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).

⇐ Предыдущая80818283848586878889Следующая ⇒

Поделиться: