Усе рэкі ў прыродзе маюць пэўны нахіл. Вада цячэ па рэчышчы пад дзеяннем сілы цяжару. Вада на вялікіх вышынях утрымлівае багатую патэнцыяльную энергію. З дапамогай гідратэхнічных збудаванняў і электрамеханічнага абсталявання энергію вады можна пераўтварыць у электрычную энергію, гэта значыць, генераваць гідраэнергію. Прынцып генерацыі гідраэнергіі заключаецца ў электрамагнітнай індукцыі, гэта значыць, калі праваднік пераразае лініі магнітнага патоку ў магнітным полі, ён генеруе ток. Сярод іх «рух» правадніка ў магнітным полі дасягаецца ўздзеяннем патоку вады на турбіну, каб пераўтварыць энергію вады ў механічную энергію кручэння; а магнітнае поле амаль заўсёды ўтвараецца токам узбуджэння, які генеруецца сістэмай узбуджэння, якая праходзіць праз абмотку ротара генератара, гэта значыць магнетызм генеруецца электрычнасцю.
1. Што такое сістэма ўзбуджэння? Для рэалізацыі пераўтварэння энергіі сінхроннаму генератару неабходна пастаяннае магнітнае поле, і пастаянны ток, які генеруе гэтае магнітнае поле, называецца токам узбуджэння генератара. Звычайна працэс фарміравання магнітнага поля ў ротары генератара ў адпаведнасці з прынцыпам электрамагнітнай індукцыі называецца ўзбуджэннем. Сістэма ўзбуджэння адносіцца да абсталявання, якое забяспечвае ток узбуджэння для сінхроннага генератара. Яна з'яўляецца важнай часткай сінхроннага генератара. Звычайна яна складаецца з дзвюх асноўных частак: блока харчавання ўзбуджэння і рэгулятара ўзбуджэння. Блок харчавання ўзбуджэння забяспечвае ток узбуджэння ротара сінхроннага генератара, а рэгулятар узбуджэння рэгулюе выхад блока харчавання ўзбуджэння ў адпаведнасці з уваходным сігналам і зададзенымі крытэрыямі рэгулявання.
2. Функцыя сістэмы ўзбуджэння Сістэма ўзбуджэння выконвае наступныя асноўныя функцыі: (1) У нармальных умовах працы яна падае ток узбуджэння генератара і рэгулюе ток узбуджэння ў адпаведнасці з зададзеным законам у залежнасці ад напружання на клемах генератара і ўмоў нагрузкі для падтрымання стабільнасці напружання. Чаму стабільнасць напружання можна падтрымліваць шляхам рэгулявання току ўзбуджэння? Існуе прыблізная залежнасць паміж індукаваным патэнцыялам (г.зн. патэнцыялам халастога ходу) Ed абмоткі статара генератара, напружаннем на клемах Ug, рэактыўным токам нагрузкі генератара Ir і падоўжным сінхронным рэактыўным супраціўленнем Xd:
Індукаваны патэнцыял Ed прапарцыйны магнітнаму патоку, а магнітны паток залежыць ад велічыні току ўзбуджэння. Калі ток узбуджэння застаецца нязменным, магнітны паток і індукаваны патэнцыял Ed застаюцца нязменнымі. З прыведзенай вышэй формулы відаць, што напружанне на клемах генератара будзе памяншацца са павелічэннем рэактыўнага току. Аднак, каб задаволіць патрабаванні карыстальніка да якасці электраэнергіі, напружанне на клемах генератара павінна заставацца практычна нязменным. Відавочна, што спосаб дасягнення гэтага патрабавання - рэгуляваць ток узбуджэння генератара па меры змены рэактыўнага току Ir (гэта значыць змены нагрузкі). (2) У залежнасці ад умоў нагрузкі, ток узбуджэння рэгулюецца па зададзеным правіле для рэгулявання рэактыўнай магутнасці. Чаму неабходна рэгуляваць рэактыўную магутнасць? Шмат электраабсталявання працуе на аснове прынцыпу электрамагнітнай індукцыі, напрыклад, трансфарматары, рухавікі, зварачныя апараты і г.д. Усе яны абапіраюцца на стварэнне пераменнага магнітнага поля для пераўтварэння і перадачы энергіі. Электрычная магутнасць, неабходная для стварэння пераменнага магнітнага поля і індукаванага магнітнага патоку, называецца рэактыўнай магутнасцю. Усё электраабсталяванне з электрамагнітнымі шпулькамі спажывае рэактыўную магутнасць для стварэння магнітнага поля. Без рэактыўнай магутнасці рухавік не будзе круціцца, трансфарматар не зможа трансфармаваць напружанне, і многія электрычныя прыборы не будуць працаваць. Такім чынам, рэактыўная магутнасць ні ў якім разе не з'яўляецца бескарыснай магутнасцю. У нармальных умовах