СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ. ИХ ОБСЛУЖИВАНИЕ
Система возбуждения генератора представляет собой комплекс устройств, включающих возбудитель, автоматический регулятор возбуждения (АРВ), устройство быстродействующей форсировки возбуждения, средства Гашения поля, развозбуждения, вспомогательную коммутационную и контрольно-измерительную аппаратуру.
Под возбудителем понимают источник питания обмотки возбуждения генератора постоянным током. Источником питания могут быть генератор постоя иного тока, генератор переменного тока совместно с полупроводниковыми выпрямителями и трансформатор с полупроводниковым выпрямителем.
Для поддержания напряжения на выводах синхронного генератора и для повышения статической и динамической устойчивости генератора используются устройства АРВ. Различают устройства АРВ пропорционального действия, изменяющие ток возбуждения по отклонению напряжения статора, тока статора генератора (режимных параметров генератора), и устройства АРВ сильного действия (АРВ-СД), реагирующие не только на отклонение режимных параметров, но и на их первые производные
При глубоких снижениях напряжения (например, при КЗ) применяется форсировке - быстрое увеличение возбуждения генератора, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты.
После внезапного отключения генератора (например, при внутренних КЗ в генераторе) его необходимо развозбудить, т,е. погасить магнитное поле возбуждения, что позволяет уменьшить размеры повреждения обмоток статора и активной стали.
Гашением поля называется процесс, заключающийся в быстром уменьшении магнитного потока возбуждения генератора до величины, близкой к нулю. При этом ЭДС генератора уменьшается.
Магнитное поле гасится с помощью автоматов гашения поля (АГП), которые действуют от релейной защиты, переключением автомата на активное сопротивление.
В генераторах с тиристорным возбуждением возможно гашение поля путем перевода главных вентилей в инверторный режим, при котором энергия, накопленная в обмотке возбуждения, отдается возбудителю или выпрямительному трансформатору.
Систему возбуждения принято характеризовать: номинальным напряжением возбуждения на выводах обмотки возбуждения (100-600 В), номинальным током в обмотке возбуждения (100-8000 А), которые соответствуют номинальному режиму работы генератора; номинальной мощностью возбуждения, которая составляет 0,2-0,6 % номинальной мощности генератора; кратностью форсировки , где наибольшее (потолочное) установившееся напряжение возбудителя, кф >1,8 для ГГ; быстродействием системы возбуждения, определяемым скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке (скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 2 с-1); быстротой раз возбуждения генератора в случае его повреждений (1 с и менее).
Основные требования к системам возбуждения и регулирования. Система возбуждения должна рассчитываться на работу с АРВ. Работа без АРБ допускается только на время, необходимое для ремонта, замены или ревизии АРВ. В период работы без АРВ система возбуждения должна иметь ручное дистанционное управление, а также средства, обеспечивающие развозбуждение и автоматическое гашение поля генератора.
Системы возбуждения должны обеспечивать в продолжительном режиме работы ток и напряжение, превышающие номинальные значения тока и напряжения возбуждения генераторов не менее чем на 10 %.
Полупроводниковая система возбуждения должна обладать внутренним резервированием.
Системы возбуждения должны выдерживать двукратный номинальный ток возбуждения в течение не менее 50 для синхронных машин с косвенной системой охлаждения, не менее 20 с для генераторов с непосредственным водяным охлаждением и для ГТ с форсированным воздушным охлаждением обмотки ротора.
Максимальные мгновенные напряжения на выводах обмотки ротора в продолжительном режиме при токе возбуждения до 1,1 номинального не должны быть выше 30 % амплитудного испытательного напряжения обмотки возбуждения относительно корпуса (испытательное напряжение обычно не превышает 3,5 кВ, но для ГГ большой мощности может применяться и более высокое испытательное напряжение).
Устройства, используемые для защиты обмотки возбуждения от перенапряжений должны быть многократного действия.
Система возбуждения при работе без АРВ должна поддерживать заданный ток возбуждения в пределах ±20% при изменении частоты источника питания от +2 до -3 Гц.
Системы АРВ должны обеспечивать: дистанционное изменение уставки АРВ; компаундирование устройства, измеряющего напряжение по полному току статора или его составляющим; изменение коэффициентов усиления режимных параметров АРВ при его настройке; ограничение тока ротора до двойного номинального без выдержки времени; ограничение перегрузки ротора; ограничение минимального тока возбуждения с уставкой, зависящей от значения активной мощности.
