2-3. САМОВОЗБУЖДЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА НЕНАГРУЖЕННЫЕ ЛИНИИ ИЛИ ЕМКОСТНУЮ НАГРУЗКУ 1
Генераторы, подключаемые к ненагруженной линия электропередачи, могут самовозбуждаться. Под самовозбуждением понимают такой режим работы генераторов, в котором на их зажимах и на линии электропередачи самопроизвольно устанавливается некоторое напряжение, не отвечающее току возбуждения генераторов. Персонал станции при этом теряет возможность управлять устанавливающимся напряжением, если не полностью, то во всяком случае в весьма значительной мере. Величина напряжения в отдельных точках системы при самовозбуждении может настолько превышать допустимые значения, что возникает опасность для изоляции линии и трансформаторов. Возможность появления самовозбуждения сильно зависит от параметров линии передачи и генераторов и главным образом от соотношения между номинальной мощностью генераторов станции и зарядной мощностью линии. Таким образом, самовозбуждение может возникать не всегда, не на всякой линии, а при определенных условиях. Упрощенные представления о явлении самовозбуждения генераторов можно получить, основываясь на самых элементарных энергетических представлениях. Более строгий анализ требует более сложного математического аппарата и, в частности, применения уравнений Парка—Горева (гл. 3).
Начнем наше простейшее изложение с рассмотрения схемы рис. 2-12. Если к этой электропередаче присоединен турбогенератор, то в установившемся режиме он входит в схему замещения синхронным реактивным сопротивлением по продольной оси хd и э. д. с. Еd, если же подключен гидрогенератор, то он вводится в схему поперечным реактивным сопротивлением хq и фиктивной э. д. с. ЕQ.
1 В настоящем параграфе даются только общие элементарные характеристики явления самовозбуждения и простейшие данные для расчета. Более обстоятельная характеристика самовозбуждения требует применения для анализа уравнений Парка—Горева, которые изложены в гл. 3.
Рис. 2-12. Условие самовозбуждения: а — схема замещения; б — векторная диаграмма.
В соответствии со схемой замещения ток, протекающий по статору генератора, подключенного к емкостному сопротивлению хэ, определяется выражением
(2-10)
где
С другой стороны, указывалось, что условием существования установившегося режима самовозбуждения
В соответствии со сделанными выше допущениями полагаем, что режим самовозбуждения может существовать, если мощность, развиваемая генератором, достаточна для покрытия всех потерь активной мощности в электропередаче. В этом случае, приравнивая максимальное значение возможной отдаваемой мощности потерям в линии, генераторе, трансформаторе, получаем:
(2-15)
Это последнее равенство отвечает условию, при котором может быть наибольшая отдача реакционной мощности, покрывающей потери при самовозбуждении.
Критерий самовозбуждения (2-15) был получен в предположении существования установившегося синхронного режима, графически определяющегося пересечением характеристик сети и генератора. Поскольку такой режим предполагает плавное изменение напряжения, обычное для синхронной работы (отсутствие скольжения между ротором и полем статора), его можно назвать режимом синхронного самовозбуждения, а неравенства (2-13) и (2-15) — критериями синхронного самовозбуждения.
Приведенный выше простейший анализ синхронного самовозбуждения показывает, что он может возникать как при замкнутой, так и при разомкнутой обмотке возбуждения, поддерживаясь и развиваясь за счет реакционной мощности. Таким образом, синхронное самовозбуждение может появляться только у явнополюсного генератора.
Для неявнополюсных машин возможность синхронного самовозбуждения, связанного с наличием реакционной мощности Рре, исключена, поскольку отсутствие в таком режиме мощности Рре делает невозможным покрытие потерь активной мощности в передаче.
Самовозбуждение неявнополюсных генераторов оказывается возможным лишь при наличии тока в обмотках возбуждения или эквивалентных им цепях. Этот ток в установившемся режиме может появиться в замкнутой обмотке за счет некоторого скольжения поля статора относительно ее электрической оси и наличия так называемой трансформаторной э. д. с. (см. гл. 3).
