Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронных генераторов и электрических станций: учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

1.7. Вопросы для самоконтроля

1. Изменения каких величин могут рассматриваться как возму-

щающие воздействия по отношению к напряжению на выводах СГ?

2. Что показывают внешняя и регулировочная характеристики

СГ?

3. При каком условии внешняя и регулировочная характеристики

СГ могут быть сняты экспериментально?

4. Как изменяется напряжение на выводах СГ при изменении ко-

эффициента мощности нагрузки?

5. Какие величины и как будут изменяться при изменении тока

возбуждения СГ, работающего на шины неизменного напряжения при

постоянном значении активной мощности?

6. Почему для СГ, работающего на шины неизменного напряже-

ния при постоянном значении активной мощности, является нежела-

тельным режим потребления реактивной мощности?

7. Как влияет на устойчивость СГ значение сопротивления эле-

ментов электрической сети, через которые он связан с шинами неиз-

менного напряжения?

8. Как зависит реактивная мощность СГ, выдающего при неиз-

менном значении тока возбуждения постоянную активную мощность

на шины приемной системы (через элементы электрической сети), от

напряжения на этих шинах?

9. В чем проявляется явление саморегулирования СГ, работаю-

щего на шины приемной системы с изменяющимся напряжением при

постоянных значениях тока возбуждения и активной мощности?

10. Как зависит устойчивость СГ, выдающего при неизменном

значении тока возбуждения постоянную активную мощность на ши-

ны приемной системы (через элементы электрической сети), от на-

пряжения на этих шинах?

11. Как зависит реактивная мощность СГ, снабженного авто-

матическим регулятором напряжения (АРН) и выдающего постоян-

ную активную мощность на шины приемной системы (через элемен-

ты электрической сети), от напряжения на этих шинах?

12. Как зависит устойчивость СГ, снабженного АРН и выдаю-

щего постоянную активную мощность на шины приемной системы

(через элементы электрической сети), от напряжения на этих

шинах?

13. Почему СГ, снабженный АРН и работающий в электроэнер-

гетической системе, может терять устойчивость не только при

понижении, но и при повышении напряжения в системе?

14. Почему при наличии АРН повышается устойчивость СГ, ра-

ботающего в электроэнергетической системе?

15. По каким основным факторам учитываются ограничения

при построении диаграммы мощности СГ?

16. Чем опасен для СГ режим недовозбуждения?

17. В чем заключается основное достоинство асинхронизирован-

ного турбогенератора (АСТГ)?

18. Чем конструктивно отличается АСТГ от синхронного тур-

богенератора? Какая система возбуждения применяется для АСТГ?

2. Системы возбуждения синхронных генераторов

2.1.Общие сведения

Системой возбуждения называется комплекс оборудования, уст-

ройств, аппаратов и сборочных единиц, предназначенных для возбуж-

дения автоматически регулируемым постоянным током турбогенера-

торов, гидрогенераторов, синхронных компенсаторов в нормальных и

аварийных режимах [18]. Основными компонентами любой системы

возбуждения являются АРВ, контрольно-измерительные приборы,

устройства защиты и коммутационные устройства.

Система возбуждения с АРВ является весьма важным элементом

автоматической системы управления СГ по напряжению и реактивной

мощности, от свойств которого в первую очередь зависит устойчи-

вость как самого СГ, так и электроэнергетической системы, на кото-

рую он работает.

При создании любой системы возбуждения СГ первоочередным

является вопрос об источнике энергии возбуждения. В качестве таких

источников (возбудителей) в настоящее время могут использоваться:

- вспомогательные генераторы в виде электрических машин по-

стоянного или переменного тока, обычно устанавливаемых на одном

валу с возбуждаемым СГ (системы независимого возбуждения);

- параллельные и последовательные преобразовательные транс-

форматоры, подключаемые к выводам СГ, через которые с использо-

ванием управляемых или неуправляемых преобразователей (выпрями-

телей) осуществляется отбор части энергии на возбуждение (системы

самовозбуждения);

- электрическая сеть, на которую работает СГ, или шины собст-

венных нужд.

Известны также системы, в которых энергия на возбуждение час-

тично берется от вспомогательного генератора (обычно повышенной

частоты) и частично с выводов возбуждаемого СГ, например, через

трансформаторы тока (силовое компаундирование).

Вид используемого возбудителя обычно берется за основу клас-

сификации известных систем возбуждения.

