ГЛАВА ШЕСТАЯ
ВЫБОР ЭЛЕКТРОМАШИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
6-1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ ГЕНЕРАТОРАМ
Нагрузки на испытательной станции специфичны и имеют следующие особенности:
- возможен как трехфазный, так и однофазный режим нагрузки;
- коэффициент мощности (cos φ) нагрузок может доходить до 0,02;
- изменение нагрузки при плавном регулировании напряжения, а также поддержание нагрузки при неизменном напряжении и стабильной частоте не позволяет пользоваться непосредственно напряжением сети.
Поэтому на испытательных станциях в качестве источников питания применяют синхронные генераторы. Испытание мелких трансформаторов, измерение коэффициента трансформации и питание испытательных трансформаторов малой мощности, например типа ИОМ-100/25, обычно производят от сети.
Синхронные генераторы предназначаются для выполнения следующих испытательных операций:
- измерение коэффициента трансформации и проверка группы соединения обмоток;
- испытание изоляции обмоток приложенным напряжением;
- опыт холостого хода;
- опыт короткого замыкания;
- испытание на нагрев;
- испытание переключающих устройств РПН на отключающую способность.
Испытания проводятся при частоте 50 Гц, за исключением испытания изоляции индуктированным напряжением, которое производят при повышенной частоте 100—250 Гц.
Трехфазные синхронные генераторы 50 Гц выбираются на следующие номинальные напряжения:
При испытаниях все необходимые напряжения получают на секционированных обмотках промежуточных трансформаторов.
Для трехфазных испытательных генераторов режим работы при однофазной нагрузке обязателен и задается заводу-изготовителю в технических условиях на агрегат. Генератор должен иметь достаточный запас мощности возбудительной обмотки, чтобы обеспечить реактивную номинальную мощность при индуктивной нагрузке с cos φ, близким к нулю. Таким запасом располагают трехфазные синхронные компенсаторы. Поэтому в качестве испытательных генераторов целесообразно применять синхронные компенсаторы.
Генераторы мощностью до 10 000 кВА возбуждаются от возбудителя с независимым возбуждением. Генераторы больших мощностей возбуждаются от возбудителей, питаемых от подвозбудителей, с независимым возбуждением. Система возбуждения генератора должна обеспечивать плавное изменение напряжения в широких пределах. Условия регулирования напряжения оговариваются в технических требованиях на агрегат.
Стандарт на методы испытания трансформаторов (ГОСТ 3484-65) рекомендует производить опыты холостого хода и короткого замыкания при частоте 50 Гц и практически синусоидальной форме кривой напряжения генератора. Поддержание номинальной частоты испытательного генератора при изменяющейся нагрузке достигается выбором подходящего электродвигателя для привода. Сложнее обеспечить практически синусоидальную форму кривой напряжения генератора при опытах холостого хода трансформаторов.
Согласно ГОСТ 3484-65 [Л. 2] кривая напряжения считается практически синусоидальной, если любая из ее ординат отличается от соответствующей ординаты синусоиды, равной ей по амплитуде, на отрезок, не превосходящий 5% от амплитуды.
Проверку синусоидальности напряжения допускается производить визуально с помощью электронно-лучевого осциллографа. Для этого на экран осциллографа наносят две одинаковые линии синусоидальной формы, сдвинутые по вертикали одна относительно другой на 10% их амплитуды (рис. 6-1). На вход осциллографа подают испытываемое напряжение. Если с помощью ручек вертикального и горизонтального усиления осциллографа удается ввести испытываемую кривую внутрь полосы, ограниченной указанными линиями, так чтобы ни один из ее участков не выходил за их пределы, то считают напряжение практически синусоидальным.
Рассмотрим влияние формы кривой напряжения генератора на результаты измерения потерь и тока холостого хода трансформатора.
Как известно, значение э. д. с. Е и максимальное (амплитудное) значение индукции В в трансформаторе связаны соотношением соответствовать различные амплитудные значения индукции В в зависимости от величины коэффициента формы кривой k.
С 1 января 1963 г. введена Международная система единиц (СИ) как предпочтительная (ГОСТ 9867-61). Система МКСА на электрические и магнитные единицы (ГОСТ 8033-56) является составной частью международной системы единиц. В системе СИ единицей магнитной индукции является тесла (вб/м2). 1 вб= —10-8 максвелл, 1 тесла=104 гс.
