Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств

Синхронная машина — это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в цепи, подключенной к обмотке якоря, не зависит от нагрузки в области допустимых нагрузок (ГОСТ 27471 -87).

Синхронный компенсатор (СК) — это синхронная машина, работающая без механической нагрузки, предназначенная для выдачи или потребления реактивной мощности (СТ МЭК 50(411)—73).

Энергосистема вырабатывает активную и реактивную энергию, между которыми имеется существенное различие.

Активная электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т. д.), необходимые для выполнения полезной работы.

Реактивная же энергия в другие виды энергии не переходит, а связана лишь с ее переносом от электрических полей к магнитным и обратно. Она создает условия, при которых активная энергия совершает работу, например, создает вращающие моменты в асинхронных двигателях, обеспечивает требуемое реактивное сопротивление в коротких цепях (например, при электросварке) и т. д.

Многие электроприемники наряду с активной мощностью потребляют и реактивную, причем у некоторых из них (например, у сварочных трансформаторов) доля потребления реактивной мощности превосходит долю потребления активной. Это вызывает дополнительные потери электроэнергии и напряжения в сети, ухудшает пропускную способность сетей и требует значительных затрат на компенсацию реактивной мощности.

С одной стороны, реактивная мощность необходима потребителям электрической энергии, например, приводным асинхронным двигателям (для создания вращающего момента на их валу), сварочным трансформаторам (для получения крутопадающей внешней характеристики вторичного контура сварочного трансформатора с целью стабилизации сварочного тока), люминесцентным светильникам, реакторам и др.

С другой стороны, для обеспечения надлежащих технико-экономических показателей работы электрических сетей и повышения их пропускной способности величину реактивной мощности стремятся снизить за счет ее компенсации.

Передача реактивной мощности связана с потерями энергии (активной и реактивной) практически во всех элементах электросети: в ЛЭП, трансформаторах и распределительных сетях.

СК являются экономичным регулируемым источником реактивной мощности в энергосистемах, особенно на ПС дальних ЛЭП высоких и сверхвысоких напряжений. С помощью СК в зависимости от изменения нагрузок регулируют напряжение на шинах приемной и промежуточных ПС, компенсируют потоки реактивной мощности по линиям и обеспечивают повышение их пропускной способности. Кроме того, СК поддерживают динамическую устойчивость энергосистем при КЗ.

Кроме синхронных генераторов источниками реактивной мощности в электрических сетях являются емкостные элементы сети: силовые конденсаторные батареи, ЛЭП (особенно ЛЭП высших классов напряжения), перевозбужденные синхронные двигатели, СК и др., работающие параллельно с генераторами электростанций.

Отдача или получение реактивной мощности связана в основном с уровнем возбуждения синхронной машины, а именно:

увеличение тока возбуждения приводит к увеличению генерирования реактивной мощности;

снижение тока возбуждения приводит к противоположному результату.

СК может работать в режимах недовозбуждения или перевозбуждения.

Режим недовозбуждения характеризуется тем, что если ток возбуждения уменьшать, то в токе, потребляемом СК от сборных шин ПС, будет возрастать индуктивная составляющая, что вызовет потребление из сети реактивной мощности с соответствующим возрастанием потерь в сети.

В режиме перевозбуждения ток возбуждения превышает ток ХХ и СК потребляет из сети опережающий ток, что соответствует отдаче в сеть реактивной мощности.

Таким образом, по отношению к сети СК в зависимости от тока возбуждения ведет себя как индуктивность или как емкость, являясь, соответственно, потребителем или источником реактивной мощности.

3.2. Системы возбуждения синхронных компенсаторов

При эксплуатации СК должны быть обеспечены их бесперебойная работа в допустимых режимах, надежное действие систем возбуждения, охлаждения, водоснабжения, маслоснабжения, устройств РЗиА и т. д.

Установленный режим работы СК по разным причинам (от изменения напряжения сети, при КЗ и т. д.) может самопроизвольно изменяться. Во многих таких случаях с целью поддержания устойчивости параллельной работы электростанций и снижения колебаний напряжения на шинах потребителей необходима автоматическая или ручная форсировка возбуждения.

В настоящее время применяются следующие системы возбуждения: электромашинная система, тиристорная реверсивная система (вместо ионного возбуждения), система бесщеточного возбуждения.

Электромашинная система возбуждения. При этой системе возбуждения возбудительный агрегат состоит из возбудителя постоянного тока, приводного асинхронного двигателя и подвозбудителя постоянного тока с самовозбуждением. В схеме автоматического регулирования напряжения имеется устройство компаундирования, состоящее из промежуточного трансформатора и выпрямителей. Выпрямленный ток изменяется пропорционально току статора.

Если напряжение в сети, например, изменилось до 0,9U_ном, то при постоянном токе ротора это приведет к увеличению тока статора. На выходе устройства компаундирования возрастает ток, посылаемый им в обмотку возбуждения возбудителя, что приводит к увеличению тока в роторе и частичному восстановлению напряжения на шинах. Поскольку устройство не обеспечивает точного поддержания напряжения на шинах ПС, то одновременно с регулированием по току статора применяется еще регулирование по напряжению на выводах статора. Оно выполняется корректором напряжения, вступающим в работу с некоторым опозданием, вносимым усилителем устройства. Корректор увеличивает возбуждение СК, изменяя ток в дополнительных обмотках возбудителя.

Ручное управление нагрузкой СК производится шунтовым реостатом при отключенном корректоре напряжения, если корректор включен его установочным трансформатором.

При КЗ, когда напряжение в сети резко снижается (до 0,85U_ном и ниже), вступает в действие форсировка возбуждения. При ее срабатывании закорачивается шунтовой реостат в цепи возбуждения возбудителя. В результате ток ротора увеличивается до максимального и возбуждение СК достигает предельного значения.

Персоналу запрещается вмешиваться в работу устройства автоматического регулирования возбуждения, если время форсировки не превышает допустимое.

После отключения КЗ или по истечении установленного времени форсировки СК должен автоматически разгружаться и переводиться в номинальный режим работы.

Энергия магнитного поля СК при отключении его от сети превращается в электрическую энергию. Переходный процесс может привести к появлению опасных для изоляции обмотки ротора и контактных колец перенапряжений. Если отключение СК вызвано еще и повреждением внутри машины, то ток в обмотке возбуждения будет длительно индуктировать в статорной обмотке ЭДС, что приведет к устойчивому горению дуги и увеличению степени повреждения.

Поэтому при внутренних КЗ необходимо не только отключение СК от сети, но и по возможности плавное гашение магнитного поля возбуждения.

Отключение обмотки ротора СК от возбудителя и одновременное гашение магнитного поля выполняются быстродействующим автоматом гашения поля (АГП).