Looduses on kõigil jõgedel teatud kalle. Vesi voolab mööda jõesängi gravitatsiooni mõjul. Suurel kõrgusel olev vesi sisaldab rohkelt potentsiaalset energiat. Hüdrauliliste konstruktsioonide ja elektromehaaniliste seadmete abil saab vee energiat muuta elektrienergiaks, st hüdroenergia tootmiseks. Hüdroenergia tootmise põhimõte on elektromagnetiline induktsioon, see tähendab, et kui juht lõikab magnetväljas magnetvoo jooni, tekitab see voolu. Nende hulgas saavutatakse juhi "liikumine" magnetväljas veevoolu mõjul turbiinile, mis muustab veeenergia pöörlemismehaaniliseks energiaks; ja magnetväli tekib peaaegu alati generaatori rootori mähise kaudu voolava ergastussüsteemi tekitatud ergastusvoolu abil, st magnetism tekib elektri abil.
1. Mis on ergastussüsteem? Energia muundamiseks vajab sünkroongeneraator alalisvoolu magnetvälja ja seda magnetvälja tekitavat alalisvoolu nimetatakse generaatori ergastusvooluks. Üldiselt nimetatakse ergutuseks generaatori rootoris elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel tekkivat magnetvälja. Ergastussüsteem viitab seadmele, mis annab sünkroongeneraatorile ergastusvoolu. See on sünkroongeneraatori oluline osa. See koosneb üldiselt kahest põhiosast: ergastusjõuseadmest ja ergastusregulaatorist. Ergastusjõuseade annab sünkroongeneraatori rootorile ergastusvoolu ja ergastusregulaator juhib ergastusjõuseadme väljundit vastavalt sisendsignaalile ja etteantud reguleerimiskriteeriumidele.
2. Ergutussüsteemi funktsioon Ergutussüsteemil on järgmised peamised funktsioonid: (1) Normaalsetes töötingimustes annab see generaatorile ergutusvoolu ja reguleerib ergutusvoolu vastavalt antud seadusele generaatori klemmpingele ja koormustingimustele, et säilitada pinge stabiilsus. Miks saab pinge stabiilsust säilitada ergutusvoolu reguleerimisega? Generaatori staatori mähise indutseeritud potentsiaali (st koormuseta potentsiaali) Ed, klemmpinge Ug, generaatori reaktiivkoormusvoolu Ir ja pikisuunalise sünkroonse reaktantsi Xd vahel on ligikaudne seos:
Indutseeritud potentsiaal Ed on proportsionaalne magnetvooga ja magnetvoog sõltub ergastusvoolu suurusest. Kui ergastusvool jääb muutumatuks, jäävad muutumatuks ka magnetvoog ja indutseeritud potentsiaal Ed. Ülaltoodud valemist on näha, et generaatori klemmipinge väheneb reaktiivvoolu suurenemisega. Kasutaja elektrienergia kvaliteedinõuete täitmiseks peaks generaatori klemmipinge aga jääma põhimõtteliselt samaks. Ilmselgelt on selle nõude saavutamiseks vaja reguleerida generaatori ergastusvoolu vastavalt reaktiivvoolu Ir muutumisele (st koormuse muutumisele). (2) Koormustingimuste kohaselt reguleeritakse ergastusvoolu vastavalt etteantud reeglile, et reguleerida reaktiivvõimsust. Miks on vaja reaktiivvõimsust reguleerida? Paljud elektriseadmed, näiteks trafod, mootorid, keevitusseadmed jne, töötavad elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Need kõik tuginevad energia muundamiseks ja ülekandmiseks vahelduva magnetvälja loomisele. Vahelduva magnetvälja ja indutseeritud magnetvoo loomiseks vajalikku elektrienergiat nimetatakse reaktiivvõimsuseks. Kõik elektromagnetiliste mähistega elektriseadmed tarbivad magnetvälja loomiseks reaktiivvõimsust. Ilma reaktiivvõimsuseta mootor ei pöörle, trafo ei suuda pinget muundada ja paljud elektriseadmed ei tööta. Seega ei ole reaktiivvõimsus