В каких случаях в схеме генератор трансформатор линия срабатывает агп генератора

Обновлено: 17.05.2024

Способ и устройство гашения поля синхронного генератора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Крекер Евгений Яковлевич, Андреев Алексей Николаевич

Рассматривается комплексное устройство, позволяющее гасить поле синхронного генератора и выполнять функции резистора самосинхронизации. Для ускорения гашения поля применен ступенчатый принцип увеличения сопротивления контура возбуждения .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Way and device of synchronous generator field suppression

The complex device allowing to suppress the field of synchronous generator and to perform the functions of the resistor of self-synchronization is considered. The step principle of resistance increase of contour of excitation is applied to accelerate the field suppression.

Текст научной работы на тему «Способ и устройство гашения поля синхронного генератора»

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ ПОЛЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Е.Я. Крекер, А.Н. Андреев г. Челябинск, ЮУрГУ

WAY AND DEVICE OF SYNCHRONOUS GENERATOR FIELD SUPPRESSION

E.J. Kreker, A.N. Andreev Chelyabinsk, SUSU

Ключевые слова: синхронный генератор, устройство гашения поля, контур возбуждения, преобразователь, обмотка возбуждения.

Keywords: synchronous generator, device of clearing of a field, contour of excitation, rectifier, winding of excitation.

Гашение поля синхронного генератора - это операция, заключающаяся в снижении магнитного потока машины до величины, близкой к нулю, которая проводится как при плановых, так и при аварийных отключениях генератора от сети [1, 2]. При плановом отключении одновременно с разгрузкой генератора снижают и его ток возбуждения для поддержания напряжения на его выводах близким к номинальному. Этот процесс проводится до тех пор, пока ток возбуждения не снизится до значения тока холостого хода генератора.

Необходимость в аварийном отключении генератора от сети возникает при повреждениях в энергосистеме или при повреждениях в зоне действия дифференциальной защиты генератора или блока генератор - трансформатор. В первом случае после отключения генератора от сети напряжение на его выводах резко возрастает до значения, соответствующего его ЭДС, что значительно выше номинального и нежелательно как для его изоляции, так и для изоляции подключенного к нему оборудования (блочного, выпрямительного трансформаторов и др.). Во втором случае к гашению поля предъявляются особые требования, поскольку, чем больше время горения дуги при этом повреждении, тем не только больше объем разрушения в месте КЗ, но и выше вероятность повреждения изоляции под действием дуги на других узлах генератора (например, развитие двухфазного

КЗ в трехфазное) и рядом стоящего оборудования. Кроме того, машина при близком коротком замыкании (КЗ) испытывает динамический удар, и силы, возникающие при этом, стремятся отогнуть лобовые части статорной обмотки, что может привести к дополнительному повреждению изоляции этих частей и дорогостоящему ремонту.

При пробоях изоляции дуга горит до тех пор, пока ЭДС генератора не снизится до величины, недостаточной для ее поддержания. Проведенные опыты показали, что при напряжении 500 В происходит естественное погасание дуги переменного тока внутри машины [1,2]. Для снижения ущерба от повреждения при такой аварии магнитный поток (ток возбуждения) как можно быстрее должен быть снижен до величины, практически равной нулю.

Как правило, для гашения поля используют контур возбуждения генератора, поскольку напряжение на обмотке возбуждения (ОВ) является единственным параметром, который одновременно влияет на время гашения поля и, в то же время, является доступным для воздействия на него при гашении поля в различных условиях. На ОВ при гашении поля создается отрицательное напряжение, под действием которого ток возбуждения машины снижается до нуля. Чем выше значение этого напряжения, тем быстрее гасится поле.

На сегодняшний день применяются следующие способы гашения поля: гашение поля выводом энергии в сеть переменного напряжения (в тиристорных СВ), гашение поля рассеиванием энергии магнитного поля ОВ на дугогасительной решетке выключателя, гашение поля рассеиванием энергии на резисторе с линейным сопротивлением и на резисторе с нелинейным сопротивлением [3]. Как показывалось в [3] устройства, реализующие эти способы, различны по эффективности (скорости гашения поля) и стоимости. При гашении поля инвертированием или на резисторе с линейным сопротивлением время гашения поля оказывается большим, что говорит о недостаточной эффективности этих способов. С другой стороны устройства, осуществляющие гашение поля на резисторе с нелинейным сопротивлением и на дугогасительной решетке выключателя (АГП) позволяют быстро гасить поле. Однако их стоимость высока и это стимулирует поиск решений, альтернативных уже существующим [3].

