A természetben előforduló folyók mindegyike rendelkezik bizonyos lejtéssel. A víz a gravitáció hatására folyik a mederben. A nagy magasságban lévő víz bőséges potenciális energiát tartalmaz. Hidraulikus szerkezetek és elektromechanikus berendezések segítségével a víz energiája elektromos energiává alakítható, azaz vízenergia-termelésre. A vízenergia-termelés elve az elektromágneses indukciónk, azaz amikor egy vezető elvágja a mágneses fluxusvonalakat egy mágneses mezőben, áram keletkezik. A vezető „mozgását” a mágneses mezőben a vízáram a turbinára ütve a vízenergiát forgó mechanikai energiává alakítja; a mágneses mezőt pedig szinte mindig a generátor forgórészének tekercsén átfolyó gerjesztőrendszer által generált gerjesztőáram hozza létre, azaz a mágnesességet elektromos áram hozza létre.
1. Mi a gerjesztőrendszer? Az energiaátalakítás megvalósításához a szinkrongenerátornak egyenáramú mágneses térre van szüksége, és az ezt a mágneses teret létrehozó egyenáramot a generátor gerjesztőáramának nevezzük. Általában a generátor forgórészében az elektromágneses indukció elve szerint létrejövő mágneses tér folyamatát gerjesztésnek nevezzük. A gerjesztőrendszer az a berendezés, amely gerjesztőáramot biztosít a szinkrongenerátor számára. A szinkrongenerátor fontos része. Általában két fő részből áll: a gerjesztőteljesítmény-egységből és a gerjesztőszabályozóból. A gerjesztőteljesítmény-egység gerjesztőáramot biztosít a szinkrongenerátor forgórészének, a gerjesztőszabályozó pedig a gerjesztőteljesítmény-egység kimenetét vezérli a bemeneti jel és a megadott szabályozási kritériumok alapján.
2. A gerjesztőrendszer funkciója A gerjesztőrendszer a következő fő funkciókat látja el: (1) Normál üzemi körülmények között biztosítja a generátor gerjesztőáramát, és a generátor kapocsfeszültségének és a terhelési viszonyoknak megfelelően a megadott törvény szerint állítja be a gerjesztőáramot a feszültségstabilitás fenntartása érdekében. Miért tartható fenn a feszültségstabilitás a gerjesztőáram szabályozásával? Hozzávetőleges összefüggés van a generátor állórésztekercsének indukált potenciálja (azaz üresjárati potenciálja) Ed, a generátor Ug kapocsfeszültsége, a generátor meddő terhelési árama Ir és a longitudinális szinkron reaktancia Xd között:
Az indukált potenciál (Ed) arányos a mágneses fluxussal, és a mágneses fluxus a gerjesztőáram nagyságától függ. Amikor a gerjesztőáram változatlan marad, a mágneses fluxus és az indukált potenciál (Ed) is változatlan marad. A fenti képletből látható, hogy a generátor kapocsfeszültsége a meddőáram növekedésével csökken. A felhasználó energiaminőségi követelményeinek kielégítése érdekében azonban a generátor kapocsfeszültségének alapvetően változatlannak kell maradnia. Nyilvánvaló, hogy ennek a követelménynek az elérésének módja a generátor gerjesztőáramának a meddőáram Ir változásával (azaz a terhelés változásával) történő beállítása. (2) A terhelési viszonyoknak megfelelően a gerjesztőáramot egy adott szabály szerint állítják be a meddőteljesítmény beállításához. Miért szükséges a meddőteljesítmény beállítása? Számos elektromos berendezés az elektromágneses indukció elvén működik, például transzformátorok, motorok, hegesztőgépek stb. Mindegyik váltakozó mágneses tér létrehozására támaszkodik az energia átalakításához és továbbításához. A váltakozó mágneses tér és az indukált mágneses fluxus létrehozásához szükséges elektromos energiát meddőteljesítménynek nevezzük. Minden elektromágneses tekerccsel rendelkező elektromos berendezés meddőteljesítményt fogyaszt a mágneses tér létrehozásához. Meddő teljesítmény nélkül a motor nem forog, a transzformátor nem lesz képes feszültséget átalakítani, és sok elektromos berendezés nem fog