электраабсталяванне атрымлівае не толькі актыўную магутнасць ад генератара, але і рэактыўную магутнасць ад генератара. Калі рэактыўнай магутнасці ў электрасетцы не хапае, электраабсталяванне не будзе мець дастаткова рэактыўнай магутнасці для стварэння нармальнага электрамагнітнага поля. Тады гэта электраабсталяванне не зможа падтрымліваць намінальны рэжым працы, і напружанне на клемах электраабсталявання знізіцца, што паўплывае на нармальную працу электраабсталявання. Такім чынам, неабходна рэгуляваць рэактыўную магутнасць у залежнасці ад фактычнай нагрузкі, а рэактыўная магутнасць, якая выдаецца генератарам, залежыць ад велічыні току ўзбуджэння. Канкрэтны прынцып тут не будзе падрабязна апісаны. (3) Калі ў энергасістэме адбываецца кароткае замыканне або іншыя прычыны выклікаюць сур'ёзнае падзенне напружання на клемах генератара, генератар можна прымусова ўзбудзіць, каб палепшыць дынамічную ўстойлівасць энергасістэмы і дакладнасць рэлейнай абароны. (4) Пры перанапружанні генератара з-за раптоўнага збою нагрузкі і іншых прычын, генератар можна прымусова размагніціць, каб абмежаваць празмернае павелічэнне напружання на клемах генератара. (5) Паляпшэнне статычнай стабільнасці энергасістэмы. (6) Пры міжфазным кароткім замыканні ўнутры генератара і на яго падводных правадах або занадта высокім напружанні на клемах генератара размагнічванне праводзіцца хутка, каб абмежаваць распаўсюджванне аварыі. (7) Рэактыўная магутнасць паралельных генератараў можа быць разумна размеркавана.
3. Класіфікацыя сістэм узбуджэння. У залежнасці ад спосабу атрымання току ўзбуджэння генератар (г.зн. спосабу падачы крыніцы харчавання ўзбуджэння), сістэмы ўзбуджэння можна падзяліць на знешняе ўзбуджэнне і самаўзбуджэнне: ток узбуджэння, атрыманы ад іншых крыніц харчавання, называецца знешнім узбуджэннем; ток узбуджэння, атрыманы ад самога генератара, называецца самаўзбуджэннем. У залежнасці ад спосабу выпрамлення, сістэмы ўзбуджэння можна падзяліць на вярчальнае ўзбуджэнне і статычнае ўзбуджэнне. Статычная сістэма ўзбуджэння не мае спецыяльнай машыны ўзбуджэння. Калі яна атрымлівае магутнасць узбуджэння ад самога генератара, яна называецца самаўзбуджальным статычным узбуджэннем. Статычнае ўзбуджэнне з самаўзбуджэннем можна падзяліць на самаўзбуджэнне і самаўзбуджэнне.
Найбольш распаўсюджаным метадам узбуджэння з'яўляецца самапаралельнае статычнае ўзбуджэнне, як паказана на малюнку ніжэй. Пры гэтым магутнасць узбуджэння паступае праз выпрамляльны трансфарматар, падлучаны да выхаду генератара, і пасля выпрамлення падае ток узбуджэння генератара.
Схема падключэння сістэмы ўзбуджэння з самапаралельным узбуджэннем і статычным выпрамніком
Статычная сістэма ўзбуджэння з самапаралельным узбуджэннем у асноўным складаецца з наступных частак: трансфарматара ўзбуджэння, выпрамніка, прылады размагнічвання, рэгулятара і прылады абароны ад перанапружання. Гэтыя пяць частак адпаведна выконваюць наступныя функцыі:
(1) Трансфарматар узбуджэння: Знізьце напружанне на баку машыны да напружання, якое адпавядае выпрамніку.
(2) Выпрамнік: Гэта асноўны кампанент усёй сістэмы. Для выканання задачы пераўтварэння пераменнага току ў пастаянны часта выкарыстоўваецца трохфазная цалкам кіраваная маставая схема.
(3) Прылада размагнічвання: Прылада размагнічвання складаецца з дзвюх частак, а менавіта з перамыкача размагнічвання і рэзістара размагнічвання. Гэта прылада адказвае за хуткае размагнічванне прылады ў выпадку аварыі.
(4) Кантролер рэгулявання: Прылада кіравання сістэмай узбуджэння змяняе ток узбуджэння, кантралюючы кут праводнасці тырыстара выпрамляльніка, каб дасягнуць эфекту рэгулявання рэактыўнай магутнасці і напружання генератара.
(5) Абарона ад перанапружання: калі ў ланцугу ротара генератара ўзнікае перанапружанне, ланцуг уключаецца для спажывання энергіі перанапружання, абмежавання значэння перанапружання і абароны абмоткі ротара генератара і падключанага да яго абсталявання.
