Gamtoje visos upės turi tam tikrą nuolydį. Vanduo teka upės vaga veikiamas gravitacijos. Dideliame aukštyje esantis vanduo turi daug potencialinės energijos. Hidraulinių konstrukcijų ir elektromechaninės įrangos pagalba vandens energiją galima paversti elektros energija, t. y. hidroenergija. Hidroenergijos gamybos principas yra elektromagnetinė indukcija, t. y., kai laidininkas magnetiniame lauke perkerta magnetinio srauto linijas, susidaro srovė. Laidininko „judėjimas“ magnetiniame lauke pasiekiamas vandens srautui veikiant turbiną ir paverčiant vandens energiją sukimosi mechanine energija; magnetinį lauką beveik visada formuoja sužadinimo srovė, kurią sukuria sužadinimo sistema, tekanti per generatoriaus rotoriaus apviją, t. y. magnetizmą sukuria elektra.
1. Kas yra sužadinimo sistema? Norint realizuoti energijos konversiją, sinchroniniam generatoriui reikalingas nuolatinės srovės magnetinis laukas, o nuolatinė srovė, kuri sukuria šį magnetinį lauką, vadinama generatoriaus sužadinimo srove. Paprastai sužadinimu vadinamas magnetinio lauko formavimo generatoriaus rotoriuje procesas, pagrįstas elektromagnetinės indukcijos principu. Sužadinimo sistema – tai įranga, tiekianti sužadinimo srovę sinchroniniam generatoriui. Tai svarbi sinchroninio generatoriaus dalis. Paprastai ją sudaro dvi pagrindinės dalys: sužadinimo maitinimo blokas ir sužadinimo reguliatorius. Sužadinimo maitinimo blokas tiekia sužadinimo srovę sinchroninio generatoriaus rotoriui, o sužadinimo reguliatorius valdo sužadinimo maitinimo bloko išvestį pagal įėjimo signalą ir nurodytus reguliavimo kriterijus.
2. Žadinimo sistemos funkcija Žadinimo sistema atlieka šias pagrindines funkcijas: (1) Įprastomis darbo sąlygomis ji tiekia generatoriaus žadinimo srovę ir reguliuoja žadinimo srovę pagal nurodytą dėsnį, atsižvelgdama į generatoriaus gnybtų įtampą ir apkrovos sąlygas, kad palaikytų įtampos stabilumą. Kodėl įtampos stabilumą galima palaikyti reguliuojant žadinimo srovę? Yra apytikslis ryšys tarp generatoriaus statoriaus apvijos indukuoto potencialo (t. y. tuščiosios būsenos potencialo) Ed, gnybtų įtampos Ug, generatoriaus reaktyviosios apkrovos srovės Ir ir išilginio sinchroninio reaktyvumo Xd:
Indukuotas potencialas Ed yra proporcingas magnetiniam srautui, o magnetinis srautas priklauso nuo sužadinimo srovės dydžio. Kai sužadinimo srovė nesikeičia, magnetinis srautas ir indukuotas potencialas Ed išlieka nepakitę. Iš pateiktos formulės matyti, kad generatoriaus gnybtų įtampa mažėja didėjant reaktyviajai srovei. Tačiau norint patenkinti vartotojo elektros energijos kokybės reikalavimus, generatoriaus gnybtų įtampa iš esmės turėtų išlikti nepakitusi. Akivaizdu, kad norint pasiekti šį reikalavimą, reikia reguliuoti generatoriaus sužadinimo srovę, kai keičiasi reaktyvioji srovė Ir (t. y. keičiasi apkrova). (2) Atsižvelgiant į apkrovos sąlygas, sužadinimo srovė reguliuojama pagal tam tikrą taisyklę, kad būtų galima reguliuoti reaktyviąją galią. Kodėl reikia reguliuoti reaktyviąją galią? Daugelis elektros įrenginių veikia elektromagnetinės indukcijos principu, pavyzdžiui, transformatoriai, varikliai, suvirinimo aparatai ir kt. Jie visi remiasi kintamojo magnetinio lauko sukūrimu energijai konvertuoti ir perduoti. Elektros energija, reikalinga kintamajam magnetiniam laukui ir indukuotam magnetiniam srautui sukurti, vadinama reaktyviąja galia. Visa elektros įranga su elektromagnetinėmis ritėmis sunaudoja reaktyviąją galią magnetiniam laukui sukurti. Be reaktyviosios galios variklis nesisuks, transformatorius negalės transformuoti įtampos, todėl daugelis elektros įrenginių neveiks. Todėl reaktyvioji galia jokiu būdu