Лекции Производство электроэнергии

появления кругового огня на коллекторе. Предельный ток возбуждения и длительность работы с таким током ограничено допустимым напряжение ротора и системы охлаждения. номинальная скорость возрастания напряжения возбудителя должна быть не меньше 2, а для генераторов, к которым предъявляются особые требования по установленным скоростям от 7 до 9.

Системы возбуждения делятся на 3 группы:

1.генераторы запитываются от генератора постоянного тока (возбудителя);

2.система возбуждения генератора запитывается от генератора переменного тока с последующим выпрямлением;

3.системы возбуждения используют энергию самой энергосистемы. Первые 2 группы – это независимые системы возбуждения.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

1.Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси. Обозначается xd .

2.Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси. Обозначается xd' .

3.Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси. Обозначается xd'' .

4.Электромагнитная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания статора. Обозначается Ta .

5.Свободная, переходная и сверхпереходная составляющая токов машин. Обозначается соответственно Td' и Td'' .

6.Механическая постоянная времени. Обозначается Tj .

Сопротивление обычно дается в относительных единицах. С точки зрения увеличения магнитной индукции в зазоре желательно, чтобы xd было большим. С точки зрения устойчивой па-

раллельной работы генератора, сопротивление xd желательно иметь небольшим. Большие значения xd соответствуют малым воздушным зазорам, что ухудшает условия вентиляции. Для снижения xd зазор увеличивают. Переходное и сверхпереходное индуктивное сопротивление определя-

ется потоками рассеяния обмоток статора и возбуждения, в сверхпереходное сопротивление ещё и рассеянием в демпферной обмотке. Увеличение этих сопротивлений снижает динамическую устойчивость машины.

ВКЛЮЧЕНИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ

11

Первый способ – точной синхронизации.

1. Генератор разгоняет турбины до скоростей вращения, близких к номинальным.

2. Возбуждают и включают в сеть при выполнении следующих условий: Uном.ген = Uном.сист ;

fном.ген = fном.сист ; ϕном.ген = ϕном.сист .

Синхронизация может выполняться вручную с автоматическим контролем или полностью автоматически. Для выполнения синхронизации на панели управления существует колонка синхронизации. В нее входят два вольтметра, два частотомера и один синхроноскоп.

При выполнении трех указанных условий между генератором и системой будет отсутствовать уравнительный ток и генератор будет работать в номинальном режиме.

Недостатки: 1) сложность процесса включения; 2) большие длительности по времени включения; 3) возможность механического повреждения машины в момент включения при больших углах опережения.

Второй способ синхронизации. Без подгонки параметров.

Генератор разгоняют до скоростей, близких к номинальным и невозбужденным включают в сеть. При этом обмотку возбуждения замыкают на разрядный резистор или якорь возбудителя. Это делается для того, чтобы избежать возможных перенапряжений в изоляции обмоток. После включения генератора в сеть подается импульсно автомат гашения поля и машина возбуждается.

Достоинства: более простая операция включения; быстрое включение по времени; возможно включение машины при глубоких снижениях напряжения в прилегающей сети; отсутствие возможности повреждения машины при пуске.

Недостатки: если мощность включаемого генератора соизмерима с мощностью системы, то возможны глубокие посадки напряжения.

Для машины мощностью до 3 кВт этот метод синхронизации является основным. Возможность включения более мощных генераторов определяется допустимым значением электродинамических сил в обмотке статора.

Включение машин с косвенным охлаждением методом самосинхронизации рекомендуется,

если переходная составляющая тока статора в момент включения не превышает 3,5 кратного номинального тока статора. Этому условию удовлетворяют практически все гидрогенераторы и турбогенераторы с косвенным охлаждением, работающих по схеме блок – генератор – трансформатор.

Включение генератора с непосредственным охлаждением методом самосинхронизации

допустимо только в аварийных ситуациях. В аварийных режимах методом самосинхронизации допускается включать любые генераторы, независимо от кратности тока включения и системы охлаждения.

Третий способ. Асинхронный пуск синхронного компенсатора.

Применяется, когда напряжение на выходах машины не превышает 0,6 от номинального, иначе пусковые токи будут выше допустимых. При запуске применяют реакторы ток, чтобы ток синхронного компенсатора не превышал более чем в 2,5 раза номинальный ток при этом напряжении.

12

Четвертый способ. Частотный пуск.

Для частотного пуска необходимо иметь дополнительную машину, мощность которой составляет 30-50% от мощности пускаемого аппарата, а скорость вращения должна регулироваться от нуля до синхронной плавно.

