В природе все реки имеют определённый уклон. Вода течёт по руслу под действием силы тяжести. Вода на больших высотах содержит большое количество потенциальной энергии. С помощью гидротехнических сооружений и электромеханического оборудования энергия воды может быть преобразована в электрическую энергию, то есть, в гидроэнергетику. Принцип гидроэнергетики основан на электромагнитной индукции, то есть, когда проводник пересекает линии магнитного потока в магнитном поле, он генерирует ток. При этом «движение» проводника в магнитном поле достигается за счёт воздействия потока воды на турбину, преобразующего энергию воды во вращательную механическую энергию; а магнитное поле почти всегда формируется возбуждающим током, генерируемым системой возбуждения и протекающим через обмотку ротора генератора, то есть магнетизм создаётся электричеством.
1. Что такое система возбуждения? Для осуществления преобразования энергии синхронному генератору необходимо постоянное магнитное поле, а постоянный ток, генерирующий это магнитное поле, называется током возбуждения генератора. Как правило, процесс формирования магнитного поля в роторе генератора в соответствии с принципом электромагнитной индукции называется возбуждением. Система возбуждения — это оборудование, обеспечивающее ток возбуждения для синхронного генератора. Это важная часть синхронного генератора. Она обычно состоит из двух основных частей: блока возбуждения и регулятора возбуждения. Блок возбуждения подает ток возбуждения на ротор синхронного генератора, а регулятор возбуждения управляет выходным сигналом блока возбуждения в соответствии с входным сигналом и заданными критериями регулирования.
2. Функции системы возбуждения. Система возбуждения выполняет следующие основные функции: (1) В нормальных условиях эксплуатации она подает ток возбуждения генератора и регулирует ток возбуждения в соответствии с заданным законом в зависимости от напряжения на клеммах генератора и условий нагрузки для поддержания стабильности напряжения. Почему стабильность напряжения может поддерживаться путем регулирования тока возбуждения? Существует приблизительная взаимосвязь между индуцированным потенциалом (т.е. потенциалом холостого хода) Ed обмотки статора генератора, напряжением на клеммах Ug, реактивным током нагрузки Ir генератора и продольным синхронным реактивным сопротивлением Xd:
Индуцированный потенциал Ed пропорционален магнитному потоку, а магнитный поток зависит от величины тока возбуждения. Когда ток возбуждения остается неизменным, магнитный поток и индуцированный потенциал Ed также остаются неизменными. Из приведенной выше формулы видно, что напряжение на клеммах генератора будет уменьшаться с увеличением реактивного тока. Однако для удовлетворения требований пользователя к качеству электроэнергии напряжение на клеммах генератора должно оставаться в основном неизменным. Очевидно, что способ достижения этого требования заключается в регулировании тока возбуждения генератора в зависимости от изменения реактивного тока Ir (то есть, изменения нагрузки). (2) В соответствии с условиями нагрузки ток возбуждения регулируется по заданному правилу для регулирования реактивной мощности. Зачем необходимо регулировать реактивную мощность? Многие электротехнические устройства работают на основе принципа электромагнитной индукции, такие как трансформаторы, двигатели, сварочные аппараты и т. д. Все они используют создание переменного магнитного поля для преобразования и передачи энергии. Электрическая мощность, необходимая для создания переменного магнитного поля и индуцированного магнитного потока, называется реактивной мощностью. Все электрооборудование с электромагнитными катушками потребляет реактивную мощность для создания магнитного поля. Без реактивной мощности двигатель не будет вращаться, трансформатор не сможет преобразовывать напряжение, и многие электроприборы не будут работать. Поэтому реактивная мощность ни в коем случае не является бесполезной. В нормальных условиях электрооборудование не только получает активную мощность от генератора, но и нуждается в реактивной мощности от генератора. Если реактивной мощности в энергосистеме недостаточно, электрооборудованию не хватит реактивной мощности для создания нормального электромагнитного поля. Тогда это электрооборудование не сможет поддерживать номинальную работу, напряжение на клеммах электрооборудования упадет, что повлияет на его нормальную работу. Поэтому необходимо регулировать реактивную мощность в соответствии с фактической нагрузкой, а выходная реактивная мощность генератора связана с величиной тока возбуждения. Конкретный принцип здесь подробно не будет рассматриваться. (3) При возникновении короткого замыкания в энергосистеме или по другим причинам, вызывающим серьезное падение напряжения на клеммах генератора, генератор может быть принудительно возбужден для повышения предела динамической устойчивости энергосистемы и точности срабатывания релейной защиты. (4) При возникновении перенапряжения генератора из-за внезапного отключения нагрузки и по другим причинам, генератор может быть принудительно размагничен для ограничения чрезмерного повышения напряжения на клеммах генератора. (5) Повышение статической устойчивости энергосистемы. (6) При возникновении межфазного короткого замыкания внутри генератора и на его выводах или при слишком высоком напряжении на клеммах генератора, размагничивание проводится быстро для ограничения распространения аварии. (7) Реактивная мощность параллельно работающих генераторов может быть рационально распределена.
3. Классификация систем возбуждения. В зависимости от способа получения генератором тока возбуждения (то есть, способа подачи энергии возбуждения) системы возбуждения можно разделить на внешнее возбуждение и самовозбуждение: ток возбуждения, получаемый от других источников питания, называется внешним возбуждением; ток возбуждения, получаемый от самого генератора, называется самовозбуждением. В зависимости от способа выпрямления, системы можно разделить на вращательное возбуждение и статическое возбуждение. Система статического возбуждения не имеет специальной машины возбуждения. Если она получает энергию возбуждения от самого генератора, она называется самовозбуждающимся статическим возбуждением. Самовозбуждающееся статическое возбуждение можно разделить на самопараллельное возбуждение и самокомплексное возбуждение.
Наиболее распространенным методом возбуждения является статическое самопараллельное возбуждение, как показано на рисунке ниже. При этом мощность возбуждения получается через выпрямительный трансформатор, подключенный к выходу генератора, а ток возбуждения генератора подается после выпрямления.
Схема подключения системы статического выпрямителя с самопараллельным возбуждением
Система статического возбуждения с автопараллельным возбуждением в основном состоит из следующих частей: трансформатора возбуждения, выпрямителя, устройства размагничивания, регулятора и устройства защиты от перенапряжения. Эти пять частей выполняют соответственно следующие функции:
(1) Возбуждающий трансформатор: Снизьте напряжение на стороне машины до напряжения, соответствующего выпрямителю.
(2) Выпрямитель: Это основной компонент всей системы. Для выполнения задачи преобразования переменного тока в постоянный часто используется трехфазная полностью управляемая мостовая схема.
(3) Устройство размагничивания: Устройство размагничивания состоит из двух частей, а именно переключателя размагничивания и резистора размагничивания. Это устройство отвечает за быстрое размагничивание блока в случае аварии.
(4) Регулятор: Устройство управления системы возбуждения изменяет ток возбуждения путем управления углом проводимости тиристора выпрямительного устройства для достижения эффекта регулирования реактивной мощности и напряжения генератора.
(5) Защита от перенапряжения: При возникновении перенапряжения в цепи ротора генератора цепь включается для поглощения энергии перенапряжения, ограничения значения перенапряжения и защиты обмотки ротора генератора и подключенного к ней оборудования.
Преимущества системы статического возбуждения с автопараллельным возбуждением: простая конструкция, меньшее количество оборудования, низкие инвестиции и меньшее техническое обслуживание. Недостаток заключается в том, что при коротком замыкании генератора или системы ток возбуждения исчезает или значительно падает, в то время как ток возбуждения в это время должен быть значительно увеличен (т.е. принудительное возбуждение). Однако, учитывая, что современные крупные энергоблоки в основном используют замкнутые шины, а высоковольтные сети, как правило, оснащены быстрой защитой и высокой надежностью, количество энергоблоков, использующих этот метод возбуждения, растет, и это также метод возбуждения, рекомендованный нормативными актами и техническими условиями. 4. Электрическое торможение энергоблока. Когда энергоблок разгружается и останавливается, часть механической энергии накапливается за счет огромной инерции вращения ротора. Эта часть энергии может быть полностью остановлена только после того, как она преобразуется в тепловую энергию трения упорного подшипника, направляющего подшипника и воздуха. Поскольку потери на трение воздуха пропорциональны квадрату линейной скорости окружности, скорость вращения ротора сначала очень быстро падает, а затем он будет долгое время работать на низкой скорости в режиме холостого хода. При длительной работе агрегата на низкой скорости упорная втулка может перегореть из-за недостаточного образования масляной пленки между зеркальной пластиной под упорной головкой и подшипниковой втулкой. По этой причине во время остановки, когда скорость агрегата падает до определенного заданного значения, необходимо задействовать систему торможения агрегата. Торможение агрегата делится на электрическое, механическое и комбинированное. Электрическое торможение заключается в замыкании накоротко статора трехфазного генератора на выходе машины после развязки и размагничивания генератора и ожидании падения скорости агрегата примерно до 50-60% от номинальной скорости. В результате ряда логических операций обеспечивается тормозная мощность, а регулятор возбуждения переключается в режим электрического торможения для подачи тока возбуждения на обмотку ротора генератора. Поскольку генератор вращается, под действием магнитного поля ротора в статоре индуцируется ток короткого замыкания. Создаваемый электромагнитный момент направлен прямо противоположно направлению инерции ротора, что и играет тормозящую роль. В процессе реализации электрического торможения необходимо обеспечить внешнее питание тормозной системы, что тесно связано с основной схемой системы возбуждения. Различные способы получения питания для возбуждения электрического тормоза показаны на рисунке ниже.
