Включение на параллельную работу синхронных генераторов
В отличие от генераторов постоянного тока синхронные генераторы параллельно могут работать лишь при одинаковых угловых скоростях их роторов, т. е. при синхронном вращении. Выполнение операций по включению на параллельную работу синхронных генераторов называется синхронизацией.
На судах применяются три метода синхронизации синхронных генераторов: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация. Рассмотрим эти методы подробно.
Точная синхронизация. Для включения на параллельную работу двух синхронных генераторов или генератора с сетью методом точной синхронизации необходимы следующие условия:
1) равенство э. д. с. включаемого генератора и напряжения сети:
2) равенство частот генератора и сети;
3) нахождение в противофазе векторов э. д. с. генератора Ег и напряжения сети Uc в момент включения;
4) одинаковый порядок следования фаз генератора и сети.
Рис. 1. Внешние характеристики параллельно работающих генераторов постоянного тока.
Выполнение первого условия осуществляется регулированием тока возбуждения включаемого генератора и проверяется по вольтметру.
Неравенство э. д. с. генератора и напряжения сети вызывает появление разностной э. д. с., создающей в цепи статоров подключаемого и работающих генераторов ток, который ввиду индуктивного характера сопротивлений обмоток генераторов отстает от А£^ на 90°. Таким образом, ток является практически индуктивным для генератора с большей э. д. с. и, создавая размагничивающую реакцию статора, уменьшает его э. д. с. Для генераторов с меньшей э. д. с. этот ток является емкостным и, создавая намагничивающую реакцию статора, увеличивает их э. д. с. и напряжение Uc. Ток, вызванный разностью напряжений, называется уравнительным. Его реактивный характер является причиной того, что он не создает дополнительных нагрузок на первичные двигатели. Однако большие по величине уравнительные токи могут вызвать опасные динамические усилия в обмотках генераторов и их перегрев. Поэтому на практике не допускается разность напряжений, превышающая 6—8% номинального напряжения.
Выполнение второго и третьего условий синхронизации осуществляется регулированием угловой скорости первичного двигателя подключаемого генератора путем изменения подачи рабочего тела в двигатель.
Известно, что положение ротора синхронного генератора в каждый момент времени может быть определено вектором э. д. с. Если вектор э. д. с. работающего генератора Е2 полагать неподвижным, то вектор э. д. с. подключаемого генератора Ех будет вращаться вокруг него а угловой скоростью Асо. Угол смещения 0 векторов э. д. с.
Рис. 2. Векторные диаграммы точной синхронизации генераторов
Если при значительной разности частот все же включить генераторы на параллельную работу, то в их обмотках возникнет ток биения, который будет индуктивным относительно напряжения биения и практически активным по отношению э. д. с. генераторов. Изменяясь с изменением U^, ток биения будет создавать периодически меняющуюся активную нагрузку (биения) на подключаемый и работающие генераторы и их приводные двигатели. В результате этого подключаемый генератор в синхронизм не войдет, а работающие генераторы из синхронизма
выпадут. Потребители электроэнергии могут отключиться от ГРЩ из-за недопустимого провала напряжения. Поэтому уравнивание частот является одной из наиболее ответственных операций синхронизации и требует соответствующей квалификации и навыка обслуживающего персонала.
При синхронизации контроль разности частот осуществляется с помощью ламповых и стрелочных синхроноскопов. В настоящее время на судах наибольшее распространение получили стрелочные синхроноскопы, представляющие собой сельсин с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной — на роторе. Через добавочные сопротивления ДС трехфазная обмотка присоединяется к подключаемому генератору, а однофазная — к работающему (к шинам ГРЩ ). Взаимодействие магнитных полей обмоток вызывает вращение ротора и стрелки сельсина с угловой скоростью, пропорциональной разности частот, причем вращение в направлении «Быстро» указывает на то, что частота подключаемого генератора выше частоты сети и требуется воздействие на серводвигатель с целью уменьшения подачи топлива (или пара) в первичный двигатель. При медленном вращении в момент подхода стрелки к нулевой отметке следует включить автомат А.
Выполнение четвертого условия синхронизации проверяется только после монтажа установки.
