Напряжение возбуждения генератора: Какое напряжение должно быть на возбуждение генератора?

Вы также можете выбрать веб-сайт из следующего списка:

Европа

Свяжитесь с местным офисом

• Пробная версия ПО
• Пробная версия ПО
• Обновления продукта
• Обновления продукта

Потеря поля (возбуждение) генератора. Его воздействие, методы защиты и режимы отключения. Подробный обзор в синхронном генераторе.

В этой статье описываются ситуации, которые могут привести к потере возбуждения, влияние потери поля на генератор и систему, типичные средства обнаружения этого ненормального рабочего состояния, методы защиты и режим отключения от этого состояния.

Статья была задокументирована со следующим содержанием:

1.    Краткое обсуждение сценария после потери поля (возбуждение)

2.    Ситуации для создания состояния потери поля

2.1. Потеря поля во время работы

2. 2. Непреднамеренное включение питания

3.    Влияние потери поля на работоспособность генератора и системы

3.1. Эффект из-за потери поля во время работы

3.2. Эффект из-за непреднамеренного включения питания

4.    Методы защиты для ЗАЩИТЫ ПО СНИЖЕНИЮ ИЛИ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ (40)

4.1. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ С ДИСТАНЦИОННЫМИ (21) РЕЛЕЙ

4.2. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ С РЕЛЕ ТИПА VAR

5.    Режимы отключения

1.    Краткое обсуждение сценария после потери поля (возбуждение)

Синхронные генераторы не предназначены для работы без возбуждения постоянным током. В отличие от асинхронных машин, вращающиеся поля не способны непрерывно управлять циркулирующими токами, которые могут протекать в поковке ротора, клиньях, амортизирующих обмотках и стопорных кольцах при недовозбуждении или потере поля.

Когда генератор теряет возбуждение во время нормальной работы, его скорость увеличивается на величину от 3 до 5% от нормальной. Величина увеличения скорости зависит от нагрузки генератора до потери возбуждения. Слегка загруженный блок

испытает гораздо меньшее увеличение скорости, чем полностью загруженный. Кроме того, ток статора обычно увеличивается, потому что генератор без поля будет работать как асинхронная машина, получая реактивную мощность возбуждения от сети. Соответственно, ток статора может увеличиться до 100 % от его номинального значения.

Увеличение линейного тока будет усугубляться перегревом компонентов ротора, токами, индуцируемыми в ковочной и демпфирующей обмотках, если они имеются, а также перегревом концевых областей сердечника статора. В этих условиях полностью загруженный отряд, потерявший свое поле, может очень быстро получить серьезные повреждения. Поэтому защита от пропадания поля настроена на относительно быстрое срабатывание сигнализации и отключение устройства.

В периоды высокого напряжения в системе действие регуляторов напряжения может снизить напряжение возбуждения до такой степени, что это может привести к срабатыванию реле потери поля генератора или потере синхронизма генератора с системой. Для предотвращения таких случаев применяется ограничитель минимального возбуждения. Действие ограничителя предотвращает дальнейшее снижение выходного напряжения возбудителя за счет действия регулятора напряжения. Ограничитель минимального возбуждения должен быть установлен таким образом, чтобы действие ограничения происходило до срабатывания соответствующей релейной защиты при потере поля. Соответственно, релейная защита при потере поля срабатывает до потери устойчивости в установившемся режиме. Однако ограничитель минимального возбуждения должен обеспечивать работу генератора с максимальным опережающим коэффициентом мощности, чтобы обеспечить поддержку энергосистемы в условиях эксплуатации, когда необходимо ограничить высокие напряжения системы.

Реле потери возбуждения обычно входят в комплект защиты генератора для защиты ротора от повреждения при работе с пониженным возбуждением. Реле импедансного типа обычно применяются для автоматического отключения устройства с короткими временными задержками всякий раз, когда поток VAR в машину становится чрезмерным. Пределы в АРН должны быть установлены для предотвращения срабатывания реле потери возбуждения всякий раз, когда АРН находится в автоматическом режиме работы.

Машину нельзя повторно синхронизировать с системой после отключения по потере возбуждения, пока не будет завершено расследование для определения причины срабатывания реле. Учитывая сложность современных систем возбуждения, необъяснимые события не так уж редки. Инженеры или техники должны осмотреть физическую систему возбуждения, проверить калибровку реле потери возбуждения, проверить сопротивление обмотки возбуждения постоянному току и проверить любой доступный мониторинг сбора данных, который может подтвердить рабочее состояние. Затем блок можно запустить для тестирования, и правильность работы системы возбуждения может быть подтверждена операциями перед синхронизацией блока с системой.

