Автоматическое включение синхронных генераторов на параллельную работу
3. Автоматическое включение синхронных генераторов на параллельную работу
3.1. Способы синхронизации
Общие сведения
Для успешного включения генератора в сеть необходимо, чтобы толчок уравнительного тока в момент включения не превышал допустимого значения, а ротор включаемого генератора втянулся в синхронизм без длительных качаний. Для выполнения этих условий необходимо предварительно отрегулировать частоту вращения генератора так, чтобы она стала близкой к синхронной, а напряжение на его выводах (если генератор возбужден) сделать равным или близким напряжению энергосистемы и выбрать момент подачи команды на включение выключателя. Этот процесс уравнивания частоты вращения и напряжения и выбора момента включения генератора в сеть называется синхронизацией. В эксплуатации применяются два основных способа включения генераторов на параллельную работу с энергосистемой: точная синхронизация и самосинхронизация.
При включении способом точной синхронизации генератор разворачивается до частоты, близкой к синхронной, и возбуждается. Затем вручную или с помощью автоматики уравниваются частоты и напряжения синхронизируемого генератора и сети. После этого подается команда на включение генератора в сеть. Для того чтобы толчок уравнительного тока в момент включения не превышал допустимого значения, а качания ротора генератора быстро затухли, необходимо очень точно уравнять частоты и напряжения генератора и сети и выбрать соответствующий момент для включения выключателя.
При самосинхронизации генератор разворачивается до частоты, близкой к синхронной, и включается в сеть невозбужденным. Ток возбуждения подается в обмотку ротора сразу же после включения выключателя генератора. Затем происходит нарастание тока ротора и ЭДС, и генератор втягивается в синхронизм.
Точная синхронизация
Рис. 29.
Рассмотри условия точной синхронизации, которая может применяться для включения в сеть генераторов всех типов и мощностей при любой схеме коммутации. На рис. 29. приведена схема замещения для расчета толчка тока при включении генератора в сеть. Стрелками обозначены принятые положительные направления ЭДС генератора Г и напряжения энергосистемы С. Обходя контур (рис. 29. б)), можно записать согласно второму закону Кирхгофа:
UC – E”Г = IZS (13)
Рекомендуемые материалы
Из этого выражения можно определить толчок уравнительного тока в момент включения:
, (14)
где: DU - разность синхронизируемых напряжений (ЭДС) в момент включения (генератор
замещается ЭДС E”Г за сверхпереходным сопротивлением x”d;
IУР - периодическая составляющая тока в момент включения;
ZS - суммарное сопротивление между ЭДС синхронизируемого генератора и напряжением энергосистемы (генератор замещается сверхпереходным сопротивлением x”d).
Соответственно амплитудное значение уравнительного тока в момент включения:
(15)
Если ЭДС генератора и напряжение энергосистемы равны по абсолютному значению и в момент включения сдвинуты на угол d (рис. 29. в)), ток будет равен:
(16)
В общем случае, когда ЭДС генератора и напряжение энергосистемы не равны по абсолютному значению, выражение для определения уравнительного тока примет следующий вид:
(17)
Как следует из выражений, приведенных выше, уравнительный ток в момент включения будет тем больше, чем больше разность синхронизируемых напряжений и угол между ними. Поскольку в реальных условиях при синхронизации всегда имеется некоторая разница частот синхронизируемого генератора fГ и энергосистемы fС, то угол между напряжениями d и разность напряжений DU все время изменяются. При этом разность мгновенных значений синхронизируемых напряжений равна:
, (18)
где: wГ и wС – угловые скорости вращения ЭДС генератора и энергосистемы соответственно:
и 
.
При условии 
(19)
График изменения напряжения Du, показанный на рис 30. а), представляет собой колебания, которые называются биениями, а разность напряжений Du – напряжением биения uS.
Рис. 30.
В дальнейших нас будет интересовать огибающая амплитудных значений напряжения биения, очерченная на рис. 30. а) штриховой линией. Математическое выражение огибающей имеет следующий вид:
, (20)
где: US - текущее значение огибающей напряжения биения в каждый момент времени;
wГ – wС = wS – разность угловых скоростей синхронизируемых напряжений, или, как говорят, угловая скорость скольжения.
