Снижение времени аварийного гашения поля синхронных машин с системами самовозбуждения

При коротких замыканиях на выводах статора генератора требуется быстрое гашение поля синхронной машины с целью скорейшего снижения величины тока КЗ и минимизации ущерба. Системы независимого возбуждения обеспечивают достаточно быстрое гашение поля переводом преобразователя в режим инвертирования. Для систем самовозбуждения (СТС) при коротком замыкании на выводах статора режим инвертирования невозможен и недопустим в связи с появлением дополнительного тока подпитки места КЗ. Поэтому для аварийного гашения поля используют принцип рассеивания энергии обмотки ротора на стороннем объекте.

Цель выбора параметров устройства аварийного гашения поля генератора - достижение минимального времени снижения напряжения статора до уровня, при котором не поддерживается горение дугового разряда на стороне статорной обмотки генератора. В большинстве случаев этот уровень напряжения составляет 3-5 % от номинального значения напряжения статора генератора, но не более 500 В. Таким образом, задача обеспечения минимального времени гашения поля синхронной машины сворачивается к задаче обеспечения минимального времени снижения тока ротора до 3 % от значения тока ротора, соответствующего режиму холостого хода [1].

При анализе процессов аварийного гашения поля следует рассматривать случай гашения поля из наиболее тяжелого режима генератора с двукратной форсировкой по току. Согласно [1] амплитуда напряжения Uj^, воздействующего на изоляцию обмотки возбуждения, не может превышать 70 % от испытательного значения, соответствующего десятикратному номинальному напряжению ротора XOUj^, и должно быть не менее 1500 В и не более 3500 В [2]. При исходных индуктивности Lj- и активном сопротивлении R^ обмотки возбуждения процесс гашения описывается следующими выражениями:

(/^=10^;

t иД^-ЛОи^е f где т = LflRfrRf) - постоянная времени контура гашения поля.

С учетом того, что процесс гашения поля можно считать законченным при снижении тока возбуждения до 3-5 % от тока холостого хода, что соответствует конечному току ниже f_: < 0,009/.//, максимальное время гашения поля определяется из приведенных выше выражений (1):

?_тах = —Т - In ■ -^К ■ =-------1П -S- . (2)

2/_(H    R_f+R_cc 21

С учетом ограничения по амплитуде напряжения, воздействующего на изоляцию обмотки и составляющего 10L^/, максимальное время гашения на постоянном активном сопротивлении R_cc определяется следующим образом (2):

Rcc =SRp Ту =

-L_f 9-Ю-³/^

♦    —--1 ip----------1— max Rf+5Ry 27т

= 0,9т

Так как в некоторых режимах постоянная времени обмотки возбуждения tj=L/Rj может составлять несколько секунд, то процесс гашения поля существенно затягивается и это может привести к развитию аварии. Таким образом, целесообразно снижение времени гашения поля синхронной машины. Напряжение на обмотке возбуждения определяется экспоненциальным законом (1) и снижается в процессе вывода энергии из ротора. При этом скорость вывода энергии в процессе гашения также снижается:

dW(A z XX          "

Энергия, запасенная в обмотке возбуждения, прямо пропорциональна квадрату тока:

и единственным способом ускорения процесса гашения поля является увеличение или поддержание напряжения и^ на уровне, максимально допустимом для изоляции. При этом скорость вывода будет меняться медленнее:

™^ = u_f Wy (Г) = -20иун1уне^ .

В этом случае процесс гашения поля из режима форсировки описывается следующими выраже ниями:

|^/max| -^U^ Uy^ = -\OU

7 (0 - ^ •

Достижимое время снижения тока от величины 21^ до допустимого конечного значения 1ук из выражений (4) определяется так:

Здесь K^Uynax/U^^O - параметр «кратность гашения», который характеризует максимальное значение амплитуды воздействующего напряжения на обмотку возбуждения по отношению к номинальному значению напряжения возбуждения. При допустимом конечном значении тока возбуждения Ij_K < 0,009/;я минимально достижимое время гашения поля составляет О,18ту. Таким образом, переход на режим гашения поля с поддержанием (стабилизацией) напряжения дает снижение времени в 5 раз. Это уже существенно и соответствует минимально достижимому времени вывода энергии из обмотки возбуждения без превышения допустимого напряжения на изоляции.

Режим гашения поля синхронных машин с поддержанием напряжения в современных системах возбуждения реализуется тремя способами: перевод тиристорного преобразователя в режим инвертирования, подключение к обмотке неуправляемого нелинейного сопротивления и подключение управляемого линейного сопротивления. В случае применения инвертирования тиристорным преобразователем кратность гашения К_Г редко превышает значение 2,5 и минимально достижимое время гашения ?_тах больше чем 0,5 8т/ (при Ijk < 0,0097///). Принцип гашения на нелинейном сопротивлении реализован в автоматах гашения (АГП производства АО «Силовые машины») и устройствах гашения поля на силовых варисторах. АГП содержит большое количество как подвижных, так и тепломеханически нагруженных элементов, что снижает его надежность и требует частого обслуживания. Устройства гашения с силовыми варисторами, как и АГП, приближаются к идеальному случаю гашения поля. Но они чрезвычайно дороги и их производство, как и производство АГП монополизировано. Поэтому сегодня производятся системы возбуждения с гашением поля на Rcc. Однако время гашения поля при этом существенно больше, чем при применении АГП или инвертирования [3].

В тиристорном устройстве гашения поля (ТУГП) [4] нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ) обеспечивается ступенчатым изменением значения активного сопротивления. Идеализированная ВАХ и для АГП, и для ТУГП имеет вид

U (7) = const = U_fmax .

Опираясь на выражения (4), описывающие процесс гашения поля при стабилизируемом напряжении, зависимости величины рассеивающего сопротивления Rcc ТУГП принимают вид:

Электроэнергетика

Рис. 1. Варианты исполнения схемы тиристорного УГП

/ х        KrRf мо=----А—■ <6)

(Кг+2)е 4 -Кг

R_CC(if) = -^L7^^L-         (7)

Тиристорное УГП должно обеспечивать зависимости (6) и (7) и может быть построено по двум вариантам схем: с последовательным соединением (рис. I, а) и с параллельным соединением элементарных резисторов (рис. 1, б).

При отключении ключа К (рис. 1) ток обмотки возбуждения генератора (ОВГ) переходит на резисторы R\...Rn. За счет отключения ключей К\...Кп-А сопротивление увеличивается ступенчато. При и—>оо ВАХ и зависимость Rcc(l) стремятся к выражениям (6) и (7). Оба варианта схем работоспособны, обеспечивают требуемые характеристики, но технологичность схем разная. В частности, схема на рис. 1, б реализуется на резисторах с одинаковыми сопротивлением и мощностью, тогда как схема на рис. 1, а требует разных по мощности резисторов. К тому же в качестве резисторов ТУГП могут использоваться резисторы, входящие в состав Rcc.