Перавагі статычнай сістэмы ўзбуджэння з самапаралельным узбуджэннем: простая канструкцыя, менш абсталявання, нізкія інвестыцыі і меншыя выдаткі на абслугоўванне. Недахопам з'яўляецца тое, што пры кароткім замыканні генератара або сістэмы ток узбуджэння знікае або значна зніжаецца, у той час як ток узбуджэння павінен быць значна павялічаны (г.зн. прымусовае ўзбуджэнне). Аднак, улічваючы, што сучасныя буйныя агрэгаты ў асноўным выкарыстоўваюць закрытыя зборныя шины, а высакавольтныя электрасеткі звычайна абсталяваны хуткай абаронай і высокай надзейнасцю, колькасць агрэгатаў, якія выкарыстоўваюць гэты метад узбуджэння, павялічваецца, і гэта таксама метад узбуджэння, рэкамендаваны правіламі і спецыфікацыямі. 4. Электрычнае тармажэнне агрэгата Пры разгрузцы і адключэнні агрэгата частка механічнай энергіі назапашваецца з-за велізарнай інэрцыі кручэння ротара. Гэтая частка энергіі можа быць цалкам спынена толькі пасля таго, як яна будзе пераўтворана ў цеплавую энергію трэння ўпорнага падшыпніка, накіроўвалага падшыпніка і паветра. Паколькі страты на трэнне паветра прапарцыйныя квадрату лінейнай хуткасці акружнасці, хуткасць ротара спачатку вельмі хутка зніжаецца, а затым ён будзе доўга працаваць на халастым ходу з нізкай хуткасцю. Калі агрэгат працуе працяглы час на нізкай хуткасці, упорная ўтулка можа перагарэць, бо не ўтвараецца алейная плёнка паміж люстраной пласцінай пад упорнай галоўкай і ўтулкай падшыпніка. Па гэтай прычыне падчас працэсу выключэння, калі хуткасць агрэгата падае да пэўнага зададзенага значэння, неабходна ўключыць тармазную сістэму агрэгата. Тармазная сістэма агрэгата падзяляецца на электрычнае тармажэнне, механічнае тармажэнне і камбінаванае тармажэнне. Электрычнае тармажэнне заключаецца ў тым, каб пасля адключэння і размагнічвання генератара замкнуць статар трохфазнага генератара на выхадзе з машыны і чакаць, пакуль хуткасць агрэгата знізіцца прыкладна да 50%-60% ад намінальнай хуткасці. Праз серыю лагічных аперацый забяспечваецца тармазная магутнасць, і рэгулятар узбуджэння пераключаецца ў рэжым электрычнага тармажэння, каб дадаць ток узбуджэння да абмоткі ротара генератара. Паколькі генератар круціцца, статар пад дзеяннем магнітнага поля ротара індукуе ток кароткага замыкання. Электрамагнітны момант, які генеруецца, накіраваны прама супрацьлегла кірунку інерцыі ротара, які выконвае тармазную ролю. У працэсе рэалізацыі электрычнага тармажэння неабходна забяспечыць знешняе харчаванне тармажэння, якое цесна звязана са структурай асноўнага ланцуга сістэмы ўзбуджэння. Розныя спосабы атрымання харчавання ўзбуджэння электрычнага тармажэння паказаны на малюнку ніжэй.
Розныя спосабы атрымання электраэнергіі для ўзбуджэння электрычнага тормазу
У першым выпадку прылада ўзбуджэння выкарыстоўвае метад самапаралельнага падключэння ўзбуджэння. Калі канец машыны каротказамыкаецца, трансфарматар узбуджэння не атрымлівае харчавання. Харчаванне тармажэння паступае ад спецыяльнага тармазнога трансфарматара, і тармазны трансфарматар падключаецца да электрасеткі электрастанцыі. Як ужо згадвалася вышэй, у большасці гідраэнергетычных праектаў выкарыстоўваецца самапаралельнае ўзбуджэнне са статычным выпрамніком, і больш эканамічна выкарыстоўваць выпрамнільны мост для сістэмы ўзбуджэння і электрычнай тармазной сістэмы. Таму гэты метад атрымання харчавання для электрычнага тармажэння з'яўляецца больш распаўсюджаным. Працоўны працэс электрычнага тармажэння пры гэтым метады выглядае наступным чынам:
(1) Аўтаматычны выключальнік на выхадзе блока размыкаецца, і сістэма адключаецца.
(2) Абмотка ротара размагнічваецца.
(3) Выключальнік харчавання на другаснай абмотцы трансфарматара ўзбуджэння размыкаецца.
(4) Каротказамыкальны выключальнік электрычнага тормазу агрэгата замкнёны.
