Часть третья м - самообразование

11

единичная мощность больше. Это обстоятельство было использовано для постройки возбудителей постоянного тока более крупных турбогенераторов. Стали применять менее быстроходные возбудители, соединяя их с ротором турбогенератора через редуктор, либо применяя их в отдельном возбудительном агрегате. Такой агрегат (мотор-генератор) состоит из менее быстроходного генератора постоянного тока и соответствующего асинхронного двигателя. В необходимых случаях для увеличения механической инерции агрегата на его валу размещают маховик.

кВт
3000
2000
1000
					пном
0	500	1000	1500	2000	об/мин

Рис. 2. Приближенная зависимость наибольшей возможной единичной мощности генератора постоянного тока от номинальной скорости вращения

Дальнейшим решением явилось отказ от возбудителя постоянного тока и замена его вспомогательным генератором переменного тока с последовательно включенными полупроводниковыми выпрямителями. Механическое соединение такого возбудителя с ротором турбогенератора – непосредственное, без редуктора. Возможная мощность возбудителя практически не ограничена. Этот вид источника возбуждения получил широкое распространение для крупных турбогенераторов. Дальнейшее его развитие состоит в применении в качестве возбудителя генератора обращенного исполнения, при котором якорь вращается, а расположенная на полюсах обмотка его возбуждения неподвижна. Выпрямители встраивают в полый диск (между возбудителем и ротором турбогенератора) и непосредственно соединяют с одной стороны с источником возбуждения (якорем возбудителя), а с другой — с обмоткой возбуждения турбогенератора. При этом отпадает необходимость в контактных кольцах ротора и в щеточном аппарате. У крупных турбогенераторов величина тока возбуждения достигает многих тысяч ампер, и потому возможность постройки машины без контактных колец ротора и связанного с ними щеточного аппарата является большим достоинством этого вида источника питания.

12

Существует не очень широко распространенная система т.н. самовозбуждения. Самовозбуждение турбогенератора от его выводов через соответствующий трансформатор и управляемые выпрямители получило распространение в странах бывшего Советского Союза для турбогенераторов мощностью до 300 МВт включительно. Конструктивным достоинством такой системы является отсутствие машинного возбудителя и меньшая длина турбоагрегата. Благодаря этому упрощаются монтаж, центровка и балансировка агрегата.

в) ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Систему возбуждения принято характеризовать:

■номинальным напряжением возбуждения на кольцах ротора – Uf.н ;

■номинальным током в обмотке возбуждения – If.н ;

■номинальной мощностью возбуждения – Рf.н = Uf.н ∙If.н; эти параметры характеризуют номинальный режим работы синхронного генератора;

■форсировочной способностью, или кратностью форсировки;

■быстродействием системы возбуждения во время аварий в энергосистеме;

■быстродействием развозбуждения.

Выбор номинального напряжения возбуждения определяется главным образом необходимой мощностью возбуждения и сдерживается трудностью создания необходимой изоляции обмотки ротора. Номинальное напряжение колеблется от 200 В (турбогенератор 25 МВт) до 500 В (турбогенератор 1200 МВт).

Выбор номинального тока зависит так же от мощности возбуждения и уровня напряжения и ограничивается пропускной способностью щеточного аппарата. Номинальный ток для турбогенератора 25 МВт составляет около 400 А, а для турбогенератора 1200 МВт – около 7500 А. То есть мощность возбуждения возросла в 50 раз (как и номинальная мощность генераторов), а номинальное напряжение всего в 2,5 … 3 раза.

Номинальная, т. е. длительная, мощность любого источника возбуждения выбирается несколько больше мощности, затрачиваемой на возбуждение турбогенератора в номинальном его режиме.

Номинальное напряжение источника Uв.ном обычно (рис. 3.2) на 10—15% больше напряжения, подводимого к контактным кольцам ротора в номинальном режиме турбогенератора Uf.н, а номинальный ток источника Iв.ном примерно на 10% больше соответствующего тока возбуждения If.н. В результате номинальная мощность источника Рв.ном на 20—25% больше потерь мощности в обмотке возбуждения турбогенератора Рf.н в его номинальном режиме. Это дает возможность располагать достаточным током возбуждения не только в номинальном режиме турбогенератора, но и при небольших, но относительно продолжительных (10 — 15 мин) его перегрузках, обычно допустимых по условиям нагрева обмоток.

