Синхронизация синхронных машин

После разгона ротора синхронной машины до подсинхронной скорости ее необходимо включить в сеть. Однако для безаварийного включения необходимо выполнить ряд условий. Процедура выполнения этих условий называется синхронизацией.

Первым основным и обязательным условием для любого способа синхронизации является проверка правильности чередования фаз сети и подключаемой машины. Включение в сеть машины, имеющей обратное чередование фаз, вызовет последствия более тяжелые, чем несинхронное включение. Такое включение машины сопровождается возникновением электромагнитного момента, противоположного моменту, развиваемому разгонным двигателем, а также появлением чрезмерных токов в статоре машины. Результатом может быть не только повреждение синхронизируемой машины, но и поломка вала разгонного двигателя. Проверку правильности чередования фаз необходимо производить при первом включении машины, а также после ремонтных работ в ее первичных цепях. Эта проверка должна производиться при помощи одного и того же трансформатора напряжения, подключенного к системе шин, на которую поочередно подается напряжение от подключаемой машины и от сети.

Выполнение других условий зависит от используемого способа синхронизации. Различают способ точной синхронизации и способ самосинхронизации.

Способ точной синхронизации. Этот способ используется при включении в сеть синхронных машин. Он состоит в том, что синхронизируемую машину сначала разворачивают разгонным двигателем (кроме асинхронного электродвигателя) до частоты вращения, близкой к синхронной, а затем возбуждают и при определенных условиях включают в сеть. Условиями, необходимыми для включения синхронизируемой машины в сеть (в данном случае ее необходимо рассматривать как генератор), являются:

1) равенство напряжений включаемого генератора и работающего генератора или сети (при включении в сеть способом точной синхронизации с включенным АРВ, снабженным устройством автоматической подгонки напряжения, различие напряжений сети и генератора не должно превышать 1 %, при отсутствии устройства автоматической подгонки напряжения, а также при ручном регулировании возбуждения различие напряжений генератора и сети не должно превышать 5 %

2) совпадение фаз этих напряжений (во всех случаях включения способом точной синхронизации следует стремиться к тому, чтобы угол между напряжением генератора и сети в момент включения не превышал 10°;

3) равенство частот включаемого генератора и работающего генератора или сети (отклонение не более 0,1%, причем предпочтительно, чтобы частота подключаемой машины превышала частоту сети на 0,05…0,1 Гц, что соответствует движению стрелки синхроноскопа по часовой стрелке с периодом 1 оборот за 20…10 с.

Первое условие обеспечивается путем регулирования тока возбуждения машины, а для выполнения второго и третьего условий необходимо изменение вращающего момента на ее валу, что достигается изменением, например, количества пара или воды, пропускаемых через турбину.

Выполнение условий точной синхронизации может быть осуществлено вручную или автоматически. При ручной синхронизации все операции по регулированию возбуждения и подгонке частоты выполняет дежурный персонал, а при автоматической синхронизации – автоматические устройства. При точной ручной синхронизации напряжения и частоты контролируются по установленным на щи- те управления двум вольтметрам и двум частотомерам, а сдвиг по фазе напряжений – по синхроноскопу. Последний позволяет не только уловить момент совпадения фаз напряжений, но также определить, вращается ли генератор быстрее или медленнее, чем работающие. Указанные приборы объединяют в так называемую «колонку синхронизации». Вольтметр и частотомер, относящийся к синхронизируемому генератору, подключают к его трансформатору напряжения, а вольтметр и частотомер, относящиеся к работающим генераторам (или сети), обычно подключают к трансформатору напряжения сборных шин станции. Синхроноскоп подключают одновременно к обоим трансформаторам напряжения.

При соблюдении всех вышеуказанных условий разность напряжений генератора и сети равна нулю, поэтому уравнительного тока между ними не возникает. Включение генератора в сеть при значительном неравенстве напряжений по величине и при большом угле δош расхождения по фазе вызовет появление уравнительного тока I "вкл и связанных с ним последствий. Особенно опасно включение генератора при несовпадении напряжений по фазе, так как именно фазовый сдвиг вызывает толчки тока статора и электромагнитного момента на валу. Влияние фазового сдвига на величину тока включения может быть проиллюстрировано векторной диаграммой (рис 2.15).

Рис. 2.15. К определению допустимой угловой ошибки при синхронизации

Из векторной диаграммы видно, что при равенстве напряжений системы и генератора U с = E г = U

где х_d^,, - cверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси; x_c – сопротивление системы.

