УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

Синхронизация генераторов, в особенности точная синхронизация, является очень ответственной операци­ей, требующей от обслуживающего персонала соответ­ствующей квалификации и опыта работы. Поэтому авто­матизация операций синхронизации является актуальной задачей.

Автоматические синхронизаторы содержат узлы, осу­ществляющие автоматическое уравнивание значений ча­стоты и напряжения включаемого генератора со значе­ниями частоты и напряжения энергосистемы, и узлы, осуществляющие контроль за выполнением всех усло­вий синхронизации.

Для того чтобы включение генератора происходило в оптимальный момент времени (точка / на рис. 4.1, в) импульс на выключатель должен подаваться раньше этого момента, так как выключатель имеет собственное время отключения. Время опережения /_Оп по от­ношению к моменту оптимума должно быть равно вре­мени включения выключателя ^_в>в- Момент подачи им­пульса на выключатель обозначен на рис. 4.1, в точкой 2, при этом напряжение биений не равно нулю, оно оп­ределяется положением точки 2'. Времени 1_Ои соответст­вует угол между векторами напряжений генератора и сети, называемый углом опережения б_Оп:

Различают два типа синхронизаторов: синхрониза­тор с постоянным углом опережения, в ко­тором импульс на включение подается при достижении углом б определенного постоянного значения; синхро­низатор с постоянным временем опереже­ния, в котором импульс на включение подается с по­стоянным временем опережения, равным времени вклю­чения выключателя.

Широкое применение получили более точные синхро­низаторы с постоянным временем опережения. К ним относятся синхронизаторы АСТ-4, УБАС, СА-1. Ниже рассмотрен синхронизатор типа УБАС.

Синхронизатор с постоянным временем опережения типа УБАС

Автоматический синхронизатор типа УБАС (устрой­ство бесконтактное автоматической синхронизации) со­стоит из шести основных узлов (рис. 4.3):

узла питания, обеспечивающего питание полу­проводниковых элементов, входящих в состав синхрони­затора, и одновременно вырабатывающего напряжение биений {/*;

узла опережения, вырабатывающего импульс на включение выключателя генератора с опережением

по отношению к моменту совпадения по фазе векторов

Ог И 0_е;

узла контроля разности частот генерато­ра и сети, обеспечивающего прохождение сигнала узла опережения на включение выключателя;

узла контроля разности напряжений генератора и сети, разрешающего прохождение сигнала на включение выключателя при разности напряжений, не превышающей допустимой;

узла подгонки частоты, осуществляющего подгонку частоты включаемого генератора к частоте ра­ботающих генераторов путем воздействия на механизм управления турбины;

узла включения, вырабатывающего определен­ной длительности импульс на включение выключателя.

Узел опережения (рис. 4.4, а) состоит из промежу­точного трансформатора TL4, выпрямительных элемен­тов VS, фильтров ZV, дифференцирующего элемента El, нуль-органа ЕА1 и реле изменения уставок времени опе­режения KL1—KL3.

На вход узла подается напряжение биений, образо­ванное разностью напряжения генератора U_T и напря­жения сети U_c. Для получения напряжения, равного разности двух напряжений, система этих двух напряже­ний должна иметь общую точку в схеме. Поэтому в схе­мах синхронизации объединяются между собой фазы В вторичных цепей трансформаторов напряжения генера­тора и сети.

Главным элементом узла опережения является нуль-орган ЕА1, сигнал на выходе которого возникает в мо­мент, когда напряжения на двух его входах достигают одинакового значения (точки а\ и пг на рис. 4.4, в). Сигналом на выходе узла опережения является напря­жение Vy_iOu прямоугольной формы, существующее до конца периода скольжения.

Ток на первом входе нуль-органа i[ определяется значением напряжении биений U_a и сопротивления ре­зисторов R1—R3:

где R равно сопротивлениям резисторов Rl, R2 или R3.

Ток на втором входе нуль-органа t₂ определяется на­пряжением на выходе Е1 (рис. 4.4, б). Дифференцирую­щий элемент предназначен для получения напряжения, пропорционального производной от напряжения биений. На вход El подается напряжение биений U_e.