Точная синхронизация представляет собой сложный и длительный процесс, который в аварийных ситуациях может вызвать увеличение перерыва в подаче энергии потребителям.
Допущенные при включении на параллельную работу синхронных генераторов ошибки, как было показано выше, могут привести к тяжелым последствиям. Поэтому в настоящее время существует ряд схем, позволяющих автоматизировать процесс точной синхронизации.
Рис. 3. Схема включения стрелочного синхроноскопа.
Самосинхронизация. Способ самосинхронизации является более простым, исключает возможность несинхронных включений и требует меньше времени для осуществления. Он заключается в том, что невозбужденный синхронный генератор разгоняется первичным двигателем до угловой скорости, на 2—3% отличающейся от синхронной. При этом статор генератора подключается к сети, а обмотка возбуждения — к источнику постоянного тока (возбудителю). До подачи напряжения обмотка возбуждения замкнута на сопротивление во избежание перенапряжений, опасных для витко-вой изоляции.
Генератор втягивается в синхронизм под действием реактивного, асинхронного и синхронного моментов, возникающих в генераторе. Реактивный момент возникает в генераторах с явно-полюсным ротором, который увлекается вращающимся полем статора. Включенный в сеть невозбужденный синхронный генератор представляет собой асинхронную машину со скольжением, уменьшающимся под действием асинхронного момента. Если скорость вращения синхронизируемого генератора больше скорости работающих генераторов, то он оказывается в режиме асинхронного генератора и развивает момент, затормаживающий первичный двигатель до синхронной скорости генератора. Если угловая скорость синхронизируемого генератора меньше угловой скорости работающих генераторов, то он работает в режиме асинхронного двигателя и развивает вращающий момент, ускоряющий первичный двигатель до синхронной скорости. По мере уменьшения скольжения уменьшается и асинхронный момент. В этих условиях (если возбуждение уже включено) основным синхронизирующим моментом становится синхронный момент генератора.
Включение невозбужденного синхронного генератора происходит аналогично включению асинхронного короткозамкнутого двигателя и также сопровождается бросками тока статора, равными (5—7)/ном и значительными провалами напряжения в сети. Однако броски тока и провалы напряжения восстанавливаются в течение первой секунды и поэтому не нарушают синхронизации и не оказывают значительного вредного воздействия на работу электроэнергетической системы.
В настоящее время разработан ряд схем самосинхронизации, основанных на применении реле разности частот и обеспечивающих различную степень автоматизации процесса. Однако невозможность синхронизации генератора, работающего под нагрузкой, а также указанные выше недостатки ограничивают применение метода самосинхронизации.
Грубая синхронизация. Грубой синхронизацией называется включение синхронного генератора на параллельную работу без соблюдения условий точной синхронизации, т. е. допускается разность частот синхронизируемых генераторов до 3—4% и практически любое несовпадение фаз и различие напряжений. Поэтому такое включение всегда сопровождается «толчком тока и провалом напряжения. Чтобы уменьшить их, включение производят через реактор, который после синхронизации шунтируется или отключается.
Одна из схем грубой синхронизации представлена на рис. 4. После пуска первичного двигателя, достижения им номинальной скорости вращения и готовности к приему нагрузки замыкается контакт КР1 (или КР2) контактора реактора, включая синхронизируемый генератор на шины ГРЩ через реактор Р.
Рис. 4. Схема грубой синхрониза ции синхронных генераторов.
В зависимости от характера выполняемых операций все три вида синхронизации подразделяются на ручную, полуавтоматическую и автоматическую. При ручной синхронизации все операции по выполнению условий синхронизации и включению генератора на шины ГРЩ выполняются обслуживающим персоналом вручную. Полуавтоматическая синхронизация предусматривает такой процесс, в котором оператор подготавливает условия для включения генератора на параллельную работу, а элементы схемы (реле и др.) улавливают момент и производят включение генератора на шины. При автоматической синхронизации подгонка частоты, включение генератора и распределение нагрузки выполняется автоматически без непосредственного вмешательства оператора.
Блог судового электромонтажника
Монтаж электрических проводок и узлов автоматики на судне. В помощь судовому электромонтажнику. Монтаж проводок систем автоматизации на суше и в море.