Таким образом, актуален поиск решений, позволяющих создать такое УГП, которое сможет быстро гасить поле синхронных машин и будет иметь приемлемую стоимость.

Для того чтобы преодолеть недостатки устройств, реализующих вышеописанные способы можно использовать предложенный в [4] способ гашения поля. УГП, выполненное на базе этого способа, отличается от известных тем, что ВАХ контура возбуждения при гашении поля формируется путем последовательного введения в контур возбуждения специальных линейных резисторов таким образом, чтобы сопротивление контура возбуждения ступенчато возрастало (снижалась постоянная времени контура возбуждения) при снижении тока возбуждения до определенных значений. Такое формирование характеристики УГП позволяет поддерживать обратное напряжение на ОВ близким к допустимому по условиям работы ее изоляции, а также использовать типовые элементы контура возбуждения для гашения поля (резистор самосинхронизации, выключатель и

т.д.). Использование уже имеющихся элементов СВ для реализации большего количества функций приводит к снижению стоимости такого УГП.

В цепи постоянного тока контура возбуждения (рис. 1) обычно последовательно с обмоткой возбуждения (3) и возбудителем 4 включается автомат гашения поля (АГП) или выключатель 5, а параллельно с ОВ тиристорный разрядник (элементы 7 и 8) с резистором самосинхронизации 6 и контактором самосинхронизации (9), шунтирующим разрядник.

Рассмотрим схему УГП (рис. 2) по способу [4] (схема создана на базе типовой схемы СВ, рис. 1) и алгоритмы ее работы в различных режимах работы синхронного генератора.

При подаче сигнала на гашение поля преобразователь 4 СВ переводится в режим инвертирования. Одновременно с подачей импульса на инвертирование подается импульс на отключение выключателя 5 и включение транзистора ЮВТ 7. При этом, поскольку полупроводниковые приборы обладают меньшей инерционностью, чем механические устройства, то транзистор ЮВТ 7 включится раньше, чем начнут размыкаться контакты выключателя 5. Таким образом, транзистор 7 шунтирует выключатель 5, что приводит к бездуговому отключению последнего.

После отключения выключателя 5 снимается импульс управления с транзистора 7, который начинает переходить в непроводящее состояние. При этом напряжение на ОВ быстро увеличивается (из-за быстрого отключения тока индуктивности), и ток ОВ 3 переходит в цепь с диодом 11 и резистором 18 по мере отключения транзистора. Как только напряжение на стабилитроне 24 достигнет величины его «срабатывания», наименьшей из всех, этот стабилитрон перейдет в проводящее состояние и в цепи управления тиристора 10 появится ток, тиристор включится и часть тока возбуждения перейдет в цепь этого тиристора (рези-

Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ)

Согласно Правилам технической эксплуатации все генераторы независимо от их мощности и напряжения должны иметь устройство форсировки возбуждения, а генераторы мощностью 3 МВт и выше должны быть также оснащены автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ).

Рис.1. Схема релейной форсировки возбуждения генератора

Простейшим автоматическим устройством, предназначенным для быстрого увеличения возбуждения генератора в аварийном режиме, является релейная форсировка возбуждения (реле KV и контактор КМ на рис.1). Принцип действия форсировки состоит в том, что при значительном снижении напряжения на зажимах генератора (обычно ниже 85% номинального) реле минимального напряжения К V замыкает свои контакты и приводит в действие контактор форсировки КМ, который, срабатывая, закорачивает сопротивление шунтового реостата в цепи возбудителя RR. В результате ток возбуждения возбудителя быстро возрастает до максимального значения и возбуждение генератора достигает предельного значения.

Рис.2. Схема APB генератора пропорционального действия

Широко распространенными APB являются устройства компаундирования в сочетании с корректором напряжения (рис.2).

Термин «компаундирование» обозначает автоматическое регулирование тока возбуждения машины в зависимости от тока статора. В нормальном режиме в случае увеличения тока статора (при активно-индуктивной нагрузке) напряжение генератора уменьшается, но устройство компаундирования автоматически увеличивает ток возбуждения возбудителя, а следовательно, и ток ротора генератора, благодаря чему напряжение на зажимах статора генератора восстанавливается.

Устройство компаундирования успешно работает и в аварийных режимах работы генератора, когда напряжение генератора снижается, а ток в обмотке статора значительно возрастает.

В схему компаундирования входят трансформаторы тока ТА, вторичные обмотки которых включены на промежуточный трансформатор Т, а также выпрямитель VD1, который выпрямляет ток компаундирования перед подачей его в обмотку возбуждения возбудителя LGE. Ток компаундирования I_K без учета коррекции пропорционален I_Г.