13

Рис. 3. Пример характеристики холостого хода

генератора постоянного тока (возбудителя) с двукратным потолочным напряжением.

Рис. 4. Сопоставление характеристик холостого хода

генераторов постоянного тока одной и тон же поминальной мощности и одного и того же поминального напряжения.

1 – обычное исполнение; 2 – возбудитель со значительной кратностью потолочного напряжения.

Напряжение всех современных источников возбуждения может быть на короткий срок увеличено значительно выше номинального. Для этого применяют машины специальной конструкции, у которых характеристика холостого хода практически прямолинейна до напряжения, значительно превышающего номинальное значение (рис. 3 и 4).

Под форсировочной способностью по напряжению понимают отношение наибольшего установившегося напряжения (потолка) Uв.п возбудителя (присоединенного к обмотке возбуждения генератора) к номинальному напряжению возбудителя Uf.н, а под форсировочной способностью по току понимают отношение предельного (наибольшего допускаемого по нагреву обмотки ротора) тока возбуждения If.п, обеспечиваемого возбудителем в режиме форсировки к номинальному току возбуждения If.н.

Величина наибольшего, так называемого потолочного, напряжения возбуждения Uв.п оценивается кратностью kвп относительно напряжения, подводимого к контактным кольцам ротора турбогенератора Uf.н в его номинальном режиме.

Кратность форсировки и быстродействие системы возбуждения определяют уровень статической и динамической устойчивости генератора.

В РФ возбудители турбогенераторов изготовляются с потолочным напряжением не менее двукратного (ГОСТ 183-66) от напряжения возбуждения в номинальном режиме турбогенератора (двух 1/с).

Недостаточно, чтобы современный источник возбуждения был выполнен с определенной кратностью потолочного напряжения. Важно, чтобы переход из

14

режима с одним напряжением возбуждения к другому совершался достаточно быстро.

U

Uв . п

U1

Uв . н о м

t

t

0

t1

t2

Рис. 5. Определение средней скорости нарастания напряжения возбуждения

Быстродействие системы возбуждения оценивается по средней скорости нарастания напряжения возбуждения генератора (рис. 5), которая определяется

	(1/с) по формуле	v 0,632	Uв.п	Uв.ном	,
			Uв.ном t

где t — время, в течение которого напряжение возбуждения увеличивается от номинального значения до величиныU1 Uв.ном 0,632(Uв.п Uв.ном ) .

Быстродействие системы возбуждения зависит от постоянных времени обмоток возбуждения генератора и возбудителя и автоматического регулятора возбуждения (АРВ) и для разных систем колеблется в пределах 1,8 — 30 1/с. Для электромашинных систем возбуждения быстродействие, кроме того, зависит от частоты вращения возбудителя. Для мощных генераторов быстродействие должно быть не менее 2 1/с. Отечественные возбудители турбогенераторов имеют среднюю скорость vе нарастания напряжения возбуждения до потолочного, не менее двух единиц в секунду (ГОСТ 183-66). И здесь за единицу напряжения принято напряжение возбуждения в номинальном режиме турбогенератора.

Важно, чтобы источник возбуждения обладал большой механической и электрической прочностью. Это необходимо для того, чтобы система возбуждения в целом выдерживала без остаточных деформаций или других изменений, препятствующих дальнейшей работе, любые ненормальные условия, которые могут возникнуть в эксплуатации. Сюда относятся внезапное короткое замыкание возбудителя; внезапное короткое замыкание на выводах обмотки

15

статора турбогенератора; повышенный ток в режиме затяжной форсировки возбуждения; переменный ток, возникающий в обмотке возбуждения турбогенератора. У коллекторной машины ни в одном из таких режимов не должно возникать чрезмерного искрения коллектора.