mingil juhul kasutu energia. Tavalistes tingimustes ei saa elektriseadmed generaatorist mitte ainult aktiivvõimsust, vaid peavad ka generaatorist saama reaktiivvõimsust. Kui elektrivõrgus on reaktiivvõimsust vähe, ei ole elektriseadmetel piisavalt reaktiivvõimsust normaalse elektromagnetvälja loomiseks. Seejärel ei suuda need elektriseadmed nimitalitlust säilitada ja elektriseadmete klemmide pinge langeb, mõjutades seeläbi elektriseadmete normaalset tööd. Seetõttu on vaja reaktiivvõimsust reguleerida vastavalt tegelikule koormusele ja generaatori väljundvõimsus on seotud ergastusvoolu suurusega. Täpsemat põhimõtet siinkohal ei selgitata. (3) Kui elektrisüsteemis tekib lühis või muud põhjused põhjustavad generaatori klemmide pinge olulise languse, saab generaatorit sundergitada, et parandada elektrisüsteemi dünaamilist stabiilsuspiiri ja releekaitse toimimise täpsust. (4) Kui generaatori ülepinge tekib äkilise koormuse vähenemise või muude põhjuste tõttu, saab generaatori sunddemagnetiseerida, et piirata generaatori klemmide pinge liigset tõusu. (5) Parandada elektrisüsteemi staatilist stabiilsust. (6) Kui generaatori sees ja selle juhtmetes tekib faasidevaheline lühis või generaatori klemmide pinge on liiga kõrge, teostatakse demagnetiseerimine kiiresti, et piirata õnnetuse levikut. (7) Paralleelgeneraatorite reaktiivvõimsust saab mõistlikult jaotada.
3. Ergastussüsteemide klassifikatsioon Vastavalt generaatori ergastusvoolu saamise viisile (st ergastustoiteallika toitemeetodile) saab ergastussüsteemi jagada väliseks ergastuseks ja iseergutuseks: teistest toiteallikatest saadavat ergastusvoolu nimetatakse väliseks ergastuseks; generaatorist endast saadavat ergastusvoolu nimetatakse iseergutuseks. Alaldamismeetodi kohaselt saab selle jagada pöörlevaks ergastuseks ja staatiliseks ergastuseks. Staatilisel ergastussüsteemil pole spetsiaalset ergastusmasinat. Kui see saab ergastusvõimsuse generaatorist endast, nimetatakse seda iseergutuseks staatiliseks ergastuseks. Iseergutuse staatilise ergastuse saab jagada iseparalleelseks ergastuseks ja iseühenduvaks ergastuseks.
Kõige sagedamini kasutatav ergastusmeetod on iseparalleelne ergastus ehk staatiline ergastus, nagu on näidatud alloleval joonisel. See saab ergastusvõimsuse generaatori väljundiga ühendatud alalditrafo kaudu ja annab pärast alaldamist generaatorile ergastusvoolu.
Iseparalleelse ergutusega staatilise alaldi ergutussüsteemi ühendusskeem
Iseparalleelse ergutusega staatilise ergutuse süsteem koosneb peamiselt järgmistest osadest: ergastustrafo, alaldi, demagnetiseerimisseade, regulaator ja ülepingekaitseseade. Need viis osa täidavad vastavalt järgmisi funktsioone:
(1) Ergutustrafo: vähendage masina poolel olevat pinget alaldi pingele vastava pingeni.
(2) Alaldi: See on kogu süsteemi põhikomponent. Vahelduvvoolu alalisvooluks muundamiseks kasutatakse sageli kolmefaasilist täielikult juhitavat sildahelat.
(3) Demagnetiseerimisseade: Demagnetiseerimisseade koosneb kahest osast: demagnetiseerimislülitist ja demagnetiseerimistakistist. See seade vastutab seadme kiire demagnetiseerimise eest õnnetuse korral.
(4) Reguleerimiskontroller: ergastussüsteemi juhtimisseade muudab ergastusvoolu, reguleerides alaldi türistori juhtivusnurka, et saavutada generaatori reaktiivvõimsuse ja pinge reguleerimise efekt.
