И РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Асинхронным режимом (АР) генератора (станции) называют режим его работы при больших отклонения частоты вращения роторов от синхронной.

Причины возникновения АР:

1) исчезновение тока возбуждения;

2) нарушение статической или динамической устойчивости;

3) понижение напряжения, обусловленное отключением короткого замыкания действием АПВ или АВР и т.п.

Возникновение асинхронного режима приводит к различным нарушениям нормальной работы энергосистемы:

1) могут появляться периодические понижения напряжения (вблизи центра качаний), неблагоприятно влияющие на силовую нагрузку;

2) из-за увеличения тока при понижении напряжения может нарушиться селективная работа релейной защиты;

3) возникают колебания активной мощности, при которых возникают дополнительные усилия на валу турбины.

Выпавший из синхронизма генератор может быть введен на параллельную работу после отключения от сети с последующей синхронизацией и набором нагрузки. Это длительный процесс.

Другой способ восстановления синхронной работы, когда выпавший из синхронизма генератор не отключается от сети и, работая в асинхронном режиме, выдает в сеть некоторую мощность, а входя в сеть путем ресинхронизации, он быстро увеличивает выдаваемую мощность. Работу системы в таком режиме практически нельзя считать неустойчивой, ее следует рассматривать как систему, обладающую результирующей устойчивостью.

Рассмотрим процесс возникновения, протекания асинхронного хода и условия ресинхронизации применительно к простейшей системе (рис. 1.3). При этом выделим три стадии протекания процесса: режим синхронных колебаний и переход от синхронного к асинхронному режиму; установившийся асинхронный ход; режим ресинхронизации (рис. 6.1).

Предположим, в рассматриваемой системе отключилась одна из цепей ЛЭП. Повторное включение отключившейся линии восстановило условия нормальной работы передачи. Однако, полученный ротором генератора толчок оказался настолько велик, что генератор, ускоряясь, выпал из синхронизма. Принимая во внимание, что скольжение при АР изменяется незначительно, можно принять в относительных единицах и анализ провести с помощью метода площадей.

Рис. 6.1. Процесс выпадения генератора из синхронизма

и переход на асинхронный ход

При переходе от синхронного к асинхронному режиму происходит увеличение относительной скорости . Магнитный поток статора, вращаясь с угловой скоростью , будет индуктировать в замкнутых обмотках ротора (продольной, поперечной демпферных и обмотке возбуждения) токи, которые создают асинхронную мощность (и соответствующий тормозящий момент) . Величина этой мощности зависит от скольжения

и может быть определена по выражению (5.14). Одновременно при включенном возбуждении генератор выдает синхронную мощность, определяемую выражением

.

В асинхронном режиме эта мощность имеет знакопеременный характер и за период ( ) равно нулю.

Таким образом в асинхронном режиме имеет место избыточный момент (мощность), определяемая выражением:

.

Учитывая, что в установившемся асинхронном режиме за период равна нулю, генератор выдает в сеть только асинхронную мощность , соответствующую скольжению . При этом . Изменение мощностей и скольжения приведено на рис. 6.2, а.

Рис. 6.2. Установившийся асинхронный ход:

а) изменение мощностей; б) изменение скольжения; в) зависимость

Величина установившегося скольжения определяется только значением и . Найти значение можно путем построения этих характеристик (рис. 6.2, в).

Турбогенераторы с массивной бочкой ротора (при работе на шины ) развивают мощность, равную номинальной, при скольжении (0,4 ¸ 0,8) %. При таком скольжении потери в роторе от индуктированных в нем токов не превышают потерь от номинального тока возбуждения и не могут вызвать опасный нагрев ротора.

В этом случае нагрузка генератора ограничивается током статора (активным и повышенным реактивным) и составляет (50 ¸ 70) % от в течение 30 минут.

гидрогенераторов значительно меньше, чем у турбогенераторов, скольжение велико (10 ¸ 20 %) и работа гидрогенератора без возбуждения допустима лишь в течение нескольких десятков секунд.

Синхронная мощность , как уже отмечалось, меняет свой знак (рис. 6.2, а) и создает пульсации скольжения в пределах от до (рис. 6.2, б). Пульсации тем больше, чем больше амплитуда , и при большом значении амплитуды скольжение может сделаться равным нулю. Увеличение пульсаций скольжения за счет повышения ЭДС , то есть токи возбуждения используются при ресинхронизации совместно со снижением мощности турбины , что позволяет уменьшать и величину пульсации (рис. 6.3, а).

Рис. 6.3. Изменение параметров режима при ресинхронизации:

а) мощностей и ;

б) мощностей и скольжений , при успешном вхождении

в синхронизм; в) то же при неуспешном вхождении в синхронизм

При вхождении в синхронизм ( ) исчезает и на вал агрегата действует и , которые вызывают "синхронные качания". Могут иметь место два случая, показанные на рис. 6.3, б, в. Если при прохождении скольжения через нулевое значение ( , = 0) ресинхронизация будет успешной (рис. 6.3, б), а если , то генератор продолжает работать в асинхронном режиме (рис. 6.3, в). Значение угла , дающего возможность втягивания в синхронизм будет тем ближе 180°, чем меньше момент турбины. В пределе, при , ресинхронизация будет происходить при углах, весьма близких к 180°.