в) ЭКСПЛУАТАЦИЯ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ (Некоторые вопросы)

Системы возбуждения с электромашинными возбудителями

постоянного	тока.
Эти системы		возбуждения длительное время являлись единственными.
Здесь в качестве возбудителя используется генератор				постоянного тока с
независимым	возбуждением		от подвозбудителя	или параллельным
самовозбуждением.		Основные	электромашинные возбудители постоянного
тока, как правило, связаны с валом турбогенератора				непосредственно или

через редуктор (турбогенераторы ТГВ-300, ТВМ-300), а резервные возбудители

вращаются	асинхронными двигателями, получающими питание от шин с.
н.
	От релейной
	форсировки

P	АГП
ЗР
LG	GЕ
G	Rcc

LGE 1	LGE2
	Rг
Rд

От АРВ (компаундирование и корректор напряжения)

Рис. 6. Система возбуждения с возбудителем постоянного тока.

Принципиальная схема основного возбуждения турбогенератора с электромашинным возбудителем постоянного тока с параллельным самовозбуждением изображена на рис. 6. Генератор постоянного тока GE имеет две обмотки возбуждения LGE1 и LGE2, обмотка якоря GE подключена к обмотке возбуждения генератора LG. Регулирование напряжения возбудителя

16

вручную производится регулировочным реостатом RR, изменяющим ток в параллельной обмотке возбуждения возбудителя LGE1. Автоматический регулятор возбуждения изменяет ток в обмотке возбуждения LGE2. Остаточный магнитный поток основных магнитных полюсов возбудителя достаточен для обеспечения его начального возбуждения. В схеме возбуждения возбудителя могут быть предусмотрены добавочные резисторы Rд, ограничивающие максимальную (потолочную) величину напряжения возбуждения во избежание «кругового огня» в режиме форсировки на коллекторе возбудителя. Регулировочные реостаты рабочих (основных) возбудителей должны иметь вспомогательные контакты, замыкающиеся при положениях движка реостата, соответствующих холостому ходу и работе с АРВ. В схемах возбуждения генераторов, включаемых в сеть методом самосинхронизации, устанавливается контактор самосинхронизации КМ и резистор самосинхронизации Rcc. Разрядник FV и защитный резистор ЗR служат для защиты обмотки возбуждения генератора, контактор форсировки шунтирует регулировочный резистор RR в режимах форсировки.

Скорость нарастания напряжения в режиме форсировки у этих систем находится в пределах 1,5 … 2,5 1/с.

Тихоходные возбудители постоянного тока с приводом от асинхронного двигателя (только так можно увеличить мощность возбудителя) используется для резервного возбуждения для турбогенераторов всех мощностей.

Слабым местом в эксплуатации возбудителя является щеточный аппарат и характерно явление – искрение. Если искрение сильное, устранить его бывает очень трудно и, если время упущено искрение на коллекторе может перейти в круговой огонь, а на кольцах ротора генератора – в к.з. между кольцами ротора. Поэтому при возникновении искрения генератор переводят на резервное возбуждение и производят ремонт. Во время эксплуатации ведут тщательный контроль за состоянием щеточных аппаратов.

Искрение на кольцах ротора может вызываться несколькими причинами.

1. Недостаточное нажатие всех или части щеток.

Например, для применяемых щеток марки ЭГ-4 допускается давление 150

– 200 г/см2 . Это давление измеряется пружинным динамометром перед пуском генератора (регламентируется). В щеточном аппарате оно осуществляется нажимными пружинами, которые со временем ослабляются за счет срабатывания щеток. Поэтому необходима периодическая коррекция давления.

2. Плохая пришлифовка щеток.

Неровности на рабочей поверхности щеток приводят к ухудшению контакта и повышению переходного сопротивления и, как следствие, к нагреву и искрению.

3. Подгар рабочей поверхности колец.

Появляется обычно в результате искрения; устраняется шлифовкой.

4.Заедание части щеток в щеткодержателях.

5.Применение щеток различных марок.

17

6.Попадание на кольца паров масла.

7.Срабатывание большого числа щеток до недопустимой величины.

8.Вибрации щеток.

Как и на кольцах ротора генератора, искрение щеток на коллекторе возбудителя вызывается практически теми же причинами, т.е. плохой пришлифовкой и т.п., но есть и другие причины, характерные для коллекторов:

1)выступание миканита, изолирующего пластины одну от другой;

2)неточная установка щеток на нейтрали;

3)неудовлетворительная коммутация

4)неудовлетворительная формовка коллектора и т.д.

