Все синхронные генераторы рассчитаны для работы с симметричными нагрузками, когда токи в фазах практически равны между собой. Между тем в эксплуатации при несимметричных к. з. синхронного генератора (рис. 17) неизбежно возникают кратковременные несимметричные режимы работы, при этом разными становятся токи в фазах генераторов и на зажимах. Длительные несимметричные режимы могут иметь место при обрыве проводов на опорах линий и подстанциях, при отказе в отключении (включении) отдельных фаз выключателей и т. д.
При работе генератора в несимметричном режиме в его статорных обмотках проходят токи прямой и обратной последовательностей. Магнитное поле, созданное токами прямой последовательности, вращается с той же частотой и в одну и ту же сторону, что и ротор генератора. В свою очередь ротор, вращающийся синхронно с этой составляющей поля, никак не реагирует на нее, так как в замкнутых его контурах не возникает никаких токов. Аналогичное явление имеет место в нормальном нагрузочном режиме генератора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, противоположную вращению ротора. Частота его вращения относительно ротора достигает двойного значения, при этом реакция ротора на обратно вращающееся поле проявляется очень сильно. По существу эта составляющая поля определяет явления, отличающие несимметричный режим от симметричного.
Магнитное поле токов обратной последовательности, пересекающее обмотку и металлические части ротора, индуктирует в них токи двойной частоты. Эти токи, циркулируя в обмотке и тонком поверхностном слое металла ротора, бандажных колец, клиньев и других деталей, вызывают в них дополнительные потери энергии и создают очаги местных повышений температур. Они вызывают также gульсирующий с двойной частотой электромагнитный момент, увеличивающий вибрацию машины и повышающий ее шумы.
Чтобы избежать нежелательных воздействий токов обратной последовательности, длительная работа турбогенераторов с несимметричной нагрузкой не допускается, если разность токов в фазах более 10% номинального тока, при этом в наиболее нагруженной фазе ток не должен превышать номинальный, что гарантирует при несимметричной нагрузке меньшие потери в меди статорной обмотки, чем при нагрузке трех фаз номинальным током.
Рис. 17. Несимметричные к. з. синхронного генератора:
а — однофазное; б — двухфазное; в — двухфазное при соединении обмоток в треугольник; UА, Vп, 1>с — фазные напряжения; I„, I"„, I„ — токи к. з.; Iр — Ток ротора
Для защиты ротора генератора от чрезмерного нагрева при работе в несимметричном режиме применяется специальная токовая защита, реагирующая на ток обратной последовательности, превышающий максимально допустимое его значение по условию нагрева ротора. Выдержка времени такой защиты зависимая: уменьшается при возрастании кратности тока обратной последовательности к номинальному.
Для генераторов, работающих на общие сборные шины и имеющих генераторные выключатели (с трехфазным управлением), опасные несимметричные режимы могут привести к срабатыванию упомянутых защит на отключение в режимах эксплуатационных нагрузок при обрыве одной или двух фаз цепи, соединяющей генераторы с энергосистемой, а также при неотключившихся несимметричных к. з. в энергосистеме.
Несимметричные режимы мощных турбогенераторов, работающих в блоках с трансформаторами, наиболее часто возникают при неполнофазной коммутации их воздушными или масляными выключателями, имеющими приводы с пофазным управлением. При больших токах несимметрии длительная работа их опасна и поэтому ограничена по времени. Чтобы не превысить допустимое время работы генераторов в несимметричном режиме и предотвратить их повреждение, на турбогенераторах мощностью 150 МВт и выше, а также на турбогенераторах меньшей мощности с непосредственным охлаждением обмоток предусматриваются автоматические устройства резервирования при отказе выключателей блоков (УРОВ), действующие на отключение выключателей всех остальных присоединений той секции или системы сборных шин, на которую остался включенным отдельными фазами коммутируемый блок. При отказе УРОВ действия персонала по ликвидации неполно- фазного режима будут зависеть от обстоятельств, при которых возник этот режим.
Рассмотрим некоторые случаи неполнофазной коммутации блока генератора с трансформатором, обмотки которого соединены по схеме звезда — треугольник и работающего с заземлением нейтрали обмоток ВН.
