Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ЮРГТУ (НПИ))

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Введение в спец Берёзкин Быкадоров.doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.05.2019

Размер:

20.13 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 139 10 11 12 13 > Следующая >>>

3.3 Принцип работы и конструктивное выполнение основных элементов электроэнергетической системы

Основные элементы электроэнергетической системы (иногда называемые силовыми элементами) осуществляют выработку электрической энергии, её преобразование, передачу на расстояние и потребление.

Синхронный генератор. Синхронный генератор предназначен для непосредственного преобразования механической энергии вращения привода (турбины) в электрическую энергию. Работа синхронного генератора основана на принципе электромагнитной индукции. Основные конструктивные элементы синхронного турбогенератора показаны на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Внешний вид и конструктивные элементы турбогенератора:1 – уплотнения на валу ротора; 2 – торцевой щит; 3 – кронштейн крепления; 4 – ротор; 5 – магнитопровод статора;6 – детали крепления магнитопровода к корпусу; 7 – корпус турбогенератора; 8 – охладитель турбогенератора; 9 – возбудитель; 10 – патрубок подвода воды к охладителю; 11 – охладитель возбудителя; 12 – маслопровод к подшипнику; 13 – стойка подшипника; 14 – термометр; 15 – трубки для циркуляции воды в охладителе; 16 – бондажные кольца обмотки статора; 17 – бондажное кольцо ротора; 18 – центробежный вентилятор; 19 – фланец для соединения вала ротора с турбиной

Внешний вид и конструктивные элементы гидрогенератора показаны на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Внешний вид и конструктивные элементы гидрогенератора:1 – регуляторный генератор; 2 – втулка подпятника; 3 – диск подпятника; 4 – болт регулировки; 5 – опора сегмента; 6 – охладитель масла; 7 – токопровод к обмотке ротора; 8 – статор; 9 – обмотка ротора; 10 – охладитель; 11 – спицы ротора; 12 – обмотка статора; 13 – обод ротора; 14 – полюсы ротора; 15 – тормоз; 16 – основание; 17 – нижняя крестовина; 18 – соединительный фланец; 19 – вал ротора; 20 – втулка ротора; 21 – контактные кольца; 22 – верхняя крестовина

Синхронный генератор переменного тока состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Обычно ротор выполняется в виде электромагнитов, обмотки которых называются обмотками возбуждения. Эти обмотки получают питание от источника постоянного тока через кольца и щетки, или индуцируются и выпрямляются в особых конструктивных элементах вращающейся части. В пазах статора, выполненного из шихтованной электротехнической стали (стальных, изолированных друг от друга листов), находятся проводники, соединенные между собой последовательно, образующие обмотку статора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и вращающегося магнитного поля ротора определяет режим синхронной машины.

Вращающееся магнитное поле ротора создается вращением электромагнита (ротора) первичным двигателем (турбиной). Направление результирующего потока статора (случай с одной парой полюсов показан на рис. 3.12) определяет направление магнитных осей “N – север” и “S – юг”. Если поле ротора, вращаемого первичным двигателем, опережает поле статора, то угол между направлениями магнитных осей (полюсов N), называемый , будет положителен, а режим – генераторным. Если отрицателен, то режим – двигательный, т.е. происходит преобразование электромагнитной энергии в механическую энергию вращения, связанного с двигателем механизма. Если , то режим неустойчив (машина не потребляет и не вырабатывает активную составляющую электрической энергии).

Рис. 3.12. Пояснение принципа работы синхронной машины: направление магнитных осей (а), несовпадение (б) и совпадение (в) направлений магнитных осей полей статора и ротора

Условное схематическое обозначение и формирование поля ротора показано на рис. 3.13 (случай одной пары полюсов). Подавая постоянное напряжение на контактные кольца , в обмотке ротора создаётся ток, и появляется поток магнитного поля ротора .

Рис. 3.13. Формирование поля возбуждения неявнополюсного ротора синхронной машины: а – схематическое обозначение; б – пояснение конструктивного исполнения

На рис. 3.14 показано схематическое условное изображение обмоток статора трёхфазной синхронной машины и упрощённое изображение размещения обмоток статора, а так же показаны направления создаваемых потоков при положительной и отрицательной величине мгновенного тока в фазе .

Тогда для момента времени (рис. 3.15,а), с учётом знаков мгновенных величин токов в фазах, будем иметь результирующий магнитный поток статора, показанный на рис. 3.15,б.

