2-4. РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ
1. Параллельная работа генераторов на емкостную нагрузку
Для того чтобы при ограниченной мощности шунтирующих реакторов или при полном их отсутствии иметь возможность поднимать напряжение на линии и при этом не допускать перегрузку генераторов зарядными токами, бывает желательно включать на холостую линию одновременно несколько генераторов.
Параллельное включение генераторов оказывается равноценно увеличению мощности эквивалентного генератора, если все их рассматривать как один, что возможно только, когда машины заведомо устойчивы друг относительно друга. Но параллельная работа генераторов при подключении их на емкостную нагрузку или при связи их через емкостное сопротивление иногда может оказаться неустойчивой.
Рассмотрим причины этой неустойчивости, проведя элементарный анализ.
Под критической длиной 
здесь понимается такая длина линии электропередачи, при которой наступает неустойчивая работа двух генераторов. Для того чтобы работа была устойчивой,линия должна иметь длину, меньшую критической
.
Приведенные соображения распространяются и на условия работы двух генераторов, связанных линией, имеющей последовательную емкостную компенсацию. В этом случае нельзя провести компенсацию реактивного сопротивления всей передачи, близкую к полной, так как это приведет к уменьшению синхронизирующего момента и может сделать параллельную работу невозможной. Более полный анализ этого вопроса может быть проведен с помощью метода малых колебаний.
Рис. 2-24. Критическая длина некомпенсированных передач.
Условием устойчивости при этом будет являться требование положительности относительного ускорения.
На рис. 2-24 показаны некоторые случаи, в которых можно ожидать неустойчивость параллельной работы машин при различной мощности системы Sc.
2. Синхронизация гидрогенераторов через длинную линию с приемной системой
Синхронизация генераторов между собой на станциях, отключенных от линии, не вызывает каких-либо затруднений и проводится любыми известными способами, на которых здесь останавливаться не будем.
При синхронизации генераторов станции, отделенной от приемной системы длинной линией, возникают определенные трудности и появляются специальные вопросы. Синхронизация в этом случае может производиться различными способами, а именно: точная синхронизация, проводимая автоматически или вручную, самосинхронизация также либо с помощью автоматических устройств, либо с помощью включения вручную. Условия синхронизации, как уже отмечалось выше, осложняются возможностью самовозбуждения и большими повышениями напряжения на открытом конце ненагруженной линии. Весьма существенно влияет и большая загрузка генераторов, работающих на холостом ходу, реактивной мощностью.
Синхронизация может проводиться на шинах удаленной станции (рис. 2-25,а), на шинах приемной системы (рис. 2-25,б), или на переключательном пункте в середине линии (рис. 2-25,в).
Рис. 2-25. Синхронизация через линию: а — на шинах станции; б — на шинах приемной системы; в — на переключательном пункте.
Для того чтобы проводить синхронизацию на шинах станции, необходимо прежде всего подключить холостую линию к системе. Если на линии не имеется достаточно мощных шунтирующих реакторов, то на открытом конце линии будет большое повышение напряжения; поднимется напряжение и в приемной системе, которая при этом получит от линии значительную реактивную мощность. Так, например, при подключении одной цепи линии 400 кВ длиной 900 км в систему поступит 800— 900 Мва реактивной мощности.
Повышение напряжения на шинах приемной системы будет зависеть от отношения зарядной мощности линии (S)эл к номинальной мощности эквивалентного генератора приемной системы Sc.
Характер переходного процесса и величина установившегося напряжения при различных соотношениях показаны на рис. 2-26.
При достаточно большой мощности приемной системы повышение напряжения как на шинах, так и внутри системы может быть неопасно. Однако в этом случае синхронизация будет затруднительна из-за повышения напряжения на открытом конце линии U2 (рис. 2-25,а).
Это повышение напряжения в конце линии при достаточно большой ее длине делает невозможным проведение синхронизации без достаточно мощных шунтирующих реакторов на генераторном конце передачи. Синхронизация на шинах приемной системы осложняется тем обстоятельством, что включение ненагруженной линии на генератор удаленной станции опять-таки вызывает повышение напряжения на открытом конце линии.
Рис. 2-26. Повышение напряжения на шинах системы при включении толчком холостой линии передачи.
Если шунтирующих реакторов на приемном конце нет, то U2 оказывается значительно больше, чем напряжение на шинах приемной системы.
Кроме того, в этом случае весьма неприятной оказывается перегрузка генератора емкостным током, которая может быть значительной. Включение на станции параллельно нескольких генераторов с тем, чтобы распределить между ними зарядную мощность линии и устранить или уменьшить перегрузку, может затрудняться неустойчивостью их параллельной работы на емкостную нагрузку и склонностью к самовозбуждению.
Синхронизация на переключательном пункте — в середине линии (рис. 2-25,в) может явиться выходом из положения только при не очень длинной линии или при наличии достаточной мощности реакторов как в точке С', так и С", с тем, чтобы U'2 и U''2 не были больше, чем это допустимо по условиям изоляции линии.
Наиболее простым способом включения генераторов удаленной станции на параллельную работу с системой является самосинхронизация. При этом порядок включения может быть следующий.
Рис. 2-27. Самосинхронизация.
а — порядок операции при подключении асинхронно работающих генераторов; б — переход на синхронную работу.