2.    Ситуации возникновения состояния потери поля

Источник возбуждения генератора может быть полностью или частично удален в следующих двух наиболее распространенных ситуациях:

2. 1. Потеря поля во время работы

Существует ряд событий, которые могут привести к случайному отключению источника возбуждения от генератора. Это может произойти как для бесщеточных устройств, так и для устройств с внешним возбуждением. Например:

·      Случайное срабатывание выключателя,

·      Обрыв цепи возбуждения,

·      Короткое замыкание возбуждения (пробой контактных колец),

·      Отказ системы регулирования напряжения или

900 02 ·   Отказ системы регулирования напряжения или

900 02 ·   .

·      Человеческая ошибка, связанная с переводом АРН в ручной режим и неэффективным управлением при работе генератора с опережающим коэффициентом мощности (режим недовозбуждения) 

2.2. Непреднамеренное включение

Это состояние может возникнуть, если генератор находится в состоянии покоя, а трехфазный выключатель основного генератора случайно замкнут, соединяя его с энергосистемой, магнитный поток, вращающийся в воздушном зазоре (газовом зазоре) машины с синхронной скоростью, индуцируют большие токи в роторе. Затем ротор начнет вращаться как асинхронный двигатель.

3.    Влияние потери поля на работоспособность генератора и системы

3.1. Эффект из-за потери поля во время работы

Если по какой-либо причине ток возбуждения падает до нуля, когда генератор подключен к системе, машина начинает работать как асинхронный генератор. Ротор работает со скоростью, немного превышающей синхронную скорость, и возникают токи с частотой скольжения. Они проникают глубоко в корпус ротора, поскольку имеют низкую частоту. Это может привести к сильному искрению между компонентами ротора и сильному нагреву. Торцы сердечника статора также испытывают нагрев за счет потоков рассеяния в концевой области, более сильный, чем при работе на недовозбуждении коэффициента мощности. Защита обычно обеспечивается для предотвращения или минимизации продолжительности этого режима работы с помощью так называемого реле потери поля. Какой бы ни была причина, потеря возбуждения может создать серьезные условия для работы как генератора, так и системы.

·       Газовые/паротурбинные генераторы

Когда синхронный генератор теряет возбуждение, он разгоняется и работает как асинхронный генератор. Он будет продолжать снабжать систему некоторой мощностью и получать возбуждение от системы в виде реактивной мощности. Проскальзывание машины и выходная мощность будут зависеть от начальной нагрузки машины, импеданса машины и системы и характеристики регулятора. Высокие импедансы системы обычно приводят к высокому скольжению и низкой выходной мощности.

Если генератор изначально работает с полной нагрузкой, когда он теряет возбуждение, его скорость будет на 2–5 % выше нормальной. Уровень кВАРС, получаемый из системы, может быть равен или превышать номинальную мощность генератора в кВА.

Если генератор изначально работает с пониженной нагрузкой (например, 30% нагрузки), скорость машины может быть только на 0,1–0,2% выше нормальной, и он получит пониженный уровень переменных от системы.

Как правило, наиболее тяжелым состоянием как для генератора, так и для системы является потеря возбуждения генератора при работе с полной нагрузкой. В этом случае токи статора могут превышать 2,0 о.е. и, поскольку генератор потерял синхронность, в роторе могут возникать высокие уровни тока. Эти высокие уровни тока могут вызвать опасный перегрев обмоток статора и ротора за очень короткое время. Кроме того, поскольку состояние потери поля соответствует работе при очень низком возбуждении, это может привести к перегреву концевых частей сердечника статора. Нельзя сделать общих утверждений относительно допустимого времени работы генератора без возбуждения; однако на скоростях, отличных от синхронных, он очень короткий.

Что касается воздействия на систему, потребление реактивной мощности из системы может привести к снижению напряжения в системе и тем самым повлиять на работу генераторов на той же станции или в другом месте системы. Кроме того, повышенный реактивный поток в системе может вызвать снижение напряжения и/или отключение линий передачи и, таким образом, отрицательно сказаться на стабильности системы. слив var все еще может быть вредным для системы.

