Электрические станции и подстанции. Часть II

В. А. Ярош, А. В. Ефанов,  
Е. Е. Привалов, С. С. Ястребов 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ 
И ПОДСТАНЦИИ 

Часть II 

Лабораторный практикум 

Москва 
Берлин 
2019 

УДК 621.311(076) 
ББК 31.277я73 
Я77 

Рецензенты: 
Г. В. Никитенко, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Применение электроэнергии в сельском хозяйстве» Ставропольского государственного аграрного университета; 
В. Я. Хорольский, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования» Ставропольского государственного аграрного университета 

Ярош, В. А.

Я77 
Электрические станции и подстанции. Часть II : лабораторный практикум / 
В. А. Ярош [и др.]. — Москва ; Берлин :  Директ-Медиа, 2019. — 91 с. 

ISBN 978-5-4475-5320-3 

В лабораторном практикуме приводятся теоретические сведения и методики проведения лабораторных работ второго семестра изучения дисциплины «Электрические 
станции и подстанции» по темам: способы включения на параллельную работу и 
управление режимами синхронных генераторов.  
Лабораторный практикум предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 
профиль подготовки «Электроснабжение», квалификация «Бакалавр техники и технологии».  
Текст печатается в авторской редакции. 

УДК 621.311(076) 
ББК 31.277я73 

ISBN 978-5-4475-5320-3  
© Ярош В. А., Ефанов А. В., Привалов Е. Е., Ястребов С. С., текст, 2019 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 

Лабораторный практикум способствует усвоению, закреплению пройденного материала, проверке знаний и содержит основные рекомендации, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электрические 
станции и подстанции» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электроснабжение», квалификация «Бакалавр техники и 
технологии». 

Дисциплина «Электрические станции и подстанции» изучается в течение 
двух семестров. Лабораторный практикум по дисциплине разбит на две части: 
— часть I — способы пуска, самозапуска синхронных и асинхронных электродвигателей, автономная работа синхронного генератора; 
— часть II — способы включения на параллельную работу и управление 
режимами синхронных генераторов.  
Работы выполняются последовательно друг за другом (1, 2, 3, 4, 5 — первый цикл (в первом семестре изучения дисциплины); 6, 7, 8, 9 — второй цикл 
(во втором семестре изучения дисциплины). 
В настоящем лабораторном практикуме описан практический материал, 
выполняемый с помощью учебного программно-методического комплекса 
«Производство электрической энергии» на базе комплекта типового лабораторного оборудования «Модель одномашинной электрической системы с узлом комплексной нагрузки». В ходе лабораторных работ воспроизводится работа электрических машин переменного тока в различных режимах с 
одновременной регистрацией параметров машины и электрической сети. 
Аппаратная часть комплекта выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит: 
— спроектированные с учебными целями натурные аналоги элементов 
электрической системы; 
— источники питания; 
— измерительные преобразователи и приборы; 
— IBM-совместимый персональный компьютер с встроенной платой ввода/вывода информации фирмы National Instruments; 
— составной лабораторный стол с встроенными контейнерами для хранения проводников и методических материалов, рамами для установки необходимых в эксперименте функциональных блоков, выкатной полкой для клавиатуры компьютера и подставкой для системного блока последнего. 
Питание модели осуществляется от трехфазной электрической сети 
напряжением 380 В с нейтральным и защитным проводниками. 
Программная часть комплекса включает: 
— программную среду персонального компьютера (Windows XP); 
— комплект специальных программ на языке Delphi 6. 
Выполнение лабораторной работы позволяет экспериментально проверить основные положения теории, приобрести навыки по чтению и сборке 
электрических схем, содержащих электрические машины, трансформаторы, 
пускорегулирующую аппаратуру, измерительные устройства.  

Прежде чем приступать к выполнению лабораторной работы, необходимо 
тщательно изучить содержание работы и порядок ее выполнения; повторить 

теоретический материал. Студент должен иметь отдельную рабочую тетрадь 
для записей, необходимых для составления отчета о проделанной работе.  
Лабораторные работы выполняются бригадами, обычно из 3–5 человек. 
При завершении работы студенты составляют отчет.  
В содержании отчета должны быть отображены: название лабораторной 
работы, цель, программа исследований, паспортные данные оборудования и 
приборов, схемы проведенных экспериментов, выводы по работе, содержащие 
практическую оценку экспериментов. Схемы и графики следует выполнять 
аккуратно с применением чертежных инструментов, все обозначения схем 
должны соответствовать ЕСКД. 
Каждый студент после оформления отчета осуществляет его защиту. Преподаватель проводит индивидуальный, бригадный или в форме технической 
игры опрос студентов по вопросам теории, методике выполнения работы, по 
анализу графиков и использованию результатов исследования на практике.  
Лабораторная работа засчитывается, если отчет соответствует предъявляемым требованиям и если студент ответил на вопросы преподавателя. При 
этом студент должен знать устройство и принцип работы объекта исследования, назначение всех элементов схемы и понимать физические процессы, объясняющие полученные результаты, а также уметь объяснить порядок действий при выполнении любого эксперимента в лабораторной работе. 
Отчет с ошибками подлежит переработке и защищается в дополнительное, 
назначенное преподавателем, время. 
Студенты, которые по каким-либо причинам отсутствовали на лабораторном занятии, выполняют пропущенные лабораторные работы в другое, назначенное преподавателем время. 
Невыполнение и/или незащита студентом отчёта хотя бы по одной из лабораторных работ является основанием для принятия решения о неполучении 
зачета или недопуске его к экзамену по дисциплине. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6  
РУЧНОЕ/АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЕМ  
СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ 
ПО СПОСОБУ САМОСИНХРОНИЗАЦИИ  

1. Цель работы

Изучение процесса включения синхронного генератора на параллельную 
работу по способу самосинхронизации в ручном и автоматическом режимах. 

2. Теоретическая часть

На каждой электрической станции обычно установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. Благодаря 
этому достигается: большая надежность энергоснабжения потребителей; снижение мощности аварийного и ремонтного резерва; возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера. 
Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться синхронно, т. е. их скорости 
вращения 
1n ,
2n ,
3n  должны быть в точности обратно пропорциональны
числам пар полюсов: 

1
1

60 f
n
p
⋅
=
; 
2
2

60 f
n
p
⋅
=
; 
3
3

60 f
n
p
⋅
=
. 
(6.1) 

Существует два способа включения синхронного генератора на параллельную работу — способ точной синхронизации и самосинхронизации. 
Процессы при включении генератора на параллельную работу. 

EГ
EС
Q

св
x
Сx
dx′′

Рисунок 6.1. Схема замещения при включении генератора на параллельную работу 

При включении генератора на параллельную работу возникает уравнительный ток: 
ур
I

ур
d
св
С

E
I
x
x
x
∆
= ′′ +
+

, 
(6.2) 

где 
Г
С
E
E
E
∆
=
−
 — векторная разность ЭДС генератора и системы рисунок

6.2; 
dx′′  — сопротивление генератора в момент включения;
св
x  — сопротивление между генератором и системой, приведенное к напряжению генератора; 

Сx  — сопротивление системы; Q — выключатель.

ΔE

EГ
EС
δ

ур
I

 

Рисунок 6.2. Векторная разность ЭДС генератора и системы 
 
1) При условии, что 
Г
С
E
E
E
=
=
, это соответствует включению возбужденного синхронного генератора, уравнительный ток будет равен: 

 
2
sin 2
ур
d
св
С

E
I
x
x
x
δ


=


′′ +
+



. 
(6.3) 

Для мощной энергосистемы: 

 
d
св
С
x
x
x
′′
+

. 
(6.4) 

Тогда можно записать  

 
2
sin 2
ур
d

E
I
x
δ


=


′′



, 
(6.5) 

из полученного выражения очевидно, что наибольшее значение уравнительного тока будет при угле δ = 180°.  

 
2

ур
d

E
I
x
=
′′

 
(6.6) 

 — что равносильно двукратному току трехфазного КЗ на выводах генератора. 
Наименьшее значение при угле δ = 00. 

 
0
ур
I
=
. 
(6.7) 

2) При условии 
0
Г
E =
, что соответствует включению невозбужденного 
синхронного генератора, можем записать: 

 
С
ур
d
св
С

E
I
x
x
x
= ′′ +
+

. 
(6.8) 

Принимая во внимание (6.4) получим: 

 
С
ур
d

E
I
x
=
′′

 
(6.9) 

— что равносильно току трехфазного КЗ на выводах генератора. 
 
Условия синхронизации генераторов 
При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора, а 
также нарушить работу электрической сети. 

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы 
генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и 
в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих 
операций называется синхронизацией генератора. 
Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований: 
1) напряжение включаемого генератора 
Г
U
 должно быть равно напряже
нию сети 
С
U  или уже работающего генератора; 

2) частота генератора 
Гf  должна равняться частоте сети 
Сf ; 
3) чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково; 

4) напряжения 
Г
U
 и 
С
U  должны быть в фазе. 
При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рисунок 6.3), разности напряжений 
между контактами выключателя при включении генератора (рисунок 6.3) 
равны: 

 
0
ГА
СА
ГВ
СВ
ГС
СС
U
U
U
U
U
U
−
=
−
=
−
=






, 
(6.10) 

и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока. 
 

 

Рисунок 6.3. Векторные диаграммы напряжений сети 
С
U
 и генератора 
Г
U
  

при идеальных условиях включения на параллельную работу 
 
Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты 
и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения 
генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при 
первом включении генератора после сборки схемы. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора контролируется специальными приборами — ламповыми и стрелочными синхроноскопами. 
Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).  
Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа может осуществляться по схеме на погасание или на вращение света и применяется для синхронизации генераторов малой мощности. 

Схема синхронизации на погасание света представлена на рисунке 6.4 а), 
где слева изображен генератор Г1, уже работающий на шины станции и сеть, а 
справа — включаемый на параллельную работу генератор Г2 с вольтметром V, 
вольтметровым переключателем П и с ламповым синхроноскопом С, каждая из 
ламп 1, 2, 3 которого включена между контактами одной и той же фазы или 
полюса выключателя В2. 
 

а)
б)

Рисунок 6.4. Схема синхронизации генератора с помощью ламповых синхроноскопов  
с включением на погасание а) и вращение б) света 

 
При соблюдении приведенных выше условий и равенства (6.10) напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не светятся, что и указывает на возможность включения генератора Г2 с помощью выключателя В2 
на параллельную работу. 

 
а) 

 
б) 

Рисунок 6.5. Кривые изменения во времени напряжений генератора 
Г
u , сети 
С
u   

и ламп 
Г
С
u
u
−
 при неравенстве частот сети и генератора 

Достичь точного равенства частот 
Г
С
f
f
=
 в течение даже небольшого 
промежутка времени практически невозможно (рисунок 6.5, а), и поэтому 
напряжения 
Г
С
U
U
−
 на лампах 1, 2, 3 (рисунке 6.4, а) пульсируют с частотой 

Г
С
f
f
−
 (рисунок 6.5), и если эта частота мала, то лампы загораются и погаса
ют с такой же частотой. Частота 
Г
С
f
f
−
 соответствует частоте пульсаций 
напряжения (штриховые кривые на рисунке 6.5, б). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна (период 3–5 сек), и произвести затем включение 
выключателя В2 в момент времени, когда лампы не горят. 
При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение достигнет нуля, и загораются также при U>0. Поэтому при схеме рисунка 6.4, а трудно выбрать правильный момент включения.  
В этом отношении лучшей является схема рисунке 6.4, б, в которой лампа 1 
включена так же, как на схеме рисунке 6.4, а, а лампы 2 и 3 — между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равенства (6.10) лампа 1 не светится, а лампы 2 и 
3 находятся под линейным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, 
что и является критерием правильности момента включения. 
При 
0
Г
С
f
f
−
≠
 лампы 1, 2 и 3 (рисунок 6.4, б) загораются и погасают по
очередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при 
Г
С
f
f
>
 

вращение происходит в одну сторону, а при 
Г
С
f
f
<
 — в другую. Частота 

вращения света равна 
Г
С
f
f
−
, и необходимо добиться, чтобы она была минимальна (период 3-5 сек). 
Для более точного выбора момента включения параллельно одной из ламп 
рисунок 6.4, а включают вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области 
нуля (нулевой вольтметр). 
Другие методы синхронизации. Для мощных генераторов пользуются 
электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного 
поля, и при 
Г
С
f
f
≠
 его стрелка вращается с частотой 
Г
С
f
f
−
 в ту или иную 
сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально вверх. 
Синхронизация генераторов является весьма ответственной операцией и 
требует от эксплуатационного персонала большого внимания. В особенности 
это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной 
обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производстве различных переключений и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, 
что наибольшее количество ошибочных действий персонала падает как раз на 
период аварий. 
Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуществляют автоматическое 
регулирование 
Г
U
 и 
Гf  синхронизируемых генераторов в нужных направлениях и при достижении необходимых условий автоматически включают  

генераторы на параллельную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками. Во время аварий напряжение и 
частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются, и поэтому процесс 
синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5–10 мин. и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии 
крайне нежелательно. Вследствие сказанного широко внедрен метод грубой 
синхронизации, или самосинхронизации. 
Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор 
включается в сеть в невозбужденном состоянии (
0
Г
U
=
) при скорости вращения, близкой к синхронной (отклонение до 2%). После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения, и генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и 
становится 
Г
С
f
f
=
). 
При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка 
тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть эквивалентно короткому замыканию этого генератора (6.9). Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в 
цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие 
трансформаторы, линия и т. д.). Кроме того, обмотку возбуждения замыкают 
на разрядный резистор, используемый при гашении поля, либо на специально 
предусмотренный для этой цели резистор, чтобы избежать появления в обмотке возбуждения напряжений, опасных для ее изоляции. Что также снижает 
величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов. Метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок тока 
не будет превышать 3,5
нI .  
На рисунке 6.6. представлены кривые, относящиеся к включению в сеть 
методом самосинхронизации турбогенератора мощностью 100 МВт. 
 

 

Рисунок 6.6. Кривые изменения токов турбогенератора