Luonnossa kaikilla joilla on tietty kaltevuus. Vesi virtaa joenuomassa painovoiman vaikutuksesta. Korkealla sijaitseva vesi sisältää runsaasti potentiaalienergiaa. Hydraulisten rakenteiden ja sähkömekaanisten laitteiden avulla veden energia voidaan muuntaa sähköenergiaksi eli vesivoimaksi. Vesivoiman tuotannon periaate on sähkömagneettinen induktio, eli kun johdin katkaisee magneettikentän magneettivuon viivat, se tuottaa virtaa. Johtimen "liike" magneettikentässä saavutetaan siten, että veden virtaus iskee turbiiniin ja muuntaa veden energian pyörimismekaaniseksi energiaksi. Magneettikenttä muodostuu lähes aina generaattorin roottorin käämityksen läpi virtaavan herätejärjestelmän synnyttämästä herätevirrasta, eli magneettisuus syntyy sähköstä.
1. Mikä on magnetointijärjestelmä? Energianmuunnoksen toteuttamiseksi tahtigeneraattori tarvitsee tasavirtamagneettikentän, ja tätä magneettikenttää synnyttävää tasavirtaa kutsutaan generaattorin magnetointivirraksi. Yleisesti ottaen prosessia, jossa generaattorin roottoriin muodostetaan magneettikenttä sähkömagneettisen induktion periaatteen mukaisesti, kutsutaan magnetoinniksi. Magneettijärjestelmällä tarkoitetaan laitetta, joka tuottaa magnetointivirran tahtigeneraattorille. Se on tärkeä osa tahtigeneraattoria. Se koostuu yleensä kahdesta pääosasta: magnetointitehoyksiköstä ja magnetointisäätimestä. Magneettitehoyksikkö syöttää magnetointivirran tahtigeneraattorin roottorille, ja magnetointisäädin ohjaa magnetointitehoyksikön lähtöä tulosignaalin ja annettujen säätökriteerien mukaisesti.
2. Herätejärjestelmän toiminta Herätejärjestelmällä on seuraavat päätoiminnot: (1) Normaaleissa käyttöolosuhteissa se syöttää generaattorin herätevirran ja säätää herätevirtaa annetun lain mukaisesti generaattorin napajännitteen ja kuormitusolosuhteiden mukaan jännitteen vakauttamiseksi. Miksi jännitteen vakaus voidaan ylläpitää säätämällä herätevirtaa? Generaattorin staattorikäämityksen indusoidun potentiaalin (eli tyhjäkäyntipotentiaalin) Ed, napajännitteen Ug, generaattorin loisvirran Ir ja pitkittäisen synkronisen reaktanssin Xd välillä on likimääräinen suhde:
Indusoitu potentiaali Ed on verrannollinen magneettivuohon, ja magneettivuo riippuu herätevirran suuruudesta. Kun herätevirta pysyy muuttumattomana, sekä magneettivuo että indusoitu potentiaali Ed pysyvät muuttumattomina. Yllä olevasta kaavasta voidaan nähdä, että generaattorin napajännite pienenee loisvirran kasvaessa. Jotta käyttäjä täyttäisi sähkönlaatua koskevat vaatimukset, generaattorin napajännitteen tulisi kuitenkin pysyä periaatteessa muuttumattomana. Tämä vaatimus voidaan saavuttaa säätämällä generaattorin herätevirtaa loisvirran Ir muuttuessa (eli kuormituksen muuttuessa). (2) Kuormitusolosuhteiden mukaan herätevirtaa säädetään tietyn säännön mukaisesti loistehon säätämiseksi. Miksi loistehon säätö on tarpeen? Monet sähkölaitteet toimivat sähkömagneettisen induktion periaatteella, kuten muuntajat, moottorit, hitsauskoneet jne. Ne kaikki perustuvat vaihtuvamagneettikentän muodostamiseen energian muuntamiseksi ja siirtämiseksi. Vaihtuvamagneettikentän ja indusoidun magneettivuon muodostamiseen tarvittavaa sähkötehoa kutsutaan loistehona. Kaikki sähkömagneettisilla keloilla varustetut sähkölaitteet kuluttavat loistehon magneettikentän muodostamiseksi. Ilman loistehoa moottori ei pyöri, muuntaja ei pysty muuntamaan jännitettä, eivätkä monet sähkölaitteet toimi. Siksi loisteho ei ole missään nimessä hyödytöntä tehoa. Normaalioloissa sähkölaitteet eivät ainoastaan saa pätötehoa generaattorilta, vaan niiden on myös saatava