ных и аварийных режимов в процессе проектирования и эксплуатации станций, при разработке противоаварийных мероприятий и конструкций распределительных устройств.

В однолинейном изображении составляют оперативные схемы электрических соединений, которыми пользуется эксплуатационный пер-

сонал станции.

Разновидностью трехлинейных схем являютсямонтажные схемы,

разрабатываемые на основании трехлинейных схем для отдельных элемен-

тов станции (цепь генератора, трансформатора и т.д.). На них изображают расположение аппаратов, приборов и других устройств с их присоедине-

ниями, а также указываются сечения проводов и кабелей, их марки, место расположения контактных устройств, условная маркировка узлов и эле-

ментов схемы. Монтажные схемы являются основным документом при монтаже электроустановки и используются также во время эксплуатации при ремонтах электрооборудования, его испытании.

На главных схемах все коммутационные аппараты показываются в отключенном положении. На оперативных схемах состояние элементов должно строго соответствовать режиму работы станции на данный момент времени.

2. Основное электрооборудование тепловых электростанций

2.1. Синхронные генераторы

Генератор состоит из подвижной части– ротора и неподвижной– статора. Ротор приводится во вращение турбиной. На нем расположена обмотка возбуждения, в которую через щеточный аппарат и контактные

6

кольца подается постоянный ток. На статоре расположена неподвижная статорная обмотка переменного тока.

При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения пере-

мещается относительно проводников обмотки статора и наводит(индуци-

рует) в них электродвижущую силу. На концах трех фаз обмотки статора появляется высокое напряжение. При работе на нагрузку активная мощ-

ность генератора регулируется подачей пара на турбину, а реактивная пу-

тем изменения тока возбуждения.

На тепловых электростанциях применяются синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Основными типами современных синхрон-

ных генераторов являются турбогенераторы, приводимые в действие паро-

выми турбинами.

Характерной особенностью турбогенераторов, в отличие от гидроге-

нераторов, является большая скорость вращения, они относятся к катего-

рии быстроходных машин. Быстроходные генераторы являются более эко-

номичными в работе и имеют меньший расход активных материалов на единицу мощности, так как с увеличением скорости вращения размеры и вес, как генератора, так и паровой турбины уменьшаются. Все современ-

ные турбогенераторы имеют одинаковую скорость вращения-3000 об/мин при частоте 50 Гц и числе пар полюсов р=1.

Роторы таких генераторов выполняются с неявно выраженными по-

люсами в виде цельнокованых болванок цилиндрической формы длиной до шести метров и до 110 сантиметров в диаметре, выполненных из высо-

кокачественной легированной стали. По поверхности ротора фрезеруют продольные пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения.

Гидрогенераторы являются тихоходными машинами с большим ко-

личеством явно выраженных полюсов. Диаметр ротора может доходить до

10-12 метров.

7

Сердечник статора выполняют из тонких стальных листов, которые набирают пакетами с каналами для вентиляции. Во внутренней расточке статора имеются пазы, в которые укладывают обмотку статора.

Турбогенераторы выполняют исключительно с горизонтальным ва-

лом, в то время как гидрогенераторы чаще имеют вертикальное располо-

жение вала.

Каждый синхронный генератор характеризуется следующими основ-

ными номинальными параметрами: напряжением, мощностью, током ста-

тора, током ротора, частотой, cos φ и КПД.

Номинальным напряжением генератора называют то напряжение,

при котором он предназначен для нормальной работы. ГОСТ устанавли-

вают номинальные напряжения генераторов на5 % выше соответствую-

щих номинальных напряжений электрических сетей для компенсации по-

терь напряжения в сетях при их нормальной нагрузке.

Номинальная мощность генератора определяется по формуле

Pí î ì = 3 ×Uí î ì × Ií î ì × cosj= Sí î ì × cosj , МВт.

Номинальный ток статора определяется по формуле

Системы охлаждения турбогенераторов

В процессе эксплуатации генераторов изоляция обмоток постепенно изнашивается. Причиной этого является воздействие целого ряда факто-

ров: загрязнение, увлажнение, окисление кислородом воздуха, воздействие электрического поля, динамических нагрузок и т.д. Но главной причиной

8

старения изоляции является ее нагрев: чем выше температура нагрева изо-

ляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок ее службы. Срок службы изоляции зависит от температуры нагрева и регламентируется ГОСТ [7,8].

По способу подачи охлаждающего вещества к обмоткам статора и ротора существуют две системы охлаждения генераторовкосвенное (по-

верхностное) и непосредственное (внутреннее) охлаждение [3, 7, 8].

При косвенном охлаждении охлаждающий газ(воздух или водород)

с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подается внутрь ге-

нератора и прогоняется через воздушный зазор и вентиляционные каналы.

При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора, и тепло, выделяемое ими, передается охлаждающему га-

зу через значительный «тепловой барьер» (изоляция обмоток и сталь зуб-

цов).

При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество(газ или жидкость) непосредственно соприкасается с проводниками обмоток гене-

ратора, минуя изоляцию и сталь зубцов.

