Реките в природата имат определен наклон. Водата тече по речното корито под действието на гравитацията. Водата на голяма надморска височина съдържа изобилие от потенциална енергия. С помощта на хидравлични съоръжения и електромеханично оборудване, енергията на водата може да се преобразува в електрическа енергия, т.е. генериране на водноелектрическа енергия. Принципът на генериране на водноелектрическа енергия е нашата електромагнитна индукция, т.е. когато проводник пресече линиите на магнитния поток в магнитно поле, той ще генерира ток. Сред тях „движението“ на проводника в магнитното поле се постига чрез въздействието на водния поток върху турбината, за да се преобразува водната енергия в ротационна механична енергия; а магнитното поле почти винаги се формира от възбуждащия ток, генериран от възбуждащата система, протичаща през намотката на ротора на генератора, т.е. магнетизмът се генерира от електричество.
1. Какво представлява системата за възбуждане? За да осъществи преобразуването на енергия, синхронният генератор се нуждае от постояннотоково магнитно поле, а постоянният ток, който генерира това магнитно поле, се нарича възбуждащ ток на генератора. Обикновено процесът на формиране на магнитно поле в ротора на генератора, съгласно принципа на електромагнитната индукция, се нарича възбуждане. Системата за възбуждане се отнася до оборудването, което осигурява възбуждащ ток за синхронния генератор. Тя е важна част от синхронния генератор. Обикновено се състои от две основни части: възбуждащ захранващ блок и регулатор на възбуждането. Възбуждащият захранващ блок осигурява възбуждащ ток към ротора на синхронния генератор, а регулаторът на възбуждането контролира изхода на възбуждащия захранващ блок според входния сигнал и зададените критерии за регулиране.
2. Функция на възбудителната система Възбудителната система има следните основни функции: (1) При нормални работни условия тя подава възбуждащ ток на генератора и регулира възбуждащия ток съгласно дадения закон, в зависимост от напрежението на клемите на генератора и условията на натоварване, за да поддържа стабилност на напрежението. Защо може да се поддържа стабилност на напрежението чрез регулиране на възбуждащия ток? Съществува приблизителна връзка между индуцирания потенциал (т.е. потенциал на празен ход) Ed на статорната намотка на генератора, напрежението на клемите Ug, реактивния ток на натоварване Ir на генератора и надлъжното синхронно реактивно съпротивление Xd:
Индуцираният потенциал Ed е пропорционален на магнитния поток, а магнитният поток зависи от величината на възбуждащия ток. Когато възбуждащият ток остане непроменен, магнитният поток и индуцираният потенциал Ed остават непроменени. От горната формула може да се види, че напрежението на клемите на генератора ще намалее с увеличаването на реактивния ток. Въпреки това, за да се отговорят на изискванията на потребителя за качество на захранването, напрежението на клемите на генератора трябва да остане основно непроменено. Очевидно е, че начинът за постигане на това изискване е да се регулира възбуждащият ток на генератора с промяната на реактивния ток Ir (т.е. с промяната на натоварването). (2) В зависимост от условията на натоварване, възбуждащият ток се регулира съгласно дадено правило, за да се регулира реактивната мощност. Защо е необходимо да се регулира реактивната мощност? Много електрически съоръжения работят на принципа на електромагнитната индукция, като трансформатори, двигатели, заваръчни машини и др. Всички те разчитат на създаването на променливо магнитно поле за преобразуване и пренос на енергия. Електрическата мощност, необходима за създаване на променливо магнитно поле и индуциран магнитен поток, се нарича реактивна мощност. Всяко електрическо оборудване с електромагнитни бобини консумира реактивна мощност, за да създаде магнитно поле. Без реактивна мощност, двигателят няма да се върти, трансформаторът няма да може да трансформира напрежение и много електрически съоръжения няма да работят. Следователно, реактивната мощност в никакъв случай не е безполезна мощност. При нормални обстоятелства, електрическите съоръжения не само получават активна мощност от генератора, но и се нуждаят от реактивна мощност от него. Ако реактивната мощност в електрическата мрежа е в недостиг, електрическото оборудване няма да има достатъчно реактивна мощност, за да създаде нормално електромагнитно поле. Тогава тези електрически съоръжения не могат да поддържат номинална работа и напрежението на клемите им ще спадне, което ще повлияе на нормалната им работа. Следователно е необходимо реактивната мощност да се регулира според действителното натоварване, а реактивната мощност, генерирана от генератора, е свързана с величината на възбуждащия ток. Конкретният принцип няма да бъде разглеждан тук. (3) Когато възникне късо съединение в електроенергийната система или други причини доведат до сериозен спад на напрежението на клемите на генератора, генераторът може да бъде принудително възбуден, за да се подобри динамичната стабилност на електроенергийната система и точността на действието на релейната защита. (4) Когато възникне пренапрежение на генератора поради внезапно прекъсване на товара и други причини, генераторът може да бъде принудително размагнитен, за да се ограничи прекомерното повишаване на напрежението на клемите на генератора. (5) Подобряване на статичната стабилност на електроенергийната система. (6) Когато възникне късо съединение между фаза вътре в генератора и по неговите проводници или напрежението на клемите на генератора е твърде високо, размагнитването се извършва бързо, за да се ограничи разпространението на аварията. (7) Реактивната мощност на паралелните генератори може да бъде разумно разпределена.