loistehoa generaattorilta. Jos sähköverkon loistehon saanti on vähäistä, sähkölaitteilla ei ole riittävästi loistehoa normaalin sähkömagneettisen kentän muodostamiseksi. Tällöin nämä sähkölaitteet eivät pysty ylläpitämään nimellistoimintaansa, ja sähkölaitteen napajännite laskee, mikä vaikuttaa sähkölaitteen normaaliin toimintaan. Siksi on tarpeen säätää loistehoa todellisen kuormituksen mukaan, ja generaattorin tuottama loisteho liittyy herätevirran suuruuteen. Tarkempaa periaatetta ei tässä yksityiskohtaisesti kuvata. (3) Kun sähköjärjestelmässä tapahtuu oikosulku tai muusta syystä generaattorin napajännite laskee merkittävästi, generaattoria voidaan virittää väkisin sähköjärjestelmän dynaamisen vakauden ja releensuojauksen tarkkuuden parantamiseksi. (4) Kun generaattorin ylijännite ilmenee äkillisen kuormituksen irtoamisen tai muiden syiden vuoksi, generaattori voidaan pakottaa demagnetisoimaan, jotta generaattorin napajännitteen liiallinen nousu voidaan rajoittaa. (5) Parantaa sähköjärjestelmän staattista vakautta. (6) Kun generaattorin sisällä ja sen johtimissa tapahtuu vaiheiden välinen oikosulku tai generaattorin napajännite on liian korkea, demagnetisointi suoritetaan nopeasti onnettomuuden laajenemisen rajoittamiseksi. (7) Rinnakkaisten generaattoreiden loistehon jakautuminen voidaan kohtuullisesti.
3. Herätejärjestelmien luokittelu Generaattorin herätevirran saantitavan (eli herätevirtalähteen syöttötavan) mukaan herätejärjestelmä voidaan jakaa ulkoiseen herätteeseen ja itseherätteeseen: muista virtalähteistä saatua herätevirtaa kutsutaan ulkoiseksi herätteeksi; generaattorista itsestään saatua herätevirtaa kutsutaan itseherätteeksi. Tasasuuntausmenetelmän mukaan se voidaan jakaa pyörivään herätteeseen ja staattiseen herätteeseen. Staattisessa herätejärjestelmässä ei ole erityistä herätekonetta. Jos se saa herättetehon generaattorista itsestään, sitä kutsutaan itseherätteeksi staattiseksi herätteeksi. Itseheräteeksi tarkoitettu staattinen heräte voidaan jakaa itserinnakkaiseen herätteeseen ja itsekertyvään herätteeseen.
Yleisimmin käytetty viritysmenetelmä on itserinnankäyvä staattinen viritys, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Se saa viritystehon generaattorin pistorasiaan kytketyn tasasuuntaajamuuntajan kautta ja syöttää generaattorin viritysvirran tasasuuntauksen jälkeen.
Itserinnankäyvän herätteen staattisen tasasuuntaajan herätejärjestelmän kytkentäkaavio
Itserinnankäyvä staattinen viritysjärjestelmä koostuu pääasiassa seuraavista osista: viritysmuuntajasta, tasasuuntaajasta, demagnetointilaitteesta, säätöohjaimesta ja ylijännitesuojalaitteesta. Nämä viisi osaa suorittavat kukin seuraavat toiminnot:
(1) Herätemuuntaja: Vähennä koneen päässä olevaa jännitettä tasasuuntaajan jännitettä vastaavaksi.
(2) Tasasuuntaaja: Se on koko järjestelmän ydinosa. Kolmivaiheista täysin ohjattua siltapiiriä käytetään usein muuntamaan vaihtovirta tasavirraksi.
(3) Magneettisuuden poistolaite: Magneettisuuden poistolaite koostuu kahdesta osasta: demagnetointikytkimestä ja demagnetointivastuksesta. Tämä laite vastaa laitteen nopeasta demagnetoinnista onnettomuuden sattuessa.
(4) Säätöohjain: Herätejärjestelmän ohjauslaite muuttaa herätevirtaa säätämällä tasasuuntaajalaitteen tyristorin johtavuuskulmaa generaattorin loistehon ja jännitteen säätelyn aikaansaamiseksi.
(5) Ylijännitesuoja: Kun generaattorin roottorin piirissä on ylijännite, piiri kytkeytyy päälle kuluttaakseen ylijänniteenergiaa, rajoittaakseen ylijännitearvoa ja suojatakseen generaattorin roottorin käämitystä ja siihen kytkettyjä laitteita.
