 |
8.7. Характеристики защиты от потери возбуждения
|
|
|
|
5 = 0
Рис. 8. 16. Упрощенные частотные характеристики синхронного генератора
Аналогичные пояснения можно привести относительно характеристики zqs. При неизменном значении 
имеем одно положение точки А, изображенное на диаграмме рис. 8. 15. Фактически в зависимости от скольжения и положения ротора по углу мыслимо множество подобных диаграмм с расположением точки А как на характеристиках zds и zqs, так и в зоне между ними.
Это обстоятельство не должно затенять главную идею диаграммы рис. 8. 15, которая заключается в следующем:
при полной потере возбуждения конец вектора Zp попадает в точку А;
в асинхронном режиме частично возбужденного генератора конец вектора Zp перемещается также по окружности вокруг точки А, но эта окружность имеет больший радиус, например окружность q2.
Поясним процесс потери возбуждения и связанный с ним факт изменения сопротивления Zp с помощью рассмотренной диаграммы. В нормальном режиме при генерации активной и реактивной мощностей вектор Zp изображается точкой N. В асинхронном режиме сопротивление Zp будет меняться по величине и фазе. Кривая, по которой перемещается конец вектора Zp, называется годографом. Если изменяется только один параметр, например угол 
, а возбуждение остается постоянным, то начиная с точки N годограф Zp пойдет по окружности 
, что соответствует асинхронному ходу возбужденного генератора. При изменении только вектора 
конец вектора Zp будет скользить по окружности, отмеченной углом < 90°. В конечном итоге, при полной потере возбуждения конец вектора Zp попадет в точку А. Если теряется возбуждение и угол растет, то годограф изображается пунктирной кривой.
Отсюда следует, что по виду годографа можно судить о характере асинхронного режима - возбужден генератор или нет. Это подтверждает высказанную ранее мысль о том, что сопротивление, измеряемое на выводах генератора, является весьма информативным параметром.
|
|
|
Еще раз напомним, что при полной потере возбуждения конец вектора Zp находится в точке А. Окружность 
мы можем рассматривать как зону недовозбуждения. Определим диаметр окружности.
При = 180° точка пересечения окружности с линией АВ лежит на
отрезке АВ на расстоянии от точки А равном 
. В случае угла =360°
| (8. 15) |
окружность пересекается с продолжением линии АВ за точкой А и находится
от нее на расстоянии 
, поэтому диаметр окружности равен
.
Выполняя преобразования получим
| (8. 16) |
Если q > 1, то 
. Если принять Еc = 1, 0 и выразить недовозбуждение
в относительных единицах 
, то формулу (8. 16) можно представить в виде 
.
Рассмотрим влияние асинхронного хода возбужденного генератора на режим всей энергосистемы.
При изменении угла в пределах от 0 - 360° асинхронно работающий генератор будет выдавать или потреблять активную мощность. Эта мощность является возмущающим воздействием для энергосистемы и воспринимается всеми ее генераторами. В таком случае возмущение будет относительно небольшим для каждого генератора энергосистемы. Генераторы будут продолжать работать с доаварийной нагрузкой плюс некоторые колебания мощности относительно этого значения.
При малых по величине колебаниях мощности генераторы будут работать с небольшими скольжениями, причем все генераторы и система в целом может быть представлена синхронным сопротивлением 
. Поэтому точка В на диаграмме (рис. 8. 15) остается в том же положении, как и в доаварийном режиме.
Оценим величину скольжения энергосистемы при асинхронном ходе одного возбужденного генератора. Уравнение энергосистемы (агрегата) имеет вид
|
|
|
(8. 17)
где 
- мощность турбины и нагрузки;
Tj- постоянная времени энергосистемы (агрегата);
-угол;
р - частота;
D - коэффициент демпфирования;
- оператор дифференцирования.
Коэффициент демпфирования
(8. 18)
Поскольку
, то 
, где Кн - регулирующий эффект нагрузки.
С учетом принятых обозначений уравнение энергосистемы (8. 17) запишем в виде
(8. 19)
Передаточная функция системы
, (8. 20)
где 
, 
- воздействие на входе, 
- отклонение выходной величины. Амплитудная частотная характеристика
, (8. 21)
где 
, и следовательно,
| (8. 22) |
Предположим, что один генератор работает асинхронно с частотой скольжения ∆ fs. ==1Гц, т. е. 