При сдвиге 180° (включение в противофазу) ток

значительно превышает ток короткого замыкания

на выводах генератора:

Возникающий при этом момент вращения может в несколько раз превышать момент на валу генератора при коротком замыкании на его выводах. От этого могут разрушиться лобовые части обмотки статора или одна из обмоток трансформатора, через который генератор подключается к сети. Включение в противофазу может случиться при неисправности во вторичных цепях или при неправильном включении синхронизирующего устройства.

При значительной разности частот трудно безошибочно выбрать момент для включения генератора. Кроме того, если даже момент включения будет выбран удачно, то из-за большой начальной разности между синхронной скоростью и скоростью вращения ротора ротор генератора не успеет затормозиться и удержаться в синхронизме, что вызовет появление недопустимо больших колебаний тока статора и вращающего момента ротора. Поэтому при большой скорости вращения, а также при резких качаниях стрелки синхроноскопа включать генератор не допустимо.

Точной ручной синхронизации свойственны следующие недостатки:

1) сложность процесса включения из-за необходимости подгонки напряжения по модулю и фазе, а также частоты генератора;

2) большая длительность включения – от нескольких минут в нормальном режиме до нескольких десятков минут при авариях в системе, сопровождающихся изменением частоты и напряжения, когда особенно важно обеспечить быстрое включение генератора в сеть;

3) возможность механических повреждений генератора и первичного двигателя при включении агрегата с большим углом δош.

Во избежание механических повреждений ручная синхронизация выполняется

с автоматическим контролем синхронизма, который запрещает включение выключателя синхронизируемой машины при несоблюдении условий синхронизации. Ручная синхронизация при отключенной блокировке от несинхронного включения запрещается.

Способ самосинхронизации. При способе самосинхронизации (этот способ используется как дополнительный к основному) синхронизируемая машина с обмоткой возбуждения, замкнутой на гасительное сопротивление при отключенном АГП включается в сеть без возбуждения. Частота машины и частота сети должны при этом расходиться не более чем на 2%. Начальный ток включения (ток самосинхронизации

) определяется по формуле:

и, следовательно, он меньше, чем при коротком замыкании на выводах машины, так как ток короткого замыкания в этом случае определится как

Синхронизируемая машина возбуждается сразу же после включения в сеть и плавно (в течение 1…2 с.) входит в синхронизм.

Как видно, включение машины по способу самосинхронизации в первый момент эквивалентно короткому замыканию за сверхпереходным реактивным сопротивлением генератора. Остаточное напряжение на шинах, к которым подключается машина

где x _доп– сопротивление блочного трансформатора (в блочной схеме) или реактора (при реактором пуске), приведенное к мощности генератора.

Именно вследствие понижения напряжения на шинах при самосинхронизации, этот способ нежелателен для синхронизации генераторов на электростанциях с общими сборными шинами генераторного напряжения. Для мощных блочных станций способ самосинхронизации допустим, однако выигрыш во времени по сравнению с пуском теплового блока исчезающе мал. Поэтому в настоящее время в нормальных условиях на всех электростанциях, как правило, применяется способ точной синхронизации, а самосинхронизация может применяется лишь в аварийных условиях, например после потери генератором возбуждения, при включении резервных гидрогенераторов, при трехфазном АПВ с самосинхронизацией генераторов и т.п.

2.2 Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 25% ниже, расход активных материалов и стоимость на 20 – 25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ∙А, на 330 кВ до 1250 МВ∙А. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы делят на двухобмоточные и трехобмоточные. Обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, индуктивно не связанных, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения показаны на рисунке 2.16.

Широкое распространение трансформаторы с расщепленными обмотками НН получили в схемах питания потребителей собственных нужд (для повышения надежности электроснабжения) крупных ТЭС и АЭС с блоками мощностью 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях (для ограничения токов короткого замыкания).

Рисунок 2.16 - Принципиальные схемы трансформаторов:

в) с расщепленными обмотками низкого напряжения.

К основным параметрам трансформатора относят: номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ, ток ХХ, потери ХХ и потери КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточных трансформаторов – это мощность каждой обмотки. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную мощность принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальное напряжение обмоток – это напряжение первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора – это его линейное напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, - это

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по её номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания

(% или о.е.) - это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в последней проходит ток равный номинальному. Напряжение КЗ характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и в относительных единицах равно ему.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Соответственно, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ:

. Величина

регламентируется в зависимости от напряжения для силовых трансформаторов от 5,5% при

до 80% при

Увеличивая значение

можно уменьшить токи КЗ на вторичной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформатора. Если, например, трансформатор 110 кВ, 250 МВ∙А выполнить с

вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 16%, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 МВ∙А).

Ток холостого хода

характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции.

Ток холостого хода выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода

и короткого замыкания

определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатанная сталь с жаростойким изоляционным покрытием, а также шихтовка стали сердечника.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и в конструктивных элементах трансформатора. Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируется магнитными шунтами.

