§ 42. ВКЛЮЧЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ
В том случае, когда на электростанции одновременно находятся в работе два источника электроэнергии или более, возможны два варианта их использования. Если каждый источник (генератор) питает отдельную группу потребителей, такая работа называется раздельной, или автономной. Если все генераторы подключены к общим шинам ГРЩ, от которых получают питание потребители электроэнергии, такая работа называется параллельной.
При параллельной работе повышается надежность снабжения электроэнергией, лучше используется установленная мощность работающих генераторов, обеспечивается непрерывное питание потребителей при переходе с работы одного генератора на работу другого. В подавляющем большинстве на судак применяют параллельную работу генераторов, хотя в этом случае существует опасность, что генератор в момент включения скачкообразно примет на себя нагрузку или начнет работать в режиме электродвигателя, тем самым резко увеличив нагрузку работающих генераторов. В идеальном случае генератор в момент включения его на шины электростанции должен оставаться на холостом ходу.
Значительные трудности возникают при включении на параллельную работу синхронных генераторов СЭС переменного тока. При неправильном включении как у включаемого генератора, так и у работающих могут возникнуть броски тока, соизмеримые с токами короткого замыкания. У генераторов могут появиться броски моментов, опасные, например, для подшипников и других частей (даже коленчатых валов) первичных двигателей.
Во время монтажа электроустановки или после ремонта необходимо проверить порядок чередования фаз у генераторов, предназначенных для параллельной работы, и включить их кабели на общие шины ГРЩ так, чтобы порядок чередования фаз всех генераторов был одинаковым.
Чередование фаз зависит от расположения их обмоток в пазах статора и от направления вращения ротора генератора. Таким образом, если у одного из генераторов порядок чередования фаз отличается, то следует поменять направление его вращения или, что проще, поменять местами выводы двух любых фаз.
Порядок чередования фаз у возбужденных генераторов, работающих на холостом ходу, определяется специальным прибором — фазоуказателем. Вместо фазоуказателя можно использовать любой трехфазный асинхронный двигатель, направление вращения которого покажет порядок чередования фаз.
Существует несколько методов включения генераторов переменного тока на параллельную работу.
Рис. 102. Схема включения генераторов переменного тока на параллельную работу
Точная синхронизация.
Для овладения этим методом очень важно понимать физическую сущность процесса синхронизации.
На рис. 102, а приведена упрощенная схема включения генератора Г1 на параллельную работу с генератором Г2. Схема позволяет правильно понять не только техническую сторону синхронизации, но и физическую суть процесса. Будем считать, что обмотки генераторов соединены звездой, а их нейтральные точки связаны нулевым проводом. В этом случае несколько упрощаются рассуждения, хотя способ соединения обмоток генераторов для параллельной работы принципиального значения, не имеет.
При методе точной синхронизации создаются условия, когда в момент включения генераторного выключателя ВГ1 токи в фазах будут равны нулю или иметь минимальное значение. Следователь но, напряжение между разомкнутыми контактами соответствующих фаз генераторного выключателя в момент его включения должно быть равно нулю. У генераторов постоянного тока это достигается при условий
В случае переменного тока так же необходимо выровнять э.д.с. включаемого генератора с напряжением работающих, однако напряжение между разомкнутыми контактами выключателя ВГ1 будет меняться от нуля до удвоенного значения с частотой тока, равной разности частот включаемого и работающего генераторов. Значит, надо выполнить второе условие, т. е. выровнять частоту тока включаемого генератора с частотой работающего, воздействуя на регулятор частоты вращения первичного двигателя. Чем больше будут совпадать частоты тока генераторов, тем медленнее будет изменяться напряжение на контактах выключателя. По второму закону Кирхгофа это напряжение равно геометрической сумме э.д.с. и напряжений в контуре, образованном нулевым проводом и соответствующей фазой.
Совершенно очевидно, что напряжение на разомкнутых контактах выключателя равно нулю, когда векторы э. д. с. включаемого генератора находятся в противофазе с векторами напряжений соответствующих фаз работающего генератора. Этому случаю соответствует векторная диаграмма напряжений (рис. 102, б).
