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第2章水轮发电机的自动并列水轮发电机的并列方式12准同期点条件分析3手动准同期4同期点的选择和同期电压的引入自动准同期5微机型自动准同期装置的工作原理62.1水轮发电机的并列方式1、同步发电机在电网中并列运行的概念正常情况时,在电力系统中并列运行的同步发电机是以相同的电角速度、出口的折算电压相等的情况运行,称为并列(或同步)运行。电力系统的电压瞬时值可表示为:()sin()sysmutUt注:在电机行业中,电角度与电机的极数有关。如果电机只有一对极(p=1),则电机一周是360个电角度;两对极(p=2),720个电角度;三对极(p=3),1080个电角度,等等,也就是电机的极对数p与电角度的关系是:电机的总电角度=360×p。而电机每转一周,它的角速度是360度。由此知道,电机的电角速度=角速度×p。③提高供电的经济性和灵活性:若水电厂与火电厂并联,在枯水期和丰水期两种电站可以调配发电,在用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量,提高发电效率和供电灵活性,并使负荷分配更为合理,减少电力系统的备用容量,充分利用各种动力资源。由许多同步发电机并列运行组成的电力系统相对于孤立网来讲,具有以下优点:①可以提高供电的可靠性:单台电机故障或检修不会引起停电事故。②可以提高供电的电能质量:电网容量大,单台发电机投入与停机、个别负载的变化对电网的影响很小,衡量供电质量的电压和频率可视为不变的常数。这种将发电机投入电力系统并列运行的操作,称为并列操作或同期操作;用于完成并列操作的装置称为同期装置;水轮发电机在投入电力系统并列运行以前,与系统中的其它发电机是不同步的,如果要使它与系统中已运行的发电机并列运行,则必须按一定的要求完成各种操作。水轮发电机有准同期和自同期两种并列方式,并且各自又分为手动操作和自动操作:由于同步发电机在开机时必须有并列操作,因此并列操作是水电站一项重要且经常进行的操作。在正常运行时进行并列操作,以便使机组投入系统并列运行;在系统或电站发生事故时,通过并列操作来迅速恢复水电站甚至整个系统的正常运行。自动(或手动)操作准同期自同期自动自同期手动自同期自动准同期手动准同期发电机与电力系统的频率相同;发电机与电力系统的相序相同;发电机与电力系统的电压相同;发电机与电力系统的相位相同。同步发电机准同期并列的条件:如果完全满足并列条件的并列操作,发电机定子回路的电流将为零,对机组将不会产生电流或电磁力矩的冲击。sysGffsysGUUsysGsysGCBACBA),,(),,(2、准同期但是,在实际操作中很难精确满足并列条件。实际上,只要造成的电流冲击和电磁力冲击不超过允许范围,就不会对机组造成危害。但在采用准同期方式并列时必须防止非同期并列,否者可能使得发电机遭到破坏。②如果电压或频率不相同,将对机组产生很大的电磁冲击力,甚至高达额定力矩的8~26倍。而发电机出口短路时的最大电磁力矩只有额定力矩的3~8倍;①如果相位差为180°时非同期合闸,则发电机定子绕组的冲击电流将比发电机出口的三相短路电流大一倍;非同期并列操作可能使机组严重损坏:可能造成非同期并列的原因为:发电机的一次或二次接线不正确;同期装置工作不正确;运行人员误操作。准同期并列可能发生的危险不是不可避免的,在正常情况下,特别是采用自动准同期时,这种并列方式可以得到比较理想的结果,因此这种并列方式得到了广泛的应用,成为水电站的主要并列方式。同步发电机准同期并列操作的过程:满足打开机组导叶到空载位置发电机接近同步转速发电机投入励磁调节水轮发电机的电压和转速判断发电机是否满足并列条件将机组投入系统并列运行不满足水流进入水轮机,机组开始起动建立磁场,发电机定子建压改变励磁电流和导叶开度发电机断路器合闸注:导叶空载位置,就是指在空载情况下,导叶开到这个位置,机组运转速度在额定转速附近。