При сильном искрении на коллекторе возбудителя следует снижать насколько возможно ток ротора и переходить на резервное возбуждение.

Системы возбуждения с электромашинным высокочастотным генератором и полупроводниковыми неуправляемыми выпрямителями.

Независимые системы возбуждения с электромашинным высокочастотным генератором и полупроводниковыми неуправляемыми выпрямителями применяются в качестве основных систем возбуждения на турбогенераторах ТВВ-165, ТВВ-320 и ТВФ-120.

б)

а)

Рис. 7. Двухмашинная высокочастотная система возбуждения

Структурные схемы двухмашинной высокочастотных полупроводниковых систем возбуждения приведены на рис. 7а. Основным элементом схем является высокочастотный индукторный генератор GE, представляющий собой трехфазный синхронный генератор индукторного типа. Его ротор без обмотки выполнен в виде десятизубцового сердечника, набранного из листовой электротехнической стали (рис. 7б). Обмотки возбуждения LE1, LE2, LE3 и две рабочие высокочастотные обмотки переменного тока уложены в пазы сердечника статора. Отсутствие обмоток на роторе обеспечивает более высокую надежность индукторного генератора. При частоте вращения 3000 об/мин и наличии возбуждения указанная выше конструкция ротора обусловливает

18

пульсацию магнитного потока с частотой 500 Гц. Основная часть магнитного потока возбуждения создается последовательной обмоткой самовозбуждения LE1. Две независимые трехфазные обмотки переменного тока 500 Гц могут соединяться в звезду или в треугольник, каждая из этих обмоток рассчитана на полный ток и половину рабочего напряжения. Эти обмотки являются рабочими обмотками питания ротора турбогенератора через выпрямительную установку.

Основная обмотка возбуждения индукторного генератора LE1 включена последовательно с обмоткой возбуждения турбогенератора LG по схеме самовозбуждения. Такое включение обеспечивает компаундирование по току нагрузки и позволяет использовать компаундирующий эффект свободного тока ротора при переходных процессах. Вспомогательные обмотки возбуждения LE2 и LEЗ осуществляют управление возбуждением с помощью блоков автоматического регулятора возбуждения АРВ, Обмотка возбуждения LE2 включена согласно с обмоткой LE1, а обмотка возбуждения LEЗ создает м. д. с., направленную встречно м. д. с. обмоток LE1 и LE2. Полупроводниковые системы возбуждения выполняются, как правило, с перекомпаундированными генераторами, что обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики в отношении быстродействия и устойчивости регулирования возбуждения.

В качестве подвозбудителя индукторного генератора в двухмашинных системах возбуждения используются высокочастотные генераторы переменного тока, вращающиеся на одном валу. Возбуждение подвозбудителей осуществляется постоянными магнитами, расположенными на роторе.

Полупроводниковые высокочастотные системы возбуждения с АРВ обеспечивают кратность форсировки возбуждения kф ≥ 2,0. Скорость нарастания напряжения на кольцах ротора турбогенератора составляет 2— 2,5 ед. возб/с (при глубоких снижениях напряжения 2,5—4 ед. возб/с). При длительности форсировки более 20 с в схеме предусмотрены гашение поля и отключение генератора.

На некоторых электростанциях в связи с недостаточной надежностью подвозбудителей ГСП-4,5 в эксплуатации выполнена одномашинная в. ч. система возбуждения, разработанная Сибирским отделением Союзтехэнерго.

Рекомендуется не реже одного раза в месяц во время работы контролировать равномерность распределения токов по параллельным ветвям выпрямительной схемы токоизмерительными клещами (разброс токов не должен превышать 20% среднеарифметического значения тока через одну ветвь) и распределение обратного напряжения на последовательно включенных вентилях (разброс не должен превышать 15%).

Электрическая часть полупроводниковых возбудителей работает в эксплуатации, как правило, достаточно надежно. Наиболее ненадежной частью двухмашинной системы возбуждения до недавнего времени был узел сопряжения валика высокочастотного подвозбудителя типа ГСП-4,5 с валом основного возбудителя. Увеличение мощности подвозбуднтеля до 30 кВт

19

(ГСПМ-30/400) и изменение сопряжения валов позволили повысить надежность двухмашинной системы возбуждения.