Компаундирование в чистом виде не может обеспечить достаточно точное поддержание напряжения генератора. Поэтому одновременно с регулированием возбуждения по току статора генератора применяется еще регулирование по напряжению статора. Для введения регулирующего импульса по напряжению трансформатор Т (универсальный трансформатор с подмагничиванием) оснащается еще обмотками 2 и 4 (рис.2,а).

Ток в обмотке 2 пропорционален U_Г. Фаза тока I_Н подобрана так, что ток I_Н совпадает по фазе с реактивной слагающей тока генератора. Поэтому при чисто активной нагрузке МДС обмоток 1 и 2 взаимно сдвинуты на 90°, а при чисто реактивной нагрузке генератора они совпадают по фазе.

Вследствие этого ток компаундирования при неизменных величинах I_Г и U_Г получается тем больше, чем ниже cosφ или выше реактивная нагрузка генератора, - это так называемое фазовое компаундирование, которое обеспечивает более точное поддержание напряжения, так как ток компаундирования зависит не только от абсолютного значения тока генератора, но и от cosφ.

Через обмотку 4 подмагничивания Т производится окончательная коррекция тока компаундирования относительно заданного значения U_Г при помощи корректора напряжения.

В общем случае в состав корректора напряжения входят измерительные элементы И1 и И2, включаемые в цепь трансформатора напряжения TV через установочный автотрансформатор Т1.

Принцип действия измерительного органа корректора поясняется рис.2,б. Выпрямленный ток I₁ на выходе измерительного элемента И1 прямо пропорционален входному напряжению. Поэтому этот элемент называется линейным.

Выпрямленный ток I₂ на выходе элемента И2, который называется нелинейным, имеет нелинейную зависимость от входного напряжения (рис.2,б). Оба тока I₁ и I₂ поступают в усилитель У, который реагирует на их разность и усиливает ее. Ток выхода корректора поступает в данном случае в обмотку 4 подмагничивания Т.

Из рис.2,б видно, что при снижении напряжения на входе измерительных элементов менее U₁ под действием разности токов (I₁-I₂) ток выхода корректора увеличивается. Корректор поддерживает то напряжение генератора, которое соответствует напряжению U₁ на входе измерительных элементов. С помощью автотрансформатора T₁ можно изменять настройку корректора.

Рассмотренная схема АРВ относится к группе регуляторов пропорционального действия, реагирующих на отклонение тока статора и напряжения статора генератора.

Разработаны и находятся в эксплуатации регуляторы сильного действия, реагирующие на скорости изменения параметров регулирования, а также на их ускорение. Устройство АРВ сильного действия в сочетании с быстродействующими системами возбуждения, имеющими высокие скорости изменения напряжения возбуждения и большие значения потолочного напряжения возбудителя, обеспечивает значительное повышение устойчивости параллельной работы генератора. С целью повышения эффективности в закон регулирования вводятся также составляющие Δf и f'.

Рис.3. Структурная схема АРВ сильного действия

Структурная схема АРВ сильного действия приведена на рис.3. Автоматическое регулирование возбуждения состоит из двух основных звеньев: измерительного звена и усилителя-сумматора.

В измерительное звено входят блоки измерения напряжения (БИН) и частоты (БИЧ). Блок БИН содержит предвключенный элемент БКТ, в котором происходит автоматическая коррекция измеряемого напряжения в зависимости от реактивной составляющей тока генератора. После БКТ сигнал поступает на измерительные элементы ΔU (отклонение напряжения) и U' (производная напряжения), выход которых пропорционален указанным величинам. Блок БИЧ имеет измерительные элементы, выход которых пропорционален Δf и f'.

Усилитель-сумматор представляет собой двухкаскадный магнитный усилитель, выходной сигнал которого направляется на управление рабочей и форсировочной группами тиристоров быстродействующей системы возбуждения (исполнительный элемент).

Для улучшения характеристик АРВ (повышения быстродействия и др.) в схему регулятора обычно вводят обратные связи ОС.

Автоматическое гашение поля (АГП) генераторов

Гашением поля называется процесс, заключающийся в быстром уменьшении магнитного потока возбуждения генератора до величины, близкой к нулю. При этом соответственно уменьшается ЭДС генератора.

Гашение магнитного поля приобретает особое значение при аварийных режимах, вызванных повреждениями внутри самого генератора или на его выводах.