nėra nenaudinga galia. Įprastomis aplinkybėmis elektros įrenginiai ne tik gauna aktyviąją galią iš generatoriaus, bet ir turi gauti reaktyviąją galią iš generatoriaus. Jei elektros tinkle trūksta reaktyviosios galios, elektros įrenginiai neturės pakankamai reaktyviosios galios, kad sukurtų normalų elektromagnetinį lauką. Tuomet šie elektros įrenginiai negali palaikyti vardinio veikimo, o elektros įrenginių gnybtų įtampa sumažėja, o tai paveikia normalų elektros įrenginių veikimą. Todėl reaktyviąją galią reikia reguliuoti pagal faktinę apkrovą, o generatoriaus išėjimo reaktyvioji galia yra susijusi su sužadinimo srovės dydžiu. Konkretus principas čia nebus išsamiai aprašomas. (3) Kai elektros sistemoje įvyksta trumpasis jungimas arba dėl kitų priežasčių generatoriaus gnybtų įtampa smarkiai sumažėja, generatorių galima priverstinai sužadinti, kad pagerėtų elektros sistemos dinaminio stabilumo riba ir relinės apsaugos veikimo tikslumas. (4) Kai dėl staigaus apkrovos sumažėjimo ir kitų priežasčių atsiranda generatoriaus viršįtampis, generatorių galima priverstinai išmagnetinti, kad būtų apribotas per didelis generatoriaus gnybtų įtampos padidėjimas. (5) Pagerintas elektros energijos sistemos statinis stabilumas. (6) Kai generatoriaus viduje ir jo laiduose įvyksta fazinis trumpasis jungimas arba generatoriaus gnybtų įtampa yra per didelė, išmagnetinimas atliekamas greitai, kad būtų apribotas avarijos išplitimas. (7) Lygiagrečiai sujungtų generatorių reaktyvioji galia gali būti pagrįstai paskirstyta.
3. Žadinimo sistemų klasifikacija Pagal tai, kaip generatorius gauna sužadinimo srovę (t. y. sužadinimo maitinimo šaltinio tiekimo būdą), sužadinimo sistemą galima suskirstyti į išorinį sužadinimą ir savaiminį sužadinimą: sužadinimo srovė, gaunama iš kitų maitinimo šaltinių, vadinama išoriniu sužadinimu; sužadinimo srovė, gaunama iš paties generatoriaus, vadinama savaiminiu sužadinimu. Pagal išlyginimo metodą ją galima suskirstyti į sukamąjį sužadinimą ir statinį sužadinimą. Statinio sužadinimo sistema neturi specialios sužadinimo mašinos. Jei sužadinimo galią ji gauna iš paties generatoriaus, ji vadinama savaiminio sužadinimo statiniu sužadinimu. Savaiminio sužadinimo statinį sužadinimą galima suskirstyti į savaiminį lygiagretų sužadinimą ir savaime susijungiantį sužadinimą.
Dažniausiai naudojamas sužadinimo metodas yra savaime lygiagretus statinis sužadinimas, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Jis gauna sužadinimo galią per lygintuvo transformatorių, prijungtą prie generatoriaus lizdo, ir tiekia generatoriaus sužadinimo srovę po išlyginimo.
Savarankiškai lygiagretaus sužadinimo statinio lygintuvo sužadinimo sistemos laidų schema
Savarankiškai lygiagretaus sužadinimo statinio sužadinimo sistemą daugiausia sudaro šios dalys: sužadinimo transformatorius, lygintuvas, išmagnetinimo įtaisas, reguliavimo valdiklis ir viršįtampių apsaugos įtaisas. Šios penkios dalys atitinkamai atlieka šias funkcijas:
(1) Žadinimo transformatorius: sumažinkite įtampą mašinos gale iki lygintuvo įtampos.
(2) Lygintuvas: tai yra pagrindinis visos sistemos komponentas. Trifazis visiškai valdomas tiltinis kontūras dažnai naudojamas kintamosios srovės keitimui į nuolatinę srovę.
(3) Išmagnetinimo įtaisas: Išmagnetinimo įtaisą sudaro dvi dalys: išmagnetinimo jungiklis ir išmagnetinimo rezistorius. Šis įtaisas atsakingas už greitą įrenginio išmagnetinimą avarijos atveju.
(4) Reguliavimo valdiklis: sužadinimo sistemos valdymo įtaisas keičia sužadinimo srovę valdydamas lygintuvo įtaiso tiristoriaus laidumo kampą, kad būtų pasiektas generatoriaus reaktyviosios galios ir įtampos reguliavimo efektas.