В современных конструкциях трансформаторов потери относительно небольшие. Например, в трансформаторе мощностью 250 МВ∙А, напряжением

потери электроэнергии составляют 0,43% от общего количества электроэнергии, пропущенной через трансформатор за год. Однако, в сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, относительные потери в которых значительно больше, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны весьма значительны. Важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкцию трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения потерь электроэнергии (

Потери энергии в трансформаторах приводят к нагреву обмоток и магнитопровода, что ускоряет старение изоляции обмоток – бумаги, тканей, лаков и других материалов. Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств материалов, то есть износу трансформатора.

Чтобы замедлить процесс износа трансформатора и увеличить одновременно передаваемую им мощность, используются охлаждающие устройства. Принято считать, что охлаждающее устройство масляного трансформатора (для силовых трансформаторов и автотрансформаторов в качестве охлаждающей жидкости используется трансформаторное масло) состоит из системы внутреннего охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу, и системы наружного охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты от масла окружающей среде.

В электроэнергетических системах Украины на ЭС и п/станциях применяются трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ, ДЦН, Ц.

Система охлаждения М применяются у трансформаторов сравнительно небольшой мощности напряжением, как правило, до 35 кВ. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми охладителями (радиаторами). Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединенный своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские экраны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет разной их плотности, т.е. за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвенционными потоками воздуха у поверхности баков и радиаторов, а также излучением.

Система охлаждения Д применяется у трансформаторов средней мощности напряжением 35, 110 и 220 кВ. В ней используются навесные радиаторы обдуваемые вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются на консолях, приваренных к стенке бака. Включение и отключение электродвигателей вентиляторов производится автоматически или вручную. Для автоматического управления используются термические сигнализаторы.

Система охлаждения ДЦ получила распространение для охлаждения мощных трансформаторов наружной установки напряжением 110 кВ и выше. Её особенность – применение масляновоздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Управление охладителем ДЦ автоматическое и ручное. Аппаратура управления смонтирована в специальных шкафах автоматического управления охлаждением трансформатора типа ШАОТ – ДЦ или ШАОТ – ДЦН (ДЦ – масляное охлаждение с дутьем и ненаправленной циркуляцией масла; ДЦН – то же, но с направленной циркуляцией масла).

Система охлаждения ДЦН – отличается от ДЦ только тем, что движение масла внутри трансформатора упорядочено: охлажденное масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам.

В системах охлаждения ДЦ и ДЦН схема автоматического управления обеспечивает:

· включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть;

· увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе;

· включение резервного охладителя при аварийном отключении работающего и др.

Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения с основного источника на резервный (при исчезновении напряжения или его понижении в основной сети).

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией типа Ц принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последней, охладители в системе Ц состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубами движется масло. Применяется для мощных трансформаторов наружной и внутренней установки. Она компактна, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью.

Для трансформаторов наружной установки охладители размещены в помещениях с положительной температурой. Предусматриваются меры, предотвращающие замерзание воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях в зимнее время (например, слив воды из охладителей при отключении трансформатора, утепление охладителей и др.).

2.3 Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов

Однофазный АТ имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рисунок 2.17). Часть обмотки заключённая между В и С, называется последовательной, а между С и О общей.

При работе АТ в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток

, который, создавая магнитный поток наводит в общей обмотке ток

. Ток нагрузки вторичной обмотки

складывается из тока

проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока

, созданного магнитной связью этих обмоток:

Рисунок 2.17 - Схема однофазного автотрансформатора

Полная мощность, передаваемая АТ из первичной сети во вторичную, называется проходной. Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток АТ, можно записать следующее выражение:

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

где

мощность, передаваемая магнитным путём из первичной обмотки во вторичную;

электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счёт их гальванической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток

из последовательной обмотки проходит на вывод С минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью АТ (

), а трансформаторная мощность – типовой мощностью (

Размеры магнитопровода, а, следовательно, его масса, определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Получаем, что чем ближе

, тем меньше

и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры АТ, его масса, расход активных материалов, уменьшается по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Например, при

, а при

. Наиболее целесообразно применение АТ при сочетаниях напряжений 220/110, 330/150, 500/220, 750/330.

Из схемы видно, что мощность последовательной обмотки:

Таким образом, обмотки и магнитопровод АТ рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчётной мощностью.

Какая бы мощность не подводилась к зажимам В и С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на

нельзя. Этот вывод особенно важно помнить при рассмотрении комбинированных режимов работы АТ.

Третья обмотка АТ (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения генераторов и синхронных компенсаторов (а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник). Мощность обмотки НН -