Огибающая напряжения биения изменяется от нуля до максимального значения, равного двойной амплитуде 2U, и вновь уменьшается до нуля. Время полного цикла изменения напряжения биения от нуля через максимум до нуля или между двумя максимальными значениями называется периодом скольжения:
, (21)
где: wS - в радианах секунду (рад/с);
fS - в герцах (Гц);
TS - в секундах (с).
Чем больше разность частот, тем меньше период биения, как показано на рис 30. а).
Для того, чтобы при синхронизации не было толчка уравнительного тока, согласно выражению (14) и рис. 30. контакты выключателя синхронизируемого генератора должны замыкаться в момент, когда огибающая напряжения биения US будет равна нулю (точка 1 на рис. 30. б)). Этот момент называется моментом оптимума.
Выключатель имеет собственное время включения, поэтому команда на включение должна быть подана несколько раньше, чем будет достигнут оптимум, с опережением, равным времени включения выключателя (точка 2 на рис. 30. б)). Время от момента подачи команды на включение до момента оптимума, когда синхронизируемые напряжения совпадают по углу, называется временем опережения tОП. Соответственно угол dОП, при котором подается команда на включение выключателя синхронизируемого генератора, называется углом опережения.
Если выбрать момент подачи команды на включение выключателя так, чтобы время опережения точно равнялось времени включения выключателя, контакты выключателя будут замыкаться в момент оптимума и синхронизация будет происходить без толчка уравнительного тока. Таким образом, для того чтобы включение генератора в сеть не сопровождалось большим толчком уравнительного тока, должны быть соблюдены два следующих условия точной синхронизации:
· равенство синхронизируемых напряжений:
UГ = UC
· совпадение фаз синхронизируемых напряжений:
jГ » jС
· Третьим условием, которое должно быть выполнено при точной синхронизации, является близкое совпадение частот синхронизируемых напряжений:
fГ = fС
Необходимость соблюдения этого последнего требования определяется реальными условиями синхронизации, в процессе которой включение выключателя может происходить не точно в момент оптимума, а раньше или позже оптимума на величину ошибки DtОШ.
Возникновение ошибки DtОШ объясняется тем, что действительное время опережения tОП.Д. может отличаться от расчетного из-за погрешности устройства синхронизации. Действительное время включения выключателя tВ.В.Д. также может отличаться от расчетного:
DtОШ = tВ.В.Д. – tОП.Д. (22)
Очевидно, что наибольшее значение DtОШ будет иметь место при разных знаках ошибок выключателя и времени опережения.
Угол ошибки dОШ, рад, при котором будет происходить включение выключателя, равен:
dОШ = wSDtОШ (23)
Из выражения (23) следует, что чем больше угловая скорость скольжения, тем больше может быть угол ошибки dОШ, а следовательно больше толчок уравнительного тока. Для того чтобы толчок уравнительного тока при определенном значении DtОШ, известном для данного типа выключателя и устройства синхронизации, не превышал допустимого значения, должно выполняться третье условие точной синхронизации:
wS » 0 или fГ » fС
Следует иметь в виду, что соблюдение последнего условия необходимо также для того, чтобы процесс синхронизации не сопровождался длительными качаниями после включения генератора в сеть. Действительно, когда генератор, частота которого выше частоты энергосистемы, включается в сеть, он обладает избытком кинетической энергии относительного движения:
, (24)
где: TJ – механическая постоянная инерции синхронизируемого агрегата.
Чем больше разность частот синхронизируемых напряжений wS, тем больше избыток кинетической энергии в момент включения генератора в сеть и тем длительнее будут качания. Если разность частот будет достаточно большой, генератор может не втянуться в синхронизм.
На практике условия точной синхронизации выполняются не абсолютно точно, а допускаются некоторые отклонения, при которых обеспечивается успешная синхронизация. Частота скольжения fS допускается примерно 0,05–0,2 Гц, что соответствует периоду биения TS = 20¸5 c. Разность напряжений синхронизируемого генератора и сети допускается около 5–10 %. Значение допустимого угла ошибки dОШ определяется в зависимости от параметров сети и синхронизируемого генератора. Допустимым можно считать включение, при котором периодическая составляющая уравнительного тока в момент включения не превосходит номинального тока генератора.