Напряжение на выходе El с некоторым приближе­нием равно:

Полярность включения El такова, что ток £₂ обу­словлен напряжением выхода £/_Bbu, взятым с обратным знаком, т. е.

где £г — коэффициент пропорциональности; U_BX=U_S.

Время опережения, создаваемое нуль-органом ЕА1,— постоянная величина, не зависящая от скорости сколь­жения; на графике на рис. 4.4, в видно, что ^_Ош = ^оп2.

Для настройки нуль-органа на время опережения, равное времени включения выключателя, используются

резисторы Rl — R3 (рис. 4.4, а), управляемые с помощью ^промежуточных реле KL1 — KL3 и переключателя SA1. |Резисторы Rl — R3 обеспечивают время опережения в I диапазоне от 0,15 до 1,0 с.

Узел контроля разности частот (рис 4.5, а) состоит из ^Промежуточного трансформатора TL5, выпрямительного элемента VS, фильтра ZV, релейного элемента ЕА2,

Триггеров DS1 и DS2, элементов времени DT1 и DT2,

логического элемента DU (НЕ).

На вход узла контроля разности частот, так же как и на вход узла опережения, подается напряжение бие­ний U₈, поступающее после выпрямления на вход релей­ного логического элемента ЕА2. Сигнал на выходе эле­мента ЕА2 появляется при достижении напряжением U) напряжения срабатывания элемента ЕА2 U_c,ea2. Этот сигнал существует до тех пор, пока напряжение биений не станет меньше напряжения возврата U_b,ea2- Напря­жения срабатывания и возврата можно регулировать с помощью резисторов R4 и R5. На диаграмме рис. 4.5, б моменты срабатывания элемента ЕА2 обозначены точ­ками й\, а₂, а₃, моменты возврата—точками b\, b₂, b₃. Длительность сигнала на выходе элемента ЕА2 пропор¹-циональна периоду биений. Для контроля периода бие­ний используются два полупроводниковых логических элемента времени DT1 и DT2, управляемых триггерами DS1 и DS2.

Триггер, представляющий собой полупроводнико­вое переключающее устройство, характеризуется двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия — наличием или отсутствием сигнала на его выходе. Пере­ход триггера из одного состояния в другое осуществля­ется путем подачи сигнала на один из его входов. Пере­ключение триггера происходит практически мгновенно. После снятия управляющего сигнала триггер сохраняет оное состояние. Таким образом, триггер запоминает входной сигнал, т. с. является элементом «памяти».

Угол контроля разности частот работает следующим образом.. К ел и угловая скорость скольжения больше допустимого значения, срабатывает релейный элемент ЕА2 (точка а,), перебрасывающий триггер DS1 в состояние, обеспечивающее пуск элемента времени DT1. При данных значениях скольжения элемент времени DT1 не ус­пеет сработать, поскольку раньше в точке Ь\ происходит возврат элемента ЕА2 и триггера DS1 с помощью логи­ческого элемента НЕ DU. Напряжение на выходе узла контроля разности частот U_Ki4 в рассматриваемом режи­ме равно нулю, что приводит к блокированию синхрони­затора.

В диапазоне допустимой угловой скорости скольже­ния, например при (o_S2 = a)s,Aon, период биений больше, чем в первом случае. За промежуток времени, ограни­ченный точками а₂ и Ь₂, элемент времени DT1 успеет доработать. Сигнал на его выходе перебрасывает триггep DS1 в нулевое состояние, а триггер DS2 — в поло­жение, при котором на его выходе появляется сигнал, Триггер DS2 является выходным элементом узла, напря­жение на его выходе используется узлом включения. Длительность выходного сигнала определяется време­нем срабатывания t₂ второго элемента времени DT2. Длительность выходного сигнала может быть меньше времени t₂, если после срабатывания узла контроля раз­ности частот биения не прекращаются; выходной сигнал снимается по факту срабатывания релейного элемента ЕА2 в следующем цикле (точка а₃ на рис. 4.5,6). В об­ласти допустимых скольжений напряжение на выходе узла контроля разности частот U_K>4 и напряжение на выходе узла опережения £/_у,_Оп имеют общую зону дей­ствия (заштрихованный прямоугольник), что обеспечи­вает при соблюдении остальных условий синхронизации появление сигнала на включение выключателя.