Такой момент синхронизации периодически наступает при близком совпадении частот тока генераторов и достаточно хорошо фиксируется специальным прибором синхроноскопом. На судах отечественной постройки широко применяют стрелочные синхроноскопы, которые точно фиксируют момент синхронизации и указывают, как (быстрее или медленнее) вращается генератор.
Генераторный выключатель включается в момент синхронизации, но учитывая собственное время его срабатывания, сигнал на включение (нажатие кнопки «Включено» или поворот рукоятки) следует подавать с некоторым опережением.
Если к моменту включения на шины генератор вращался немного быстрее работающих, то после включения он сразу примет на себя небольшую нагрузку, а если вращался медленнее, то окажется в двигательном режиме, тем самым увеличив нагрузку работающих генераторов.
На многих судах иностранной постройки для определения момента синхронизации применяют электрические лампы накаливания ЛС, включенные, как показано на рис. 102, а. При наступлении момента синхронизации лампы гаснут. Строго говоря, они гаснут при напряжении около 30% номинального, т. е. несколько раньше.
Метод точной синхронизации позволяет ввести генератор в работу при наиболее благоприятных условиях и не отражается на работе потребителей. Однако выполнение его требует достаточно высокой квалификации оператора, определенных навыков и внимания. В противном случае может произойти ошибка, которая приведет к аварии генераторного агрегата.
Успешное включение генераторов переменного тока на параллельную работу методом точной синхронизации во многом зависит от качества работы автоматических регуляторов частоты вращения первичных двигателей. При плохой работе регуляторов трудно выровнять частоты вращения и уловить момент синхронизации.
Относительная сложность описанного метода, возможность ошибки и увеличение времени включения генератора при плохой работе регуляторов частоты вращения потребовали разработки более простых методов ввода генераторов в параллельную работу.
Грубая синхронизация.
При таком методе выполняются два условия: выравниваются э.д.с. включаемого генератора с напряжением работающих и частоты тока. После этого генератор включается на шины ГРЩ без определения момента синхронизации. Следовательно, в момент замыкания генераторного выключателя на его контактах может быть напряжение, в самом неблагоприятном случае достигающее удвоенного фазного напряжения генератора. Как отмечалось, в этом случае могут возникнуть броски тока, превышающие ток короткого замыкания.
При грубой синхронизации для ограничения бросков тока последовательно в каждую фазу включают индуктивное сопротивление (реактор). Генератор постепенно (3—10 с) втягивается в
синхронизм, после чего реактор шунтируют и выключают из схемы. Индуктивное сопротивление реактора должно быть таким, чтобы при самом неблагоприятном моменте включения ограничить бросок тока до значения, которое не вызовет провала напряжения на шинах электростанции более, чем допускается Правилами Регистра СССР. Повышение индуктивного сопротивления реактора приводит к увеличению времени втягивания генератора в синхронную работу и, более того, генератор в некоторых случаях может вообще не войти в синхронизм.
На современных судах грубую синхронизацию начинают широко применять, так как процесс включения генератора при этом упрощается.
Самосинхронизация.
Метод разработан в Советском Союзе, применяется на береговых электростанциях.
Когда частота вращения первичного двигателя достигнет номинального значения, невозбужденный генератор включается на шины ГРЩ. Одновременно с замыканием генераторного выключателя включается ток в обмотку возбуждениями ротор генератора постепенно входит в синхронизм.
Метод самосинхронизации чрезвычайно прост, однако в момент включения генератора происходит бросок тока, который вызывает провал напряжения до 30—35% номинального, что выходит далеко за пределы допустимого значения. По этой причине на судах такой метод включения генераторов не применяют.
Автоматическая синхронизация (на основе метода точной синхронизации). Устройство автоматической синхронизации должно выполнять те же операции, которые выполняет человек при ручном включении генератора, а именно: выравнивать напряжение включаемого генератора с напряжением на шинах ГРЩ, а также частоту тока включаемого генератора с частотой работающих генераторов, определять момент синхронизации и включать генераторный выключатель. Первое условие в большинстве случаев и при ручном и при автоматическом включении выполняется автоматическим регулятором напряжения (АРН).