АРВ должны быть рассчитаны на работу в общестанционной системе группового регулирования напряжения. В этом случае АРВ должны иметь устройства: подгонки уставки напряжения при автоматической синхронизации; стабилизации распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими машинами.
Таким образом, на АРВ возлагаются не только задачи регулирования, по и защитные функции, что повышает надежность эксплуатации генераторов.
Основные способы возбуждения. По способам возбуждения генераторы можно разделить на две группы: с независимым возбуждением и самовозбуждением (зависимое возбуждение).
К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные Понижающие трансформаторы.
Достоинство независимого возбуждения состоит в том, что оно не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.
На генераторах мощностью до 100 МВт применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный i валом синхронного генератора (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Принципиальная схема независимого машинного возбуждения, содержащая машину постоянного тока:
1 - машина; 2 - обмотка возбуждения, 3 - якорь возбудителя; 4 - обмотка возбуждения возбудителя
Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя, одним из которых является невысокая скорость нарастания возбуждения.
В настоящее время широкое распространение для возбуждения ГГ получили системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями. При использовании схем как независимого возбуждения, так и самовозбуждения применяются трехфазные мостовые схемы выпрямления, так как в них можно иметь наименьшее число последовательно соединенных тиристоров. Схемы преобразования могут быть одногрупповыми и двухгрупповыми. В первом случае применяется один выпрямитель, во втором - два (первый включается на полное напряжение источника питания, второй на отпайки его обмотки). На стороне постоянного тока оба выпрямителя соединяются параллельно. Схема с одной группой вентилей применяется при обычной кратности форсирования (кф=2), схема с двумя группами вентилей - при Повышенной кратности форсирования (кф =3., .4),
В случае независимого возбуждения в качестве источника питания используется вспомогательный синхронный генератор, который размещается в пространстве между верхней крестовиной и ротором главного генератора. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения показана на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения гидрогенератора
Обмотка возбуждения Г получает питание от тиристорного выпрямителя В1. Возбуждение вспомогательного синхронного генератора ВСГ осуществляется тиристорным выпрямителем В2, получающим питание от выводов вспомогательного генератора через трансформатор Тр. Таким образом, для вспомогательного генератора применяется система тиристорного самовозбуждения.
В двухгрупповой схеме выпрямители работают с различными углами управления. В нормальном режиме ток возбуждения проходит через рабочую группу тиристоров. В режиме форсирования ток возбуждений проходит через форсировочную группу тиристоров, рабочая группа при этом запирается.
Независимая система возбуждения с возбудителем переменного тока и полупроводниковыми выпрямителями (статическая тиристорная система) обладает высоким быстродействием и высокой скоростью нарастания напряжения. Кроме того, система позволяет заменять вышедшие из строя тиристоры без останова генератора и гасить поле генератора путем перевода тиристоров в инверторный режим. Недостатки этой системы возбуждения, которые усложняют эксплуатацию: возбудитель переменного тока и скользящие контакты (в системе сохраняются контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток). Такая система целесообразна для возбуждения ГГ мощностью 250-300 МВт и более, работающих на длинные линии электропередачи или расположенных вблизи потребителей, у которых вследствие работы дуговых печей, прокатных станов резко колеблется напряжение.
Имеются ГГ с бесщеточными возбудителями.
Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.
Схема самовозбуждения с полупроводниковыми выпрямителями (рис. 1.12) может в общем случае содержать вольтодобавочные трансформаторы. Они выполняются с разомкнутой магнитной цепью, поэтому ЭДС вторичных обмоток трансформатора пропорциональна току в первичных обмотках. Это позволяет стабилизировать напряжение на зажимах выпрямителя при коротких замыканиях в якоре. В последние годы, однако, системы с вольтодобавочными трансформаторами не применяются. Предпочтение отдается системам без них (схемы параллельного самовозбуждения), в которых отсутствие вольтодобавочных трансформаторов компенсируется некоторым увеличением кратности форсировки.
Тиристорный выпрямитель может быть выполнен как по одно-, так и по двухгрупповой схеме.
Гашение поля в нормальных эксплуатационных режимах осуществляется инвертированием в выпрямителе, в аварийных режимах — автоматом гашения поля.
Выпрямительные или преобразовательные трансформаторы изготовляются сухими (для внутренней установки) и масляными (для наружной установки). Трансформаторы подключаются на линейные выводы генератора без коммутационной аппаратуры. Во вторичных цепях трансформаторов предусмотрены только разъединители, позволяющие снимать напряжение с тиристорных преобразователей в случае работы генератора на резервном возбуждении.