Самосинхронизация
Согласно правилам технической эксплуатации способ самосинхронизации разрешается применять в аварийных условиях на турбогенераторах мощностью до 200 МВт включительно и гидрогенераторах мощностью до 500 Мвт включительно; генераторы большей мощности разрешается включать этим способом при условии, что кратность сверхпереходного тока к номинальному не превышает 3,0. В нормальных условиях разрешается включение способом самосинхронизации (в зависимости от условий работы электростанции и состояния агрегата) турбогенераторов с косвенным охлаждением обмоток, работающих по схеме генератор – трансформатор; гидрогенераторов с косвенным охлаждением обмоток, а также синхронных компенсаторов с разгонными электродвигателями.
Следует также иметь в виду, что включение генератора в сеть способом самосинхронизации сопровождается значительным снижением напряжения на выводах генератора, что может вызвать нарушение нормальной работы потребителей, подключенным к шинам генераторного напряжения. Значение остаточного напряжения может быть подсчитано по следующей формуле:
, (25)
где: ZРЕЗ - наименьшее результирующее сопротивление энергосистемы, приведенное к
выводам генератора;
- переходное сопротивление генератора.
При включении синхронной машины в сеть способом самосинхронизации должны быть соблюдены следующие условия:
· генератор не возбужден;
· АГП отключен
· остаточное напряжение на выводах статора не должно превышать 0,1–0,3 UНОМ;
· скольжение машины не должно превышать допустимого значения;
· ускорение машины в момент включения не должно превосходить допустимого значения (0,5 Гц/с для гидрогенераторов без успокоительных обмоток и 2–5 Гц/с для турбогенераторов и гидрогенераторов с успокоительными обмотками).
Если самосинхронизация будет происходить при большом остаточном напряжении на выводах генератора, она будет сопровождаться большими толчками тока как несинхронное включение возбужденного генератора. В случае включения генератора в сеть при большем скольжении или ускорении процесс самосинхронизации может затянуться и будет сопровождаться длительными качаниями. Поскольку генератор, включаемый в сеть методом самосинхронизации, не возбужден, момент его включения в сеть относительно фазы напряжения системы не имеет значения.
Сравнение способов синхронизации
Основными достоинствами способа самосинхронизации является ускорение процесса синхронизации и его сравнительная простота, вследствие чего он легко может быть автоматизирован. Преимущества самосинхронизации особенно важны в аварийных условиях при значительных колебаниях частоты и напряжения в энергосистеме. Недостатком способа самосинхронизации следует считать сравнительно большие толчки тока в момент включения, вследствие чего подгорают контакты выключателей и подвергаются дополнительным динамическим усилиям обмотки генераторов и трансформаторов.
Достоинство точной синхронизации состоит в том, что включение генератора, как правило, не сопровождается большими толчками тока и длительными качаниями. Вместе с тем жесткие требования, предъявляемые условиями точной синхронизации, делают ее более сложной и длительной операцией. Особенно это относится к аварийным условиям, когда вследствие резких колебаний частоты и напряжения становится практически невозможным точное уравнивание частот и напряжений синхронизируемого генератора и сети.
3.2. Устройства для автоматизации процесса синхронизации
Общие положения
Синхронизация генераторов весьма ответственная операция, требующая от дежурного персонала определенных знаний о опыта работы. Автоматизация этой операции облегчает условия труда оперативного персонала и позволяет ускорить включение генератора в сеть, что особенно важно в аварийных условиях. Различают ручную, автоматическую и полуавтоматическую синхронизацию. В соответствии с этим устройства автоматики подразделяются на автоматические и полуавтоматические.
При автоматической синхронизации весь процесс включения генератора в сеть выполняется автоматически, без вмешательства дежурного персонала. Так, например, автоматический точный синхронизатор осуществляет регулирование частоты вращения и напряжения синхронизируемого генератора, контролирует допустимость для включения разности частот и напряжений, дает импульс на включение в момент, когда выполняются условия точной синхронизации.
При полуавтоматической синхронизации устройства автоматики играют вспомогательную роль, помогая дежурному персоналу синхронизировать генератор. Так, например, устройство полуавтоматической самосинхронизации контролирует разность частот и дает импульс на включение, когда она станет допустимой для включения. Регулирование частоты вращения синхронизируемого генератора при этом возлагается на дежурный персонал. В ряде случаев устройства полуавтоматической точной синхронизации используются в качестве блокировок, разрешающих включение генератора вручную при допустимых для синхронизации условиях.
