Схемы цепей постоянного тока системы самовозбуждения синхронного генератора

Рис. 1.

Гашение магнитного поля синхронного генератора проводится при его аварийном отключении от сети. При этом снижается магнитный поток обмотки возбуждения до минимальной величины. Гасить поле необходимо для того, чтобы уменьшить время воздействия перенапряжений на изоляцию при отключениях генератора из-за аварий в энергосистеме, либо для того, чтобы снизить объем разрушений при повреждениях в самом генераторе или в зоне действия дифференциальной защиты блока.

При плановом отключении генератора от сети по мере его разгрузки для поддержания напряжения на его выводах близким к номинальному снижают его ток возбуждения (и, как следствие, магнитный поток) до значения, соответствующего холостому ходу генератора. При аварийном отключении из-за повреждений в сети необходимо выполнять те же действия, только гораздо быстрее, так как после отключения генератора в течение промежутка времени пока ток ОВ превышает ток, соответствующий холостому ходу генератора, напряжение на его выводах равно ЭДС. Это напряжение существенно выше номинального и генератор и другое оборудование нежелательно подвергать длительному воздействию этого напряжения. В случае повреждения в зоне действия дифференциальной защиты генератора с целью уменьшения объема повреждения снижают напряжение генератора до величины недостаточной для поддержания дуги, возникшей в месте повреждения [3]. При этом ток ОВ следует снизить до величины близкой к нулю.

Обычно гашение поля турбогенераторов, оснащенных системой тиристорной самовозбуждения, осуществляют либо переводом преобразователя в режим инвертирования, либо с помощью АГП. Автомат гашения поля - это специально разработанный автоматический выключатель, напряжение на котором при гашении дуги (изменении тока в широком диапазоне) снижается незначительно в нормируемом диапазоне. Необходимость установки АГП в системах возбуждения таких генераторов диктуется тем, что при близких к генератору КЗ (либо КЗ в зоне действия его дифференциальной защиты) снижается напряжение на его выводах и, как следствие, напряжение на его возбудителе, что затрудняет либо вообще не позволяет гасить поле переводом преобразователя в режим инвертирования.

И при гашении поля с помощью АГП, и при гашении поля переводом тиристорного преобразователя в режим инвертирования на ОВ создается напряжение отрицательное по отношению к нормальным режимам. Чем выше уровень этого напряжения, тем быстрее гасится поле [4]. Как уже отмечалось, особенностью АГП является способность в процессе гашения поля удерживать неизменное максимально допустимое по условиям работы изоляции напряжение на ОВ. Это приводит к быстрому выводу энергии магнитного поля из ОВ. Фактически в контур возбуждения вводится нелинейное активное сопротивление (сопротивление дуги), на котором и рассеивается энергия магнитного поля ОВ. При этом по мере снижения тока возбуждения сопротивление дуги в АГП, на которой и гасится поле, плавно увеличивается. синхронный генератор ток перенапряжение

АГП - это уникальный и достаточно дорогой аппарат (разработанный более 50 лет назад). Поэтому появилась тенденция отказа от АГП, применения для разрыва цепи возбуждения типовых автоматических выключателей и, как результат, гашения поля на сопротивлении самосинхронизации. Однако, в ряде случаев при этом существенно увеличивается время гашения поля [4]. В то же время появление сегодня новой элементной базы делает возможным создание на типовых (серийных) элементах устройства, которое обеспечит быстрое (как при применении АГП) гашение поля.

Как уже отмечалось, принцип действия современных устройств гашения поля (УГП) основан на создании отрицательного напряжения на ОВ. Разрабатываемое УГП отличается от известных тем, что обратное напряжение на ОВ по мере снижения тока возбуждения формируется путем ступенчатого увеличения активного сопротивления резистора, вводимого в контур возбуждения. Рассмотрим схему, которая реализует ступенчатое увеличение активного сопротивления (первоначально только одну ступень, рис.2).

Рис. 2.

