CC BY
42
УДК 621.311.2
СНИЖЕНИЕ ВРЕМЕНИ АВАРИЙНОГО ГАШЕНИЯ ПОЛЯ СИНХРОННЫХ МАШИН С СИСТЕМАМИ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ
А. В. Проку дин г. Челябинск, ЮУрГУ
REDUCTION OF TIME OF EMERGENCY FIELD SUPPRESSION OF SYNCHRONOUS MACHINES WITH THE SELF-EXCITATION SYSTEMS
A. V. Prokudin Chelyabinsk, South Ural State University
Сравниваются процессы гашения поля синхронного генератора различными способами и рассматривается устройство гашения поля с переключаемыми сопротивлениями.
Ключевые слова: синхронный генератор, система самовозбуждения, гашение поля на управляемых резисторах.
The processes of field suppression of a synchronous generator by different modes are compared in the article. A field suppressing device with switching resistances is analyzed.
Keywords: synchronous generator, self-excitation systems, field suppression on the controlled resistors.
При коротких замыканиях на выводах статора генератора требуется быстрое гашение поля синхронной машины с целью скорейшего снижения величины тока КЗ и минимизации ущерба. Системы независимого возбуждения обеспечивают достаточно быстрое гашение поля переводом преобразователя в режим инвертирования. Для систем самовозбуждения (СТС) при коротком замыкании на выводах статора режим инвертирования невозможен и недопустим в связи с появлением дополнительного тока подпитки места КЗ. Поэтому для аварийного гашения поля используют принцип рассеивания энергии обмотки ротора на стороннем объекте.
Цель выбора параметров устройства аварийного гашения поля генератора - достижение минимального времени снижения напряжения статора до уровня, при котором не поддерживается горение дугового разряда на стороне статорной обмотки генератора. В большинстве случаев этот уровень напряжения составляет 3-5 % от номинального значения напряжения статора генератора, но не более 500 В. Таким образом, задача обеспечения минимального времени гашения поля синхронной машины сворачивается к задаче обеспечения минимального времени снижения тока ротора до 3 % от значения тока ротора, соответствующего режиму холостого хода [1].
При анализе процессов аварийного гашения поля следует рассматривать случай гашения поля из наиболее тяжелого режима генератора с двукратной форсировкой по току. Согласно [1] амплитуда напряжения ш, воздействующего на изоляцию обмотки возбуждения, не может превышать 70 % от испытательного значения, соответствующего десятикратному номинальному напряжению ротора 10(7*, и должно быть не менее 1500 В и не более 3500 В [2]. При исходных индуктивности Lf и активном сопротивлении обмотки возбуждения процесс гашения описывается следующими выражениями:
^/шах = МУ/н!
Т
if (?) = 21 ^е т; (1)
— т> где т = Ь^{Я/гЯсс) - постоянная времени контура гашения поля.
С учетом того, что процесс гашения поля можно считать законченным при снижении тока возбуждения до 3-5 % от тока холостого хода, что соответствует конечному току ниже 1/К < 0,009/.//, максимальное время гашения поля определяется из приведенных выше выражений (1):
Прокудин А.В.
Снижение времени аварийного гашения поля синхронных машин с системами самовозбуждения
'тах =-Т-1п
I
/К
I
Г
21,
1]н */+Дсс
С учетом ограничения по амплитуде напряжения, воздействующего на изоляцию обмотки и составляющего 10ЦН, максимальное время гашения на постоянном активном сопротивлении ЯС1 определяется следующим образом (2):
-1п-
21,
(2)
Ясс =5Лу; т7
ь/ .
Л,
4"
-1п-
9-Ю-3/
(3)
№
21
= 0,9т
/•
Так как в некоторых режимах постоянная времени обмотки возбуждения т/=Ь/Я/ может составлять несколько секунд, то процесс гашения поля существенно затягивается и это может привести к развитию аварии. Таким образом, целесообразно снижение времени гашения поля синхронной машины. Напряжение на обмотке возбуждения определяется экспоненциальным законом (1) и снижается в процессе вывода энергии из ротора. При этом скорость вывода энергии в процессе гашения также снижается:
сПУ(і)
-21
Л
Энергия, запасенная в обмотке возбуждения, прямо пропорциональна квадрату тока:
IV
и единственным способом ускорения процесса гашения поля является увеличение или поддержание напряжения гф) на уровне, максимально допустимом для изоляции. При этом скорость вывода будет меняться медленнее:
М')_.. ,Л.- , м
Ж
В этом случае процесс гашения поля из режима форсировки описывается следующими выражениями:
(4)
Р/гаах I “ ’
м/ (0 =
(0=
и
/ шах
и
= і
/
\
и
/ шах
и
+ 2
№
и
и
+ 2е
'/н
V
і
е Т/ =
І»
'/(0^ V-
Достижимое время снижения тока от величины 21^ до допустимого конечного значения 1^ из выражений (4) определяется так:
•1п
*/Н
и
№
и
Ч
и
+ 2
№
-Т-ІП
11К
Чн
+ Кг
КГ+ 2
• (5)
Здесь К/ - и^тш/иіц— 10
/ V
параметр «кратность гашения», который характеризует максимальное значение амплитуды воздействующего напряжения на обмотку возбуждения по отношению к номинальному значению напряжения возбуждения. При допустимом конечном значении тока возбуждения 1/к < 0,0091]Н минимально достижимое время гашения поля составляет 0,18ту. Таким образом, переход на режим гашения поля с поддержанием (стабилизацией) напряжения дает снижение времени в 5 раз. Это уже существенно и соответствует минимально достижимому времени вывода энергии из обмотки возбуждения без превышения допустимого напряжения на изоляции.