Полуавтоматический синхронизатор с постоянным углом опережения
В эксплуатации применяются синхронизаторы двух типов: с постоянным углом опережения и с постоянным временем опережения. Одна из схем полуавтоматического синхронизатора с постоянным углом опережения приведена на рис. 31. Рассматриваемый синхронизатор состоит из двух узлов: контроля угла опережения и контроля скольжения – и является полуавтоматическим устройством, так как осуществляет только часть операций, выполнение которых необходимо при точной синхронизации, а именно: проверяет допустимость разности частот (скольжения) и в определенный момент подает импульс на включение выключателя синхронизируемого генератора. Другие операции: регулирование частоты вращения и напряжения синхронизируемого генератора, а также контроль разности напряжений – осуществляет дежурный персонал. Узел опережения синхронизатора дает импульс, разрешающий включение генератора всегда при одном и том же угле опережения, каково бы ни было скольжение синхронизируемого генератора. Включение выключателя происходит, если скольжение не превышает заранее заданного допустимого значения, что проверяется с помощью узла контроля скольжения. Рассмотрим, как работает полуавтоматический синхронизатор, схема которого состоит из двух реле напряжения, реле времени и двух промежуточных реле.
Рис. 31.
К реле напряжения KV1 и KV2 подведено напряжение биения, т.е. разность синхронизируемых напряжений. Для этого одна их фаз обоих трансформаторов напряжения объединена (обычно заземленная), а от другой фазы напряжение подано на зажимы реле напряжения. Определение угла опережения, при котором должна быть подана команда на включение выключателя синхронизируемого генератора, осуществляет реле напряжения KV2. Когда напряжение на реле KV2 больше напряжения срабатывания, якорь реле подтянут и контакт замкнут. Промежуточное реле KL1 при этом обтекается током и контакт KL1.1 в цепи включения выключателя разомкнут. В каждый период при любом скольжении реле KV2 возвращается, когда напряжение биения снижается до уставки его срабатывания (точка б на рис. 32.), и размыкает свой контакт. Реле KL1, отпадая, замыкает контакт в цепи включения выключателя. Поскольку напряжение биения в каждый момент зависит от угла между векторами синхронизируемых напряжений, согласно (20) реле KV2 в каждом периоде срабатывает при одном и том же постоянном угле опережения:
(26)
Контроль угловой скорости скольжения – разности частот синхронизируемых напряжений – осуществляется с помощью двух реле напряжения KV1 и KV2 и реле времени следующим образом. Реле напряжения KV1, уставка срабатывания которого UC.P.,KV1 выше, чем у KV2, замыкает свой контакт каждый период биения в точке а и пускает реле времени. При этом осуществляется сравнение отрезка времени tа–б (от момента срабатывания KV1до момента срабатывания KV2) с уставкой реле времени.
При большой разности частот, когда угловая скорость скольжения велика и недопустима для включения, отрезок tа–б меньше уставки реле времени tK и синхронизатор не разрешает включать выключатель. С уменьшением разности частот отрезок времени tа–б увеличивается, и, когда он становится больше tK, синхронизатор дает команду на включение выключателя.
Рис. 32.
Рассмотрим, как будут взаимодействовать реле в схеме синхронизатора при разных скольжениях. Когда напряжение биения выше уставок срабатывания реле KV1 и KV2, реле KV1 держит контакт разомкнутым, а KV2 – замкнутым. При снижении напряжения до точки а реле KV1 срабатывает и подает плюс на обмотку реле времени. В дальнейшем схема работает по-разному, в зависимости от того, допустима или нет угловая скорость скольжения для включения генератора в сеть.
Если скорость скольжения меньше допустимой или равна ей (
рис. 32.), напряжение снижается медленно, так что к моменту, когда сработает реле KV2, реле времени успеет доработать и замкнуть свой контакт: tа–б > tK.
