מהי מערכת העירור של תחנת כוח הידרואלקטרית

לכל נהרות בטבע יש שיפוע מסוים. מים זורמים לאורך אפיק הנהר תחת פעולת כוח הכבידה. מים בגבהים גבוהים מכילים אנרגיה פוטנציאלית בשפע. בעזרת מבנים הידראוליים וציוד אלקטרומכני, ניתן להמיר את אנרגיית המים לאנרגיה חשמלית, כלומר, ייצור אנרגיה הידרואלקטרית. עקרון ייצור האנרגיה הידרואלקטרית הוא אינדוקציה אלקטרומגנטית, כלומר, כאשר מוליך חותך את קווי השטף המגנטי בשדה מגנטי, הוא מייצר זרם. ביניהם, "תנועת" המוליך בשדה המגנטי מושגת על ידי זרימת המים הפוגעת בטורבינה כדי להמיר אנרגיית מים לאנרגיה מכנית סיבובית; והשדה המגנטי נוצר כמעט תמיד על ידי זרם העירור שנוצר על ידי מערכת העירור הזורמת דרך סליל הרוטור של הגנרטור, כלומר, המגנטיות נוצרת על ידי חשמל.
1. מהי מערכת העירור? על מנת לממש את המרת האנרגיה, גנרטור סינכרוני זקוק לשדה מגנטי DC, וזרם ה-DC שמייצר שדה מגנטי זה נקרא זרם העירור של הגנרטור. באופן כללי, תהליך יצירת השדה המגנטי ברוטור הגנרטור לפי עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית נקרא עירור. מערכת העירור מתייחסת לציוד המספק זרם עירור לגנרטור הסינכרוני. זהו חלק חשוב בגנרטור הסינכרוני. הוא מורכב בדרך כלל משני חלקים עיקריים: יחידת כוח העירור ווסת העירור. יחידת כוח העירור מספקת זרם עירור לרוטור הגנרטור הסינכרוני, ווסת העירור שולט על הפלט של יחידת כוח העירור בהתאם לאות הקלט ולקריטריוני הרגולציה הנתונים.

2. תפקוד מערכת העירור למערכת העירור יש את הפונקציות העיקריות הבאות: (1) בתנאי פעולה רגילים, היא מספקת את זרם העירור של הגנרטור, ומתאימה את זרם העירור בהתאם לחוק הנתון בהתאם למתח ההדק ותנאי העומס של הגנרטור כדי לשמור על יציבות המתח. מדוע ניתן לשמור על יציבות המתח על ידי התאמת זרם העירור? קיים קשר משוער בין הפוטנציאל המושרה (כלומר פוטנציאל ללא עומס) Ed של סליל הסטטור של הגנרטור, מתח ההדק Ug, זרם העומס הריאקטיבי Ir של הגנרטור, והתגובה הסינכרונית האורכית Xd:
הפוטנציאל המושרה Ed פרופורציונלי לשטף המגנטי, והשטף המגנטי תלוי בגודל זרם העירור. כאשר זרם העירור נשאר ללא שינוי, השטף המגנטי והפוטנציאל המושרה Ed נשארים ללא שינוי. מהנוסחה לעיל, ניתן לראות שמתח ההדק של הגנרטור יקטן עם עליית הזרם הריאקטיבי. עם זאת, על מנת לעמוד בדרישות המשתמש לאיכות החשמל, מתח ההדק של הגנרטור צריך להישאר כמעט ללא שינוי. ברור שהדרך להשיג דרישה זו היא להתאים את זרם העירור של הגנרטור ככל שהזרם הריאקטיבי Ir משתנה (כלומר, העומס משתנה). (2) בהתאם לתנאי העומס, זרם העירור מותאם לפי כלל נתון כדי להתאים את ההספק הריאקטיבי. מדוע יש צורך להתאים את ההספק הריאקטיבי? ציוד חשמלי רב פועל על סמך עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, כגון שנאים, מנועים, מכונות ריתוך וכו'. כולם מסתמכים על יצירת שדה מגנטי מתחלף כדי להמיר ולהעביר אנרגיה. ההספק החשמלי הנדרש ליצירת שדה מגנטי מתחלף ושטף מגנטי מושרה נקרא הספק ריאקטיבי. כל הציוד החשמלי עם סלילים אלקטרומגנטיים צורך הספק ריאקטיבי כדי ליצור שדה מגנטי. ללא הספק ריאקטיבי, המנוע לא