Некоммерческое акционерное общество «алматинский университет энергетики и связи»

Кафедра Электроснабжение промышленных предприятий

Специальность 6М071800 - Электроэнергетика

Допущен к защите Зав. кафедрой ЭПП

Бакенов К.А.

« » 2014 г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка

Тема Исследование системы возбуждения

гидрогенераторов Капчагайской ГЭС

Магистрант

Руководитель диссертации Рецензент

Тузельбаев А.Е.

подпись (Ф.И.О.)

доц., к.т.н. Бакенов К.А.

подпись (Ф.И.О.)

доц., к.т.н. Жантурин М.Ж.

подпись (Ф.И.О.)

Алматы, 2014 г.

Аннотация

В магистерской диссертации рассматривается актуальность проблемы модернизации системы возбуждения генераторов Капчагайской ГЭС. Описаны отказы и причины отказов в работе системы возбуждения. Также проведен анализ известных на сегодняшний день современных систем возбуждения и выбор одного из оптимальных, отвечающих требованиям эффективности и надежности системы возбуждения.

Ацдатпа

Магистрльщ диссертацияда Капшагай ГЭС генераторларыныц коздыру жуйесш жетнццрудщ езект мэселелер1 карастырылган. Коздыру жуйесшщ жршсты орындамауы жэне орындамау себептер1 баяндалган. Сондай-ак бугшп тацда белгш заманауи коздыру жуйелерше талдау жасалган жэне сешмдшк пен ти1мд1л1к талаптарына сай ец оцтайлы коздыру жуйес1н1ц б1р1 тацдалып сипатталган.

Annotation

In this master's degree dissertation an actuality of the problem of modernization of Kapchagay's HPP excitation system of generators is discussed. Refuses and reasons of the refuses are described in-process system of excitation. The analysis of well-known and modern excitation systems is also produced and choosed one of the most optimal, answering the requirements of efficiency and failsafety of excitation system.

Содержание

Перечень сокращений и обозначений 6

Термины и определения 7

Введение 10

1. Анализ состояния гидрогенераторов и существующей системы возбуждения Капчагайской ГЭС 12

2. Требования к системе возбуждения для реконструкции Капчагайской

ГЭС 17

1. Основные технические параметры системы возбуждения 17

2. Основные технические характеристики системы возбуждения 18

3. Устройства защиты 18

4. Регулятор возбуждения 19

5. Система управления возбуждением 20

3. Анализ и выбор современных систем возбуждения 21

4. Исследование оптимального варианта системы возбуждения 40 Заключение 95 Список использованной литературы 99 Приложение 1 100

Перечень сокращений и обозначений

ГЭС	- гидроэлектростанция;
СВ	- система возбуждения;
АРВ	- автоматический регулятор возбуждения;
БН	- блок напряжения;
БЧЗ	- блок частоты и защиты;
ОБ	- операционный блок;
ТП	- тиристорный преобразователь;
ОМВ	- ограничитель минимального возбуждения;
СТС	- статическая тиристорная система возбуждения;
АГП	- автомат гашения поля;
УГП	- устройство гашения поля;
ПТ	- преобразовательный трансформатор;
СУВ	- система управления возбуждением;
АСУТП	- автоматизированная система управления технологическим процессом;
АСКУЭ	- автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии;
ОКУ	- основной канал управления;
РКУ	- резервный канал управления.

Термины и определения

1. Система возбуждения: Комплекс оборудования, устройств, аппаратов и сборных единиц, предназначенных для возбуждения автоматически регулируемым постоянным током гидрогенераторов в нормальных и аварийных режимах;

2. Возбудитель: Устройство, являющееся составной частью системы возбуждения и предназначенное для питания постоянным током обмотки возбуждения гидрогенератора, и представляющее электрическую машину постоянного тока, либо полупроводниковый преобразователь в комплексе с источником питания переменного тока. Источником переменного тока могут быть электрическая машина переменного тока, трансформатор или сочетание ряда различных трансформаторов или дополнительная обмотка переменного тока в возбуждаемой машине, а также различные сочетания выше указанных источников питания;

3. Быстродействующая система возбуждения: Система возбуждения гидрогенератора, быстродействие которой при форсировке, а также полное время расфорсировки не превышает соответствующие значения, регламентированные для таких систем;

4. Система самовозбуждеиия: Система возбуждения гидрогенератора, возбудитель которой обеспечивает всю энергию возбуждения за счет использования энергии самой возбуждаемой синхронной машины или энергии сети, на которую работает эта машина;

5. Система параллельного самовозбуждения: Система самовозбуждения гидрогенератора, в которой источником энергии возбудителя является напряжение статора возбуждаемой синхронной машины или сети, на которую работает эта машина;

6. Статическая система возбуждения: Система возбуждения гидрогенератора, в состав которой входят только статические источники энергии и статические преобразователи переменного тока в постоянный;

7. Одногрупповая система возбуждения: Система возбуждения гидрогенератора, в которой преобразование переменного тока в постоянный ток возбуждения синхронной машины осуществляется посредством одного или нескольких автономных преобразователей, включенных параллельно на стороне постоянного тока, имеющих одинаковое напряжение питания и равные углы открытия вентилей во всех режимах работы системы возбуждения;