. Примем номинальную мощность генератора в 5 % от мощности системы. В асинхронном режиме эта мощность будет изменяться во времени 
. Пусть Ртах =2Рном. В таком случае воздействие генератора на энергосистему в относительных единицах будет равно 
. Примем Т= 10с и Кн = 2, 0, тогда А ( 
) = 0, 015 и, следовательно, 
. Максимальное значение отклонения частоты 
будет при максимальном воздействии и составит = 0, 0015. При таком малом скольжении энергосистема может быть представлена синхронным сопротивлением 
.
8. 7. Характеристики защиты от потери возбуждения
Рассмотрим защиту, выполненную на основе измерения сопротивления на выводах генератора. Такая защита фиксирует не только сам факт выявления асинхронного режима, но и устанавливает его причину.
На основе электромеханических реле сопротивления характеристику защиты выбирают в виде окружности, смещенной в область отрицательных значений х. На рис. 8. 17 показан один из наиболее распространенных вариантов характеристики с окружностью, проходящей через точки 0, 5 
и kxd (к > 1, 0). Действительно, при потере возбуждения годограф сопротивления Zp
(кривая 1) попадает внутрь этой окружности, что приводит к срабатыванию реле.
Рис. 8. 17. Характеристики защиты от потери возбуждения
Некоторыми авторами рекомендуются различные радиусы для характеристики реле и смещение его центра по оси х. Здесь мы не будем рассматривать эти детали, а отметим основной недостаток защиты. При такой настройке возможны неверные действия защиты. Так, в случае асинхронного хода возбужденного генератора годограф 2 также может попасть в зону срабатывания реле, что наиболее вероятно при работе генератора с недовозбуждением в доаварийном режиме и потреблении им реактивной мощности (точка N*, годограф 2*). Теоретические и экспериментальные исследования подтверждают возможность неправильных срабатываний защиты.
|
|
|
Именно этим обстоятельством и объясняется стремление многих авторов отстроиться от ложного действия защиты путем разных рекомендаций относительно радиуса окружности и ее смещения по оси х.
Радикальной мерой отстройки защиты от неправильного действия является выдержка времени порядка от одной до двух секунд. Годограф 2 проходит зону срабатывания реле от точки «a» до точки «b» быстрее этой выдержки и защита не успевает срабатывать. При потере возбуждения годограф 1 длительно находится в области срабатывания защиты и она работает правильно.
Введение выдержки времени приводит к замедлению выявления потери возбуждения и, следовательно, к задержке сигнала на снижение активной мощности турбогенератора в аварийных условиях. Как было показано в параграфе 8. 1, это может привести к потере стационарного асинхронного режима с докритическим скольжением.
Характеристика защиты с диаметром 0, 5 
охватывает очень большую зону на комплексной плоскости, что ухудшает избирательность защиты. Эту зону необходимо сократить.
На кафедре «Электрические станции» СПбГТУ разработан вариант защиты сравнительно простой по реализации и обладающей высокими показателями по селективности и быстродействию. В основу этого варианта положены следующие соображения. Зоной малого возбуждения при заданном скольжении. 
, является окружность qi (см. рис. 8. 18). Для скольжения от 0 до ∞ необходимо построить множество таких окружностей с расположением их центров на характеристиках 
, и Zqs. Понимая сложность создания реле сопротивления, у которого характеристика являлась бы функцией скольжения, можно пойти на упрощение. Асинхронный режим с малыми скольжениями продолжается короткое время. Наиболее интересными значениями скольжений являются величины от 0, 2 до 0, 5 %, т. е. начиная с середины и до максимума восходящей части характеристики асинхронного момента.
|
|
|
На рис. 8. 19 представлено семейство характеристик в виде окружностей 
для фиксированного значения скольжения 
и разной степени недовозбуждения генератора. Построение проведено для турбогенератора с параметрами xd = 2. 0, xd" = 0. 2, Zds=Zqs. Для системы принято ZC. = XC= 0. 15. Радиус окружности определен по формуле 
, где Z – сопротивление на комплексной плоскости между точками А и В. Э. д. с. генератора выражена в относительных единицах и ее значение указано у каждой окружности. Центры окружностей расположены на продолжении прямой АВ ниже точки А.