Рис. 1.12. Принципиальная схема самовозбуждения генератора: 1-генератор; 2,2' - трансформаторы; 3- трансформатор напряжения; 4- управляющий трансформатор; 5- выпрямительный трансформатор; 6 -устройство начального возбуждения; 7- автомат гашения поля; 8 - тиристорный выпрямитель; 9- система управления; 10-регулятор; 11-ограничитель напряжения; 12-разрядник; 13- теплообменник; 14- последовательный вольтодобавочный трансформатор
Основным преимуществом системы самовозбуждения перед системой независимого возбуждения является простота схемы. Недостаток этой системы состоит в меньшей стабильности работы в переходных режимах, что особенно чувствительно в машинах большой мощности.
Опыт эксплуатации тиристорных систем независимого и самовозбуждения показал, что с точки зрения длительности ремонтов лучшие показатели имеет система самовозбуждения.
Рассмотренная система самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного возбуждения, поэтому применяется на мощных синхронных генераторах.
Типом тиристорной системы самовозбуждения является СТС- 420-1410-2У4 (система тиристорная самовозбуждения; 420 - длительное выпрямительное напряжение, В; 1410 - длительный выпрямительный ток, А; 2 - кратность форсировки возбуждения; У4 - климатическое исполнение).
В состав системы возбуждения входят: трансформатор выпрямительный, трансформатор последовательный вольтодобавочный, тиристорный преобразователь (ТВ 8-2000/) 050- 1У4), система охлаждения преобразователя, агрегат начального возбуждения (АН В-2), автоматический регулятор возбуждения (АУ1Г типа АРВ-СД), панель гашения поля генератора, релейные панели.
Система возбуждения обеспечивает начальное возбуждение; холостой ход; включение в сеть методом точной синхронизации в нормальных режимах и самосинхронизации в аварийных режимах; работу ГГ в энергосистеме с нагрузками от холостого хода до номинальной и перегрузками, а также недовозбуждение в пределах устойчивой работы генератора; форсировку возбуждения по току и напряжению; эффективное гашение поля; развозбуждение при нормальных остановках агрегата.
Система возбуждения для гидрогенераторов, соединенных по два в жесткий блок, выполнена индивидуально для каждого генератора, по принципу самовозбуждения при одном выпрямительном трансформаторе на оба генератора. Обмотка возбуждения каждого генератора получает питание от общего выпрямительного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выводам обоих генераторов, а вторичная обмотка включена последовательно со вторичными обмотками последовательных трансформаторов каждого индивидуального возбудителя через разъединители, первичная обмотка трансформаторов включена в нулевые выводы своего генератора.
Тиристорные преобразователи подключены на суммарное напряжение вторичных обмоток общего выпрямительного трансформатора и индивидуальных последовательных трансформаторов. Тиристорный преобразователь собран по трехфазной мостовой схеме на тиристорах ТЛ-250 10 класса. Плечо преобразователя содержит шесть параллельных ветвей, в каждую включены по три последовательно соединенных тиристора и предохранитель. Сигнализация о состоянии любой ветви преобразователя осуществляется неоновыми лампами (при исправном тиристоре и предохранителе лампы горят). Тиристоры преобразователя охлаждаются дистиллированной водой, которая под действием циркуляционных насосов циркулирует в замкнутом контуре, состоящем из блока охлаждения тиристоров и теплообменника. В теплообменнике дистиллированная вода охлаждается технической. Количество и качество дистиллята, его расход и температуру, давление в контуре охлаждения контролируют датчики и приборы.
Начальное возбуждение генератора происходит с помощью АНВ от собственных нужд ГЭС или аккумуляторной батареи. При успешном включении АНВ автоматически отключается. Если генератор не возбудился, то через 15 с тиристорный преобразователь переводится в режим гашения. При нормальном останове генератора поле гасится переводом тиристорного преобразователя в инверторный режим.
В аварийных режимах гашение поля генератора осуществляется отключением АГП и переводом тиристорного преобразователя в инверторный режим.
Возбуждение ГГ в рабочих режимах при форсировке и развозбуждении регулируется воздействием АРВ-СД типа РРВ-СД-01- 4-У4 на систему управления тиристорным преобразователем.