(5) Ülepingekaitse: kui generaatori rootori vooluringil on ülepinge, lülitatakse vooluring sisse, et tarbida ülepingeenergiat, piirata ülepinge väärtust ning kaitsta generaatori rootori mähist ja sellega ühendatud seadmeid.
Iseparalleelse ergutusega staatilise ergutussüsteemi eelised on: lihtne konstruktsioon, vähem seadmeid, väike investeering ja vähem hooldust. Puuduseks on see, et generaatori või süsteemi lühise korral ergutusvool kaob või langeb oluliselt, samas kui ergutusvoolu tuleks sel ajal oluliselt suurendada (st sundergutus). Arvestades aga, et tänapäevased suured seadmed kasutavad enamasti suletud siine ja kõrgepingevõrgud on üldiselt varustatud kiire kaitse ja suure töökindlusega, suureneb seda ergutusmeetodit kasutavate seadmete arv ning see on ka eeskirjade ja spetsifikatsioonide soovitatud ergutusmeetod. 4. Seadme elektriline pidurdamine Kui seade tühjendatakse ja seisatakse, salvestub osa mehaanilisest energiast rootori tohutu pöörlemisinertsi tõttu. See osa energiast saab täielikult peatada alles pärast seda, kui see on muundunud tõukelaagri, juhtlaagri ja õhu hõõrdesoojusenergiaks. Kuna õhu hõõrdekadu on võrdeline ümbermõõdu lineaarkiiruse ruuduga, langeb rootori kiirus alguses väga kiiresti ja seejärel töötab see pikka aega tühikäigul madalal kiirusel. Kui seade töötab pikka aega madalal kiirusel, võib tõukepuks läbi põleda, kuna tõukepea all oleva peegliplaadi ja laagripuksli vahele ei teki õlifilmi. Sel põhjusel tuleb seiskamisprotsessi ajal, kui seadme kiirus langeb teatud etteantud väärtuseni, kasutusele võtta seadme pidurisüsteem. Seadme pidurdamine jaguneb elektriliseks pidurdamiseks, mehaaniliseks pidurdamiseks ja kombineeritud pidurdamiseks. Elektriline pidurdamine seisneb kolmefaasilise generaatori staatori lühistamises masina otsa väljundis pärast generaatori lahtiühendamist ja demagnetiseerimist ning ootamises, kuni seadme kiirus langeb umbes 50–60%-ni nimikiirusest. Loogiliste toimingute seeria abil tagatakse pidurdusvõimsus ja ergastusregulaator lülitub elektrilise pidurduse režiimile, et lisada generaatori rootori mähisele ergutusvoolu. Kuna generaator pöörleb, indutseerib staator rootori magnetvälja toimel lühisvoolu. Tekkiv elektromagnetiline pöördemoment on täpselt vastupidine rootori inertsiaalsuunale, millel on pidurdusfunktsioon. Elektrilise pidurduse realiseerimisel tuleb pidurdusjõuallikas hankida väljastpoolt, mis on tihedalt seotud ergutussüsteemi peamise vooluahela struktuuriga. Elektrilise pidurdusjõuallika hankimise erinevaid viise on näidatud alloleval joonisel.
Elektrilise piduri ergutustoiteallika hankimise erinevad viisid
Esimeses mõttes on ergutusseade iseparalleelse ergutusjuhtmestiku meetod. Kui masina ots on lühistatud, puudub ergutustrafol toiteallikas. Pidurdustoiteallikas tuleb spetsiaalsest piduritrafost ja piduritrafo on ühendatud jaama toiteallikaga. Nagu eespool mainitud, kasutab enamik hüdroenergiaprojekte iseparalleelse ergutusega staatilise alaldi ergutussüsteemi ning ergutussüsteemi ja elektrilise pidurisüsteemi jaoks on säästlikum kasutada alaldi silda. Seetõttu on see elektrilise piduri ergutustoiteallika hankimise meetod levinum. Selle meetodi elektrilise pidurdamise töövoog on järgmine:
(1) Seadme pistikupesa kaitselüliti avatakse ja süsteem lahutatakse.
(2) Rootori mähis on demagnetiseeritud.
(3) Ergutustrafo sekundaarpoolel olev toitelüliti avatakse.
