Тема IV. Основное электрооборудование электрических станций и подстанций

Лекции №10, №11

ІV.1. Синхронные генераторы

ІV.1.1. Особенности конструкции турбогенератора

Для выработки электроэнергии на электростанциях применяют синхронные генераторы (СГ) трехфазного переменного типа – турбогенераторы (ТГ), гидрогенераторы, дизельгенераторы. Наибольшее применение в России нашли ТГ. Основные элементы конструкции ТГ показаны на рис. ІV.1.

Рис. ІV.1. Конструкция ТГ

В рисунке используются следующие обозначения: 1 – сердечник статора; 2 – обмотка статора, лобовая часть; 3, 4 – сердечник ротора и обмотка ротора (обмотка возбуждения – ОВ); 5 – бандажные кольца (бандаж); 6 – вентилятор; 7 – подшипники скольжения; 8 – корпус синхронного генератора; 9 – торцевой щит; 10 – газоохладитель; 11 – источник постоянного тока (возбудитель); 12 – щетки; 13 – контактные кольца; 14 – токопроводящее соединение ОВ с контактными кольцами.

Частота вращения ТГ на КЭС и ТЭЦ составляет 3000 об/мин, а на АЭС 1500 и 3000 об/мин.

ІV.1.2. Номинальные параметры синхронного генератора

К ним относятся:

а) номинальная частота вращения n_H (об/мин);

б) номинальное напряжение U_H (кв) – линейное напряжение обмотки статора в номинальном режиме. Эти напряжения согласованы с напряжением электрических сетей и образуют следующий ряд (см. табл. IV.1):

Табл. IV.1.

Тип схемы	Схемы РРУ и блочные	Блочные схемы
UH, кв	(3,15)	6,3	10,5	(13,8)	(15,75)

Примечание: напряжения в скобках относятся к выпущенным ранее ТГ и не рекомендуются последними ГОСТами;

в) номинальный ток статора I_H (кА) – значение тока обмотки статора при котором допускается длительная нормальная работа генератора при номинальных параметрах системы охлаждения (t ºC, Р, расход охлаждающей среды) и номинального значения мощности и U_H.

г) номинальный коэффициент мощности cosφ_н (о.е.) для ТГ = 0,85 – 0,9;

д) номинальная полная мощность генератора , (МВА);

е) номинальная активная мощность P_H = S_H cosφ_н , (МВт);

Номинальная мощность ТГ установлена ГОСТом (см. табл. IV.2.):

Табл. IV.2.

Тип схемы

Схемы ГРУ и блочные

Блочные схемы

РH, МВт

2,5

ж) номинальный ток ротора I_{f н}, (А);

з) номинальное напряжение ротора U_{f н}, (В);

и) КПД η = 0,986 – 0,988;

ІV.1.3. Системы охлаждения генератора

а). Нназначение системы охлаждения

Во время работы СГ, его обмотки и активная сталь статора нагреваются. Предельный нагрев лимитируется изоляцией обмотки статора и ротора, т.к. под воздействием тепла происходит ухудшение её изоляционных свойств и понижение механической прочности и эластичности, т.е. изоляция постепенно стареет.

Чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается и тем меньше срок её службы. Изоляция должна работать с температурой, при длительном воздействии которой она сохранит свои изоляционные и механические свойства в течении времени, сравнимого со сроком службы СГ. Эта температура характеризует нагревостойкость изоляции. По нагревостойкости изоляционные материалы делятся на 7 классов (см. табл. IV.3):

Табл. IV.3.

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	G
Допустимая t ºC							>180

Материалы, применяемые для изоляции обмоток СГ, относятся к классам B,F,H.

СО предназначена для отвода выделяемого в машине тепла с целью поддержания тепературы меди обмоток, а также стали статора и ротора в допустимых пределах.

б). Ттипы охлаждающих сред

В качестве охлаждающей среды в современных СГ применяют:

1) Газы

1а) воздух

1б) водород

2) Жидкости

2а) дистиллированная вода

2б) трансформаторное масло

Наибольшей теплоотводящей способностью обладают жидкости, хотя затраты энергии на создание их циркуляции больше, чем для воздуха и водорода, которые менее плотные.

ІV.1.4. Маркировка синхронных ТГ

Для ТГ установлены условные обозначения, в которых последовательно (слева на право) приводится следующая информация:

^ ^

-

-

1 – признак ТГ (Т или ТГ);

2 – тип системы охлаждения (1 или 2 буквы);

3 – номинальная активная мощность, МВт;

4 – количество полюсов (2,4);

5 – принадлежность к единой унифицированной серии (Е) или модификации (М);

6 – климатическое исполнение;

7 – категория размещения.

^ - элементы, которые могут отсутствовать.

Например:

ТВФ – 63 – 2Е У3

1 2 3 4 5 6 7

1 – ТГ;

2 – водородное форсированное охлаждение;

3 – номинальная активная мощность равна 63 МВт;

4 – число полюсов равно 2;

5 – принадлежит к единой унифицированной серии;

6 – для районов с умеренным климатом (У);

7– для работы в закрытых помещениях с естественной циркуляцией (3).

ІV.1.5. Система возбуждения

а) Назначение и состав системы возбуждения

Совокупность возбудителя (генератора постоянного или переменного тока), а также вспомогательных и регулирующих устройств называется системой возбуждения (СВ).

СВ предназначена для питания обмотки возбуждения СГ постоянным током и соответствующего регулирования тока возбуждения.