Обмотку статора пускаемой машины соединяют электрически со статором развертываемой машины. Обе машины подключаются к независимой резервной системе шин и в неподвижном состоянии возбуждают от резервного возбудителя.

У развертываемой машины устанавливается номинальный ток возбуждения, а у пускаемой такой, при котором ЭДС холостого хода в 2 раза меньше номинального напряжения машины. Это позволяет максимизировать величину пускового момента. Затем постепенно увеличивают скорость вращения развертываемой машины и, следовательно, увеличивается частота напряжения, подводимого к пускаемой машине. Возникающий при этом магнитный момент в пускаемой машине начинает плавно ускорять ее ротор. При достижении обеими машинами номинальной частоты вращения их переключают на собственные возбуждения и далее продолжают процесс методом точной синхронизации.

Для предотвращения перегрева машины частотный пуск следует начинать сразу после подачи возбуждения, т.к. в неподвижном состоянии вентиляция не работает. Процесс пуска длится порядка 3-х минут.

СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трехфазный двухобмоточный трансформатор

Трехфазный трехобмоточный трансформатор

Трехфазный трехобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой низкого напряжения

Трехфазный двухобмоточный автотрансформатор

Трехфазный трехобмоточный автотрансформатор

Трансформатор с регулированием нагрузки

13

Принципиальная схема трансформатора:

K= U1 – коэффициент трансформации.

U2

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Потери короткого замыкания и холостого хода.

Потери короткого замыкания состоят из тепловых потерь в обмотках плюс добавочные потери в обмотках и элементах конструкции.

Потери холостого хода – это потери на магнитное рассеяние в магнитопроводе трансформатора. Для снижения этих потерь магнитопровод набирают из листов холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм и меньше, покрытых изолирующим лаком и собранных в единый пакет.

НАПРЯЖЕНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Обозначается: UK . При передаче мощности через трансформатор происходит падение напряжения. Оно определяется размерами обмоток трансформатора и его мощностью. При малых величинах UK падение напряжения в трансформаторе невелико, но при коротком замыкании за

трансформатором становится значительным, поэтому при конструировании трансформаторов их нужно выполнять с большой динамической и термической устойчивостью, что в целом ведет к удорожанию машины.

Рассмотрим трехобмоточный трансформатор. Они применяются в качестве понижающих и повышающих напряже-

ние.

В трансформаторах с расщепленной обмоткой каждая фаза низкого напряжения может выполняться из 2х, 3х и иногда более катушек, которые называются ветвями. Номинальное напряжение каждой ветви одинаково. Мощность каждой обмотки составляет часть номинальной мощности машины.

В трехфазном трансформаторе обе части расщепленной обмотки размещены на одном стержне магнитопровода, а в однофазном – на разных. Каждая ветвь имеет самостоятельные выводы. Допускается любое распределение нагрузки между расщепленными ветвями, т.е. одна ветвь может быть полностью загружена, при этом другая отключена. Или ветви загружены одинаково. Основным достоинством трансформаторов с расщепленной обмоткой низкого напряжения является боль-

шое сопротивление току короткого замыкания между ветвями. Это позволяет ограничить уровень токов на стороне низкого напряжения. Также эти трансформаторы применяются, когда нужно подключить несколько генераторов на один трансформатор.

14

СХЕМЫ И ГРУППЫ СОЕДИНЕННИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

Звезда

Звезда с нулем

Треугольник

UA1 UA2

/

0	UB2	UC2
	UB1	UC1

/

11

? = 330º

15

Обмотки высокого напряжения 110 кВ и выше соединяются в звезду. Это позволяет облегчить изоляцию обмоток, т.к. она будет рассчитана на фазное напряжение. Соединение обмоток типа звезда с нулем применяются в сетях с глухо заземленной нейтралью.

Обмотки низкого напряжения соединяют в треугольник, что позволяет уменьшить сечение проводника обмоток, также гармоники, кратные 3 не выходят в сеть, а гасятся в трансформаторе. Обмотки низкого напряжения соединены в звезду, что позволяет силовую нагрузку питать от линейного напряжения, а свет от фазного.

Группой соединений называют угловое смещение всех ЭДС обмотки низкого напряжения по отношению к вектору, соответствующему линейной ЭДС обмотки высокого напряжения и обозначается таким числом, которое при умножении на 30 даст угол смещения в градусах.

При включении трансформатора на параллельную работу необходимо учитывать тождественность схем и групп соединений.