működni. Ezért a meddő teljesítmény semmiképpen sem haszontalan energia. Normál körülmények között az elektromos berendezések nemcsak aktív teljesítményt kapnak a generátortól, hanem meddő teljesítményt is kell kapniuk a generátortól. Ha a hálózatban kevés a meddő teljesítmény, az elektromos berendezésnek nincs elegendő meddő teljesítménye a normál elektromágneses mező létrehozásához. Ekkor ezek az elektromos berendezések nem tudják fenntartani a névleges működésüket, és az elektromos berendezés kapocsfeszültsége leesik, ami befolyásolja az elektromos berendezés normál működését. Ezért a meddő teljesítményt a tényleges terhelésnek megfelelően kell beállítani, és a generátor által leadott meddő teljesítmény a gerjesztőáram nagyságához kapcsolódik. A konkrét elvet itt nem részletezzük. (3) Ha rövidzárlat történik az energiarendszerben, vagy más okok miatt a generátor kapocsfeszültsége jelentősen csökken, a generátort erőszakkal gerjeszthetik, hogy javítsák az energiarendszer dinamikus stabilitási határértékét és a relévédelmi működés pontosságát. (4) Amikor a generátor túlfeszültsége hirtelen terhelésesés vagy egyéb okok miatt következik be, a generátor erőszakkal lemágnesezhető, hogy korlátozza a generátor kapocsfeszültségének túlzott növekedését. (5) Javítja az energiarendszer statikus stabilitását. (6) Amikor fáziszárlat keletkezik a generátoron belül és a kivezető vezetékein, vagy a generátor kapocsfeszültsége túl magas, a lemágnesezés gyorsan végrehajtódik, hogy korlátozza a baleset kiterjedését. (7) A párhuzamos generátorok meddőteljesítménye ésszerűen elosztható.
3. Gerjesztőrendszerek osztályozása A gerjesztőáram generátor általi előállításának módja (azaz a gerjesztő tápegység betáplálási módja) szerint a gerjesztőrendszer külső gerjesztésre és öngerjesztésre osztható: a más tápegységekből származó gerjesztőáramot külső gerjesztésnek nevezzük; a generátorból magából származó gerjesztőáramot öngerjesztésnek. Az egyenirányítási módszer szerint forgó gerjesztésre és statikus gerjesztésre osztható. A statikus gerjesztőrendszer nem rendelkezik speciális gerjesztőgéppel. Ha a gerjesztőteljesítményt magából a generátorból nyeri, akkor öngerjesztésű statikus gerjesztésnek nevezzük. Az öngerjesztésű statikus gerjesztés önpárhuzamos gerjesztésre és önösszetett gerjesztésre osztható.
A leggyakrabban használt gerjesztési módszer az önpárhuzamos gerjesztésű statikus gerjesztés, amint az az alábbi ábrán is látható. A gerjesztőteljesítményt a generátor kimenetéhez csatlakoztatott egyenirányító transzformátoron keresztül nyeri, és egyenirányítás után szolgáltatja a generátor gerjesztőáramát.
Az önpárhuzamos gerjesztésű statikus egyenirányító gerjesztőrendszer bekötési rajza
Az önpárhuzamos gerjesztésű statikus gerjesztőrendszer főként a következő részekből áll: gerjesztőtranszformátor, egyenirányító, demagnetizáló eszköz, szabályozóvezérlő és túlfeszültség-védelmi eszköz. Ez az öt alkatrész rendre a következő funkciókat látja el:
(1) Gerjesztő transzformátor: Csökkentse a feszültséget a gépoldalon az egyenirányító feszültségének megfelelő feszültségre.
(2) Egyenirányító: Ez a teljes rendszer központi eleme. A váltóáramról egyenáramra történő átalakításhoz gyakran használnak háromfázisú, teljesen szabályozott hídkapcsolást.
(3) Demagnetizáló eszköz: A demagnetizáló eszköz két részből áll, nevezetesen a demagnetizáló kapcsolóból és a demagnetizáló ellenállásból. Ez az eszköz felelős a készülék gyors demagnetizálásáért baleset esetén.
(4) Szabályozó: A gerjesztőrendszer vezérlőberendezése a gerjesztőáramot az egyenirányító tirisztor vezetési szögének szabályozásával változtatja meg, hogy elérje a generátor reaktív teljesítményének és feszültségének szabályozását.