Режим гашения поля синхронных машин с поддержанием напряжения в современных системах возбуждения реализуется тремя способами: перевод тиристорного преобразователя в режим инвертирования, подключение к обмотке неуправляемого нелинейного сопротивления и подключение управляемого линейного сопротивления. В случае применения инвертирования тиристорным преобразователем кратность гашения Кг редко превышает значение 2,5 и минимально достижимое время гашения ?,пах больше чем 0,58т/ (при 1ух < 0,0097///). Принцип гашения на нелинейном сопротивлении реализован в автоматах гашения (АГП производства АО «Силовые машины») и устройствах гашения поля на силовых варисторах. АГП содержит большое количество как подвижных, так и тепломеханически нагруженных элементов, что снижает его надежность и требует частого обслуживания. Устройства гашения с силовыми варисторами, как и АГП, приближаются к идеальному случаю гашения поля. Но они чрезвычайно дороги и их производство, как и производство АГП монополизировано. Поэтому сегодня производятся системы возбуждения с гашением поля на Ясс. Однако время гашения поля при этом существенно больше, чем при применении АГП или инвертирования [3].
В тиристорном устройстве гашения поля (ТУГП) [4] нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ) обеспечивается ступенчатым изменением значения активного сопротивления. Идеализированная ВАХ и для АГП, и для ТУГП имеет вид
£/(/) = сопй = С//1ИК .
Опираясь на выражения (4), описывающие процесс гашения поля при стабилизируемом напряжении, зависимости величины рассеивающего сопротивления Ясс ТУГП принимают вид:
Серия «Энергетика», выпуск 15
23
Электроэнергетика
Рис. 1. Варианты исполнения схемы тиристорного УГП
кгкг
^:с(0 =----------Т--------' <6)
(Кг+2)е 4 -Кг
ЯссМ = ^-. (7)
Тиристорное УГП должно обеспечивать зависимости (6) и (7) и может быть построено по двум вариантам схем: с последовательным соединением (рис. I, а) и с параллельным соединением элементарных резисторов (рис. 1, б).
При отключении ключа К (рис. 1) ток обмотки возбуждения генератора (ОВГ) переходит на резисторы Я\...Яп. За счет отключения ключей К\...Кп-\ сопротивление увеличивается ступенчато. При п—>оо ВАХ и зависимость Ясф) стремятся к выражениям (6) и (7). Оба варианта схем работоспособны, обеспечивают требуемые характеристики, но технологичность схем разная. В частности, схема на рис. 1, б реализуется на резисторах с одинаковыми сопротивлением и мощностью, тогда как
схема на рис. 1, а требует разных по мощности резисторов. К тому же в качестве резисторов ТУГП могут использоваться резисторы, входящие в состав Ясс.
Литература
1. ГОСТ 21558-2000. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. -М.: Изд-во стандартов, 2003.
2. ГОСТ РФ 183-74. Машины электрические вращающиеся. — М.: Изд-во стандартов, 1976.
3. Гольдштейн, М.Е. Особенности гашения поля турбогенераторов с системой самовозбуждения без АГП/М.Е. Гольдштейн, А.С. Шумилов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2001. — № 4. - с. 44-48.
4. Пат. 2282925 Российская Федерация, МПК Н02 Н 7/12 Н02Р 9/14. Способ и устройство гашения магнитного поля обмотки возбуждения синхронной машины (варианты) / Е.Я. Крекер, М.Е. Гольдштейн, А.Н. Андреев. - № 2005111665/09; заявл. 19.04.05; опубл. 27.08.06, Бюл. №27 (II ч.). -3 с.
Поступила в редакцию 15.02.2011 г.
Прокудин Александр Владимирович, ведущий инженер кафедры электрических станций, сетей и систем, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76. Контактный телефон: (351) 267-92-41.
Prokudin Aleksander is a leasing engineer of the Electric Power Plants, Networks and Systems Department, South Ural State University, Chelyabinsk, 76 Lenin prospect. Tel: (351) 267-92-41.