Здесь необходимо учитывать, что в реальности магнитный поток нелинейно пропорционален величине тока (необходим учёт нелинейности характеристики магнитопровода – активной стали статора).

В случае несинхронного вращения первичного двигателя вращающееся магнитное поле можно получить, если в катушках, расположенных в пространстве под углом 90°, формировать синусоидальные токи, сдвинутые по фазе на 90°, и изменяющиеся с частотой отставания вращения первичного двигателя от синхронной скорости (рис. 3.16).

Рис. 3.14. Схематическое условное изображение обмоток статора трёхфазной синхронной машины (а) и упрощённое изображение размещения обмоток фаз статора (б)

Рис. 3.15. Появление вращающегося магнитного поля статора трехфазного синхронного генератора: а – трёхфазная симметричная система токов; б – положения векторов потока магнитного поля фаз и суммарный поток статора

Этот принцип применяется в асинхронизированных синхронных генераторах в ветроэнергетических установках. Скорость вращения лопастей ветрогенераторов определяется текущей нагрузкой и силой ветра. Хотя некоторое регулирование и достигается изменением угла атаки лопастей, обеспечить точное регулирование частоты вращения не представляется возможным. Применение вместо постоянного тока и одной обмотки возбуждения (как в синхронных генераторах рис.3.13) двух ортогональных обмоток позволяет компенсировать разницу угловой скорости вращения ротора, “доворачивая” поле ротора до положения, соответствующего текущему моменту времени, если бы первичный двигатель вращался со скоростью, соответствующей синхронной.

Рис. 3.16 Схема получения вращающегося магнитного поля ротора при помощи ортогонально расположенных обмоток возбуждения

Синхронный двигатель. По конструкции синхронный двигатель и синхронный генератор отличаются незначительно. Обмотками статора в двигателе создается вращающееся магнитное поле, которое для наглядности можно рассматривать в виде вращающегося магнита. Подвижный ротор выполняется постоянным магнитом у малых двигателей, и ротором с обмоткой возбуждения – у более мощных. При совпадении осей магнитных полей статора и ротора двигатель не развивает вращающего момента. Если ось магнитного поля ротора смещается (отстаёт) на угол , то в соответствии с правилом Фарадея силовые линии магнитного поля стремятся сократить свой магнитный путь и вызывают появление вращающего момента (аналогично рис. 3.12,б).

В синхронных машинах ротор обычно выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора.

Асинхронный двигатель. В конструктивном отношении асинхронный двигатель (АД) представляет собой (рис. 3.17) неподвижный статор, в обмотках которого трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, и подвижный ротор, выполненный из электротехнической стали с короткозамкнутой обмоткой из проводящего материала (чаще всего из алюминия).

Рис. 3.17 Конструктивные элементы АД: 1 – станина; 2 – пакет стали статора; 3 – вал ротора; 4 – алюминиевые стержни обмотки ротора; 5 – пакет стали ротора; 6 – короткозамыкающие кольца ротора; 7 – лопасти вентилятора

На роторе обычно располагаются замкнутые обмотки. Ротор асинхронной машины обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора.

При изготовлении листов ротора и статора в них штампуют пазы для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха. На рис. 3.18 показано устройство АД. При вращении магнитного поля в короткозамкнутом роторе наводятся токи, так как для каждого из отдельных контуров, образованных короткозамкнутыми витками, поток поля сквозь них меняется. Наведённые в роторе токи создают своё поле – поле ротора. Подвижный ротор, увлекаясь взаимодействием магнитных полей, также вращается.

Основной особенностью работы АД является обязательное отставание скорости вращения ротора от синхронной скорости вращения поля статора. Именно за счёт разницы скоростей происходит передача энергии в ротор по принципу электромагнитной индукции. Отличие синхронной скорости и скорости вращения ротора принято характеризовать величиной, называемой скольжением:

( 3.4 )

Трансформаторы. Широкое распространение переменного тока в электроэнергетике обусловлено возможностью получения наиболее простых конструкций электрических машин, позволяющих преобразовывать уровни токов и напряжений сети, что важно для передачи электрической энергии на расстояние. Такие устройства называются трансформаторами (рис. 3.19). Их работа основывается на наведении ЭДС переменным магнитным потоком.

а)

б)

Рис. 3.18. Схема включения (а) и устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 – обмотка статора; 2 – корпус; 3 – сердечник статора; 4 – сердечник ротора; 5 – обмотка ротора типа “беличья клетка”; 6 – подшипниковый щит

Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода, на котором расположены две обмотки с различным числом витков и . Наводимый первичной обмоткой поток наводит во вторичной обмотке ЭДС, значение которой пропорционально соотношению числа витков:

, .