Узел контроля разности частот блокирует синхрони­затор не только при скольжениях, больших допустимых, но и при малых скольжениях. Режимы малых скольжений характеризуются так называемым «зависанием» часто­ты генератора. Эти режимы неблагоприятны тем, что процесс совпадения векторов напряжения генератора и напряжения сети идет медленно, что затягивает вклю­чение генератора. Работа элементов узла в режимах малых скольжений иллюстрируется на временной диаг­рамме рис. 4.5,6 для (й₈<Со)₅,доп- Из диаграммы видно, что напряжение на выходе узла контроля разности час­тот U_K,₄ и напряжение на выходе узла опережения k'y.on не совпадают во времени, а это приводит к тому, что сигнал на включение выключателя в узле включения не возникает.

Узел контроля разности частот обеспечивает включе­ние генератора в диапазоне частоты скольжения от 0,1 до 0,2 Гц.

Узел контроля разности напряжений (рис. 4.6, а) со­стоит из выпрямительного элемента VS, фильтра ZV, нуль-органа ЕАЗ, триггеров DS3 и DS4, элемента времени DT3. На вход узла контроля разности на­пряжений подается напряжение биений, действующее между средней точкой потенциометра R6—R7, включен­ного на напряжения <7_А,г и U а,с и напряжением С/в'. Используемое данным узлом напряжение биений сдви­нуто на 180° относительно напряжения, снимаемого с

фаз £/_А,г и О'д.с. График изменения напряжения биений на входе узла показан на рис. 4.6,6; векторные диаграм­мы, поясняющие характер изменения напряжения бие­ний, приведены на рис. 4.7. Как следует из векторных диаграмм, напряжение биений, используемое узлом, при 6=0° максимально, при 6 = 180° минимально. Контроль разности напряжений генератора и сети производится в области углов 6 = 180°, т. е. раньше момента срабатыва­ния узла опережения (момента оптимума): при U_r==U_e напряжение биений равно нулю, при и_гф11_с оно больше нуля.

Выпрямленное напряжение биений U_s поступает на первый вход нуль-органа ЕАЗ, на второй его вход пода­ется эталонное напряжение U_aT от узла питания От,

Эталонное напряжение может регулироваться с по­мощью резистора R8. Оно принимается равным допусти­мой разности напряжений генератора и сети — (10—

11)%£/но_М

Узел контроля разности напряжений работает сле­дующим образом. Если U_C=U_C или если разность U_r и U_c не превышает допустимого значения, возникают ус­ловия для срабатывания нуль-органа ЕАЗ. Сигнал на выходе нуль-органа ЕАЗ возникает в области углов 6 = 180°, когда напряжение биений и эталонное напря­жение равны (точка а на рис. 4.6,6). В точке b этот сигнал снимается. Триггер DS3 фиксирует срабатывание

элемента ЕАЗ. Сигнал на выходе DS3 —напряжение £/'к,н — используется узлом включения. Длительность вы­ходного сигнала ограничивается с помощью элемента времени DT3, управляемого триггером DS4 по сигналу узла опережения. Время U, равное приблизительно 1,5 с, обеспечивает надежную работу узла включения в об­ласти углов 6 = 0°.

Если разность напряжений генератора U_r и сети U_o превышает допустимое значение, напряжение биений во всей области углов б больше эталонного напряжения U_Bt, вследствие чего нуль-орган ЕАЗ не срабатывает, на­пряжение на выходе узла £/_к,н равно нулю и узел вклю­чения будет заблокирован.

Для генераторов, оборудованных автоматическими регуляторами возбуждения сильного действия (АРВ-СД), включение допускается при разности напря­жений генератора и сети порядка ±1 %• Соблюдение этого условия позволяет избежать нежелательной форсировки или расфорсировки возбуждения от АРВ-СД в момент подключения генератора к сети.

