Влияние форсировки возбуждения на динамическую устойчивость.

Регулятор напряжения, реагирующий на снижение напряжения при кз, закорачивает резистор в цепи возбуждения возбудителя, и напряжение возбудителя начинает возрастать, что уменьшает степень затухания продоль­ной составляющей эдс за переходным индуктивным сопротивлением E'_q и может привести даже к ее возрастанию. Увеличение эдс генератора обусловливает пропорциональное увеличение амплитуды характеристики мощности, и динамическая устойчивость в той или иной мере повышается. Количественная сторона влияния форсировки возбуждения на динамическую устойчивость зависит от скорости подъема напряжения возбудителя. Напряжение ненасыщенного машинного возбудителя с независимым возбуждением нарастает по экспоненциальной зависимости (рис. 2.18)

где = Uf₀ + u_f — так называемый потолок напряжения возбудителя, т. е. максимальное значение напряжения, достигаемое при закороченном резисторе в цепи возбуждения возбудителя;

Т_е — постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя.

Рис. 2.18 Изменение напряжения возбудителя при форсировке.

Дифференцируя выражение для напряжения возбудителя, нетрудно найти значение скорости нарастания напряжения в первый момент времени после замы­кания контактов регулятора:

она пропорциональна u_f и обратно про­порциональна постоянной времени Т_е. Та­ким образом, для увеличения скорости подъема напряжения возбудителя следует повышать потолок и уменьшать постоян­ную времени возбудителя.

Рис.2.19 Принципиальная схема возбудителя с самовозбуждением.

Необходимо отметить, что у некоторых генераторов возбудители выполнены не с независимым возбуждением, а с самовоз­буждением (рис.2.19). Такие возбудители при прочих равных условиях имеют мень­шую скорость подъема напряжения. При срабатывании регулятора в схеме рис.2.19 напряжение, приложенное к обмотке воз­буждения возбудителя, становится равным напряжению возбудителя u_f и возрастает вместе с последним помимо скачкообраз­ного изменения в момент замыкания кон­тактов регулятора, осуществляющего ре­лейную форсировку. Когда напряжение воз­будителя достигает потолка, к выводам обмотки возбуждения возбудителя ока­жется приложенным напряжение . Если бы тот же возбудитель имел независимое возбуждение, то для достижения того же потолка к обмотке возбуждения возбуди­теля должно быть сразу же приложено (в дальнейшем остающееся неизменным) напряжение независимого источника, рав­ное u_foD. Первоначальный же скачок напря­жения обмотки возбуждения возбудителя при срабатывании регулятора в этих усло­виях для схемы на рис.2.19 оказывается меньшим, чем при независимом возбужде­нии. Обусловленное этим уменьшением u_f уменьшает первоначальную скорость нарастания напряжения возбуди­теля. На рис.2.20 показаны кривые на­растания напряжения одного и того же возбудителя при самовозбуждении (кривая 1) и при независимом возбуж­дении (кривая 2). В первом случае напряжение нарастает медленнее, чем во втором, хотя в конце концов и достигается один и тот же потолок. Кривая 1 уже не соответствует экспоненциальной зависимости; впрочем и кривая 2 несколько отличается от экспоненты, что объясняется влиянием насыщения возбудителя.

Рис.2.20 Нарастание напряжения возбудителя при различных типах возбудителей.

Значение производной du_f/dt, характеризующей мгновенную скорость подъема напряжения возбудителя, непрерывно изменяется во времени как при независимом возбуждении, так и при самовозбуждении. Эффективность возбудителей можно характеризовать средней скоростью нарастания напря­жения за 0,5 с, отнесенной к нормальному напряжению возбудителя _ном. Под средней скоростью понимается относительное значение тангенса наклона прямой (рис.2.21), ограничивающей для промежутка времени 0,5 с ту же площадь, что и действительная кривая нарастания напряжения, начиная от Средняя скорость равна, очевидно,

Размер площадки используется как критерий эквивалентности потому, что именно эта площадка определяет степень изменения продольной состав­ляющей эдс за переходным индуктивным сопротивлением E'_q за рассмат­риваемый промежуток времени в результате изменения напряжения возбу­дителя. Действительно, если пренебречь активной составляющей потери напряжения, можно получить приближенное уравнение для обмотки возбуждения генератора

Для t = 0,5 с правая часть выражения для потокосцепления представляет собой не что иное, как площадку на рис.2.21. Таким образом, эта площадка опре­деляет изменение потокосцепления обмотки возбуждения, а, следовательно, и изменение E'_q, поскольку последняя пропорциональна _fd.

Рис.2.21 К определению средней скорости нарастания напряжения возбудителя.

