Общие замечания для анализа начального момента внезапного нарушения режима

В установившемся симметричном режиме синхронной машины в обмотках статора протекают установившиеся потоки прямой последовательности с постоянной амплитудой, а в обмотке возбуждения – постоянный ток. Установившиеся токи прямой последовательности создают неизменное по величине магнитное поле реакции, вращающееся с частотой вращения ω_ρ относительно статора и, следовательно, неподвижное относительно ротора. По этой причине в демпферных контурах не индуктируется ток, и они в установившемся режиме себя не проявляют.

Значительно сложнее обстоит дело в переходных режимах. Переходные электромагнитные процессы в синхронной машине возникают вследствие самых различных причин. Эти причины можно разделить на две группы: внутренние повреждения машины и изменения внешних параметров цепи статора. К изменениям внешних параметров машины относятся симметричные и несимметричные КЗ во внешней сети, в том числе КЗ на выводах статора, включения и отключения линий, трансформаторов, параллельно работающих генераторов. Все эти нарушения происходят мгновенно и внезапно.

Генератор и трансформатор как элементы, работающие на электромагнитном принципе, имеют много общего. Причем эту аналогию можно усмотреть как в установившемся, так и в переходном режимах их работы.

Статорная обмотка синхронной машины аналогична первичной обмотке трансформатора, обмотка возбуждения – вторичной обмотке трансформатора. В установившемся режиме работы генератора синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси Х_d аналогично индуктивному сопротивлению первичной обмотки трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке, т. е. индуктивному сопротивлению холостого хода Х₁.

Ранее было установлено, что при КЗ во вторичной обмотке трансформатора индуктивное сопротивление КЗ выражается как

, (6.2)

т. е. благодаря магнитной связи вторичная обмотка трансформатора уменьшает сопротивление первичной. Аналогичное влияние оказывает вторичная обмотка трансформатора и в установившемся режиме при замкнутых ее выводах.

Проводя аналогию дальше, приходим к выводу, что при нарушении режима в статорной цепи генератора (т. е. при КЗ) обмотка возбуждения благодаря магнитной связи со статорной обмоткой через реактивное сопротивление Х_ad будет оказывать на продольное реактивное сопротивление машины Х_d такое же влияние, что и вторичная обмотка трансформатора на Х₁, т. е.

(6.3)

где Х'_d – переходное реактивное сопротивление машины в продольной оси;

σ – общий коэффициент рассеяния машины;

Х_fσ – реактивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;

Х_ad + Х_fσ = Х_f – полное реактивное сопротивление обмотки возбуждения.

Подобную аналогию между трансформатором и синхронной машиной в начальный момент нарушения режима можно усмотреть и в том случае, если машина имеет успокоительные обмотки.

Для данного случая можно получить схему замещения машины в продольной и поперечной осях, следовательно, и установить реактивные сопротивления в соответствующих осях, которыми следует характеризовать машину в начальный момент нового режима.

Однако между трансформатором и синхронной машиной имеется различие: у трансформатора обмотки неподвижны друг относительно друга, в то время, как обмотка ротора вращается в синхронной машине относительно статорной. Это различие существенно проявляется в переходном режиме.

Если сопротивление трансформатора в переходном и установившемся режимах одинаково и неизменно, то этого нельзя сказать о синхронной машине. В начальный момент нарушения режима генератор характеризуется иными реактивными сопротивлениями, нежели в установившемся режиме, причем в течение переходного процесса это реактивное сопротивление не остается постоянным.

Исследование начального момента переходного процесса проще и нагляднее вести на основе принципа инерции магнитного потока или, точнее, принципа неизменности первоначального потокосцепления. Действительно, если поток, сцепленный с ротором в первый момент внезапного нарушения режима остается таким же, что и в предшествующем режиме, то и ЭДС, наведенная этим потоком в статоре, в тот же момент остается постоянной, т. е. известной величиной.

Установим, какими ЭДС и реактивностями можно характеризовать синхронную машину в начальный момент переходного процесса.