Различные способы получения питания для возбуждения электрического тормоза
В первом способе используется метод возбуждения с помощью параллельного самовозбуждения. При коротком замыкании на стороне машины трансформатор возбуждения остается без питания. Питание тормозной системы осуществляется от отдельного тормозного трансформатора, который подключается к электросети электростанции. Как упоминалось выше, в большинстве гидроэнергетических проектов используется система возбуждения с помощью статического выпрямителя и параллельного самовозбуждения, и экономичнее использовать выпрямительный мост для системы возбуждения и системы электрического тормоза. Поэтому этот метод получения питания для системы электрического тормоза является более распространенным. Схема работы электрического тормоза в этом методе выглядит следующим образом:
(1) Автоматический выключатель на выходе блока размыкается, и система разъединяется.
(2) Обмотка ротора размагничена.
(3) Силовой выключатель на вторичной стороне возбуждающего трансформатора разомкнут.
(4) Переключатель короткого замыкания электрического тормоза блока замкнут.
(5) Силовой выключатель на вторичной стороне трансформатора электрического тормоза замкнут.
(6) Тиристор выпрямительного моста переходит в состояние электрического тормоза.
(7) Когда скорость агрегата равна нулю, электрический тормоз отключается (если используется комбинированное торможение, то при достижении скорости от 5% до 10% от номинальной скорости применяется механическое торможение). 5. Интеллектуальная система возбуждения. Интеллектуальная гидроэлектростанция — это гидроэлектростанция или группа гидроэлектростанций, в которых осуществляется цифровизация информации, создание коммуникационных сетей, интегрированная стандартизация, взаимодействие с бизнесом, оптимизация эксплуатации и интеллектуальное принятие решений. Интеллектуальные гидроэлектростанции вертикально делятся на технологический уровень, уровень агрегатов и уровень управления станциями, используя трехслойную двухсетевую структуру: сеть технологического уровня (сеть GOOSE, сеть SV) и сеть уровня управления станциями (сеть MMS). Интеллектуальные гидроэлектростанции нуждаются в поддержке интеллектуального оборудования. Как основная система управления гидротурбинным генераторным агрегатом, технологическое развитие системы возбуждения играет важную вспомогательную роль в построении интеллектуальных гидроэлектростанций.
В интеллектуальных гидроэлектростанциях, помимо выполнения основных задач, таких как запуск и остановка турбогенераторной установки, увеличение и уменьшение реактивной мощности, а также аварийное остановление, система возбуждения должна также соответствовать требованиям стандарта IEC61850 по моделированию данных и функциям связи, а также поддерживать связь с сетью управления станции (сеть MMS) и сетью технологического уровня (сети GOOSE и SV). Устройства системы возбуждения размещаются на уровне блоков в структуре интеллектуальной гидроэлектростанции, а блоки объединения, интеллектуальные терминалы, вспомогательные блоки управления и другие устройства или интеллектуальное оборудование размещаются на технологическом уровне. Структура системы показана на рисунке ниже.
Интеллектуальная система возбуждения
Главный компьютер уровня управления станцией интеллектуальной гидроэлектростанции соответствует требованиям стандарта связи IEC61850 и передает сигнал системы возбуждения на главный компьютер системы мониторинга через сеть MMS. Интеллектуальная система возбуждения должна иметь возможность подключаться к коммутаторам сети GOOSE и сети SV для сбора данных на технологическом уровне. Технологический уровень требует, чтобы данные, выводимые трансформаторами тока (ТТ), трансформаторами напряжения (ТН) и локальными компонентами, были в цифровом виде. ТТ и ТН подключаются к блоку объединения (электронные трансформаторы подключаются оптическими кабелями, а электромагнитные трансформаторы — кабелями). После оцифровки данных тока и напряжения они подключаются к коммутатору сети SV по оптическим кабелям. Локальные компоненты должны быть подключены к интеллектуальному терминалу по кабелям, а сигналы коммутатора или аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы и передаются на коммутатор сети GOOSE по оптическим кабелям. В настоящее время система возбуждения в основном имеет функцию связи с сетью MMS уровня управления станцией и сетью GOOSE/SV технологического уровня. Помимо соответствия требованиям стандарта связи IEC61850, обеспечивающим взаимодействие сетевой информации, интеллектуальная система возбуждения должна также обладать комплексным онлайн-мониторингом, интеллектуальной диагностикой неисправностей, а также удобством в проведении испытаний и техническом обслуживании. Работоспособность и эффективность применения полнофункционального интеллектуального устройства возбуждения необходимо проверить в будущих реальных инженерных проектах.
Дата публикации: 09.10.2024
