Гашение магнитного поля и переходные процессы в цепях индуктора

Способы гашения поля. При внутренних коротких замыканиях в обмотке якоря синхронного генератора или на его выводах, до выключателя (рис. 34-1), автоматическая релейная защита с

помощью выключателя отключает генератор от сети. Но короткое замыкание внутри генератора этим не устраняется, ток возбуждения if продолжает индуктировать э. д. с. в обмотке якоря, и в ней продолжают течь большие токи короткого замыкания, которые вызывают сначала расплавление меди обмотки якоря в месте короткого замыкания, а затем также расплавление стали сердечника якоря. Поэтому во избежание больших повреждений генератора необходимо быстро довести ток возбуждения и поток генератора до нуля. Такая операция называется гашением магнитного поля.

Рис. 34-1. Сх£мы возбуждения синхронных генераторов с устройствами гашения поля

/ — якорь генератора; 2 — обмотка возбуждения генератора; 3 — выключатель генератора, 4 — якорь возбудителя, 5 — обмотка возбуждения возбудителя; 6 — реостат регулирования тока возбуждения возбудителя; 7 — сопротивление гашения поля, 8 и 9 — контакты автомата гашения поля (АГШ; 10 — главные контакты АГП, // —дугогасительные контакты АГП; 12 — дуго-гасительная решетка АГП

Гашение поля возможно путем разрыва цепи возбуждения генератора с помощью, например, контактов 8 (рис. 34-1, а). Однако это недопустимо, так как при этом, во-первых, вследствие чрезвычайно быстрого уменьшения магнитного потока в обмотках генератора индуктируются весьма большие э. д. с, способные вызвать пробой изоляции. В особенности это относится к самой обмотке возбуждения и к ее контактным кольцам, так как номинальное напряжение цепи возбуждения относительно мало (50—1000 в). Во-вторых, магнитное поле генератора содержит значительную энергию, которая при разрыве цепи возбуждения гасится в дуге выключателя между контактами 8, в результате чего этот выключатель может быстро прийти в негодность.

Разрыв цепи возбуждения возбудителя также недопустим в отношении возникающих при этом перенапряжений в обмотке возбуждения возбудителя. Кроме того, он не дает желательных результатов,-так как обмотка возбуждения генератора 2 оказывается замк-

нутой через якорь возбудителя 6 и ввиду большой индуктивности и небольшого активного сопротивления этой цепи ток i_f будет затухать медленно, с постоянной времени 2—10 сек. При этих условиях размеры повреждения генератора при внутренних коротких замыканиях оказываются большими.

В связи с изложенным проблему гашения поля приходится решать компромиссным образом — путем уменьшения тока if с такой скоростью, чтобы возникающие перенапряжения были в допустимых пределах, а внутренние повреждения генератора были минимальны. Для этой цели разработаны соответствующие схемы и аппараты гашения поля.

Одна из ширрко применяемых схем гашения поля изображена на рис. 34-1, а. В этой схеме при нормальной работе контакты 8 замкнуты, а контакты 9 разомкнуты. При коротком замыкании внутри генератора релейная защита подает команду на замыкание контактов 9 и отключение контактов 8. Цепь обмотки 2 остается замкнутой через сопротивление 7 гашения поля r_t, величина которого обычно в 3—5 раз больше сопротивления r_f самой обмотки 2. При этом ток if затухает с определенной скоростью, которая тем больше, чем больше г_г. Контакты 8 и в данном случае работают в да-вольно тяжелых условиях, так как на них возникает сильная дуга.

Ввиду большой индуктивности цепи ток i_f в начальный момент гашения поля не изменяется, и поэтому напряжение на зажимах обмотки возбуждения в этот момент времени при схеме рис. 34-1, а

раз. Отсюда следует, что большие значения k_T недопустимы.