Скольжение может быть в виде импульсных изменений или постоянным. Не различая этих двух видов скольжения, назовем в том и другом случае самовозбуждение асинхронным.
Невозбужденный от возбудителя неявнополюсный генератор при появлении из-за скольжения тока в обмотке возбуждения может отдать активную мощность, покрывающую потери в передаче. Следовательно, самовозбуждение турбогенератора в отличие от гидрогенератора может иметь место только три замкнутой обмотке возбуждения1 при скольжении поля статора относительно ротора. Последнее условие означает, что частота собственных колебаний системы и вынужденная частота, соответствующая скорости вращения ротора генератора, будут различны. Синхронная самовозбуждающаяся машина при этом работает как асинхронный генератор. Самовозбуждение в этом случае естественно назвать асинхронным.
Условия появления асинхронного самовозбуждения турбогенератора можно приближенно установить, полагая, что в переходном режиме появляется некоторая мощность, связанная с наличием неодинаковости магнитных характеристик по продольной и поперечной осям
.
Запишем для определения этой мощности известное выражение:
(2-16а)
На основании (2-16а) можно получить условия появления асинхронного самовозбуждения.
Неравенство, приближенно характеризующее возможность начала процесса, будет иметь вид:
(2-16б)
(2-16в)
Роль такой обмотки могут играть скрытые демпферные контуры.
Рис. 2-15. Характер изменения угла δ, скольжения во времени в процессе асинхронного самовозбуждения.
Отметим, что характер изменения напряжения на статоре генератора при синхронном самовозбуждении в значительной мере зависит, как это видно из рис. 2-17, от величины остаточного напряжения на генераторе.
Асинхронное самовозбуждение может происходить не только у турбогенераторов явнополюсных машин, но и асинхронных двигателей.
Работа машин с гладким ротором при самовозбуждении во многом аналогична работе так называемых асинхронных генераторов, в связи с чем кратко остановимся на их работе.
Асинхронный генератор имеет такую же конструкцию, что и асинхронный двигатель с фазным ротором. Он включается согласно схемы, приведенной на рис. 2-18,а.
Рис. 2-16. Характер изменения напряжения генератора при самовозбуждении.
а, в, г — обмотка ротора замкнута; б — обмотка ротора разомкнута.
Наличие остаточного напряжения вызывает емкостный ток, подмагничивающий генератор.
При определении установившегося напряжения здесь можно использовать в первом приближении также метод пересечения характеристик. На рис. 2-18,б показано для двух конкретных случаев, какое напряжение устанавливалось при различном значении возбуждающей емкости (так называют присоединенную к генератору емкость).
Рис. 2-18. Работа асинхронного генератора при различных значениях возбуждающей емкости (С0 = Скр — критическое значение емкости, при которой не происходит возбуждения).
а — схема включения асинхронного генератора; б — определение установившихся режимов.
Приближенное определение условий самовозбуждения производится с помощью известной схемы замещения асинхронной машины (рис. 2-19).
Совместное решение записанной выше системы уравнений приводит к следующему выражению:
Проведенное рассмотрение подтверждает, что асинхронные двигатели с включенными последовательно с ними конденсаторами или имеющие параллельно включенные конденсаторы могут самовозбуждаться.
Самовозбуждение как генераторов, так и двигателей, приводящее к большим токам и напряжениям, вызовет действие тех или иных установок защиты и нормальный режим работы передачи или двигателей не сможет осуществиться (если самовозбуждение происходит при пуске) или нарушиться (если самовозбуждение произошло во время нормальной работы в результате какого-либо изменения в схеме).
Таким образом, проверка систем, в которых можно ожидать самовозбуждение на наличие условий возникновения этого особого режима, необходима.