( 3.5 )

Рис. 3.19. Пояснение принципа работы трансформатора

Если трансформатор (идеальный) увеличивает напряжение, то в такой же пропорции величина тока уменьшается (в реальном трансформаторе уход параметров <тока и/или напряжения> от номинальных величин ведёт к увеличению внутренних потерь в трансформаторе, т.е. снижает к.п.д.). Изменяя число витков в одной из обмоток, можно менять пропорцию изменения – коэффициент трансформации.

Для измерения токов и напряжений в энергосистемах применяют измерительные трансформаторы соответственно тока и напряжения, основным назначением которых является преобразование уровня тока (или напряжения) до некоторой величины, принятой за стандарт для вторичной стороны (номинальная величина вторичной стороны). Так, для измерительных трансформаторов напряжения такой величиной условились считать напряжение , что позволяет любое первичное напряжение (после преобразования во вторичное) измерять, отображать и использовать единообразным комплектом аппаратуры.

Для измерительных трансформаторов напряжения рабочим является режим, близкий к холостому ходу, при котором во вторичной обмотке ток минимален, за счёт чего более точно выполняется пропорция между первичным и вторичным напряжением. Действительно, появление тока во вторичной обмотке создаёт встречный магнитный поток, который изменяет количество изменяющегося магнитного поля в сердечнике трансформатора. Следовательно, меняется пропорция между приложенным напряжением и измеряемым на вторичной стороне, т.е. растёт погрешность измерения напряжения.

Для измерительных трансформаторов тока (ТТ) рабочим режимом является режим, при котором вторичная обмотка замкнута практически накоротко, т.е. режим короткого замыкания. В этом режиме наиболее точно выполняется пропорция между первичным и вторичным токами (задаваемая соотношением числа витков первичной и вторичной стороны).

Ток, протекающий по первичной стороне ТТ, создаёт изменяющийся во времени поток, который за счёт практически нулевого сопротивления вторичной обмотки создаёт такой же встречный поток реакции, созданный током вторичной обмотки (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Пояснение к принципу работы трансформатора тока

Магнитный поток в сердечнике равен разности потоков

( 3.6 )

Доля первичного тока , которая уходит на создание потока , называется током намагничивания и обозначается .

Чем меньше , тем точнее выполнение пропорции. Дополнительным источником погрешности является наличие доли в потоке , которая находит путь не по магнитопроводу, а по внешней среде ( – поток рассеяния). Для магнитное сопротивление магнитопровода в раз меньше внешнего пути, однако при больших первичных токах поток начинает насыщать сталь, её начинает резко уменьшаться, и погрешность начинает расти. Таким образом, наличие большого сечения магнитопровода ведёт к увеличению , а маленького – к увеличению .

Линии электропередачи. По конструктивному выполнению ЛЭП подразделяются на воздушные и кабельные. Металлические провода воздушных линий подвешиваются к опорам через изоляторы. Опоры выполняются деревянными, металлическими или железобетонными, в зависимости от назначения линий используемого напряжения, экономических соображений и ряда других факторов.

Некоторые конструкции опор предназначены для поддержания проводов; они воспринимают только вертикальные нагрузки веса проводов и называются промежуточными. Существуют конструкции опор, воспринимающие горизонтальные нагрузки тяжения проводов; они называются анкерными (рис. 3.21).

Рис 3.21. Общий вид воздушной линии электропередачи

Кроме того, выполняются опоры специального назначения для перевода линии через водные препятствия и горные ущелья, для изменения направления линии и т. д.

Рост напряжений электропередачи тесно связан с общим ростом мощности энергетической системы нашей страны, развитием ее промышленности и необходимостью передачи все большей энергии и мощности на все увеличивающиеся расстояние. Действительный рост напряжений ЛЭП происходит ступенями.

На современных воздушных линиях, как правило, применяются сталеалюминиевые провода, состоящие из центральной стальной проволоки и повивов (вокруг нее) алюминиевых проволок. Стальной провод повышает механическую прочность линии, а алюминиевые проволоки обеспечивают хорошую электрическую проводимость. Выполнение проводов многопроволочными улучшает их механическую гибкость и уменьшает проявление поверхностного эффекта по сравнению с одиночными проводами эквивалентного сечения.