(5) Túlfeszültség-védelem: Amikor a generátor forgórészének áramköre túlfeszültséget kap, az áramkör bekapcsol, hogy elfogyassza a túlfeszültség energiáját, korlátozza a túlfeszültség értékét, és megvédje a generátor forgórészének tekercselését és a csatlakoztatott berendezéseket.
Az önpárhuzamos gerjesztésű statikus gerjesztő rendszer előnyei: egyszerű felépítés, kevesebb berendezés, alacsony beruházási igény és kevesebb karbantartás. Hátránya, hogy a generátor vagy rendszer rövidzárlata esetén a gerjesztőáram eltűnik vagy jelentősen lecsökken, miközben a gerjesztőáramot ilyenkor jelentősen növelni (azaz kényszerített gerjesztést alkalmazni). Figyelembe véve azonban, hogy a modern nagyméretű egységek többnyire zárt gyűjtősíneket használnak, és a nagyfeszültségű hálózatok általában gyors védelemmel és nagy megbízhatósággal vannak felszerelve, az ezt a gerjesztési módszert alkalmazó egységek száma egyre növekszik, és ez a gerjesztési módszer a szabályozások és előírások által is ajánlott. 4. Az egység elektromos fékezése Amikor az egységet tehermentesítik és leállítják, a mechanikai energia egy része a rotor hatalmas forgási tehetetlensége miatt tárolódik. Ez az energiarész csak akkor állítható le teljesen, ha az axiális csapágy, a vezetőcsapágy és a levegő súrlódási hőenergiájává alakul. Mivel a levegő súrlódási vesztesége arányos a kerület lineáris sebességének négyzetével, a rotor sebessége eleinte nagyon gyorsan csökken, majd hosszú ideig alapjáraton jár alacsony fordulatszámon. Amikor az egység hosszú ideig alacsony fordulatszámon működik, a tolópersely kiéghet, mivel az olajfilm a tolófej alatti tükörlap és a csapágypersely között nem alakul ki. Emiatt a leállítási folyamat során, amikor az egység sebessége egy bizonyos értékre csökken, az egység fékrendszerét be kell kapcsolni. Az egység fékezése elektromos fékezésre, mechanikus fékezésre és kombinált fékezésre oszlik. Az elektromos fékezés lényege, hogy a generátor leválasztása és demagnetizálása után rövidre zárja a háromfázisú generátor állórészét a gép kimeneténél, és megvárja, amíg az egység sebessége a névleges fordulatszám körülbelül 50%-60%-ára csökken. Logikai műveletek sorozatán keresztül fékezőerőt biztosítanak, és a gerjesztőszabályozó elektromos fékezési üzemmódba kapcsol, hogy gerjesztőáramot adjon a generátor forgórészének tekercséhez. Mivel a generátor forog, az állórész rövidzárlati áramot indukál a forgórész mágneses mezőjének hatására. A keletkező elektromágneses nyomaték éppen ellentétes a forgórész tehetetlenségi irányával, amely fékező szerepet játszik. Az elektromos fékezés megvalósításának folyamatában a fékező tápegységet kívülről kell biztosítani, ami szorosan kapcsolódik a gerjesztőrendszer fő áramköri szerkezetéhez. Az elektromos fék gerjesztő tápegységének előállításának különböző módjait az alábbi ábra mutatja.
Különböző módok az elektromos fék gerjesztő tápegységének megszerzésére
Az első módszer szerint a gerjesztőberendezés egy önpárhuzamos gerjesztési bekötési módszer. Amikor a gép vége rövidzárlatos, a gerjesztőtranszformátornak nincs tápellátása. A fékező tápellátása egy dedikált fékezőtranszformátorról származik, és a fékezőtranszformátor az erőmű áramellátásához van csatlakoztatva. Amint fentebb említettük, a legtöbb vízerőmű-projekt önpárhuzamos gerjesztésű statikus egyenirányító gerjesztőrendszert használ, és gazdaságosabb egyenirányító hidat használni a gerjesztőrendszerhez és az elektromos fékrendszerhez. Ezért ez a módszer az elektromos fék gerjesztő tápellátásának megszerzésére gyakoribb. Ennek a módszernek az elektromos fékezési munkafolyamata a következő:
(1) A készülék kimeneti megszakítója kiold, és a rendszer le van választva.
(2) A rotor tekercselése demagnetizált.
(3) A gerjesztőtranszformátor szekunder oldalán található főkapcsoló kinyit.