·       Гидрогенераторы

Из-за заметности обычный гидрогенератор может выдерживать 20–25% нормальной нагрузки без поля и не терять синхронность. Фактическая грузоподъемность зависит от характеристик машины и системы. Кроме того, работа с почти нулевым полем и при пониженной нагрузке часто необходима для приема зарядного тока линии. Однако, если потеря поля происходит, когда гидрогенератор работает с полной нагрузкой, он будет вести себя и производить те же эффекты, что и паротурбинный генератор. Высокие статорные и наведенные токи возбуждения могут повредить статорную обмотку, обмотки возбуждения и/или амортизирующие обмотки, что приведет к потреблению реактивной мощности в системе.

3.2. Эффект от непреднамеренного включения питания

Если генератор находится в состоянии покоя, а трехфазный выключатель основного генератора случайно замкнут, соединяя его с энергосистемой, магнитный поток, вращающийся в воздушном зазоре (газовом зазоре) машины с синхронной скоростью, индуцируют большие токи в роторе. Затем ротор начнет вращаться как асинхронный двигатель. Очень высокие токи, индуцируемые в роторе, будут течь по его поверхности, в поковке, клиньях и стопорных кольцах. По мере ускорения ротора токи будут проникать все глубже и глубже. Максимальное повреждение происходит при низкой скорости и больших токах, концентрирующихся в тонком поперечном сечении вокруг поверхности ротора (из-за скин-эффекта). Температуры, создаваемые большими токами, протекающими в относительно небольшом поперечном сечении ротора, создают очень большие перепады температур и большие механические напряжения внутри ротора. Области, наиболее подверженные повреждениям, находятся на концах кольцевых гибких прорезей. Другими областями являются клинья и стопорные кольца, установленные на корпусе, область, где кольца касаются поковки, и концевые клинья.

Начальный ток статора, подаваемый от энергосистемы, также будет очень высоким, но наиболее уязвимой частью генератора является ротор. По мере увеличения скорости ротора напряжения увеличиваются, в то время как температуры нагруженных областей также увеличиваются из-за циркулирующих токов в корпусе ротора. Генераторы были разрушены в результате этого события, поскольку экстремальные температуры снижают прочность материалов компонентов. Внутренние компоненты ротора настолько ослаблены, что больше не могут выдерживать приложенные нагрузки. В результате могут выйти из строя клинья ротора или стопорные кольца. Поэтому для генератора необходима защита, даже когда он не работает, чтобы предотвратить или, по крайней мере, ограничить движение двигателя из состояния покоя.

Перегретые концы кольцевых гибких пазов могут со временем привести к образованию трещин в поковке, нарушая ее целостность. На нагрев концов сердечника статора сильное влияние оказывает магнитный поток рассеяния в концевой области. Это поле является комплексным и зависит от величины и углового положения тока в обмотках статора и ротора.

4.    Практики защиты от ПОНИЖЕННОГО ИЛИ ПОТЕРЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ (40)

Наиболее широко используемый метод защиты от условий потери поля основан на использовании импедансных элементов. Они основаны на том факте, что импеданс, видимый с клемм машины, следует характерной схеме при потере поля (см. рисунок ниже. Траектории импеданса, за которыми следует событие потери поля, в зависимости от состояния нагрузки устройства). до возникновения, как видно на клемме генератора).

Иногда используются два реле, каждое из которых следит за импедансом в своей рабочей области, так что состояние потери поля регистрируется независимо от уровня предаварийной нагрузки. Непосредственное измерение тока возбуждения или определение мощности реактивной мощности, подаваемой на генератор, иногда используется для аварийной сигнализации и отключения, но в основном для аварийной сигнализации и редко в качестве первичной защиты.

Существуют различные требования к проектированию и настройке системы защиты от потери поля в зависимости от типа компоновки машины (тандемная, перекрестная, двойная обмотка и т. д.).

4.1. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ С ДИСТАНЦИОННОЙ (21) РЕЛЕ

Защита от нестабильной работы, возможной потери синхронизма и возможного повреждения важна и применяется для всех синхронных машин. Такая защита входит в состав системы возбуждения, поставляемой с машиной, но дополнительную защиту рекомендуется использовать самостоятельно, как дополнительную, так и резервную. Для этой цели применяются дистанционные реле.