Порядок обслуживания системы возбуждения. В период эксплуатации оперативный персонал должен не реже одного раза в смену осматривать оборудование системы возбуждения, обращая внимание на:
появление запаха перегретой изоляции, ненормальных шумов и вибраций;
правильное положение ключей управления циркуляционными насосами теплообменника;
возникновение колебаний напряжения возбуждения генератора;
в шкафах тиристорных преобразователей не должно быть погасших сигнальных ламп и сгоревших предохранителей;
давление, температуру дистиллированной и технической воды;
температуру в помещении (не ниже +5°С).
Автоматические регуляторы возбуждения. Практически на всех ГЭС применяются АРВ-СД, пригодные для работы со всеми типами систем быстродействующего возбуждения (статические тиристорные и бесщеточные системы). АРВ-СД предназначен для поддержания заданного уровня напряжения на шинах станции, для эффективного демпфирования качаний в послеаварийных режимах, для повышения статической и динамической устойчивости линий электропередачи.
АРВ-СД регулирует возбуждение по следующим параметрам; отклонению напряжения; первой производной напряжения; отклонению частоты; первой производной частоты; первой производной тока ротора.
Регулятор обеспечивает:
все длительно допустимые режимы, форсировку возбуждения, развозбуждение генератора;
напряжение на шинах станции с точностью до 1 % заданной статической характеристики;
имеет устройство для дистанционного изменения напряжения в пределах 80 - 110% номинального значения;
ручную к автоматическую подстройку уставки напряжения генератора и напряжения сети при самосинхронизации и точной синхронизации генератора;
ограничение тока ротора двукратной величины без выдержки времени в режимах форсировки возбуждения;
ограничение минимального тока ротора в режиме потребления реактивной мощности;
возможность работы а режиме группового и индивидуального регулирования.
Принцип действия регулятора состоит в измерении, преобразовании и суммировании сигналов, последующем их усилении и воздействии на систему управления возбудителя.
Эксплуатация АРВ-СД. Все основные цепи регулятора имеют номинальное напряжение ниже 1000 В, кроме цепей, связанных с ротором ГГ. Работа и панели регулятора допускается только при отключенном рубильнике жесткой обратной связи. Работа в цепях до рубильника жесткой обратной связи при возбужденном генераторе не допускается.
Включение регулятора может производиться с панели управления, если там установлены ключ управления уставкой и вольтметр, измеряющий выход регулятора.
АРВ автоматически включается в работу при пуске агрегата и возбуждении синхронного генератора и автоматически отключается при останове агрегата.
Уставка APB управляется с панели АРВ кнопками, ключом с агрегатного щита или ключом с центрального пульта управления и контролируется по приборам, измеряющим ток ротора, напряжение статора и реактивную мощность ГГ.
Неисправность регулятора определяется персоналом по существенному изменению режима работы генератора по сравнению с другими генераторами. Неисправный регулятор отключается, генератор переводится на ручное управление.
Контрольно-профилактические работы проводятся во время капитальных ремонтов агрегата в следующем объеме:
очистка панели регулятора от пыли;
проверка целостности всех паек, качества всех контактных соединений;
проверка изоляции;
снятие основных характеристик блоков, характеристик
регулятора в целом;
проведение комплексных испытаний регулятора с возбудителем и синхронным генератором.
Новые разработки АРВ. АРВ-СД претерпели существенные изменения в связи с совершенствованием их элементной базы. Масса регуляторов снизилась с 1100 кг при использовании магнитных усилителей до 40 в случае применения интегральных схем.
Цифровой АРВ открывает возможности адаптации закономерностей регулирования к условиям работы генератора в конкретных схемах его связи с энергосистемой и режимами работы последней.
Новыми структурными и функциональными элементами, отличающими АРВ цифрового типа от полупроводникового регулятора, являются-. пропорционально - интегрально дифференциальный закон регулирования напряжения; глубокая обратная связь по току возбуждения (так называемый регулятор тока ротора), обеспечивающая повышение быстродействия, точности и расширение области статически устойчивых режимов; формирование статической характеристики с повышенной точностью, калиброванные по величине и скорости изменения задания уровня регулируемого напряжения; возможность изменения напряжения по командам противоаварийной автоматики; приоритетное управление уровнем регулируемого напряжения; самонастройка канала стабилизации по мощности агрегата; управление в режимах регулирования тока возбуждения или напряжения; совместимость с АСУ энергоблока и всей электростанции; дистанционная или местная перенастройка регулятора; полное использование возможностей генератора при работе в режиме недовозбуждения; развитая система информации персонала о работе отдельных каналов регулятора и о режиме работы генератора; возможность изменения алгоритма функционирования без изменения конструкции регулятора.