Поскольку синхронизатор УБАС не может обеспе­чить контроль разности напряжений с точностью 1 %, используется специальный блок подгонки уставки напря­жения генератора (ПУН), входящий в состав АРВ-СД. Блок ПУН осуществляет автоматическую подгонку на­пряжения генератора к напряжению сети с точностью ±1 % путем изменения уставки АРВ генератора. Одно­временно блок ПУН размыканием цепи фазы В блоки­рует работу блока контроля разности напряжений, так как последний имеет уставку по значению разности син­хронизируемых напряжений порядка 10% и может включить генератор в сеть при указанной разности. При достижении разности напряжений генератора и сети 1 % и ниже реле блока ПУН срабатывает, разрешая дейст­вие синхронизатора. При использовании блока ПУН на­кладка SX1, включенная параллельно контакту реле ПУН, должна быть отключена. Накладка SX1 включа­ется при синхронизации генераторов, не оборудованных АРВ-СД.

Узел подгонки частоты (рис. 4.8, а) состоит из про­межуточных трансформаторов TL6 и 7X7, выпрямитель­ных элементов VS и фильтров ZV, релейных элементов ЕА4 и ЕАЗ, усилителей Е2, ЕЗ, Е4, Е5, элементов време­ни DT4 и DT5, промежуточных реле KL6 и KL7 и выход-

ных реле KL9 и K.L10. Узел состоит из двух симметрич­ных частей: первая часть, включающая элементы TL6, ЕА4, Е2, KL6, Е4, KL9, предназначена для увеличения частоты генератора, вторая часть, включающая элементы TLi, ЕА5, ЕЗ, KL7, Е5, KL10,— для снижения часто­ты генератора. Элементы DT4 и DT5 являются общими для двух частей.

К трансформатору TL6 подается напряжение биений, образованное фазами Уд,_г, ^а.с к трансформатору TL7 —напряжение, образованное фазами V д,с и U с,г. Первое из указанных напряжений используется релей­ным элементом ЕЛ4, второе напряжение — релейным элементом ЕЛ5. Характер изменения напряжений Биений но времени на входе элементов ЕА4 и ЕА5 таков, ЧТО при /г<7с вектор напряжения на элементе ЕА5 от­стает на 60" от вектора напряжения на элементе ЕА4. Указанное иллюстрируется векторными диаграммами на рис. 4.9. Если /г>/с, вектор напряжения на элементе £/1,5 опережает вектор напряжения на элементе ЕА4 также на 60'. Это свойство изменения напряжений бие­ний используется для определения знака отклонения частоты генератора от частоты сети и для выработки со­ответствующего управляющего воздействия.

Релейные элементы ЕА4 и ЕА5 настраиваются на одинаковое напряжение срабатывания и одинаковое на­пряжение возврата. Настройка выполняется с помощью резисторов RR9 — RR12. При этом в момент возврата од­ного элемента (точки Ь\ и Ь₂ на рис. 4.8,6) напряжение ка другом должно быть меньше напряжения срабатыва­ния {точки с, и Сй). Этим исключается возможность срабатывания в течение одного периода скольжения двух релейных элементов. Узел подгонки частоты действует следующим обра­зом. Если /г</с, первым срабатывает релейный элемент ЕА4 (точка ai на рис. 4.8,6). С появлением напряжения на его выходе через усилитель Е2 срабатывает проме­жуточное реле К1-6, которое своим размыкающим кон­тактом снимает напряжение с элемента ЕА5, блокируя часть узла, действующую на снижение частоты. Блоки­ровка действует до момента возврата элемента ВА4 (точка Ь]). Одновременно со срабатыванием ЕА4 пуска­ется элемент времени DT4, который с выдержкой време­ни tt, равной 0,25—0,3 с, с помощью логических элемен­тов И DX и «Запрет» D, усилителя Е4 и выходного реле KL9 действует на механизм управления турбины в на­правлении «Прибавить». Выдержка времени /₄ исключа­ет воздействие на турбину при кратковременных сраба­тываниях элементов ЕА4 и ЕА5 в момент включения синхронизатора в работу. Длительность воздействия на механизм управления турбины ограничивается временем /й, создаваемым элементом времени DT5, который осуществляет запрет прохождения сигнала на выходные реле. Уставка элемента DT5 может регулироваться в пределах 0,15—0,45 с с помощью резистора RI3. Таким образом, за каждый период биений узел формирует один импульс воздействует па регулятор частоты вращения турбины. Чем больше частота биений, тем чаще импуль­сы регулирования, т. е. узел подгонки частоты осущест­вляет пропорционально-импульсное регулирование час­тоты вращения генератора. Наличие выдержки времени t, обеспечивает автоматическое выравнивание частоты, начиная только с разности частот 2 Гц.

