17) Основное электрооборудование станций и подстанций

Подстанция электрическая — электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств.

Синхронные генераторы

Основные сведения. В настоящее время на электростанциях при­меняют синхронные генераторы трехфазного переменного тока раз­ных мощностей до 800 МВт. Разрабатывают генераторы еще боль­шей мощности. Генераторы с частотой вращения ротора 1000, 1500 н 3000 об/мин считают быстроходными; они предназначены для непо­средственного соединения с паровыми турбинами и называются тур­богенераторами. С увеличением частоты вращения размеры и масса паровой турбины и генератора уменьшаются. Поэтому широкое рас­пространение получили двухполюсные быстроходные турбогенераторы на 3000 об/мин при частоте 50 Гц. Генераторы с частотой вращения ротора ниже 1000 об/мин считаются тихоходными; они предназначены для непосредственного соединения с гидротурбинами, а также с дру­гими первичными двигателями.

Величинами, характеризующими синхронные генераторы, явля­ются номинальные паспортные значения напряжения, мощности, тока статора, тока ротора, коэффициента мощности, КПД. Номи­нальные напряжения генераторов приняты на 5 % выше номиналь­ных напряжении соответствующих электросетей, что обеспечивает компенсацию потерь напряжения в сетях.

Коэффициент мощности генератора определяется характером на­грузки потребителей. С увеличением номинального значения коэф­фициента мощности (при сохранении номинальных значений тока и напряжения) увеличивается активная мощность генератора, что приводит к перегрузке турбины. С уменьшением коэффициента мощ­ности мощность турбины используется не полностью- Для полного использования кажущейся мощности генератора необходимо на его зажимах поддерживать номинальное напряжение неизменным. При этом недопустимо значительно повышать ток возбуждения из-за возможного перегрева ротора. В аварийных условиях допускается определенная продолжительность перегрузки генератора в зависимости от кратности тока перегрузки:

Кратность тока перегрузки (///_ном) 1,1 1,15 1.2 1,25 1,3 1,4 1,5 2,0

Допускаемая длительность перегрузки, мин 60 15 6 5 4 3 2 1

Чтобы не перегреть обмотки генератора, их изоляцию выполняют из материалов с высоким классом нагревостойкости F и Н, содержа­щих неорганические и кремнийорганические связующие. Для изоля­ции класса F установлена наибольшая допускаемая температура нагрева 155 °С, для изоляции класса Н ■—температура 180 ^СС (ГОСТ 8865—70). Чтобы нагрев изоляции обмоток и активной стали находился в пределах нормы, генераторы снабжают воздушным или водородным охлаждением. При этом за номинальную температуру охлаждающего газа на входе принимают для турбогенераторов 40 °С, а для гидрогенераторов — 35 ’‘"С. Температура выходящего охлаж­дающего газа не нормируется. В места предполагаемого наибольшего нагрева статора и в ряде мест системы охлаждения закладывают термометры сопротивления.

Температура меди обмотки ротора измеряется путем сравнения активного сопротивления обмотки, измеренного при нормальной температуре, и активного сопротивления обмотки, измеренного при действительной температуре, т. е. при эксплуатации. Этим же спо­собом определяется и средняя температура всей обмотки возбужде­ния.

Системы охлаждения генераторов различны. Простейшим явля­ется воздушное (косвенное) охлаждение, при котором холодный воз­дух, забираемый извне, проходит через генератор, поглощает выде­ляющееся в нем тепло и затем выбрасывается в машинный зал или наружу. В случае возникновения пожара в генераторе все задвижки системы охлаждения закрываются, прекращая в него подачу свежего воздуха. Кроме того, устанавливают устройство для тушения пожара водой.

При воздушном проточном охлаждении воздух циркулирует по замкнутому контуру (рис. 2.1). Выходящий нз генератора 1 нагре­тый воздух поступает в камеру 2 горячего воздуха и, пройдя через воздухоохладители 3, попадает в камеру 4 холодного воздуха, от­куда вновь поступает в генератор. В воздухоохладителе горячий воздух охлаждается холодной водой, проходящей по трубам. Такая система охлаждения обеспечивает достаточную чистоту охлаждающего воздуха. Утечка воздуха компенсируется извне через фильтры.

Водородное охлаждение эффективнее воздушного и применяется для генераторов мощностью 30 МВт и выше. Высокая теплопровод­ность и теплоемкость водорода по сравнению с воздухом позволяют увеличить мощность генератора на 25 % (при тех же габаритах) или уменьшить расход активных материалов (при одинаковой мощ­ности машины). Отсутствие окисления изоляции в среде водорода, большая чистота и меньшая влажность водородной среды по срав­нению с воздушной увеличивают срок службы изоляции. Однако водород и воздух в определенной пропорции образуют взрывоопас­ную смесь. Чтобы предотвратить попадание воздуха в машину, внутри ее корпуса автоматически поддерживают избыточное давление 5— 200 кПа *, а корпус выполняют газонепроницаемым со специальными масляными уплотнениями в местах выхода концов вала.