3. Класификация на възбудителните системи Според начина, по който генераторът получава възбуждащия ток (т.е. метода на захранване на възбуждащото захранване), възбудителните системи могат да бъдат разделени на външно възбуждане и самовъзбуждане: възбуждащият ток, получен от други захранвания, се нарича външно възбуждане; възбуждащият ток, получен от самия генератор, се нарича самовъзбуждане. Според метода на коригиране, те могат да бъдат разделени на ротационно възбуждане и статично възбуждане. Статичните възбудителни системи нямат специална възбудителна машина. Ако получават възбуждащата мощност от самия генератор, това се нарича самовъзбуждащо статично възбуждане. Самовъзбуждащото статично възбуждане може да бъде разделено на самопаралелно възбуждане и самокомпоундиращо възбуждане.
Най-често използваният метод на възбуждане е самопаралелно статично възбуждане, както е показано на фигурата по-долу. При него възбуждащата мощност се получава чрез токоизправител, свързан към изхода на генератора, и след коригиране се подава възбуждащ ток на генератора.
Схема на свързване на самопаралелна възбуждаща система със статичен токоизправител
Самопаралелната система за статично възбуждане се състои основно от следните части: възбуждащ трансформатор, токоизправител, устройство за размагнитване, регулатор и устройство за защита от пренапрежение. Тези пет части изпълняват съответно следните функции:
(1) Възбуждащ трансформатор: Намалете напрежението в края на машината до напрежение, съответстващо на токоизправителя.
(2) Токоизправител: Той е основният компонент на цялата система. Трифазна, напълно контролирана мостова схема често се използва за изпълнение на задачата за преобразуване от променлив ток в постоянен ток.
(3) Устройство за размагнитване: Устройството за размагнитване се състои от две части, а именно превключвател за размагнитване и резистор за размагнитване. Това устройство е отговорно за бързото размагнитване на устройството в случай на авария.
(4) Регулаторен контролер: Управляващото устройство на възбуждащата система променя възбуждащия ток чрез контролиране на ъгъла на проводимост на тиристора на токоизправителното устройство, за да се постигне ефект на регулиране на реактивната мощност и напрежението на генератора.
(5) Защита от пренапрежение: Когато веригата на ротора на генератора е пренапрежена, веригата се включва, за да консумира енергията от пренапрежение, да ограничи стойността на пренапрежението и да защити намотката на ротора на генератора и свързаното с нея оборудване.
Предимствата на статичната система за възбуждане със самопаралелно възбуждане са: проста структура, по-малко оборудване, ниски инвестиции и по-малко поддръжка. Недостатъкът е, че когато генераторът или системата са накъсо, възбуждащият ток ще изчезне или ще спадне значително, докато в този момент възбуждащият ток трябва да се увеличи значително (т.е. принудително възбуждане). Въпреки това, като се има предвид, че съвременните големи агрегати използват предимно затворени шини, а високоволтовите електрически мрежи обикновено са оборудвани с бърза защита и висока надеждност, броят на агрегатите, използващи този метод на възбуждане, се увеличава и това е и методът на възбуждане, препоръчан от разпоредбите и спецификациите. 4. Електрическо спиране на агрегата Когато агрегатът е разтоварен и изключен, част от механичната енергия се съхранява поради огромната ротационна инерция на ротора. Тази част от енергията може да бъде напълно спряна само след като се преобразува в топлинна енергия от триене на аксиалния лагер, водещия лагер и въздуха. Тъй като загубата от триене на въздуха е пропорционална на квадрата на линейната скорост на обиколката, скоростта на ротора първоначално спада много бързо, а след това той ще работи на празен ход дълго време с ниска скорост. Когато устройството работи дълго време на ниска скорост, аксиалната втулка може да изгори, тъй като не може да се образува маслен филм между огледалната плоча под аксиалната глава и лагерната втулка. Поради тази причина, по време на процеса на изключване, когато скоростта на устройството падне до определена стойност, е необходимо да се използва спирачната система на устройството. Спирането на устройството се разделя на електрическо спиране, механично спиране и комбинирано спиране. Електрическото спиране се състои в късо съединение на статора на трифазния генератор на изхода на страната на машината, след като генераторът е разкачен и размагнетизиран, и изчакване скоростта на устройството да падне до около 50% до 60% от номиналната скорост. Чрез серия от логически операции се осигурява спирачна мощност и регулаторът на възбуждане превключва в режим на електрическо спиране, за да добави възбуждащ ток към намотката на ротора на генератора. Тъй като генераторът се върти, статорът индуцира ток на късо съединение под действието на магнитното поле на ротора. Генерираният електромагнитен въртящ момент е точно противоположен на инерционната посока на ротора, което играе спирачна роля. В процеса на реализиране на електрическо спиране, захранването на спирачките трябва да се осигури външно, което е тясно свързано със структурата на главната верига на възбуждащата система. Различни начини за получаване на захранване за възбуждане на електрическа спирачка са показани на фигурата по-долу.