(5) Выключальнік сілкавання на другаснай абмотцы электрычнага тармазнога трансфарматара замкнёны.
(6) Тырыстар выпрамляльнага моста спрацоўвае для праводнасці, і прылада пераходзіць у стан электрычнага тармажэння.
(7) Калі хуткасць агрэгата роўная нулю, электрычны тормаз адпускаецца (пры выкарыстанні камбінаванага тармажэння, калі хуткасць дасягае 5% - 10% ад намінальнай хуткасці, ужываецца механічнае тармажэнне). 5. Інтэлектуальная сістэма ўзбуджэння Інтэлектуальная гідраэлектрастанцыя адносіцца да гідраэлектрастанцыі або групы гідраэлектрастанцый з лічбавізацыяй інфармацыі, сеткай сувязі, інтэграванай стандартызацыяй, бізнес-узаемадзеяннем, аптымізацыяй эксплуатацыі і інтэлектуальным прыняццем рашэнняў. Інтэлектуальныя гідраэлектрастанцыі вертыкальна падзелены на тэхналагічны ўзровень, узровень агрэгата і ўзровень кіравання станцыяй, выкарыстоўваючы 3-слаёвую 2-сеткавую структуру сеткі тэхналагічнага ўзроўню (сетка GOOSE, сетка SV) і сеткі ўзроўню кіравання станцыяй (сетка MMS). Інтэлектуальныя гідраэлектрастанцыі павінны падтрымлівацца інтэлектуальным абсталяваннем. Як асноўная сістэма кіравання генератарным агрэгатам гідратурбін, тэхналагічнае развіццё сістэмы ўзбуджэння адыгрывае важную дапаможную ролю ў будаўніцтве інтэлектуальных гідраэлектрастанцый.
У інтэлектуальных гідраэлектрастанцыях, акрамя выканання асноўных задач, такіх як запуск і прыпынак турбагенератара, павелічэнне і памяншэнне рэактыўнай магутнасці, а таксама аварыйнае адключэнне, сістэма ўзбуджэння павінна таксама адпавядаць функцыям мадэлявання дадзеных і сувязі IEC61850 і падтрымліваць сувязь з сеткай узроўню кіравання станцыяй (сеткай MMS) і сеткай узроўню працэсу (сеткай GOOSE і сеткай SV). Прылада сістэмы ўзбуджэння размешчана на ўзроўні блока структуры сістэмы інтэлектуальнай гідраэлектрастанцыі, а аб'ядноўвальны блок, інтэлектуальны тэрмінал, дапаможны блок кіравання і іншыя прылады або інтэлектуальнае абсталяванне размешчаны на ўзроўні працэсу. Структура сістэмы паказана на малюнку ніжэй.
Інтэлектуальная сістэма ўзбуджэння
Галоўны камп'ютар узроўню кіравання станцыяй інтэлектуальнай гідраэлектрастанцыі адпавядае патрабаванням стандарту сувязі IEC61850 і пасылае сігнал сістэмы ўзбуджэння на галоўны камп'ютар сістэмы маніторынгу праз сетку MMS. Інтэлектуальная сістэма ўзбуджэння павінна мець магчымасць падключацца да сеткі GOOSE і камутатараў сеткі SV для збору дадзеных на ўзроўні працэсу. Узровень працэсу патрабуе, каб дадзеныя, якія выводзяцца CT, PT і лакальнымі кампанентамі, былі ў лічбавай форме. CT і PT падключаюцца да блока аб'яднання (электронныя трансфарматары падключаюцца аптычнымі кабелямі, а электрамагнітныя трансфарматары - кабелямі). Пасля алічбоўкі дадзеных току і напружання яны падключаюцца да камутатара сеткі SV праз аптычныя кабелі. Лакальныя кампаненты павінны быць падключаны да інтэлектуальнага тэрмінала праз кабелі, а сігналы камутатара або аналагавыя сігналы пераўтвараюцца ў лічбавыя сігналы і перадаюцца на камутатар сеткі GOOSE праз аптычныя кабелі. У цяперашні час сістэма ўзбуджэння ў асноўным мае функцыю сувязі з сеткай MMS узроўню кіравання станцыяй і сеткай GOOSE/SV узроўню працэсу. Акрамя таго, што інтэлектуальная сістэма ўзбуджэння павінна адпавядаць патрабаванням стандарту IEC61850 для ўзаемадзеяння з сеткай, яна павінна мець магчымасць комплекснага онлайн-маніторынгу, інтэлектуальнай дыягностыкі няспраўнасцей, а таксама зручнага тэставання і абслугоўвання. Прадукцыйнасць і эфектыўнасць прымянення цалкам функцыянальнай інтэлектуальнай прылады ўзбуджэння неабходна праверыць у будучых рэальных інжынерных прымяненнях.
Час публікацыі: 09 кастрычніка 2024 г.