В последние годы завод «Электросила» по предложению О. Б. Бро-на применяет также схему рис. 34-1, б, в которой сопротивление гашения поля отсутствует, а дуга в результате действия электродинамических сил выдувается с контактов // на решетку 12 и гасится в ней.

Рассмотрим несколько подробнее физические закономерности при гашении поля по схеме рис. 34-1, а, предполагая, что внутренних коротких замыканий в обмотке якоря нет. Это позволит установить также некоторые общие закономерности переходных процессов в синхронной машине. Ниже в данной и последующих главах при анализе переходных и других особых режимов работы будем

считать также, что обмотка возбуждения (/) и успокоительная (у) приведены к обмотке якоря (а), причем будем опускать у буквенных обозначений токов и параметров индексы (штрихи), указывающие на приведенные значения этих величин.

Разнообразные переходные процессы в синхронной машине обычно происходят в условиях, когда ее обмотка возбуждения замкнута через якорь возбудителя, сопротивление и индуктивность которого

малы по сравнению с сопротивлением и индуктивностью обмотки возбуждения синхронной машины. Поэтому ниже будем предполагать, что обмотка возбуждения при гашении поля замкнута накоротко. Соотношения, получаемые при таком предположении, "будут пригодны также при рассмотрении других переходных процессов синхронной машины. Если в действительности в цепи возбуждения имеются добавочные сопротивления, например сопротивление гашения поля, то это нетрудно учесть путем соответствующего увеличения сопротивления обмотки возбуждения. Будем также считать, что насыщение магнитной цепи и величины индуктивностей постоянны.

Машина без успокоительной обмотки при разомкнутой обмотке якоря. В этом случае существует только один замкнутый контур тока (рис. 34-2, а). Ток i_f при гашении поля является свободным током, существование которого не поддерживается внешними источниками э. д. с. и напряжения. Поэтому if затухает по закону, определяемому дифференциальным уравнением

Рис. 34-2. Схемы цепей обмоток синхронной машины и их электромагнитные связи при гашении поля

— полная индуктивность обмотки возбуждения.

Поскольку уравнения (34-1) и последующие уравнения написаны для приведенных обмоток, то собственные и взаимные индук-

тивности этих обмоток от основных гармоник поля в зазоре, согласно равенству (32-64), равны собственной индуктивности обмотки статора от основной гармоники поля L_aii.

Рис. 34-3. Кривые затухания токов в обмотках индуктора при гашении поля путем замыкания обмотки возбуждения накоротко (слева для турбогенератора с 7^₀ = 7 сек, Ту^ = 2,8 сек, Gfyd ⁼ 0,07, справа для гидрогенератора с Тд_й = 5 сек, Ту^ = — 0,8 сек, Ofy_d = 0,12): a — без учета и б и в — с учетом успокоительной обмотки у гидрогенератора и массивного тела ротора у турбогенератора

Решение уравнения (34-1) имеет вид

Величина T_d0 представляет собой постоянную времени обмотки возбуждения при отсутствии в ее цепи дополнительных сопротив-лений, при разомкнутой обмотке якоря и отсутствии успокоительной обмотки.

У различных синхронных машин Т_м = T_f = 2 ■*■ 14 сек (см. табл. 32-1). Кривые изменения i_f [см. выражение (34-3)]

изображены на рис. 34-3, а.

Если при гашении поля согласно схеме рис. 34-1, а включено сопротивление г_г = kjf, то постоянная времени будет в k_t + 1 раз меньше T_dQ и ток и поток возбуждения будут уменьшаться в k_r + 1 раз быстрее.

Умножая выражение (34-1) на if, получим уравнение мощностей

Первый член этого уравнения представляет собой мощность потерь в обмотке, а второй член — равновеликую мощность, которая выделяется в этой обмотке за счет уменьшения энергии магнитного поля и покрывает мощность потерь. Машина с успокоительной обмоткой при разомкнутой обмотке якоря. В этом случае по продольной оси имеются две индуктивно связанные цепи (рис. 34-2, б),

которым соответствует схема замещения рис. 34-4, а. При изменении тока if при гашении поля в успокоительной обмотке индуктируется ток i_yd, изменение которого в свою очередь влияет на ток i_f.