Короткие замыкания внутри генератора обычно происходят через электрическую дугу - именно это обстоятельство обусловливает значительное повреждение обмоток статора и активной стали. Это тем более вероятно, что ток I_К> при внутреннем повреждении может быть больше тока при коротком замыкании на выводах генератора. В таком случае быстрое гашение поля генератора необходимо, чтобы ограничить размеры аварии и предотвратить выгорание обмотки и стали статора.

Таким образом, при внутренних коротких замыканиях в генераторах необходимо не только отключить их от внешней сети, но и быстро погасить магнитное поле возбуждения, что приведет к уменьшению ЭДС генератора и погасанию дуги.

Для гашения поля необходимо отключить обмотку ротора генератора от возбудителя. Однако при этом вследствие большой индуктивности обмотки ротора на ее зажимах могут возникнуть большие перенапряжения, способные вызвать пробой изоляции. Поэтому гашение поля нужно выполнять таким образом, чтобы одновременно с отключением возбудителя происходило быстрое поглощение энергии магнитного поля обмотки ротора генератора, так чтобы перенапряжения на ее зажимах не превышали допустимого значения.

В настоящее время в зависимости от мощности генератора и особенностей его системы возбуждения используются три способа гашения магнитного поля:

замыкание обмотки ротора на гасительное (активное) сопротивление;
включение в цепь обмотки ротора дугогасительной решетки быстродействующего автомата;
противовключение возбудителя.

В первых двух способах предусматривается осуществление необходимых переключений в цепях возбуждения с помощью специальных коммутационных аппаратов, которые называют автоматами гашения поля (АГП).

Рис.1. Схема электрических цепей при гашении поля
генератора автоматом с дугогасящей решеткой

При коротком замыкании в генераторе реле защиты KL срабатывает и своими контактами отключает генератор от внешней сети, воздействуя на электромагнит отключения YAT выключателя, а также подает импульс на отключение АГП.

Автомат имеет рабочие 2 и дугогасительные 1 контакты, которые при нормальной работе генератора замкнуты. Контакты 3 АГП вводят при отключении автомата добавочное сопротивление R_Д в цепь возбуждения возбудителя, снижая ток возбуждения последнего. АГП снабжен решеткой из медных пластин 4 при расстоянии между ними 1,5-3 мм.

При отключении автомата сначала размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные, причем дуга, возникающая на них, затягивается с помощью магнитного дутья в дугогасительную решетку и разбивается на ряд последовательных коротких дуг.

Короткая дуга является нелинейным активным сопротивлением, падение напряжения на котором сохраняется практически постоянным, равным 25-30 В, несмотря на изменение тока в дуге в широких пределах.

Общее падение напряжения на дуге равно:

где U_K - напряжение на короткой дуге;
n - число последовательных дуговых промежутков в решетке.

Таким образом, в момент вхождения дуги в решетку автомата напряжение на ней сразу возрастает до U_Д и практически остается неизменным до погасания дуги.

Число пластин в решетке выбирается таким, чтобы U_Д превосходило U_f,пот - потолочное напряжение возбудителя. При этом дуга существует, пока имеется запас энергии магнитного поля обмотки возбуждения генератора.

Если пренебречь падением напряжения в активном сопротивлении обмотки ротора, что допустимо для крупных синхронных генераторов, то уравнение переходного процесса примет следующий вид:

(2)

Электродвижущая сила самоиндукции обмотки возбуждения при изменении тока i_f равна Ldi_f/dt. Она определит разность потенциалов на обмотке ротора. Чем выше скорость изменения тока di_f/dt, тем больше ЭДС самоиндукции. По условию электрической прочности изоляции обмотки ротора эта ЭДС не должна превышать U_m. Так как в процессе гашения имеет практически постоянное значение, то уравнение (2) при условии максимальной скорости гашения поля во все время переходного процесса будет иметь вид:

При этом следует иметь в виду, что в течение периода гашения поля U_f практически не изменяется.

Следовательно, в процессе гашения поля генератора разрядом на дугогасительную решетку напряжение на обмотке ротора будет иметь постоянное значение, в пределе равное U_m. Ток в обмотке ротора i_f будет изменяться с постоянной скоростью, так как

(4)

Рис.2. Процесс изменения тока и напряжения
в обмотке ротора при гашении магнитного поля

Время гашения поля с использованием описанной выше схемы составляет 0,5-1 с. Процесс изменения тока в обмотке ротора и напряжения на ее зажимах представлен на рис.2. В данном случае условия гашения поля близки к оптимальным.