Предположим, что команда на гашение поля включает тиристор VS1и ток течет по резисторам R1, R2, R3. При этом заметим, что для включения VS1, на нем должно быть положительное напряжение и в его цепь управления подан ток. Сопротивление ступени

Для увеличения эквивалентного сопротивления схемы запираем тиристор VS1, включая тиристор VS2. При этом предварительно снимаем импульс управления с VS1 и затем подаем управляющий импульс на тиристор VS2. При включении VS2 конденсатор С в первый момент шунтирует цепь (+) - точка 2. Ток на участке цепи (+) - точка 1 снижается до нуля, а на участке точка 2 - точка 1 ток должен изменить направление на противоположное. Обратный ток через тиристор VS1 течет в течение времени вывода его заряда восстановления. После отключения VS1 схема принимает вид, изображенный на рис.3.

Рис. 3.

Величины сопротивлений резисторов R1, R2, R3 и R4 подбираются таким образом, чтобы после отключения VS1 сопротивление блока в целом увеличилось. Его эквивалентное сопротивление на этой ступени равно

При этом RЭКВ·If не должно превышать максимально допустимого напряжения на ОВ в процессе гашения поля.

В схеме (рис.4) реализуется тот же принцип увеличения сопротивления в цепи ротора при снижении тока в процессе гашения поля ОВ. Заметим, что схема помимо УГП выполняет функции резистора самосинхронизации (Rсс) и тиристорного разрядника. Проанализируем работу узла (рис.4) при реализации всех возможных функций.

Рис. 4.

Рис.5.

Первоначально рассмотрим два случая гашения поля генератора.

Первый. При гашении поля при КЗ в зоне действия дифференциальной защиты генератора или блока (рис.5, точка К1 и К2). При этом обычно постоянная времени цепи возбуждения 0.5…1.5 с [4]. Гашение поля инвертированием невозможно, так как напряжение на выводах генератора и, следовательно, на преобразователе мало. Погасить поле ротора можно только отключая выключатель А. Обычно при КЗ это и делает РЗ. Выключатель А отключается и своими блок-контактами включает контактор самосинхронизации. При этом гашение поля затягивается, так как ОВ оказывается замкнутой на сопротивление самосинхронизации. Для ускорения гашения поля контактор Ксс не должен включаться до тех пор, пока поле не будет полностью погашено УГП. Для этого первоначально после отключения выключателя А включаются тиристоры VS1 и VS11, замыкая ОВ на сопротивление самосинхронизации. При этом в процессе гашения поля напряжение на ОВ не должно превосходить допустимого по условиям прочности изоляции (Uдоп) значения. После включения VS1 и VS11, с VS1 снимаются импульсы управления и, когда ток ОВ снизится до величины первой уставки, включается тиристор VS2 (при этом подключаемое сопротивление определяется допустимым напряжением в цепях возбуждения и условием наименьшего времени гашения поля). При этом подключается резистор R6 и отключается тиристор VS1. После гарантированного включения VS2 с него снимается импульс управления.

Аналогично, по достижении током ОВ второй уставки, подключается VS3, отключая при этом VS2 и вводя в работу резистор R7. Таким же образом происходит процесс при включении тиристора VS4, после чего процесс гашения поля завершается. При включенных тиристорах VS1 и VS11

при включенных тиристорах VS11 и VS2

при включенных тиристорах VS11 и VS3

Второй случай. При КЗ в сети (в точке К3 или К4) и следующим за этим отключением генератора напряжение на его выводах увеличивается до ЭДС. В этом случае поле гасится переводом преобразователя в режим инвертирования. При большом напряжении преобразователя ток ОВ быстро снижается до тока соответствующего холостому ходу генератора. При этом УГП в работу вводить не надо.

Возможна реализация УГП при параллельном подключении блока из тиристоров VS1 - VS4 и резисторов R1 - R8 к выключателю А (рис.6). Здесь функции УГП, тиристорного разрядника и резистора самосинхронизации реализуются раздельно. В схеме отсутствует тиристор VS11, так как блок вводится в работу после размыкания контактов выключателя А. Особенностью такой схемы УГП является возможность одновременного использования УГП и инвертирования в тех случаях, когда удается удержать небольшое обратное напряжение на преобразователе.

