Глава 12

12.7. Оценка результирующей устойчивости

Оценка результирующей устойчивости СЭС заключается в определении условий, при которых восстанавливается нормальный режим ее работы в случае возникновения в СЭС кратковременного асинхронного режима работы ее отдельных элементов. При этом следует анализировать как процесс при переходе ненагруженных синхронных машин из асинхронного режима в синхронный - процесс синхронизации, так и процесс вхождения в синхронизм нагруженных синхронных машин, ранее выпавших из синхронизма и работающих асинхронно, - процесс ресинхронизации. Этот анализ необходим для выяснения причин появления асинхронного режима и устранения его последствий, а также принятия мер, способствующих восстановлению синхронной работы электроустановок.

Рассмотрим условия восстановления синхронной работы генераторов и двигателей. Как уже отмечалось, асинхронные режимы работы синхронных машин возникают под действием разных причин: нарушения статической и динамической устойчивости; потери возбуждения; асинхронного пуска; кратковременных перерывов в питании; понижений напряжения, обусловленных отключением КЗ, действием АПВ или АВР; самозапуска синхронных двигателей после восстановления электроснабжения.

Для большинства синхронных генераторов асинхронный режим работы не представляет опасности, однако при этом снижается выработка ими активной мощности (ее называют асинхронной активной мощностью). Такие генераторы обычно потребляют из системы значительную реактивную мощность, необходимую для создания электромагнитных полей в случае асинхронной работы, что может сопровождаться нарушением баланса реактивной мощности в СЭС и приводит к снижению напряжения в ее узловых точках, нарушению устойчивой работы остальных генераторов и двигателей. Частично опасность таких последствий устраняется правильным выбором и размещением ИРМ в СЭС и использованием регулирующих устройств.

Допуская переход в асинхронные режимы, необходимо оценивать с точки зрения проявления возможных последствий такие факторы, как увеличение механических усилий в роторах генераторов при повышении частоты их вращения в асинхронном режиме, возрастание тока статора ввиду потребления из сети реактивной мощности, снижение вырабатываемой активной мощности и др. Если изменения названных величин находятся в допустимых пределах, то нормальную работу генератора можно восстановить, не отключая его от сети. В этом случае считают, что система сохраняет результирующую устойчивость, поскольку электроснабжение не нарушается.

Рис.12.21. Процесс выпадания генератора из синхронизма

Рис.12.22. Механические характеристики турбины и генератора при работе в асинхронном режиме

Процесс перехода генератора в асинхронный режим показав на рис. 12.21, Факт нарушения его динамической устойчивости (после отключения аварийного состояния и перехода с помощью АПВ на угловую характеристику мощности исходного режима) проиллюстрирован по методу площадей. Дальнейшее развитие процесса характеризуется увеличением скольжения и асинхронного момента [мощности ], а под действием регуляторов частоты вращения первичного двигателя снижается и момент турбины. Если при этом не учитывать пульсирующий характер синхронного момента , то создаются условия установившегося асинхронного режима (рис. 12.22), при котором увеличение частоты вращения прекращается.

Установившийся асинхронный режим в этом случае характеризуется средними значениями асинхронного момента и скольжения Вырабатываемая генератором в данном режиме асинхронная активная мощность

(12.140)

а реактивная асинхронная мощность

(12.141)

В реальных условиях между генератором и шинами неизменного напряжения имеется сеть (см. рис. 12.14, а), которая снижает асинхронный момент до значения, определяемого выражением

Для установления допустимости асинхронного режима определяют наибольшие значения асинхронных активной и реактивной мощностей, соответствующих наибольшему значению скольжения , которое определяется пульсацией синхронного момента.

Переход к процессу ресинхронизации возможен при дальнейшем снижении скольжения под действием регуляторов частоты вращения первичных двигателей или же аналогичного управляющего воздействия обслуживающего персонала. Скольжение в любой момент времени можно определить, решив уравнение относительного движения ротора генератора, преобразованного к виду

(12.142)

где .