Рис. 6-1. Проверка синусоидальности напряжения при помощи электроннолучевого осциллографа.
Потери в стали на гистерезис и ток холостого хода зависят от амплитудного значения индукции В. Поэтому, производя испытания одного и того же трансформатора от источников питания с различной формой кривой напряжения, можно получить разные величины потерь и тока холостого хода.
Ток холостого хода (I0) испытываемого трансформатора несинусоидален, и под его воздействием происходит искажение формы кривой синусоидального напряжения генератора. Следовательно, коэффициент формы кривой будет принимать различные значения, отличные от 1,11; в зависимости от величины I0. При одном и том же напряжении испытательного генератора, но разных величинах его нагрузки токами холостого хода испытываемых трансформаторов будут происходить и разные искажения синусоидальной формы кривой напряжения. Искажения тока будут тем больше, чем больше ток холостого хода.
Величины потерь и тока холостого хода, нормированные в стандартах на трансформаторы, даны для практически синусоидального напряжения.
Результаты измерения потерь и тока холостого хода при искаженной форме кривой напряжения требуют внесения поправок.
Согласно ГОСТ 3484-65 внесение поправки на несинусоидальность формы кривой подводимого напряжения производят по методу определения среднего значения напряжения следующим образом.
При опыте холостого хода подводимое напряжение регулируют так, чтобы его среднее значение (измеренное магнитоэлектрическим прибором, включенным через выпрямительную
Из формулы (6-1) видно, что одному и тому же эффективному значению напряжения, поданного на вводы трансформатора, могут схему) было равно номинальному напряжению Un, деленному на 1,11. Одновременно с измерением тока I'0 и потерь Р'0 измеряют действующее значение напряжения U'к. Затем подводимое напряжение изменяют так, чтобы его действующее значение было равно номинальному напряжению, и снова измеряют ток холостого хода I"0.
Потери холостого хода Р0 и ток холостого хода I0, соответствующие номинальным условиям, определяют по следующим формулам:
то в зависимости от сорта стали магнитопровода испытываемого трансформатора поправки на измеренные потери будут не более:
1% — при горячекатаной стали;
2% — при холоднокатаной текстурованной стали.
В табл. 6-1 приведены результаты измерения потерь и тока холостого хода однофазных и трехфазных трансформаторов 4—5-го габаритов с внесением поправок на форму кривой напряжения испытательного генератора. Испытания производились от трехфазных генераторов номинальной мощностью 7 500 и 15 000 кВА.
- Искажение формы кривой напряжения генератора, определяемое отношением 1,11 U'д/U"a, тем больше, чем меньше отношение номинальной мощности Рт испытательного генератора к мощности холостого хода S0 испытываемого трансформатора.
Таблица 6-1
Результаты измерения потерь и тока холостого хода трансформаторов 4—5-го габаритов при искаженной форме кривом напряжения
2. При испытании однофазного и трехфазного трансформаторов с одинаковой типовой мощностью от одного и того же трехфазного генератора, искажение формы кривой напряжения генератора значительно больше в случае испытания однофазного трансформатора.
- Если отношение Pг/S0 находится в пределах 3—4,5, то поправки на потери холостого хода трехфазных трансформаторов не превышают 7,5%.
Для измерения потерь и тока холостого хода однофазных трансформаторов с поправками в тех же пределах, что и для трехфазных трансформаторов, отношение Pг/S0 должно быть по крайней мере в 2 раза больше, чем при испытании трехфазных трансформаторов.
Поправками на потери холостого хода практически допустимо пренебречь, когда нагрузка генератора по току не превышает 10—20% номинального [Л. 19]. При массовом выпуске трансформаторов 1-го и 2-го габаритов внесение поправок затруднительно. Поэтому для опыта холостого хода этих трансформаторов следует выбирать генераторы, обеспечивающие измерение потерь без поправок на форму кривой напряжения.
Следует учесть, что допустимый коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения при холостом ходе и номинальном напряжении генераторов переменного тока по ГОСТ 183-55 составляет:
для генераторов мощностью от 10 до 1 000 кВА не более 10%;
для генераторов мощностью свыше 1 000 кВА не более 5%.
Поэтому при применении генераторов мощностью до 1 000 кВА рекомендуется отношение
брать соответственно больше (см. табл. 6-3).