自同期操作的过程:3、自同期系统发生事故时,电压和频率可能降低并不断发生变化,此时用准同期方式并列将发生困难,因此就出现了自同期的并列方式。自同期是将未励磁而转速接近同步转速的发电机投入系统,并立即(或经过一定时间)加上励磁,这样发电机经很短的时间便被自动拉入同步。打开机组导叶到空载位置发电机接近同步转速发电机投入励磁发电机断路器合闸机组并入系统运行水流进入水轮机,机组开始起动发电机作为异步电动机运行机组被拉入同步采用自动自同期并列的水轮发电机,从发出开机脉冲到发电机投入系统,一般只需要20-40s甚至更短的时间。因此,自同期并列为电力系统发生故障而出现低频、低压时,启动备用机组创造了很好的条件,对于防止事故扩大,迅速恢复系统起到重要作用。自同期的优点:不需调整电压、相位和精确调整转速,操作简单;由于并列操作时未投励,消除了非同期并列的可能;与准同期相比,大大缩短了并列的时间。①出现短时间的电流冲击,并使系统电压下降;②冲击电流引起的电磁力可能对定子绕组绝缘和定子绕组端部造成不良影响;③冲击电磁力矩将使机组大轴产生扭矩,并引起振动。由于发电机以自同期投入系统时,未励磁的发电机相当于异步电动机,因此自同期存在如下缺点:但是,冲击电流和冲击电磁力矩均比发电机出口三相短路时小,并且缩减快,通常不会对发电机造成损害。但冲击电流产生的电磁力可能对定子绕组绝缘和端部造成累计性变形和损害。特别是自同期时发电机处于冷状态,造成的不良影响比热状态下的发电机出口三相短路更严重。因此,根据各种同期方式的优缺点,它们水电站在同期操作中的一般应用情况是:以自动准同期作为机组正常时的并列方式,并带有非同期闭锁;以手动准同期作为备用,并带有非同期闭锁;在事故时,采用自动自同期并列。•发电机或发变组的断路器是同期点;为了实现机组与系统的并列运行,水电站必须有一部分断路器由同期装置来进行操作,这些用于同期并列的断路器称为同期点。2.2同期点的选择和同期电压的引入确定水电站同期点的一般原则有以下几点:选择同期点的基本原则是:如果一个断路器的两侧都有电源且可能不同步,则该断路器应该是同期点。1、同期点的选择GS同期点同期点GS电源电源母线同期点电源•在对侧有电源的线路断路器是同期点;•三绕组变压器或自耦变压器与电源连接的各侧断路器是同期点;•低压侧与母线连接的双绕组变压器,应有一侧断路器作为同期点,以便在变压器投入时进行并列操作;同期点电源电源同期点同期点母线•分段断路器、母联断路器、旁路断路器是同期点。母线I母线Ⅱ同期点电源2、同期电压的引入采用准同期方式并列时,需检查同期条件,而同期条件的判断是通过同期电压的检查来进行的。因此,需将待并发电机和系统的电压通过电压互感器引入同期装置,进行比较判断。由于机组的升压变压器通常采用了Y,d11接线,导致变压器两侧相间电压存在30°的相位差。在中性点接地系统中,为了校正引自PT(电压互感器)电压的相位,可从变压器高压侧PT接成开口三角形的绕组取得电压,使同期点两侧电压的相位相符。相位相差30°相位相同PTPTabuabuabu同期点相位相差30°高压侧(电网)低压侧(发电机)相位相差30°相位相同2PT1PTabuabuabu同期点相位相差30°高压侧低压侧UABUab30oUab超前UAB30°AB低压侧A点:高压侧B点:abuabuY,d11接线,使A点所对应的UAB的相位滞后2PT所对应的uab的相位30度。现要求A点侧的uab与B点侧的uab同步变化,那么只要使B点所对应的UAB的相位滞后1PT所对应的uab的相位30度,就可以实现同期点两侧的电压相位相符,很显然1PT右边这个接线法满足要求。ACBACB开口三角形接法如下所示,对于电压互感器的开口三角形接法。需注意的是,对于中性点不接地系统,上述引入电压的方法是不可行的,因为同期装置通常使用100V电压,而在那种系统中,互感器辅助二次绕组的两端,在正常情况下不可能得到100V电压。因为在正常情况下,开口三角形的开口电压为零(三相平衡,矢量和为零),当发生单相接地短路,只有另外两相的电压矢量相加,开口处的电压就是正常两相的线电压,就是100V。