К наиболее распространенным системам независимого возбужде-

ния относятся:

- электромашинные системы, в которых в качестве возбудителя

используется электрическая машина постоянного тока, устанавливае-

мая на одном валу с ротором возбуждаемого СГ;

- так называемая высокочастотная система возбуждения, в ко-

торой в качестве возбудителя используется электрическая машина пе-

ременного тока повышенной частоты с неуправляемым диодным пре-

образователем (выпрямителем);

- так называемая бесщеточная система возбуждения с возбуди-

телем переменного тока обычно повышенной частоты, снабженным

вращающимся неуправляемым или управляемым (тиристорным) пре-

образователем;

- тиристорная система независимого возбуждения с возбудите-

лем в виде вспомогательного синхронного генератора промышленной

частоты и управляемого тиристорного преобразователя.

Среди систем самовозбуждения наиболее распространёнными

являются тиристорные системы параллельного или смешанного са-

мовозбуждения, использующие параллельные или параллельные и

последовательные трансформаторы, соответственно включаемые на

выводы и в фазы СГ, и управляемые тиристорные преобразователи.

Системы возбуждения, использующие выпрямленный ток, иногда

называют выпрямительными, а системы возбуждения, не имеющие

вращающихся машин, – статическими.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системам

возбуждения, является быстродействие, под которым понимается спо-

собность системы достаточно быстро увеличить ток (напряжение) воз-

буждения до предельного (потолочного) значения при снижении на-

пряжения на выводах СГ ниже определенного уровня (форсировка

возбуждения).

Системы возбуждения с возбудителями в виде машин постоянно-

го тока или переменного тока с неуправляемыми преобразователями

являются медленнодействующими. Это обусловлено тем, что в них

изменение тока (напряжения) возбуждения СГ осуществляется не не-

посредственно, а путем изменения тока возбуждения возбудителя, т.е.

через промежуточное инерционное звено.

Наиболее быстродействующими являются тиристорные системы

возбуждения, в которых управление током (напряжением) возбужде-

ния СГ осуществляется непосредственно в цепи ротора СГ путем из-

менения момента (угла) открытия тиристоров преобразователя относи-

тельно моментов времени перехода через ноль переменного выпрям-

ляемого напряжения.

2.2. Основные требования, предъявляемые

к системам возбуждения

Интенсивное развитие работ в области систем возбуждения и ре-

гулирования привело к необходимости разработки и внедрения стан-

дартов, в которых сформулированы требования как к возбудителям,

так и к устройствам регулирования. Ведущими странами в этой облас-

ти стандартизации в конце 70-х гг. прошлого столетия были СССР,

США и Франция [6].

ГОСТ СССР «Системы возбуждения турбогенераторов, гидроге-

нераторов и синхронных компенсаторов» введен в действие 1 января

1977 г. К настоящему времени некоторые нормы этого стандарта уста-

рели. 1 июля 2003 г. введен ГОСТ 21558-2000 [18], имеющий статус

межгосударственного, в соответствии с которым ниже изложены ос-

новные технические требования к системам возбуждения и регулиро-

вания.

Требования, имеющие непосредственное отношение к вопросам,

рассматриваемым в настоящем пособии, могут быть условно разделе-

ны на группы, включающие следующие свойства:

- условия использования;

- быстродействие;

- кратность форсировки;

- условия регулирования тока (напряжения) возбуждения;

- перегрузочная способность;

- надежность и условия резервирования;

- функциональные возможности.

Условия использования систем возбуждения

Для каждого СГ устанавливается своя система возбуждения, ко-

торая называется основной. Кроме того, для каждого СГ (или группы

генераторов) на электрической станции предусматривается резервный

возбудитель или резервная система возбуждения.

Основные системы возбуждения должны работать с АРВ. Работа

без АРВ допускается только на время, необходимое для ремонта, реви-

зии или замены регулятора.

Системы возбуждения в период работы без основного АРВ

должны иметь средства, обеспечивающие возбуждение с ручным дис-

танционным управлением или резервным регулятором возбуждения,

форсировку возбуждения и развозбуждение СГ.

Форсировкой возбуждения называется переход системы возбуж-

дения в режим выдачи максимального тока и напряжения возбуждения

СГ, развозбуждением – принудительное снижение тока возбуждения

СГ до заданного значения [18].

Быстродействие

Быстродействие является весьма важной технической характе-

ристикой системы возбуждения, от которой существенно зависит ус-

тойчивость синхронной работы генераторов и электрических станций

в электроэнергетической системе. По быстродействию все системы

возбуждения делятся на быстродействующие и медленнодействую-

щие.