יסתובב, השנאי לא יוכל להמיר מתח, וציוד חשמלי רב לא יעבוד. לכן, הספק ריאקטיבי אינו בשום אופן הספק חסר תועלת. בנסיבות רגילות, ציוד חשמלי לא רק מקבל הספק פעיל מהגנרטור, אלא גם צריך לקבל הספק ריאקטיבי מהגנרטור. אם הספק הריאקטיבי ברשת החשמל הוא במחסור, לציוד החשמלי לא יהיה מספיק הספק ריאקטיבי כדי ליצור שדה אלקטרומגנטי תקין. אז ציוד חשמלי זה לא יוכל לשמור על פעולה מדורגת, ומתח ההדק של הציוד החשמלי יירד, ובכך ישפיע על הפעולה התקינה של הציוד החשמלי. לכן, יש צורך להתאים את ההספק הריאקטיבי בהתאם לעומס בפועל, ופלט ההספק הריאקטיבי מהגנרטור קשור לגודל זרם העירור. העיקרון הספציפי לא יפורט כאן. (3) כאשר מתרחשת תאונת קצר חשמלי במערכת החשמל או סיבות אחרות גורמות למתח ההדק של הגנרטור לרדת באופן משמעותי, ניתן לעורר את הגנרטור בכוח כדי לשפר את גבול היציבות הדינמית של מערכת החשמל ואת דיוק פעולת ההגנה של הממסר. (4) כאשר מתרחש מתח יתר בגנרטור עקב ניתוק עומס פתאומי וסיבות אחרות, ניתן לבצע ביטול מגנטי של הגנרטור בכוח כדי להגביל את העלייה המוגזמת במתח ההדק של הגנרטור. (5) לשפר את היציבות הסטטית של מערכת החשמל. (6) כאשר מתרחש קצר חשמלי בין פאזה לפאזה בתוך הגנרטור ועל חוטי ההובלה שלו או שמתח ההדק של הגנרטור גבוה מדי, מתבצע ביטול מגנטי במהירות כדי להגביל את התפשטות התאונה. (7) ניתן לפזר את ההספק הריאקטיבי של הגנרטורים המקבילים באופן סביר.

3. סיווג מערכות עירור לפי אופן קבלת זרם העירור של הגנרטור (כלומר, שיטת האספקה ​​של ספק הכוח לעירור), ניתן לחלק את מערכת העירור לעירור חיצוני ועירור עצמי: זרם העירור המתקבל מספקי כוח אחרים נקרא עירור חיצוני; זרם העירור המתקבל מהגנרטור עצמו נקרא עירור עצמי. לפי שיטת היישור, ניתן לחלק אותה לעירור סיבובי ועירור סטטי. למערכת העירור הסטטי אין מכונת עירור מיוחדת. אם היא מקבלת את כוח העירור מהגנרטור עצמו, זה נקרא עירור סטטי של עירור עצמי. עירור סטטי של עירור עצמי ניתן לחלק לעירור מקבילי עצמי ועירור מורכב עצמי.
שיטת העירור הנפוצה ביותר היא עירור סטטי מקבילי עצמי, כפי שמוצג באיור למטה. היא מקבלת את כוח העירור דרך שנאי מיישר המחובר לשקע הגנרטור, ומספקת את זרם העירור של הגנרטור לאחר היישור.
דיאגרמת חיווט של מערכת עירור סטטית בעלת עירור מקבילי עצמי

מערכת עירור סטטית מקבילית מורכבת בעיקר מהחלקים הבאים: שנאי עירור, מיישר, התקן דה-מגנטיזציה, בקר ויסות והתקן הגנה מפני מתח יתר. חמשת החלקים הללו משלימים בהתאמה את הפונקציות הבאות:
(1) שנאי עירור: הפחת את המתח בקצה המכונה למתח התואם למיישר.
(2) מיישר: זהו הרכיב המרכזי של המערכת כולה. מעגל גשר תלת פאזי מבוקר במלואו משמש לעתים קרובות להשלמת משימת ההמרה מ-AC ל-DC.
(3) התקן דה-מגנטיזציה: התקן הדה-מגנטיזציה מורכב משני חלקים, כלומר מתג הדה-מגנטיזציה ונגד הדה-מגנטיזציה. התקן זה אחראי על דה-מגנטיזציה מהירה של היחידה במקרה של תאונה.
(4) בקר ויסות: התקן הבקרה של מערכת העירור משנה את זרם העירור על ידי שליטה בזווית ההולכה של התיריסטור של התקן המיישר כדי להשיג את אפקט ויסות ההספק והמתח הריאקטיביים של הגנרטור.