б) Типы системы возбуждения

В зависимости от источника энергии, используемого для возбуждения СГ, СВ можно разделить на 3 группы:

1. СВ, в которых источником энергии является генератор постоянного тока (см. рис. ІV.2).

Рис. ІV.2. СВ, в которой источником энергии является генератор постоянного тока (Г(-I) – генератор постоянного тока; ОВГ – обмотка возбуждения генератора)

2. СВ, в которых источником энергии является генератор переменного тока (возбудитель). Его надо выпрямлять через выпрямитель (см. рис. ІV.3).

Рис. ІV.3. СВ, в которой источником энергии является генератор переменного тока (Г(~I) – генератор переменного тока; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ВУ – выпрямительное устройство)

3. СВ, в которых используется энергия самой возбуждаемой машины (самовозбуждение) (см. рис. ІV.4).

Эта энергия преобразовывается с помощью специального трансформатора и выпрямителей.

Рис. ІV.4. СВ с самовозбуждением (ВТ – вспомогательный трансформатор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ВУ – выпрямительное устройство)

Если работа СВ зависит от напряжения на выводах обмотка статора возбуждаемой машины, то СВ – зависимая (см. рис. ІV.4. и ІV.5.(б)). В противном случае СВ – независимая (см. рис. ІV.5.(а)).

а) независимая СВ

б) зависимая СВ

Рис. ІV.5. Зависимая и независимая СВ (1 – вал ротора СГ; 2 – вспомогательный генератор; 3 – асинхронный двигатель)

ІV.2. Силовые трансформаторы

ІV.2.1. Типы трансформаторов

Классификация типов трансформаторов представлена на рис. ІV.6.

Рис. ІV.6. Классификация типов трансформаторов(АТ - автотрансформаторы)

В энергетической системе преимущественно применяются двух- и трехобмоточные трансформаторы. Установка трехфазных трансформаторов по сравнению с однофазными предпочтительнее по экономическим причинам, т.к. их стоимость, расход активных материалов (медь и сталь) на 20 – 25 %, а потери энергии при эксплуатации на 12 – 15 % меньше, чем в группе однофазных трансформаторов равной мощности.

В некоторых случаях обмотка НН одного и того же трансформатора состоит из двух или нескольких параллельных, изолированных друг от друга ветвей. Эти трансформаторы с так называемыми расщепленными обмотками обладают большим сопротивлением, чем идентичные двух обмоточные трансформаторы обычного исполнения, но имеют более сложную конструкцию и большую стоимость. Их применяют для укрупнения блоков мощных ТЭС и ГЭС, когда с целью упрощения главной схемы и уменьшения токов КЗ к одному трансформаторы присоединяют несколько генераторов (см. рис. ІV.7.а), а также на понижающих подстанциях (см. рис. ІV.7.б) и в схемах СН электростанций (рис. ІV.7.а) для уменьшения токов КЗ и облегчения шин и аппаратуры.

а) Использование трансформаторов с расщепленной обмоткой для образования укрупненного блока (Т1) и в цепях собственных нужд (Т3)

б) Использование трансформаторов с расщепленной на подстанциях

Рис. ІV.7. Примеры применения трансформаторов с расщепленной обмоткой

Примечание: трансформаторы собственных нужд с номинальной полной мощностью S_НОМ.Т. ³ 25 МВ×А, а также все силовые трансформаторы подстанций с S_НОМ.Т. ³ 40 МВ×А выполняются с расщепленными обмотками.

На современных крупных электростанциях и мощных узловых подстанциях часто применяют для связи двух высших напряжений автотрансформаторы (АТ), обладающие существенными технико-экономическими преимуществами по сравнению с обычными трансформаторами той же проходной мощности.

Преимущества АТ:

1) стоимость АТ меньше, т.к. для его изготовления требуется меньше меди, стали и изоляционных материалов;

2) габариты автотрансформаторов меньше, что позволяет строить его с большей проходной мощностью и облегчает транспортировку;

3) потери мощности АТ меньше, а его КПД выше.

Перечисленные преимущества АТ тем заметнее, чем меньше разность номинальных напряжений на обмотках высшего и среднего напряжений. Количественно эти преимущества определяются коэффициентом выгодности.

,

- коэффициент трансформации.

– типовая мощность.

Недостатки АТ.

1) Изменение напряжений проводов относительно земли в сети среднего напряжения при замыкании на землю в сети высшего напряжений (вектор АСm на рис. III.18), которое тем больше, чем больше коэффициент трансформации. В незаземленной системе эти напряжения достигают недопустимых значений, поэтому АТ всегда работает с глухозаземленной нейтралью (см. рис. IV.8).

Рис. IV.8. Векторная диаграмма напряжений участка сети, питающегося от автотрансформатора с разземленной нейтралью, при замыкании фазы на землю

2) низкие напряжения короткого замыкания (вызванные глухим заземлением нейтрали АТ) и связанные с этим большие токи однофазного короткого замыкания, вызывающие большие электродинамические усилия в обмотках;

3) перенапряжения, возникающие в сети высокого напряжения, вызывают из-за наличия гальванической связи обмоток высокого и среднего напряжения на выводах среднего напряжения АТ более значительные перенапряжения, чем у трансформатора обычного исполнения.

АТ могут иметь третью обмотку на стороне низкого напряжения, которая связана с обмоткой высокого и среднего напряжения только электромагнитным путем. Она предназначена для компенсации токов третьей гармоники, а также используется для питания потребителей, присоединения синхронного компенсатора и генераторов.