Основные виды векторных диаграмм напряжений синхронных генераторов

Различают режимы работы нейтрали:

1) резонансно-заземленная; 2) изолированная (от 6 до 35 кВ); 3) глухозаземленная; 4) эффективнозаземленная.

Выбор режима работы нейтрали зависит от величины тока кз одной фазы на землю. По величине этого тока ПУЭ разделяет все установки:

1) установки с большим током кз одной фазы на землю, более 500А. Это установки с напряжением более 110 кВ. 2) Установки с малым током кз одной фазы на землю, менее 500А. Это установки с напряжением то 6 до 35 кВ.

1) Рассмотрим установки с изолированной нейтралью

Uа=Ub=Uc=Uф, Iга=Iгb=Iгс (*),

Где Iсо – емкостной зарядный ток линии.

Каждая фаза относительно земли находится под фазным напряжением. И если система симметрична, то (*). Кроме того каждая фаза с землей образует простейший конденсатор, т.е. обладает емкостью, которая равномерно распределяется вдоль всей длины провода. Под действием Uф через эту емкость потечет ток, который называется разрядным током линии.

Iсо=Uф/Хс=2πfCUф.

Iсо как видно из векторной диаграммы, по сравнению с током нагрузки имеет малое значение, а значит на нагрузку линии не влияет. В сумме Iсо=0 и вместе с тем он улучшает cosφ генератора.

Рассмотрим режим замыкания фазы на землю: замыкается фаза

С.

При замыкании фазы С, в точке замыкания появляется напряжение нулевой последовательности, равное по величине и обратное по направлению напряжению замкнувшейся фазы (ЗUо). Это напряжение накладывается на каждую фазу, вследствие чего напряжение на поврежденных фазах увеличивается до линейного, а на поврежденной фазе падает до нуля, что подтверждается векторной диаграммой.

Т.к. изменились напряжения по фазам, изменятся и емкостные токи в фазах, т.е. Iса=√3Iсоа, Iсb=√3Iсоb

Iсс=0. Поэтому ΣIсо=0 и через точку замыкания бежит ток Ic=Ica+Icb. Из векторной диаграммы видно, что ток Iс равен:

Знак «-« указывает, что ток Iс течет к источнику. Рассмотрев фрагмент векторной диаграммы, определим:

нормального емкостного тока в фазе и поэтому им пренебрегать нельзя.

Установки с изолированной нейтралью работают при напряжении 6,10-35 кВ, т.е. в сетях где производится питание потребителей. Т.к. примерно 75% всех повреждений составляют однофазные замыкания на землю, то: 1) ток через точку замыкания имеет малое значение; 2) линейный треугольник напряжения у потребителя не изменяется; 3) экономически не выгодно при каждом однофазном замыкании отключать потребитель.

ПТЭ при однофазном замыкании на землю в такой сети оставляют установку с замкнувшейся фазой на 2 часа при условии: 1) изоляция должна быть рассчитана на линейное напряжение; 2) ток замыкания не должен превышать допустимого значения Iс=Iсдоп.

Iс определяется на стадии проектирования по формулам:

Для определения времени замыкания и поврежденной фазы во всех цепях производится контроль изоляции. Для этого на каждую систему или секцию шин подключается ТН, имеющий 2 вторичные обмотки: 1) по схеме «звезда»-основная, к ней подключаются измерительные приборы; 2) по схеме «разомкнутый треугольник»-к ней подключаются устройства для обнаружения замыкания на землю.

К обмотке разомкнутого треугольника подключается реле максимального напряжения. В нормальном режиме на выводах этой обмотки U=0, а при однофазном замыкании на землю на выводах обмотки появляется U, пропорциональное Uф. Реле срабатывает на сигнал – световой, в виде табло на щите управления, и звуковой, предупредительный сигнал, звонок. По показаниям вольтметра определяется поврежденная фаза. Чтобы определить на какой линии произошло замыкание на землю, на кабель, отходящий к потребителю (фидер) одевается ТТ нулевой последовательности (бублик), к которому подключается токовое реле. При однофазном замыкании реле срабатывает так же на сигнал, т.е. запускает сигнальное реле-блинкер. По сработавшему блинкеру определяют поврежденную линию.