Itserinnankäyvän staattisen herätejärjestelmän etuja ovat: yksinkertainen rakenne, vähemmän laitteita, pienet investoinnit ja vähemmän huoltoa. Haittapuolena on, että generaattorin tai järjestelmän oikosulun yhteydessä herätevirta katoaa tai laskee huomattavasti, vaikka herätevirtaa tulisi tällöin lisätä huomattavasti (eli pakottaa heräte). Ottaen kuitenkin huomioon, että nykyaikaiset suuret yksiköt käyttävät enimmäkseen suljettuja virtakiskoja ja suurjänniteverkot on yleensä varustettu nopealla suojauksella ja korkealla luotettavuudella, tätä herätemenetelmää käyttävien yksiköiden määrä kasvaa, ja tämä on myös määräysten ja eritelmien suosittelema herätemenetelmä. 4. Yksikön sähköinen jarrutus Kun yksikkö puretaan ja sammutetaan, osa mekaanisesta energiasta varastoituu roottorin suuren pyörimisinertian vuoksi. Tämä osa energiasta voidaan pysäyttää kokonaan vasta, kun se on muunnettu työntölaakerin, ohjauslaakerin ja ilman kitkalämpöenergiaksi. Koska ilman kitkahäviö on verrannollinen kehän lineaarisen nopeuden neliöön, roottorin nopeus laskee aluksi hyvin nopeasti ja sitten se käy tyhjäkäynnillä pitkään alhaisella nopeudella. Kun yksikkö käy pitkään alhaisella nopeudella, työntöholkki voi palaa loppuun, koska öljykalvoa ei voida muodostaa työntöpään alla olevan peililevyn ja laakeriholkin väliin. Tästä syystä sammutusprosessin aikana, kun yksikön nopeus laskee tiettyyn määritettyyn arvoon, yksikön jarrutusjärjestelmä on otettava käyttöön. Yksikön jarrutus jaetaan sähköiseen jarrutukseen, mekaaniseen jarrutukseen ja yhdistettyyn jarrutukseen. Sähköisessä jarrutuksessa kolmivaiheinen generaattorin staattori oikosuljetaan koneen pään ulostulossa generaattorin irrotuksen ja demagnetoinnin jälkeen, ja odotetaan, kunnes yksikön nopeus laskee noin 50–60 prosenttiin nimellisnopeudesta. Loogisten operaatioiden avulla jarrutusteho syötetään, ja magnetointisäädin siirtyy sähköiseen jarrutustilaan syöttääkseen magnetointivirtaa generaattorin roottorin käämitykseen. Koska generaattori pyörii, staattori indusoi oikosulkuvirran roottorin magneettikentän vaikutuksesta. Syntyvä sähkömagneettinen vääntömomentti on juuri päinvastainen kuin roottorin inertiasuunta, jolla on jarruttava rooli. Sähköjarrutuksen toteuttamisessa jarrutusvirran syöttö on hankittava ulkoisesti, mikä liittyy läheisesti magnetointijärjestelmän pääpiirin rakenteeseen. Alla olevassa kuvassa on esitetty erilaisia tapoja hankkia sähköjarrun magnetointivirran syöttö.
Erilaisia tapoja saada sähköjarrun herätevirtalähde
Ensimmäisessä tapauksessa magnetointilaite on itserinnankytketty magnetointikytkentämenetelmä. Kun koneen pää on oikosulussa, magnetointimuuntajalla ei ole virtalähdettä. Jarrutusvirtalähde tulee erillisestä jarrumuuntajasta, ja jarrumuuntaja on kytketty laitoksen virtalähteeseen. Kuten edellä mainittiin, useimmat vesivoimahankkeet käyttävät itserinnankytkettyä staattista tasasuuntaajamagnetointijärjestelmää, ja on taloudellisempaa käyttää tasasuuntaajasiltaa sekä magnetointijärjestelmässä että sähköisessä jarrujärjestelmässä. Siksi tämä menetelmä sähköisen jarrun magnetointivirtalähteen hankkimiseksi on yleisempi. Tämän menetelmän sähköisen jarrutuksen työnkulku on seuraava:
(1) Yksikön pistorasian sulake avautuu ja järjestelmä irrotetaan.
(2) Roottorin käämitys on demagnetoitu.
(3) Herätemuuntajan toisiopuolella oleva virtakytkin avataan.
(4) Yksikön sähköisen jarrun oikosulkukytkin on suljettu.
