ИЭ / 6 сем (станции+реле) / Наиважнейшие методические пособия / Учебное пособие_Электрическая часть станций и подстанций_2019

непосредственном. В качестве охлаждающих жидкостей используются дистиллированная вода, масло.

Водород эффективнее воздуха при охлаждении, так как имеет большую теплоотводящую способность (в четыре раза при давлении 0,4 МПа), но его использование опасно, так как в определенной пропорции в смеси с воздухом он взрывоопасен («гремучий газ», если воздуха в смеси значительно более 3%). Поэтому при водородном охлаждении корпус генератора должен иметь высокую степень герметичности, и давление водорода в корпусе должно превышать атмосферное с запасом.

Вода в сравнении с маслом обладает более высокими теплоотводящими свойствами, но при наличии в ней растворенных металлов становится проводящей средой, через которую возможно замыкание токоведущих частей на корпус. Также проникновение воды из системы охлаждения в изоляционные конструкции приводит к увлажнению изоляции и замыканиям токоведущих частей на корпус.

Системы охлаждения имеют буквенное обозначение, приводимое в типе генератора (таблица 3.1)

Дополнительно в обозначении генератора могут использоваться буква П, это означает, что генератор предназначен для сопряжения с паровой турбиной, или буква Г – сопряжение с газовой турбиной.

Срок службы турбогенераторов согласно ГОСТ 533-2000 должен быть не менее 40 лет. На электростанциях, введенных в работу в прошлом столетии, сроки эксплуатации генераторов могут значительно превышать сроки службы и

71

их необходимо заменять. Для уменьшения затрат при модернизации новые генераторы устанавливают на существующие фундаменты и увеличивают их мощность по сравнению с заменяемыми.

Пример условного обозначения:

Т3В-1200-2У3 – турбогенератор с водяным охлаждением обмоток ротора, обмоток и стали статора, номинальная активная мощность 1200 МВт, количество полюсов – 2, климатическое исполнение для работы в районах с умеренным климатом (буква У), для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (цифра 3).

3.1.4. Системы возбуждения генераторов

Магнитное поле ротора, необходимое для создания ЭДС обмотки статора, создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Для питания обмотки возбуждения предназначена система возбуждения, включающая непосредственно обмотку возбуждения, источник постоянного тока, регулирующие и коммутирующие устройства.

Требования к системе возбуждения:

1) надежное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в т.ч. и при авариях, обеспечение номинальных напряжения возбуждения в ном и тока возбуждения в ном, при которых генератор выдает г ном; номинальная мощность возбуждения обычно составляет: в ном = (0,2 − 0,6)% ∙

г ном.

2)регулирование тока возбуждения в при изменении нагрузки генератора и при авариях в системе;

3)быстродействующая форсировка возбуждения при резком снижении напряжения на выводах статора генератора; форсировочную способность и быстродействие системы возбуждения в процессе форсировки напряжения при авариях в энергосистеме характеризуют:

кратность форсировки: скорость нарастания напряжения возбудите-

где в макс – максимальное напряжение возбуждения,н – время нарастания напряжения возбуждения от в ном до значения

нератора от сети.

72

В зависимости от источника энергии, питающего обмотку возбуждения, применяются следующие типы систем возбуждения:

- электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного

тока;

-высокочастотная система возбуждения;

-тиристорная система возбуждения (независимая, зависимая);

-бесщеточная система возбуждения.

Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 3.3).

Источник энергии – возбудитель (В) – генератор постоянного тока, установленный на валу главного генератора (Г) и соединений непосредственно с его обмоткой возбуждения (ОВГ). Обмотка возбуждения возбудителя (ОВВ) выполнена последовательно с ОВГ и питается от самого возбудителя (схема самовозбуждения возбудителя). В случае колебания напряжения в сети или изменении нагрузки, при внешних коротких замыканиях регулирование возбуждения осуществляется через автоматический регулятор возбуждения (АРВ) путем изменения постоянного тока в обмотке возбуждения возбудителя (ОВВ). Например, при просадке напряжения на выводах Г действие АРВ увеличивает ток в ОВВ, что приводит к увеличению напряжения возбуждения и тока в ОВГ, вследствие чего увеличивается ЭДС и напряжение на трехфазной обмотке статора.

Рис. 3.3 Схема электромашинной системы возбуждения с генератором постоянного тока

73

Схема содержит небольшое количество оборудования, проста, экономична, надежна, так как электрически не связана с электрической сетью. Но из-за наличия контактных колец (КК) и щеток надежность ее снижается. Недостатком является и то, что схема не может быть использована для мощных генераторов. Электрические соединение В и ОВГ осуществляется с помощью контактных колец и щеток. По условиям надежной коммутации токов предельная мощность возбудителя постоянного тока при частоте 3000 об/мин составляет до 500 кВт, что соответствует мощности генератора порядка 100-160 МВт. Это

можно пояснить на примере: приняв в ном = 500 кВт и в ном = 0,5% г ном, по-

лучим г ном = 500кВт/0,005 = 100 МВт.

Параметры электромашинной системы возбуждения: в = 2 1/с, ф = 2.