(5) Apsauga nuo viršįtampio: Kai generatoriaus rotoriaus grandinėje yra viršįtampis, grandinė įjungiama, kad sunaudotų viršįtampio energiją, apribotų viršįtampio vertę ir apsaugotų generatoriaus rotoriaus apviją bei prie jos prijungtą įrangą.
Savarankiškai lygiagretaus žadinimo statinio žadinimo sistemos privalumai: paprasta konstrukcija, mažiau įrangos, mažos investicijos ir mažesnė priežiūra. Trūkumas yra tas, kad generatoriui ar sistemai įvykus trumpam jungimui, žadinimo srovė išnyksta arba labai sumažėja, o žadinimo srovę tokiu atveju reikėtų gerokai padidinti (t. y. priverstinai sužadinti). Tačiau atsižvelgiant į tai, kad šiuolaikiniai dideli įrenginiai dažniausiai naudoja uždaras šynas, o aukštos įtampos elektros tinklai paprastai turi greitos apsaugos ir didelio patikimumo funkcijas, šį žadinimo būdą naudojančių įrenginių skaičius didėja, ir tai yra ir reglamentų bei specifikacijų rekomenduojamas žadinimo būdas. 4. Įrenginio elektrinis stabdymas Kai įrenginys iškraunamas ir išjungiamas, dalis mechaninės energijos yra kaupiama dėl didelės rotoriaus sukimosi inercijos. Šią energijos dalį galima visiškai sustabdyti tik pavertus ją traukos guolio, kreipiamojo guolio ir oro trinties šilumos energija. Kadangi oro trinties nuostoliai yra proporcingi apskritimo linijinio greičio kvadratui, rotoriaus greitis iš pradžių labai greitai sumažėja, o po to jis ilgą laiką veikia tuščiąja eiga mažu greičiu. Kai įrenginys ilgą laiką veikia mažu greičiu, atraminė įvorė gali perdegti, nes negalima suformuoti alyvos plėvelės tarp veidrodinės plokštės po atramine galvute ir guolio įvorės. Dėl šios priežasties išjungimo proceso metu, kai įrenginio greitis sumažėja iki tam tikros nurodytos vertės, reikia įjungti įrenginio stabdžių sistemą. Įrenginio stabdymas skirstomas į elektrinį stabdymą, mechaninį stabdymą ir kombinuotą stabdymą. Elektrinis stabdymas – tai trumpai sujungti trifazį generatoriaus statorių mašinos galo išėjime, atjungus ir demagnetizavus generatorių, ir palaukti, kol įrenginio greitis sumažės iki maždaug 50–60 % vardinio greičio. Atlikus keletą loginių operacijų, tiekiama stabdymo galia, o sužadinimo reguliatorius persijungia į elektrinio stabdymo režimą, kad generatoriaus rotoriaus apvijai būtų tiekiama sužadinimo srovė. Kadangi generatorius sukasi, statorius, veikiant rotoriaus magnetiniam laukui, indukuoja trumpojo jungimo srovę. Sukurtas elektromagnetinis sukimo momentas yra priešingas rotoriaus inercijos krypčiai, kuri atlieka stabdymo vaidmenį. Įgyvendinant elektrinį stabdymą, stabdymo maitinimo šaltinį reikia tiekti iš išorės, o tai yra glaudžiai susiję su pagrindine žadinimo sistemos grandinės struktūra. Įvairūs būdai, kaip gauti elektrinio stabdžio žadinimo maitinimo šaltinį, parodyti paveikslėlyje žemiau.
Įvairūs būdai gauti elektrinio stabdžių žadinimo maitinimo šaltinį
Pirmuoju atveju, sužadinimo įtaisas yra savaime lygiagretaus sužadinimo laidų metodas. Kai mašinos galas trumpai sujungtas, sužadinimo transformatorius neturi maitinimo šaltinio. Stabdymo maitinimo šaltinis gaunamas iš specialaus stabdymo transformatoriaus, o stabdymo transformatorius prijungtas prie jėgainės maitinimo šaltinio. Kaip minėta pirmiau, daugumoje hidroelektrinių projektų naudojama savaime lygiagretaus sužadinimo statinio lygintuvo sužadinimo sistema, todėl ekonomiškiau naudoti lygintuvo tiltelį sužadinimo sistemai ir elektrinei stabdžių sistemai. Todėl šis elektrinio stabdžių sužadinimo maitinimo šaltinio gavimo būdas yra labiau paplitęs. Šio metodo elektrinio stabdymo darbo eiga yra tokia:
(1) Įrenginio lizdo grandinės pertraukiklis yra išjungtas, o sistema atjungta.