Под быстродействием системы возбуждения

понимается время

достижения 95% потолочного напряжения возбуждения СГ от исход-

ного номинального значения при форсировке, вызванной регламенти-

рованным изменением напряжения на входе автоматического регуля-

тора возбуждения. При этом потолочным (предельным) считается наи-

большее постоянное напряжение, возникающее на обмотке возбужде-

ния СГ в процессе форсировки при начальном токе, равном номиналь-

ному току возбуждения, и начальной температуре обмотки возбужде-

ния СГ, равной рабочей номинальной.

Быстродействие

может быть определено с помощью переход-

ной характеристики системы возбуждения (рис.2.1).

Для быстродействующей системы возбуждения при форсировке

СГ, работающего на сеть или в режиме холостого хода, и напряжении

прямой последовательности на выводах машины не ниже 80% номи-

нального быстродействие не должно превышать 0,06 с. При этом пол-

ное время расфорсировки не должно превышать 0,15 с.

Системы возбуждения, не отвечающие указанным требованиям,

считаются медленнодействующими.

Кроме быстродействия регламентируется запаздывание системы

возбуждения. Запаздывание – интервал времени в секундах от момента

подачи на вход АРВ сигнала, вызывающего необходимость полной

форсировки возбуждения, до момента, когда в процессе форсировки

возбуждения напряжение возбудителя отклонилось от начального на

3% от разности конечного и начального напряжений в сторону, опре-

деляемую поданным сигналом.

Запаздывание системы возбуждения при форсировке не должно

превышать для медленнодействующих систем 0,3 с, для быстродейст-

вующих – 0,02 с.

Рис.2.1. Определение быстродействия системы возбуждения по пере-

ходной характеристике в режиме форсировки: U

в.ном

– номинальное

напряжение возбуждения СГ; U

в.п

– потолочное (предельное) напряже-

ние возбуждения; Т – быстродействие, с

ГОСТ 183-74 устанавливает также номинальную скорость нарас-

тания напряжения возбуждения, которая при заданном снижении на-

пряжения на входе АРВ (в случае внезапного КЗ в сети) должна быть

не менее 2 отн. ед/с. Следует отметить, что это требование в настоящее

время может относиться только к медленнодействующим электрома-

шинным системам возбуждения, т.к. для современных быстродейст-

вующих систем эта скорость значительно превышает 2 отн. ед/с.

Для генераторов мощностью 60 МВт и более и для синхронных

компенсаторов мощностью 100 МВ·А и более рекомендуется устанав-

ливать быстродействующие системы возбуждения.

По заказу потребителя, в зависимости от условий работы СГ, до-

пускается устанавливать медленнодействующие системы возбуждения

независимо от мощности.

Кратность форсировки

Обычно различают кратность форсировки по току и по напря-

жению:

;

номв

пв

фт

К = ,

номв

пв

фн

К =

где

пвпв

– потолочные ток и напряжение возбудителя;

номвномв

– номинальные ток и напряжение возбуждения СГ.

Указанные кратности должны быть не менее 2.

Кратность форсировки возбуждения по напряжению может пре-

восходить кратность форсировки по току. При этом ограничение пото-

лочного тока возбуждения должно осуществляться в соответствии с

максимально допустимым током СГ, но не ниже двукратного номи-

нального тока возбуждения.

Требуемые значения кратности форсировки по току и напряже-

нию должны обеспечиваться при выполнении следующих условий:

- напряжение прямой последовательности на выводах СГ во вре-

мя КЗ любого вида независимо от его продолжительности превышает

80% номинального при условии, что снижение напряжения на входе

АРВ в момент КЗ достаточно для обеспечения полной форсировки

возбуждения;

- напряжение прямой последовательности на выводах СГ во вре-

мя КЗ не превышает 80% номинального, а после отключения КЗ равно

или превышает 80% номинального при продолжительности КЗ не бо-

лее 0,18 с для СГ, работающих на сеть 110 кВ и выше, и 0,3 с для СГ,

работающих на сеть 35 кВ и ниже.

В случае, если длительность КЗ превышает установленное время

или напряжение прямой последовательности на выводах СГ после от-

ключения КЗ меньше 80% номинального, допускается снижение крат-

ности форсировки до значения, равного произведению напряжения

прямой последовательности в относительных единицах и коэффициен-

та 2,5.

Условия регулирования тока (напряжения) возбуждения

Системы возбуждения должны обеспечивать в продолжительном

режиме работы плавное регулирование тока возбуждения:

- от режима с максимально допустимым отрицательным током

возбуждения (для реверсивных систем возбуждения) или от нуля (для

нереверсивных систем возбуждения) до 110% номинального положи-

тельного тока возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов,

работающих на сеть;

- от 80 до 110% номинального напряжения статора при работе СГ

на холостом ходу путем воздействия на уставку АРВ;

- от 5 до 110% номинального напряжения статора при работе СГ

на холостом ходу путем воздействия на специальные входы АРВ или

устройство ручного управления.