(5) הגנה מפני מתח יתר: כאשר יש מתח יתר במעגל הרוטור של הגנרטור, המעגל מופעל כדי לצרוך את אנרגיית מתח היתר, להגביל את ערך מתח היתר ולהגן על סליל הרוטור של הגנרטור והציוד המחובר אליו.
יתרונותיה של מערכת עירור סטטית מקבילית-עצמית הם: מבנה פשוט, פחות ציוד, השקעה נמוכה ופחות תחזוקה. החיסרון הוא שכאשר הגנרטור או המערכת קצרים, זרם העירור ייעלם או יירד באופן משמעותי, בעוד שזרם העירור צריך להיות מוגבר משמעותית (כלומר עירור כפוי) בשלב זה. עם זאת, בהתחשב בכך שיחידות גדולות מודרניות משתמשות בעיקר בפסי צבירה סגורים, ורשתות חשמל במתח גבוה מצוידות בדרך כלל בהגנה מהירה ואמינות גבוהה, מספר היחידות המשתמשות בשיטת עירור זו גדל, וזו גם שיטת העירור המומלצת על ידי התקנות והמפרטים. 4. בלימה חשמלית של היחידה כאשר היחידה נפרקת וכיבית, חלק מהאנרגיה המכנית נאגר עקב האינרציה הסיבובית העצומה של הרוטור. חלק זה של האנרגיה יכול להיעצר לחלוטין רק לאחר שהוא מומר לאנרגיית חום חיכוך של מיסב הדחף, מיסב ההנחיה והאוויר. מכיוון שאובדן החיכוך של האוויר פרופורציונלי לריבוע המהירות הליניארית של ההיקף, מהירות הרוטור יורדת מהר מאוד בהתחלה, ולאחר מכן הוא יסתלק במשך זמן רב במהירות נמוכה. כאשר היחידה פועלת במשך זמן רב במהירות נמוכה, בור הדחף עלול להישרף מכיוון שלא ניתן ליצור את שכבת השמן בין לוח המראה שמתחת לראש הדחף לבין בור המיסב. מסיבה זו, במהלך תהליך הכיבוי, כאשר מהירות היחידה יורדת לערך מוגדר מסוים, יש להפעיל את מערכת בלימת היחידה. בלימת היחידה מחולקת לבלימה חשמלית, בלימה מכנית ובלימה משולבת. בלימה חשמלית היא קצר חשמלי של סטטור הגנרטור התלת-פאזי ביציאת קצה המכונה לאחר ניתוק הגנרטור והסרת המגנטים, ולהמתין עד שמהירות היחידה תרד לכ-50% עד 60% מהמהירות המדורגת. באמצעות סדרה של פעולות לוגיות, מסופק כוח הבלימה, ווסת העירור עובר למצב בלימה חשמלית כדי להוסיף זרם עירור לסליל הרוטור של הגנרטור. מכיוון שהגנרטור מסתובב, הסטטור גורם לזרם קצר חשמלי תחת פעולת השדה המגנטי של הרוטור. מומנט האלקטרומגנטי שנוצר הוא בדיוק הפוך לכיוון האינרציה של הרוטור, אשר ממלא תפקיד בלימה. בתהליך מימוש בלימה חשמלית, יש לספק את אספקת החשמל לבלימה חיצונית, דבר הקשור קשר הדוק למבנה המעגל הראשי של מערכת העירור. דרכים שונות להשגת אספקת החשמל לעירור בלם חשמלי מוצגות באיור שלהלן.
דרכים שונות להשגת ספק כוח לעירור בלמים חשמלי
בדרך הראשונה, התקן העירור הוא שיטת חיווט עירור מקבילה עצמית. כאשר קצה המכונה קצר, לשנאי העירור אין אספקת חשמל. אספקת החשמל לבלימה מגיעה משנאי בלמים ייעודי, ושנאי הבלימה מחובר לחשמל של המפעל. כפי שצוין לעיל, רוב פרויקטי הכוח ההידרואלקטרי משתמשים במערכת עירור סטטית מיישרת עירור מקבילה עצמית, וחסכונית יותר להשתמש בגשר מיישר עבור מערכת העירור ומערכת הבלמים החשמלית. לכן, שיטה זו להשגת אספקת חשמל לעירור בלמים חשמליים נפוצה יותר. תהליך העבודה של בלימה חשמלית של שיטה זו הוא כדלקמן:
(1) מפסק שקע היחידה נפתח והמערכת מנותקת.
(2) סליל הרוטור עובר דה-מגנטיזציה.