(2) Rotoriaus apvija yra demagnetizuota.
(3) Žadinimo transformatoriaus antrinės pusės maitinimo jungiklis yra atidarytas.
(4) Įrenginio elektrinio stabdžio trumpojo jungimo jungiklis yra uždarytas.
(5) Elektrinio stabdžių transformatoriaus antrinės pusės maitinimo jungiklis yra uždarytas.
(6) Lygintuvo tiltelio tiristorius suveikia ir pradeda laiduoti, o įrenginys pereina į elektrinio stabdžio būseną.
(7) Kai įrenginio greitis yra lygus nuliui, elektrinis stabdys atleidžiamas (jei naudojamas kombinuotas stabdymas, kai greitis pasiekia 5–10 % vardinio greičio, įjungiamas mechaninis stabdymas). 5. Pažangi žadinimo sistema Pažangi hidroelektrinė – tai hidroelektrinės arba hidroelektrinių grupė, kurioje integruotas informacijos skaitmeninimas, ryšių tinklai, integruota standartizacija, verslo sąveika, veikimo optimizavimas ir išmanus sprendimų priėmimas. Pažangios hidroelektrinės vertikaliai skirstomos į procesų lygmenį, įrenginių lygmenį ir stoties valdymo lygmenį, naudojant 3 sluoksnių 2 tinklo struktūrą: procesų lygmens tinklą (GOOSE tinklą, SV tinklą) ir stoties valdymo lygmens tinklą (MMS tinklą). Pažangias hidroelektrines turi palaikyti išmanioji įranga. Žadinimo sistemos, kuri yra pagrindinė hidroturbinų generatoriaus agregato valdymo sistema, technologinė plėtra atlieka svarbų vaidmenį statant išmaniąsias hidroelektrines.
Išmaniosiose hidroelektrinėse, be pagrindinių užduočių, tokių kaip turbinos generatoriaus paleidimas ir sustabdymas, reaktyviosios galios didinimas ir mažinimas bei avarinis išjungimas, atlikimo, žadinimo sistema taip pat turėtų atitikti IEC61850 duomenų modeliavimo ir ryšio funkcijas bei palaikyti ryšį su stoties valdymo sluoksnio tinklu (MMS tinklu) ir proceso sluoksnio tinklu (GOOSE tinklu ir SV tinklu). Žadinimo sistemos įrenginys yra išdėstytas išmaniosios hidroelektrinės sistemos struktūros vienetiniame sluoksnyje, o jungiamasis blokas, išmanusis terminalas, pagalbinis valdymo blokas ir kiti įrenginiai arba išmanioji įranga – proceso sluoksnyje. Sistemos struktūra parodyta paveikslėlyje žemiau.
Pažangi sužadinimo sistema
Išmaniosios hidroelektrinės stoties valdymo sluoksnio pagrindinis kompiuteris atitinka IEC61850 ryšio standarto reikalavimus ir siunčia sužadinimo sistemos signalą stebėjimo sistemos pagrindiniam kompiuteriui per MMS tinklą. Išmanioji sužadinimo sistema turėtų galėti prisijungti prie GOOSE tinklo ir SV tinklo jungiklių, kad rinktų duomenis proceso sluoksnyje. Proceso sluoksnis reikalauja, kad CT, PT ir vietinių komponentų išvesties duomenys būtų skaitmeniniai. CT ir PT yra prijungti prie sujungimo įrenginio (elektroniniai transformatoriai sujungti optiniais kabeliais, o elektromagnetiniai transformatoriai – kabeliais). Suskaitmeninus srovės ir įtampos duomenis, jie optiniais kabeliais prijungiami prie SV tinklo jungiklio. Vietiniai komponentai turi būti prijungti prie išmaniojo terminalo kabeliais, o jungiklio arba analoginiai signalai konvertuojami į skaitmeninius signalus ir perduodami į GOOSE tinklo jungiklį optiniais kabeliais. Šiuo metu sužadinimo sistema iš esmės atlieka ryšio funkciją su stoties valdymo sluoksnio MMS tinklu ir proceso sluoksnio GOOSE/SV tinklu. Be IEC61850 ryšio standarto tinklo informacijos sąveikos, išmanioji sužadinimo sistema taip pat turėtų turėti išsamią internetinę stebėseną, išmaniąją gedimų diagnostiką ir patogų bandymų veikimą bei priežiūrą. Visiškai funkcionalaus išmaniojo sužadinimo įrenginio veikimas ir taikymo poveikis turi būti išbandyti būsimose realiose inžinerinėse programose.
Įrašo laikas: 2024-10-09