При этом через контакт KL1.2 реле KL1 проходит импульс на обмотку реле KL2, которое срабатывает и самоудерживается через контакт KL2.1. Контакт KL2.2 замыкается, подготавливая цепь включения выключателя. При дальнейшем снижении напряжения биения сработает и разомкнет свой контакт реле KV2, а промежуточное реле KL1, вернувшись, контактом KL1.1 замкнут цепь на включение выключателя.
В случае, если скорость скольжения превышает допустимую для включения (
), напряжение от точки а до б снижается быстро (tа–б < tK). При этом раньше, чем доработает реле времени, сработает реле KV2 и промежуточное реле KL1 разомкнет свой контакт KL1.2. Вследствие этого при замыкании контакта реле времени не произойдет срабатывания реле KL2, поэтому не будет подана команда на включение выключателя.
Достоинство рассматриваемого синхронизатора – простота выполнения. Основным же недостатком этого и других синхронизаторов с постоянным углом опережения является то, что они по принципу действия допускают при малой скорости скольжения включение генератора с толчком уравнительного тока.
Время опережения, задаваемое синхронизатором с постоянным углом опережения при разной частоте скольжения, определяется следующим выражением:
, (27)
здесь dОП – величина постоянная, следовательно, чем меньше скорость скольжения, тем больше будет время опережения, задаваемое синхронизатором, и тем больше будет угол ошибки при включении генератора в сеть, так как время включения выключателя постоянно. Действительно, если при частоте скольжения 
(рис. 32.) включение генератора в сеть происходит точно в момент оптимума (так как при этом tОП = tВ.В.), то при меньшей частоте скольжения 
выключатель включится раньше оптимума, поскольку в этом случае tОП > tВ.В.
Уставки срабатывания реле в схеме полуавтоматического синхронизатора с постоянным углом опережения (см. рис. 31.) выбираются по следующим выражениям.
Напряжение срабатывания реле напряжения KV2, определяющего заданный угол опережения:
(28)
или при вторичном напряжении UНОМ = 100 В:
(29)
где: dОШ – максимальное значение угла ошибки, при включении с которым толчок тока не
превосходит допустимого значения:
(30)
здесь IДОП – допустимый ток (периодическая составляющая), принимается равным IНОМ.
Поскольку при малых углах можно принять sin d » d, расчет можно производить по упрощенной формуле:
(31)
Максимально допустимое скольжение определяется по выражению (32) так, чтобы максимально возможный угол включения не превышал dОШ:
(32)
На реле времени принимается выдержка времени tK = 1 ¸ 1,5 с.
Напряжение срабатывания реле напряжения KV1 в схеме на рис. 31. выбирается по следующему выражению:
(33)
или при вторичном напряжении UНОМ = 100 В:
(34)
В некоторых случаях полуавтоматические синхронизаторы с постоянным углом опережения используются в качестве блокирующих устройств, контролирующих правильность действий оперативного персонала. При этом выходная цепь синхронизатора включается последовательно с контурами ключа управления. Дежурный, синхронизирующий генератор, дает команду на включение выключателя вручную, наблюдая за движением стрелки синхроноскопа, а синхронизатор разрешает включение выключателя при угле опережения, меньшем заданного, и при допустимой скорости скольжения.
Автоматический синхронизатор с постоянным временем опережения
Рис. 33.
АСПВО, структурная схема которого приведена на рис. 33., обеспечивает автоматизацию всех операций при точной синхронизации. Автосинхронизатор имеет следующие основные узлы:
УО - Узел Опережения, определяющий момент подачи импульса на включение
выключателя;
УКРЧ - Узел Контроля Разности Частот, определяющий допустимость скольжения для
включения синхронизируемого генератора;
УКРН - Узел Контроля Разности Напряжений, сравнивающий напряжения сети и
синхронизируемого генератора;
УРЧВ - Узел Регулирования Частоты Вращения, выравнивающий частоты вращения
синхронизируемого генератора и энергосистемы;
УРН - Узел Регулирования Напряжения, выравнивающий напряжения
синхронизируемого генератора и энергосистемы;
УБ - Узел Блокировок, обеспечивающий соответствующие взаимодействие элементов
в схеме автосинхронизатора;
ВР - Выходное реле, подающие сигнал на электромагнит включения генераторного
выключателя.