В кабельных линиях изолированные друг от друга провода заключены в защитные оболочки. Обычно кабельные линии прокладывают в земле непосредственно или в специальных кабельных каналах. В настоящее время преобладают воздушные линии переменного тока, хотя наблюдается тенденция к более широкому применению кабельных линий, которые, однако, значительно дороже воздушных.

Выключатели. При отключении цепи с током между контактами коммутационного аппарата возникает мощная электрическая дуга. Для гашения дуги используются специальные устройства, называемые выключателем. Выключатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения цепи с током.

Основными, по принципу действия, являются: масленые, воздушные, элегазовые и вакуумные выключатели. Процесс отключения должен, с одной стороны, проходить как можно быстрее, чтобы обеспечить высокую надежность электрических систем, например, при ликвидации аварий. С другой стороны, слишком высокие скорости коммутации токов вызывают появление перенапряжений на индуктивных элементах цепи. Наиболее высокие скоростные параметры в настоящее время имеют элегазовые и воздушные выключатели.

К выключателям предъявляются следующие требования:

– надёжное отключение любых токов в той электрической цепи, в которой выключатель установлен;

– время отключения должно быть минимальным;

– выключатель должен позволять быстродействующее автоматическое повторное включение, и если повреждение продолжает иметь место, повторно выполнить операцию отключения;

– для сетей с напряжением и выше выключатель должен позволять пофазное отключение;

– выключатель конструктивно должен позволять лёгкость ревизии и осмотра контактов;

– гарантировать взрыво- и пожаробезопастность.

Среди основных параметров выключателей высокого напряжения следует выделить группу номинальных параметров, присущих всем видам выключателей и определяющих условия их работы:

– номинальное напряжение ;

– наибольшее рабочее напряжение ;

– номинальная частота сети ;

– номинальный ток ;

– номинальный ток отключения ;

– номинальный ток включения .

Выключатели подразделяют на выключатели наружной и внутренней установки. По виду выключатели бывают: опорные; подвесные; выкатные; встраиваемые.

В настоящий момент в цепях высокого напряжения ( и выше) наибольшее распространение получили воздушные выключатели. На рис. 3.22 приведён общий вид воздушного бакового выключателя с номинальным напряжением , состоящим из двух однотипных модулей. Каждый модуль рассчитан на напряжение .

В воздушных выключателях при расхождении контактов мощная струя воздуха непрерывно сдувает горящую между разводимыми контактами дугу. Дуга горит за счёт проходящего через выключатель тока. Поскольку сеть переменного тока, в момент прохождения тока через ноль (момент отсутствия тока), дуга гаснет. Если электрической прочности воздушного промежутка между контактами недостаточно, дуга загорится и

Рис. 3.22. Общий вид воздушного выключателя типа ВВБ-220-12: 1 – рама; 2 –шкаф управления; 3 – опорный изолятор; 4 – два воздухопровода из стеклопластика; 5 –люк дугогасительной камеры; 6 – шунтирующие конденсаторы; 7 – промежуточный опорный изолятор; 8 – токоведущая перемычка; 9 и 10 – верхняя и нижняя дугогасительная камера

будет гореть до нового перехода через ноль. По мере расхождения контактов диэлектрическая прочность изоляционного промежутка между контактами при отсутствии ионизированного канала, создаваемого дугой, возрастает. И после очередного перехода тока через ноль дуга окончательно гаснет, чем и достигается гарантированное отключение цепи с током.

Широкое распространение имеют маломасленные выключатели. В них используется принцип автодутья – при горении дуги разлагается минеральное масло. Более в получаемом газе – водород, имеющий отличные электроизоляционные свойства. Разместив близи контактов пути выхлопа продуктов разложения масла таким образом, чтобы осуществлялось сдувание дуги при её горении, добиваются хорошей отключающей способности.

Интенсивно внедряются на среднем напряжении ( ) вакуумные выключателя. На рис. 3.23 показан внешний вид вакуумного выключателя на номинальное напряжение .

Рис. 3.23. Внешний вид и габаритные размеры вакуумного выключателя типа ВБЦ-35.

Данный выключатель представляет собой коммутационный аппарат, три полюса которого установлены на общей раме и управляются установленным внутри рамы электромагнитным приводом.

Первый полюс содержит два последовательно соединенных дугогасительных модуля, а второй и третий полюсы ‑ по одному модулю. Каждый полюс содержит опорный изолятор, экраны для обеспечения необходимой электрической прочности между полюсами, изоляционные тяги, передающие движение от привода на подвижные контакты камер, крышку. Для подъема выключателя на раме и крышках имеются рым-болты. На раме размещен также указатель включенного и отключенного положения. На рис. 3.24 показан разрез дугогасительного модуля данного выключателя.