ACBACBACBACBACB2.3准同期点条件分析准同期并列的理想条件是:待并发电机的电压与系统电压数值相等;频率相等;在投入发电机瞬间,电压间的瞬时相位差为零。此外,还应保证待并发电机与系统的相序(即旋转方向)相同,不过这个问题在发电机安装调试时已经已经解决,可不作为并列的条件考虑。在实际的并列操作中,上述三个条件一般很难同时满足。例如,当满足第二个条件时,发电机与系统是相对静止的,相位差保持不变。这样,第三个条件就难于实现。由于理想条件的难于实现,故并列时一般将产生电流和电磁力矩。为了把这些冲击控制在允许范围内,就必须对并列时的电压数值差、相位差和频率差提出一定的要求。下面将以如图所示的发电机组并网为例来进行分析。并列前同期点两侧的电压为:发电机侧瞬时电压系统侧瞬时电压)sin()()(GGGGstUtutu)sin()()(syssyssyssysstUtutu~GUsysUQFGUsysUUUGUsysUsysEGEGXsysX接线图向量图等效电路图Xc为发电机电抗,Xsys为系统电抗。1、对同期电压差的要求设发电机并列时的电压向量图如下,即并列时:•发电机频率等于电网频率;•发电机相角与电网相角差为零;•发电机电压幅值与电网幅值不等。sysGff0sysG0sysGUUU此时,并网时冲击电流的瞬时值为dsysGcXUUI)(28.1max.当时,发电机吸收系统无功。0U当时,发电机向系统输送无功。0U•对发电机而言,Ic呈感性,起去磁作用;•对系统而言,Ic呈容性,起助磁作用。•对发电机而言,Ic呈容性,起助磁作用;•对系统而言,Ic呈感性,起去磁作用。GUcI0UGUcI0UsysUsysU无功冲击电流不会引起电磁力矩冲击,但在过大时可能使发电机定子过热,还可能导致绕组端部损坏。国家标准要求:rUU%10~5cI发电机发出或吸收无功主要是看机组运行时的励磁电流是否大于空载励磁电流,如果大于空载励磁电流则发出无功,小于空载励磁电流则吸收系统无功。一般情况下机组都是发出无功、有功,同时负荷也多为感性负荷。根据功率平衡,机组发出的无功功率和感性负载吸收的无功功率基本相等时系统电压(或并网的机组电压)才能够维持恒定。当机组发出的无功大于感性负荷消耗的无功时,发电机电压会大于额定电压,此时励磁系统会及时进行调整以维持并网机组的机端电压。为什么Ic呈容性,起助磁作用?Ic呈感性,起去磁作用?这可以从主磁场与电枢磁场的相互作用来理解,具体如下:当电枢绕组中没有电流通过时,由磁极所形成的磁场称为主磁场,近似按正弦规律分布。当电枢绕组中有电流通过时,绕组本身产生一个磁场,称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的作用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应:(1)纯电阻性负载时的电枢反应电枢磁场的电动势与电流相位相同,电枢磁场使主磁场发生畸变,一半加强,一半削弱;NS增强减弱增强减弱(2)纯电感性负载时的电枢反应电枢磁场的电流滞后于电动势90度,电枢磁场产生的电动势与主磁场产生的电动势方向相反,因此削弱了主磁场电动势,这就是为什么三相电路中含有电感性元件时电压下降的原因;这叫去磁电枢反应。NS减弱减弱减弱减弱(3)纯电容性负载时的电枢反应电枢磁场的电流超前于电动势90度,因电枢磁场与主磁场成90度,电枢磁场产生的电动势与主磁场产生的电动势方向相同,因此加强了主磁场电动势,这就是为什么三相电路中含有电容性元件时端电压上升的原因;这叫助磁电枢反应。NS增强增强增强增强设发电机并列时的电压向量图如下,即并列时:•发电机频率等于电网频率;•发电机相角与电网相角差不为零;•发电机电压幅值与电网幅值相等。sysGff0sysGUUU此时,并网时冲击电流的瞬时值为2、对同期相位差的要求0sysG2sin28.1max.dsyscXUI
本文标题:第2章(自动化)
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