Анализ конструктивных схем систем возбуждения синхронных генераторов, работающих в составе единой энергосистемы

УДК 621.313.126

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ В СОСТАВЕ

ЕДИНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

В.М. Степанов, Д. А. Карпунин

Система возбуждения является основной частью в конструкции синхронных генераторов, устойчивость и надёжность её работы определяет безопасность и устойчивость работы не только синхронной машины, но и всей энергосистемы. В данной статье описаны различные виды систем возбуждения с характеристиками работы, а также описаны недостатки и преимущества каждой из них.

Ключевые слова: сравнительная характеристика систем, управление турбогенератором, автоматическая регулировка возбуждения.

Автоматические системы возбуждения предназначены для наведения в обмотке ротора синхронного генератора постоянного тока и постоянного отслеживания и управления током возбуждения как в нормальных режимах работы энергосистемы, так и при коротких замыканиях и ненормальных режимах.

Системы возбуждения характеризуется: напряжением возбуждения на выводах обмотки возбуждения и током в электрической цепи ротора генератора, относящиеся к нормальной работе синхронного генератора в энергосистеме; режимом форсировки при коротких замыканиях в энергосистеме; быстродействием регулирования параметров тока и напряжения возбуждения при ненормальных режимах работы единой энергосистемы; скоростью развозбуждения генератора при возникновении неисправности на всей в целом генерирующей электроэнергию машине.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных генераторов:

Работа возбуждения гарантирует соответствующие виды оперативных режимов:

- возбуждение на начальном этапе включения;

- электрический тормоз вращающегося генератора;

- форсирование тока ротора в несколько крат, при возникновении коротких замыканий в энергосистеме вблизи генератора;

- нормальный режим работы с заданной номинальной мощностью и с кратковременными перегрузками;

- самосинхронизация с единой энергосистемой различными методами;

- при возникновении аварийного режима существует развозбужде-ние, а также разгрузка реактивной мощности;

- автоматическое гашение электрического поля генератора при оперативных отключениях и аварийных ситуациях;

- работа генератора без нагрузки.

Провода обмотки возбуждения в подавляющем большинстве конструкций находятся на роторе в расположенных под различными углами пазах, благодаря подвижным системам контактов к обмоткам поступает постоянный ток. Постоянный ток генерируется различными техническими способами. Двумя основными способами являются создание постоянного тока от генерирующей машины постоянного тока и выпрямление с помощью полупроводниковых преобразователей переменного тока.

При наличии электрической связи между напряжением, снимаемым с генератора и током его ротора, такая система считается системой самовозбуждения или системой без наличия машинного возбуждения, то есть безмашинной. Если же постоянный ток возбуждения генерируется от электрических машин, связанных с генератором только механической связью, такую систему принято называть независимой.

Системами независимого возбуждения являются электрические машины переменного и постоянного тока связанные с валом генератора жёсткой механической связью. К преимуществам данных систем можно отнести полную автономность и стабильность тока возбуждения, который не будет зависеть от аварийных и ненормальных режимов работы энергосистемы. Однако, к недостаткам можно отнести наличие дополнительной механической нагрузки на вал генератора, что снижает время его нормальной эксплуатации. А также наличие дополнительных вращающихся контактных соединений, которые требуют своевременного обслуживания и контроля.

Второй большой вид систем возбуждения называется зависимыми. К ним можно отнести системы, в которых ток возбуждения для обмотки ротора генератора создаётся благодаря преобразованию переменного напряжения промышленной частоты с выводов генератора. Устройствами для преобразования могут быть как специальные трансформаторы с системой тиристорных преобразователей, так и электрические двигатели постоянного и переменного тока. Плюсом данных систем является отсутствие дополнительных вращающихся машин на валу генератора, более простая конструкция и следовательно стоимость проектирования, монтажа и обслуживания. Но есть и несомненный недостаток в том, что данная зависимая система возбуждения сильно зависит от режима работы энергосистемы, уровня напряжения на шинах собственных нужд станции, что в сумме делает данные системы более дешевыми и простыми, однако менее надёжными.

Наиболее выгодным вариантом являются комбинированные системы, где постоянный ток для обмотки возбуждения генератора берётся от системы с независимым возбуждением и существует дополнительный электрический двигатель создающий ток возбуждения, запитанный от собственных нужд станции. Данные системы имеют очень высокую надёжность, что является одним из ключевых условий генерации электроэнергии для Единой энергетической системы Российской Федерации.

28

Независимые системы возбуждения. Приблизительно вплоть до половины 50-х гг. минувшего столетия приобрели распространение электромашинные системы возбуждения с генератором постоянного тока как возбудителя. Они все распространены также в настоящее время, однако в электростанциях с генераторами малой также средней мощности генерации, внедренных в использование вплоть до семьдесят-х лет минувшего столетия. Концепции независимого возбуждения с постоянным током считаются медленнодействующими из-за существенной электромагнитной инерционности, благодаря индуктивности обмоток возбуждения возбудителя, кроме того из-за насыщения магнитной составляющей возбудителя, имеются существенные ограничения к форсировке возбуждения. Максимальная технически подходящая мощность электромашинного возбудителя непрерывного тока никак не может превышать 350.. .450 кВт.

По этой причине начали возникать концепции систем независимого возбуждения, использующие с целью возбуждения генераторы переменного тока.