На станции пускаются два или три генератора. Скорость их доводится до скорости, несколько большей номинальной. После такой подготовки один из этих генераторов без тока возбуждения, но с замкнутой с помощью автомата гашения поля обмоткой возбуждения, подключается к линии передачи (рис. 2-27,а). Одновременно с этим или с некоторым, но возможно меньшим, запаздыванием линия на приемном конце подключается к системе (включается Bc на рис. 2-27,а).
Таким образом, невозбужденный генератор, работающий асинхронно с приемной системой, оказывается подключенным через линию к ее шинам. Этот генератор, работая на асинхронном ходу, потребляет значительную реактивную мощность и в этом отношении ведет себя как шунтирующий реактор, — предотвращает повышение напряжения на генераторном конце линии.
Однако если, как это обычно бывает, мощность генератора по отношению к зарядной мощности линии невелика, то генератор получает перегрузку, допускать которую длительное время нельзя или во всяком случае нежелательно. Поэтому вслед за включением первого генератора на станции подключаются второй и третий генераторы (включение Вr2 и Вr3 на рис. 2-27,а), напряжение U1 понижается этим еще в большей степени. Перегрузка генераторов уменьшается. Теперь можно осуществить самосинхронизацию генераторов, работавших пока как асинхронные.
Для проведения самосинхронизации автоматически или от руки воздействуют на регулятор скорости турбины, который, закрывая направляющий аппарат, уменьшает вращающий момент и, следовательно, уменьшает скорость вращения генераторов, приближая ее к синхронной.
Когда скольжение генераторов будет сравнительно небольшим, порядка 1—2%, можно включить возбуждение и прекратить закрытие воды. Последняя операция должна проводиться автоматически с помощью специального устройства, контролирующего скольжение.
После того как первая группа генераторов войдет в синхронизм и возьмет некоторую нагрузку, к ним могут быть подключены остальные генераторы станции, причем это подключение может производиться как путем синхронизации, так и путем самосинхронизации.
Вхождение генераторов в синхронизм при синхронизации их через длинную линию затрудняется тем, что асинхронный момент уменьшается из-за наличия в их цепи линии, имеющей большое сопротивление. Поскольку асинхронный момент оказывается малым, то синхронизация должна проводиться при возможно меньшем избыточном моменте турбины. Момент турбины в дальнейшем должен уравновешивать потери, синхронный момент, обусловленный явнополюсностью машин, и ту составляющую вращающего момента, которая появляется при подаче возбуждения.
Опыт показывает, что процесс синхронизации, описанный выше, как правило, проходит весьма спокойно даже при подключении станции, отделенной от приемной системы весьма длинной линией.
Следует отметить, что благодаря наличию большого сопротивления между системой и станцией, толчки тока в генераторе при включении способом самосинхронизации оказываются меньше, чем при непосредственном подключении к системе.
При весьма большой мощности генераторов и при сравнительно коротких линиях приходится обычно опасаться того, что потребление реактивной мощности генераторами, работающими на асинхронном ходу, вызовет недостаток реактивной мощности в системе и приведет к понижению в ней напряжения, что в свою очередь может вызвать лавину напряжения или нарушение статической устойчивости генераторов.
При длинной линии, являющейся источником реактивной мощности, это опасение отпадает. В приемной системе, как правило, не наступает какого-либо заметного снижения напряжения.
Таким образом, самосинхронизация генераторов, работающих на дальние передачи, наиболее целесообразна.
Учитывая значение самосинхронизации, несколько подробнее остановимся на происходящих при этом процессах. Преимуществом самосинхронизации по сравнению со способом точной синхронизации, является прежде всего то обстоятельство, что самосинхронизация проводится весьма быстро.
Если точная синхронизация требует от персонала большого внимания и занимает 5—20 мин, то самосинхронизация проводится за 15—20 сек. Простота операций по включению практически исключает какие-либо ошибки со стороны персонала и делает способ самосинхронизации совершенно безопасным.
В то же время точная синхронизация в случае ошибки может стать источником серьезной аварии. Так, известны случаи, когда вследствие ошибки включение при точной синхронизации проводилось при сдвиге ротора генератора на 180° по отношению к сети. Происходящий при этом процесс оказывался более тяжелым, чем трехфазное короткое замыкание на шинах станции, и приводил к серьезным авариям.
Способ самосинхронизации имеет еще и то преимущество, что процесс очень просто автоматизировать, и синхронизация может проводиться в различного рода аварийных режимах, когда на шинах генератора имеют место глубокие снижения напряжения и колебания частоты.
Самосинхронизация позволяет быстро автоматически восстанавливать нарушенные связи между удаленной электростанцией и системой. Для этого осуществляется так называемое АПВС—автоматическое повторное включение дальней линии передачи — и последующее включение генераторов станции способом самосинхронизации.
Недостатки способа самосинхронизации — толчок тока, получающийся в момент включенья невозбужденной машины, потребление реактивной мощности, иногда вызывающее понижение напряжения в системе, — оказываются при длинных линиях менее неприятными, чем при коротких. Во всяком случае даже при включении генераторов непосредственно на шины неизменного напряжения токи получаются много меньше, чем токи при коротких замыканиях. При подключении через трансформатор толчок тока будет еще меньше.
Механические усилия, опасные для генератора, при синхронизации в 2—4 раза меньше, чем при коротких замыканиях.
У турбогенераторов, имеющих реактивное сопротивление, большее, чем у гидрогенераторов, токи и соответственно механические усилия получаются еще меньше.
Определение величин вращающих моментов, напряжений на шинах генератора, токов в процессе самосинхронизации можно достаточно точно произвести путем решения уравнений Горева—Парка.