8. Одногрупповая система возбуждения с параллельными преобразователями: Одногрупповая система возбуждения гидрогенератора, в которой автономные преобразователи включены параллельно, как со стороны постоянного, так и со стороны переменного тока;

9. Многогрупповая система возбуждения: Система возбуждения гидрогенератора, в которой преобразование переменного тока в постоянный ток возбуждения синхронной машины осуществляют посредством нескольких автономных преобразователей, не соединенных параллельно на стороне переменного тока, включенных параллельно или последовательно на стороне постоянного тока и имеющих разные углы открытия вентилей и (или) разные напряжения питания;

10. Двухгрупповая система возбуждения: Многогрупповая система возбуждения гидрогенератора, преобразовательная часть которой состоит из рабочей и форсировочной групп вентилей или преобразователей, включенных параллельно на стороне постоянного тока. Рабочая группа вентилей обеспечивает в основном длительный режим возбуждения синхронной машины, а форсировочная - режим форсировки возбуждения и гашения поля в аварийных режимах;

11. Тиристорная система возбуждения: Система возбуждения гидрогенератора, в которой переменный ток источника питания преобразуется в постоянный ток возбуждения синхронной машины тиристорными преобразователями;

12. Потолочное (предельное) напряжение системы возбуждения (потолок возбуждения по напряжению): Наибольшее постоянное напряжение, возникающее на обмотке возбуждения гидрогенератора в процессе форсировки возбуждения при начальном токе, равном номинальному току возбуждения, и начальной температуре обмотки возбуждения синхронной машины, равной рабочей номинальной. Выражается в вольтах или долях номинального напряжения возбуждения;

13. Потолочное (предельное) установившееся напряжение системы возбуждения: Постоянное напряжение, возникающее при форсировке на обмотке возбуждения гидрогенератора, в момент достижения потолочного тока возбуждения при начальной температуре обмотки возбуждения синхронной машины, равной рабочей номинальной. Если система возбуждения оснащена устройством ограничения максимального тока возбуждения, то потолочное установившееся напряжение возбуждения определяется в момент, предшествующий началу работы этого устройства;

14. Кратность форсировки возбуждения по напряжению: Потолочное установившееся напряжение системы возбуждения гидрогенератора, выраженное в долях номинального напряжения возбуждения;

15. Потолочный (предельный) ток возбуждения: Наибольший ток возбуждения гидрогенератора, создаваемый системой возбуждения в конце регламентированной длительности форсировки возбуждения;

16. Кратность форсировки возбуждения по току: Потолочный ток возбуждения гидрогенератора, выраженный в долях номинального тока возбуждения;

17. Скорость изменения напряжения возбуждения: Скорость нарастания или снижения напряжения системы возбуждения или возбудителя гидрогенератора, при необходимости изменения этого напряжения, выраженная в вольтах в секунду или в относительных единицах в секунду по отношению к номинальному напряжению возбуждения синхронной машины;

18. Быстродействие системы возбуждения: Время достижения 95%-го потолочного напряжения возбуждения гидрогенератора, от исходного номинального значения при форсировке, вызванной регламентированным изменением напряжения на входе автоматического регулятора возбуждения;

19. Скорость изменения уставки автоматического регулятора возбуждения: Частное от деления приращения напряжения статора гидрогенератора, работающего на холостом ходу, выраженное в процентах от номинального напряжения статора, на интервал времени, за который это приращение было получено при непрерывном воздействии на привод установочного органа автоматического регулятора возбуждения или устройства ручного управления;

20. Регулировочная характеристика возбудителя: Зависимость напряжения на обмотке возбуждения гидрогенератора, от сигнала управления возбудителем (выход АРВ) при работе его в расчетной схеме;

21. Статизм системы возбуждений по току возбуждения: Изменение напряжения в заданной точке энергосистемы, выраженное в процентах от номинального напряжения в этой точке, вызывающее изменение тока возбуждения гидрогенератора, на одну номинальную единицу при рабочей номинальной температуре обмотки возбуждения;

22. Статизм системы возбуждения по реактивной мощности: Изменение напряжения в заданной точке энергосистемы, выраженное в процентах от номинального напряжения в этой точке, вызывающее изменение реактивной мощности гидрогенератора, на номинальное значение при рабочей номинальной температуре обмотки возбуждения. За номинальное принимается значение реактивной мощности в номинальном режиме генератора (компенсатора);

23. Устойчивость системы возбуждения: Способность системы возбуждения в условиях установившегося режима или при переходе от одного установившегося режима к другому регулировать напряжение возбуждения гидрогенератора таким образом, чтобы переходные изменения в регулируемом напряжении эффективно подавлялись и при этом не возникало устойчивых или возрастающих колебаний;

24. Развозбуждение: Принудительное снижение тока возбуждения гидрогенератора до заданного значения;

25. Форсировка возбуждения: Переход системы возбуждения в режим выдачи максимального напряжения и тока возбуждения гидрогенератора;

26. Расфорсировка возбуждения: Принудительное снижение напряжения и тока возбуждения гидрогенератора от потолочного значения до заданного;

27. Гашение поля: Принудительное монотонное или колебательное снижение до нуля тока возбуждения гидрогенератора.