(4) Seadme elektrilise piduri lühiselüliti on suletud.
(5) Elektrilise piduritrafo sekundaarpoolel olev toitelüliti on suletud.
(6) Alaldi silla türistor käivitub juhtivaks ja seade läheb elektrilise piduri olekusse.
(7) Kui seadme kiirus on null, vabastatakse elektriline pidur (kombineeritud pidurdamise korral rakendatakse mehaanilist pidurdust, kui kiirus saavutab 5–10% nimikiirusest). 5. Intelligentne ergutussüsteem Intelligentne hüdroelektrijaam viitab hüdroelektrijaamale või hüdroelektrijaamade rühmale, millel on teabe digitaliseerimine, sidevõrgud, integreeritud standardiseerimine, ärisuhtlus, töö optimeerimine ja intelligentne otsuste tegemine. Intelligentsed hüdroelektrijaamad jagunevad vertikaalselt protsessikihiks, seadmekihiks ja jaama juhtimiskihiks, kasutades protsessikihi võrgu (GOOSE-võrk, SV-võrk) ja jaama juhtimiskihi võrgu (MMS-võrk) 3-kihilist 2-võrgustruktuuri. Intelligentseid hüdroelektrijaamu peavad toetama intelligentsed seadmed. Hüdroturbiingeneraatori komplekti põhilise juhtimissüsteemina mängib ergutussüsteemi tehnoloogiline areng olulist toetavat rolli intelligentsete hüdroelektrijaamade ehitamisel.
Intelligentsetes hüdroelektrijaamades peaks lisaks põhiülesannete täitmisele, nagu turbiingeneraatori käivitamine ja seiskamine, reaktiivvõimsuse suurendamine ja vähendamine ning avariiseiskamine, ergutussüsteem suutma täita ka IEC61850 andmemodelleerimise ja kommunikatsiooni funktsioone ning toetama kommunikatsiooni jaama juhtimiskihi võrguga (MMS-võrk) ja protsessikihi võrguga (GOOSE-võrk ja SV-võrk). Ergutussüsteemi seade on paigutatud intelligentse hüdroelektrijaama süsteemi struktuuri ühikukihile ning ühendüksus, intelligentne terminal, abijuhtimisüksus ja muud seadmed või intelligentsed seadmed on paigutatud protsessikihile. Süsteemi struktuur on näidatud alloleval joonisel.
Intelligentne erutussüsteem
Intelligentse hüdroelektrijaama jaama juhtimiskihi hostarvuti vastab IEC61850 sidestandardi nõuetele ja saadab ergutussüsteemi signaali MMS-võrgu kaudu seiresüsteemi hostarvutile. Intelligentne ergutussüsteem peaks suutma ühenduda GOOSE-võrgu ja SV-võrgulülititega, et koguda andmeid protsessikihil. Protsessikiht nõuab, et CT, PT ja kohalike komponentide väljundandmed oleksid kõik digitaalsel kujul. CT ja PT on ühendatud ühendava üksusega (elektroonilised trafod on ühendatud optiliste kaablite ja elektromagnetilised trafod kaablite abil). Pärast voolu- ja pingeandmete digitaliseerimist ühendatakse need optiliste kaablite kaudu SV-võrgulülitiga. Kohalikud komponendid peavad olema intelligentse terminaliga ühendatud kaablite kaudu ning lüliti- või analoogsignaalid teisendatakse digitaalsignaalideks ja edastatakse optiliste kaablite kaudu GOOSE-võrgulülitile. Praegu täidab ergutussüsteem põhimõtteliselt sidefunktsiooni jaama juhtimiskihi MMS-võrgu ja protsessikihi GOOSE/SV-võrguga. Lisaks IEC61850 kommunikatsioonistandardi võrguinfo interaktsiooni nõuetele peaks intelligentsel ergutussüsteemil olema ka põhjalik võrguseire, intelligentne rikete diagnoosimine ning mugav testimis- ja hooldusfunktsioon. Täielikult funktsionaalse intelligentse ergutusseadme jõudlust ja rakenduslikku mõju tuleb tulevastes tegelikes insenerirakendustes testida.
Postituse aeg: 09.10.2024