При гашении поля, создаваемого небольшим током, дуга в промежутках между пластинами горит неустойчиво, особенно при подходе тока к нулевому значению. Из-за погасания дуги в одном из промежутков обрывается вся цепь тока, что сопровождается перенапряжениями в цепи возбуждения.

Для того чтобы подход тока к нулевому значению был плавным, решетка шунтируется специальным набором сопротивлений 5 (см. рис.1). При такой схеме дуга гаснет не вся сразу, а по секциям, что способствует уменьшению перенапряжений.

В настоящее время отечественные заводы изготовляют АГП данной конструкции на номинальные токи 300-6000 А.

Таблица 1

Технические данные АГП

В табл.1 приведены основные параметры АГП для крупных синхронных машин.

Гашение поля противовключением возбудителя применяется обычно для генераторов с тиристорным возбуждением. При этом (рис.3) отключается автомат гашения поля и главные вентили переводятся в инверторный режим. Магнитное поле подвозбудителя гасится после гашения поля главного генератора за счет инвертирования выпрямителей, питающих его обмотку возбуждения. Если последний процесс будет неуспешным, то поле гасится с помощью сопротивления R_г, включаемого контактом 5. Время гашения поля основного генератора может быть очень малым, но принимается таким как и в предыдущем случае, чтобы избежать чрезмерных перенапряжений в обмотке возбуждения.

Рис.3. Гашение поля при независимом тиристорном возбуждении генератора
1 - АГП, 2 - ввод резервного возбуждения,
3 - главный тиристорный возбудитель,
4 - тиристорный возбудитель вспомогательного генератора,
5 - контакты гашения поля (R_г - сопротивление гашения поля)

Электрическая часть электростанций - Гашение поля генератора

В соответствии с ПУЭ в цепи возбуждения каждого синхронного генератора и синхронного компенсатора (за исключением малых машин) устанавливаются устройства для быстрого и безопасного развозбуждения — автоматы гашения поля (АГП). Необходимость в быстром гашении поля возникает, например, при внутренних повреждениях в генераторе. В этом случае из-за продолжающегося по инерции выбега отключенной машины в ее внутренних контурах продолжает наводиться э. д. с., которая поддерживает электрическую дугу в месте короткого замыкания и вызывает большие разрушения меди обмотки и стали статора. Простое отключение цепи возбуждения недопустимо, так как при этом из-за малой емкости Св и большой индуктивности LB в обмотке возбуждения генератора возникнут опасные для ее изоляции перенапряжения
(1-12)
АГП предотвращают эти перенапряжения, переключая обмотку возбуждения на гасительное сопротивление, в котором рассеивается энергия поля (рис. 1-23), или на специальную дугогасительную решетку (рис, 1-24), в которую втягивается дуга с дугогасительных контактов автомата; здесь она быстро гаснет, разбиваясь на несколько коротких дуг.
Автоматы гашения поля должны отвечать следующим требованиям: время гашения должно быть возможно малым, а перенапряжения на обмотке возбуждения не должны достигать опасных значений.
Под временем гашения поля подразумевают то время, в течение которого э. д. с. генератора уменьшится до значения, достаточного для естественного погасания дуги в месте короткого замыкания (500 В). При этом следует учитывать, что к э. д. с., создаваемой током возбуждения, добавляется еще э. д. с. от остаточного намагничивания стали ротора (примерно 300 В). Таким образом, процесс гашения можно будет считать законченным, когда э. д. с., создаваемая током возбуждения, снизится до 200 В.
Перенапряжения на обмотке возбуждения во всяком случае не должны быть выше испытательного напряжения, которое равно 7,5Uвн т. е. составляет в зависимости от номинального напряжения обмотки ротора 1,5—3,5 кВ.

Рис. 1-23. Схема гашения поля с гасительным сопротивлением
1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — гасительное сопротивление в цепи ротора; 4 — автомат гашения поля главный; 5 — возбудитель; 6 — автомат гашения поля возбудителя; 7 — гасительное сопротивление в цепи возбудителя
Рис. 1-24. Схема гашения поля с дугогасительной решеткой

1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — возбудитель; 4 — главные контакты АГП; 5 — дугогасительные контакты АГП; 6 — дуг огаснтелькая решетка

Рис. 1-27. Схема защиты обмотки возбуждения от перенапряжений после погасания дуги в дугогасительной решетке АГП
1 — обмотка возбуждения синхронного генератора; 2 — защитное сопротивление; 3 — возбудитель; 4 — дугогасительная решетка? 5 — защитный разрядник