Работа установки в течение 2 часов с поврежденной фазой ограничивается: 1) в режиме замыкания одной фазы через магнитопровод ТН замыкается увеличенный поток (нарушается симметрия) и ТН выходит из строя (перегрев). 2) замыкания на землю как правило происходят через дугу и, чем дольше работает установка с поврежденной фазой, тем больше вероятность повреждения соседних фаз. Все три обмотки у ТН должны быть заземлены: вторичные для безопасности, а первичная обмотка заземляется для того, чтобы при однофазном замыкании на землю правильно распределился магнитный поток ТН, т.е. правильно показывали приборы.

Установки с резонансно заземленной нейтралью

В нормальном режиме установка работает аналогично установке с изолированной нейтралью, т.к. U на катушке =0. Катушка индуктивности подключается в нейтраль в установках 6,10-35 кВ если Iс>Iсдоп.

При замыкании фазы С на землю катушка оказывается под Uф, и через точку замыкания протекает 2 тока Iс и IL, которые взаимно компенсируют друг друга, но не до нуля, а до величины срабатывания токового реле. Поэтому установка с такой нейтралью при замыкании на землю работает так же как и предыдущая.

Мощность компенсирующего устройства определяется по формуле Qc=n∙Ic∙Uф.

где n-коэффициент расширения сети (1-1,25), Iс- расчетный ток замыкания на землю.

Схема подключения компенсирующей установки

На 35 кВ компенсирующее устройство подключается к обмотке трансформатора, т.к. она подключается по схеме Y. По ПТЭ

компенсирующие катушки на 35 кВ устанавливаются на узловой подстанции, если HE имеет 3 и более отходящих линии.

На подстанциях 6-10 кВ катушку можно подключить либо к ТСН, либо к дополнительному силовому трансформатору, работающему на ХХ. Предпочтительно принимать силовой трансформатор со схемой Y/Δ. Если катушка подключается к ТСН и ее мощность соизмерима с мощностью ТСН, то действительный ток компенсации будет меньше номинального тока компенсации из-за взаимного влияния:

Подключив катушку к нагруженному трансформатору при однофазном замыкании появится дополнительная нагрузка, которая приводит к нагреву. Тогда допустимая мощность катушки, которую можно подключить к нагруженному трансформатору:

При подключении к трансформатору, работающему на ХХ: Qкат.доп ≤ Sнт, Qкат.доп ≤ Кпер∙Sнт.

Установки с эффективнозаземленной и глухозаземленной нейтралью.

В сетях 110 кВ и выше выполнять изолированную или компенсированную нейтраль экономически не выгодно (нет конкретного потребителя, стоимость изоляции при протяженных линиях такого напряжения достаточно высока). Поэтому эти установки должны работать с глухозаземленной нейтралью.

Но при большом количестве заземленных трансформаторов (нейтралей) в сети ток однофазного замыкания может превышать ток трехфазного КЗ, по которому выбирается все оборудование станций и подстанций. Поэтому часто возникает необходимость уменьшения однофазных токов замыкания на землю путем частичного разземления нейтралей. Для этого в цепи нейтралей 110 кВ и 220 кВ устанавливают коммутационные аппараты: отделитель, разделитель, короткозамыкатель. Согласно ПУЭ наглухо должны заземляться нейтрали автотрансформаторов, независимо от U, а также трансформаторы 330 кВ и выше. Т.о. установки 110 кВ и 220 кВ работают с эффективнозаземленной нейтралью, а 330 кВ и выше с глухозаземленной.

Схема заземления нейтралей

Защита от однофазных замыканий на землю у трансформаторов с глухозаземленной нейтралью включается в нейтраль трансформаторов к трансформаторам тока. У тр-ров с эффективнозаземленной нейтралью кроме коммутационных аппаратов устанавливается ОПН или разрядники. Они необходимы для того, чтобы при разземленной нейтрали через них создавался контур при ОКЗ для срабатывания защиты, установленной в нейтрали трансформатора. Эти ОПН должны выбираться на ступень ниже, чем напряжение в сети. Кроме этого ОПН в нейтрали защищают нейтраль от перенапряжений.

Для питания защиты по напряжению на шинах устанавливается ТН. От разомкнутого треугольника запитывается защита от ОКЗ, которая входит в комплект дистанционной защиты линии (реле мощности).

С глухозаземленной нейтралью работают установки до 1000 В.

Глухозаземленная нейтраль в установках до 1000 В применяется: 1) для безопасности (зануления) установки; 2) для создания 2 систем напряжения одного источника (220 и 380 В).

