ИЭ / 7 сем (станции+реле) / Расписанные билеты Лапидус v.1

Требования ПТЭЭС касательно допустимости двигательного режима

Насколько же этот режим синхронного двигателя допустим? Надо сказать, что для генератора этот режим ненормален, но в принципе вполне допустимый, потому что обмотки ротора и статора не так сильно нагружены, как в номинальном режиме, никаких температурных и механических перекосов нет, т. е. для генератора это вполне удобный режим. Правда если бы он был без турбины, это важная оговорка.

ПТЭЭС

• 4.6.13. Генераторы ГТУ при переходе в режим электродвигателя должны быть немедленно отключены, для чего должна быть установлена защита от обратной мощности генератора. Это требование не распространяется на ГТУ со свободными силовыми турбинами.

Чаще всего наша газовая турбина, а также потребители её мощности, для нас это генератор, и ОК (осевой компрессор) находятся на одном валу. ОК мы не можем приводить во вращение двигателем именно этой газовой турбиной, т. к. ОК очень мощный. Примерно половина мощности ГТ идёт на ОК. Схема, приведённая на рисунке 2.5.8. называется одновальной. И если СМ перейдёт в режим СД, то двигатель будет вращать мощность, превышающую его номинальную мощность в 3 раза.

Рисунок 2.5.8.

Двухвальная схема. Газовую турбину мы разбили на 2 турбины, одна из них предназначена для вращения компрессора, а другая это, так называемая, свободная турбина (СТ). СТ крутится за счёт тех газов, которые вышли с выходных лопаток первой ГТ. СТ не насажена на 1 вал с ГТ, она крутит только генератор, получается, что СТ свободна от левой части схемы поэтому в этой ситуации генератор может в режиме синхронного двигателя спокойно крутить эту самую турбину. Потому что их мощности (СТ и Г) соизмеримы.

Рисунок 2.5.9.

• 5.1.28. Допустимость и продолжительность работы генератора в режиме электродвигателя ограничиваются условиями работы турбины и определяются заводомизготовителем турбины или нормативными документами.

Здесь речь о том, что паровая турбина очень не любит работать в беспаровом режиме. Пар немного охлаждает турбину, во всяком случае, турбина будет греться сильнее из-за трения о воздух, чем из-за трения о пар. И поэтому, если у нас есть возможность дать турбине небольшой расход вентиляционного пара, то такой режим допустим долго. Если такой возможности нет, то, к сожалению, придётся через минуту-другую отключить наш генератор, а точнее СД, отключить по цепи статора, остановив всё это и тем самым спасти турбину от перегрева.

Особенность двигательного режима для гидрогенераторов.

Для гидротурбин никаких ограничений нет, потому что температуры маленькие, скорости вращения небольшие. Поэтому генератор может переходить в режим СД сколько угодно и крутить эту турбину. Дальше возникает вопрос насколько нам жалко те самые мегаватты, которые идут на перелопачивание воды под рабочим колесом. И если мы не готовы за это платить, то либо надо отключать все это, либо надо отжимать воду из-под рабочего колеса сжатым воздухом заранее запасённым, заранее сконструированной и сделанной на этой станции воздушной системой. А если у нас поворотно лопастные турбины, то ещё и скрутить лопатки, чтобы они в меньшей степени тёрлись о воздух.

Работа СГ в режиме асинхронного двигателя

Режим асинхронного двигателя отличается от синхронного тем, что у нас генератор при потере подачи рабочего тела на турбину ещё и лишился тока возбуждения. Это возможно либо в ситуации ошибки персонала, либо, если некорректно сработает автоматика. Мы видим, что данному режиму нет никакого оправдания, потому что обе мощности P и Q будут потребляться нашим двигателем. Вот если в режиме асинхронного генератора, то есть в асинхронном режиме, то у нас выдаётся P (в этом ценность этого режима). Если в

режиме синхронного двигателя, то у нас выдаётся Q (в этом ценность этого режима). То здесь (АД) нет никакого оправдания, такой режим должен быть исключён.

В режиме АД происходит потребление большого реактивного тока, поэтому:

1)Снижается напряжение на шинах РУ;

2)Снижается напряжение на шинах СН;

3)Возникают недопустимые нагревы в роторе.

Рисунок 2.5.10.