Однако из-за того, что при КЗ в зоне действия дифференциальной защиты генератора или блока полноценное инвертирование невозможно вследствие низкого напряжения на выводах генератора, процесс гашения поля при последовательном соединении ОВ и УГП (рис.6) практически не будет отличаться от процесса гашения поля при их параллельном присоединении (рис.4). Если произойдет КЗ в сети в зависимости от удаленности КЗ можно использовать инвертирование одновременно с гашением поля на последовательно присоединенном УГП.

Снижение времени воздействия перенапряжения на изоляцию обеспечивается и при параллельном включении УГП вводом сопротивления равного RСС, без подключения остальных ступеней. Преимуществом параллельного соединения УГП с ОВ является то, что нет необходимости в дополнительных резисторах в блоке УГП - тиристорный разрядник (ТР) - RСС (в схеме используются элементы резистора самосинхронизации).

Рис. 6.

Тиристорный разрядник в рассматриваемой схеме реализуется тиристорами VS1 и VS12 (рис.4). При появлении перенапряжений на ОВ и выключенных других тиристорах эти тиристоры подключают параллельно ОВ сопротивление самосинхронизации и в результате гасят волну перенапряжения. Тиристор VS1 в этом случае запирается выпрямленным напряжением от системы возбуждения, а тиристор VS12 - путем организации провала в этом напряжении. Тиристор VS11 также может работать в режиме разрядника параллельно с VS1 (для этого он должен быть запираемым), однако основное его назначение - это работа в режиме гашения поля генератора. В режиме разрядника тиристоры VS1 и VS12 (а если необходимо, то и VS11) включаются устройством управления этими тиристорами при условии, что напряжение на разряднике превышает уставку.

В режиме самосинхронизации, при отключенном выключателе А, контактор самосинхронизации (Ксс) шунтирует тиристоры VS1 и VS12. Собирается цепь из резисторов R1, R2, R3 и R4 (полное сопротивление 0.7 Ом). Скорость генератора доводится до подсинхронной (скольжение не более 5%), генератор включается в сеть, а затем включается выключатель А и подаются управляющие импульсы на преобразователь. После этого с выдержкой времени 0.8…0.9 с отключается контактор самосинхронизации Ксс (это делается потому, что ток ОВ в режиме самосинхронизации переменный, а преобразователь пропускает ток только в одном направлении). Генератор втягивается в синхронизм.

Рассмотрим асинхронный ход генератора. Он возможен при обрыве цепи возбуждения, в частности из-за ошибочного отключения выключателя А. В этом случае вначале включается тиристор VS1 подключая параллельно ОВ сопротивление самосинхронизации, а затем включается контактор Ксс, шунтируя VS1. Время работы генератора в этом режиме определяется возможностями его турбины, но обычно не более 0.5 часа, [3]. Второй причиной асинхронного хода генератора может быть исчезновение импульсов управления тиристорами с преобразователя. Обычно в этом случае генератор переводится на резервную систему возбуждения.

Таким образом, показана возможность применения в цепи постоянного тока контура возбуждения комплексного устройства, в котором совмещаются функции УГП, тиристорного разрядника и сопротивления самосинхронизации.

Литература

1. Гайнуллин Р.Р., Гольдштейн М.Е., Пеклер В.В. Защита мощных синхронных машин и преобразователей тиристорных систем возбуждения при коротких замыканиях на кольцах ротора и выводах статора. // Электрические станции. - 1993. - № 11. - С. 35-40.

2. Андреев А.Н., Гольдштейн М.Е. Выбор силовых элементов защиты от развивающихся коротких замыканий в преобразователях тиристорных систем возбуждения генераторов. // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы междунар. науч.-практ. конф.: В 3 ч./ Юж.-Рос. гос. тех. ун-т - Новочеркасск: Набла, 2001. - Ч. 2. - С. 7-12.

3. Гольдштейн М.Е. Вентильные системы возбуждения синхронных генераторов и компенсаторов: Учебное пособие. - 2-е изд. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 1999. - 100 с.

4. Брон О.Б. Автоматы гашения магнитного поля. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 138 с. - (Библиотека по автоматике. Вып. 34).

5. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ие, 1974. - 840 с.

6. Гольдштейн М.Е., Шумилов А.С. Особенности гашения поля турбогенераторов с системой самовозбуждения без АГП// Вестник ЮУрГУ. - 2001. -№4. - С.44-48.

Аннотация