Закономерности изменения токов if, i_yd определяются дифференциальными уравнениями:

Рис. 34-4. Схемы замещения синхронного генератора при гашении поля

Решения этой системы уравнений имеют вид

Ввиду наличия двух самостоятельных цепей рассматриваемая система имеет две степени свободы и поэтому каждый из токов i_s, i_yd, как следует из выражений (34-6), имеет две составляющие, изменяющиеся по экспоненциальному закону с двумя различными постоянными времени Td₀ и T₀"_d. Последние зависят от собственных постоянных времени каждого контура: цепи возбуждения T_f = T_du [см. равенство (34-4)] и успокоительной обмотки

„ ^yd La_d-\-La_yd 'yd, 'yd

которые определяют изменение тока данного контура при отсутствии других замкнутых контуров.

Электромагнитное рассеяние между обмоткой возбуждения и успокоительной мало (L_af <J L_ad, L_ayd,<^L_ad и поэтому общий коэффициент рассеяния этих обмоток

также мал. Обычно для неявнополюсных машин <3^_d = 0,05 -4- 0,10 и для явнополюсных a_fyd = 0,10 н- 0,15. При этих условиях, как можно показать (см. конец данного параграфа), с большой точностью действительны следующие соотношения:

Таким образом, T'_d0 J> T_do и первая из этих постоянных приблизительно равна сумме T_d0 и T_yd0, а вторая во всех случаях значительно меньше как T_d0, так и T_yd0. При наличии гасительного сопротивления постоянные времени соответственно изменяются. Например, при k_r = 3 для турбогенератора с приведенными выше данными они равны 0,075 и 4,48 сек.

Величины отдельных составляющих токов i_f, i_yd при гашении поля находятся с помощью уравнений (34-5) и (34-6) по начальным условиям: когда t = 0, то if и i_yd = 0. При этом в уравнении (34-5) вместо производных if и i_yd необходимо подставить их значения, получаемые при дифференцировании соотношений (34-6). В результате, произведя некоторые упрощения, можно получить следующие выражения для начальных значений составляющих if и i_yd, входящих- в равенства (34-6):

Для турбогенератора с указанными в подписи к рис. 34-3 данными при г_г = 0, согласно выражениям (34-10), получим I_fl = == 0,715 i_f0; lf_% = I_yl = — /_y2 = 0,285 if₀, а для гидрогенератора с приведенными там же данными /д = 0,863 i_/0; l_i% = I_yl = = — /_У2 = 0,137 ij₀.

Таким образом, в успокоительной обмотке индуктируется тем меньший ток, чем больше r_yd или чем меньше T_yd0. На рис. 34-3, б и в изображены кривые затухания токов i_f и i_yd при гашении поля с г_г = 0. При наличии гасительного сопротивления кривые имеют в общем подобный же характер.

Подводя итоги изложенному о процессе гашения поля и затухании свободных токов в обмотках индуктора у машин с успокоительными обмотками при разомкнутой обмотке якоря, можно сделать следующие выводы.

Свободные токи обмотки возбуждения i_f и успокоительной i_ya имеют по две составляющие, одна из которых затухает медленно, с большей постоянной времени T'd₀, а другая — быстро, с малой постоянной времени T_d0. Вследствие этого потоки, создаваемые каждой из обмоток, также имеют две составляющие, затухающие с постоянными времени T'_d0 и T_d0. Но при гашении поля /_/2 = — /_у2, и поэтому в данном случае быстро изменяющиеся потоки двух обмоток, проходящие по путям магнитных потоков взаимной индукции через воздушный зазор, компенсируются.