При методе точной синхронизации наиболее трудно определить момент включения генератора. Дело в том, что практически включение происходит не при абсолютно равных частотах тока, а тогда, когда они отличаются на 0,5—1 Гц. В это время напряжение между разомкнутыми контактами одноименных фаз генераторного выключателя, как уже отмечалось, будет изменяться от нуля до удвоенного значения Uб мах как раз с частотой 0,5—1 Гц (рис. 103). Это напряжение и разностную частоту тока называют напряжением и частотой биения. Таким образом, момент синхронизации соответственно наступает через период частоты биения
(59) которое при fб=1 Гц равно 1 с.
Для того чтобы контакты генераторного выключателя замкнулись точно в момент синхронизации сигнал на включение выключателя следует подавать несколько раньше, т. е. с определенным временем опережения tоп.
Субъективность определения времени опережения при ручном включении составляет главный недостаток метода точной синхронизации.
Устройство автоматической синхронизации определяет это время относительно точно. Однако и здесь есть свои трудности. Время опережения должно быть равней времени запаздывания самого синхронизатора и времени срабатывания генераторного выключателя (автомата). Но обе составляющие, а особенно время срабатывания автомата, не являются стабильными и зависят от многих случайных факторов (например, от температуры и влажности окружающей среды). И все же при автоматической синхронизации генератор включается значительно точнее, чем при ручной, — практически всегда без броска уравнительного тока.
Отечественная промышленность выпускает унифицированный автоматический синхронизатор судовых генераторов типа УСГ-1П, выполненный на полупроводниковых приборах (рис. 104). Все устройство, представляющее собой единый прибор, состоит из отдельных блоков.
Входной преобразовательный блок ВВП осуществляет преобразование входных напряжений, которые он получает от измерительных трансформаторов ТрН1 и ТрН2, в напряжения, необходимые для работы других блоков.
Блок контроля разности напряжений БКН получает от БВП напряжения Uв и Uш, пропорциональные линейным напряжениям включаемого генератора и на шинах ГРЩ. Если разность этих напряжений выше установленного значения, то с выхода БКН поступает сигнал в блок контроля разности частот БКЧ, который блокирует (запрещает) синхронизацию.
Блок контроля разности частот получает от БВП напряжение, которое по форме, соответствует огибающей кривой напряжения биения (см. рис. 103). Время периода этого напряжения [см. формулу (59)] позволяет судить о разности частот включаемого и работающих генераторов. При большой разности частот (время Тб меньше установленного) так же, как и при большой разности напряжений (сигнал с БКН), БКЧ воздействует на блок запрета БЗ, блокируя синхронизацию (см. рис. 104).
Блок времени опережения БВО получает от БВП два напряжения, одно из которых пропорционально огибающей кривой напряжения биения, а другое — производной той же кривой. Дело в том, что оба эти напряжения становятся равными и противоположными по знаку всегда примерно за один и тот же интервал времени до момента синхронизации независимо от частоты биения. Этот интервал и позволяет получить постоянное время опережения о котором говорилось выше. Таким образом, БВО «указывает» момент времени для подачи сигнала на включение генераторного выключателя АВ. Выходной блок и подает этот сигнал в нужный момент, если нет запрета со стороны БКН и БКЧ.
Блок подгонки частоты БПЧ получает от БВП два выпрямленных напряжения биения Uб1 и Uб2, сдвинутых относительно друг друга по времени на 1/3 Тб. Этот постоянный сдвиг достигнут за счет того, что напряжение Uб1 получено от одноименных фаз включаемого генератора и ГРЩ, a Uб2 — от разноименных. Если напряжение Uб1 опережает по времени напряжение Uб2, то БПЧ вырабатывает сигнал, включающий серводвигатель СД на увеличение подачи топлива, а если напряжение Uб1 отстает, то сигнал БПЧ приводит к реверсу СД и уменьшению подачи топлива. Время работы СД, а следовательно, и степень увеличения или уменьшения количества топлива зависят от значения Тб. При увеличении периода биения время работы СД уменьшается, что позволяет исключить перерегулирование и осуществить быструю подгонку частоты тока, когда она значительно отличается.
Устройство УСГ-1П является общем для СЭС и используется для автоматической синхронизации любого генераторного агрегата. Возможно и другое решение: например, УСЧН (см. рис. 98) является индивидуальным для каждого генератора.
Рис. 103. Диаграмма напряжения биения на разомкнутых контактах генераторного выключателя
Рис. 104. Структурная схема автоматического синхронизатора УСГ-1П