Итоги по режимам на PQ – диаграмме

Теперь мы видим полную картину того, что происходит в этих 4-х квадрантах. (рисунок 2.5.11.)

В точке 1 у нас генератор работает как генератор и вот он теряет возбуждение, он уходит в режим асинхронного генератора (2-й квадрант). И в первом, и во втором квадрантах, как видно, P выдаётся. (однако, во 2м квадранте может быть недовозбуждённый синхронный генератор!)

Теперь работая в точке 1, мы теряем рабочее тело на турбину, генератор обрушивается в режим синхронного двигателя (4-й квадрант), он выдаёт реактивную мощность Q, но при этом потребляет P. Поэтому он провалился вниз на этой диаграмме.

Акак же он может попасть в 3-й квадрант? Есть 2 пути:

•Первый: он работал как Г и по какой-то причине ушёл в режим синхронного двигателя, а дальше оперативный персонал допустил ошибку и вместо того, чтобы отключить генератор по статорным цепям генераторным выключателем, он взял и развозбудил машину, т. е. отключил АГП (автомат гашения поля) и тогда машина перешла

в3-й квадрант.

•Второй: генератор потерял возбуждение и ушёл в зону АГ (2-й квадрант), дальше сработала автоматика регулирования скорости турбины и чрезмерно снизила подачу рабочего тела на турбину, поэтому все упало в 3-й квадрант.

Рисунок 2.5.11.

2.6. Несимметричная нагрузка

Причины:

•несимметричные КЗ (эта причина маловероятна, так как КЗ, как правило, кратковременны);

•обрыв фазы;

•неполнофазное включение или отключение выключателей (эта причина наиболее

вероятна и актуальна).

Почему недопустима длительная несимметрия?

Таблица 1 – Варианты степеней загрузки фаз генератора

Числа под фазами A, B, C обозначают степени загрузки этих фаз генератора (в %).

- режим допустимый, нормальный (генератор может работать в этом режиме сколько угодно долго в рамках своего срока службы).

- режим запрещён (недопустимо, чтобы генератор работал в этом режиме длительное время).

Рисунок 1 – Направление потоков прямой и обратной последовательности

Ф1 – поток прямой последовательности (т. е. поток, создаваемый токами прямой последовательности в обмотке статора);

Ф2 – поток обратной последовательности (т. е. поток, создаваемый токами обратной последовательности в обмотке статора);

n – частота вращения ротора генератора.

Как видно из рисунка 1, поток прямой последовательности (Ф1) направлен в ту же сторону, что и n, поэтому этот поток никакого негативного влияния на обмотку ротора (или её изоляцию) не оказывает. В нормальном режиме Ф1 не изменяется, следовательно он не индуцирует в короткозамкнутых контурах ротора какие-либо токи (или ЭДС).

При несимметрии в поле статора появляется поток обратной последовательности (Ф2). Этот поток негативно влияет на режим работы генератора, потому что он направлен в другую сторону относительно Ф1. Относительно вращающегося ротора Ф2 будет вращаться с частотой 50-(-50)=100 (Гц).

Какая опасность для генератора?

По закону Фарадея будут наводиться токи частотой 100 Гц в короткозамкнутых контурах ротора. Так как частота высокая, следовательно эти токи вытесняются на поверхность, из-за чего будут происходить большие нагревы, старение изоляции и размягчение дюралюминиевых клиньев.

ПТЭ 5.1.26

Допускается длительная работа с разностью токов в фазах, не превышающей

•12% номинального для турбогенераторов;

•20% для синхронных компенсаторов и дизель-генераторов.

Для гидрогенераторов с системой косвенного воздушного охлаждения обмотки статора допускается разность токов в фазах

•20% при мощности 125 МВА и ниже;

•15% при мощности более 125 МВА.

Для гидрогенераторов с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора допускается разность токов в фазах 10%.

Во всех случаях ни в одной из фаз ток не должен быть выше номинального.

Кратковременная работа с несимметрией допустима.

I22 ∙ t ≤ Bдоп ,

I2 – ток обратной последовательности (в о.е. по отношению к номинальному);

Bдоп – допустимый тепловой импульс (в данном случае измеряется в секундах, но в общем случае – [А2/с]);

t – время работы генератора в несимметричном режиме.

Bдоп = 30 с – для генератора с косвенным охлаждением.

Bдоп = 15 с – для генераторов ТВФ.