Аналогичным образом узел подгонки частоты дейст­вует при />>/_с.

Узел включения и узел питания. Узел включения (рис. 4.10,«) состоит из элемента И DX, триггера DS5, усилителей Ев и Е7, выходного реле K.L4, элемента вре­мени DT6 и реле ограничения импульса на включение выключателя генератора KL5.

Сигнал на включение выключателя генератора фор­мируется элементом DX при наличии одновременно трех сигналов на его входе: напряжений с выхода узла опе­режения £/у,оп, узла контроля разности частот £/„._ч, узла-контроля разности напряжений [/_к,_н- Этот сигнал фикси­руется триггером DS5 и выходным реле KL4, которое управляет включением выключателя. Для ограничения

сигнала на включение выключателя предусмотрены эле­менты DT6, Е7 и реле KL5. Элемент времени DT6 с вы­держкой времени 1₆, равной 1,5 с, и усилитель Е7 обес­печивают срабатывание реле KL5, которое своим размы­кающим контактом размыкает цепь питания реле KL8 в узле питания (рис. 4.10,6). Реле KL8 в свою очередь снимает питание со всех элементов синхронизатора. Та­ким образом, синхронизатор, выполнив операцию авто­матического включения генератора, выводится из ра­боты.

Включение синхронизатора для повторного действия производится с помощью кнопки SB, замыкающей цепь катушки реле KL8, включенного по схеме самоудержи­вания. Замыкающими контактами K.L8.1, KL8.3, KL8.4 подается питание к элементам синхронизатора. Одновременно с подачей питания триггеры синхронизатора уста­навливаются в исходное состояние.

Синхронизатор УБАС выполнен с использованием полупроводниковых логических элементов серии «Логика-Т» [24]. Использование полупроводниковых логиче­ских элементов позволяет сравнительно легко реализовать весьма сложные функции точной синхронизации и, кроме того, делает это устройство надежным в работе.

Устройство полуавтоматической самосинхронизации

Устройство полуавтоматической самосинхронизации обеспечива­ет автоматическое включение выключателя невозбужденного гене­ратора при достижении генератором частоты вращения, близкой к частоте вращения работающих генераторов. Регулирование частоты вращения генератора производится персоналом вручную путем воз­действия на регулятор частоты вращения турбины. Генератор воз­буждается после включения его выключателя.

На тепловых электростанциях самосинхронизация в основном выполняется полуавтоматически вследствие сложности автоматиза­ции пуска теплового блока из холодного состояния. На гидроэлек­тростанциях применяются устройства автоматического пуска гидро­агрегатов; это позволяет использовать как полуавтоматическую, так и автоматическую самосинхронизацию.

Ниже рассмотрено устройство полуавтоматической самосинхро­низации, применяемое на тепловых электростанциях (разработано институтом «Атомтеплоэлектропроект»).

Основным элементом устройства (рис. 4.11) является реле раз­ности частот KF, контролирующее разность частот напряжений гe-

нератора и сети. Широкое применение получило индукционное реле частоты типа ИРЧ-01А [9]. Обмотка 1 подключается последователь­но с реостатом R1 к трансформатору напряжения TV1 невозбужден­ного генератора. Обмотка // подключается к трансформатору напря­жения сети TV2. Устройство полуавтоматической синхронизации вводится в работу переключателем SA, замыкающим цепи трансформаторов TV1 и TV2, цепи оперативного постоянного напря­жения и выходные цепи.

Значения остаточных напряжений, подводимых к ТVI разных генераторов, могут быть различными. Для того чтобы напряжения, подводимые к обмотке / реле KF от трансформаторов TV1 раз­ных генераторов, были примерно одинаковыми, каждый генератор снабжается отдельным реостатом R1. Регулирование сопротивлений реостатов R1 выполняется при наладке устройства.