(3) מתג ההפעלה בצד המשני של שנאי העירור פתוח.
(4) מתג קצר חשמלי של הבלם החשמלי של היחידה סגור.
(5) מתג ההפעלה בצד המשני של שנאי הבלם החשמלי סגור.
(6) תיריסטור גשר המיישר מופעל להולכה, והיחידה נכנסת למצב בלימה חשמלית.
(7) כאשר מהירות היחידה היא אפס, הבלם החשמלי משתחרר (אם נעשה שימוש בבלימה משולבת, כאשר המהירות מגיעה ל-5% עד 10% מהמהירות המדורגת, מופעלת בלימה מכנית). 5. מערכת עירור חכמה תחנת כוח הידרואלקטרית חכמה מתייחסת לקבוצת תחנת כוח הידרואלקטרית או תחנות כוח הידרואלקטריות עם דיגיטציה של מידע, רשת תקשורת, סטנדרטיזציה משולבת, אינטראקציה עסקית, אופטימיזציה של תפעול וקבלת החלטות חכמה. תחנות כוח הידרואלקטריות חכמות מחולקות אנכית לשכבת תהליך, שכבת יחידה ושכבת בקרת תחנות, באמצעות מבנה בן 3 שכבות ו-2 רשתות של רשת שכבת תהליך (רשת GOOSE, רשת SV) ורשת שכבת בקרת תחנות (רשת MMS). תחנות כוח הידרואלקטריות חכמות צריכות להיות נתמכות על ידי ציוד חכם. כמערכת הבקרה המרכזית של מערך גנרטור הטורבינות ההידרואלקטריות, הפיתוח הטכנולוגי של מערכת העירור ממלא תפקיד תומך חשוב בבניית תחנות כוח הידרואלקטריות חכמות.
בתחנות כוח הידרואלקטריות חכמות, בנוסף להשלמת משימות בסיסיות כגון הפעלה ועצירה של מערך גנרטור הטורבינה, הגדלה והפחתה של הספק ריאקטיבי וכיבוי חירום, מערכת העירור צריכה להיות מסוגלת גם לעמוד בפונקציות מידול הנתונים והתקשורת של IEC61850, ולתמוך בתקשורת עם רשת שכבת בקרת התחנה (רשת MMS) ורשת שכבת התהליך (רשת GOOSE ורשת SV). התקן מערכת העירור מסודר בשכבת היחידה של מבנה מערכת תחנת הכוח ההידרואלקטרית החכמה, ויחידת המיזוג, הטרמינל החכם, יחידת הבקרה העזרית והתקנים אחרים או ציוד חכם מסודרים בשכבת התהליך. מבנה המערכת מוצג באיור שלהלן.
מערכת עירור חכמה
מחשב המארח של שכבת בקרת התחנה של תחנת הכוח ההידרואלקטרית החכמה עומד בדרישות תקן התקשורת IEC61850, ושולח את האות של מערכת העירור למחשב המארח של מערכת הניטור דרך רשת MMS. מערכת העירור החכמה צריכה להיות מסוגלת להתחבר לרשת GOOSE ולמתגי רשת SV כדי לאסוף נתונים בשכבת התהליך. שכבת התהליך דורשת שהנתונים המופקים על ידי CT, PT ורכיבים מקומיים יהיו כולם בצורה דיגיטלית. CT ו-PT מחוברים ליחידת המיזוג (שנאים אלקטרוניים מחוברים באמצעות כבלים אופטיים, ושנאים אלקטרומגנטיים מחוברים באמצעות כבלים). לאחר דיגיטציה של נתוני הזרם והמתח, הם מחוברים למתג רשת SV באמצעות כבלים אופטיים. יש לחבר את הרכיבים המקומיים למסוף החכם באמצעות כבלים, והמתג או אותות האנלוגיים מומרים לאותות דיגיטליים ומועברים למתג רשת GOOSE באמצעות כבלים אופטיים. כיום, למערכת העירור יש בעיקרון פונקציית תקשורת עם רשת MMS של שכבת בקרת התחנה ורשת GOOSE/SV של שכבת התהליך. בנוסף לעמידה בדרישות האינטראקציה של מידע הרשת בתקן התקשורת IEC61850, מערכת העירור החכמה צריכה להיות בעלת ניטור מקוון מקיף, אבחון תקלות חכם ותפעול ותחזוקה נוחים לבדיקה. יש לבחון את הביצועים והשפעת היישום של התקן העירור החכם התפקודי במלואו ביישומים הנדסיים עתידיים.