Высокочастотная система возбуждения или электромашинная система возбуждения с генератором переменного тока (рис. 3.4).

Возбудитель (В) – генератор переменного тока повышенной частоты 500 Гц и диодный выпрямитель (ДВ). Применение высокочастотного генератора позволяет уменьшить пульсации выпрямленного тока, снизить габаритные размеры возбудителя, повысить надежность системы возбуждения. Дело в том, что на частоте 500 Гц становится возможным выполнить возбудитель индукторного типа, у которого и обмотка возбуждения и трехфазная обмотка статора находятся в пазах неподвижного статора. Поэтому В не имеет контактных колец со щетками, что повышает надежность его работы.

ИТН

АРВ

Рис. 3.4 Схема высокочастотной системы возбуждения

Ротор В имеет форму 10 пар полюсов. При его вращении в обмотках переменного тока индуцируется ЭДС частотой f=500 Гц (при p=10 n=3000 об/мин). Далее переменный ток выпрямляется ДВ и питает ОВГ. Возбудитель

74

располагается на одном валу с генератором. Система возбуждения не связана с основной сетью, что также повышает ее надежность.

Возбудитель имеет три ОВВ, расположенные вместе трехфазной обмоткой на неподвижном статоре:

ОВВ1 – обеспечивает основное возбуждение В по схеме самовозбуждения при повреждениях во внешней сети, включается последовательно с ОВГ;

ОВВ2 – обеспечивает дополнительное возбуждение от АРВ при колебаниях напряжения и изменениях нагрузки в сети (для поддержания напряжения в генераторе в нормальном режиме).

ОВВ3 – обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжения на 5% и более.

Подвозбудитель (ПВ) – высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами, обеспечивает возбуждение возбудителя.

Параметры системы возбуждения: в = (2 ÷ 4)1/с, ф = 2. По быстродействию эквивалентна электромашинной системе возбуждения с генератором постоянного тока, поэтому применена лишь на некоторых турбогенераторах мощностью до 300 МВт.

Тиристорная система возбуждения.

Название системы возбуждения происходит от тиристоров, используемых в качестве управляемых выпрямителей. Различают два варианта тиристорного возбуждения:

-тиристорная система независимого возбуждения (с питанием от вспомогательного генератора переменного тока),

-тиристорная система самовозбуждения (с питанием от главного генера-

тора).

В тиристорной системе независимого возбуждения (рис. 3.5) возбудите-

лем (В) является генератор переменного тока промышленной частоты, расположенный на одном валу с возбуждаемым генератором, и тиристорный выпрямитель (ТВ). Регулирование возбуждения осуществляется от АРВ с помощью управляемых вентилей - тиристоров. В ТВ есть рабочая группа тиристоров, которая обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме и форсировочная группа для форсировки возбуждения и гашения поля генератора в аварийном режиме. Возбуждение возбудителя обеспечивает генератор постоянного тока - подвозбудитель (ПВ), но возбудитель может работать и по схеме самовозбуждения.

75

Рис. 3.5 Схема тиристорной системы независимого возбуждения

Схема имеет высокое быстродействие в = 50 1/с и высокую кратность форсировки ф = 4. Чтобы иметь такую высокую кратность форсировки, нужно иметь напряжение возбудителя на заданную кратность форсировки. При полном открытии тиристоров это напряжение сразу прикладывается в ОВГ. В нормальном режиме тиристоры открыты не полностью и к ОВГ прикладывается

в ном.

Система возбуждения электрически не связана с основной сетью - это определяет ее надежность, но при этом имеется ненадежный щеточный элемент. Также к недостаткам можно отнести дороговизну и сложность схемы изза наличия возбудителя переменного тока (по сравнению со системой самовозбуждения).

Применяется для генераторов мощностью 200, 300, 500, 800 МВт.

В тиристорной системе самовозбуждения источником возбуждения яв-

ляется цепь статора главного генератора. Питание ОВГ осуществляется от выводов статора Г через понижающие трансформаторы и группы управляемых вентилей – тиристоров (рис. 3.6).

Основные элементы схемы:

-выпрямительный трехфазный трансформатор (ВТ), подключенный к выводам обмотки статора генератора,

-последовательный трансформатор (ПТ), первичная обмотка включена последовательно в цепь статора со стороны нулевых выводов генератора,

-рабочая группа вентилей (ВР), обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме,

76

- форсировочная группа вентилей (ВФ), обеспечивает возбуждение при форсировке и гашение поля в аварийных режимах.

Рис. 3.6 Схема тиристорной системы самовозбуждения

Тиристоры группы ВР получают питание от ВТ, который используется для подачи переменного тока в сеть меньшего напряжения, 2 ВТ ~ Г. Мощность тиристоров группы ВР рассчитывают так, чтобы она была достаточна для возбуждения генератора на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме, которое осуществляется с помощью АРВ. В номинальном режиме тиристоры обеспечивают (70-80)% от в ном. Остальное возбуждение обеспечивают с помощью группы ВФ.