Реле ИРЧ-01А в момент подачи напряжения на его обмотки может кратковременно замыкать свои контакты. Чтобы исключить неправильное действие устройства, обмотки I н II реле KF подклю­чаются к трансформаторам TV1 и TV2 неодновременно: сначала под­ключается обмотка //, а затем через время в несколько секунд, ус­танавливаемое на проскальзывающем контакте реле времени /(77, подключается обмотка /. Подключение обмотки / осуществляется с помощью промежуточного реле KL3. Кроме того, вводится дополни­тельная выдержка времени на контакте КТ.2 в цепь контактов KF.1 и KF.2, исключающая неправильное срабатывание устройства в момент подачи напряжения на обмотку / реле KF.

При достижении частоты скольжения, равной частоте сраба­тывания реле KF, срабатывает выходное реле устройства KL1, кото­рое самоудерживается с помощью контакта K.L1.1. Контактом KL1.3 замыкается цепь включения выключателя генератора QI. После включения выключателя Q1 включается автомат гашения поля ге­нератора, подающий возбуждение на обмотку ротора генератора. Включенное состояние генератора контролируется вспомогательным контактом выключателя Q1. Возбужденный генератор окончатель­но втягивается в синхронизм. Самоудерживание выходного реле KL1 обеспечивает надежное включение выключателя и АГП генера­тора. Промежуточное реле KL2, имеющее задержку при возврате, ограничивает длительность сигнала на включение выключателя и АГП. Для того чтобы исключить опасное воздействие номинального напряжения трансформатора TV1 возбужденного генератора на об­мотку / реле KF, не рассчитанную на это напряжение, цепь обмот­ки / размыкается контактом KL3.2 после возврата реле KL3, выз­ванного размыканием контакта K.L1.2. Реле KV, включенное на на­пряжение трансформатора ТVI, предназначено для того, чтобы исключить подачу номинального напряжения возбужденного генератора на обмотку / реле KF до включения генератора в сеть, что может произойти вследствие ошибочных действий персонала. Раз­мыкающий контакт реле KV размыкает цепь реле времени КТ и ис­ключает таким образом возможность срабатывания реле KL3.

При отключении генератора от сети и последующей подготовке его к включению реле времени КТ дополняет блокировку по напря­жению. Гашение магнитного поля генератора при подготовке его к самосинхронизации происходит не мгновенно. Снижение напряжения генератора ниже напряжения возврата реле KV при включенном переключателе SA приводит к пуску реле времени КТ. По истечении выдержки времени, устанавливаемой на контакте КТ.1, напряжение генератора снизится до неопасного значения, при котором обмотка / реле KF включается в цепь трансформатора TV1.

Реле времени КТ включено на переменное напряжение от тран­сформатора TV2. При этом обеспечиваются одновременная подача напряжения на катушки реле КТ и KV и правильное действие бло­кировки по напряжению. Если же включить реле КТ на постоянное напряжение, то возможно его срабатывание раньше, чем будет по­дано напряжение на реле KF и KV, так как в цепях трансформато­ров TV1 a TV2 имеется индивидуальный переключатель (на схеме не показан), обеспечивающий подведение синхронизируемых напря­жений к устройству самосинхронизации. В этих условиях возможны кратковременная (до срабатывания реле KV) подача номинально­го напряжения возбужденного генератора на обмотку / реле KF и ее повреждение. Вывод устройства из работы осуществляется вруч­ную установкой переключателя SA в положение О («Отключено»), при этом все реле устройства возвращаются в исходное положение.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое синхронизация синхронного генератора и какие су­ществуют способы синхронизации?

2. Что такое напряжение биений? Покажите график изменения напряжения биений во времени при условии, что напряжение гене­ратора не равно напряжению сети.

3. Какие основные элементы входят в состав автоматического синхронизатора?

4. Каким образом в синхронизаторе типа УБАС контролируются угловая скорость скольжения и разность напряжений генератора и сети? Как фиксируется постоянное время опережения?

5. Каков принцип выполнения уравнителя частоты в синхрони­заторе УБАС? Каким образом в уравнителе частоты фиксируется знак скольжения?

6. Каково назначение реле разности частот в устройстве полуавтоматической самосинхронизации?