Включение генераторов на параллельную работу
Генератор постоянного тока включается на параллельную работу с другим уже работающим генератором в следующем порядке:
1) подключаемый генератор пускают в ход в соответствии с предписаниями;
2) напряжение подключаемого генератора доводят до величины на 2—3 в большей, чем напряжение на шинах распределительного щита;
3) включают автомат подключаемого генератора;
4) одновременным вращением маховиков регуляторов возбуждения обоих генераторов добиваются равномерного распределения нагрузок между двумя генераторами, при этом необходимо следить по вольтметру, чтобы напряжение на шинах главного распределительного щита оставалось без изменения.
В дальнейшем во время работы генераторов необходимо следить за постоянством напряжения на шинах и за равномерным распределением нагрузки между генераторами.
При включении синхронного генератора на параллельную работу с другим уже работающим генератором способом ручной точной синхронизации необходимо:
1) подключаемый генератор пустить в ход в соответствии с предписаниями;
2) рукоятки переключателей измерительных приборов и приборов синхронизации установить в нужное положение;
3) довести частоту включаемого генератора путем повышения скорости вращения его первичного двигателя до частоты работающего генератора;
4) довести напряжение включаемого генератора до напряжения работающего;
5) при совпадении фаз обоих генераторов включить автомат подключаемого генератора;
6) перевести часть нагрузки работающего генератора на подключаемый воздействием на регуляторы оборотов первичных двигателей;
7) убедиться в отсутствии искрения под щетками у возбудителя и в исправной работе подшипников.
Совпадение фаз генераторов проверяется с помощью синхроноскопа или по лампам синхронизации.
Если пользуются синхроноскопом, то следует добиться медленного вращения стрелки, в момент нахождения стрелки в положении, соответствующем синхронизации включается автомат генератора, после чего синхроноскоп отключают.
При использовании ламп синхронизации (по схеме на «темное» включение) надо достигнуть того, чтобы свечение ламп было кратко-временным и следовало через наиболее длительные промежутки времени, при потухании ламп автомат генератора включают и затем отключают лампы синхронизации.
При включении на параллельную работу методом самосинхронизации все необходимые операции производятся следующим образом:
1) подключаемый генератор пускается в ход в соответствии с предписаниями;
2) рукоятки переключателей измерительных приборов устанавливаются в нужное положение;
3) у подключаемого генератора на холостом ходу скорость вращения поднимается до величины, близкой к номинальной;
4) регулятор возбуждения возбудителя устанавливается в положение, обеспечивающее самовозбуждение возбудителя, и поднятие напряжения генератора на холостом ходу до величины, равной рабочему напряжению на шинах щита;
5) установить переключатель регулятора напряжения генератора в положение «Автоматическое регулирование»;
6) добиться разности частот сети и подключаемого генератора не более 1—2 гц (для быстрого перевода оборотов в частоту пользоваться таблицей). Увеличение скорости вращения подключаемого генератора при подходе к синхронной скорости вращения производить плавно и медленно;
7) при достижении указанной разницы частот включить автомат генератора и вслед за этим рубильник гашения поля, т. е. включить возбуждение. Категорически запрещается включать возбуждение раньше подключения генератора к шинам.
Как правило, синхронизация генераторов (независимо от метода) должна производиться при включенных автоматических регуляторах напряжения, однако при необходимости синхронизация может производиться и при отключенных автоматических регуляторах.
После включения генератора переменного тока на параллельную работу установочные реостаты регуляторов напряжения всех генераторов должны находиться в одинаковом положении.
Если возникает необходимость изменить напряжение на шинах, желательно передвинуть на одинаковое число делений установочные реостаты всех генераторов.
Такая регулировка может быть произведена сначала на одном генераторе, а затем последовательно на всех остальных параллельно работающих.
ПУЭ. Правила устройства электроустановок. Издание 7
3.3.43. Включение генераторов на параллельную работу должно производиться одним из следующих способов: точной синхронизацией (ручной, полуавтоматической и автоматической) и самосинхронизацией (ручной, полуавтоматической и автоматической).
