Снижение дуговой нагрузки на выключатели в системах самовозбуждения

Любая статическая система возбуждения синхронного генератора в цепях постоянного тока содержит коммутационный аппарат, обеспечивающий отделение обмотки возбуждения и возбудителя [1]. Данное обстоятельство продиктовано, в первую очередь, требованиями правил техники безопасности. В бесщеточных системах возбуждения коммутационные аппараты в цепях обмотки возбуждения из-за сложности размещения и управления, как правило, отсутствуют. Кроме обеспечения видимого разрыва, на коммутационный аппарат частично или полностью возложена задача гашения поля синхронной машины.

В качестве основных коммутационных аппаратов цепей возбуждения на сегодня применяются автоматы гашения поля (АГП), быстродействующие автоматические выключатели и специальные контакторы, рассчитанные на отключение больших постоянных токов. АГП и контакторы оснащены сложными дугогасительными решетками [2], имеют мощную контактную систему и позволяют рассеивать большую энергию. Причем конструкция АГП обеспечивает стабилизацию падения напряжения на дуге. Быстродействующие автоматические выключатели обладают на порядок лучшим быстродействием, способны разрывать большие постоянные токи, но не способны рассеивать большую энергию.

В АГП и контакторах основная доля магнитного поля гасится на дуге. При этом ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения и ее ток создают падение напряжения на дуге. Соответственно про- цесс гашения поля определяется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги. АГП - устройства сложные и дорогие и применяются преимущественно с мощными (> 63 МВт) генераторами. Контакторы в новых системах возбуждения применяются достаточно редко. Их вытеснили быстродействующие автоматические выключатели.

При применении в цепях постоянного тока автоматических выключателей рассеивание энергии идет на добавочном (шунтирующем) сопротивлении Rcc (рис. 1) и процесс гашения определяется ВАХ этого сопротивления. Таким образом, в случае использования быстродействующих автоматических выключателей необходимо обеспечивать минимальное время горения дуги в контактной системе и максимально быстрый переход тока из цепи с выключателем Q 1 в цепь шунтирующего сопротивления Rcc .

Рис. 1. Типовая схема цепей возбуждения генератора до 63 МВт

Гольдштейн М.Е., Прокудин А.В.

При поступлении команды на гашение поля тиристорный преобразователь ТП переводится в режим инвертирования, отключается выключатель Q 1 и его блокировочные контакты включают контактор Ксс [1]. Ток возбуждения переходит на сопротивление Rcc . Величина этого сопротивления не превышает 5–7 Rf (сопротивления обмотки возбуждения по постоянному току) и определяется из условия [1]:

U fMAX - 0, 7U ИСП = ² I fH Rcc , где U f_MAX – допустимая амплитуда перенапряжений, U _ИСП – испытательное напряжение изоляции обмотки возбуждения [4], I fH – номинальный ток возбуждения. Процесс гашения поля до начала расхождения контактов Q 1 будет определяться следующими выражениями:

-t if ( t ) = - K Г IfH + ( If 0 + K Г IfH ) e f ,

Uf (t) ~ -KГUfH = const, if (t )> 0, где KГ – кратность напряжения гашения, не превышающая в большинстве случаев 2,5 [3], UfH – номинальное напряжение обмотки возбуждения, If0 – ток предшествующего режима. Соотношение токов тиристорного преобразователя IТП и шунтирующего сопротивления IRcc зависит от кратности напряжения гашения и величины Rcc:

I Tn ( t ) = i f ⁽ t ) ^U ДОП - 1.

I_Rcc      2 I_fHK_Г U_fH

Здесь U Д _ОП – допустимая амплитуда перенапряжений на обмотке возбуждения при гашении двойного номинального тока 2 I f_H (тока форсировки), исходя из которой выбиралась величина Rcc .

При расхождении контактов Q 1 основная часть тока возбуждения протекает через выключатель, особенно при невозможности инвертирования в аварийном режиме ( K_Г →0). Это явление снижает ресурс выключателя и затягивает процесс гашения, так как падение напряжения на дуге однозначно меньше чем в случае протекания всего тока через резистор Rcc .

Снизить вероятность зажигания дуги в контактной системе выключателя и тем самым ускорить переход тока на Rcc можно, кратковременно замкнув накоротко обмотку возбуждения. Причем для этого не требуется установка дополнительных коммутационных аппаратов. Часто в системе возбуждения присутствует силовая цепь защиты от коротких замыканий на контактных кольцах, состоящая из тиристора VS и диода VD (рис. 1). При возникновении короткого замыкания на кольцах тиристор VS отпирается и шунтирует обмотку возбуждения. Так как прямое падение напряжения на цепи VS + VD не превышает единиц вольт, то дуга гаснет. Отключение тиристора происходит только после полного развозбуждения генератора. При замене тиристора VS на полностью управляемый прибор, IGBT или IGCT , появляется возможность кратковременно шунтировать обмотку возбуждения. Эта возможность реализована в тиристорном устройстве гашения поля (ТУГП) (рис. 2).

При поступлении команды в систему управления MCU на гашение поля отдаются команды: на перевод тиристорного преобразователя ТП в режим инвертирования, включение ключа корот-козамыкателя ТК и отключение выключателя Q 1. Через t <50 мс [1] на обмотке возбуждения должно появиться отрицательное напряжение и ток перейдет с тиристорного преобразователя на короткоза-мыкатель ТК . После полного отключения Q 1 ( t <100 мс) ключ ТК отключается и ток переходит на цепочки рассеивания энергии ТУГП, включающие 1 R 1, 2 R 1 и 3 R 1. За счет периодического включения на 1–2 мс ключа ТК происходит отключение тиристоров 1 VS 1 и 2 VS 1 и эквивалентное сопротивление ТУГП увеличивается, обеспечивая ВАХ, близкую к ВАХ АГП U f ≈const.

Для проверки и подтверждения вышеизложенного были проведены экспериментальные работы на испытательной станции систем возбуждения [5]. В ходе экспериментов отмечено полное отсутствие зажигания дуги при гашении поля генератора и возможности перевода тиристорного преобразователя в режим инвертирования. При гашении поля в режиме неуправляемой форсиров-

Краткие сообщения

ки замечено существенное снижение времени и интенсивности горения дуги в контактной системе выключателя ТУГП. Также замена постоянного резистора Rcc на блок ТУГП позволила снизить время развозбуждения в среднем в три раза.

Вывод

Модернизация цепей защиты от коротких замыканий на контактных кольцах в системе самовозбуждения или установка тиристорного устройства гашения поля позволяет повысить коммутационный ресурс выключателя и в последнем случае отказаться от применения АГП.