Bдоп = 8 с – для генераторов ТВВ, ТГВ, ТВМ.

Рассмотрим таблицу из источника «Пособие по изучению ПТЭ»:

Таблица 2 – Соответствие разности тока в фазах и тока обратной последовательности

Например, для генератора ТВ2-100-2 (у него косвенное охлаждение водородом):

доп = 30 с.

Допустим, ∆I = 20 %, тогда I2 = 10 %.

0,12 ∙ t ≤ 30

t = 3000 с = 50 мин

Вывод: работа при несимметричной нагрузке, при малых несимметриях – допустима, но если несимметрия начинает быть больше определённых, проговорённых в ПТЭ, величин, то возникает слишком большой поток обратной последовательности, который начинает наводить в короткозамкнутых обмотках ротора «нехорошие» токи с частотой 100 Гц. Эти токи сильно разогревают конструктивные элементы на стороне ротора (поэтому генератор греется больше обычного), следовательно такая длительная работа запрещена. Однако допускается кратковременная работа, которая оценивается по специальной формуле.

2.7. Несинусоидальная нагрузка

Причины:

•Нелинейная нагрузка (сопротивление нелинейно зависит от напряжения, т. е. мы пытаемся приложить чисто синусоидальное напряжение, но при этом ток становится несинусоидальным, потому что сопротивление каждый раз меняется в зависимости от того или иного значения напряжения);

•Трансформаторы (они порождают гармоники кратные 3-м);

•Генераторы (вибрация генератора и несимметрия ротора и статора).

Из-за всех этих причин возникают гармоники – токи и напряжения с частотами, кратными 50-ти.

(1-я гармоника – 50 Гц; 2-я гармоника – 100 Гц; ... ; n-я гармоника – n ∙ 50 Гц.)

Гармоники – это плохо, потому что возникает/возникают:

•скин эффект (чем больше n, тем ближе ток к поверхности). Из-за этого сильнее нагревается изоляция;

•вибрационное вращение машин из-за несинхронности магнитных потоков;

•нарушение магнитного равновесия в трансформаторах (из-за этого искажается фазное напряжение);

•искажение показаний индукционных приборов учёта;

•помехи в линиях связи;

•искажение нормальной работы релейной защиты (особенно реле направления мощности и реле сопротивления);

•увеличение токов в ёмкостях, так как = 1 ;

•резонанс емкостей и индуктивностей на высоких частотах.

Вобщем, ничего хорошего в гармониках нет, особенно в тех, которые подобны обратной и нулевой последовательности.

Как чередуются токи и напряжения в разных гармониках:

Рисунок 1 – Вид 1-й гармоники

Рисунок 2 – Вид 1-й и 2-й гармоники (1-я гармоника нарисована пунктиром, 2-я гармоника – сплошной линией)

Из рисунка 2 видно, что 2-я гармоника имеет частоту в 2 раза бОльшую, чем 1-я гармоника – т. е. частоту 100 Гц. Также, можно сделать вывод, что у 2-й гармоники неправильное чередование фаз. То есть, эти токи ведут себя подобно обратной последовательности.

Рисунок 3 – Вид 1-й и 3-й гармоники (1-я гармоника нарисована пунктиром, 3-я гармоника – сплошной линией)

Из рисунка 3 видно, что 3-я гармоника имеет частоту в 3 раза бОльшую, чем 1-я гармоника – т. е. частоту 150 Гц. Также, можно сделать вывод, что у 3-й гармоники синусоиды фаз на рисунке совпадают (то есть это три одинаковых, синфазных, сонаправленных тока). Эти токи ведут себя подобно нулевой последовательности.

1,4,7, ... - подобны прямой последовательности. 2,5,8, ... - подобны обратной последовательности. 3,6,9, ... - подобны нулевой последовательности.

Какая из гармоник оказывает наиболее пагубное влияние на режим работы генератора?

Запишем ряд всевозможных гармоник:

1)Вычёркиваем те гармоники, которые подобны прямой последовательности (1, 4, 7, … , 3к+1, …). Эти гармоники подобны чередованию фаз (A, B, C), и для генератора они не опасны.

2)Вычёркиваем гармоники, подобные нулевой последовательности (3, 6, 9, … , 3к, …). Их убираем, потому что схема соединения обмотки статора (практически всегда) – звезда с изолированной нейтралью, и в ней не могут существовать соответствующие токи.