Работа автомата гашения поля при наличии успокоительной обмотки облегчается, так как в успокоительной обмотке индуктируется ток i_yd, вследствие чего часть энергии магнитного поля передается в эту обмотку и гасится в ее активном сопротивлении. Однако это'заметно сказывается только в случае, когда сопротивление r_yd мало. В частности, влияние успокоительных обмоток явнопо-люсных машин в этом отношении незначительно.

Машина с успокоительной обмоткой и замкнутой обмоткой якоря. Рассмотрим здесь случай, когда возбужденный генератор работает в режиме трехфазного установившегося короткого замыкания (см. § 33-2) и затем обмотка возбуждения замыкается накоротко. Если пренебречь незначительным активным сопротивлением якоря, то ток короткого замыкания якоря / = /_т/~)/"2 будет чисто индуктивным и создаст продольный размагничивающий поток реакции якоря, сцепляющийся с обмотками возбуждения и успокоительной. Вследствие этого воздейстие тока обмотки якоря на магнитные поля обмоток индуктора будет таким же, как если бы обмотка якоря располагалась на индукторе по его продольной оси, вращалась вместе с индуктором и в ней протекал постоянный ток величиной I_m, затухающий вместе с токами i_f и i_yd. Поэтому в рассматриваемом случае действительна эквивалентная схема трех неподвижных относительно друг друга индуктивно связанных цепей, изображенная на рис. 34-2, в. В этой схеме взаимные индуктивности всех обмоток одинаковы и равны L_ad, и поэтому индуктивные связи между цепями можно заменить электрическими, в результате чего получается схема замещения рис. 34-4, б.

На схемах рис. 34-2, в и 34-4, б принято г_а = 0. Это эквивалентно предположению, что активное сопротивление якоря не влияет на затухание или постоянные времени токов i_f и i_yd. Основанием к такому предположению является следующее.

Причиной затухания токов в схемах рис. 34-2, а и б служит поглощение энергии магнитного поля в активных сопротивлениях этих схем в виде потерь r_frf и r_ydi_yd. В рассматриваемом случае, при гашении поля с замкнутой обмоткой якоря, в этой обмотке имеются потери величиной Зг_аР, однако при / = const эти потери полностью покрываются за счет механической энергии, подводимой

к ротору генератора, и поэтому они не вызывают затухания магнитного поля и токов if и i_yd, поддерживающих это поле. На затухание этих величин влияет лишь мощность потерь якоря, соответствующая трансформаторной э. д. с. самоиндукции якоря

При этом вместо рис. 34-4, б получим схему рис. 34-4, в, которую можно получить также, заменив в схеме рис. 34-4, a L_aa на L'_ad- Поэтому уравнения (34-5) и последующие равенства действительны и в рассматриваемом случае, если заменить в них L_ad на L'ad и Lf, L_yd на

Первая из этих величин представляет собой постоянную времени обмотки возбуждения при замкнутой обмотке якоря и отсутствии успокоительной обмотки, а вторая — постоянную времени успокоительной обмотки при замкнутой обмотке якоря и разомкнутой обмотке возбуждения.

В равенствах (34-6) в случае, когда гасительное сопротивление г_г = 0, теперь вместо T'd₀ и T'do будут фигурировать постоянные времени

Однако ввиду относительно медленного изменения 1_т эта э. д. с. мала и соответствующие потери составляют небольшую долю полных потерь обмотки якоря, вследствие чего сопротивление якоря г_а слабо влияет на затухание свободных токов индуктора. Поэтому включение в схему рис. 34-2, в и 34-4, б сопротивления г_а исказило бы реальные соотношения, и более близкие к действительности и достаточно точные результаты получаются, если положить г_а — 0. На схеме рис. 34-4, J) имеются параллельные индуктивности Lad ^и L_aa, которые можно объединить в общую, или эквивалентную, индуктивность

Корни этого уравнения

откуда и следуют выражения (34-9).

Дата добавления: 2015-07-18