Обычно поле генератора настраивается таким образом, чтобы в систему поступала мощность с небольшим отставанием. На следующем рисунке представлен обзор работы синхронной машины:

 Отстающий показатель мощности n в первом квадранте является нормальной рабочей областью. Когда возбуждение (поле) уменьшается или исчезает, ток перемещается в четвертый квадрант. В этом квадранте система должна обеспечивать недостающую реактивную мощность. Синхронные генераторы имеют низкую или пониженную стабильность в этой области. Если система может обеспечить достаточную индуктивную реактивную мощность без большого падения напряжения, блок может работать как индукционный привод. В противном случае синхронность теряется. Это изменение не мгновенное, а происходит в течение определенного периода времени, в зависимости от устройства и подключенной системы. Если поле было случайно отключено, заблаговременное оповещение может позволить оператору восстановить его и избежать ценного и трудоемкого отключения и перезапуска. Если поле не может быть быстро восстановлено, установка должна быть остановлена. Генераторы имеют характеристики, известные как кривые производительности. Типичные кривые показаны на рисунке а ниже.

Температурные пределы в первую очередь являются зонами, поэтому эти кривые являются тепловым пределом разработчика. Поскольку перегрев зависит от работы, три дуги окружности определяют пределы. В одной области эксплуатации пределом является перегрев обмоток ротора; в другом — в обмотках статора; и в третьих, в железе статора. Генераторы следует эксплуатировать с осторожностью в ведущей или отрицательной реактивной зоне. Дополнительным пределом здесь является предел устойчивости в установившемся режиме (SSSL).

Определяется как дуга окружности, где смещение (центр) и радиус равны

Где V — фазное напряжение генератора на клеммах нейтрали, X — полное эквивалентное сопротивление подключенной системы, а Xd — синхронное ненасыщенное реактивное сопротивление. Это пределы мощности, обычно выражаемые в расчете на единицу, с Xs и Xd на базе генератора. Эта стационарная кривая устойчивости обычно выглядит так, как показано на Рисунке а выше. Оно зависит от генератора и подключенной системы, а также от напряжения. Хотя система и напряжение могут изменяться во время работы, они обычно относительно невелики для данной системы.

Система возбуждения генератора имеет ограничитель минимального возбуждения (известный как предел реактивного тока при недовозбуждении), предотвращающий снижение поля регулятором возбудителя ниже заданного значения. Это характерно устанавливается чуть выше стационарной стабильности (см. Рисунок б).

Для применения дистанционного реле эти кривые мощности должны быть преобразованы в импедансы для построения по осям R–X.

Rc и Rv — коэффициенты трансформаторов тока и напряжения, используемые для дистанционного реле соответственно. Если график построен в омах первичной обмотки, коэффициент Rc/Rv не используется. Значение МВА под углом, указанным на кривой мощности, преобразуется в омы. Это преобразованное значение нанесено на диаграмму R–X под этим углом. Это преобразование показано на рисунке b как для кривых мощности при недостаточном возбуждении, так и для кривой стабильности.

Преобразование кривой стабильности можно упростить, если известны значения Xs и Xd. Тогда центр окружности устойчивости (смещение) от начала координат составляет 1/2 (Xd-Xs), а радиус равен 1/2 (Xd + Xs). Если график представлен во вторичных омах, Xd и Xs должны быть во вторичных омах в соответствии с приведенным выше уравнением.

На диаграмме R–X на рис. b начало координат находится на клеммах генератора, при этом Xd нанесено ниже начала координат, а X s — выше; Кроме того, на это конкретное увеличение или более высокую мощность указывает большее расстояние от начала координат на рисунке а, но более короткий вектор импеданса на рисунке b. Таким образом, на диаграмме мощности (рис. а) мощность в безопасном режиме находится в пределах кривых возможностей и стабильности, но вне кривых на рис. б. Ограничитель минимального возбуждения работает на уровне мощности меньше предела устойчивости. Нормальная рабочая зона показана на рисунке b. При пониженном возбуждении или потере возбуждения вектор импеданса медленно перемещается по мере уменьшения потока в четвертом квадранте. Дистанционное реле (40), закрывающее эту область, является хорошим средством обнаружения этого состояния. Доступны несколько режимов настройки.

4.1.1. При полной потере поля

дистанционное реле устанавливается, как показано меньшим кружком на рисунке b. Диаметр порядка Xd, при этом верхняя часть круга находится на 50%–7,5% от Xd’ ниже начала координат. Xd’ — переходное реактивное сопротивление генератора. Реле срабатывает, когда вектор импеданса входит в эту окружность.