В настоящее время выпускаются турбогенераторы с воздушным, во-

дородным и жидкостным охлаждением.

Воздушное охлаждение. Существуют две системы воздушного ох-

лаждения - проточная и замкнутая.

При проточном охлаждении холодный воздух забирается извне, про-

гоняется через генератор и затем выбрасывается в машинный зал. Эту сис-

тему охлаждения применяют редко и лишь в генераторах небольшой мощ-

ности (до 2 МВт), так как в этом случае в генератор подается неочищен-

ный воздух из машинного зала, который быстро загрязняет изоляцию об-

моток статора и ротора, что, в конечном счете, сокращает срок службы ге-

нератора.

9

При замкнутом охлаждении один и тот же объем воздуха циркулиру-

ет по замкнутому контуру. Нагретый воздух из генератора проходит через водяной воздухоохладитель и вновь возвращается в генератор.

Внастоящее время выпускают турбогенераторы с замкнутым -воз душным охлаждением мощностью до 12 МВт включительно.

Всвязи с переориентацией электроэнергетики на электростанции малой и средней мощности ОАО«Электросила» разработало три серии турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением [9]:

Серия ТА (1,5 - 23 МВт) - с косвенным воздушным охлаждением об-

моток ротора и статора и непосредственным охлаждением сердечника ста-

тора.

Серия ТФ (18 - 160 МВт) - с непосредственным охлаждением обмот-

ки ротора и сердечника статора и косвенным охлаждением обмотки стато-

ра.

Серия ТЗФ (50 - 165 МВт) - с воздушным охлаждением по трехкон-

турной схеме.

Генераторы серии ТФ предназначены для замены устаревших гене-

раторов ТВ. ТВФ с водородным охлаждением, выработавших свой срок

[10], а также, в первую очередь, для привода газовых турбин.

Косвенное водородное охлаждение. Генераторы с поверхностным водородным охлаждением имеют такую же систему вентиляции, как и при воздушном охлаждении, но вместо воздуха в генераторе циркулирует во-

дород. Водородное охлаждение значительно эффективнее воздушного, по-

этому оно применяется в настоящее время в турбогенераторах, начиная с мощности 30 МВт.

Как охлаждающий газ, водород имеет по сравнению с воздухом ряд существенных преимуществ:

10

•теплоемкость его в 14 раз больше теплоемкости воздуха, что обес-

печивает более высокий коэффициент теплопередачи от нагретой поверх-

ности (обмоток и активной стали) к охлаждающему газу;

•водород имеет меньшую плотность по сравнению с воздухом, что позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8 - 10 раз. КПД генератора при этом возрастает на 0,8 – 1,0 %;

•в среде водорода при коронном разряде не образуется озон, отсутст-

вует окисление изоляции обмоток, что увеличивает срок ее службы;

•водород не поддерживает горения, следовательно, в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройств пожаротушения.

Главным недостатком водородного охлаждения является ,точто водород в смеси с воздухом(от 5 до 75 %), образует взрывоопасную смесь, поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспе-

чена высокая герметичность корпуса.

Непосредственное водородное охлаждение. Еще больший эффект по сравнению с косвенным водородным охлаждением дает непосредствен-

ное или, как его иногда называют, форсированное водородное охлаждение,

когда водород подается внутрь полых проводников ротора и статора.

Первоначально внутреннее водородное охлаждение было применено для ротора, который в отношении нагрева является наиболее напряженной частью генератора. При этом имеются два способа охлаждения проводни-

ков обмотки ротора.

В первом способе(аксиальное охлаждение) проводники обмотки ротора имеют корытообразную форму и образуют прямоугольные венти-

ляционные каналы, в которые и поступает охлаждающий газ с торцов боч-

ки ротора. При аксиальном охлаждении в большей степени охлаждаются торцовые зоны. К центральной части ротора охладитель поступает уже ра-

11

зогретым. Неравномерность охлаждения по длине является главным -не достатком аксиальной системы охлаждения.

Во втором способе(радиальное многоструйное охлаждение) хо-

лодный охлаждающий газ захватывается специальными заборниками из зазора и нагретым выбрасывается обратно в зазор по принципу самовенти-

ляции [7].

Непосредственное жидкостное охлаждение. Для охлаждения рото-

ра в качестве охлаждающей жидкости применяютдистиллированную во-

ду, которая обладает высокой текучестью и большей в сравнении с возду-

хом теплоотводящей способностью. Также необходимо отметить, что та-

кой вид охлаждения пожаро- и взрывобезопасен. Для охлаждения провод-

ников статора используюткабельное масло. Оно имеет большую вяз-

кость, зато более высокие диэлектрические свойства, что позволяет увели-

чить напряжение статорной обмотки и единичную мощность генератора.

Системы возбуждения генераторов

Источник постоянного тока, обмотка ротора и автомат гашения поля в совокупности с регулирующими устройствами образуют систему возбу-

ждения генератора.