На основании выше изложенного уравнение относительного движения ротора запишем в виде:

или

. (6.1)

Интегрируя (6.1) в пределах изменения скольжения и угла , получаем:

,

где .

Критерий ресинхронизации. Рассмотрим процесс после нарушения динамической устойчивости передающей станции. Для этого запишем уравнение мощностей, действующих на ротор генератора в асинхронном режиме:

. (6.2)

Взаимная мощность = в асинхронном режиме практически не влияет на величину среднего скольжения, а создает периодические мгновенные колебания скольжения (то ускоряя, то тормозя ротор), среднее значение которых равно нулю. Таким образом, для анализа изменения среднего скольжения можно рассмотреть уравнение движения без учета взаимной мощности

. (6.3)

При нарушении устойчивости скорость генератора возрастает и регулятор скорости уменьшает впуск энергоносителя. При скольжение достигает максимального значения и затем начинает уменьшаться. Дальнейшее протекание процесса существенно зависит от настройки регулятора скорости турбины. В некоторых случаях параметры регулятора скорости таковы, что среднее скольжение монотонно приближается к своему установившемуся значению, определяемому статизмом регулятора и величинами и (кривая 1, рис. 6.4). В других случаях настройка регулятора скорости такова, что происходит перерегулирование и среднее скольжение в переходном процессе приближается к нулю или даже меняет знак (кривые 2 и 3, рис. 6.4). Это явление в значительной степени способствует ресинхронизации машин.

Рис. 6.4. Кривые среднего скольжения

В случаях, когда среднее скольжение монотонно приближается к своему установившемуся значению, не пересекая при этом оси абсцисс, синхронизация ( = 0) происходит при изменении знака мгновенного скольжения (представляющего собой сумму среднего скольжения и скольжения, обусловленного взаимной мощностью ) под действием взаимной мощности. Таким образом, синхронизация в этом случае возможна только при условии, что установившееся значение среднего скольжения меньше некоторой допустимой величины , зависящей от максимального значения взаимной мощности.

При настройке регулятора скорости с перерегулированием синхронизация может произойти в тот момент, когда среднее скольжение в переходном процессе станет меньше (кривая 2, рис. 6.4), хотя установившееся значение среднего скольжения и превосходит и превосходит эту величину. Однако кратковременное понижение среднего скольжения до значения меньшего не является достаточным условием ресинхронизации, так как если впуск энергоносителя под действием регулятора скорости происходит слишком быстро, синхронизм может быть вновь нарушен.

Если кривая среднего скольжения пересекает ось абсцисс и зону значений скольжений, меньших , то может наблюдаться явление «проскакивания» синхронизма, которое заключается в том, что после достижения синхронной скорости синхронизм не наступает, а снова возникает асинхронный режим, но с измененным знаком скольжения. После проскакивания синхронизма можетпроизойти в зависимости от вида кривой среднего скольжения или синхронизация, или повторное проскакивание синхронизма с переходом в асинхронный режим.

Когда кривая среднего скольжения, не пересекая ось абсцисс, монотонно приближается к своему установившемуся значению и ресинхронизация происходит за счет взаимного момента, критерий ресинхронизации получается интегрированием (6.2) в предположении, что за время одного асинхронного поворота сохраняется равенство

, (6.4)

то есть

. (6.5)

Уравнение (6.5) описывает колебательное движение ротора при асинхронном ходе, которое происходит под влиянием взаимной мощности около среднего значения скольжения. Рассмотрим процесс колебаний на фазовой плоскости, для чего введем замену:

; (6.6)

, (6.7)

и получим:

. (6.8)

Проинтегрировав уравнение в пределах от и до текущих значений и , получим:

; (6.9)

; (6.10)

. (6.11)

Уравнению (6.11) на фазовой плоскости соответствует семейство траекторий, которое изображено на рис. 6.5. Кривая, проведенная жирной линией и являющаяся сепаратриссой, делит всю плоскость на две области – область ресинхронизации (в этой области скольжения на фазовых траекториях меняет знак) и область, в которой ресинхронизации не происходит (в этой области скольжение на фазовых траекториях не изменяет знака). Максимальное скольжение достигается при = 0, а минимальное - при . Если принять, что колебания скольжения синусоидальны, то среднее скольжение, соответствующее каждой фазовой траектории, определяется по формуле

. (6.12)

Рис. 6.5. Фазовые траектории для синхронного хода и синхронных качаний

Для сепаратриссы, которая определяет допустимое по условиям ресинхронизации скольжение, величина = 0, тогда в соответствии с (6.12)

. (6.13)

Значение определяется по уравнению (6.11) при начальных условиях = 0 и и при текущем значении угла = 0

. (6.14)

Подставляя величину из (6.14) в (6.13), получим условие ресинхронизации

. (6.15)

Очевидно, что ресинхронизация обязательно произойдет, если при любом виде кривой среднего скольжения установившееся значение не превосходит величины . Для генераторов, у которых в синхронном режиме нагрузка по сравнению с предшествующим режимом уменьшается, условие ресинхронизации можно записать в следующем виде:

, (6.16)

где - статизм регулятора скорости турбины.

Здесь значения

ВСТАВИТЬ С ЛИСТА