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Для выполнения требования качества электроэнергии по напряжению необходимо иметь средства регулирования этой величины. Одним из основных средств регулирования напряжения является трансформатор, оснащенный устройствами РПН1 или ПБВ2, а также применение вольтдобавочных трансформато-

ров. ПБВ. Выполняется с возможностью регулирования на-

пряжения ±5% от номинального. Есть три конструкции на 3 по-

ложения: -5%; 0; 5. Есть на 5 положений: -5%; -2,5%; 0; 2,5%; 5%. Выполнять переключение ПБВ можно только при отключенном трансформаторе.

Поэтому выключение выполняют 2 раза в год перед началом периода больших нагрузок и перед периодом меньших нагрузок.

Достоинства: дешевизна, простота исполнения.

Недостатки: низкие пределы регулирования, большая ступень регулирования.

РПН. Выполняет операцию переключения не отключая потребителей.

±9×1,5% ü

±9×1,78%ïï

ýшаги регулирования

±8×1,5% ï

±8×1,78%ïþ

Достоинства: переключение без потери подачи питания потребителям, широкие пределы регулирования, малая ступень регулирования.

Недостатки: выгорание контактов, поэтому требует непрерывного регулярного осмотра и ремонта.

Устройства РПН устанавливают на стороне высокого напряжения, т.к. там меньше ток и лучше условия коммутации. Переключатель РПН помещают в отдельный кожух, заполненный маслом (для средних и больших мощностей трансформаторов) или в бак (для малых трансформаторов).

1Регулирование под нагрузкой

2Переключение без возбуждения

16

НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫЕ СПОСОБНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Номинальная мощность – полная мощность на основном ответвлении, гарантированное заводом изготовителем. Совокупность допустимых нагрузок, систематических и аварийных перегрузок называют нагрузочной способностью трансформатора.

Если при выборе трансформатора руководствоваться только номинальной мощностью, то трансформатор будет недогружен. Трансформатор допускает перегрузки, если в предшествующем режиме он был недогружен. Критерием возможных перегрузок является срок службы изоляции.

При эксплуатации трансформатора рассматриваются 2 режим:

1.режим длительной нагрузки, характеризуется меньшей, либо равной 1,5 номинальным мощностям. Температура в верхних слоях не больше 95 ºС, а в наиболее нагретой точке

140 ºС.

2.режим систематических перегрузок. Мощность ≤ 2 номинальных мощностей. Температура в верхних слоях 115 ºС; в наиболее нагретой точке для напряжения 220 кВ 140 ºС, для напряжения 110 кВ 160 ºС.

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

С – естественное воздушное охлаждение.

М – масляное с естественной циркуляцией масла.

Д – масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла.

ДЦ – масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла. МВ – водомасляная с естественной циркуляцией.

Ц – водомасляная с принудительной циркуляцией.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ

Нейтраль – точка соединения нуля потенциала. Режимы нейтрали бывают: глухо заземленная нейтраль; изолированная нейтраль; резонансно заземленная нейтраль; скомпенсированная нейтраль.

Выбор режима работы нейтрали определяется: электробезопасностью обслуживающего персонала; надежностью электроснабжения потребителя; экономичность.

Эффективно заземленная нейтраль

Сеть с такой нейтралью называется трехфазная сеть с напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.

Коэффициентом замыкания на землю называется отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю другой или 2х других фаз к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания.

Глухо заземленная нейтраль

Глухо заземленная нейтраль трансформатора или генератора – это нейтраль, соединенная с заземляющим устройством непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированной называется нейтраль трансформатора или генератора не подключенная к заземляющему устройству или подключенная через большое сопротивление.

В зависимости от выбора режима нейтрали величина тока однофазного замыкания на землю будет различна.

17

В сетях с глухо заземленной нейтралью большие токи замыкания на землю. Релейная защита воспринимает их как аварийные и отключает участок за малое время. При этом напряжение на неповрежденных фазах не повышается, а остается равным фазному. Поэтому изоляция выполняется недорогой, но при частых выключениях создается тяжелое условие для релейной защиты и для коммутационной аппаратуры.

ТОКИ КОРОТНОГО ЗАМЫКАНИЯ

Коротким замыканием называется всякое случайное или преднамеренное соединение частей электроустановки, непредусмотренное номинальным режимом, при котором токи в этих частях схемы резко возрастают. Виды коротких замыканий представлены на рисунке ниже.

Короткие замыкания бывают металлические и через дугу. В практических расчетах исследуют металлические короткие замыкания.

Короткие замыкания бывают устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивое – это короткое замыкание, которое не устраняется в бестоковую паузу коммутационного аппарата. Неустойчивое

– короткое замыкание, которое устраняется в бестоковую паузу коммутационного аппарата.

ПОСЛЕДСТВИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

При возникновении короткого замыкания повышается значение тока и снижается напряжение. Увеличение тока приводит к повышенному нагреву изоляции вплоть до выгорания, к перегреву токоведущих частей, вплоть до расплавления, к возникновению ЭДС, которые приводят к разрушению частей схемы.

При снижении напряжения асинхронность двигателей меняется. Генераторы и параллельно работающие машины выпадают из синхронизма.

Процесс трехфазного короткого замыкания в сетях заводского электроснабжения представлен на рисунке ниже.

18

Процесс трехфазного короткого замыкания описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Решением такого уравнения является сумма частного и общего решений. Поэтому принято считать, что ток короткого замыкания имеет две составляющие – свободную и вынужденную. Свободная составляющая называется апериодической и зависит от изменения энергии электромагнитного поля и индуктивности короткозамкнутой цепи. Вынужденная составляющая называется периодической, имеет частоту 50 Гц и зависит от генераторов короткозамкнутой цепи.

Наличие активного сопротивления в короткозамкнутой цепи обуславливает затухание свободных токов по экспоненте. Наибольшее значения апериодического тока в нулевой момент, когда короткое замыкание происходит в ненагруженной сети в момент перехода кривой напряжения через 0. В сетях заводского электроснабжения допустимо считать, что амплитуда периодической составляющей и её действующее значение во времени не меняются. Для этих условий справедливо следующее выражение:

			iУ =				2	× IП 0 × Kу , где
			0,01
			Kу =1+ e−			– ударный коэффициент
				Ta
	Ta =	x	(x – активное сопротивление, r – индуктивное сопротивление) – постоянная времени
		ω × r

апериодической составляющей, зависит от соотношения активного и индуктивного сопротивления в короткозамкнутой цепи.

Если в расчете учитывается активное сопротивление, то расчет называется точным и ударный коэффициент определяют по справочнику.

Если активное сопротивление не учитывается, то расчет называют приближенным и ударный коэффициент определяют по месту короткого замыкания.

19

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

Основные принципиальные допущения:

1.Трехфазная система считается симметричной.

2.Не учитываем насыщение магнитных систем, т.е. считаем величины индуктивных сопротивлений неизменными в процессе короткого замыкания.

3.Считаем, что фазы всех источников ЭДС не изменяются в процессе короткого замыкания.

4.Напряжение на шинах источника считаем неизменным, т.к. точки короткого замыкания удалены от источника.

5.Апериодические составляющие короткого замыкания не рассчитываются, т.к. длительность короткого замыкания в удаленных точках превышает 0,15 с. и апериодическая составляющая до этого времени затухает.

Если хотя бы одно из этих допущений принять нельзя, данный метод расчета неприменим.

Расчет токов короткого замыкания может вестись в именованных и относительных единицах. Результат расчета от выбора системы не зависит. Величины, вычисленные в относительных величи-

нах обозначаются звездочкой под символом параметра, например x .

*

СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Генераторы, трансформаторы большой мощности, реакторы, воздушные линии и кабельные линии 35 кВ и выше в схему замещения вводят индуктивным сопротивлением.

Трансформаторы мощностью ниже 1600 кВА и кабельные линии 6-10 кВ в схему вводят в

виде активного и индуктивного сопротивления (последовательно).

Для расчетов в относительных величинах выбирают базовые величины

Базовая мощность

Sб – может выбираться любое значение. Обычно принимают 10, 100, 1000 для удобства.

Базовое напряжение

Выбирают из ряда средних напряжений, определяют по следующим правилам: для лини

220 кВ и ниже – Uср =1,05×U H ; для 330 кВ и выше – Uср = 1,025 ×UH .

Ряд средних напряжений для заводского электроснабжения:

6,3 кВ, 10,5 кВ, 37 кВ, 115 кВ, 230 кВ.

Базовое напряжение выбирают для каждой ступени напряжения.

Выбрав базовую мощность и напряжение рассчитываем базовый ток:

Iб = 3S×бUб

Преобразование схемы замещения ведется по направлению от источника к точке короткого замыкания. В результате преобразования схема должна быть упрощена. Должно получиться суммарное активное и реактивное сопротивление. Если активное сопротивление до точки короткого замыкания будет больше чем xб /3, то в этом случае в расчете необходимо учитывать активное

сопротивление. Определяющей формулой для расчета токов короткого замыкания будет:

I

I

K

=

; Z

Σ

= r2

+ x2

ZΣ

Σ

Σ

*

*

*

*

xΣ

Если r

<

, то I

=

I

*

K

Σ

3

xΣ

*

*

20