(5) Sähköjarrumuuntajan toisiopuolella oleva virtakytkin on suljettu.
(6) Tasasuuntaussillan tyristori laukeaa johtamaan ja yksikkö siirtyy sähköiseen jarrutustilaan.
(7) Kun yksikön nopeus on nolla, sähköinen jarru vapautetaan (jos käytetään yhdistettyä jarrutusta, mekaaninen jarrutus kytkeytyy päälle, kun nopeus saavuttaa 5–10 % nimellisnopeudesta). 5. Älykäs magnetointijärjestelmä Älykkäällä vesivoimalaitoksella tarkoitetaan vesivoimalaitosta tai vesivoimalaitosryhmää, jossa on tiedon digitalisointi, tietoliikenneverkot, integroitu standardointi, liiketoiminnan vuorovaikutus, toiminnan optimointi ja älykäs päätöksenteko. Älykkäät vesivoimalaitokset jaetaan vertikaalisesti prosessikerrokseen, yksikkökerrokseen ja aseman ohjauskerrokseen käyttäen 3-kerroksista 2-verkkorakennetta, joka koostuu prosessikerrosverkosta (GOOSE-verkko, SV-verkko) ja aseman ohjauskerrosverkosta (MMS-verkko). Älykkäitä vesivoimalaitoksia on tuettava älykkäillä laitteilla. Vesiturbiinigeneraattorikoneiston ydinohjausjärjestelmänä magnetointijärjestelmän teknologisella kehityksellä on tärkeä tukirooli älykkäiden vesivoimalaitosten rakentamisessa.
Älykkäissä vesivoimalaitoksissa magnetointijärjestelmän tulisi perustoimintojen, kuten turbiinigeneraattorin käynnistämisen ja pysäyttämisen, loistehon lisäämisen ja vähentämisen sekä hätäpysäytyksen, lisäksi täyttää IEC61850-standardin mukaiset datamallinnus- ja tiedonsiirtotoiminnot sekä tukea tiedonsiirtoa aseman ohjauskerroksen verkon (MMS-verkko) ja prosessikerroksen verkon (GOOSE-verkko ja SV-verkko) kanssa. Magneettijärjestelmän laite on järjestetty älykkään vesivoimalaitoksen järjestelmärakenteen yksikkökerrokselle, ja yhdistävä yksikkö, älykäs pääte, apuohjausyksikkö ja muut laitteet tai älykkäät laitteet on järjestetty prosessikerrokselle. Järjestelmän rakenne on esitetty alla olevassa kuvassa.
Älykäs herätejärjestelmä
Älykkään vesivoimalaitoksen aseman ohjauskerroksen isäntätietokone täyttää IEC61850-tiedonsiirtostandardin vaatimukset ja lähettää herätejärjestelmän signaalin valvontajärjestelmän isäntätietokoneelle MMS-verkon kautta. Älykkään herätejärjestelmän tulisi pystyä muodostamaan yhteys GOOSE-verkkoon ja SV-verkkokytkimiin tiedon keräämiseksi prosessikerroksessa. Prosessikerros edellyttää, että CT:n, PT:n ja paikallisten komponenttien tuottama data on digitaalisessa muodossa. CT ja PT on kytketty yhdistävään yksikköön (elektroniset muuntajat on kytketty optisilla kaapeleilla ja sähkömagneettiset muuntajat kaapeleilla). Kun virta- ja jännitetiedot on digitalisoitu, ne kytketään SV-verkkokytkimeen optisilla kaapeleilla. Paikalliset komponentit on kytkettävä älykkääseen terminaaliin kaapeleilla, ja kytkin- tai analogiset signaalit muunnetaan digitaalisiksi signaaleiksi ja lähetetään GOOSE-verkkokytkimeen optisilla kaapeleilla. Tällä hetkellä herätejärjestelmällä on pohjimmiltaan viestintätoiminto aseman ohjauskerroksen MMS-verkon ja prosessikerroksen GOOSE/SV-verkon kanssa. IEC61850-tiedonsiirtostandardin mukaisen verkkoinformaatiovuorovaikutuksen lisäksi älykkään herätejärjestelmän tulisi sisältää kattava online-valvonta, älykäs vikadiagnostiikka sekä kätevä testaus- ja huoltotoiminto. Täysin toimivan älykkään herätelaitteen suorituskykyä ja sovellusvaikutuksia on testattava tulevaisuuden todellisissa suunnittelusovelluksissa.
Julkaisun aika: 09.10.2024
