ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАТНОСТИ ФОРСИРОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ
18 сентября 2010Пахомов Е.И. Южно-Уральский государственный университет, Россия, г.Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76
Синхронные генераторы (СГ), оснащённые системами тиристорного самовозбуждения, создают предпосылки для возникновения лавины напряжения в большей части энергосистемы (ЭС) [1–3]. При коротком замыкании (КЗ) в прилегающей сети снижается напряжение на выводах СГ, а следовательно и напряжение преобразователя системы возбуждения (СВ), так как он получает питание с выводов СГ (рис.1). Уменьшается напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, и как следствие снижаются ЭДС и напряжение генератора. При близких к генератору трехфазных КЗ это уменьшение столь значительно, что нарушается условие самовозбуждения СГ и развивается процесс лавинообразного затухания токов ротора и статора до нуля или до малого остаточного значения. Это в свою очередь может привести к лавине напряжения у нагрузки и развитию крупной аварии в ЭС.
Рис. 1. Схема системы тиристорной самовозбуждения
Для сохранения устойчивости СГ при КЗ в системе напряжение на его выводах стремятся вернуть к исходному и производят форси-ровку возбуждения, увеличивая ток возбуждения. Первоначально, чтобы снизить время нарастания тока возбуждения до двойного значения, повышают напряжение возбуждения до предельного, которое больше двойного. Предельное значение кратности форси-ровки по напряжению Kп ограничивается уровнем изоляции обмотки возбуждения, а его минимально допустимое значение нормируется ГОСТом [4] и для турбогенераторов не должно быть меньше Кп = 2,5. Из-за увеличения тока ротора по сравнению с номинальным обмотка возбуждения нагревается. Поэтому в режиме форсировки ограничивается величина тока ротора обычно двукратным номинальным и его длительность – временем нагрева обмотки возбуждения до предельных температур. Для турбогенераторов с непосредственным охлаждением это время составляет 15 – 20 с [5].
Самые тяжелые условия для самовозбуждения СГ создаются при трехфазном КЗ в начале линии передачи. Более близкие КЗ находятся в зоне действия дифференциальных защит блока генератора, приводят к отключению СГ и не требуют форсировки.
Обеспечить самовозбуждение при близких КЗ можно увеличением фактической кратности форсировки. В дальнейшем под фактической кратностью форсировки по напряжению будем считать произведение потолочной кратности форсировки на напряжение прямой последовательности СГ в относительных единицах. Так как напряжение СГ во время КЗ уменьшается, то величина потолочной кратности форсировки должна обеспечить самовозбуждение при наиболее тяжелых КЗ.
Ограничение тока возбуждения двойным номинальным значением может нарушить условия самовозбуждения, даже если значение предельной кратности форсировки по напряжению обеспечивает самовозбуждение при близких трехфазных КЗ. Если же развивается лавина напряжения, то уже не удаётся проводить форсировку в течении времени, нормированного ГОСТ, так как СГ отключается из-за снижения напряжения раньше. Поэтому есть смысл увеличить кратность фор-сировки по току выше нормированного двойного номинального значения. При этом придется уменьшать длительность форсировки, чтобы избежать перегрева СГ и преобразователя СВ.
Рассмотрим случай ограничения тока возбуждения тройным значением. При этом длительность форсировки по сравнению с двухкратной уменьшается с 15-20 секунд до 5-7.. По истечении времени форсировки ток ротора понижается до номинального и повторное его увеличение возможно только после остывания СГ. Так как граница ограничения тока возбуждения установлена постоянной, то форсировка с повышенной кратностью по току будет проводится не только при близких трёхфазных КЗ, но и в других, не столь тяжелых, режимах. Например, в случае продолжительного дефицита реактивной мощности, возникающего, при выделении части ЭС с несбалансированной нагрузкой, резкое понижение уровня возбуждения после окончания форсировки может усугубить аварийную ситуацию [5].
При этом форсировка с повышенной кратностью по току приведёт к насыщению магнитной системы СГ и не вызовет должного приращения его внутренней ЭДС, а следовательно, и напряжения в сети. Уменьшение длительности форсировки приведет к нерациональному использованию перегрузочной способности ротора. Увеличения длительности форсировки возбуждения можно достичь за счет понижения ее кратности.
Для эффективного форсирования возбуждения СГ автоматика должна уметь для каждой аварийной ситуации определять параметры форсировки. Такая форсировка явля-
ется регулируемой. Регулируемая форсиров-ка позволит при близких КЗ избежать лавины напряжения, а во время аварий, сопровождающихся дефицитом реактивной мощности увеличить время форсирования, может быть даже больше нормируемого ГОСТом.
Для этого нужно моделирование системы при различных напряжениях СГ (удаленности места КЗ, величины внешнего сопротивления КЗ) и экспериментальное определение кратности форсировки по напряжению и тока возбуждения, при которых не происходит лавина. Это условие нужно ввести в алгоритм работы защиты обмотки возбуждения от перегрева, которая будет, накладывать ограничение на ток возбуждения таким образом, чтобы не создать условий для происхождения лавины.
При решении поставленной задачи модель СГ с системой самовозбуждения описывалась уравнениями Парка–Горева в форме токов с известными допущениями [6]. Уравнение для контура обмотки возбуждения дополнилось внешней характеристикой тири-сторного преобразователя.
На рис. 2 приведены зависимости кратности форсировки по напряжению и минимального тока возбуждения, обеспечивающие предотвращение лавины от длины участка ЛЭП (220 кВ) между повышающим трансформатором генератора и местом КЗ. Особый интерес представляет область 0…40 км, в которой «старый» алгоритм ограничения будет приводить к лавине напряжения, даже если СВ будет способна обеспечить требуемую величину кратности форсировки по напряжению.
Рис. 2. Зависимость требуемой кратности по напряжению и ограничения тока возбуждения от расстояния в км до места КЗ
Следует заметить, что большое значение кратности форсировки по напряжению (от 2,5 до 8) не означает такое же увеличение напряжения возбуждения. Фактическое напряжение возбуждения при КЗ уменьшается из-за снижения напряжения на выводах СГ.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Гольдштейн М.Е., Пахомов Е.И. Форси-ровка генераторов, оснащённых тиристорны-ми системами самовозбуждения // Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика». – 2004. – Вып. 4.– № 1. – С. 119–122.
2. Гольдштейн М.Е., Пахомов Е.И. Регулирование возбуждения генератора оснащенного тиристорной системой самовозбуждения // Современные энергетич. системы и комплексы и управление ими: Матер. 4-ой междун. НТК. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. – С.52–54.
3. Пахомов Е.И., Гольдштейн М.Е. Минимальная кратность форсировки синхронных генераторов с системами самовозбуждения //
Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика». – 2004. – Вып. 5.– № 4. – С. 97–100.
4. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. ГОСТ 21558–88. – М.: Изд–во стандартов, 1988. – 14 с.
5. Пахомов Е.И. «On-line»-определение кратности форсировки возбуждения синхронного генератора для предотвращения аварий в энергосистемах // Технологии управления режимами энергосистем XXI века. Сб. докл. Всеросс. НПК. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – С.69–73.
6. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. – М.: Энергия, 1964. – 704 с.