Производство трансформаторов предусматривает выпуск как трехфазных, так и однофазных единиц. Однофазные силовые трансформаторы выпускаются преимущественно большой мощности на классы напряжения 500 кВ и выше.
Для испытания однофазных трансформаторов применяются трехфазные испытательные генераторы. Мощность генераторов рассчитывается по характеристикам короткого замыкания трехфазных трансформаторов. При этом наиболее мощный из устанавливаемых трехфазных генераторов выбирается исходя из условий типового испытания на нагрев трехфазного трансформатора предельной мощности. Для трансформаторов большой мощности характеристика короткого замыкания (Uк%) намного превышает характеристику холостого хода (I0%). Поэтому в условиях испытательной станции опыт холостого хода однофазных трансформаторов может производиться при сравнительно малых искажениях формы кривой напряжения без установки для этих испытаний специальных генераторов.
6-2. ОДНОФАЗНАЯ НАГРУЗКА ТРЕХФАЗНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
При испытании однофазного трансформатора от трехфазного генератора имеет место несимметричная нагрузка током отдельных фаз статорной обмотки генератора. Соотношение фазных токов зависит от схемы соединения статорной обмотки (звезда или треугольник) или от группы соединения обмоток, если генератор работает через промежуточный трансформатор (рис. 6-2).
Согласно ГОСТ [Л. 20] при несимметричной нагрузке трехфазных генераторов и синхронных компенсаторов длительная работа их допускается, если ток в фазе не превышает номинального значения и разность токов в фазах не превышает 10, а в других синхронных машинах (явнополюсных) — 20% номинального тока фазы.
При несимметрии токов в фазах статора в синхронной машине возникает обратно вращающееся магнитное поле, которое наводит во всех замкнутых контурах ротора и его массивных частях переменные токи двойной частоты, которые при неблагоприятных условиях создают очаги местных нагревов в роторе. Кроме того, обратно вращающееся магнитное поле, перемещаясь с двойной скоростью относительно ротора, создает переменное магнитное взаимодействие с его полюсами, в результате чего в отдельных частях механической конструкции машины возникают вибрации. Если частота собственных колебаний отдельных частей или деталей близка к двойной частоте генератора, то возникают условия для резонансных явлений и вибрации могут сильно возрасти [Л. 21].
По указанным соображениям обычные синхронные генераторы малопригодны для испытания мощных однофазных трансформаторов.
Синхронные компенсаторы, рассчитанные для прямого пуска от сети, имеют достаточно мощную демпферную систему на роторе, которая в значительной мере ослабляет обратное синхронное поле и связанные с ним тепловые и вибрационные процессы в отдельных частях машины. Однако эти компенсаторы не допускают длительную нагрузку двух фаз статора номинальным током [Л. 22].
Некоторые фирмы за рубежом выпускают трехфазные синхронные генераторы специального исполнения мощностью до 42 500 кВА, пригодные для длительной однофазной нагрузки номинальным током [Л. 23].
При испытании однофазных трансформаторов наши заводы применяют трехфазные синхронные генераторы специального исполнения (до 5 000 кВА) или синхронные компенсаторы с усиленной демпферной обмоткой ротора (до 30 000 кВА). Длительно допускаемые однофазные нагрузки для этих генераторов и синхронных компенсаторов приведены в табл. 6-2.
Для ослабления вибрации и уменьшения местных нагревов в роторе трехфазного испытательного генератора при работе в однофазном режиме рекомендуется включать однофазную нагрузку через промежуточный трансформатор с группой соединения обмоток (звезда — треугольник или треугольник — звезда), а при непосредственном включении однофазной нагрузки на зажимы генератора статорную обмотку соединять в треугольник.
Длительно допускаемые однофазные нагрузки трехфазных генераторов и синхронных компенсаторов
В этих случаях соотношение фазных токов в статорной обмотке генератора будет 1 : 0,5 : 0,5 вместо соотношения 1:1:0 для непосредственного включения однофазной нагрузки на зажимы статорной обмотки, соединенной в звезду. Таким образом, допустимая однофазная нагрузка может быть увеличена и определена на основании испытаний [Л. 24], исходя из следующих условий:
- нагрев обмотки ротора, обусловленный током возбуждения и добавочными потерями в роторе от поля обратной последовательности, не должен превышать нагрева, допустимого для класса изоляции обмотки ротора;
- ток ни в одной из фаз статора не должен превышать номинального значения;
- вибрация генератора не должна превышать допустимых пределов.