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Силовые трансформаторы. Как и синхронные генераторы, они являются основным электрическим оборудованием, обеспечивающим передачу и распределение электроэнергии от электрических станций к потребителям.

Основные сведения. С помощью трансформаторов осу­ществляют повышение напряжения до величин (110, 220, 330, 500 кВ), необходимых для линий электропередач энергосистем, а также много­кратное ступенчатое понижение напряжений до величин, применяе­мых непосредственно в приемниках электроэнергии (10; 6,3; 0,66; 0,38; 0,22; 0,127 кВ).

В соответствии с ГОСТ 9680 —61 силовые трансформаторы вы­пускают с номинальными мощностями, кратными мощностям 10, 16, 25, 40, 63 кВ-А в трехфазном и однофазном исполнении.

Для компенсации потерь напряжения (см. гл. 7) в электрических сетях повышающие трансформаторы имеют высшее напряжение на 10 % выше номинального напряжения сети, а понижающие трансфор­маторы — низшее напряжение на 5—10 % выше номинального напря­жения сети. На повышающих и понизительных подстанциях при­меняют трехфазные трансформаторы илн группы однофазных транс­форматоров с двумя или тремя раздельными обмотками. В зависимости от числа обмоток трансформаторы делят на двух- и трехобмоточные. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжений принято сокра­щенно обозначать соответственно ВН, СН, НН. В настоящее время изготовляют трансформаторы с обмотками на напряжения 6, 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500 кВ. Каждый трансформатор характеризуется номинальными данными: мощностью, токами первичной н вторичной эбмоток, потерями холостого хода ДР_х-х, потерями короткого за­мыкания АР_к (или потерями в меди АЯ_М), напряжением короткого замыкания «_к, током холостого хода _х (или i₀), а также группой :оединения.

Напряжением короткого замыкания трансформатора называют напряжение, которое необходимо подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой, чтобы в последней протекал номиналь­ный ток. Это напряжение в процентах от номинального, отнесенное к мощности наиболее мощной обмотки, дается в каталогах и состав­ляет в зависимости от мощности трансформатора 4,5—12 %. .

Током холостого хода называют ток, который при номинальном напряжении устанавливается в одной обмотке при разомкнутой дру­гой. Потери холостого хода АР_{х х} определяются током i_Qt выражен­ным в процентах от тока соответствующей обмотки.

Высоковольтное электрооборудование

Токоведущие части высоковольтного оборудования. К ним отно­сятся шины с изоляторами и кабели *.

Шины. В распределительных устройствах напряжением выше 1000 В шипы изготовляют из меди, алюминия и стали и имеют круг­лое, прямоугольное или коробчатое сечение. В закрытых установ­ках медные шины применяют только в особых случаях, в открытых — при агрессивной среде (морское побережье, территория химических заводов). Как правило, в распределительных устройствах исполь­зуют алюминиевые шины. В закрытых установках напряжением до 35 кВ устанавливают алюминиевые шипы прямоугольного (плоского) сечения; в открытых — круглые многопроволочные сталеалюминиевые.

В зависимости от величины тока шины собирают по одной, две, три полосы в одном пакете на фазу. Зазор между шинами в пакете обычно выбирают равным толщине шины.

Для токов, больших 3000 А, применяют шины коробчатого сече­ния. Шина фазы А окрашивается в желтый цвет, В — в зеленый

и С — в красный. При монтаже жесткие плоские и коробчатые шипы каждой фазы (если длина ошиновки для алюминия больше 15 м, а для меди — больше 25 м) делят па отдельные участки, соединяе­мые гибкими перемычками — компенсаторами. Среднюю точку каж­дого пролета шип между двумя компенсаторами глухо закрепляют на соответствующем изоляторе. На других изоляторах на шино- держатели ставят приспособления для продольного перемещения шин, вызываемого изменением их температуры. Для предохранения контактных соединений от окисления шины температура среды не долж­на превышать 70 °С.

Изоляторы и линейные вводы. Токоведущие части электроустановок крепят и изолируют друг от друга и по отношению к земле при помощи изоляторов. Изоляторы для электроустановок напряжением выше 1000 В изготовляют из фарфора, так как он обла­дает высокой механической и электрической прочностью и достаточ­ной теплоемкостью. Изоляторы делятся на подвесные (линейные), опорные и проходные.

Подвесные изоляторы предназначаются для крепления проводов воздушных линий (см- гл. 6).

Опорные изоляторы внутренних установок типа ОФ на 6, 10, 20, 35 кВ служат для крепления шип и аппаратуры распределительных устройств. Изготовляют их с овальным, круглым или квадратным осно­ванием; металлические части (арматура), предназначенные для креп­ления изоляторов, заделываются снаружи фарфорового корпуса или внутри в виде фасонных гаек.

Опорные изоляторы наружных установок изготовляют опорно­штыревыми типа ОНШ на 10, 35 кВ н опорно-стержневыми типа ОНСМ на 10, 35, 110 кВ. Для повышения электрической прочности эти изоляторы выполняют с более развитой, чем у изоляторов для внутренней установки, поверхностью.