3.3.44. Способ точной автоматической или полуавтоматической синхронизации как основной способ включения на параллельную работу при нормальных режимах должен предусматриваться для:
- турбогенераторов с косвенным охлаждением обмоток мощностью более 3 МВт, работающих непосредственно на сборные шины генераторного напряжения, и при значении периодической составляющей переходного тока более 3,5 Iном;
- турбогенераторов с непосредственным охлаждением обмоток типов ТВВ, ТВФ, ТГВ и ТВМ;
- гидрогенераторов мощностью 50 МВт и более.
При аварийных режимах в электрической системе включение на параллельную работу всех генераторов вне зависимости от системы охлаждения и мощности может производиться способом самосинхронизации.
3.3.45. Способ самосинхронизации как основной способ включения на параллельную работу может предусматриваться для:
- турбогенераторов мощностью до 3 МВт;
- турбогенераторов с косвенным охлаждением мощностью более 3 МВт, работающих непосредственно на сборные шины, если периодическая составляющая переходного тока при включении в сеть способом самосинхронизации не превосходит 3,5Iном;
- турбогенераторов с косвенным охлаждением, работающих в блоке с трансформаторами;
- гидрогенераторов мощностью до 50 МВт;
- гидрогенераторов, электрически жестко связанных между собой и работающих через общий выключатель при их суммарной мощности до 50 МВт.
В указанных случаях могут не предусматриваться устройства полуавтоматической и автоматической точной синхронизации.
3.3.46. При использовании способа самосинхронизации как основного способа включения генераторов на параллельную работу следует предусматривать установку на гидрогенераторах устройств автоматической самосинхронизации, на турбогенераторах — устройств ручной или полуавтоматической самосинхронизации.
3.3.47. При использовании способа точной синхронизации в качестве основного способа включения генераторов на параллельную работу, как правило, следует предусматривать установку устройств автоматической и полуавтоматической точной синхронизации. Для генераторов мощностью до 15 МВт допускается применение ручной точной синхронизации с блокировкой от несинхронного включения.
3.3.48. В соответствии с указанными положениями все генераторы должны быть оборудованы соответствующими устройствами синхронизации, расположенными на центральном пункте управления или на местном пункте управления для гидроэлектростанций, на главном щите управления или на блочных щитах управления для теплоэлектростанций.
Вне зависимости от применяемого способа синхронизации все генераторы должны быть оборудованы устройствами, позволяющими в необходимых случаях производить ручную точную синхронизацию с блокировкой от несинхронного включения.
3.3.49. При включении в сеть способом точной синхронизации двух или более гидрогенераторов, работающих через один выключатель, генераторы предварительно синхронизируются между собой способом самосинхронизации и с сетью — способом точной синхронизации.
3.3.50. На транзитных подстанциях основной сети и электростанциях, где требуется синхронизация отдельных частей электрической системы, должны предусматриваться устройства для полуавтоматической или ручной точной синхронизации.
Включение генераторов на параллельную работу
Для включения генераторов на параллельную работу они должны ыть синхронизированы. Существует два принципиально различных споба синхронизации: способ точной синхронизации и способ самосинзнизации.
Способ точной синхронизации состоит в том, что включаемый генерар предварительно приводят во вращение и возбуждают. В момент лючения его на параллельную работу с работающим генератором неводимо обеспечить следующие условия синхронизации:
1) порядок следования фаз у включаемого генератора должен совпать с порядком следования фаз работающего генератора (или сети, которую включается генератор);
2) напряжения включаемого и работающего генераторов должны ь равны по значению и совпадать по фазе; равенства напряжений добиваются изменением силы тока в обмотке возбуждения;
3) частота тока включаемого генератора должна быть равна частоте ка работающего; этого достигают, изменяя частоту вращения включаемого генератора.
Если все эти условия выполнены, включаемый генератор можно рубильником или выключателем соединить с работающим.