Основные виды векторных диаграмм напряжений синхронных генераторов

Явнополюсная машина

Напряжение фазы обмотки генератора равно сумме индуктируемых в этой обмотке э. д. с. минус падение напряжении к активном сопротивлении фазы обмотки якоря .

В соответствии с этим можно написать уравнение напряжения явнополюсного синхронного генератора:

(33-1)

Э. д. с. реакции якоря и рассеяния можно выразить черед соответствую­щие токи и индуктивные сопроти­вления:

; ; (33-2)

При этом вместо (33-1) получим

(33-3)

Уравнение (33-3) можно прочитать также так: напряжение генератора U равно э. д. с. Е, индуктируемой то­ком возбуждения, минус падения на­пряжения в индуктивных сопротивле­ниях реакции якоря и ин­дуктивном сопротивлении рассеяния якоря и в активном сопротивле­нии якоря .

Уравнениям напряжения (33-1) и (33-3) соответствуют векторные диа­граммы явнополюсного синхронного генератора на рис. 33-1. В случае, показанном на рис. 33-1, а, генератор имеет сметанную активно-индуктив­ную нагрузку, когда угол сдвига фаз между током и напряжением , а на рис. 33-1, бнагрузка является активно-емкостной и . На рис. 33-1,б, кроме того, , и продольная реакция якоря является размагничивающей, а на рис. 33-1,б , и продольная реакция якоря является намагничивающей. Если , то при активно-емкостной нагрузке (рис. 33-1, б) э. д. с. Е и ток возбуждения меньше, чем при активно-индуктивной нагрузке (рис. 33-1, а), так как в пер­вом случае продольная реакция якоря участвует в создании в машине ре­зультирующего потока необходимой величины. Поскольку и отно­сительно малы, то при величины э. д. с. и потока при изменении характера или величины нагрузки изменяются мало.

Угол между векторами и называется углом нагрузки. В генераторном режиме работы (рис. 33-1) э. д. с. всегда опере­жает и угол при этом считается положительным. Название этого утла происходит от того, что величина зависит от нагрузки генератора

(33-4)

Э. д. с. также можно разложить на соста­вляющие:

,

а сопротивления , можно объединить с сопротивлением в синхронные сопротивления:

; .

Тогда вместо уравнения (33-3) получим

(33-5)

При этом диаграммы рис. 33-1 можно несколько видоизменить, как показано на рис. 33-2. На диаграммах рис. 33-2, кроме того, направ­ления векторов падений напряжения изменены на обратные. По­этому диаграмма рис. 33-2 соответствует уравнению напряжения вида

(33-6)

которое получается из уравнения (33-5) путем переноса соответ­ствующих членов из одной части уравнения в другую. Векторные диаграммы рис. 33-2 и уравнение (33-6) читаются так: э. д. с. Е, индуктируемая в обмотке якоря синхронного генератора током или магнитным полем возбуждения, равна напряжению на зажимах генератора плюс падения напряжения в сопротивлениях обмотки якоря. При исследовании режимов работы синхронной машины в энергетических системах обычно пользуются диаграммами вида рис. 33-2.

Неявнополюсная машина

В этом случае , , поэтому нет необходимости разлагать ток на составляющие и и можно откладывать на диаграмме падения напряжения и . Вместо диаграмм рис. 33-1, а и 33-2, а тогда получим диаграммы рис. 33-4, а и б.

Для исследования некоторых вопросов явнополюспую машину иногда заменяют эквивалентной неявнополюсной машиной, у ко­торой синхронное сопротивление по обеим осям равно рассмат­риваемой явнополюсной машины. Такая эквивалентная машина имеет вместо э. д. с. Е эквивалентную э. д. с. возбуждения (см. рис. 33-3), причем угол нагрузки не изменяется. Необходимо иметь в виду, что при постоянном токе возбуждения и постоянной э. д. с. Е величина э. д. с. при изменении нагрузки меня ется.

Векторные диаграммы рис. 33-1 — 33-4 справедливы для любого установившегося режима работы синхронного генератора, если в каждом случае пользоваться значениями параметров , или , , соответствующими реальному состоянию насыщения магнитной цепи в рассматриваемом режиме работы. Однако при различных режимах работы насыщение магнитной цепи различно и определение точных насыщенных значений указанных параметров связано с определенными трудностями.