Неполнофазное отключение выключателя при остановке блока в резерв или ремонт.
Допустим, что к моменту отключения выключателя блок был разгружен по активной и реактивной мощности и турбина отключена по пару. Тогда при неполнофазном отключении выключателя генератор перейдет в неполнофазный режим синхронного двигателя. В двигательном режиме при включенном АГП и возбуждении, соответствующем холостому ходу, ток обратной последовательности в генераторе ничтожно мал и генератор может длительно оставаться включенным в сеть. Ограничивать режим в данном случае может только турбина, длительность работы которой без подачи свежего пара по условию нагрева лопаток, как правило, не превышает 4 мин (что определяется местными инструкциями, учитывающими характеристики и особенности каждой турбины).
Если персонал не проконтролирует положение всех фаз выключателя и отключит АГП, генератор перейдет в неполнофазный режим асинхронного двигателя. В таком режиме ток обратной последовательности в генераторе резко возрастет до 0,3—0,5 номинального тока статора, при этом возможно срабатывание УРОВ. Чтобы избежать этого, необходимо до отключения АГП проверить отключение всех фаз выключателя по сигнализации неполнофазного отключения и по показаниям амперметров в цепи статора. Обнаружив неотключение какой-либо фазы выключателя блока, персонал, не отключая АГП генератора, должен попытаться ликвидировать несимметричный режим путем подачи повторного импульса на отключение выключателя блока. Если эта попытка окажется неуспешной, следует восстановить подачу пара в турбину и перевести генератор из двигательного в генераторный режим холостого хода. При таком режиме в течение 30—40 мин следует подготовить схему в РУ и снять напряжение с неисправного выключателя со стороны системы при помощи шииосоединительного или обходного выключателя, а при отсутствии такой возможности — путем отключения выключателей всех других присоединений данной системы (секции) сборных шин.
В тех случаях, когда быструю подачу пара в турбину осуществить невозможно (котел уже погашен), несимметричный режим ликвидируется путем отключения выключателей всех других присоединений, которые должны отключаться УРОВ при повреждении выключателя блока.
Неполнофазное включение выключателя при вводе блока в работу из ремонта или резерва.
При включении одной или двух фаз выключателя блока в момент его синхронизации генератор может втянуться в синхронизм и остаться в работе синхронно с системой. Обнаружить несимметричный режим в данном случае можно только по сигнализации неполнофазного включения. При подъеме нагрузки несимметрия тока в фазах обнаруживается по показаниям амперметров в цепи статора. Обнаружив неполнофазное включение выключателя, персонал должен попытаться ликвидировать несимметричный режим путем подачи импульса на отключение выключателя блока. В случае неудачной попытки отключения блока от сети следует подготовить схему и снять напряжение с неисправного выключателя со стороны энергосистемы при помощи шиносоединительного или обходного выключателя, а при отсутствии такой возможности — отключением смежных выключателей.
Заметим, что после перевода блока на обходную систему шин и включения обходного выключателя восстанавливается полнофазный режим работы генератора, что позволяет на необходимое время продолжить его работу.
Неполнофазное отключение выключателя блока, находящегося под номинальной нагрузкой.
Такая ситуация может возникнуть в любых эксплуатационных условиях и привести к значительной несимметрии токов в фазах генератора. Большая несимметрия токов допустима в сравнительно узком диапазоне времени, исчисляемом секундами. Практически этого времени недостаточно даже для общей ориентации персонала в сложившейся обстановке и получения соответствующего распоряжения диспетчера. Поэтому для предотвращения повреждения генератора токами обратной последовательности несимметричный режим в этом случае должен, как правило, ликвидироваться автоматически средствами релейной защиты путем немедленной и полной аварийной разгрузки генератора по активной и реактивной мощности или отключения выключателей всех других присоединений, включенных на ту же систему (секцию) сборных шин, на которую остался включенным блок.
При отсутствии указанных средств релейной защиты или отказе их в работе эти действия должны незамедлительно выполняться персоналом. Прежде чем отключить смежные выключатели соответствующей системы сборных шин, рекомендуется предпринять однократную попытку дистанционного отключения отказавшего выключателя.
Система (секция) сборных шин вводится в работу после вывода в ремонт отказавшего выключателя.