У схемы есть недостаток - зависимость работы возбудителя от режима внешней сети. При к.з. вблизи генератора напряжение на его выводах Г падает, а вслед за ним уменьшается значение 2 ВТ. Это нарушает работу системы возбуждения, которая должна обеспечивать форсировку тока возбуждения в ОВ. Но при к.з вблизи генератора увеличивается Г, а 2 ПТ ~ Г. Поэтому используется группа ВФ, при форсировке эта группа полностью открывается и дает весь ток форсировки. Такое сочетание ПТ и ВТ повышает надежность схемы. При гашении поля группа ВФ переводится в инверторный режим.

Схема проста, широко применяется, экономичнее независимой СВ, также имеет высокую кратность форсировки и быстродействие, которое ограничено лишь инерционностью системы управления тиристорами. Но схема не лишена

77

недостатков: первоначальный пуск генератора осуществляется от дополнительного источника (а дальше перевод на самовозбуждение), работа системы возбуждения зависит от режима работы внешней сети

Параметры системы возбуждения: в = 30 1/с, ф > 4 Применятся для генераторов мощностью до 800 МВт.

Бесщеточная система возбуждения.

Возбудитель – синхронный генератор повышенной частоты, расположенный на валу главного генератора и выполненный по типу обратимой машины: обмотка возбуждения расположена на статоре, а обмотка переменного тока на роторе. Ротор возбудителя с диодным выпрямителем ДВ жестко соединен с ротором генератора. Таким образом, ток от вращающейся обмотки переменного тока В подводится к вращающемуся ДВ, и выпрямленный ток подается непосредственно к ОВГ без контактных колец и щеток.

ИТН

АРВ

ИТТ

Г

Рис. 3.7 Схема бесщеточной системы возбуждения Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путем воздей-

ствия на тиристоры в цепи обмотки возбуждения возбудителя. Система надежна, но не очень компактна.

Достоинством является отсутствие контактных колец и щеток, а недостатком – необходимость останавливать генератор для переключения на резервное возбуждение и медленное гашение поля генератора.

Параметры системы возбуждения: в ≥ 2 1/с, ф ≥ 2. Применятся для генераторов мощностью 300÷1200 МВт.

Полупроводниковые системы возбуждения (тиристорные, бесщеточные) рассмотрены в [15].

78

3.2.СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

3.2.1.Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения без изменения его частоты.

Принцип действия трансформатора поясняет рис. 3.8.

Рис. 3.8 Схема однофазного двухобмоточного трансформатора Если первичную обмотку трансформатора с числом витков 1 включить в

сеть переменного напряжения, то ток 1( ), возникающий под действием напряжения 1, создает магнитодвижущую силу 1( ) = 1 ∙ 1( ), которая возбуждает в сердечнике магнитный поток взаимоиндукции, магнитно связывающий первичную и вторичную обмотки трансформатора. Этот поток индуцирует в обеих обмотках трансформатора ЭДС 1( ) и 2( ). В результате на зажимах вторичной обмотки с числом витков 2 возникает напряжение 2, а если она замкнута на сопротивление, то ток 2( ). Этот ток создает магнитодвижущую силу 2( ) = 2 ∙ 2( ).

Трансформаторы различают по числу фаз (одно- и трехфазные), числу обмоток (двух- и трехобмоточные), исполнению (наружной и внутренней установки, герметичные, уплотнённые), способу охлаждения (масляные, сухие, с дутьевым и масляно-водяным охлаждением), способу регулирования напряжения (под нагрузкой, при снятом напряжении). Этой классификации соответствуют условные обозначения типов трансформаторов. В структуру обозначения трансформаторов входит следующее:

1.Буквенная часть:

для автотрансформаторов

А- автотрансформатор (указывается в начале буквенной части)

число фаз

О - однофазный; Т - трехфазный;

наличие расщепленной обмотки низшего напряжения

Р - указывается при наличии расщепленной обмотки

вид системы охлаждения

79

сухие не имеют специальной системы охлаждения; способ охлаждения применяется для трансформаторов мощностью до 1,6 МВА

С- естественное воздушное при открытом исполнении (путем естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в

воздухе); СЗ - естественное воздушное при закрытом исполнении;

СГ - естественное воздушное при герметизированном исполнении; СД - воздушное с дутьем;

масляные магнитопровод с обмотками помещается в бак, заливаемый маслом

М- естественная циркуляция воздуха и масла (рис. 3.9 а); тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается

окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиатор-

ным трубам, передает его окружающему воздуху; выполняется для трансформаторов мощностью до 16 МВА;

Д- принудительная циркуляция воздуха и естественное масляное охлаждение (рис. 3.9 б); в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вен-

тиляторы, вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб, пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла; применяется для трансформаторов мощностью до 80 МВА;

ДЦ принудительная циркуляция воздуха и масла через воздушные маслоохладители (рис. 3.9 в); охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, об-

дуваемых снаружи вентилятором, электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители; благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью; применяется для трансформаторов мощностью 63 МВА и выше;

НДЦ - то же, но с направленным движением потока масла через охладители;

Ц - принудительная циркуляция воды и масла через выносные маслоохладители, охлаждаемые принудительно водой; принципиально устроена так же, как система ДЦ, но охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло; применяется для трансформаторов мощностью 200 МВА и выше;

80