Обмотка возбуждения укладывается в пазы ротора и к ней с помо-

щью контактных колец и щеток, исключением является бесщеточная сис-

тема возбуждения (см. далее), подводится постоянный ток. В качестве ис-

точника энергии может применяться генератор постоянного или перемен-

ного тока, который принято называть возбудителем, а систему возбужде-

ния электромашинной. В безмашинной системе возбуждения источником энергии является выпрямитель, подключенный к выводам генератора, по-

этому её называют системой самовозбуждения. Основные величины, ха-

12

рактеризующие системы возбуждения, и требования, предъявляемые к ним, указаны в [7].

При сравнении различных систем возбуждения в качестве основных требований выделяют:

-надежность и экономичность;

-независимость от внешней сети;

-высокое быстродействие при форсировке;

-коэффициент форсировки больше 2;

-длительность гашения поля не более 1 секунды.

Мощность источника возбуждения составляет обычно0,5 - 2 %

мощности турбогенератора, а напряжение возбуждения 115 - 575 В. Чем больше мощность турбогенератора, тем выше напряжение и тем меньше относительная мощность возбудителя.

Системы возбуждения можно разделить на два типа: независимое

(прямое) возбуждение и зависимое (косвенное) возбуждение (самовозбуж-

дение).

К первому типу относятся все электромашинные возбудители посто-

янного и переменного тока, сопряженные с валом турбогенератора (рис. 1).

Ко второму типу относятся системы возбуждения, получающие пи-

тание непосредственно от выводов генератора через специальные пони-

жающие трансформаторы (рис. 2, а) и отдельно установленные электро-

машинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, пи-

тающимися от шин собственных нужд станции (рис. 2, б).

Электромашинные возбудители постоянного тока(рис. 1, а) ранее применялись на турбогенераторах малой мощности. В настоящее время та-

кая система возбуждения практически не применяется, так как является маломощной и при скорости вращения3000 об/мин данную систему воз-

13

буждения трудно выполнить из-за тяжелых условий работы коллектора и щеточного аппарата (ухудшение условий коммутации).

На действующих турбогенераторах применяют:

высокочастотную систему возбуждения;

бесщёточную систему возбуждения;

тиристорную систему самовозбуждения.

В перечисленных системах возбуждения возбудителем является -ге нератор переменного тока различного исполнения, не имеющий ограниче-

ния по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный применяются неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпря-

мители.

Рис. 1. Принципиальные схемы независимой системы возбуждения генера-

торов: а - электромашинная с генератором постоянного тока; б - высоко-

частотная;

СГ - синхронный генератор; ВГ - возбудитель постоянного тока;

ВЧГ - высокочастотный генератор; ПВ - подвозбудитель; В - выпрямитель

14

Принцип работы высокочастотного возбуждения(рис. 1, б) заключается в том, что на одном валу с генератором находится ротор высокочастотного генератора трехфазного тока500 Гц, который через полупроводниковые выпрямители В подает выпрямленный ток на кольца ротора турбогенера-

тора. Использование частоты 500 Гц позволяет существенно уменьшить размеры ротора и повысить качество выпрямленного тока. При такой сис-

теме возбуждения исключается влияние изменения режимов работы внеш-

ней сети на возбуждение генератора, что повышает его устойчивость при коротких замыканиях в энергосистеме. На современных турбогенераторах высокочастотную систему возбуждения не применяют, как устаревшую.

Рис. 2. Принципиальные схемы зависимой системы возбуждения генераторов;

ВТ - вспомогательный трансформатор; АД - асинхронный двигатель

Для мощных турбогенераторов токи возбуждения составляют 5-8 кА.

Это создает большие трудности подвода постоянного тока к обмотке воз-

буждения генератора с помощью скользящих контактов - колец и щёток. В

15

настоящее время для крупных генераторов применяется бесщёточная сис-

тема возбуждения, в которой используется известный принцип обратимо-

сти электрических машин. Обмотка переменного тока возбудителя вместе с выпрямителем располагается на роторе и вращается вместе с ним со ско-

ростью 3000 об/мин. Поэтому электрическая связь между выпрямителем и обмоткой возбуждения генератора выполняется жестким токопроводом без применения контактных колец и щеток.

В независимой статической системе и системе самовозбуждения применяются управляемые полупроводниковые кремниевые выпрямители

- тиристоры. Это позволило увеличить быстродействие данных систем возбуждения по сравнению с системой, например, высокочастотной, где применяются неуправляемые выпрямители. Так как в данных системах возбуждения применяется группа статических управляемых выпрямите-

лей, то для подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора также применяются скользящие контакты, что является недостатком. Ти-

ристорные системы возбуждения нашли применение для турбогенераторов мощностью 160 - 500 МВт. На рис. 2 а приведена принципиальная схема статического тиристорного самовозбуждения.

Схемы и подробное описание систем возбуждения приведены в

[3,7,8].

На случай повреждения системы возбуждения предусматривается установка резервных возбудителей: по одному на каждые четыре генера-

тора [11, 12].

В качестве резервного возбудителя устанавливают генераторы -по стоянного тока, приводимые во вращение асинхронными двигателями,

подключенными к шинам собственных нужд станции(рис. 2, б). Чтобы при посадке напряжения, например при КЗ, резервный возбудитель не за-

тормозился, на его валу устанавливают маховик.

16