Уставка АРВ по напряжению должна изменяться плавно или дис-

кретно со ступенями не более 0,2% номинального напряжения, а ско-

рость изменения уставки должна быть не более 1% и не менее 0,3%

номинального напряжения за 1 с.

Перегрузочная способность

Системы возбуждения должны выдерживать двукратный номи-

нальный ток возбуждения СГ в течение следующего времени:

- 50 с – для СГ с косвенной системой охлаждения;

- 20 с – для турбогенераторов с непосредственным охлаждением

и гидрогенераторов с форсированным воздушным или непосредствен-

ным водяным охлаждением обмотки ротора;

- 15 с – для турбогенераторов мощностью 800 и 1000 МВт;

- 10 с – для турбогенераторов мощностью 1200 МВт.

Надёжность и условия резервирования

Для систем возбуждения устанавливаются достаточно жесткие

требования по надежности. Обусловлено это тем, что при потере воз-

буждения СГ переходит в асинхронный режим и его следует (в зави-

симости от типа) либо отключать от сети, либо существенно разгру-

жать при ограничении длительности работы в этом режиме и, по воз-

можности, переводить на резервный возбудитель.

Нормируются следующие показатели надежности систем возбу-

ждения, определяемые со второго года эксплуатации с номинальной

нагрузкой промышленного образца:

- коэффициент готовности – не менее 0,996;

- средняя наработка на отказ (отключение генератора от сети или

экстренная необходимость перехода на резервную систему возбужде-

ния) – не менее 18000 ч;

- полный срок службы – не менее 25 лет.

Под коэффициентом готовности понимается вероятность того,

что восстанавливаемое изделие (в данном случае система возбужде-

ния) окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент

времени его использования по назначению [19].

Системы возбуждения, использующие выпрямление переменного

тока при помощи полупроводниковых преобразователей при числе

параллельных ветвей и числе фаз преобразователя не более трех,

должны обеспечивать при выходе из строя одной ветви или фазы ве-

личину тока возбуждения СГ не ниже значения, соответствующего

работе:

- турбогенератора с номинальной активной мощностью и коэф-

фициентом мощности, равным единице;

- гидрогенератора с номинальной активной мощностью при но-

минальном напряжении на выводах и запасом по статической устой-

чивости не менее 20% номинальной мощности машины (без учета

АРВ). При этом ток возбуждения не должен быть меньше тока возбу-

ждения холостого хода.

Требования к постоянному установившемуся напряжению воз-

буждения и быстродействию при выходе из строя одной ветви преоб-

разователя не устанавливаются, при этом допускается автоматическое

запрещение форсировки возбуждения.

Системы возбуждения, использующие выпрямление переменного

тока с помощью полупроводниковых преобразователей при числе фаз

или числе параллельных ветвей преобразователя четыре и более,

должны обеспечивать при выходе из строя одной ветви или фазы все

режимы СГ, включая форсировку возбуждения.

Системы возбуждения электромашинных возбудителей перемен-

ного тока с полупроводниковыми преобразователями должны вклю-

чать в себя два равноценных преобразователя и АРВ, каждый из кото-

рых рассчитан на все режимы возбуждения, включая форсировку. При

повреждении работающего преобразователя должен автоматически

включаться в работу резервный преобразователь, при этом никаких

ограничений режима быть не должно.

Многогрупповые, а также одногрупповые с параллельно рабо-

тающими преобразователями системы возбуждения должны автомати-

чески обеспечивать при выходе из строя одного преобразователя ре-

жимы работы СГ, соответствующие выходу из строя одной ветви или

фазы при числе фаз и числе параллельных ветвей не более трёх.

Для турбогенераторов мощностью 60 МВт и более по заказу по-

требителя следует устанавливать статические системы возбуждения с

полным резервированием преобразователей и АРВ. Каждый преобра-

зователь (работающий и находящийся в резерве) должен быть рассчи-

тан на полный ток возбуждения, включая форсировку.

При повреждении работающего преобразователя должен осуще-

ствляться автоматический переход на резервный преобразователь.

Функциональные возможности

Системы возбуждения в предусмотренных случаях должны до-

пускать возможность включения генераторов в сеть способом само-

синхронизации при скольжении, установленном в нормативных доку-

ментах на генераторы конкретных типов, а также асинхронный пуск

компенсаторов и генераторов – двигателей обратимых агрегатов.

Системы возбуждения гидрогенераторов должны обеспечивать

возбуждение гидрогенератора при его пуске в случае отсутствия на-