Рис. 1-26. Изменение тока ротора при гашении поля АГП с дугогасительной решеткой
Таким образом, время гашения поля в турбогенераторе будет больше вычисленного по параметрам только обмотки возбуждения и может составить 6—8 с, что нельзя считать допустимым для мощных блочных генераторов. Поэтому в настоящее время автоматы гашения такого типа применяются только для синхронных генераторов небольшой мощности с электромашинными системами возбуждения, а также для гашения поля возбудителей (см. 6 на рис. 1-23).
В цепях же возбуждения крупных машин (более 25—50 МВт) устанавливают АГП нового типа с дугогасительными решетками. Сопротивление дуги, возникающей в этой решетке, растет по мере уменьшения тока, что значительно убыстряет процесс гашения поля. Время гашения поля при использовании АГП этого типа составляет всего 0,5—1,0 с (ОА на рис. 1-26).
При независимом вентильном возбуждении гашение поля эффективно осуществляется переводом выпрямителя в инверторный режим. Напряжение на вентилях при этом меняет знак, и ток в обмотке возбуждения очень быстро спадает до нуля. Рекомендуется переводить в инверторный режим форсировочную группу вентилей, так как более высокое напряжение этой группы позволяет быстрей погасить поле.
При вентильном самовозбуждении, а также при высокочастотном возбуждении гашение поля переводом выпрямителей в инверторный режим осуществить не удается, так как встречная э. д. с. инвертора в этой схеме падает с напряжением статора. Поэтому в таких случаях необходимо использовать АГП с дугогасительной решеткой.
В цепях возбуждения крупных генераторов (мощностью более 50—100 МВт) из-за чрезмерного возрастания размеров дугогасительной решетки применяется двухполюсная схема АГП, при которой в каждый полюс цепи возбуждения включается отдельный АГП.
На гидрогенераторах с электромашинной системой возбуждения используется также отключение только АГП возбудителя, а не генератора, обмотка возбуждения которого остается включенной на якорь возбудителя.
В цепи ротора турбогенераторов мощностью 150 МВт и выше для защиты их от пробоя перенапряжением, возникающим после погасания дуги в решетке АГП, устанавливаются защитные разрядники, отрегулированные на напряжение срабатывания 1,7 кВ (действующее значение) (рис. 1-27).

Автоматическое гашение поля (АГП)

Содержание лекции:автоматическое гашение поля синхронных генераторов и АРВ.

Цель лекции:изучение системы гашения поля и АРВ синхронных генераторов и их особенностей.

Автоматическое гашение поля - это процесс быстрого уменьшения магнитного потока возбуждения генератора до величины, близкой к нулю.

Короткое замыкание внутри СГ происходит через электрическую дугу, что обуславливает значительное повреждение обмоток статора и активной стали. Быстрое гашение поля генератора необходимо для ограничения размера аварии и предотвращения выгорания меди обмотки и стали статора.

Если просто отключить обмотку ротора от возбудителя, то за счет большой индуктивности на ее зажимах могут возникнуть большие перенапряжения, способные вызвать пробой изоляции. Нужно с одновременным отключением возбудителя обеспечить поглощение энергии магнитного поля обмотки ротора.

В настоящее время известны три способа гашения поля: замыкание обмотки ротора на гасительное (активное) сопротивление; включение в цепь обмотки ротора дугогасительной решетки и противовключение возбудителя.

В первом случае процесс затягивается и имеется возможность пробоя, поэтому наиболее распространенным способом является гашение поля при помощи дугогасительной решетки, как это показано на рисунке 4.1.

При КЗ в генераторе реле защиты KL срабатывает и отключает генератор от внешней сети, воздействуя на электромагнит отключения YAT выключателя, а также подает импульс на отключение АГП. АГП снабжен решеткой из медных пластин 4 при расстоянии между ними 1,5-3 мм.

Рисунок 4.1 - Схема электрических цепей при гашении поля генератора автоматом с дугогасящей решеткой

АГП имеет рабочие 2 и дугогасительные 1 контакты, которые при нормальной работе замкнуты. Контакты 3 АГП вводят добавочное сопротивление R_д в цепь возбуждения возбудителя. При отключении автомата сначала размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные. Дуга затягивается с помощью магнитного дутья в дугогасительную решетку и разбивается на ряд последовательных коротких дуг, падение напряжения на которых сохраняется постоянным, равным 25-30 В, несмотря на изменение тока в дуге в широких пределах. Время гашения составляет 0,5-1 с, а условия гашения близки к оптимальным.

