Форсировка возбуждения генератора при авариях¶

Форсировка возбуждения генератора при авариях — это автоматическое кратковременное увеличение тока возбуждения синхронного генератора сверх номинального значения, осуществляемое для поддержания напряжения на шинах электростанции и сохранения динамической устойчивости энергосистемы при коротких замыканиях и других тяжёлых возмущениях.

¶Назначение

При возникновении короткого замыкания в энергосистеме напряжение на выводах генератора резко снижается. Электромагнитный момент генератора падает, в то время как механический момент турбины остаётся неизменным, что приводит к ускорению ротора. Если угол нагрузки превысит критическое значение, генератор выпадает из синхронизма.

Форсировка возбуждения решает две основные задачи:

• поддержание напряжения на шинах собственных нужд электростанции на допустимом уровне, что предотвращает опрокидывание двигателей собственных нужд и остановку технологических механизмов;
• увеличение электромагнитного момента генератора за счёт роста тока статора, что ограничивает ускорение ротора и способствует сохранению динамической устойчивости.

¶Принцип действия

При снижении напряжения на выводах генератора ниже уставки срабатывания (обычно 0,8–0,85 номинального) автоматический регулятор возбуждения формирует сигнал на увеличение тока ротора. Система возбуждения переходит в режим форсировки, при котором ток возбуждения достигает предельного значения, определяемого характеристиками возбудителя и допустимым нагревом обмотки ротора.

Предельное значение тока форсировки составляет 1,8–2,5 от номинального тока ротора. Длительность форсировки ограничена тепловой инерцией обмотки ротора и составляет, как правило, 20–50 секунд. По истечении этого времени ток возбуждения автоматически снижается до допустимого длительного значения.

¶Кратность форсировки

Кратность форсировки — отношение предельного тока возбуждения к номинальному. Этот параметр является одной из важнейших характеристик системы возбуждения. Чем выше кратность форсировки, тем быстрее восстанавливается напряжение и тем выше предел динамической устойчивости.

Для современных генераторов большой мощности кратность форсировки составляет 2,0–2,5. Быстродействующие системы возбуждения обеспечивают скорость нарастания тока ротора от 1 до 2 единиц номинального тока в секунду.

¶Типы систем возбуждения и особенности форсировки

¶Электромашинные системы возбуждения

В системах с электромашинными возбудителями форсировка достигается за счёт увеличения напряжения возбудителя. Постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя составляет 0,5–2 секунды, что ограничивает быстродействие форсировки. Для повышения быстродействия применяются компаундирующие устройства и быстродействующие регуляторы.

¶Тиристорные системы возбуждения

Тиристорные (статические) системы возбуждения обеспечивают практически мгновенное увеличение тока ротора. Управление осуществляется изменением угла открытия тиристорных преобразователей. Такие системы обладают наибольшим быстродействием и позволяют реализовать форсировку с кратностью до 2,5 за 0,02–0,05 секунды.

¶Бесщёточные системы возбуждения

В бесщёточных системах возбудитель и выпрямитель вращаются на одном валу с генератором. Особенность форсировки в таких системах — наличие постоянной времени возбудителя, что несколько снижает быстродействие по сравнению с тиристорными системами.

¶Управление форсировкой

Современные автоматические регуляторы возбуждения сильного действия (АРВ СД) реализуют форсировку не только по отклонению напряжения, но и по производной напряжения, току статора и другим параметрам. Это позволяет более точно управлять переходными процессами.

При ликвидации короткого замыкания форсировка продолжается до восстановления напряжения или до срабатывания ограничителя перегрузки ротора. Ограничитель перегрузки контролирует тепловое состояние обмотки ротора и снижает ток возбуждения до допустимого значения после заданной выдержки времени.

¶Влияние на устойчивость энергосистемы

Форсировка возбуждения существенно повышает предел передаваемой мощности по линиям электропередачи. Применение быстродействующих систем возбуждения с высокократной форсировкой позволяет увеличить пропускную способность дальних линий электропередачи на 15–25 % без дополнительных капитальных затрат.

Отказ или недостаточная эффективность форсировки при тяжёлых авариях может привести к каскадному развитию аварии, массовому отключению потребителей и распаду энергосистемы на несинхронно работающие части.

¶Требования нормативных документов

Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей требуют, чтобы все синхронные генераторы, работающие в энергосистеме, были оснащены автоматическими регуляторами возбуждения с форсировкой. Параметры форсировки проверяются при пусконаладочных работах и периодических испытаниях. Нормативные документы устанавливают минимальные значения кратности форсировки для генераторов различных типов.