Введение

Высокий уровень современного инвестиционного климата в стране стимулирует опережающее развитие энергетики Казахстана и реализацию последних достижений техники и самых совершенных наукоемких технологий. Энергетика является одной из ведущих и интенсивно развивающихся отечественных отраслей с непрерывным ростом производственных мощностей.

Президент страны Нурсултан Назарбаев в Стратегии «Казахстан-2050» дал поручение: «К 2050 году Казахстан должен полностью обновить свои производственные активы в соответствии с самыми новейшими технологическими стандартами».

Безусловно, важная роль в этом плане отводится энергетической системе страны. Президент страны акцентировал внимание на необходимости модернизации электростанций.

Модернизация оборудования - это вклад в будущее, в накопление энергомощностей страны - для развития новых производств, обеспечения электроэнергией новых потребителей.

Самое главное - модернизация электростанций обеспечит стабильную работу отрасли в будущем, надежное, бесперебойное производство электроэнергии. Ведь не только станции, но и вся страна нуждается в росте энергомощностей для дальнейшего устойчивого развития.

Системы возбуждения генераторов относятся к числу наиболее ответственных элементов генератора. Система возбуждения генератора должна быть выполнена с максимальной надежностью. Работа системы возбуждения существенно влияет на устойчивость работы генераторов, и соответственно, энергосистемы в целом. Система возбуждения должна обеспечить нормальное, безаварийное функционирование генераторов.

На Капчагайской ГЭС в постоянной эксплуатации находятся 4 гидрогенератора типа СВ-1225/130-56 мощностью 108,5 Мвт каждый, оснащенные тиристорными системами самовозбуждения с последовательными и вольтодобавочными трансформаторами. Генераторы вместе с системами возбуждения были введены в эксплуатацию в 1970-1971 годах.

За 43 года эксплуатации система возбуждения исчерпала свой ресурс, элементная база стала неремонтопригодной, все оборудование системы возбуждения устарело морально и снято с производства, оборудование находится на грани физического износа. Устаревшее, изношенное оборудование систем возбуждения снижает надежность эксплуатации всей станции и приводит к высокой ее аварийности.

В связи с этим, возникла необходимость исследования системы возбуждения генераторов Капчагайской ГЭС. Для решения данной проблемы, необходимо проанализировать оборудование существующей системы возбуждения, выявить все плюсы и минусы и сделать выводы.

После этого, необходимо рассмотреть возможность замены существующей системы возбуждения на современную систему возбуждения на базе микропроцессорной техники, которая бы обеспечила надежное, безаварийное функционирование гидрогенераторов Капчагайской ГЭС.

Актуальность проблемы

В настоящее время в Республике Казахстан только около 15% систем возбуждения синхронных генераторов мощностью от 6 до 800 МВт оснащены современными микропроцессорными системами возбуждения и автоматическими регуляторами возбуждения (далее АРВ) различных типов. Большинство систем возбуждения и АРВ генераторов электростанций нашей энергосистемы физически и морально устарели, то есть в энергосистеме Казахстана сложилась ситуация, при которой массовая замена и реконструкция систем возбуждения стала насущной необходимостью.

Системы возбуждения генераторов относятся к числу наиболее ответственных элементов генератора [5]. Система возбуждения генератора должна быть выполнена с максимальной надежностью и эффективностью. Работа системы возбуждения существенно влияет на устойчивость работы генераторов, и соответственно, энергосистемы в целом. Система возбуждения должна обеспечить нормальное, безаварийное функционирование генераторов.

Актуальность проблемы модернизации существующей системы возбуждения Капчагайской ГЭС возникла, в связи с двукратной выработкой своего ресурса (ресурс - 20 лет, станция эксплуатируется с 1970 года - 43 года), характеризующегося крайним износом, высокой степенью аварийности и практически неремонтоспособностью.

Оборудование существующей системы возбуждения снято с производства и не выпускается заводами-изготовителями более 25 лет. При выходе из строя или повреждениях отдельных деталей или элементов, для их замены нет аналогов.

Элементная база автоматических регуляторов типа АРВ-СД отстала от современной, практически на два поколения (операционные усилители, микропроцессоры). Устаревшая, громоздкая аппаратура требует постоянного повышенного внимания эксплуатационного персонала, большего объема работ по профилактическому восстановлению работоспособности оборудования.

Цели и задачи

Целью диссертационной работы является - повышение эффективности и надежности системы. Обеспечение более надежной работы системы возбуждения генераторов.

В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

1. Исследовать существующую систему возбуждения.

2. Провести анализ известных на сегодняшний день систем возбуждения разных производителей.

3. Выбрать оптимальную, отвечающую требованиям эффективности и надежности систему возбуждения.

4. Исследовать выбранную систему возбуждения.

Результаты исследования опубликованы в «Сборнике трудов научно-практической конференции магистрантов», АУЭС, 2013 г. [13].