Для генераторов с тиристорным возбуждением при отключении автомата гашения поля главные вентили переводятся в инверторный режим, как это показано на рисунке 4.2.

1 - АГП; 2 - ввод резервного возбуждения; 3 - главный тиристорный возбудитель; 4 - тиристорный возбудитель вспомогательного генератора; 5 - контакты гашения поля; R_Г - сопротивление гашения поля. Рисунок 4.2 - Гашение поля при независимом тиристорном возбуждении генератора

Магнитное поле подвозбудителя гасится после гашения поля главного генератора за счет инвертирования выпрямителей, питающих его обмотку возбуждения.

Автоматическое гашение магнитного поля синхронных генераторов и компенсаторов

При внезапном отключении генератора или компенсатора необходимо быстро уменьшить магнитный поток, что приведет к уменьшению ЭДС генератора. Чем быстрее будет погашено магнитное поле, тем меньше последствия короткого замыкания в генераторе. Для гашения магнитного поля применяют три метода: 1) замыкание обмотки ротора на гасительное сопротивление; 2) включение в цепь обмотки ротора дугогасительной решетки автомата; 3) противовключение возбудителя.

В первом методе обмотка ротора замыкается на активное сопротивление, а затем отключается от источника питания. Электромагнитная энергия, заключенная в обмотке возбуждения, выделяется в разрядном резисторе, вызывая постепенное затухание магнитного поля. Время гашения составляет несколько секунд. В мощных генераторах такая длительность гашения поля может привести к значительным повреждениям в обмотках генератора, поэтому более широкое распространение получили автоматы с дугогасительной решеткой (см. рис. 4.22). АГП включается в цепь обмотки ротора.

На рис. 2.12 показана схема электрических цепей при гашении поля генератора автоматическим выключателем с дугогасительной решеткой.

При коротком замыкании (КЗ) в генераторе срабатывает реле защиты KL и отключает генератор от внешней сети, воздействуя на электромагнит отключения YAТ выключателя, а также подает импульс на отключение АГП. При отключении выключателя сначала размыкаются рабочие контакты 2, а затем дугогасительные 1. Возникшая дуга затягивается магнитным дутьем в дугогасительную решетку и разбивается на ряд последовательных коротких дуг, существование которых поддерживается имеющимся запасом энергии магнитного поля обмотки возбуждения ротора. Отключившимся контактом 3 выключателя вводится сопротивление R_a в цепь возбуждения возбудителя, что снижает ток последнего, а это влечет уменьшение напряжения, подаваемого на обмотку ротора, и, следовательно, уменьшение тока в роторе и энергии магнитного поля. Время гашения поля в этой схеме равно 0,5 – 1 с.

При гашении небольшого тока дуга в промежутках между пластинами горит неустойчиво и может погаснуть в одном из промежутков, вызывая разрыв цепи и перенапряжение в обмотке возбуждения. Для того чтобы подход тока к нулевому значению был плавным, решетка автоматического выключателя шунтируется специальным набором сопротивлений 5 (см. рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема гашения поля генератора автоматом с дугогасительной решеткой:

1, 2, 3 – контакты АГП; 4 – решетка из медных пластин;

5 – шунтирующее сопротивление

Для генераторов с тиристорным возбуждением (см. рис. 2.10) возможно гашение поля путем перевода тиристоров в инверторный режим. В этом случае энергия магнитного поля обмотки возбуждения LG отдается возбудителю GE. Обычно используется форсировочная группа тиристоров VD2, так как более высокое напряжение этой группы позволяет быстрее погасить магнитное поле.

В цепях возбуждения генераторов мощностью более 100 МВт применяется двухполюсная схема автоматического гашения магнитного поля, при которой в каждый полюс цепи возбуждения включается отдельный АГП.

Гашение поля генераторов

Короткие замыкания внутри генератора обычно происходят через электрическую дугу — именно это обстоятельство обусловливает значительное повреждение обмоток статора и активной стали. Это тем более вероятно, что ток I_кз при внутреннем повреждении может быть больше тока при коротком замыкании на выводах генератора. В таком случае быстрое гашение поля генератора необходимо, чтобы ограничить размеры аварии и предотвратить выгорание обмотки и стали статора.

Таким образом, при внутренних коротких замыканиях в генераторах необходимо не только отключить их от внешней сети, но ибыстро погасить магнитное поле возбуждения, что приведет к уменьшению ЭДС генератора и погасанию дуги.