Различни начини за получаване на захранване за възбуждане на електрическата спирачка
При първия начин, възбуждащото устройство е метод за самопаралелно свързване на възбуждащото устройство. Когато краят на машината е късо съединение, възбуждащият трансформатор не получава захранване. Захранването на спирачката идва от специален спирачен трансформатор, а спирачният трансформатор е свързан към захранването на централата. Както бе споменато по-горе, повечето водноелектрически проекти използват самопаралелно възбуждаща статична токоизправителна система за възбуждане и е по-икономично да се използва токоизправителен мост за възбуждащата система и електрическата спирачна система. Следователно, този метод за получаване на захранване за електрическо възбуждане на спирачката е по-често срещан. Работният процес на електрическото спиране при този метод е следният:
(1) Автоматичният прекъсвач на изхода на устройството е отворен и системата е разединена.
(2) Роторната намотка е размагнетизирана.
(3) Ключът за захранване от вторичната страна на възбуждащия трансформатор е отворен.
(4) Късосъединителният превключвател на електрическата спирачка на агрегата е затворен.
(5) Захранващият ключ от вторичната намотка на електрическия спирачен трансформатор е затворен.
(6) Тиристорът на токоизправителния мост се задейства, за да проведе ток, и устройството влиза в състояние на електрическа спирачка.
(7) Когато скоростта на агрегата е нула, електрическата спирачка се освобождава (ако се използва комбинирано спиране, когато скоростта достигне 5% до 10% от номиналната скорост, се прилага механично спиране). 5. Интелигентна система за възбуждане Интелигентната водноелектрическа централа се отнася до водноелектрическа централа или група водноелектрически централи с дигитализация на информацията, комуникационни мрежи, интегрирана стандартизация, бизнес взаимодействие, оптимизация на работата и интелигентно вземане на решения. Интелигентните водноелектрически централи са вертикално разделени на технологичен слой, технологичен слой и слой за управление на станцията, използвайки 3-слойна 2-мрежова структура на мрежа от технологичен слой (GOOSE мрежа, SV мрежа) и мрежа от слой за управление на станцията (MMS мрежа). Интелигентните водноелектрически централи трябва да бъдат поддържани от интелигентно оборудване. Като основна система за управление на генераторния агрегат с воднотурбина, технологичното развитие на системата за възбуждане играе важна поддържаща роля при изграждането на интелигентни водноелектрически централи.
В интелигентните водноелектрически централи, освен изпълнението на основни задачи като стартиране и спиране на турбогенератора, увеличаване и намаляване на реактивната мощност и аварийно изключване, системата за възбуждане трябва също така да може да отговаря на функциите за моделиране на данни и комуникация по IEC61850 и да поддържа комуникация с мрежата на контролния слой на станцията (MMS мрежа) и мрежата на технологичния слой (GOOSE мрежа и SV мрежа). Устройството на системата за възбуждане е разположено на унифицирания слой на системната структура на интелигентната водноелектрическа централа, а обединяващото устройство, интелигентният терминал, спомагателният контролен блок и други устройства или интелигентно оборудване са разположени на технологичния слой. Структурата на системата е показана на фигурата по-долу.
Интелигентна система за възбуждане
Хост компютърът на контролния слой на интелигентната водноелектрическа централа отговаря на изискванията на комуникационния стандарт IEC61850 и изпраща сигнала от възбудителната система към хост компютъра на системата за мониторинг чрез MMS мрежата. Интелигентната възбудителна система трябва да може да се свързва с GOOSE мрежата и SV мрежовите комутатори, за да събира данни на технологичния слой. Технологичният слой изисква данните, извеждани от CT, PT и локалните компоненти, да са в цифров вид. CT и PT са свързани към обединяващото устройство (електронните трансформатори са свързани чрез оптични кабели, а електромагнитните трансформатори са свързани чрез кабели). След като данните за тока и напрежението бъдат дигитализирани, те се свързват към SV мрежовия комутатор чрез оптични кабели. Локалните компоненти трябва да бъдат свързани към интелигентния терминал чрез кабели, а комутаторните или аналоговите сигнали се преобразуват в цифрови сигнали и се предават към GOOSE мрежовия комутатор чрез оптични кабели. Понастоящем възбудителната система има основно комуникационна функция с MMS мрежата на контролния слой на станцията и GOOSE/SV мрежата на технологичния слой. В допълнение към съответствието с изискванията за мрежово информационно взаимодействие на комуникационния стандарт IEC61850, интелигентната система за възбуждане трябва да има и цялостно онлайн наблюдение, интелигентна диагностика на повреди и удобна тестова експлоатация и поддръжка. Производителността и ефектът от приложението на напълно функционалното интелигентно устройство за възбуждане трябва да бъдат тествани в бъдещи реални инженерни приложения.
Време на публикуване: 09 октомври 2024 г.