Проходные изоляторы (для внутренних и наружных установок) предназначены для вывода токоведущнх частей из зданий и прокладки шин через стены и перекрытия. Наибольшее применение имеют про­ходные изоляторы внутренней и наружно-внутренней установки типа ИП, ИПУ с токоведущими стержнями круглого п прямоуголь­ного сечения на напряжение 6, 35 кВ и токи 250, 1600 А, используемые в распределительных устройствах.

Маслонаполненные линейные вводы предназначены для вывода проводов высокого напряжения из баков трансформаторов, высоко­вольтных выключателей или прохода проводов высокого напряжения через стены зданий. Вводы изготовляют на напряжения от 110 до 220 кВ и токи от 1000 до 2000 А и имеют, например, обозначения: ГБМЛ-110/1000 — герметичный, с бумажно-масляной изоляцией, на напряжение 110 кВ, ток 1000 А; БМЛ-110/1000 — негерметичный, с бумажно-масляной изоляцией, линейный, на напряжение 110 кВ, ток 1000 А.

Аппараты высоковольтного оборудования. К ним относят разъеди­нители, короткозамыкатели и отделители, плавкие предохранители, выключатели с приводами и т. д.

Разъединители. Используют их в системах электроснаб­жения напряжением выше 1000 В для разъединения и переключении участков сети, находящихся под напряжением. Разъединители создают необходимый видимый разрыв электрической цепи, требуемый усло­виями эксплуатации электроустановок.

К о р о т к о з а м ы к а т е л и Это аппараты, пред­назначенные для искусственного.создания короткого замыкания в тех случаях, когда ток при повреждениях в. трансформаторе-может ока­заться недостаточным для срабатывания релейной защиты. Коротко- за мы кате л и применяют .на подстанциях без выключателей на стороне высшего напряжения. Они предназначены для наружной уста­новки.

Короткозамыкатели типа K3-35 на напряжение 35 кВ выполняют в виде двух отдельных полюсов, соединяемых при монтаже в один двухполюсный аппарат.

Отделители (рис. 2.14). Это двухколонковые разъедини­тели с ножами заземления ОДЗ (без ножей — ОД), управляемые общим приводом, размещенным в шкафу (ШПОМ) при напряжении до 110 кВ. Отделители на 220 кВ выполняют в виде трех отдельных полюсов с самостоятельными приводами. Ножи заземления управляют приводами наружной установки ПРНУ-1

Плавкие предохранители. Эти устройства выполняют операцию автоматического отключения цепи при превышении опреде­ленной величины тока. После срабатывания предохранителя необ­ходимо сменить плавкую вставку или патрон, чтобы подготовить аппа­рат для дальнейшей работы.

Выключатели. При передаче и распределении электриче­ской энергии напряжением выше 1000 В включение, отключение н переключение электрических цепей производится под нагрузкой при помощи выключателей. Выключатель должен включать и отключать токи как в нормальном, так и в аварийных режимах работы электро­установки, которые сопровождаются обычно большим увеличением токов

Воздушные выключатели. В установках напряжением выше 1000 В применяют также воздушные выключатели. Это дает возможность отказаться от масла как от дугогасящей среды, а также сделать вы­ключатели быстродействующими, так как не требуется времени для создания необходимого давления газов, предназначенных для гаше­ния дуги. В воздушных выключателях время выключения состав­ляет 0,06—0,07 с при мощности отключения до 15 000 MB А

Электромагнитные выключатели, Выключатели с электромагнит­ным гашением дуги имеют ряд преимуществ по сравнению с мало­объемными выключателями: не требуют масла для гашения дуги, пожаро- и взрывобезопасны, создают низкий уровень коммута­ционных перенапряжений и имеют повышенную износоустойчи­вость дугогасящих частей выключателя.

Вакуумные выключатели. Их изготовляют на напряжение 6—10 кВ, номинальные токи 200 и 320 А, ток отключения 2 к А, динамическую устойчивость 40 кА. Основным элементом вакуумного выключателя является вакуумная дугогасительная камера (ВДК), в которой про­исходит гашение дуги.

Приводы выключателей. Назначение привода — обеспечить управление отключателем: включить, удержать во включенном положении и отключить. Вал привода соединяют с валом выключателя при помощи системы рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечить необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении — наименьшее потребление электроэнергии.

Трансформаторы напряжения. Трансформаторы напряжения предназначены для включения катушек напряжения из­мерительных приборов и аппаратов защиты, измерения и контроля, напряжения, а также для отделения цепей измерительных приборов и аппаратов защиты от сети высокого напряжения.

Реакторы. Они предна­значены для ограничения тока короткого замыкания. Реактор представляет собой катушку с большим индуктивным и малым активным сопротивлениям.

Разрядники. Это аппараты, предназначенные для защиты электроустановок от перенапряжений. Разрядники выпол­няют вентильными и трубчатыми.