Для реализации указанных задач разработан и освоен АРВ сильного действия (АРВ-СДС) (селективный) с использованием микропроцессорной техники. АРВ-СДС состоит из аналоговых блоков и микропроцессора. Микропроцессоры позволяют реализовать ряд новых функций: 1) контроль и диагностику состояния регулятора, 2) длительное хранение уставок в памяти, 3) изменение уставок с любой скоростью и высокой точностью, 4) определение приоритетов при выполнении команд от разных уровней управления, 5) связь с верхним уровнем управления.
В АРВ-СДС имеются три канала регулирования по напряжению генератора, по ограничению минимального возбуждения и по регулированию тока возбуждения. В каждый момент времени работает только один канал. При переходе генератора из режима регулирования напряжения в режим минимального возбуждения или в режим регулирования тока возбуждения и обратно автоматически безударно переключаются каналы регулирования.
Для синхронных генераторов малой и средней мощности разработан автоматический регулятор напряжения (АРН), предназначенный для тиристорных систем самовозбуждения и бесщеточных возбудителей. В нем реализуется пропорционально- интегрально-дифференциальный закон регулирования по отклонению напряжения с компаундированием по реактивному току и с введением для повышения устойчивости сигналов по первым производным напряжения статора и тока ротора, а также сигнала обратной связи по напряжению ротора с цепью повышения быстродействия.
Регулятор состоит из измерительного и операционного блоков измерительный блок формирует аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению статора и реактивной составляющей тока генератора, а также дискретные сигналы о достижений уставкой напряжения предельных значений, операционный - выходные сигналы АРН в соответствии с принятым законом регулирования и дополнительными функциями.
Автоматы гашения поля серии АГП 30 предназначены для коммутации цепей обмоток возбуждения синхронных машин с номинальным током возбуждения до 3200 А. Автоматы могут быть использованы для гашения поля синхронных машин, если максимальные отключаемые токи, максимальные напряжения на возбудителе и энергия, выделяющаяся в ду го гасительной решетке автомата при гашении поля, не превосходят соответствующих номинальных параметров АГП 30. Автоматы рассчитаны на работу при номинальном напряжении в токе как в прерывисто-продолжительном, так к в продолжительном режимах работы. Включенные автоматы могут выдерживать протекание по их главной цепи двойного номинального тока в течение 50 и десятикратного - а течение 0,02 с. После протекания предельных токов необходимо провести ревизию, если потребуется, ремонт автомата.
Автоматы АГП 30 состоят из основания, контактной системы, силовой цепи, системы дугогашения, электромагнитного привода и вспомогательных контактов. Основание автомата - стальное коробчатое. К основанию приклепаны неподвижная стойка включающего устройства и кронштейн с рычагом защелки. Контактная система силовой цепи состоит из неподвижных и подвижных, главных и разрывных контактов. Система дугогашения автомата включает в себя разрывную камеру, дугогасительную решетку, систему магнитного дутья и сопротивлений, шунтирующих решетку.
При размыкании главных контактов весь ток перераспределяется в цепь разрывных контактов, соединенных последовательно с катушками магнитного дутья разрывной камеры. При размыкании разрывных контактов на них возникает электрическая дуга. Под действием магнитного поля, создаваемого катушками, она сходит с контактов и перебрасывается на рога. Под действием усиленного поля катушек магнитного дутья дуга растягивается на рогах и входит в дугогасительную решетку. Дуга движется по пластинам решетки в кольцевом зазоре до тех пор, пока ток в цепи автомата не уменьшится до нуля. Дуга гаснет в промежутках решетки, шунтированных активными сопротивлениями.
Не разрешается находиться на расстоянии менее 2 м от автомата, установленного на открытой панели, если автомат включен и находится под нагрузкой.
Не разрешается включать и отключать автомат вручную при наличии напряжения на его зажимах как главной цепи, так и цепей управления.
В процессе работы автомат следует периодически, не реже одного раза в год, осматривать, очищать от пыли и грязи, при необходимости смазывать металлические трущиеся детали. Кроме того, необходимо следить за изменением провалов разрывных и главных контактов. Зачищать контакты автомата в процессе работы не требуется, если падение напряжения на зажимах автомата при протекании номинального тока не превышает 40 мВ.
После отключения автоматом предельных значений тока требуется проверить сопротивление изоляции между разомкнутыми контактами автомата и величину провала разрывных контактов.
Без необходимости (смена контактов, смена вышедших из строя катушек, нарушение нормальной работы) разбирать автомат не требуется.