Для гашения поля необходимо отключить обмотку ротора генератора от возбудителя. Однако при этом вследствие большой индуктивности обмотки ротора на ее зажимах могут возникнуть большие перенапряжения, способные вызвать пробой изоляции. Поэтому гашение поля нужно выполнять таким образом, чтобы одновременно с отключением возбудителя происходило быстрое поглощение энергии магнитного поля обмотки ротора генератора, так чтобы перенапряжения на её зажимах не превышали допустимого значения.

В настоящее время в зависимости от мощности генератора иособенностей его системы возбуждения используются три способа гашения магнитного поля: замыкание обмотки ротора на гасительное (активное) сопротивление; включение в цепь обмотки ротора дугогасительной решётки быстродействующего автомата; противовключение возбудителя.

При замыкании обмотки ротора генератора на специальное сопротивление процесс гашения магнитного поля сильно затягивается, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил более действенный способ гашения магнитного поля генератора при помощи АГП с дугогасительной решёткой (рис. 4.3). При коротком замыкании в генераторе реле защиты РЗсрабатывает и своими контактами отключает генератор от внешней сети, воздействуя на электромагнит отключения ЭО выключателя, а также подаёт импульс на отключение АГП.

Рис. 4.3. Автомат гашения поля. 1— дугогасительные контакты; 2 — рабочие контакты;

3 — контакты, вводящие добавочное сопротивление R_д ; 4 — решетка; 5 — резистор

Контакты 1 и 2 при нормальной работе генератора замкнуты. При отключении автомата контактом 3 вводят добавочное сопротивление R_д в цепь возбуждения возбудителя, снижая ток возбуждения последнего. АГП снабжён решёткой из медных пластин 4. Расстояния между пластинами 1,5—3 мм. Резистор 5 необходим для выравнивания напряжения между дугогасительными промежутками.

При отключении автомата сначала размыкаются рабочие контакты, а затем дугогасительные, причем дуга, возникающая на них, затягивается с помощью магнитного дутья в дугогасительную решётку и разбивается на ряд последовательных коротких дуг.

Короткая дуга является нелинейным активным сопротивлением, падение напряжения на котором сохраняется практически постоянным, равным 25—30 В, несмотря на изменение тока в дуге в широких пределах. Общее падение напряжения на дуге равно:

где ( — напряжение на короткой дуге; — число последовательных дуговых промежутков в решётке).

Таким образом, в момент вхождения дуги в решетку автомата напряжение на ней сразу возрастает до и практически остаётся неизменным до погасания дуги.

Число пластин в решетке выбирается таким, чтобы превосходило U_пот — потолочное напряжение возбудителя. При этом дуга существует, пока имеется запас энергии магнитного поля обмотки возбуждения генератора.

Электродвижущая сила самоиндукции обмотки возбуждения при изменении тока равна . Она определит разность потенциалов на обмотке ротора. Чем выше скорость изменения тока ,тем больше э.д.с. самоиндукции. По условию электрической прочности изоляции обмотки ротора эта ЭДС не должна превышать . Так как в процессе гашения Uдимеет практически постоянное значение, то уравнение при условии максимальной скорости гашения поля во все время переходного процесса будет иметь вид:

Рис. 4.4. Характер изменения токов и напряжений в процессе гашения поля.

При этом следует иметь ввиду, что в течение периода гашения поля практически не изменяется. Следовательно, в процессе гашения поля генератора разрядом на дугогасительную решётку напряжение на обмотке ротора будет иметь постоянное значение, в пределе равное .Ток в обмотке ротора будет изменяться с постоянной скоростью, так как

Время гашения поля с использованием описанной выше схемы составляет 0,5—1 с. Процесс изменения тока в обмотке ротора и напряжения на её зажимах представлен на рис. 4.4. В данном случае условия гашения поля близки к оптимальным.

Для того чтобы подход тока к нулевому значению был плавным, решетка шунтируется специальным набором сопротивлений 5(рис. 4.3). При такой схеме дуга гаснет не вся сразу, а по секциям, что способствует уменьшению перенапряжений.

В настоящее время отечественные заводы изготовляют АГП данной конструкции на номинальные токи 300—6000 А.

В табл. 4.2 приведены основные параметры АГП для крупных синхронных машин

Технические данные АГП

Параметры	АГП-12	АГП-30	АГП-60
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Габариты, мм: Высота Ширина Глубина
Масса, кг

Гашение поля противовключением возбудителя применяется обычно для генераторов с тиристорным возбуждением. При этом вентили переводятся в инверторный режим. Напряжение на них меняет свой знак, что вызывает быстрый спад тока в обмотке ротора до нуля.

Читайте также: