Глава 7. Собственные нужды электроустановок

7.1. Основные требования, источники электроснабжения

Если на электростанции предусматривается ГРУ 6—10 кВ, то распределительное устройство собственных нужд (РУСН) получает питание непосредственно с шин ГРУ реактированными линиями или через понижающий трансформатор ТСН (рис. 7.1, а).

Рис. 7.1. Структурные схемы рабочего питания собственных нужд.

а — от шин ГРУ; б — отпайкой от блока; в — от вспомогательного турбоагрегата: 1 — главный турбоагрегат; 2 — вспомогательный турбоагрегат; г - от вспомогательного генератора.

Основными напряжениями, применяемыми в настоящее время в системе с. н., являются 6 кВ (для электродвигателей мощностью более 200 кВт) и 0,38/0,23 кВ для остальных электродвигателей и освещения. Применение напряжения 3 кВ не оправдало себя, так как стоимость электродвигателей 3 и 6 кВ мало отличается, а рас­ход цветных металлов и потери электроэнергии в сетях 3 кВ зна­чительно больше, чем в сетях 6 кВ.

Для мощных блочных ТЭС возможно применение напряжения 0,66 кВ для электродвигателей 16—630 кВт и напряжения 10 кВ для крупных электродвигателей.

Если генераторы электростанции соединены в блоки, то пита­ние с. н. осуществляется отпайкой от блока (рис. 7.1, б).

С увеличением мощности блоков растет потребление на собст­венные нужды, следовательно увеличивается и мощность тран­сформатора с. н. Чем больше мощность ТСН, тем больше токи к. з. в системе с. н., тем тяжелее установленное оборудование. Для ограничения токов к. з. можно применять трансформаторы с повы­шенным напряжением к. з. или трансформаторы с расщепленными обмотками 6 кВ; последние применяются при мощности ТСН 25 MB·А и более.

Значительного уменьшения токов к. з. в системе с. н. можно добиться, применяя вспомогательный турбоагрегат, пар для кото­рого поступает от отбора главной турбины (рис. 7.1, в), а генера­тор не имеет электрической связи с основными генераторами стан­ции. Однако установка, турбины малой мощности неэкономична и такая система может себя оправдать только в сочетании со схемой питания отпайкой от блока. В этом случае часть потребителей с. н. присоединяют к ТСН, а часть к вспомогательному турбоагре­гату. При уменьшении нагрузки блока уменьшают частоту вспо­могательного генератора, чем осуществляется плавное регулирова­ние производительности подключенных механизмов (питательных, циркуляционных, конденсатных насосов, дымососов, вентиляторов). Такое частотное групповое регулирование позволяет снизить рас­ход энергии на с. н., что может оправдать увеличение затрат на установку вспомогательного турбоагрегата.

Установка вспомогательного генератора на одном валу с глав­ным генератором требует меньших капитальных затрат (рис. 7.1, г). Такая схема питания с. н. применяется на АЭС.

Все рассмотренные схемы не могут обеспечить надежного пита­ния с. н., так как при повреждениях в генераторах, на шинах ГРУ или в тепломеханической части нарушается питание РУСН. Поэтому кроме рабочих источников с. н. должны предусматриваться резерв­ные источники питания. Такими источниками могут быть трансфор­маторы, присоединенные к шинам повышенного напряжения, имею­щим связь с энергосистемой. Даже при отключении всех генераторов электростанции питание с. н. будет осуществляться от энергоси­стемы. На тот редкий случай, когда авария на электростанции сов­падает с аварией в энергосистеме, и напряжение на с. н. не может быть подано от резервного трансформатора, для наиболее ответст­венных потребителей, которые обеспечивают сохранность оборудо­вания в работоспособном состоянии (масляные насосы смазки, уплотнений вала, валоповоротные устройства и др.), предусматри­ваются аккумуляторные батареи и дизель-генераторы. На ряде зарубежных электростанций в качестве аварийных источников пита­ния с. н. установлены газовые турбины, которые подхватывают пи­тание с. н. блока при снижении частоты в энергосистеме.

Выбор мощности рабочих трансформаторов с. н. производится с учетом числа и мощности потребителей с. н. Точный перечень всех потребителей определяется при реальном проектировании после разработки тепломеханической части электростанции и всех ее вспомогательных устройств.

В учебном проектировании с достаточной точностью можно опре­делить нагрузку с. н. Р_с.н.тах и расход электроэнергии W_с.н ори­ентировочно по табл. 7.1.

Используя данные табл. 7.1, можно определить необходимую мощность с. н., MB∙A:

(1)

Таблица 7.1

Нагрузки, расход электроэнергии и коэффициент спроса установок с. н.

Тип электроустановки
ТЭЦ КЭС АЭС ГЭС Подстан­ция	Пылеутольная Газомазутная Пылеугольная Газомазутная С газовым теплоносите­лем С водным теплоносителем Малой и средней мощно­сти Большой мощности Районная Узловая	8—14 5—7 6—8 3—5 5—14 5-8 3—2 1—0,5 50—200 кВт 200-500 кВт	8—10 4—6 5—7 3—4 3—12 4—6 2—1,5 0,5—0,2 — —	0,8 0,8 0,85—0,9 0,85—0,9 0,8 0,8 0,7 0,8 — —

Агрегаты с. н. размещены практически по всей территории электростанции, в том числе в помеще­ниях с неблагоприятным микроклиматом: с высокой тем­пературой, большой влажностью или запыленностью, с воздействием значительных вибраций. Кроме того, возможны частые операции пуска и останова. В таких тяжелых условиях электродвигатели должны работать надежно. Наиболее полно им соответствуют асинхрон­ные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их конструкция относительно проста, поэтому они надежны в работе и несложны в обслуживании. В частности, их пуск осуществляют путем подачи выключателем полного напряжения сети (прямой пуск). Сюда еще следует добавить дешевизну и широкую номенклатуру параметров и исполнений, на которые изготовляют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором отечественные заводы. Поэтому в системе с. н. для подавляющего большинства рабочих машин и выбирают их в качестве привода. Существенным недостатком АД является довольно зна­чительное и почти не зависящее от нагрузки потребление реак­тивной мощности, для снижения которой АД выполняют с ма­лым воздушным зазором между ротором и статором, что усложняет эксплуатацию АД.

Вращающий момент АД пропорционален квадрату напряже­ния, подводимого к обмотке статора. Работа АД при пони­женном напряжении является ненормальным режимом не только из-за появления токов перегрузки, но и из-за резкого снижения вращающего момента АД, что может привести к останову АД ("опрокидыванию").

АД широко применяют в приводах переменного тока, не тре­бующих регулирования скорости и работающих при длительной нагрузке (центробежные насосы, вентиляторы и др.), На выбор АД влияет, в первую очередь, режим работы приводного механиз­ма. Так, например, мощность двигателя насоса Р_Д, кВт, можно определить по выражению:

,

где γ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; Q_H — расход жидкости (подача, производительность насоса), м³/с; Н — высота напора (сумма высот всасывания и нагнетания), м; ΔН — падение напора в магистралях, м; — КПД передачи и насоса соот­ветственно.

Синхронные двигатели сложнее асинхрон­ных, и в диапазоне малых и средних мощностей (до 6— 8 МВт) их стоимость заметно выше. Поэтому экономи­чески целесообразно их применять только для привода мощных рабочих машин. Синхронные двигатели исполь­зуют для привода крупных шаровых мельниц, имеющих малую частоту вращения: мощные асинхронные двигате­ли с малой частотой вращения не изготовляют ввиду не­рациональности их конструкции, а установка редуктора удорожает агрегат и делает его менее надежным. Имея такие экс­плуатационные качества, как высокая перегрузочная способ­ность, большие, чем у АД, КПД и повышенную устойчивость при снижении напряжения, СД успешно используется в мощных ус­тановках продолжительного режима (для привода мощных насосов с большим числом часов их использования -циркуляционные и сетевые насосы). Применение синхронных двигателей повышает коэффи­циент мощности электроустановки с. н., так как они обычно работают с опережающим коэффициентом мощ­ности (с перевозбуждением). Кроме того, синхронные двигатели менее чувствительны к понижению напряже­ния питания, а быстрая форсировка возбуждения позво­ляет обеспечить их устойчивость даже при значительных понижениях напряжения. Однако в случае выпадения синхронного двигателя из синхронизма необходима его ресинхронизация.

Электродвигатели постоянного тока до­роги, менее надежны и более сложны в эксплуатации. Кроме того, они требуют источника энергии постоянного тока. Поэтому их применяют лишь в особых случаях для привода рабочих машин малой мощности: а) для при­вода питателей пыли, которые требуют широкого и плавного регулирования производительности; б) для привода резервных маслонасосов турбины, так как по­следние должны надежно работать даже при полном исчезновении напряжения переменного тока на электро­станции.