Рис. 3.24 Конструкция дугогасительного модуля вакуумного выключателя типа ВБЦ-35: 1, 6 - фланцы; 2 - корпус; 3 - вакуумная дугогасительная камера; 4 - подвижный контакт; 5 - узел управления.

В основе работы вакуумного выключателя лежит факт высокой диэлектрической прочности вакуума (отсутствуют среда, при ионизации которой появляются носители заряда). Горение дуги в вакууме поддерживается за счет паров металла, попадающих в межконтактный промежуток при их испарении с поверхности контакта. Контакты дугогасительной камеры вакуумного выключателя выполняются из материала, который даже при очень высоких температурах ( ) имеет очень малое испарение, что не позволяет появиться условию интенсивного переноса заряда (горения дуги). В момент перехода тока через нулевое значение происходит быстрое нарастание электрической прочности межконтактного промежутка, обеспечивающее отключение цепи выключателя. Вакуумная камера заключена в выполненный из эпоксидного компаунда корпус. Для обеспечения изоляционной прочности пространство между корпусом и камерой заполнено негорючей и нетоксичной жидкостью с высокой электрической прочностью – виниполом.

Разъединители. Разъединитель – это коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет в отключенном состоянии между контактами изоляционный промежуток.

Основное назначение разъединителей – создание видимого разрыва электрической цепи. В необходимых случаях разъединители имеют специальные ножи, позволяющие накладывать заземление на соседние с ним участки цепи.

Разъединители различают по конструкции: для наружной и внутренней установки. По типу: рубящие; вертикально- и горизонтально поворотные; подвесные; телескопические; катящиеся, пантографические и полупантографические.

Разъединитель – один из наиболее многочисленных коммутационных аппаратов “большой” энергетики. Этим и объясняется столь широкий спектр технических реализаций. На рис. 3.25 показан шинный разъединитель для установки в КРУЭ (крытое распределительное устройство элегазовое).

Элегаз – это шестифтористая сера с очень высокими показателями диэлектрической прочности. В отличие от вакуумной техники, где необходим непрерывный контроль качества вакуума, применение элегаза с избыточным давлением обеспечивает высокие технические показатели при более надёжной эксплуатации. Элегазовые устройства имеют малые габариты и применяются при номинальном напряжении до .

Рис. 3.25 Конструкция шинного элегазового разъединителя: 1 – резервуар; 2 – изолятор; 3 – неподвижный контакт; 4 – подвижный контакт; 5 – тяга; 6 – заземлитель

Достаточно надёжными являются более ранние конструкции разъединителей. На рис. 3.26 показан двухколонковый разъединитель наружной установки горизонтально-поворотного типа РНДЗ-2-110 на напряжение .

Рис. 3.26 Конструкция двухколонкового разъединителя наружной установки горизонтально-поворотного типа РНДЗ-2-110: 1 – рама; 2 – опорные изоляторы; 3 – наконечник для присоединения шин; 4 – гибкая связь; 5 – главный нож с ламелями;6 – главный нож без ламелей; 7 – заземляющие ножи; 8 – тяга к приводу; 9 – привод

При проведении ремонта того или иного оборудования на высоком напряжении необходимо не только отключить его от сети, но и заземлить объект со всех точек возможного подключения. Заземляющие ножи разъединителей имеют механическую блокировку, исключающую накладку заземления на включённый разъединитель. Аналогично наложенное заземление не позволит включить разъединитель, пока его не снимут.

Вопросы для самоконтроля:

Назначение и основные элементы конструкции синхронного генератора. Принцип работы синхронной машины.
Принцип работы и основные элементы конструкции АД.
Виды линий. Основные элементы конструкции ВЭЛ. Конструктивное исполнение КЛ.
Принцип работы силового трансформатора. Режим работы измерительного трансформатора напряжения. Основной источник погрешности. Режим работы трансформатора тока.
Назначение коммутационного аппарата – высоковольтного выключателя. Основные элементы конструкции.
Назначение и конструктивное исполнение разъединителей.

Тестирование по материалу главы

1. Наиболее существенной особенностью производства электрической энергии является единовременность производства, распределения и потребления товара.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

2. Наиболее существенной особенностью производства, распределения и потребления электрической энергии является скоротечность протекающих процессов.