Представленные характеристики позволяют лучше понять характер процесса при потере возбуждения и установить границу между возбужденным и невозбужденным состоянием генератора.
Генератор может находиться в состоянии полной и частичной потери возбуждения. Даже полная потеря не является таковой в переходном режиме - при отключении источника питания ток в обмотке возбуждения затухает постепенно.
|
|
| = 0. 005 |
| s = 0. 002 |
| s = 0 |
Рис. 8. 18. Зависимость зоны недовозбуждения от скольжения
Рис. 8. 19. Характеристики недовозбужденного генератора
Для повышения вероятности выявления действительной потери возбуждения необходимо рекомендовать зону срабатывания защиты с малым радиусом окружности, т. е. с малым значением Ег*, например Ег* = 0, 2. Эта окружность выделена на рисунке штриховкой. Годограф возбужденного генератора и даже генератора, имеющего Ег* > 0, 2, не может попасть в эту зону. Но это справедливо только при заданном скольжении s = 0, 5 %.
Если построить подобную диаграмму для скольжения s > 0, 5 %, то годограф даже возбужденного генератора может проходить через «запретную» заштрихованную область на данном рисунке.
Таким образом, даже значительное сокращение зоны срабатывания не дает полной уверенности в селективности защиты, реагирующей только на сопротивление 
. Необходимы дополнительные признаки, уточняющие факт потери возбуждения.
Предложено область срабатывания защиты сократить и представить в виде эллипса 2 (рис. 8. 20), охватывающего характеристику Zd< и Zqs в зоне указанных скольжений. Кроме этого на рисунке показана характеристика 1 с диаметром kxd -0, 5 , а также годограф 
возбужденного (кривая 3) и теряющего возбуждение (кривая 4) генератора в асинхронном режиме. При потере возбуждения годограф полностью попадает в зону эллипса. Годограф возбужденного генератора проходит через эллипс в точках «b» и «с». Таким образом, даже сокращение зоны срабатывания реле сопротивления не исключает возможность срабатывания защиты при асинхронном ходе возбужденного генератора. Однако, видна принципиальная разница в действии защиты с характеристиками 1 и 2. По первой характеристике годограф находится в зоне срабатывания от точки «а» до точки «d». По времени это соответствует почти половине проворота ротора и составляет несколько десятых секунды. Именно по этой причине в этой защите создавалась задержка до 1, 0 - 1, 5с, чтобы не было срабатывания при возбужденном генераторе.
|
|
|
Эллиптическую характеристику годограф проходит в 8 - 10 раз быстрее. Выдержка времени не более 0, 1 с вполне достаточна для отстройки от этого режима.
Предложен вариант защиты генератора от потери возбуждения с использованием двух реле сопротивления, имеющих характеристики срабатывания 1 и 2. Срабатывание реле 1 фиксирует возникновение асинхронного режима. Следующее срабатывание реле 2 на время большее, чем 0, 1 с свидетельствует о потере возбуждения. Первое реле срабатывает при углах около 180°. Окончательно защита сработает в районе 360°.
Рис. 8. 20. Эллиптическая характеристика от потери возбуждения
Защита имеет развитую логическую часть, которая обеспечивает правильное действие в более сложных ситуациях. Так, например, при потере возбуждения с медленным спадом тока ротора годограф 4 (штриховая линия) может выйти из области второй характеристики в точке к. В таком случае время пребывания годографа в зоне срабатывания может быть меньше времени 0, 1 с и защита не сработает. Однако, поскольку годограф закручивается и не пересекает характеристику 1, то логика не сбрасывает счет времени, а запоминает его. При повторном вхождении в зону 2 в точке l счет времени не начинается заново, а продолжается, что обеспечивает ускоренное срабатывание защиты. Возможны и другие сочетания, заложенные в логическую часть защиты. Более подробно этот вопрос рассматривается в параграфе 8. 8.
|
|
|