Узел опережения выбирает момент подачи импульса на включение выключателя, который должен подаваться с постоянным временем опережения, не зависящим от разности частот синхронизируемых напряжений.
Если установить время опережения, задаваемое автосинхронизатором, равным времени включения выключателя tОП = tВ.В., включение выключателя в идеальном случае (без учета погрешности самого автосинхронизатора и разброса времени включения выключателя) всегда будет происходить точно в момент оптимума. На рис. 34. показаны моменты подачи импульса на включение выключателя автосинхронизатором с постоянным временем опережения при различных скольжениях. Большая точность работы по принципу действия является преимуществом автосинхронизатора с постоянным временем опережения по сравнению с автосинхронизатором с постоянным углом опережения. Недостатком же автосинхронизатора с постоянным временем опережения является их сложность.
Рис. 34.
Полуавтоматический синхронизатор
Схема полуавтоматической самосинхронизации, приведенная на рис. 35., выполняет следующие функции: с помощью реле KV проверяет отсутствие напряжения на выводах генератора; с помощью реле KF осуществляет контроль скольжения синхронизируемого генератора относительно напряжения сети и при допустимом скольжении дает импульс на включение выключателя генератора; после включения генератора в сеть подается импульс на включение АГП. Изменение частоты вращения агрегата осуществляется дежурным персоналом, вследствие чего рассматриваемое устройство самосинхронизации называется полуавтоматическим.
Рассмотрим как работает схема, приведенная на рис. 35. Включением ключа самосинхронизации SA на схему подается оперативный ток, и в то же время одна из обмоток реле разности частот KF, контролирующего скольжение генератора, подключается к трансформатору напряжения сети. Вторая обмотка реле KF будет подключена к трансформатору напряжения генератора спустя выдержку времени реле KT (1–2 с), если генератор отключен и отсутствует напряжение на его выводах (АГП отключен и контакт реле напряжения KV замкнут). Когда скольжение станет допустимым для включения, реле KF замкнет контакт и подаст плюс на обмотку промежуточного реле KL1, которое, сработав, подаст контактом KL1.1 импульс на включение выключателя генератора. После этого включится АГП, цепь катушки включения которого будет замкнута вспомогательным контактом выключателя SQ3.
После срабатывания реле KL1, размыкающий контакт которого KL1.2 разрывает цепь обмотки реле KL2, последнее возвращается с замедлением и размыкает цепь включения выключателя и АГП, чем обеспечивается однократность действия схемы. Возврат схемы осуществляется после отключения ключа SA, чем снимается оперативный ток с обмотки реле KL1, которое самоудерживается через свой замыкающий контакт KL1.3.
30 Информационные технологии решения задач векторной оптимизации - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Для контроля скольжения синхронизируемого генератора используется реле типа ИРЧ-01А, выполненное на базе реле направления мощности индукционного типа. Две обмотки реле подключаются к синхронизируемым напряжениям. Обмотка напряжения, имеющая высокое сопротивление, подключается к трансформатору напряжения сети, а токовая обмотка, имеющая небольшое сопротивление, через последовательно включенный резистор R подключается к трансформатору напряжения синхронизируемого генератора. Так как при самосинхронизации генератор до включения в сеть не возбужден, к токовой обмотке реле подается остаточное напряжение генератора. Высокая чувствительность реле ИРЧ обусловливает его надежную работу при небольшом остаточном напряжении генератора, примерно 0,2% (0,2 В на вторичной обмотке трансформатора напряжения).
После включения выключателя синхронизируемого генератора на токовую обмотку реле KF будет подано полное напряжение 100 В. Для того чтобы предотвратить повреждение обмотки реле, не рассчитанной на такое большое напряжение, обмотка отключается размыкающими контактами KL1.4, KV и вспомогательными контактами выключателя и АГП.
Рис. 35.
При наличии на обмотках реле KF двух синхронизируемых напряжений его подвижная система будет совершать колебательное движение между двумя парами неподвижных контактов. При этом амплитуда колебаний будет тем больше, чем меньше разность частот синхронизируемых напряжений. Когда разность частот станет меньше уставки реле, то в каждый период колебаний подвижной системы будет происходить поочередное замыкание правой и левой пар неподвижных контактов.
Рассмотренная схема применяется для самосинхронизации турбогенераторов.