(4) Az egység elektromos fék rövidzárlatkapcsolója zárva van.
(5) Az elektromos féktranszformátor szekunder oldalán található főkapcsoló zárva van.
(6) Az egyenirányító híd tirisztor vezetővé válik, és az egység elektromos fék állapotba kerül.
(7) Amikor az egység sebessége nulla, az elektromos fék kiold (kombinált fékezés esetén, amikor a sebesség eléri a névleges sebesség 5%-10%-át, mechanikus fékezés lép életbe). 5. Intelligens gerjesztőrendszer Az intelligens vízerőmű egy olyan vízerőműre vagy vízerőmű-csoportra utal, amely információ digitalizálással, kommunikációs hálózatépítéssel, integrált szabványosítással, üzleti interakcióval, működésoptimalizálással és intelligens döntéshozatallal rendelkezik. Az intelligens vízerőművek vertikálisan fel vannak osztva folyamatrétegre, egységrétegre és állomásvezérlési rétegre, egy 3 rétegű, 2 hálózati struktúrát használva, amely a folyamatrétegű hálózatból (GOOSE hálózat, SV hálózat) és az állomásvezérlési rétegű hálózatból (MMS hálózat) áll. Az intelligens vízerőműveket intelligens berendezéseknek kell támogatniuk. A vízturbina-generátoregység központi vezérlőrendszereként a gerjesztőrendszer technológiai fejlesztése fontos támogató szerepet játszik az intelligens vízerőművek építésében.
Az intelligens vízerőművekben az olyan alapvető feladatok ellátása mellett, mint a turbinagenerátor indítása és leállítása, a reaktív teljesítmény növelése és csökkentése, valamint a vészleállítás, a gerjesztőrendszernek képesnek kell lennie az IEC61850 adatmodellezési és kommunikációs funkciók teljesítésére, valamint támogatnia kell a kommunikációt az állomásvezérlő réteg hálózatával (MMS hálózat) és a folyamatréteg hálózatával (GOOSE hálózat és SV hálózat). A gerjesztőrendszer-eszköz az intelligens vízerőmű rendszerstruktúrájának egységrétegén, az egyesítő egység, az intelligens terminál, a segédvezérlőegység és egyéb eszközök vagy intelligens berendezések pedig a folyamatrétegen helyezkednek el. A rendszerstruktúrát az alábbi ábra mutatja.
Intelligens gerjesztőrendszer
Az intelligens vízerőmű állomásvezérlő rétegének gazdagépe megfelel az IEC61850 kommunikációs szabvány követelményeinek, és a gerjesztőrendszer jelét az MMS hálózaton keresztül küldi a felügyeleti rendszer gazdagépének. Az intelligens gerjesztőrendszernek képesnek kell lennie csatlakozni a GOOSE hálózathoz és az SV hálózati kapcsolókhoz, hogy adatokat gyűjtsön a folyamatrétegen. A folyamatréteg megköveteli, hogy a CT, PT és a helyi komponensek által kiadott adatok mind digitális formában legyenek. A CT és a PT az egyesítő egységhez csatlakoznak (az elektronikus transzformátorok optikai kábelekkel, az elektromágneses transzformátorok pedig kábelekkel vannak összekötve). Az áram- és feszültségadatok digitalizálása után optikai kábeleken keresztül csatlakoznak az SV hálózati kapcsolóhoz. A helyi komponenseket kábeleken keresztül kell csatlakoztatni az intelligens terminálhoz, a kapcsoló vagy analóg jeleket pedig digitális jelekké alakítják, és optikai kábeleken keresztül továbbítják a GOOSE hálózati kapcsolóhoz. Jelenleg a gerjesztőrendszer alapvetően az állomásvezérlő réteg MMS hálózatával és a folyamatréteg GOOSE/SV hálózatával kommunikál. Az intelligens gerjesztőrendszernek az IEC61850 kommunikációs szabvány hálózati információs interakciójának teljesítése mellett átfogó online monitorozással, intelligens hibadiagnosztikával, valamint kényelmes tesztüzemeltetéssel és karbantartással is kell rendelkeznie. A teljes mértékben működőképes intelligens gerjesztőberendezés teljesítményét és alkalmazási hatását a jövőbeni tényleges mérnöki alkalmazásokban kell tesztelni.
Közzététel ideje: 2024. október 9.