Ввыпрямительных устройствах вентили могут иметь воздушное или водяное охлаждение. Использование водяного охлаждения вентилей повышает эффективность охлаждения и надежность системы.

Вэксплуатации разработан и внедрен ряд усовершенствований, улучшающих характеристики систем в. ч. возбуждения (устройства повышения быстродействия и блок ограничения форсировки на тиристорах и др.). В последних конструкциях индукторного в. ч. генератора полупроводниковые диоды встроены в корпус статора.

Системы возбуждения с управляемыми выпрямителями.

Системы возбуждения с управляемыми выпрямителями по сравнению с электромашинными системами возбуждения обладают рядом преимуществ: высокой форсировочной способностью и скоростью нарастания Uв при этом (25—30 ед. возб/с), быстродействием, так как управление выпрямителями практически безынерционно, возможностью применения регуляторов сильного действия.

Тиристорные возбудители

В настоящее время существуют независимые системы тиристорного возбуждения с возбудителем переменного тока на валу турбогенератора и системы тиристорного самовозбуждения, созданные на базе управляемых кремниевых вентилей (тиристоров).

Системы тиристорного самовозбуждения (рис. 8а) устанавливаются на генераторах ТГВ-200 и ТГВ-300. Сохраняя преимущества ионных возбудителей (высокое быстродействие и отсутствие вращающихся машин), они обладают рядом принципиальных и эксплуатационных преимуществ (повышенной надежностью, большим сроком службы, простотой и удобством обслуживания, более высоким к. п. д., мгновенной готовностью к вводу в работу и т. д.). В комплект тиристорного возбудителя входят два тиристорных преобразователя, общий шкаф управления и группа управляемых диодных выпрямителей.

В преобразовательном агрегате возбудителя имеется рабочая ТР и форсировочная ТФ группы тиристоров, работающие параллельно на ротор турбогенератора. Рабочая группа тиристоров обеспечивает возбуждение генератора в номинальных режимах, а форсировочная — режим форсировки возбуждения. Обе группы состоят из тиристоров, собранных по трехфазной мостовой схеме. Применение однотипных тиристоров упрощает их резервирование и эксплуатацию. Плечо каждого трехфазного моста состоит из шести параллельных ветвей. Для равномерного распределения токов между параллельными ветвями служат электромагнитные делители тока, а для равномерного распределения обратных напряжений между последовательно

20

включенными вентилями параллельно каждому вентилю включены активные R и активно-емкостные RС-делители (рис. 8б).

Рабочая и форсировочная группа тиристоров питаются от вспомогательного трансформатора ВТ, предусмотрено резервное питание через ТСН-Р и ТСН-Ф от шин с. н. блока. Режим работы тиристорного возбудителя и ток возбуждения в LG контролируют соответственно вспомогательное устройство ВУИ и делитель напряжения обратной связи ДБОСИВ, связанные с АРВ СД. Начальное возбуждение генератора при включении ТВ осуществляется от агрегата начального возбуждения (АНВ) (выпрямительного устройства панели начального пуска, питающейся от сети 0,4 кВ с. н.). Ток начального возбуждения невелик и составляет 5—6 А. Напряжение от схемы начального возбуждения на ротор подается включением АГП, процесс возбуждения генератора длится от 5,5 до 11 с; уже при 0,3 Uн большинство тиристоров вступает в работу, после чего требуемый уровень напряжения устанавливается изменением уставки АРВ. Гашение поля производится АГП с одновременным переводом тиристоров в инверторный режим.

LG

G

ВТ

К системе управления

ТПТ

АГП

а)

ТФиТР		ТСН-Ф
	ТСН-Р
		R
		C
ТР	ТФ	R
		C
		R
		C
		б)

От шин с.н.

Рис. 8. Статическая тиристорная система независимого возбуждения

Выход из строя одной параллельной ветви в плечах мостов преобразователя на режиме работы возбуждения генератора не отражается. Отключение АРВ или одного моста преобразователя при двухгрупповой схеме возбудителя не вызывает потери возбуждения генератора.

С системой независимого тиристорного возбуждения (рис. 9) работают