Время работы около 0,2–0,3 с используется при полном отключении генератора.

4.1.2. Для обнаружения слабого возбуждения, частичной или полной потери

диаметр устанавливается предпочтительно в пределах минимальной настройки ограничителя возбуждения, но вне кривых предельных возможностей генератора и стабильности. Это показано пунктирным кружком большего диаметра. Не всегда легко сделать эту настройку так, как это предлагается; может потребоваться здравый смысл и компромисс. Направленный блок необходим, чтобы избежать срабатывания близлежащих разломов и устойчивых переходных колебаний. Работа реле (40) находится ниже пунктирной линии направления и в пределах большего пунктирного рабочего круга. Везде, где это применимо, для контроля работы реле используется устройство минимального напряжения, настроенное на падение между 87% и 80% нормального напряжения. Если энергосистема может подавать реактивную мощность на генератор без значительного падения напряжения, срабатывает аварийный сигнал для возможных корректирующих действий, за которым следует отключение после определенной временной задержки. Типичные используемые задержки варьируются в зависимости от машины и системы, но составляют от 10 секунд до 1 минуты.

Если напряжение падает ниже уставки единицы измерения напряжения, инициируется отключение с временем срабатывания около 0,2–0,3 с.

4.1.3. Для больших и важных генераторных установок используется комбинация (4.1.1) и (4.1.2) путем применения двух (40) реле потери поля.

4.2. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ВАРНОГО РЕЛЕ

Для обнаружения потери возбуждения можно использовать направленное силовое реле, подключенное для срабатывания от индуктивных переменных подключенной системы. Приложение показано на рисунке 9 ниже.0003

где реле имеет 8 градусную характеристику. Нормальная работа синхронного генератора — это киловаттная (кВт; МВт) мощность с индуктивными переменными, поступающими в подключенную систему. Когда поле генератора ослабевает или теряется, система будет пытаться подавать индуктивные переменные, чтобы продолжить работу в качестве асинхронного генератора. Таким образом, ток генератора будет перемещаться в ведущую область (переменная от системы) для срабатывания реле переменной, как показано. Для предотвращения работы в переходных режимах рекомендуется выдержка времени 0,2 с.

Ненужное срабатывание схем дистанционных реле в этом случае можно предотвратить, контролируя схемы с реле минимального напряжения или реле максимальной частоты.

Уровень отключения этого реле минимального напряжения должен быть установлен на уровне 90–95 % от номинального напряжения, и реле будет подключено к блокировке отключения при срабатывании и разрешению отключения при отключении.

Реле максимальной частоты будет настроено на срабатывание при 110 % номинальной частоты и будет подключено к блокировке отключения при срабатывании и разрешению отключения при сбросе.

Когда две или более машины соединены вместе на уровне напряжения машины, включая перекрестные блоки, любой блок минимального напряжения, контролирующий потерю поля, должен быть установлен выше или его контакты должны быть закорочены, потому что регулятор напряжения и система возбуждения хорошего машина(ы) будет поддерживать напряжение.

На небольших генераторах потеря поля может быть обнаружена путем измерения величины тока возбуждения или с помощью силового реле, подключенного к датчику переменного потока в генераторе, или путем определения угла коэффициента мощности, превышающего некоторый угол, например 30 Н при недовозбуждении. Эти устройства, как правило, менее безопасны, чем подход с дистанционным реле, и поэтому часто используются только для подачи сигнала тревоги.

5.    Режимы отключения

Защита от потери возбуждения обычно подключается к отключению главного выключателя(-ей) генератора, а также выключателя возбуждения и вспомогательных устройств блока переключения. Размыкатель возбуждения срабатывает, чтобы свести к минимуму повреждение поля ротора в случае потери поля из-за короткого замыкания поля ротора или пробоя токосъемного кольца. При таком подходе, если потеря поля была вызвана каким-либо условием, которое можно было бы легко исправить, тандемный составной генератор можно было бы быстро повторно синхронизировать с системой.

Этот подход может быть неприменим с прямоточными котлами, агрегатами с перекрестным соединением или агрегатами, которые не могут передавать достаточные вспомогательные нагрузки для обслуживания котла и топливных систем. В этих случаях запорные клапаны турбины также сработали бы.