Взаимодействие между вращающимися магнитными полями Фс1, и Фс2 статорных обмоток параллельно работающих генераторов и магнитными полями Фp1 и Ф p2 электромагнитов роторов показано на рисунке 10.4. Векторы Фс1 и Фс1 вращаются синхронно с угловой частотой ω и совпадают по фазе в каждый момент времени. Векторы Фp1 и Фp2 также вращаются синхронно между собой и с векторами Ф с . Но углы ψ 1 , и ψ 2 сдвига фаз магнитного поля статора и ротора могут изменяться в различных пределах в зависимости от нагрузки. Если эти углы равны между собой, это означает, что оба генератора несут одинаковую активную нагрузку (если их номинальные мощности равны). Для того чтобы один из генераторов принял большую нагрузку, необходимо воздействовать на регулятор оборотов первичного двигателя этого генератора, повысить вращающий момент на его валу.
Последующее увеличение угла ψ укажет на то, что генератор принял добавочную нагрузку. Так, угол ψ2 (рис. 10.4, б) больше угла ψ1, (рис. 10.4, а), поскольку этот генератор (рис. 10.4, б) нагружен больше.
Чтобы один из генераторов взял на себя часть реактивной мощности, нужно усилить ток возбуждения генератора. Одновременно с увеличением нагрузки вновь включенного генератора необходимо снижать нагрузку работающих генераторов, так как в противном случае возрастет частота.
С целью предотвращения повышения напряжения при увеличении тока возбуждения вновь включенного генератора следует снизить ток возбуждения у работавших ранее генераторов.
Точной синхронизации добиваются при помощи специально предназначенного для этого прибора — синхроноскопа. Для контроля равенства напряжений используют два вольтметра, один из которых измеряет напряжение работающего генератора, а другой — подключаемого. Равенство частот устанавливают по двум частотомерам.
По окончании монтажа генератора, предназначенного для параллельной работы, перед вводом его в эксплуатацию проверяют порядок следования фаз (рис. 10.5). Между зажимами генератора (на рубильнике P1) и шинами сети, с которой генератор будет работать параллельно, включают по две последовательно соединенные электрические лампы. Каждая лампа рассчитана на фазное напряжение сети. Затем приводят в действие генератор и включают рубильник Р2 (при отключенном Р1).
Если векторы напряжений сети и генератора не совпадают по фазе, а также имеется разница в частотах сети и генератора, но чередование фаз оказалось одинаковым, то все три пары ламп будут гаснуть и загораться одновременно.
Если же чередование фаз в генераторе и сети неодинакбвы, то загорание и погасание ламп в различных фазах не совпадают по времени. В этом случае меняют местами два отходящих от генератора линейных провода (остановив предварительно генератор) и вновь проверяют совпадение фаз. Затем маркируют зажимы генератора соответственно фазам сети, а лампы снимают.
На электростанции, где включают генераторы на параллельную работу, приборы, предназначенные для синхронизации, устанавливают на специальных синхронизационных колонках. Ниже рассмотрены некоторые схемы точной синхронизации.
Схема 1. Колонка синхронизации СК (рис. 10.6) состоит из двух параллельных цепей: в Одну последовательно включены две лампы Л, а в другую — вольтметр V0 и лампа Л. От каждого из генераторов к синхронизационной колонке отходит по одному проводу от одно- именных фаз. Цепи синхронизации замыкаются по нулевому проводу на фазные обмотки генератора. Между проводами от фаз генераторов и синхронизационным устройством смонтированы штепсельные розетки 1, 2, 3.
Предположим, что синхронизируется с сетью генератор № 1. Его пускают в ход и, меняя частоту вращения первичного двигателя и силу тока возбуждения генератора, устанавливают по частотомеру Hz и вольтметру V частоту и напряжение, равные сетевым. После этого двумя штепселями замыкают контакты 1 и 3. Продолжая изменять частоту вращения включаемого генератора в небольших пределах и ток возбуждения, добиваются синхронизма. Его наступление фиксируется потуханием ламп Л и нулевым показанием вольтметра V0. При приближении стрелки вольтметра к нулю включают рубильник Р1. Генератор синхронизирован. Колонку синхронизации сразу же отключают (выключают штепселя 1 и 3). Оставлять штепселя в гнездах недопустимо, ибо при отключенных генераторах на их зажимах окажется напряжение сети, что представит опасность для обслуживающего персонала.