Интегрируя (12.142) в пределах изменения скольжения и угла , получаем

откуда

(12.143)

Если в установившемся асинхронном режиме снижать среднее значение скольжения, то с учетом пульсации скольжения возможен го переход через нулевое значение. Это необходимое условие, соответствующее процессу ресинхронизации, выполняется при

(12.144)

(12.145)

Ресинхронизация наступает при условии

(12.146)

где - среднее значение скольжения в установившемся асинхронном режиме; - среднее значение скольжения при ресинхронизации.

Условие ресинхронизации (12.146) является необходимым, но недостаточным. Оно указывает на то, что для успешной ресинхронизации при s = 0 должно соблюдаться соотношение моментов

(12.147)

Таким образом, успешная ресинхронизация может быть обеспечена регулированием частоты вращения и момента первичного двигателя в сторону их уменьшения или увеличением синхронного момента генератора (регулированием его возбуждения), что и определяет состав технических средств обеспечения процесса ресинхронизации. В большинстве случаев для ресинхронизации генераторов ТЭС промышленных предприятий этих средств достаточно. Специальные меры для восстановления синхронизма генераторов могут потребоваться лишь при связях с малым запасом статической устойчивости частей системы.

Рассмотренная грубая количественная оценка результирующей устойчивости генераторов позволяет проводить лишь ее качественный анализ и может использоваться в практических расчетах для оценки возможности ресинхронизации. Основные положения более точного анализа результирующей устойчивости генераторов изложены в [7] и могут быть реализованы с помощью ЭВМ.

Восстановление синхронного режима работы синхронных двигателей производится для ответственных механизмов, сохранение которых в работе необходимо по условиям технологии производства и допустимо по условиям техники безопасности. Оно может осуществляться: ресинхронизацией; ресинхронизацией с автоматической кратковременной разгрузкой рабочего механизма (если она допускается по условиям технологического процесса) до такой степени, при которой обеспечивается втягивание электродвигателя в синхронизм; отключением электродвигателя и повторным его автоматическим пуском.

На процесс ресинхронизации двигателя влияют следующие факторы: характеристики двигателя, его система возбуждения, степень загрузки, зависимость момента сопротивления технологического механизма от скольжения, момент инерции агрегата двигатель - механизм, напряжение на зажимах двигателя, длительность перерыва в питании.

Процесс ресинхронизации двигателя можно условно разделить на два этапа: разгон при до подсинхронной частоты вращения; вхождение в синхронизм. На первом этапе уравнение синхронного двигателя такое же, как и асинхронного,-(12.12). Двигатель разгоняется до подсинхронного скольжения, которое определяется равенством моментов. На втором этапе на асинхронно работающий с подсинхронным скольжением двигатель подается возбуждение. Развиваемый им суммарный электромагнитный момент [см. уравнение (12.8)] для практических расчетов записывают в виде

(12.148)

где выделяют составляющие:

синхронизирующий момент, определяемый возбуждением,

(12.149)

реактивный синхронизирующий момент, обусловленный магнитной несимметрией ротора,

(12.150)

тормозной момент, возникающий за счет токов, наводимых в обмотке статора, при работе двигателя с возбуждением

(12.151)

Здесь и - активные сопротивления обмотки статора двигателя и питающей сети.

Процесс ресинхронизации двигателя по уравнению (12.8) с учетом (12.148) оценивают методом последовательных интервалов. Для грубой оценки возможности вхождения двигателя в синхронизм сравнивают следующие величины:

1) момент сопротивления технологического механизма при скольжении с асинхронным моментом двигателя при том же значении скольжения, учитывая напряжение на зажимах двигателя и состояние системы возбуждения. При этом должно выполняться условие

(12.152)

Асинхронный момент двигателя при и (входной) приводится в каталогах, а момент сопротивления механизма можно рассчитать по формуле (12.16). Оценка по условию (12.152) является приближенной (имеет значительный запас);

2) некоторое критическое скольжение , при котором еще возможна синхронизация двигателя при пуске и самозапуске со скольжением установившегося асинхронного режима. При этом должно выполняться условие

(12.153)

Расчет условий ресинхронизации при пуске и самозапуске синхронных двигателей изложен в гл. 15.