или воды), пропускаемого через турбину.

Выполнение условий точной синхронизации может быть осуществлено вручную или автоматически. При ручной синхронизации напряжения и частоты контролируют по установленным на щите управления двум вольтметрам и двум частотомерам, а сдвиг по фазе напряжений — по синхроноскопу. Последний позволяет не только уловить момент совпадения фаз напряжений, но также определить, вращается ли включаемый генератор быстрее или медленнее, чем работающие. Указанные приборы объединяют в так называемую «колонку синхронизации». Вольтметр и частотомер, относящиеся к синхронизируемому генератору, подключают к его трансформатору напряжения, а вольтметр и частотомер, относящиеся к работающим генераторам (или сети), обычно подключают к трансформатору напряжения сборных шин станции. Синхроноскоп подключают одновременно к обоим трансформаторам напряжения.

Так как точная подгонка величин при точной синхронизации затруднительна, то допустимо иметь некоторое их отклонение: Δφ<15⁰, ΔU<20%(обычно 5%), Δf<0,1%(0,05Гц). При этом предпочтительней иметь частоту f_G>f_c. Из трех возможных отклонений наиболее существенна угловая ошибка Δφ, так как именно фазовый сдвиг вызывает наибольшие толчки тока и электромагнитного момента на валу генератора.

Точной ручной синхронизации свойственны следующие недостатки:

1) сложность процесса включения из-за необходимости подгонки напряжения по модулю и фазе, а также частоты гене­ратора;

2) большая длительность включения — от нескольких минут в нормальном режиме до нескольких десятков минут при авариях в системе, сопровождающихся изменением частоты и напряжения, когда особенно важно обеспечить быстрое включение генератора в сеть;

3) возможность механических повреждений генератора и первичного двигателя при включении агрегата с большим углом опережения.

Способ самосинхронизации. Он исключает необходимость точной подгонки частоты и фазы напряжения включаемого генератора. Последний разворачивают до частоты вращения, незначительно отличающейся от синхронной (с точностью до нескольких процентов), и невозбужденным включают в сеть. При этом обмотку возбуждения замыкают на разрядный резистор, либо на якорь возбудителя, чтобы избежать появления в обмотке возбуждения напряжений, опасных для ее изоляции.

Магнитный поток, создаваемый током статора, наводит в роторе ток, вследствие чего в машине возникает соответствующий магнитный поток ротора. Взаимодействие указанных магнитных потоков приводит к созданию асинхронного электромагнитного вращающего момента.

В момент включения невозбужденной синхронной машины в сеть имеет место бросок тока статора и снижение напряжения в сети. Однако ток и соответствующая электродинамическая сила (она пропорциональна квадрату тока) меньше, чем при КЗ на выводах генератора. Поэтому даже ошибочное включение машины в сеть с большим скольжением, когда продолжительность действия повышенных токов достаточно велика, не представляет опасности.

Учитывая быстрое затухание свободной сверхпереходной составляющей тока статора, можно при оценке допустимости самосинхронизации начальное значение периодической составляющей тока I_п0 и напряжение U на выводах генератора определять по переходному сопротивлению:

и

.,

где U_c — напряжение сети; x'_d — переходное сопротивление генератора; х_с — эквивалентное сопротивление системы.

Электродинамические силы, воздействующие при самосинхронизации на обмотку статора неявнополюсных машин, больше, чем явнополюсных, так как неявнополюсные машины имеют относительно большие полюсные деления, и меньшие индуктивные сопротивления (определяющие начальное значение тока включения), чем явнополюсные машины.

После включения генератора в сеть подается импульс на включение АГП и машина возбуждается.

При этом наибольшую опасность для машины представляет знакопеременный вращающий момент, возникающий в первые периоды времени после включения возбужденной машины в сеть. Наибольшее значение этого момента равно:

,

т. е. оно тем меньше, чем больше противление сети Х_с и чем меньше разница между Х^”_dΣ и Х^”_qΣ. Поэтому тургенераторы с массивным ротором и явнополюсные машины с демпферными обмотками по обеим осям на роторе подвергаются меньшему воздействию знакопеременных моментов вращения, чем явнополюсные машины без демпферных обмоток. В общем случае Х_с≠0, поэтому в момент включения невозбужденной синхронной машины в сеть она подвергается меньшему воздействию вращающих моментов, чем при трехфазном КЗ, в то время как в случае ошибочного включения возбужденной машины в сеть вращающие моменты могут в несколько раз превышать моменты при трехфазном КЗ. При приближении к синхронной частоте вращения этот момент становится равным нулю.

Далее за счет синхронного момента, обусловленного возбуждением,

,

где δ — угол между векторами E_q и U_с, машина окончательно втягивается в синхронизм.

Наибольший асинхронный момент воздействует на турбогенераторы, имеющие массивный ротор, а наименьший — на гидрогенераторы без демпферных обмоток. Турбогенераторы даже при включении с большими скольжениями (15 — 20%) входят в синхронизм за 2 — 3 с.

Преимуществами метода самосинхронизации являются:

значительное упрощение операции включения, которое позволяет применить несложную систему автоматизации процесса;

быстрое включение машины в сеть, что особенно важно при аварии в системе;

возможность включения машин во время глубоких снижений напряжения и частоты сети, имеющих место при авариях в системе; отсутствие опасности повреждения машины.

Понижение напряжения, возникающее при включении невозбужденной машины в сеть, может быть значительным, если мощность включаемой машины соизмерима с мощностью системы или превосходит ее. Тем не менее, этот факт не может служить препятствием для включения машин методом само синхронизации, так как напряжение быстро восстанавливается (примерно через 1—2 с).

В настоящее время в аварийных случаях методом самосинхронизации допускается включать все машины независимо от кратности тока включения и способа их охлаждения.