В рассмотренной схеме можно обойтись и без нулевого вольтметра. Однако в этом случае точность метода значительно снижается, так как лампы дают видимый накал лишь при напряжении 25. 30% номинального и по ним трудно уловить момент действительного совпадения векторов напряжения. Лампы, включенные параллельно цепи с вольтметром, контролируют исправность этой цепи. Последовательно две включают потому, что в некоторые моменты цепь может оказаться под двойным фазным напряжением.
Если по данной схеме синхронизируются высоковольтные генераторы, то синхронизационную колонку включают через трансформаторы напряжения.
Схема 2. На рисунке 10.7,а приведена схема включения лампового синхроноскопа. Лампы 1 присоединены к одной фазе, а лампы 2 и 3 подключены к разным фазам. При синхронизме лампы 1 погаснут, а лампы 2 и 3 будут иметь полный накал. При разной частоте вращения генераторов лампы 1, 2, 3, расположенные по кругу (рис. 10.7, б), загораются и погасают неодновременно, создавая впечатление так называемого вращения света. По направлению вращения можно судить о том, следует ли увеличить (Б) или уменьшить (М) частоту вращения включаемого генератора.
Генератор по этой схеме включают на параллельную работу в момент, когда вращение светового пятна прекратилось.
Рассмотренные выше способы точной синхронизации сравнительно сложны, и для автоматизации процессов точной синхронизации требуется сложная и дорогая аппаратура. Поэтому в практике широко применяется способ самосинхронизации, который заключается в следующем.
Невозбужденный генератор, у которого магнитное поле погашено специально включенным в цепь возбуждения возбудителя сопротивлением гашения поля Rг.п (рис. 10.8), разгоняют первичным двигателем до частоты вращения, близкой к номинальной. При скольжении примерно 2. 3% генератор включают в сеть рубильником Р. Одновременно подают возбуждение, шунтируя сопротивление гашения поля блокконтактами Бл. Генератор после этого постепенно втягивается в синхронизм.
В момент включения генератора в сеть на параллельную работу возникают кратковременные толчки тока, которые являются следствием подключения к сети невозбужденного генератора. Однако эти толчки не нарушают нормальной работы ранее работавших генераторов и потребителей.
Этот способ самосинхронизации считается основным и обязательным для всех многоагрегатных сельских электростанций.
К методу точной синхронизации обращаются лишь в тех случаях, когда из-за большой загруженности ранее работавших генераторов метод самосинхронизации нельзя применить.
Ручной самосинхронизацией пользуются только тогда, когда генераторы оснащены рубильником (на маломощных стан- циях) или выключателями без дистанционного управления. Для того чтобы судить о разности частот, включают, как показано на рисунке 10.8, лампу Л напряжением 6. 36 В (в зависимости от значения остаточного напряжения генератора). Лампа имеет заметный накал при разности частот не менее 2 Гц. Однако наиболее совершенный способ измерения разности частот — это включение специальных реле типа ИРЧ (индукционных реле разности частот).
Порядок операций следующий. Генератор разгоняют первичным двигателем при выключенном рубильнике Р и разомкнутых блок-кон- тактах Бл. В цепь обмотки возбуждения возбудителя включено сопротивление Rг.п гашения ноля. Когда пускаемый генератор достигает частоты вращения, близкой к синхронной, лампочка Л гаснет. При этом включают рубильник Р, замыкаются блок-контакты Бл и шунтируется опротивление гашения поля Rг.п. Восстанавливается нормальное возбуждение, генератор втягивается в синхронизм.
При полуавтоматической самосинхронизации агрегаты запускают ручным воздействием на управление первичного двигателя, а включение генератора в сеть и подача возбуждения происходят автоматически.
Автоматическая самосинхронизация предполагает полную автоматизацию процессов пуска агрегата, включения генераторов в сеть и подачи возбуждения.
Необходимо помнить, что шунтовой реостат R в цепи возбуждения возбудителя должен быть установлен так, чтобы при расшунтировании обмотки возбуждения на клеммах генератора при холостом ходе обеспечивалось повышение напряжения до номинального значения, равного рабочему напряжению на шинах электростанции.