У высокочастотных систем возбуждения, представленных на рис. 1, нашёл применение генератор тока с высокой частотой 500 Гц, имеющий жёсткую механическую связь с вращающимся валом турбины, получающим возбуждение от синхронного генератора. Для преобразования переменного тока повышенной частоты применяется тиристорный или диодный преобразователь. Такая система относится к медленнодействующим, но в сравнении с электромашинными системами постоянного тока быстродействие выше. Основное распространение получила на турбогенераторах серий ТВВ.

IV

гОО

Рис. 1. Высокочастотная система возбуждения: С - синхронный генератор; СЕ - высокочастотный генератор; СЕЛ - подвозбудитель; АРВ - автоматическое регулирование возбуждения; А - магнитный усилитель; ТУ - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока; ЬС - обмотка возбуждения генератора; ЬЕ - обмотка возбуждения возбудителя; ЕУ - разрядник; КМ - контактор; УБ - диодные преобразователи

29

В тиристорных системах независимого возбуждения возбудителем является вспомогательный синхронный генератор, расположенный на общем валу с основным синхронным генератором.

В связи с увеличением единичной мощности турбогенератора и значения тока возбуждения стало затруднительно передавать постоянный ток от неподвижных элементов системы возбуждения к вращающемуся ротору синхронного генератора, через контактные кольца и щётки. Изменение тока возбуждения синхронного генератора в данной системе достигается путем изменения тока возбуждения возбудителя, что снижает инерционность бесщёточной системы возбуждения. Данная система возбуждения изображена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема бесщёточной системы возбуждения: С - синхронный генератор; СЕ - возбудитель; СЕЛ - подвозбудитель;

АРВ - автоматическое регулирование возбуждения;

ТУ - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока; Т- трансформатор; ЬС - обмотка возбуждения генератора; ЬСЕ - обмотка возбуждения возбудителя; ЬСЕЛ - обмотка возбуждения подвозбудителя; ВДП - вращающийся диодный преобразователь; ДП - диодный преобразователь; ТК - тиристорный

ключ

Бесщёточные системы с вращающимся тиристорным преобразователем являются быстродействующими, так как позволяют изменить ток возбуждения синхронного генератора путем изменения угла открытия тиристоров преобразователя в цепи обмотки ротора.

Зависимые системы самовозбуждения. Системы самовозбуждения обычно выполняются с тиристорными преобразователями, что обеспечивает высокое быстродействие и возможность гашения поля синхронного генератора, путём перевода тиристоров в инверторный режим.

Различают параллельное и смешанное самовозбуждение. В системе параллельного самовозбуждения энергия возбуждения определяется параметрами напряжения статора синхронного генератора или сети в которую он вырабатывает электроэнергию. Недостаток данной системы снижение напряжения на преобразователе при близких коротких замыканиях.

Упрощённая принципиальная схема одногрупповой тиристорной системы самовозбуждения (СТС) представлена на рис. 3.

30

ТАЗ

рц-

Рис. 3. Схема тиристорной системы самовозбуждения: С - синхронный генератор; ЬС - обмотка возбуждения генератора; АРВ - автоматическое регулирование возбуждения; УНВ - устройство начального возбуждения; ТП1, ТП2 - тиристорные преобразователи; ГУ - тиристорный разрядник; КМ - электромагнитный контактор;

ТУ - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока;

Т - трансформатор

Вывод. Для турбогенераторов мощностью 200 МВт наиболее подходит независимая система возбуждения комбинированная с зависимой. То есть основное питание обмотки возбуждения синхронного генератора происходит от тиристорных преобразователей получающих питание с машинного возбудителя переменного тока, скреплённого с валом турбины жёсткой механической связью. Также имеется дополнительный электродвигатель с системой преобразователей, запитанный от собственных нужд, который производит постоянный ток для обмотки возбуждения. Такая система имеет наибольшую надежность, что является основополагающим критерием генерации электроэнергии в Единой энергетической системе Российской Федерации.

Список литературы

1. Васильев А.А., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф., Околович М.Н. Электрическая часть станций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1990. 551 с.

2. Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронного генератора и электрических станций: учебное пособие. Иваново: ГОУВПБ «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. 192 с.

3. Коломиец Н.В. Электрическая часть электростанций и подстанций: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. 143 с.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, energy@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Карпунин Дмитрий Александрович, аспирант, karpunindmitriy a gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF CONSTRUCTIVE SCHEMES EXCITA TION SYSTEM OF SYNCHRONOUS GENERA TORS, WORKING AS PART OF A SINGLE ENERGY SYSTEM

V.M. Stepanov, D.A. Karpunin

The excitation system is the main part in the design of synchronous generators, the stability and reliability of its operation determines the safety and stability of the work of not only the synchronous machine, but the entire power system. This article describes the various types of excitation systems with the characteristics of the work, as well as the disadvantages and advantages of each of them.

Key words: comparative characteristics of systems, control of a generator, automatic adjustment of excitation.

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, energy@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Karpunin Dmitry Alexandrovich, postgraduate, karpunindmitriy a gmail.com, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.313.126

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С РЕАКТИВНО-ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЕМ И ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЙ

В.М. Степанов, А.Ю. Тимонин

Электромеханическая система исполнительного элемента электрической подстанции является важной частью энергосистемы; структура электромеханической системы определяет эффективность и потенциал всейэнергосистемы. Представлен аналитический разбор структуры электромеханической системы условного исполнительного элемента и метод применения генерации электрической энергии в этой системе.

Ключевые слова: электромеханическая система, реактивно-вентильный двигатель, реактивно-вентильный генератор.

Анализ функциональных, структурных и принципиальных электрических схем электромеханических систем генерации электрической энергии, показал, что основными их элементами являются: внешний источник

32