Возвращаясь к рис. 2.20, можно констатировать, что средняя скорость нарастания напряжения возбудителя при независимом возбуждении заметно выше, чем при самовозбуждении. Таким образом, независимое возбуждение может рассматриваться как одно из средств повышения скорости подъема напряжения возбудителя. Практически это требует установки вспомогатель­ного подвозбудителя (рис.2.22). В числе других мероприятий, направленных на повышение скорости подъема напряжения возбудителей, следует указать на увеличение частоты вращения

Рис.2.22 принципиальная схема возбудителя с подвозбудителем.

возбудителей, что позволяет уменьшить магнитный поток возбудителя. При этом уменьшается индуктивность L_e обмотки возбуждения возбудителя, а вместе с ней и постоянная времени Т_е.

Кривые 3 и 4 на рис.2.21 характеризуют нарастание напряжения возбуди­теля при частоте вращения, равной соответственно 970 и 1200 об/мин .

Необходимо подчеркнуть, что быстродействующие возбудители неизбежно должны иметь высокий потолок возбуждения (т.е. максималь­ное значение напряжения), поскольку даже при очень большой начальной скорости подъема напряжения средняя скорость за полсекунды не может быть достаточно большой при низком потолке (рис.2.23). В действитель­ности же и начальная скорость возрастает с повышением потолка.

Рис.2.23 Нарастание напряжения при низком (2) и высоком (1) потолке напряжения.

Говоря о быстродействующем возбуждении, следует иметь в виду, что при малой длительности кз, характерной для современных электрических систем, влияние быстродействующего возбуждения на динамическую устой­чивость невелико. Если допустить даже, что напряжение возбудителя возрас­тает мгновенно до потолка, то ток возбуждения генератора следует за напряжением возбудителя с большим запозданием, обусловленным индук­тивностью обмотки возбуждения. Постоянная времени T'_d крупных генерато­ров достигает 1,5 — 2 с. Этим и ограничивается скорость изменения эдс E_q и E'_q под влиянием быстродействующего возбуждения.

Влияние быстродействующего возбуждения спустя 1,5 — 2 с после возникновения кз должно быть признано весьма значительным. Однако практическая длительность кз не превышает нескольких десятых долей секунды. Для таких промежутков времени влияние изменения напряжения возбудителя очень невелико. Однако в случае удаленных электрических станций, когда проблема динамической устойчивости сто­ит особо остро, применение высоких по­толков возбуждения и скоростей подъема напряжения возбудителей может быть оправданным. Быстродействующее возбуж­дение может иметь также существенное значение как средство предотвращения опрокидывания асинхронных двигателей нагрузки.

До сих пор не затрагивался вопрос устойчивости асинхронных двигателей про­мышленной нагрузки при кз в электрической системе.

Рис.2.24 Изменение момента асинхронного двигателя при кз

1 — нормальный режим; 2 — режим кз; 3 — послеаварийный режим.

При кз вращающий момент асинхронного двигателя падает (рис.2.24), двигатель начинает

тормозиться и его скольжение возрастает. Если кз отключается при скольжении s_0TK, которому

отвечает точка с на характе­ристике двигателя при кз, то вращающий момент двигателя снова

увели­чивается. Процесс в момент отключения характеризуется точкой d, где вращающий

момент Р_м больше тормозного момента Р_т. Двигатель уско­ряется, его скольжение падает,

и возникает новый установившийся режим.

При отсутствии регуляторов напряжения характеристика двигателя при отключенном кз

располагается ниже, чем в нормальном режиме, вследствие затухания эдс генераторов. Если

длительность кз велика и отключение его происходит только при скольжении s' (точка с'

на рис. 2.24), то увели­чение вращающего момента после отключения повреждения (точка d')

может оказаться недостаточным. Избыточный момент в этих условиях оказывается тормозящим.

Скольжение двигателя продолжает возрастать, и двигатель останавливается.

Быстродействующее возбуждение генераторов повышает характеристику при отключенном кз

и позволяет предотвратить опрокидывание двигателя. На рис. 2.25 показана запись

регистрирующего вольтметра при кз в системе, не имевшей автоматических регуляторов

напряжения. Короткое замыкание было отключено через 0,7 с, однако напряжение оставалось

чрезвычайно низким в течение многих секунд. Это явилось результатом массового

опрокидывания асинхронных двигателей нагрузки. Заторможенные двигатели переходят, в

сущности, в режим кз. Резкое увеличение реактивного тока двигателей и привело к снижению

напряжения, несмотря на отключение кз в системе.

Несколько позже в этой системе на генераторах были установлены регуляторы

напряжения и повторившееся примерно в тех же условиях кз имело совершенно иные

последствия. Как показывает запись того же вольтметра на рис. 2.26, напряжение

при отключении кз быстро восста­навливалось и никакого нарушения устойчивости

генераторов или двигателей не последовало.

Рис.2.25 Изменение напряжения в системе при отсутствии регуляторов.

Рис.2.26 Изменение напряжения в системе при наличии регуляторов напряжения.